發(fā)酵工程簡介.ppt

1、第三節(jié) 發(fā)酵工程簡介,一、發(fā)酵工程的概念,指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的 某些特定功能， 為人類生產(chǎn)有用 的產(chǎn)品或直接把 微生物應(yīng)用于工 業(yè)生產(chǎn)過程的一 種新技術(shù)。,微生物學(xué)的奠基人偉大的巴斯德,我國的傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品醬油、醋、腐乳等享譽(yù)世界 我國的釀酒已經(jīng)有4000多年的歷史 我國的醬油距今已有3000年的歷史 1857年巴斯德證明發(fā)酵是由于微生物的作用,密閉式發(fā)酵罐,二、發(fā)酵工程的生產(chǎn)實(shí)例,谷氨酸是味精的主要成分,生產(chǎn)谷氨酸可以采用哪些方法？,兩種生產(chǎn)方式有什么不同？,傳統(tǒng)生產(chǎn)方式 現(xiàn)代生產(chǎn)方式,蛋白質(zhì)水解,微生物發(fā)酵,？,發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品的流程簡圖,谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑,谷氨

2、酸棒狀桿菌在一定的條件下能夠利用環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)來合成谷氨酸。,在工廠里是怎樣應(yīng)用谷氨酸棒狀桿菌來生產(chǎn)谷氨酸的？,（1）菌種的選育 （2）培養(yǎng)基的配制 （3）培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌 （4）擴(kuò)大培養(yǎng)和接種 （5）發(fā)酵過程 需嚴(yán)格控制溫度、PH、溶氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件 （6）產(chǎn)品的分離提純 菌體可采用過濾、沉淀等方法分離 代謝產(chǎn)物可采用蒸餾、萃取、離子交換等方法提取,中心階段,三、發(fā)酵工程內(nèi)容,（誘變育種、基因工程和細(xì)胞工程）,是不是所有的谷氨酸棒狀桿菌都可用于谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)呢？我們應(yīng)該選育什么樣的谷氨酸棒狀桿菌作為菌種呢？ 只有選擇細(xì)胞膜通透較強(qiáng)，在細(xì)胞內(nèi)不積累谷氨酸的谷氨酸棒狀桿菌做菌種才有

3、可能獲得大量的谷氨酸。,谷氨酸產(chǎn)生菌的種類 谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌等,菌種,菌種的選育,要想通過發(fā)酵工程獲得在種類、產(chǎn)量和質(zhì)量等方面符合人們要求的產(chǎn)品，最重要的是要有優(yōu)良的菌種。,怎樣才能得到優(yōu)良的菌種呢？,如果生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物,可以從自然界中先分離出相應(yīng)的菌種，再用物理或化學(xué)的方法使菌種產(chǎn)生突變，從突變個(gè)體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。,如果生產(chǎn)的是一般微生物不能合成的產(chǎn)品,可用基因工程、細(xì)胞工程的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，以構(gòu)建工程細(xì)胞或工程菌，從而達(dá)到生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的,有了菌種用什么樣的培養(yǎng)基去培養(yǎng)呢？ 培養(yǎng)基應(yīng)滿足微生物生長所需要的碳源、氮源、水、無機(jī)鹽和生

4、長因子等營養(yǎng)需求。 這種培養(yǎng)基從組成成分和物理性質(zhì)上看屬于哪種培養(yǎng)基? 從物理性質(zhì)上看是液體培養(yǎng)基，從化學(xué)成分上看是天然培養(yǎng)基。,培養(yǎng)基的配制,問：為什么要用液體培養(yǎng)基？ 答 ：能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)在發(fā)酵過程中得到充分的利用； 還能為菌體提供更大的生存空間； 有利于生產(chǎn)過程中條件的控制和產(chǎn)物的提取。 問：為什么要用天然培養(yǎng)基？ 能滿足菌體的營養(yǎng)需要； 能降低生產(chǎn)成本； 能減少對(duì)環(huán)境的污染。,培養(yǎng)基的配制,在配制培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)該注意哪些事情呢？ 以谷氨酸發(fā)酵為例 （1）培養(yǎng)基的營養(yǎng)要全面 ，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，會(huì)影響菌種的生長繁殖及正常的代謝活動(dòng)。如生物素 是谷氨酸棒狀桿菌的生長因子，缺乏生物素，谷氨酸合成受阻。

5、 （2）各營養(yǎng)物質(zhì)的比例和濃度會(huì)影響菌種的代謝途徑等。如在碳源和氮源的比為3：1 時(shí)，谷氨酸棒狀桿菌會(huì)大量合成谷氨酸，但在碳源和氮源的比為4：1 時(shí)，谷氨酸棒狀桿菌只生長不合成谷氨酸。 （3）PH應(yīng)適宜，當(dāng)PH下降，培養(yǎng)液呈酸性時(shí)，谷氨酸棒狀桿菌就會(huì)生成乙酰谷氨酰胺。,配制好培養(yǎng)液后，是否可以立即加入菌種？ 不能 需要進(jìn)行滅菌 為什么要?dú)⒕?？如何滅菌算徹底?因?yàn)殡s菌污染后，導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降，甚至得不到產(chǎn)品； 殺死所有雜菌的細(xì)胞體、芽孢和孢子 滅菌： 殺死一定環(huán)境中全部微生物的細(xì)胞體、芽孢和孢子,將培養(yǎng)液投放到發(fā)酵罐中，通入98kPa的蒸汽進(jìn)行滅菌,滅菌,滅菌,發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一的純

6、種，整個(gè)發(fā)酵過程中不能混入雜菌。這是為什么呢？ 在發(fā)酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關(guān)系，對(duì)發(fā)酵過程造成不良影響。 例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會(huì)使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。 如果在青霉素生產(chǎn)過程中污染了雜菌，這些雜菌則會(huì)分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。,滅菌,那如何防止雜菌的污染呢？ 要在發(fā)酵前對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌處理。 怎樣才算滅菌徹底呢？ 用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢和孢子。,是否可以將所選擇的優(yōu)良谷氨酸棒狀桿菌直接加入發(fā)酵罐中？ 大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)需要大量的菌種，應(yīng)先經(jīng)過多次擴(kuò)大培養(yǎng)。 用于生產(chǎn)的菌種應(yīng)選擇處于對(duì)

7、數(shù)期的谷氨酸棒狀桿菌 這樣可以縮短生產(chǎn)周期。,擴(kuò)大培養(yǎng)和接種,擴(kuò)大培養(yǎng)和接種,如何得到發(fā)酵生產(chǎn)所需要的大量菌體來縮短生產(chǎn)周期呢？ 經(jīng)過多次的擴(kuò)大培養(yǎng)。 如何對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)呢？ 擴(kuò)大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對(duì)數(shù)期的菌體分開，分頭進(jìn)行培養(yǎng)，以促使菌體數(shù)量快速增加，能在短時(shí)間里得到大量的菌體。,擴(kuò)大培養(yǎng)和接種,擴(kuò)大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)有何不同呢？ 擴(kuò)大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時(shí)期內(nèi)快速增殖，而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。 例如：在酒精發(fā)酵過程中，擴(kuò)大培養(yǎng)是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進(jìn)行。而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過程中則必須在無氧條件下進(jìn)行以獲得大量的

8、酒精 有了用于生產(chǎn)的充足的菌體，在接種時(shí)要注意什么事項(xiàng)呢？ 接種過程中要注意防止雜菌污染。,加料口 放料口 無菌空氣入口 排氣口 冷卻水進(jìn)口 冷卻水出口 PH檢測及控制裝置 攪拌器,發(fā)酵過程中應(yīng)該注意控制好哪些條件？ 溫度 PH 氧氣 培養(yǎng)過程中不斷進(jìn)行攪拌的目的是什么？ 攪拌有利于溶氧 還能使培養(yǎng)液和菌種充分接觸，提高原料的利用率,谷氨酸棒狀桿菌是好氧菌,發(fā)酵,發(fā)酵過程,將菌體接種到裝有培養(yǎng)液的發(fā)酵罐中，還需要對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行檢測和對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行控制。這是為什么呢？ 發(fā)酵產(chǎn)物主要在菌體生長的穩(wěn)定期產(chǎn)生。因此，要 在發(fā)酵過程中隨時(shí)取樣檢測培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)目、產(chǎn)物濃度以了解發(fā)酵進(jìn)程， 及時(shí)添加必需的

9、培養(yǎng)基成分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時(shí)間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物。 同時(shí)，還應(yīng)對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。,發(fā)酵過程,哪些條件能影響菌體的發(fā)酵呢？ 發(fā)酵生產(chǎn)中溫度、pH、溶氧量、轉(zhuǎn)速等對(duì)發(fā)酵過程有重大影響。,環(huán)境中有哪些非生物因素可能影響谷氨酸發(fā)酵？ O2 溫度 3037 3437 PH 7.08.0 無機(jī)鹽 PO43- 濃度過高，則轉(zhuǎn)為纈氨酸發(fā)酵 pH呈酸性：乙酰谷氨酰胺； 溶氧不足：乳酸或琥珀酸； 碳氮比的變化：3：1：利于菌體繁殖 4：1：利于谷氨酸生成；,分離、提純,菌體本身，如酵母菌和細(xì)菌等 采用過濾、沉淀等方法將菌體從培養(yǎng)液中分離出來 代謝產(chǎn)物 采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進(jìn)行提取。 如谷

10、氨酸提取出來后，加入適量的Na2CO3溶液中和后，再經(jīng)過濾、濃縮、離心分離等步驟，便制成了味精。,應(yīng)用特點(diǎn) 生產(chǎn)條件溫和 原料來源豐富 價(jià)格低廉 產(chǎn)物專一 廢棄物對(duì)環(huán)境污染小容易處理等,四、發(fā)酵工程的應(yīng)用,在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用 利用微生物工程生產(chǎn)藥品 維生素、動(dòng)物激素、藥用氨基酸、核苷酸、抗生素 基因工程與發(fā)酵工程結(jié)合 人的生長激素、生長激素釋放抑制因子、胰島素 細(xì)胞工程與發(fā)酵工程結(jié)合 某些單抗,復(fù)合維生素片,在食品工業(yè)上的應(yīng)用 生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品 啤酒、醋等 生產(chǎn)各種食品添加劑 色素、甜味劑、酸味劑、鮮味劑等 單細(xì)胞蛋白 微生物菌體（富含蛋白質(zhì)）,生物工程各分支領(lǐng)域的關(guān)系,生物工程的上游工程： 基因工程、細(xì)胞工程 按照人的