工业发酵分析ppt课件.ppt

,工业 发 酵分析,课程的目的、要求、地位和作用,发酵分析是发酵工程专业及相关的生物工程、生物化工等专业必修的专业课。该课程是先期学习了“发酵工程”、“生物化学”、“微生物学”、“物理化学”和“化工原理”等基础课或专业技术基础课后开设的一门必修学位课。,本课程的任务是通过学习，使学生掌握发酵分析方面的基本原理，从而培养学生独立思考和实际动手能力，提高分析和解决问题的水平，其基本要求是： 1、掌握各分析方法的基本原理 2、熟悉各分析方法的具体步骤 3、了解发酵分析在发酵工业中的应用,一、基本概念1. 发酵一词的来源 “发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。,第一章 发酵简介,2. 狭义 “发酵”的定义,在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。,3. 广义 “发酵”的定义,工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,4. 发酵工程（Fermentation Engineering）的定义,发酵工程（Fermentation Engineering）属于生物技术的范畴 。最初是由一位匈牙利工程师Karl Ereky于1917年提出的。 生物技术的定义：应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。,发酵工程（Fermentation Engineering）:应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。,发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。,典型的发酵过程示意图,发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵罐和发酵原料以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。,(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。,13,二、微生物发酵技术,1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。,14,利用微生物的特点,发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力,15,三、发酵工业,定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。,发酵过程的组成,繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；产物提取和精制；过程中排出的废弃物的处理。,发酵生产的条件,某种适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧pH等） 进行微生物发酵的设备提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备,18,四、发酵工业的发展历史,天然发酵阶段纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养代谢控制发酵技术：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。,19,开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸基因工程阶段： 采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。,20,五、发酵工业的范围,1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业3、以微生物酶为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物废水处理和其他,微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。,4、微生物的生物转化,定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。,27,发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）其它 （冶金工业）,Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical (Antibiotics)Feedstuff (eg. SCP)Environmental Application (Waste Treatment)Others (eg. Metallurgical industry),(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。,六、发酵工业的特征,(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。,(5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。,(7) 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。(8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。,七、发酵方法的类别与流程,1、类别： 根据对氧的需要区分： 厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵 根据微生物生长特性区分： 分批发酵和连续发酵,2、发酵的流程,空气,空气净化处理,保藏菌种,斜面活化,扩大培养,种子罐,主发酵,碳源、氮源、无机盐等营养物质,灭菌,产物分离纯化,成品,3. 工业发酵步骤和工艺流程,(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发 酵罐中(4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,3.1发酵原料的预处理,原料不同处理方法也有所差异。1. 淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐3. 碳氢化合物：石油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵,3.2菌种斜面培养,菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。,3.3 种子扩大培养,扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或匣子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。 需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇床上振荡培养。 厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。,3.4 微生物发酵和控制,发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,3.5 发酵产物的分离提取,利用菌体：离心沉淀或板框压滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。酒精发酵醪液蒸馏塔蒸馏；抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。,八、发酵工业的意义与展望,利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种采用发酵技术进行高等动植物细胞培养固定化技术广泛应用开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸将生物技术广泛地用于环境工程,国外发酵工业的发展趋势,1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移 2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要趋势。,4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75左右。,国内发酵工业的发展概况,我国传统发酵历史悠久，在黄帝内经素向里，已有酿酒的记载。白酒的起源，当在元朝以前，尚待考证。酱油的酿造，当始自周朝。在汉武帝时代开始有了葡萄酒，距今已有两千多年的历史。数千年来由于科学技术进步缓慢，各种微生物工业也未能充分发展。直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业。近几年来，由于生物新技术的应用，发酵工业开始进入新的发展时期。,1，白酒,中国的酿酒业，距今已有数千年的历史渊源。白酒是我国特有的、具有悠久历史的传统酒种。 1949年新中国成立时，我国白酒的产量只有108万t 。1996年，我国白酒产量达到历史高峰，总量达到80130万t。目前，我国白酒的产量为400余吨。 规模较大的有五粮液、茅台、泸州老窖、剑南春、汾酒、古井。六家公司占据约10的市场份额，销售收入占整个行业的37.9。,2，黄酒,黄酒是我国最古老的酒种，早在夏、商、周三代就已经大量生产了，并流传至今，据史料记载已有6000年左右了。目前年产量为130万吨左右。,3，啤酒,1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成 1915年国人投资的双合盛啤酒厂建成 1949年啤酒产量仅七千余吨 1981年啤酒产量增至91万吨2005年产量达到3000万吨左右,4，葡萄酒,1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司，这是我国第一个新型的葡萄酒酿造厂 目前我国葡萄酒工厂已有近八十家 2003年葡萄酒年产量约34万吨。 年产万吨以上的有张裕、王朝、华夏、长城、新天酒业、柳河绿源、烟台威龙、烟台中梁。八家公司占据约60的市场份额，销售收入占整个行业的78.4。,5， 酱油和醋,早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵的技法，数千年来一直沿用自然发酵法 ，直到20世纪后才开始采用纯种培养技术生产，目前设备及酿造方法逐步实现了现代化酱油年产量约为450万吨，已居世界首位 醋年产量约为250万吨,6，酒精,二十世纪初期，外商在东北设立哈尔滨和阿城两个酒精厂 1922年山东溥益酒精厂成立，为第一个由国人设立的酒精厂 1934年华侨投资在上海浦东设立中国酒精厂，当时号称远东第一大型酒精厂 酒精年产量解放前仅1万吨左右。 2003年酒精产量约为250万吨左右。,7，酶制剂,1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工厂 目前有酶制剂生产厂家40家左右，其中万吨以上，销售额2000万以上有8家，其余均在万吨以下目前的年产量为22万吨左右,8，柠檬酸,1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的中型生产。 1965年由上海酵母厂首先采用深层发酵法，由薯干直接发酵生产柠檬酸。 生产能力为56万t/a，实际产量达35万t/a左右，出口量居世界第一位。,9，微生物制药,在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。 1958年我国最大的抗生素工厂华北制药厂亦正式投入生产。,10，味精,1964年我国谷氨酸发酵研究成功，首先在上海投入生产。 味精生产万吨以上产量的工厂有17家。最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨。 目前年产量130多万吨。,11，基因工程产品,我国已经开发成功了种基因工程药物和疫苗，世界上销售额排名前位的基因工程药物和疫苗，我国已能生产种。,12，细胞工程产品,紫草、三七等植物细胞已可在发酵罐中大规模培养。我国的传统中药涉及5000种左右植物，细胞培养是中药资源开发的一个重要方面。,我国发酵工业与先进水平的差距,1，多数工厂规模小、效益低 2，生产技术水平比较低3，产品品种单一，结构不合理 4，应用的深度和广度不够 5，技术装备和检测手段落后，自动化水平低 6，综合利用和环境治理差,复习,什么叫发酵？,什么叫发酵工程？,