发酵工程第一讲.ppt

第八章 发酵工程,第八章 发酵工程-第一讲,第一节 发酵工程的内容第二节 工业上常用的微生物第三节 菌种的选育和保藏,1、发酵工程的产生及发展2、发酵的定义3、发酵的基本过程4、发酵工程产品的类型,第一节 发酵工程的内容,1、发酵工程的产生及发展,现代科学概念的发酵工程开始于20世纪40年代初，是随着抗生素大规模深层发酵工艺的建立和兴起而得到迅速发展的。人们开始改变固体表面培养，采用液体深层培养。,1、发酵工程的产生及发展,生物工程的发展使发酵工程进入了新的时期。通过基因工程菌的大规模培养，可以大量生产只有动物或植物才能生产的物质。,1、发酵工程的产生及发展,发酵工程在环境保护领域应用也十分广泛，废水生物处理装置实际上可以看做一个大型发酵罐，有机污染物在微生物作用下，转化成水和CO2。,2、发酵的定义,发酵工程（微生物工程），是在人工控制的条件下，通过微生物的生命活动来获得人们所需要物质的过程的一种技术系统。,发酵工业由两个核心部分组成：一是获得最精良的生物细胞（酶）;二是创造生物细胞（酶）作用的最佳环境（优选发酵工艺 和设备）。发酵工程的主要内容包括:生产菌种的选育;发酵条件的优化与控制;反应器的设计及产物的分离；提取与精制等过程。,2、发酵的定义,3、发酵的基本过程,发酵工程由三部分组成：上游工程、发酵和下游工程。,3、发酵的基本过程,上游工程包括优良种株的选育、最适宜发酵条件（Ph、温度、溶氧和营养组成）的确定、营养物质的准备等。,发酵主要指在最适宜的发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气及加料速度的控制技术。,3、发酵的基本过程,根据不同的需要，发酵工艺可分为3类：1.批量发酵，即一次投料发酵；2.流加批量发酵，即在批量发酵的基础上，流加一定量的 营养，使细胞进一步生长，或得到更多的代谢产物；3.连续发酵，不断地流加营养，并不断地取出发酵液。,3、发酵的基本过程,下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。包括:固液分离技术（离心，过滤，沉淀分离等工艺）细胞破壁技术（超声，高压剪切，渗透压，表面活性 剂和溶壁酶等）蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干燥等）。,4、发酵工程产品的类型,发酵工程涉及的生产部门有食品工业、农产品加工、酒精和饮料酒工业、氨基酸工业、有机酸工业、化学工业、医药工业、工农业下脚料的处理和增值、工业废水的处理和增值等。,4、发酵工程产品的类型,目前已知具有生产价值的发酵产物类型有：微生物菌体本身；菌体生长所必须的基本代谢产物；菌体生长不必须的次级代谢产物；由菌体合成的大分子化合物；由菌体或酶系实现生物转化所得的产物等。,4、发酵工程产品的类型,有用于面包业的酵母及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵两种类型。菌体包括酵母，细菌，霉菌和真菌（包括食用菌）。,包括微生物杀虫剂的发酵，如苏云金杆菌、蜡样芽胞杆菌和侧孢芽胞杆菌，其细菌中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目和双翅目的害虫。,微生物菌体本身；,4、发酵工程产品的类型,以微生物的酶为产品：,酶类包括各个酶种、酶制剂和各种曲类（小曲、大曲、麸曲、麦曲）。微生物酶制剂有广泛的用途，多用于食品和轻工业中。医药用的酶制剂也得到大力发展，如用于抗癌的天冬酰胺酶和用于医药工业的青霉素酰化酶等，都得到了开发和生产。,以微生物代谢产物为产品：,4、发酵工程产品的类型,初级代谢产物：即菌体在生长期的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、类脂、糖类等，是菌体生长繁殖所必须的。产生这些产物的菌体生长时期叫做对数生长期。次级代谢产物：指微生物产生的与本身的生长和生命活动并不是密切相关的产物，它们一般产生于微生物生长的稳定期，也即静止期；如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子和拮抗性物质等。而者并非独立的代谢途径，两者有密切的关系，初级代谢的中间体或者产物往往是次级代谢的前提物或起始物。,利用微生物发酵转换或改造化合物结构：,4、发酵工程产品的类型,一是合成有用物，即将一种或几种化合物转变成结构相关的 更有经济价值的产物；二是分解有害物，即分解有害化合物使其无害化。生物转化 也化学反应相比具有许多优点，如特异性强，反应条件 温和、转化效率高、对环境无污染等。在维生素C的生产中，由我国科学家首创的“二步发酵法”，先将山梨醇转化成L山梨糖，再用两种菌株组合将L山梨糖转化成2-酮基-L-古龙酸。,第二节 工业上常用的微生物,1、细菌2、放线菌3、酵母菌4、霉菌5、病毒,微生物资源丰富，广布于土壤、水和空气等自然界中，其中土壤中最多。现在微生物工业用菌有的是野生型，有的是通过诱变得到的突变体。,第二节 工业上常用的微生物,1、细菌,枯草芽孢杆菌,产生大量的淀粉酶和蛋白酶饲料添加,1、细菌,大肠杆菌,大肠杆菌用于制取天冬氨酸、苏氨酸、颉氨酸等，在医药方面和基因工程方面是很好的研究材料.,1、细菌,乳酸杆菌,发酵糖产生大量乳酸而命名。应用：乳酸、干酪、奶子酒、发面、泡菜、酸奶等的制作。,1、细菌,双歧杆菌,双歧杆菌是寄生在人类肠道中的有益菌。它可与乳酸杆菌等有益菌混种，在加入某些低聚糖类作为双歧杆菌促生长因子，制成复合微生态制剂，是一种具有良好保健作用的功能性食品。,2、放线菌,从微生物中发现的抗生素有60%以上是放线菌产生的。,其中链霉菌属产生的抗生素约占各种微生物所产生抗生素的50%以上，如链霉素，土霉素，金霉素，四环素，红霉素，氯霉素，卡那霉素，螺旋霉素、洁霉素等。,3、酵母菌,酵母菌是单细胞真核微生物，在自然界中普遍存在，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境中，如水果，蔬菜、花蜜和植物叶子上，以及果园土壤中。石油酵母较多分布在油田周围的土壤中。,种类：酒精酵母、啤酒酵母、假丝酵母、红酵母、面包酵母,应用：生产酒精、啤酒、石油发酵脱蜡和制取蛋白质、生产脂肪.,3、酵母菌,3、酵母菌,红酵母,本属中有产脂肪较好的菌种。可由菌体提取大量脂肪。,4、霉菌,根霉,能将淀粉转化为糖。根霉常用作糖化菌种。是酿造工业中常用糖化菌。我国最早利用根霉糖化淀粉（即阿明诺法）生产酒精。,毛霉,4、霉菌,有几种毛霉能产生较多的蛋白酶，具有分解大豆蛋白的能力，多用于制造酸性蛋白酶、豆腐乳和豆豉。,4、霉菌,犁头霉,犁头霉对甾族化合物有较强的转化能力。,此属菌广泛分布于土壤、酒曲和各种粪便中，是制酒生产的污染菌，有些能在37摄氏度生长的种类是人、畜的病原菌，有些菌株为转化甾族化合物的重要菌株。,4、霉菌,曲霉,黑曲霉具有多种活性强大的酶系，如淀粉酶，蛋白酶，果胶酶、纤维素酶和葡萄糖氧化酶等。还能产生多种有机酸，如抗坏血酸，柠檬酸，葡萄糖酸和没食子酸等，所以在工业上被广泛应用，是产生柠檬酸和葡萄糖酸的重要菌种。,黄曲霉:,青霉,4、霉菌,有些青霉菌不仅是生产青霉素的重要菌种，还被用来生产有机酸、维生素和酶制剂等。,5、病毒,感染了病毒的细胞中，当病毒处于增殖高峰时会产生干扰素，其作用在于直接或通过酶反应来抑制病毒核酸的复制，因而可易用其生产干扰素。,第三节 菌种的选育和保藏,1、菌种选育的目的2、菌种的分离和筛选3、自然选育4、诱变育种5、杂交育种与分子育种6、菌种保藏,工业的生产水平取决于三个要素：生产菌种、发酵工艺和设备。优良菌种的选育不仅为发酵工业提供高产生产菌株，还可以提供各种类型的突变株，改善其生理生化特性，去除多余的代谢途径和产物，有利于合成新的产物，改善发酵工艺的条件，提高产品质量，增加经济效益。,第三节 菌种的选育和保藏,1、菌种选育的目的,菌种选育的目的：1.提高其生产能力：2.选育能适应工艺条件的菌种，如能利用廉价的发酵原料、能耐受某些化学消毒剂等。,2、菌种的分离和筛选,营养特性，利用廉价、来源丰富培养基原料 生长温度，高于40度 遗传和生产能力稳定 菌的转化能力和产物浓度要高 菌容易从发酵液中分离 菌种本身无毒，也不产生毒素,菌种的分离和筛选要根据生产实际的要求进行，一般对菌种的要求：,2、菌种的分离和筛选,分离和筛选菌种的具体做法一般分为4个步骤：1.样品采集；2.富集培养；3.纯种分离；4.发酵性能测定。,富集培养：一类使混合微生物群体中某特定微生物比例激增的培养方法。其一可用促进某特定微生物生长繁殖的选择性培养基或培养条件，其二可用抑制其他微生物生长繁殖的选择性培养基或培养条件。,3、自然选育,在工业生产中，由于各方面因素的影响，生产水平的波动比较大，经常从高生产水平批号中取样进行单菌落分离，从中选出比较稳定的菌株，用于生产。所以自然分离亦是诱变育种和杂交育种工作中一个不可缺少的环节。,3、自然选育,自然选育（自然分离）的一般程序是把菌种制备程单孢子悬浮液，经过适当的稀释以后，在固体平板上进行分离，挑取部分单菌落进行生产能力的测定，经反复筛选，以确定生产能力更高的菌株，代替原来的菌株。,自然选育是一种简单易行的选育方法，它可以达到纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产提高产量的目的。但是自然选育的最大缺点是效率低、进展慢，很难使生产水平大幅度提高。因此只有经常进行自然选育和诱变育种交替适用，才可以收到良好的效果。,3、自然选育,通过诱变处理就可以大大提高菌种的突变频率，扩大变异幅度，至今诱变育种仍是菌种改良的重要手段。能诱发基因突变并使突变频率提高到超过自然变水平的物理、化学因子都称为诱变剂。诱变育种就是采用合适的诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，在引起多数细胞致死的同时，其遗传物质DNA和RNA的化学结构发生改变，从而引起少数存活微生物的遗传变异。,4、诱变育种,4、诱变育种,微生物杂交育种一般指两个不同基因型的菌株通过接合或原生质体融合，其遗传物质重新组合，再从中分离和筛选出具有新性状的菌株。杂交育种是选用已知性状的供体菌株和受体菌株作为亲本，把不同菌株的优良性状几种于组合体中。,5、杂交育种与分子育种,分子育种是应用基因工程手段，在分子水平上，用人工方法取出供体DNA上的基因，在体外重组于载体DNA上，在转移到受体细胞，使受体下包的遗传性状发生改变。通过基因工程改造的微生物菌株被称为“工程菌”。,5、杂交育种与分子育种,6、菌种保藏,一般可通过保持培养基营养成分在最低水平，并在缺氧、干燥、低温、避光下使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。保藏方法很多，究竟采用何种方法，要根据具体菌种和具体情况来定。工业常用保藏方法有以下几种。,斜面冰箱保藏法:这是采用的一种方法，适合用于产孢子或者芽胞的微生物。这是一种短期过渡的保藏方法。将已长好的斜面菌种，置于4度左右的冰箱保存，定期移植到新的斜面培养基上继续保藏。一般保存期为36个月。,6、菌种保藏,砂土管保藏法:这是常采用的一种方法，适合于产孢子或芽胞的微生物，将洗净、烘干、过筛后的沙土分装在小试管内，经彻底灭菌后备用。然后将菌种制成悬浮液，滴入沙土管中，或将斜面孢子刮下，直接于沙土混合，置于干燥器中真空抽干，放冰箱内保存，保存期可达数年。,6、菌种保藏,石蜡油封保藏法:向培养成熟的菌种斜面上注入一层灭过菌的石蜡油，油层应高于斜面1cm，然后封口保存，保存期可达数年。,6、菌种保藏,真空干燥冷冻保藏法:这是目前常用的较为理想的一种方法，其基本原理是在较低的温度下快速将细胞冻结，然后在真空中使水分升华。在这样的环境中，微生物的生长和代谢都暂时停止，不易发生变异，因此，菌种保存期较长，一般在5年以上。,6、菌种保藏,液氮超低温保藏法:液氮温度可达196度，远低细胞新陈代谢停止的温度（130度），所以此时菌种的代谢活动已经停止。,6、菌种保藏,