发酵工程绪论.ppt

发酵工程课程内容,学习要求：理论与实验紧密结合,1、理论学习是前提2、实验基本技能操作能力是基础3、实验设计能力是要求4、实验探索研究能力培养是目的,思 考：,发酵工程与我国国民经济的关系？发酵产品与我们生活的关系？,第一章 绪 论,第一节 发酵和发酵工程的涵义第二节 发酵工程的发展简史第三节 发酵工程的基本内容第四节 发酵工业的范围第五节 发酵类型与流程第六节 发酵工程的应用第七节 发酵工业展望第八节 发酵工程的课程任务和内容,第一节 发酵和发酵工程的涵义,一、发酵的涵义二、发酵工程的概念,一、发酵的涵义,1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵4、发酵的现代概念(p1),1、传统发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或发芽谷物产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,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。,2、生化和生理学意义的发酵,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CO2的过程。,3、工业上的发酵,泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。包括：1.厌氧培养的生产过程。如酒精，乳酸等。2.通气（有氧）培养的生产过程。如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,4、发酵的现代概念,利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程，统称为发酵。,利用微生物的特点：,发酵工程所利用的微生物：细菌、放线菌，酵母菌和霉菌等。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。,二、发酵工程,（一）发酵工程的概念发酵工程是利用微生物生长与代谢活动，通过现代工程技术手段进行工业规模生产的技术。由于它以培养微生物（发酵）为主，所以习惯上也称为微生物工程。即利用微生物发酵过程来生产产品。（P1）,（二）发酵工程技术的特点,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)发酵工程主体微生物的特点(2)发酵工程技术的特点(3)发酵工程反应过程的特点（p2）,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。,发酵工程是研究微生物工业生产中各单元操作的工艺和设备的一门学科，它是利用生化工程的原理和方法、生物反应器技术及分离纯化技术，将生物工程的实验室成果进行工业开发的学科，是生物工程不可分割的一部分。,（三）发酵工程产品的类型,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食品、医疗保健药物；天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素；单细胞蛋白等微生物菌体。生物能微生物冶炼（p3）,第二节 发酵工程的发展简史（p7-12）,一、自然发酵时期（传统发酵时期）二、近代发酵工程时期纯培养技术的建立：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。,三、现代发酵工程时期基因工程阶段 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。,发酵工业发展阶段的过程,现代生物技术特别是基因工程赋予发酵工程新的生命力，现代发酵工程产品种类不断增加，是方兴未艾的高新技术产业，。它不但为人类提供所需的产品、在农业、化工原料等行业的应用中显示巨大的潜力，并且随着现代发酵技术的应用将为人类创造出更大的经济效益。,第三节 发酵工程的基本内容,一、发酵工程的特征二、发酵工程研究的主要内容三、获得发酵产品的条件,一、发酵工程的特征（p13）,1、原料：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、菌种：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。,3、条件：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。5、产物：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、特点：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。,二、发酵工程研究的主要内容,1、工业生产菌种的选育。2、最佳发酵条件的选择和控制。3、生化反应器（发酵罐）的设计。4、产品的分离、提取及精制等过程。发酵工程的内容是随科学技术的发展而不断扩大和充实的。,适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件微生物发酵的设备精制成产品的方法和设备,三、获得发酵产品的条件,第四节 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,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。,3、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。,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。生物转化的最终产物不是微生物细胞利用营养物质代谢产生的，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，进行化学反应而形成的。生长细胞、静止营养细胞、孢子或干细胞均能进行生物转化。特点：特异性强（反应特异性、结构位置特异性、立体特异性）。,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 生物固氮代替化学肥料 微生物杀虫剂代替化学农药 培育和创造能在恶劣条件下生长，并且能抗病虫害和草害的农作物新品种 为人类提供动物蛋白微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域,第五节 发酵类型与流程（p25）,一、类型 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 根据发酵位置是表面或深层区分：表面发酵和深层发酵 根据发酵是间歇或连续区分：分批发酵和连续发酵 根据所用菌种是单一或多种区分：单一纯种发酵和混合发酵,二、发酵的流程（有氧）,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,三、工业发酵步骤和工艺流程,1、培养基的配制：用于培养菌种及扩大的发酵罐生产。2、消毒灭菌：培养基、发酵罐以及辅助设备的灭菌。3、接种：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、发酵过程控制：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、产物后处理：将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品。6、废物处理：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,工业发酵生产的基本流程（好氧发酵）,（一）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,（二）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。,（三）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。,（四）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。,（五）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。,第六节 发酵工程的应用,发酵工业是一种以高科技含量为特征的新型工业，近年来特别是90年代以来，行业的迅速发展已经使其在食品工业中占有重要地位。其中味精、柠檬酸、酶制剂、酵母、淀粉糖等产量逐年递增，在国民经济中占有十分重要的地位和作用。（p3）,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、发酵工程在食品工业中的应用,生物农药：微生物杀虫剂、防治植物病害微生物食品加工：单细胞蛋白含醇饮料：葡萄酒、啤酒、果酒、白酒等发酵乳制品：酸奶、乳酪、奶酒等调味品和发酵食品：味精、肌苷酸、鸟苷酸、酱等甜味剂：葡萄糖、麦芽糖等食品添加剂：面包酵母、柠檬酸、色素、维生素等食品检验：食品免疫检验方法可检测含量极低的微量残留物、真菌毒素、抗生素、激素、细菌毒素等,2、发酵工程在医药工业中的应用,维生素：B2、B12、2-酮基-古龙酸等氨基酸：谷氨酸、丙氨酸、精氨酸等甾体激素：可的松、氢化可的松、肤轻松等生物制品：疫苗、菌苗、类毒素、含抗体的制品等治疗用酶：蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等酶抑制剂：胆固醇抑制剂作为治疗高血压、高血脂的 药物其他：肌苷、辅酶A可治疗心脏病、白血病、血小板下降，肝病等,3、发酵工程在轻工业中的应用,由微生物可生产出许多种可用于轻工业加工的酶，如：蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、过氧化氢酶、淀粉酶、氨基酰化酶等。,4、发酵工程在化工能源产品中的应用,醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丁醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、苹果酸等多糖：右旋糖酐、黄原胶、海藻酸等烷烃：甲烷清洁能源：氢气、微生物燃料电池藻类产油,5、发酵工程在农业中的应用,生物农药：微生物杀虫剂、防治植物病害微生物生物除草剂生物增产剂食用菌和药用真菌,6、发酵工程在环境保护中的应用,厌气发酵法：沼气发酵、饲料发酵、肥料发酵好气发酵法：废水、废气的处理,7、发酵工程在细菌冶金中的应用,利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌把亚铁氧化为高铁，把硫或低价硫化物氧化为硫酸的能力，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。用此法浸出的金属有铜、锌、铅、钴、铀、金等。,8、发酵工程在高技术研究中的应用,为基因工程提供质粒、病毒载体，限制性内切酶、连接酶、磷酸酶等；为医学诊断提供生物传感器（DNA芯片、酶）等。,第七节 发酵工业的展望,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理广泛地用于环境工程,第八节发酵工程的课程任务和内容,1、任务,深入理解嫌气发酵和好气发酵有关的工艺原理，懂得应用这些基本理论去分析和解决发酵工业生产中的具体问题，使生产过程更好的符合客观规律，进一步提高发酵产品的质量和产率。同时初步具有选育优良菌种，合理控制发酵条件和调节代谢途径，增加前体或抑制剂，提高某些系统酶系的酶活，使生产过程连续化、自动化。探求新工艺、新设备和从事发酵工程研究和设计的能力。,2、内容,本期将从以下四个方面介绍：1、发酵工程原理：菌种、微生物代谢调节与控制、培养基。2、发酵工程下游加工工程：发酵液的预处理，产物的分离、纯化、精制。3、发酵工程生产设备：发酵罐、辅助设备、分离设备。4、发酵工程生产举例。,参考书：,发酵设备，高孔荣，轻工业出版社,发酵工程最优化控制，钱铭镛，江苏科学技术出版社,微生物工程工艺原理，姚汝华，华南理工大学出版社,微生物工程，曹军卫，科学出版社,其他参考书,1.发酵工程原理与技术应用余龙江 主编，化工出版社2.现代食品微生物学实验技术主编刘慧，轻工出版社3.发酵设备高孔荣主编，轻工业出版社4.新编生物工艺学上下册，俞俊棠主编，化工出版社5.发酵工业概论李艳主编，轻工出版社6.微生物工程焦瑞身主编，化学工业出版社7.发酵工艺原理熊宗贵主编，中国医药出版社8.微生物学实验技术杜连祥主编，轻工出版社9.微生物学实验教程钱存柔主编，北京大大学出版社教材：发酵工程韦革宏主编，科学出版社,小 结,1、发酵工程领域的基本概念（次重点）识记：发酵、发酵工程、发酵方式、发酵 产品类型。2、微生物发酵过程的特点（重点）领会：微生物反应与化工反应的区别。应用：与化工生产相比较，叙述发酵工程的优点。3、发酵工程所涉及的主要内容及应用领域（次重点）4、发酵技术的进展及发展方向（一般）,思考题:,简述某种微生物的特殊作用。,