发酵工程的特征.ppt

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1、第一节 发酵工程的特征,发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。又称为微生物工程。目前，人们把利用生物细胞的生命活动来制备目的产物的过程统称为发酵。,发酵工程的概念和内容,（一）发酵工程的概念采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或者直接把微生物应用于工业生产的一种新技术。,发酵工程的概念和内容,（二）发酵工程的内容菌种的选育培养基的配制灭菌扩大培养和接种发酵过程产品的分离提纯等,菌种的选育,要想通过发酵工程获得在种类、

2、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。,怎样才能得到优良的菌种呢？,如果生产的是微生物直接合成的产物,可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。,如果生产的是一般微生物不能合成的产品,可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的,培养基的配制,要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意哪些事情呢？（1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无

3、机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH。（2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。（3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。,灭菌,发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。,灭菌,那如何防止杂菌的污染呢？要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。怎样才算

4、灭菌彻底呢？用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。,扩大培养和接种,如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？经过多次的扩大培养。如何对菌种进行扩大培养呢？扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。,扩大培养和接种,扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精有

5、了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？接种过程中要注意防止杂菌污染。,发酵过程,将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。这是为什么呢？发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。,发酵过程,哪些条件能影响菌体的发酵呢？发酵生产中温度、pH、溶氧量、转速等对发酵过程有重大影响。,分离、提纯,代谢产物采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来菌体本身，如酵母菌和细菌等采用蒸

6、馏、萃取、离子交换等方法进行提取。,二、发酵技术的特点,1.多个反应过程可在发酵过程中一次完成；2.反应通产在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备很简单；3.原料来源广泛，可再生；4.可特异性地进行复杂的化学反应；5.要求无菌操作。,第二节 发酵工程的发酵简史,天然发酵时期纯培养技术的建立深层培养技术的建立代谢控制发酵技术的建立发酵原料的转变基因工程引入发酵工程,2023/9/27,16,第一阶段,传统经验制造技术天然发酵阶段(natural fermentation stage),特点：1.靠自然发酵 2.历史悠久 3.经验丰富 4.工艺独特,2023/9/27,17,谷物淀粉,曲水解,糖

7、液,酵母,各类风味特殊的曲酿酒,酿酒制醋是人类最早掌握的发酵技术之一,2023/9/27,18,第二阶段,纯种培养技术的成熟初级代谢产物生产阶段(production stage of primary metabolites),1680年，荷兰人Leeuwenkoek首次在雨水和醋中观察到大量活着的微动体，宣告微生物的存在。,1857年，发酵学之父法国人Pasteur首次证明酒精发酵是由酵母菌引起，发酵现象是微生物所进行的化学反应。,德国人Koch首先应用固体培养基（先是明胶，后改后琼脂），以后Petri又创造了培养皿。这一阶段，发明了单种微生物的纯培养技术，使得微生物也可按林奈生物分类法进行

8、分类。,2023/9/27,19,同时，Bunchner证明了酒精发酵过程是由酶催化的一系列化学反应，从此近代微生物学和生物化学应运而生了。,酵母汁,蔗糖,CO2,乙醇,20世纪初，人们认识到，生物化学领域中研究过的肌肉糖酵解作用，与微生物引起的乳酸发酵和乙醇发酵，在本质上是相似的，于是将生物化学和微生物学彼此沟通起来。,2023/9/27,20,厌氧发酵产品：乳酸、酒精、丙酮-丁醇,好氧发酵产品：柠檬酸、面包酵母、淀粉酶、蛋白酶,1.生产过程简单，对发酵设备的要求不高；2.生产规模不大；3.发酵产品的结构比原料简单，属于初级代谢产物。,该阶段特点：,2023/9/27,21,第三阶段,通气搅

9、拌技术的成熟好氧培养阶段(aerobic culture stage),1928年：英国Flemming首先发现青霉素,1941年：英国和美国合作开发青霉素,表面培养(surface culture)：1L的锥形瓶装200ml培养液，发酵效价约40U/ml，提取纯度20，收率约35，生产1kg 20纯度(purity)的青霉素要用8万个培养瓶。,2023/9/27,22,通气搅拌发酵(agitated-aerated fermentation)：1943年研制出青霉素深层液体发酵(submerged fermentation)工艺，包括5m3机械搅拌发酵罐(mechanical agitati

10、ng fermenter)，通入无菌空气和离心萃取(centrifugal extraction)、冷冻干燥(freeze drier)等，当时发酵效价200U/ml，目前发酵效价已达到65000U/ml，提取纯度为60，收率约75%。每5m3的发酵罐可生产60的青霉素0.75kg。,2023/9/27,23,在理论和实践相结合的基础上，反映生物和化工交叉的学科生化工程(biochemical engineering)诞生。,至此，发酵工程在微生物学、生物化学和生化工程的三大学科基础上迅速形成为一个完整的体系，进而促进了抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工业的大力发展。,2023/9/27,24,

11、第四阶段,代谢控制发酵技术的成熟,20世纪40年代以前，微生物学与孟德尔遗传学完全无关,红色糖多孢菌、大肠杆菌和酵母菌易形成所需的生化缺陷型，不仅促进了遗传学的发展，而且形成微生物遗传学(microbial genetics)。,20世纪50年代出现了以微生物的突变株发酵生产氨基酸、核酸，通过遗传突变有目的地控制微生物所具有的一系列代谢反应途径，即建立了代谢控制发酵技术。,对通气搅拌生物反应器改良，发展气升式生物反应器以便降低能耗，提高供氧，并减少染菌死角；研制出多种新型分离介质，如新型树脂材料、超滤等。,2023/9/27,25,本阶段特点：,1.对纯种发酵和无菌操作要求严格；2.规模巨大，

12、搅拌发酵罐已达500m3，气升式发酵罐为2000m3；3.产品种类多，从初级代谢产物到次级代谢产物；4.配套技术发展快速。,粮食 烷烃农副产品 天然气 石油,第五阶段,发酵原料的转变,2023/9/27,27,第六阶段,基因重组技术的成熟现代生物技术阶段,由于分子生物学的发展，建立了基因操作技术，打破了生物的壁垒，可人为地把特定的有用基因进行重组（微生物之间转移基因，改造微生物基因）使微生物细胞合成由高等生物细胞才能生产的有关化合物，为新的发酵工艺打下基础，如胰岛素和干扰素的生产。,20世纪70年代细胞融合技术和固定化技术的发展为发酵过程赋予新的生命力，新形成许多新的发酵过程，生物技术过程中的

13、设备也得到提高和发展。,2023/9/27,28,本阶段特点：,1.可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如胰岛素、生长激素、细胞因子和多种单克隆抗体；2.生物技术与其它学科交叉研究，如信息技术与生物技术的交叉，推动形成了生物信息学(biological information)的建立和生物芯片技术的发展；3.生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品、化工、能源和环境等领域。,第三节 发酵工程的应用,在发达国家，发酵工业的产值占国民生产总值的5%。在医药产品中，发酵产品的产值占20%。在医药、食品、化工、冶金、资源、能源、环境等诸多领域有着广泛的应用。,发酵工程的应用,（一）在医药工业

14、上的应用1.生产出了种类繁多的药品2.发酵工程对医药工业的一个重大贡献应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素2、抗血友病因子等。,发酵工程的应用,（二）在食品工业上的应用主要包括以下三方面。第一，生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。第二，生产各种食品的添加剂。第三，帮助解决粮食问题。,（三）发酵工程在能源工业中的应用,1.新型能源2 石油开采3.微生物电池4.沼气,（四）发酵工程在化学工业中的应用,化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）生物表面活性剂；,（六）发酵工程在其他方面的应用,农牧业：生物固氮、生物

15、杀虫剂、微生物饲料；冶金工业和环境保护。,第三节 发酵工业产品类型,一、发酵生产类型1.微生物菌体发酵（酵母、单细胞蛋白、药用真菌、杀虫剂等）；2.微生物酶发酵（淀粉酶、糖化酶、氨基酰化酶、青霉素酰化酶等）；3.微生物代谢产物发酵（初级代谢产物、次级代谢产物）；,4.微生物的转化发酵：微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成更有经济价值的产物。5.生物工程细胞的发酵，是指利用生物工程技术所获得的细胞进行培养的新型发酵，其产物多种多样。,思考题,1.什么是发酵工程？发酵工程有哪些特征？2.简要说明发酵工程的应用3.发酵工业产品类型？,初级代谢产物和次级代谢产物,在菌体对数生长

16、期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长因子等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。,微生物发酵过程,根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵三大类：（1）好氧性发酵，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵。（2）厌氧性发酵，如乳酸发酵，丙酮、丁醇发酵。（3）兼性发酵，如酵母菌却氧条件下发酵生产酒精，有氧条件下繁殖菌体。,一、工业生产常用微生物,当前发酵工业所用菌种的总趋势：从野生菌转向变异菌；从自

17、然选育转向代谢控制育种；从诱发基因突变转向基因工程的定向育种。工业上常用的微生物是：（1）细菌（2）放线菌（3）酵母菌（4）霉菌（5）其他微生物 a 担子菌 b 藻类,二、培养基,培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营养物质的混合物。培养基的成分和配比，对微生物的生长、繁育、代谢及产物的积累，甚至对发酵工业的生产工艺都有很大的影响。,1、培养集的种类，依据其在生长中的用途，可将培养基分成：（1）孢子培养基，是供制备孢子用的。（2）种子培养基，是供孢子发芽和菌体生长繁殖用的。（3）发酵培养基，是供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。2、发酵培养基的组成（1）碳源（2）氮源（

18、3）水（4）生长因子（5）无机盐和微量元素（6）产物形成的诱导物、前体和促进剂,三、发酵的一般过程,发酵工艺多种多样，但基本上包括以下几个过程：1、菌种制备 2、种子扩大培养 是指将保存的生产菌种逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。3、发酵，是微生物合成大量产物的过程。4、下游处理 发酵结束后，要对发酵液和生物细胞进行分离和提纯精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。,第三节 发酵操作方式及工艺控制,1、发酵的操作方式（1）分批发酵，营养和菌种一次加入进行培养，直到结束放出。（2）连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持稳定

19、，微生物在稳定状态下生长。其反应器有搅拌罐式反应器和管式反应器两种。（3）补料分批发酵，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。,2、发酵工艺控制,发酵过程中，为了能对生产过程进行控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。对发酵影响较大的参数有：（1）温度，影响酶活性，改变菌体代谢方向。（2）pH值，影响酶活性，影响细胞膜的通透性。（3）溶解氧浓度。,第四节 发酵设备,进行微生物深层培养的设备统称发酵罐。优良的发酵装置应具有严密的结构，良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率，配套的检测及控制仪表。,1、机械搅拌式发酵罐，利用机械搅拌器的作用，使空气和

20、发酵液充分混合，促进氧的溶解。包括：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。2、通风搅拌式发酵罐，在通风搅拌式发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用发酵罐的空气，代替搅拌器使发酵液均匀混合。包括空气代生式发酵罐和高位塔式发酵罐。3、厌氧发酵设备,第五节 下游加工过程,从发酵液中分离、精制有关产品的过程称为发酵生产的下游加工过程。是发酵生产中最重要、成本费用最高的环节。一般可分为四个阶段：1、发酵液预处理和固液分离2、提取3、精制4、成品加工,第六节 固体发酵,某些微生物生长需水很少，可利用疏松而含用必需营养物的固体培养基进行发酵生产，称为固体发酵。固体发酵一般都是开放时，因而不是纯培养，无菌要求不高，它的一般过程为：将原料预加工后在经蒸煮灭菌，然后制成含一定水分的固体物料，接入预先培养好的菌种，进行发酵。返回,