发酵工艺学-山东师范大学0

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1赵蕾山东师范大学生命科学学院Zhaolei,PhDCollegeofLifeScienceShandongNormalUniversityE-mail:zhaolei@sdu.edu.cn发酵工程FermentationEngineering2发酵工程(fermentationengineering)•直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品的过程,又称微生物工程。•在最适发酵条件下,大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。3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…)FermentationIndustry•FermentedFoods•OrganicAcids•AminoAcids•Nucleotides•Enzymes•Pharmaceutical(Antibiotics…)•Feedstuff(eg.SCP)•EnvironmentalApplication(WasteTreatment)•Others(eg.Metallurgicalindustry)4为什么要利用微生物?•抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产?这与微生物的生长和代谢特点有什么关系?1、某些微生物因争夺生存环境或营养物,会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶,将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质,包括氨基酸、核苷酸等。5为什么要利用微生物?•微生物繁殖非常迅速•微生物培养易于控制•微生物本身也容易改造6FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES发酵工程组成从广义上讲,由三部分组成:上游工程、发酵工程、下游工程7UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopment-mediaformulation-sterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Fermentationengineering8DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程Fermentationengineering9•适宜的微生物•保证或控制微生物进行代谢的各种条件•进行微生物发酵的设备•精制成产品的方法和设备获得发酵产品的条件10UseofMicroorganisms•Positive(益处)–Biomass–Production–Conversion•Negative(危害)–Pathogens–Spoilage11发酵的定义•传统发酵•生化和生理学意义的发酵•工业上的发酵12传统发酵•最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象,或者是指酒的生产过程。•Fermentation最初来自拉丁语“发泡”(fervere)1314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。•如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。15工业上的发酵•泛指利用微生物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。16一、发酵工业简史•时间发酵阶段主要产品主要技术•-1900天然发酵酒醋干酪酵母天然分批•1905-纯培养酒精丙酮丁醇密闭纯培养•1940-通气搅拌抗生素有机酸通气搅拌•酶维生素分批或连续•1957-代谢控制氨基酸核苷酸选育缺陷菌株•1960-开拓原料单细胞蛋白连续发酵•1979-基因工程菌胰岛素干扰素DNA重组纯培养:第一个转折点通气搅拌:第二个转折点代谢控制:第三个转折点基因工程菌:第四个转折点17Historyofappliedmicrobiology•Ancienttimes–flavour(bread,soysauce)–brewing(beer,wine)•1861LouisPasteur–firstphaseindustrialbiotechnology•1940penicillin(Fleming)–antibioticindustry–productionoffinechemicals18原始发展阶段(发酵技术开始于家庭小制作,技术进步缓慢,完全是经验式的,并不知道其中的原理。)传统发酵工业阶段(人们开始了解发酵现象的本质,采用开放式的发酵方式,生产过程及设备较为简单,规模一般不大。)现代发酵工业阶段(技术要求高、发展速度快;生产规模大;菌种生产能力大幅度提高,新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。)生物技术产业阶段(利用构建的基因工程菌生产。)19二、生物反应的过程cellenzymebiocatalystmonitorsterlizedairproductbioreactorbyproductresiduesterilizingmediumextract20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21菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验23发酵工程的概念和内容菌种选育自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程培养基配制根据培养基的配制原则制备,实践中需多次试验配方灭菌杀灭杂菌扩大培养和接种发酵过程(中心阶段)检测进程,满足营养需要;严格控制温度、pH、溶氧、转速等分离纯化菌体:过滤、沉淀代谢产物:蒸馏、萃取、离子交换24四部分组成1.菌种选育及扩大培养2.原料预处理及培养基的制备3.发酵设备及反应条件的选择4.产品的分离与纯化25三、微生物工业产品的类型1.微生物菌体的发酵以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵工业。2.微生物酶发酵目前应用的酶大多来自微生物发酵。263.微生物代谢产物发酵(1)初级代谢产物(primarymetabolite)菌体生长繁殖所必需的,在对数生长期产生的物质,如氨基酸、核苷酸、蛋白质等。(2)次级代谢产物(secondarymetabolite)与菌体生长繁殖无明显关系,是在菌体生长的稳定期(静止期)合成的具有特定功能的产物。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素等。27初级代谢产物和次级代谢产物的异同284.微生物的生物转化利用微生物细胞的一种或多种酶,把一种化合物转变成结构相关的更有价值的产物。5.微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染、保持生态平衡等。

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