发酵工程1

发酵工程第一节发酵工程的概述6.1.1发酵工程的定义利用包括”工程微生物”在内的具有特定功能的某些微生物,通过现代工程技术手段(主要是发酵罐或生物反应器的自动化、高效化、功能多样化、大型化）生产各种特定的有用物质，或者把微生物直接用于某些工业化生产的一种生物工程。发酵的定义•1、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。•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。•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6.1.2发酵方法的类别与流程•发酵方法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从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵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菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验工业发酵步骤和工艺流程(1)配制用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的(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发酵工程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)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原料和发酵罐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干燥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。发酵工程的特点(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。6.1.3发酵工程的发展简史•公元前6000年苏美尔人与巴比伦人啤酒公元前2000年古希拉人与古罗马人葡萄酒公元前2000年中国中原地区白酒公元前221年中国制酱、酿醋、豆腐乳公元1000年中国预防天花的活疫苗1680年荷兰列文虎克显微镜1857年法国巴斯德酵母菌1897年德国毕车那酒化酶1905年德国柯赫纯培养1928年英国佛莱明点青霉1973年美国考亨重组菌工程菌广泛应用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。发酵工业的发展历史•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。6.1.4发酵产品类型与发酵工业1).微生物菌体酵母粉\螺旋藻\微生物农药\益生菌2).微生物酶蛋白酶\淀粉酶3).微生物代谢产物初级代谢产物:氨基酸\有机酸\蛋白4).微生物转化产物甾体激素5).生物工程细胞的发酵：乙肝疫苗发酵工业的范围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在经济价值的化合物。•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。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)6.2发酵工程的上游技术•发酵工业的过程菌种（或生物细胞）：高产、高效种子制备：繁殖发酵：纯种培养，优化条件发酵液预处理：调节PH提取精制:离心、膜分离、超滤、干燥等成品检测包装6.2发酵工程的上游技术•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，提供各种类型的突变株，改善其生理生化特性，去处多余的代谢途径和产物，改善发酵工艺条件，提高产品质量，充分利用生产设备，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。微生物原核生物原生生物真菌病毒(细菌、放线菌、蓝藻)(酵母菌霉菌大型真菌)(草履虫变形虫衣藻)(噬菌体、艾滋病毒)非细胞结构细胞结构真核生物6.2.1微生物的基本知识分类6.2.1微生物的基本知识•1)细菌肺炎双球菌大肠杆菌圆褐固氮菌根瘤菌硝化细菌假单胞杆菌乳酸菌破伤风杆菌反硝化细菌细菌细胞壁细胞膜细胞质基质核糖体质粒贮藏性颗粒拟核依靠分解动植物的遗体例如枯草杆菌。异养:细菌一般不含有叶绿素，只能吸收现成有机物来维持生活。这样的营养方式叫做活的动植物体内吸取有机物来生活。例如痢疾杆菌细菌同化作用方式细菌的异化作用方式有氧条件下,好氧性细菌.如:枯草杆菌无氧条件下,厌氧性细菌.如:大肠杆菌,乳酸菌等.异养。腐生：寄生：需氧:厌氧:自养:蓝藻硝化细菌细菌的繁殖：2)放线菌结构特征：1.单细胞的原核生物2.结构基内菌丝：气生菌丝：吸收营养物质（孢子丝）气生菌丝孢子丝孢子基内菌丝培养基放线菌的繁殖方式：主要为孢子生殖放线菌的生产应用：从它们中制成了许多的抗菌素如头孢拉定、链霉素、金霉素、土霉素、庆大霉素、春雷霉素、四环素、红霉素和卡那霉素等3)真核微生物Protozoa(原生动物)Slimemolds(粘菌)Fungi(真菌)•Alga(藻类)酵母菌芽殖酵母裂殖酵母yeasts直立菌丝顶端呈扫帚状，孢子绿色青霉曲霉直立菌丝顶端呈现球状，孢子黄色、橙红色或黑色孢子生殖稀释法刺突囊膜衣壳核酸4)病毒6.2.1微生物的基本知识6.2.2微生物菌种分离和筛选•原则:(1)菌的营养特性,在发酵过程中能利用廉价、来源丰富的培养基原料；2）菌的生长温度，选择生长温度高于40℃的菌株，以降低冷却成本；3）菌的遗传和生产能力稳定；4）菌的转化能力和产物浓度要高；5）菌容易从发酵液中分离；6）菌株无毒，也不产生毒素。6.2.2微生物菌种分离和筛选•步骤1）采样：采样区域选择；采样方法；保存方法。2）富集和分离：施加筛选压力的富集培养；平板划线法或稀释平板培养法6.2.2微生物菌种分离和筛选•产生特殊物质的微生物筛选1)抗生素产生菌的筛选:抑菌圈法、稀释法、扩散法、生物自显影法；2）抗肿瘤药物产生菌的筛选：生物诱导分析法、SOS生色检测法；3）抗病毒药物产生菌的筛选：鸡胚纤维芽细胞的噬菌斑形成法、小平板高效测定法；4）免疫激活剂产生菌的筛选：细胞表面酶抑制法；5）酶产生菌的筛选：底物转化法。6.2.2微生物菌种分离和筛选•菌种选育自然选育：自然变异中选育菌种；诱变育种：物理化学因素诱变后选育菌种。6.2.2微生物菌种分离和筛选•菌种保藏根据微生物生理生化特点,使菌种长期处于低温、干燥、无氧、避光及缺乏营养等状态中，减少代谢，减少变异。1）斜面保藏法2）石蜡油保藏法3）干燥保藏法3）真空冷冻干燥保藏法6.2.3微生物的营养与培养基•微生物营养需求1)碳源:构成菌体的主要元素;代谢产物的重要原料;能量的提供者.碳源主要是糖类物质:实验室常用葡萄糖工业规模常用:淀粉水解物植物油天然气\石油纤维素/半纤维素6.2.3微生物的营养与培养基•微生物营养需求2）氮源:构成菌体的主要元素;代谢产物的重要原料.无机氮盐有机氮源实验室铵盐、硝酸盐蛋白胨、牛肉膏及酵母膏工业规模硫酸铵、氨水尿素、豆粉、鱼粉、玉米浆6.2.3微生物的营养与培养基•微生物营养需求3）无机盐:构成菌体的成分;酶的辅基或激活剂；调节pH和渗透压。主要元素微量元素PSMgKCaFeMnZnCu工业规模中主要用无机盐补充。6.2.3微生物的营养与培养基•微生物营养需求4）维生素:小分子有机物，是营养物质和辅酶。培养基配制时不用添加。6.2.3微生物的营养与培养基•工业规模用培养基的一般要求1）产物产率或菌体生成量；2）无副产物；3）产品质量稳定，易于精制获取；4）易于通气或搅拌，废物少。6.2.3微生物的营养与培养基•配制培养基的原则1）营养成分配比应恰当；2）渗透压应合适；3）pH值应合适；4）氧还电位需符合要求。