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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 1、传统发酵、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 2、生化和生理学意义的发酵、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 3、工业上的发酵、工业上的发酵:
2、泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程6.1.2 6.1.2 发酵方法的类别与流程发酵方法发酵方法 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菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验工业发酵步骤和工艺流程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
3、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谢产物的工艺技术(1)(1)有严格的无菌生长环境：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；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在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空
4、气过滤技术；滤技术；(2)(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机度的计算机控制技术；控制技术；(3)(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。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
5、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Ly
6、s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发酵产品类型与发酵工业 1).1).微生物菌体微生物菌体 酵母粉酵母粉 螺旋藻螺旋藻 微生物农药微生物农药 益生菌益生菌 2).2).微生物酶微生
7、物酶 蛋白酶蛋白酶 淀粉酶淀粉酶 3).3).微生物代谢产物微生物代谢产物 初级代谢产物初级代谢产物:氨基酸氨基酸 有机酸有机酸 蛋白蛋白 4).4).微生物转化产物微生物转化产物 甾体激素甾体激素 5).5).生物工程细胞的发酵：乙肝疫苗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
8、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酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点生物合成特点：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)、
9、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。发酵工业简介发酵工业简介发酵食品发酵食品有机酸有机酸氨基酸氨基酸核酸类物质核酸类物质酶制剂酶制剂医药工业（抗生素医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）其它其它（冶金工业（冶金工业）Fermentation Industr
10、y Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical(Antibiotics)Feedstuff(eg.SCP)Environmental Application (Waste Treatment)Others(eg.Metallurgical industry)6.2发酵工程的上游技术发酵工业的过程发酵工业的过程 菌种（或生物细胞）：菌种（或生物细胞）：高产、高效高产、高效 种子制备：种子制备：繁殖繁殖 发酵：发酵：纯种培养，优化条件纯种培养，优化条件 发酵液预处理：发酵液预处理：调节调节PH 提
11、取精制提取精制:离心、膜分离、超滤、干燥等离心、膜分离、超滤、干燥等 成品检测成品检测 包装包装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。微生物微生物 原核生物原核生物 原生生物原生生物真菌真菌病毒病毒(细菌、放线菌、蓝藻细菌、放线菌、蓝藻)(酵母菌霉菌大型真菌酵母菌霉菌大型真菌)(草履虫变形虫衣藻草履虫变形虫衣藻)(噬菌体、艾滋病毒噬菌体、艾滋病毒)非细胞非细胞结构结构细胞细胞
12、结构结构 真核生物真核生物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菌细胞壁细胞壁细胞膜细胞膜细细胞胞质质基质基质核糖核糖体体质粒质粒贮藏贮藏性颗性颗粒粒拟核拟核 依靠分解动植物的依靠分解动植物的遗体遗体例如枯草杆菌。例如枯草杆菌。异养异养:细菌一般不含有叶绿素，只能吸收现成有机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物来维持生活。这样的营养方式叫做 活的动植物体内活的动植物体内吸取有机物来生活。例如痢疾杆菌吸取有机物来生活。例如痢疾杆菌细菌同化作用方式细菌
13、同化作用方式细菌的异化作用方式细菌的异化作用方式 有氧条件下有氧条件下,好氧性细菌好氧性细菌.如如:枯草杆菌枯草杆菌 无氧条件下无氧条件下,厌氧性细菌厌氧性细菌.如如:大肠杆菌大肠杆菌,乳酸菌等乳酸菌等.异养异养。腐生：腐生：寄生：寄生：需氧需氧:厌氧厌氧:自养自养:蓝藻蓝藻 硝化细菌硝化细菌细菌的繁殖：2)放线菌放线菌结构特征：结构特征：1.单细胞的原核生物单细胞的原核生物2.结构结构基内菌丝：基内菌丝：气生菌丝：气生菌丝：吸收营养物质吸收营养物质（孢子丝）（孢子丝）气气生生菌菌丝丝孢孢子子丝丝孢子孢子基内菌丝基内菌丝培养基培养基放线菌的繁殖方式：放线菌的繁殖方式：主要为孢子生殖主要为孢子生
14、殖放线菌的生产应用：放线菌的生产应用：从它们中制成了许多的抗菌素从它们中制成了许多的抗菌素如头孢拉定、链如头孢拉定、链霉素、金霉素、土霉素、庆大霉素、春雷霉素、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四环素、红霉素和卡那霉素等3)真核微生物Protozoa(原生动物)Slime molds(粘菌)Fungi(真菌)Alga(藻类)酵母菌芽殖酵母裂殖酵母yeasts直立菌丝顶直立菌丝顶端呈扫帚状，端呈扫帚状，孢子绿色孢子绿色青青 霉霉曲曲 霉霉直立菌丝直立菌丝顶端呈现顶端呈现球状，孢球状，孢子黄色、子黄色、橙红色或橙红色或黑色黑色孢子生殖孢子生殖稀释法稀释法刺突刺突囊
15、膜囊膜衣壳衣壳核酸核酸4)病毒病毒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
16、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
17、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 P S Mg K Ca Fe Mn Zn Cu 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
18、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。9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Wednesday,May 17,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。00:03:2300:03:2300:035/17/2023 12:03:23 AM11、以我独沈久，愧君相见
19、频。5月-2300:03:2300:03May-2317-May-2312、故人江海别，几度隔山川。00:03:2300:03:2300:03Wednesday,May 17,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2300:03:2300:03:23May 17,202314、他乡生白发，旧国见青山。17 五月 202312:03:23 上午00:03:235月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。五月 2312:03 上午5月-2300:03May 17,202316、行动出成果，工作出财富。2023/5/17 0:03:2300:03:2317 May 202317、
20、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。12:03:23 上午12:03 上午00:03:235月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。5月-235月-23Wednesday,May 17,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。00:03:2300:03:2300:035/17/2023 12:03:23 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2300:03:2400:03May-2317-May-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。00:03:2400:03:2400:03Wednesday
21、,May 17,202313、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2300:03:2400:03:24May 17,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 五月 202312:03:24 上午00:03:245月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。五月 2312:03 上午5月-2300:03May 17,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/17 0:03:2400:03:2417 May 202317、空山新雨后，天气晚来秋。12:03:24 上午12:03 上午00:03:245月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23
22、Wednesday,May 17,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。00:03:2400:03:2400:035/17/2023 12:03:24 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。5月-2300:03:2400:03May-2317-May-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。00:03:2400:03:2400:03Wednesday,May 17,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2300:03:2400:03:24May 17,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 五月 202312:
23、03:24 上午00:03:245月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月 2312:03 上午5月-2300:03May 17,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/17 0:03:2400:03:2417 May 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。12:03:24 上午12:03 上午00:03:245月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉