发酵工程 第一章 绪论.ppt

发酵工程 授课教师 唐小春动物生物技术系吉林大学畜牧兽医学院 食品 葡萄酒 酱油 醋 白酒 啤酒 酵母中含有一定量的麦芽糖及蔗糖 它不能直接使面粉中的大量淀粉发生变化 而面粉本身含有少量淀粉酶 它能使淀粉水解成麦芽糖 酵母中的酶促进面粉中原有的微量蔗糖及新产生的麦芽糖发生水解 酵母利用葡萄糖和果糖提供的能量 将两种糖转变成CO2和H2O 受热后CO2发生膨胀 酵母本身含有大量蛋白质及维生素 医药 氨基酸 维生素E 胰岛素 去痛片 干扰素 生长激素 四霉素 疫苗 乳酸菌 酵母菌 芽孢杆菌 木霉 白地霉 纤维酶 蛋白酶 脂肪酶 糖化酶 淀粉酶等 黄贮可显著增加秸秆饲料的营养成份 粗蛋白11 14 粗脂肪3 4 有机酸提高10倍以上 维生素B族含量提高几十倍 纤维素酶以及各类消化酶的增加使秸秆利用率高达80 以上 每进食1吨黄贮料奶牛多产奶200公斤以上 肉牛多增加体重6公斤以上 较不加产品的常规饲喂 有益菌参加了动物肠道菌系平衡调节 增强了机体抗病能力 抗热耐寒能力 抗腹泻能力 肠道疾病治愈率在95 以上 农用生产资料 主要内容 发酵的定义发酵工程的组成发酵工程发展历史发酵工业的范围 一 发酵的定义 1 传统发酵2 生化和生理学意义的发酵3 工业上的发酵 9 1 传统发酵 最初发酵 fermentation 是来自于拉丁语 发泡 fervere 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 C6H12O62CH3CH2OH 2CO2 10 厌氧 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 葡萄糖 2ATP 2ADP 2Pi 2NAD 2丙酮 4ATP 2NADH 2H 2H2O丙酮酸 CH3COCOOH 2NADH乳酸 CH3CHOHCOOH 2NAD 11 厌氧 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 现代发酵工程 把所有通过利用微生物或其他生物细胞培养来获得产物的过程 统称为发酵 包括 天然发酵过程和人工控制的发酵过程 12 传统生物技术 现代生物技术基因工程菌发酵 医药 轻工 食品 农业 环保 能源等行业 抗生素 生物制药 氨基酸 核苷酸 有机酸 饲料添加剂 微生态制剂 生物农药 生物肥料等 基因工程药物 疫苗及抗体产品 14 上游工程UPSTREAMPROCESSES 下游工程DOWNSTREAMPROCESSES 发酵工程的组成 从广义上讲 由三部分组成 上游工程 中游工程 发酵 下游工程 优良菌株的选育 发酵条件的确定 pH 温度 溶氧和营养 培养基等营养物质的准备 产品分离纯化 固液分离 细胞破壁 蛋白质纯化 包装处理 真空干燥和冰冻干燥 发酵工业的发展历史 15 1900年以前 自然发酵阶段 微生物的生命活动尚未被认识 酒 醋 干酪 酸乳等 1673年 荷兰人列文虎克发明显微镜 1865年 法国人巴斯德发现啤酒酵母 1881年 科赫发明了固体培养基 1882年 丹麦人汉森发明了固体培养基分离单细胞后 促进了啤酒工业的发展 1900 1940年 纯种培养技术建立 汉森建立了酵母菌单细胞分离 培养和繁殖技术 一战时建立了低碳钢的圆柱形发酵罐 并采用加压蒸汽灭菌和无菌接种技术 形成无杂菌发酵工艺 酵母菌体 甘油 柠檬酸 乳酸 丁醇 丙酮等 1940年后 深层通气搅拌纯培养 二战期间青霉素的大量生产 借鉴了丙酮 丁醇的纯种培养技术 菌株改良和青霉素的大规模回收萃取技术也取得了很大进展 为其他抗生素及氨基酸等工业的发展起了极大的推动作用 20世纪60年代 利用微生物细胞制取蛋白质的理论研究和实践生产成为主题 特别是日益增长的单细胞蛋白饲料 发酵罐容量发展到前所未有的规模 采用分批培养法和分批补料培养法等 计算机及自动控制技术进行灭菌和控制pH 溶解氧等发酵参数 连续化 自动化方向前进 20世纪70年代 DNA体外重组技术的建立 基因工程不仅能在不相关的生物间转移基因 而且还可以很精确的对一个生物的基因组进行交换 从而达到定向改变生物性状和功能的目的 形成新的发酵产业 如胰岛素和干扰素的生产 发酵工业的范围 1 以微生物菌体为产物的发酵工业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 生物技术的生物细胞发酵 17 1 微生物菌体生产 定义 是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的发酵工业 包括用于面包工业的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵 香菇类 冬虫夏草等 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 传统方法获得酶 从动植物中提取 如从动物胰脏和植物麦芽中提取淀粉酶 从动物胃膜和菠萝中提取蛋白酶 现在酶获得的方法 微生物发酵 大多数为细菌 酵母和霉菌 酶的生产受微生物的严格调控 必需解除酶合成的控制机制 特点 微生物种类多 产酶品种多 生产容易 成本低 目前生产的酶制剂已经达到百种 淀粉酶 蛋白酶 糖化酶为主用途 医药 食品加工 活性饲料等行业 3 微生物代谢产物发酵 已知的产物达37类 其中16类属于药物 根据产物产生的时期与菌体繁殖的关系可分为 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 如氨基酸 核酸 蛋白质 糖类等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 如抗生素 生物碱等 4 微生物的转化发酵 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 如脱氢 氧化 脱水 缩合等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 如维生素C 5 生物技术的生物细胞发酵 利用生物技术所获得的生物细胞 工程菌 杂交细胞等主要用于医用产品的生产 如胰岛素 生长激素 血清白蛋白 干扰素等 典型发酵过程基本示意图 中试 放大生产 发酵工程 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 26 4