第一章发酵工程概述-黄立山

1,发酵工程,主讲：黄立山,2,第一章发酵工程概述第一节发酵工艺学的定义和特点,一、生物工艺学：应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务。1982年国际合作及发展组织提出的。生物作用剂（生物催化剂）不单是微生物细胞，还包括动、植物细胞、酶。二、参考书：氨基酸发酵工业学、酒精与蒸馏酒工艺学三、特点1生物技术的多学科性2生物催化剂的特性3生物反应过程,3,1，发酵一词的来源“发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。,4,2，狭义“发酵”的定义,在生物化学或生理学上发酵是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。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。,5,3，广义“发酵”的定义,工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,6,1生物技术的多学科性生物学：生化、分子生物学、微生物学、细胞遗传学、生理学、分类学。化学：有机、无机、物化、分析化学。工程学：化学工程、机械工程、电子工程等。要求知识全面。,7,1.1.1生物技术的多学科性,8,2生物催化剂的特性生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称，它们在生物反应过程中起着催化剂的作用。生物技术：具体的技术手段及对生物技术各方面的总和。游离细胞（动、植、微生物）活细胞（增殖细胞）固定化生物催化剂灭活细胞（休止细胞）游离酶固定化,9,活细胞催剂与酶催化剂的比较。,10,典型的发酵过程示意图,11,3生物反应过程：将生物技术的实验结果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程统称为生物反应过程。包括：发酵过程，酶反应过程，动、植物细胞组织培养过程。,12,通常发酵生产过程是六部分组成原料预处理、种子培养（扩大）、空气除菌（好气性发酵）、发酵（主要阶段）、提炼、成品检验。上游技术的人一定要注意在产物提高的同时，毒素、色素等杂质不能太多，注意培养基的配比，为后面提取不产生困难。,13,发酵生产的条件,某种适宜的生物细胞或酶保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧pH等）进行发酵的设备提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备,14,四、发酵工程的特点,发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下：1，发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。2，发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。,15,3，发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。4，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。,16,5，由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。6，微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。7，工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。,17,五、发酵工程的地位,1.生物工程重要的组成部分发酵工程(Fermentation)酶工程(蛋白质工程)(Enzymeengineering功能性发酵制品:r-亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖;活性肽；红曲色素,低聚异麦芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海藻糖等等。,93,六、与国际先进水平的差距,1，多数工厂规模小、效益低2，生产技术水平比较低味精生产水平的比较,94,主要酶制剂品种发酵水平对比,95,3，产品品种单一，结构不合理,国内外酶制剂产品结构对比,96,4，应用的深度和广度不够5，技术装备和检测手段落后，自动化水平低6，综合利用和环境治理差,97,第五节微生物发酵产品的类型,根据使用目的来分：菌体、酶、代谢产物一、菌体及其利用1发酵特点：产量与消化碳源有定量关系2利用途径（1）利用菌体为最终产物如灵芝、磨菇、酵母食用、药用作为杀虫剂的白僵菌，苏芸金杆菌等（细菌农药）单细胞蛋白、疫苗、菌肥等。,98,（2）酶转化利用菌体转化某些物质（底物）生产我们所需产物，这种方法与酶促合成法不同，因它不需要把特定的酶制成粗酶或均质的酶制剂再反应，它所用的细胞是有维持其生命活动的完整的多酶系统，各酶又基本保持原有生命活动的完整的多酶系统，各酶又基本上保持原有生活细胞所处的状态和特定的位置。如用GA产生菌北京棒杆菌1299和齿棒杆菌1.542将福马酸（反丁烯二酸）生产天冬氨酸菌体可专门培养，也可利用工厂的废菌体。,99,（3）从菌体中提取生化药物,如酵母核酸及其降解产物，细胞色素丙，CoA、麦角固醇，凝血素等十几种生化药物。青霉素菌体VB2、VB6、VD等，且其菌丝含丰富的C、N等必要成分。,100,二、代谢产物,（一）糖类厌气代谢物（二）糖类好气性代谢产物（三）氮代谢产物（四）次级代谢产物（五）甾体转化物（六）其它：如微生物的脂肪、多糖、色素,101,（一）糖类厌气代谢物,1特点：（1）微生物类型，厌气性菌或兼性厌气菌，这种类型发酵都是在厌气性环境下进行的厌气性发酵。（2）代谢途径明确（3）产物产率高、产量大、原料广，与消耗碳源有准量关系，产物有：酒精、丙酮与丁醇、丙酸、丁酸、乳酸、甘油等。,102,（2）代谢途径明确,已糖在无氧条件下大多经糖酵解途径（EMP），也有部分经已糖单磷酸途径（HMP）产生葡萄糖酸），产生各种发酵物的母体丙酮酸，再经酒精发酵、甘油发酵、丁酸发酵等各种发酵途径产生相应的有机酸、醇、酮，大量的CO2气体，产生菌有酵母，德氏乳杆菌，丁酸梭状芽孢杆菌等。,103,（二）糖类好气性代谢产物1特点：（1）用好气性微生物在有氧条件下进行好气性发酵，其产物绝大多数为有机酸，常在菌体生长速度降低或停止生长时，产物才大量合成。（2）代谢途径很清楚，产物可分为两类糖类经过降解途径TCA、乙醛酸循环途径的发酵产物（如用霉菌生产柠檬酸）。糖类碳链不经过降解的发酵产物，如葡萄糖酸（钙盐补钙、铁盐治贫血）（3）与消化碳源无准量关系。2产物：柠檬酸，酮戊二酸，延胡索酸，葡萄糖酸、山梨糖等,104,（三）氮代谢产物,都是好气性发酵，特点同（二）包括AA、核酸，氨基酸已有22种可用发酵法生产。核酸：嘌呤及其衍生物；嘧啶及其衍生物。用途：增鲜剂；医药,105,（四）次级代谢产物1定义：既不作为细胞或酶的结构成分，也不是一般的细胞贮存物质，它对产生菌本身的生理功能尚不明确的一类代谢产物。植物，特别是微生物有很多代谢产物与初级代谢产物不同，将这类产物称为次级代谢产物。2特点：（1）与消耗碳源无准量关系，产量很低；（2）菌生长速度减低或停止后，产物较快合成，也有例外；（3）合成途径复杂，多不明确。3产物：抗生素类：青霉素，链霉素，四环素，庆大霉素，春雷霉素等。VB12、VB等，植物激素，为赤霉素，真菌毒素等。,106,（五）甾体转化物不是菌体本身的综合产物，而是现成菌体作用于甾体物质上进行脱氢，羟化等反应，转化为药物，（大部分）激素，皮质激素：抗炎症的如可的松，强的松，性激素：炔诺酮（高效避孕药）甾体化合物原用化学合成法，但工序长，成本高，收效低，现大部分用化学法和发酵法结合，发酵法优点：（1）简化步骤（2）提高转化产物的疗效（3）反应多，不同微生物进行不同的反应（4）有利环境保护，提高人体健康（六）其他,107,三、微生物酶,微生物产生的酶有的在菌体内（胞内酶）有的分泌于培养基中（胞外酶）也有的同时二者兼有之。如利用细菌中芽孢杆菌属的一些种有真菌中黑曲霉，米曲霉产生淀粉酶，地衣形芽孢杆菌、曲霉属的一种产生蛋白酶。提取时，根据酶的性质，采取不同工艺、酶提炼，细胞破碎（胞内）（压力超声波抽提（去菌体等）净化浓缩（粗酶）分离与提纯（净化工序残留和抽提工艺附加）酶结晶干燥,108,微生物生长过程，其总的代谢活动许多代谢途径相互有联系，微生物现已进化到拥有各种调节机制成为生产各种产物提供可能性。细胞大分子成分随生长速率变化的机理：快速生长的细胞必须比缓慢生长的细胞合成蛋白质快得多，高速合成蛋白质需细胞含更多的核糖体。,109,小分子合成同样受严密的调节。（1）如生长在含有单一的有机化合物为能源的合成培养基里，细菌合成所有大分子前提的速率同大分子合成的速率配合得很好。（2）当把一种前体加到培养基里，只要外源供给的前体能进入细胞内，该化合物的内源合成便立即停止，并且参加该前体合成的酶的合成作用也停止。（3）细菌常合成那些能异化某些基质的酶，但该基质需存在于培养基。（4）如同时存在两种基质，细菌首先合成来异化可维持更快生长的化合物的酶，再合成异化第二种化合物的酶。,110,一、调