微生物工程工艺原理-宜宾学院1

宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,微生物工程工艺原理精品课程,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,微生物工程工艺原理精品课程,微生物工程工艺原理,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,了解：课程的研究对象、研究内容、微生物工程发展的历史、国内外微生物工业概况及其发展趋势。理解：微生物工程的特征、研究范围及其与化学工程的区别。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,1-1微生物工程工艺原理的基本概念,一、基本概念,微生物工程是将化学工程有关理论和单元操作应用于微生物的工业发酵生产，进而发展起来的具有新的特点的一门学科。微生物工程通常称为发酵工程，可分为发酵和提取两个部分。,1、微生物工程工艺原理的定义,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（1）“发酵”一词的来源英语中“发酵”一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。,2、发酵的定义,（2）狭义“发酵”的定义是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物产生能量的过程，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。如酒精发酵，乳酸发酵等过程。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（2）广义“发酵”的定义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、乳酸等发酵，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。（3）发酵工程（FermentationEngineering）应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,二、微生物发酵的基本特征,现代微生物工业通常是指微生物的代谢控制发酵代谢控制发酵：是指利用生物的、物理的、化学的方法，人为的改变了微生物的生长代谢途径，使之合成、积累、分泌我们所需要的产品的过程。,1.现代发酵过程是典型的代谢控制发酵,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,由于微生物生理特性决定了微生物在发酵过程中需要稳定的环境、特殊的条件以及以氧作为底物的供给，这些都涉及到化工生产相关领域：（1）质量的传递氧的供给、代谢物的排泄等（2）热量的传递微生物呼吸产热，微生物生长和代谢需要稳定而严格的温度条件。（3）动量的传递涉及到搅拌轴功率的计算，它与溶氧、气液混合的关系。（4）微生物的反应工程涉及到微生物的生长动力学模型的建立，产物生成动力学模型的建立。,2.现代发酵过程是一个典型的化工过程,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（1）反应条件温和微生物的生理特性，要求温度为26-55；pH值中性偏酸性酵母、霉菌、放线菌等；pH值中性偏碱性细菌的发酵。（2）无菌发酵整个反应过程要求无菌：培养基、空气、补料和取样要求无菌处理、有些发酵尾气也要求进行无菌处理。（3）非连续性生产微生物的生理特性决定了发酵过程的非连续性；大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前只有少数发酵实现了连续化生产，如啤酒发酵。,3.现代发酵工业又有别于化工过程,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可将发酵分成以下几个类型：1、按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等。2、按发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵等。3、按发酵形式来区分：固态发酵和液体发酵。4、按发酵工艺流程区分：分批发酵、连续发酵和流加发酵。5、按发酵过程中对氧的需求，分为：厌氧发酵和通风发酵。,三、微生物发酵的类型,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,SOLID-STATEFERMENTATIONPRODUCTION,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,大型发酵罐,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,典型的发酵过程可以划分成以下六个基本组成部分：（1）繁殖菌种和发酵生产所用的培养基组份设定；（2）培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；（3）培养出有活性、适量的纯种，接种入生产的容器中；（4）在发酵设备中，控制菌种生长代谢条件，进行发酵；（5）产物萃取和精制；（6）过程中排出的废弃物的处理。,四、微生物发酵过程的组成部分,1、发酵过程的组成,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,2、发酵工艺过程,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（1）适宜的微生物菌种（2）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）（3）进行微生物发酵的设备（4）提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备,3、发酵生产的条件,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐中试,发酵生产,4、由实验室研究到产业化的过程,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,工业上的发酵产品，有四个主要类别：1、以菌体为产品；2、以微生物的酶为产品；3、以微生物的代谢产物为产品；4、生物转化过程将一个化合物经过发酵改造化学结构。,五、微生物发酵产品的类型,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（一）菌体定义：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。,（二）微生物的酶酶的特点：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。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,（三）微生物代谢产物包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物或中间代谢产物是指细胞自身生长所必需的，在对数生长期形成的产物。次级代谢产物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。,（四）转化过程定义：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高经济价值的化合物。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。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,1-2微生物发酵的历史及发展方向,微生物发酵的发展可以分为以下几个阶段：1.自然发酵阶段传统的酿造业2.纯培养阶段该阶段以显微镜的诞生和微生物学的问世为标志。1683年，荷兰人列文虎克制作了显微镜，观察并描绘了杆菌、球菌、螺旋菌等的图象1866年，法国人巴斯德，创立巴斯德消毒法1881年，德国人科赫和其合作者首先发明了染色法观察细菌形态；创立了划线法分离单孢子菌落的方法；因发现结核菌而获1905年诺贝尔生理学和医学奖,一、微生物工业发酵的历史,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,3.通气搅拌发酵阶段这一阶段以青霉素的工业开发获得成功为标志。由英国病理学家弗洛里和生化学家钱恩共同开发成功。4.代谢控制发酵阶段代谢控制发酵的概念的提出最早源于日本人在谷氨酸发酵上取得的成功。代谢控制发酵理论的建立和应用为微生物工业发酵的理论和实践作出了重大贡献，也是未来微生物发酵工业研究和发展的方向（为何这样讲？）,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,二、微生物发酵工业的发展方向,微生物发酵工业有着悠久的历史，在国民经济中占有重要的地位，21世纪又是生物的，体现在哪里？,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,1.从工业领域看微生物发酵将占据越来越重要的地位，具体的讲：(1)通过生物工程解决能源问题能源问题是全球面临的问题，生物工程如何解决？太阳能淀粉、纤维素G乙醇能源乙烯（目前已取得突破性进展）生物工程作为桥梁，2000年世界产值已达50亿美元,酶工程,发酵,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,(2)化工工业一是取代部分化工工业。许多化工产品的生产由于严重的污染和生产效率问题，而为生物工程取代，例如：乙醇、甘油、乳酸等。二是利用生物技术可生产一些用化学方法无法生产或生产成本高以及对环境产生不良影响的新型材料，如丙烯酰胺、壳聚糖等。(3)农业生物农业、农产品加工等方面(4)医药主要包括手性药物制剂，手性原料和手性中间体。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,(1)酶制剂工业：即是生产工具，又是科学研究的工具和基础(2)新型抗菌素工业和维生素行业(3)氨基酸及多肽发酵(4)生物免疫物质：白介素-2、干扰素、抗肿瘤物质等(5)细胞工程及疫苗,2.从产品角度看,应围绕下列领域：,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,(1)底物基质的转变淀粉质为原料转变为更广泛、便宜的原料，特别是以废弃物为基质的发酵，废弃物资源化是其发展方向。(2)开发新产品利用现代生物技术为基础，开发新产品，新的产品层出不穷，使得微生物发酵向国民经济的各个角落渗透。(3)发酵设备向大型化、自动化、连续化发展。英国帝国化学公司，甲烷菌发酵罐的容积已达到3000m2。自动化：电子计算机的广泛应用以及发酵过程中的各种参数的自动检测。,3.从科学技术角度看,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,解放前，由于科学技术进步缓慢，各种微生物工业也未能充分发展。当时的发酵工业主要集中于酒精和酒类（白酒、黄酒、啤酒、葡萄酒）以及酱油和醋的生产上。解放后，才建立了一系列新的微生物工业。逐步研究和生产酶制剂、有机酸、微生物制药、氨基酸、基因工程产品、细胞工程产品等各种发酵产品。使发酵工业进入新的发展时期。,三、建国59周年，我国发酵工业回顾,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,1，发酵产品增长快、质量明显提高，在国民经济中起重要作用新型发酵工业：年产量115万吨；产值150亿；利税50亿。酿酒工业（不包括酒精）：年产量2000万吨左右；产值450亿；利税120亿。2，科技进步，技术水平提高例如：糖化酶的发酵液酶活力由7000u/ml提高至30000-40000u/ml；味精和柠檬酸三个主要指标：产酸率、转化率和提取率提高5%左右。3，积极开发新产品特鲜味精；高温-淀粉酶；纤维素酶；-葡聚糖酶；异淀粉酶等酶制剂；L-苹果酸；L-乳酸；衣康酸；黄原胶。功能性发酵制品：亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖；活性肽；低聚异麦芽糖、木糖；海藻糖等。,（一）我国发酵工业的主要进步,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,味精：生产万吨以上产量的工厂有17家，其余都在万吨以下，最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨，其次是菱花集团，年产8万吨。发酵罐容量我国只有个别工厂在600立方米，而国外普遍在500-600立方米以上。1998年味精生产企业89家，其中亏损37家，占41。柠檬酸行业：万吨以上的工厂有六家，其余均在万吨以下，最大规模是安徽丰原生化集团，年产6万吨以上。1998年有28家生产，亏损企业12家，占42。酶制剂行业：有39家，其中万吨以上，销售额2000万以上只有8家，其余均在万吨以下。,（二）与国际先进水平的差距,1、多数工厂规模小、效益低,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,2、生产技术水平比较低我国淀粉生产企业约400家，玉米淀粉原料干物收率平均在90左右，比国外低5-8，多数工厂副产品回收利用较差。,味精的产酸率、转化率、提取收率水平比较,主要酶制剂品种发酵水平对比,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,酶制剂行业比较突出，在产品结构方面比较单一，主要以淀粉酶类为主，如：1991年酶制剂总产量为9万吨，其中糖化酶总产量7万吨，占总产量78，其他品种只占22。8年来结构调整仍变化不大，1999年糖化酶占总产量比例达到61。与国外产品结构对照显然不合理，当然我们不能照搬，但是可以借鉴，可以根据中国国情依市场需求加以调整。,国内外酶制剂产品结构对比,3、产品品种单一，结构不合理,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,4、应用的深度和广度不够柠檬酸产品以出口为主，国内市场只占20左右，主要应用于食品饮料，其他方面应用很少，美国和西欧已广泛开展应用于家用洗涤剂、清洁剂、医药化妆品以及饲料工业中，我国这方面研究的很少。酶制剂由于品种的缺乏，以及应用技术上开展不够，因此应用面拓展缓慢。5、技术装备和检测手段落后，自动化水平低。多数工厂还是沿用传统工艺和手工操作，劳动生产率比较低。6、综合利用和环境治理差目前三河和三湖一带的发酵工厂的废水已初步得到了治理，重点工厂已达到了国家规定的排放标准，但是离清洁生产还有较大距离，表现在原料利用率比较低，一般比国外先进水平低3-5。,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,本课程是生物工程专业本科生的专业基础必修课程，是一门以微生物、生物化学、化工原理等课程为基础，以微生物发酵过程中各种单元操作为主线条，对微生物发酵过程中的基本原理进行阐述的课程。,四、本课程的主要内容,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,第一章绪论,宜宾学院生命科学与食品工程系生物工程教研室,其主要内容如下：1.发酵生产用菌种及其有关知识菌种选育包括菌种保藏生产过程中菌种的扩大培养2.培养基的制备及灭菌工业发酵用原料的选择与处理包括培养基的灭菌原理和