发酵工程课件

第四章发酵工程,发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。又称为微生物工程。目前，人们把利用生物细胞的生命活动来制备目的产物的过程统称为发酵。,发酵工程的发展简史,1.自然发酵阶段。发酵技术有着悠久的历史，早在几千年前，人们就开始从事酿酒、制酱、制奶酪等生产。2.纯培养技术的建立。3.深层通风培养技术的建立。4.代谢控制发酵技术的建立。5.固定化酶技术、细胞工程技术、基因工程技术的建立。,发酵工程的现状及发展前景,在发达国家，发酵工业的产值占国民生产总值的5%。在医药产品中，发酵产品的产值占20%。在医药、食品、化工、冶金、资源、能源、环境等诸多领域有着广泛的应用。,第一节发酵工程概况,一、发酵生产类型1.微生物菌体发酵（酵母、单细胞蛋白、药用真菌、杀虫剂等）；2.微生物酶发酵（淀粉酶、糖化酶、氨基酰化酶、青霉素酰化酶等）；3.微生物代谢产物发酵（初级代谢产物、次级代谢产物）；4.微生物的转化发酵：微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成更有经济价值的产物。5.生物工程细胞的发酵，是指利用生物工程技术所获得的细胞进行培养的新型发酵，其产物多种多样。,初级代谢产物和次级代谢产物,在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长因子等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。,二、发酵技术的特点,1.多个反应过程可在发酵过程中一次完成；2.反应通产在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备很简单；3.原料来源广泛，可再生；4.可特异性地进行复杂的化学反应；5.要求无菌操作。,三、发酵技术的应用,发酵工程作为现代生物技术的重要组成部分制以，得到越来越广泛的应用。1.医药工业：抗生素、维生素、胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等；2.食品工业：微生物蛋白、氨基酸、饮料、酒类和一些食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）；3.能源工业：酒精、沼气、微生物采油；4.化学工业：化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物表面活性剂；5.农牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生物饲料；6.冶金工业和环境保护。,第二节微生物发酵过程,根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵三大类：（1）好氧性发酵，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵。（2）厌氧性发酵，如乳酸发酵，丙酮、丁醇发酵。（3）兼性发酵，如酵母菌却氧条件下发酵生产酒精，有氧条件下繁殖菌体。,一、工业生产常用微生物,当前发酵工业所用菌种的总趋势：从野生菌转向变异菌；从自然选育转向代谢控制育种；从诱发基因突变转向基因工程的定向育种。工业上常用的微生物是：（1）细菌（2）放线菌（3）酵母菌（4）霉菌（5）其他微生物a担子菌b藻类,二、培养基,培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营养物质的混合物。培养基的成分和配比，对微生物的生长、繁育、代谢及产物的积累，甚至对发酵工业的生产工艺都有很大的影响。1、培养集的种类，依据其在生长中的用途，可将培养基分成：（1）孢子培养基，是供制备孢子用的。（2）种子培养基，是供孢子发芽和菌体生长繁殖用的。（3）发酵培养基，是供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。2、发酵培养基的组成（1）碳源（2）氮源（3）无机盐和微量元素（4）生长因子（5）水（6）产物形成的诱导物、前体和促进剂,三、发酵的一般过程,发酵工艺多种多样，但基本上包括以下几个过程：1、菌种制备2、种子扩大培养是指将保存的生产菌种逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。3、发酵，是微生物合成大量产物的过程。4、下游处理发酵结束后，要对发酵液和生物细胞进行分离和提纯精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。,第三节发酵操作方式及工艺控制,1、发酵的操作方式（1）分批发酵，营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出。（2）连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持稳定，微生物在稳定状态下生长。其反应器有搅拌罐式反应器和管式反应器两种。（3）补料分批发酵，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。,连续发酵与分批发酵的比较,优点：1.微生物的生长和产物形成保持稳定；2.能实现机械化和自动化；3.提高设备利用率，缩短发酵周期；缺点：1.容易造成杂菌污染；2.对设备、仪器及控制元件的技术要求较高；,2、发酵工艺控制,发酵过程中，为了能对生产过程进行控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。对发酵影响较大的参数有：（1）温度，影响酶活性，改变菌体代谢方向。（2）pH值，影响酶或性，影响细胞膜的通透性。（3）溶解氧浓度。,第四节发酵设备,进行微生物深层培养的设备统称发酵罐。优良的发酵装置应具有严密的结构，良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率，配套的检测及控制仪表。1、机械搅拌式发酵罐，利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促进氧的溶解。包括：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。2、通风搅拌式发酵罐，在通风搅拌式发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用发酵罐的空气，代替搅拌器使发酵液均匀混合。包括空气代生式发酵罐和高位塔式发酵罐。3、厌氧发酵设备,第五节下游加工过程,从发酵液中分离、精制有关产品的过程称为发酵生产的下游加工过程。是发酵生产中最重要、成本费用最高的环节。一般可分为四个阶段：1、发酵液预处理和固液分离：过滤、离心等；2、提取：吸附、离子交换、沉淀、萃取、超滤；3、精制：层析；4、成品加工：浓缩、无菌过滤、去热原、干燥、加稳定剂。,第六节固体发酵,某些微生物生长需水很少，可利用疏松而含用必需营养物的固体培养基进