发酵工程概述课件

1、第二章 发酵工程基本原理第一节 发酵工程概述第二节 发酵罐及发酵工程应用实例第一节 发酵工程概述Ferment the engineering to say all一、发酵四、发酵工程的基本工序二、培养基二、影响微生物生长发育的因素一、发酵1.什么是发酵 发酵(fermentation)最初是指，用酵母作用于谷物或果汁，进行酒精发酵并产生 CO2 的现象。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应。 例如：C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP (放出能量:118 kJ/mol)酒化酶发酵(葡萄糖) 此过程是微生物在无氧状况下的呼吸过程，是微生物获取能量的一种形式。 在细胞浆内所

2、发生的，由葡萄糖直接分解为丙酮酸的过程。 目前，人们把借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物或其代谢产物的过程，统称为发酵。 例如：黄青霉素 有氧发酵 青霉素北京棒杆菌 EMP酵解 丙酮酸Embden-Meyerhof-Parnus草酰乙酸 谷氨酸三羧酸循环谷氨酸脱氢酶2.什么是发酵工程 所谓发酵工程是指，采用现代工程技术手段，利用微生物生命活动的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种生物技术。 发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。 例如：北京棒杆菌扩大培养发酵菌种过滤发酵液(糖化液培

3、养基)(预处理)提取、分离浓缩、纯化干燥产品(L-谷氨酸)3.什么是微生物 微生物是一些个体微小、构造简单的低等生物，其体形一般在0.1毫米以下，肉眼看不见或难以看清的微小生物的总称。 目前知道的最小的微生物是病毒。流感病毒H1N型流感病毒酵母菌4.微生物的特点 微生物的个体都极为微小，一般用微米(10-6 m)或纳米(10-9 m)作单位。由于其个体微小，必然导致其比表面非常大。（如：最普遍的杆菌其平均长度仅为2m） 体积小、比表面大比表面积 = (1/m)表面积体积高倍显微镜下的大肠杆菌（1-3m） 微生物这种体积小、比表面积大，有利于其与周围环境进行物质、能量和信息交换。实际上，微生物的

4、其它属性都和此特点有着密切关系。 微生物的比表面大，有利于促进其参与生物化学反应。如：微生物的发酵。种类多、分布广 目前已发现的微生物在10万种以上。不同种类的微生物具有不同的代谢方式，能分解各式各样的有机物和无机物。凡是动、植物能利用的营养物质，微生物一概可以利用；而大量动、植物所不能利用、甚至是剧毒物质，微生物照样可以很好地利用。 例如：废水生化处理就是利用微生物各取所需，共同作用于废水中的毒性物质，使其降解而达到防治公害的目的；发酵工业就是利用不同的微生物在生化过程中累积的代谢产物，生产各种发酵产品。 由于微生物的食谱极广，生长要求不高，生长繁殖速度极快，使得其在自然界分布极广。这为生物

5、化工就地取材提供了方便。浆染厂废水生化处理生长旺、繁殖快 在生物界中，微生物具有极高的繁殖速度，其中以二均分裂方式繁殖的细菌尤为突出。 例如：大肠杆菌在 37下，每 18mit 分裂一次，每天要分裂 80 次之多；1个大肠杆菌经 48h 后，可产生2.21043 个后代。 乳酸菌在 25下，每 38mit 分裂一次，每天要分裂 38 次；1个乳酸菌 48h 后，可产生 2.71011 个后代。 微生物的这一特点在发酵工业上有着重要的实践意义，主要体现在生产周期短、效率高。适应强、易变异 微生物对环境条件尤其是恶劣极端环境有着惊人的适应能力，堪称生物界之最。例如：1982年报导的嗜酸热硫球菌属(

6、Sulfosphaerellus)，最适生长温度为 70。 味精生产设备 由于微生物的个体一般都是单细胞或接近于单细胞，利用物理或化学人工诱变处理，容易使它们的遗传性质发生异变，从而改变微生物的代谢途径，产生新的菌种。 例如：生产味精的谷氨酸棒杆菌经过变异后，它的高丝氨酸缺陷型可生产赖氨酸，它的抗甲硫氨酸变异株可生产蛋氨酸。二、培养基 培养基（Medium）是微生物发酵过程所必需的养料，一般都含有碳源、氮源物质、无机盐(包括微量元素)以及维生素和水等。 从发酵生产用途的角度来看，培养基可分为孢子培养基、种子培养基和发酵培养基三类。1.孢子培养基 孢子培养基又称为斜面培养基，是为了使菌体生长快，

7、产生孢子数量大、质量好，不会引起菌种变异采用的培养基。 一般而言，孢子培养基的碳源和氮源不宜多，否则只长菌丝，少长或不长孢子；另外，孢子培养基的无机盐浓度应适当控制，否则会影响孢子的颜色和孢子的量。孢子培养车间2.种子培养基 种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌体长得粗壮，成为活力强的“种子”的培养基。 种子培养基的营养成分要求比较丰富和完全，氮源和维生素的含量也要高些，但总浓度以略稀薄为好，这样可达到较高的溶解氧，供大量菌体生长繁殖。此外，种子培养基还需考虑在微生物代谢过程中能维持稳定的pH值。青霉菌种子培养车间3.发酵培养基 发酵培养基是使接种的菌丝生长并能高效表达，获得高

8、产量发酵产物，同时组分尽可能单一的培养基。 发酵培养基的营养成分与种子培养同样，要求比较丰富和完全，有利于产物的合成。 此外应注意，在发酵过程中，培养基不宜一次性大量、快速加入碳源和氮源；在产物分泌期间应维持pH值的稳定。葡萄酒发酵车间三、影响微生物生长发育的因素 微生物在生命活动中，与周围环境有着密切的联系。除了培养基的组成外，温度、pH 值、通气等因素均影响着微生物的生长与发育。 微生物的生长实际上是生物体的一系列生物化学反应、酶反应的有机组合，温度是这些反应必需的条件。 根据微生物生长的适宜温度范围，一般可将其大致分为低温菌、中温菌和高温菌三类。1.温度 种类 最适温度/ 存在环境 低温

9、菌 1020 水、冷藏物 中温菌 2040 大多数环境 高温菌 5075 土壤、温泉、堆肥2. pH值 微生物的生长需要在一定的 pH 值环境下才可正常生长、繁殖。如果pH值不适，不但妨碍菌体的正常生长，还会改变微生物的代谢途径及产物的性质。例如：黑曲霉柠檬酸pH = 2-2.5pH = 2.6-6.5菌体生长、繁殖草酸pH = 7丙酮丁醇梭菌pH = 5.57.0菌体生长、繁殖pH = 4.35.3丙酮丁醇发酵 环境的通气程度对微生物的生长影响很大。按照微生物对氧气的需求不同，可将其大致分为好氧性微生物、厌氧性微生物及兼性微生物三类。3.通气好氧性微生物 好氧性微生物（好气微生物）在生长繁殖

10、过程中，需要不断摄取周围环境中的氧。微生物在发酵过程中，能利用的氧必须是溶解于培养基中的溶解氧（DO）。显微镜下的黑曲霉菌 例如：大多数细菌属于好氧性微生物；硫杆菌属(Thiobacillus)中的氧化亚铁硫杆菌(Thio. ferroxidans) 属于好氧性固氮微生物。厌氧性微生物 厌氧性微生物不需要分子态氧，分子态氧对其有毒害作用。如：丙酮丁醇梭菌。兼性微生物 兼性微生物既能在有氧条件下生长，又能在无氧条件下生活。如：酵母菌，在有氧条件下迅速生长繁殖，在无氧条件下则进行发酵，并产生大量乙醇。显微镜下的酵母菌问题讨论与练习61 什么是发酵？什么是发酵工程？63 影响微生物生长发育的因素有哪

11、些？62 微生物的特点是什么？资料卡片61（略） 发酵(fermentation)是指，借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物或其代谢产物的过程。 发酵工程是指，采用现代工程技术手段，利用微生物生命活动的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种生物技术。 发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。 从工程的角度来看，微生物的主要特点有如下几个方面：1.体积小、比表面大，有利于促进其参与生物化学反应。2.种类多、分布广，为生物化工就地取材提供了方便。3.生长旺、繁殖快，有利于提高生产效率。4.适

12、应强、易变异，有助于新品种的培养。62（略）资料卡片63（略） 除了培养基的组成外，温度、pH 值、通气等因素均影响着微生物的生长与发育。1.温度微生物的生长实际上是生物体的一系列生物化学反应、酶反应的有机组合，温度是这些反应必需的条件。2.pH 值微生物的生长需要在一定的 pH 值环境下才可正常生长、繁殖。如果pH 值不适，不但妨碍菌体的正常生长，还会改变微生物的代谢途径及产物的性质。3.通气环境的通气程度对微生物的生长影响很大。例如：酵母菌，在有氧条件下迅速生长繁殖，在无氧条件下则进行发酵，并产生大量乙醇。 因此，在发酵过程中，须按照微生物对氧气的需求不同，控制好培养基中的溶解氧（DO值）

13、。四、发酵工程的基本工序 我们知道，发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。 从工程学的角度来看，我们可将发酵工程可概括地分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段通常我们又将其称为发酵工程的上游工程、中游（发酵）工程和下游工程。即：上游工程中游（发酵）工程下游工程原料产品1.发酵的上游工程 发酵的上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。 发酵的上游工程的基本工序可简单地表述为：菌种菌种选育孢子制备种子种子制备种子的扩大培养菌种的选育 菌种的选育常见的有自然选育和诱变育

14、种两种方法。自然选育菌种采样增殖培养纯种分离纯种培养生产性能测定菌种野生菌种 不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程叫做自然选育。自然选育是一种简单易行的选育方法，它可以达到纯化菌种，防止菌种衰退、稳定生产、提高产量的目的。但是自然选育的最大缺点是效率低、进展慢。菌种自然选育基本步骤可表述为： 使培养物获得单个菌落 测定代谢产物或其它目的性状诱变选育 诱变选育是利用各种物理、化学因素，通过人工诱发的基因突变而进行菌种筛选的过程。菌种诱变选育基本步骤可表述为：同步培养出发菌株使菌细胞处于相同或接近的生理状态制备孢子悬液诱变处理化学诱变剂物理诱变剂得到基因突变的菌株平板分离挑取疑似

15、突变菌落突变体的筛选纯种培养生产性能测定菌种通过多次筛选，确定目标突变菌株纯种培养问题： 什么是化学诱变？什么是物料诱变？资料卡片一、化学诱变剂及其作用机制 引起突变的化学物质称为化学诱变剂。常见的变剂有烷化剂、核酸碱基类似物及其它类诱变剂。 烷化剂往往带有一个或多个活泼的烷基，如烷基磺酸盐、亚硝基烷基化合物等。烷化剂的作用机制是：通过烷基化，导致 DNA断裂、缺失或修补。1.烷化剂2.核酸碱基类 核酸碱基类化学诱变剂具有与 DNA碱基类似的结构。如，5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等。其作用机制是作为 DNA的成份而渗入到DNA分子中去，使DNA复制时发生配对错误，从而引起有机体变异。3.亚硝酸

16、亚硝酸能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸结构和性质，造成 DNA复制紊乱。亚硝酸还能造成DNA双链间的交联而引起遗传效应。资料卡片二、物理诱变 通过物理方法引起的突变称为物理诱变。常见的物理诱变剂有紫外线，X射线，-射线，快中子，激光，微波，离子束等。 紫外辐射可以引起碱基转换、颠换、移码突变或缺失；激光通过光效应、热效应和电磁效应的综合作用，能使生物的染色体断裂或形成片断；-射线可使脱氧核糖的碱基发生氧化或DNA分子的化学键断裂、同时还能引起染色体畸变。 微波辐射属于一种低能电磁辐射，具有较强生物效应的频率范围在 300MHz300GHz，对生物体具有热效应和非热效应。其热效应能引起生物体局部温度

17、上升，从而引起生理生化反应；其非热效应能使生物体产生非温度关联的各种生理生化反应。在这两种效应的综合作用下,生物体会产生一系列突变效应。种子的扩大培养 种子的扩大培养就是，为每次发酵罐的投料提供相当数量的代谢旺盛的种子。菌种接种、培养休眠状生产用种子接种、斜面活化扁瓶或摇瓶冷冻干燥管斜面菌种种子罐种子 将选育得到的菌种通过摇瓶、种子罐等逐级扩大培养，最终可获得一定数量和质量的纯种。实验室阶段的种子培养生产车间阶段的种子培养菌种的工艺要求 品种纯正、生产能力高、遗传性状稳定。菌种品质淀粉 葡萄糖 酒精 + 二氧化碳淀粉酶酒化酶醋酸杆菌O2CH3COOH + CO2醋酸杆菌 菌种品种的纯正与否，直

18、接影响着发酵产品的质量与品质。若菌种中含有有害杂菌，常会使我们得不到发酵目标产品。 例如：酿酒 我们知道，遗传与变异是生物的基本属性。在发酵的上游工程中，对选育出来的菌种还需经过多级扩大培养。若菌种的遗传性状不稳定，则会发生变异直接影响发酵生产。 例如：啤酒酵母常采用三级扩大培养，扩大倍数为46倍。 种子各阶段的制备，应无其它微生物污染、种子生命力强。 若种子的制备受到其它微生物的污染，往往会使发酵得不到所需的目标产品。种子制备病毒株种子制备 菌种保存应采用冷冻干燥管或液氮管，使菌种经存放后能保持菌种的存活和生产能力的稳定性。 冷冻干燥保藏是一切生物样品保藏的重要方法，特别适用于微生物菌种的保

19、藏。菌种保存菌种冷冻干燥保存 菌种经过长时间的保存、长期的使用或转管次数过多后，其活力往往会下降。应定期对菌种进行分离复壮，以防菌种退化确保菌种的纯正和生产能力的稳定性。 常用的菌种复壮方法有“重新选育法”、“移植活化法”、“改变养分法”和“改善环境法”。菌种复壮 在发酵生产中，应注意储备生产能力相同而遗传性状不同的几个备用菌种，以备生产菌种受噬菌体污染或其它异常情况时替换。菌种储备苹果醋发酵生产线资料卡片1.重新选育法 利用原有的菌株，通过重新选育得到菌种。2.移植活化法 当菌种保存期久了，其活力会有一定程度的下降。此时，可将其进行重新移植培养，维持其活力。3.改变养分法 有些菌类对培养基的

20、营养成分，往往有喜新厌旧的现象，连续用同一营养成分的培养基，会使该菌种生产力下降、退化。因此，隔一段时间后，通过改变其培养基的组成和比例，也能起到菌种复壮的作用。4.改善环境法 一个优良的菌种，若传代次数太多，或环境不好，也会引起衰退。此时只需通过改善环境对其进行培养，也可起到菌种复壮的作用。 所谓中游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。其主要工艺要求为：2.中游工程发酵 要求原材料质量稳定、品种纯正。原材料最好选择微生物发酵专用的工业级即可，试剂级原材料成本较高。材料质量 在发酵起始及过程中，要求原材料、设备、空气等须经过严格的灭菌处理。材料处理条件控制 在发酵过程中，应按发酵的要求，严格控制发酵体系的温度、pH值及溶解氧(DO值)等条件。资料卡片几种微生物耐受和适合的pH值微生物类型 pH 值范围 微生物例举嗜酸微生物 2 4.0氧化硫硫杆菌、嗜酸热硫化叶菌、隐蔽热网菌耐酸微生物 3.5 6醋酸杆菌、乳酸杆菌嗜中性微生物 6 8多数微生物、根瘤菌、放线菌嗜碱微生物 11 12少数嗜盐碱杆菌属、外硫红螺菌属、某些芽孢杆菌 3.发酵的下游工程 发酵的下游工程是指，从发酵液中分离和