发酵工程讲义

==============================发酵工程讲义长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义 第一章绪论 教学目的了解发酵工程的意义及组成，我国发酵工程的进呈现状；把握微生物发酵的纯培育技术和深层培育技术的相关内容及发酵工程进展历史上的五个转折点；把握发酵工程的产业化及其进展前景。 教学重点、难点：微生物发酵的纯培育技术和深层培育技术；发酵工程的产业化及其进展前景。发酵工程的意义及组成 传统生物技术：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。 现代生物技术：基因工程菌发酵，基因工程药物疫苗及抗体生产。发酵工业范围：了解 发酵工程与现代生物技术的关系 发酵工程是生物技术的重要组成局部，是生物技术产业化的重要环--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~1~==============节。它是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展酶促转化，将原料转化成产品或供给社会性效劳的一门科学。于它以生物为主故又称为微生物工程。发酵工程的组成：从广义上讲，三局部组成上游工程发酵工程下游工程上游工程：-genetics,cell? -inoculumdevelopment -mediaformulation-sterilization-inoculation下游工程：-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecovery 发酵的定义：1.传统发酵发酵最初是来自于拉丁语“发泡”这个词，是指酵母作用于果汁或发芽的谷物时产生二氧化碳的现象。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，如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。3.工业上的发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~2~==============================过程。发酵过程的组成局部： 典型的发酵过程可划分成六个根本组成局部：生殖种子和发酵生产所用的培育基组份设定；培育基、发酵罐及其附属设备的灭菌； 性、适量的纯种，接种入生产容器中； 微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；产物分别和精制； 过程中排出的废弃物的处理。 发酵工程的进展历史 发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素发酵→抗生素工业→氨基酸,核酸发酵→基因工程菌发酵→动物细胞大规模培育→植物细胞大规模培育→藻类细胞大规模培育→转基因动物 第1页 长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义 传统的微生物发酵技术——自然发酵第一代微生物技术—纯培育技术的建立 1675年荷兰AnthonyLeeuwenhoek(列文虎克1632~1723)用自制的显微镜，观看到了微生物，包括细菌和酵母。 1857年法国的Louis--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~3~==============================Pasteur(巴斯德1822~1895)第一次证明酒精发酵是活酵母引起的，各种不同的发酵产物是不同的微生物产生的。被誉为微生物学的鼻祖，发酵学之父。1897 年德国Eduard Buchner(毕希纳1860~1917)将酵母细胞磨碎，得到的酵母汁加糖能产生二氧化碳和酒精，从而说明白微生物发酵的化学反响本质——酶催化。 1905 年德国RoberKoch(柯赫1843~1910)首先制造了固体培育基，得到了细菌纯培育物，建立了微生物纯培育技术，为发酵工程的建立起了关键作用。 纯培育技术的建立，开创了人为把握发酵过程的时期。期的产品有：酵母、酒精、丁醇、有机酸、酶制剂等，主要是一些厌氧发酵和外表固体发酵产生的初级代谢产物。其次代微生物发酵技术—深层培育技术 1941年美国和英国合作对青霉素进展生产争论 外表培育：1升基。40u/ml 1943年深层培育：5m3--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~4~==============───200u/ml 当今：100m3─200m3───5-7万u/ml 发酵能成功的缘由，主要是解决了两大技术问题：通气搅拌解决了液体深层培育时的供氧问题。 抗杂菌污染的纯种培育技术：无菌空气、培育基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。●随后链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等抗生素相继问世，形成了抗生素工业。伴随其兴起诞生的大型发酵罐，为发酵工程的进展供给了关键设备。 ●20世纪50年月，日本人最早引进“代谢把握发酵技术”用于氨基酸发酵，氨基酸发酵工业得到快速进展；●20世纪60年月，消灭了石油发酵，如以石油为原料生产饲料酵母、柠檬酸、水杨酸等。 第三代微生物发酵技术——微生物工程 ●1973年在试验室实现了基因转移，为基因工程开启了通向现实的大门，此后很快在全世界各国的争论人员不但构建高产量的基因工程菌，--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~5~==============================还使微生物产生出它们本身不能产生的外源蛋白质，而且很快形成了基因工程如胰岛素、生长激素、细胞因子、疫苗、单克隆抗体等。 值得一提的是，1973年人类通过基因工程手段构建了第一个“工程菌”，用它生产出了人生长激素释放抑制因子。 发酵工程进展的转折点： 第一个转折点：食品工业→非食品工业其次个转折点青霉素发酵→抗生素工业第三个转折点：代谢把握发酵第四个转折点：发酵原料的转变第五个转折点：基因工程引入发酵 我国发酵工程产业化现状及前景 1、发酵工程产业化的重要环节 发酵工程产业化就是将有关应用微生物的科学争论成果转化为发酵产品，并投向市场的过程。三个环节：投产试验、规模化生产和市场营销。 2、我国发酵工程的进呈现状 我国发酵工程经过长期进展已有确定根底，并始终持续快速进展。目前其产品涉及医药、保健、农药、食--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~6~==============================品、饲料、有机酸等方面。 中国的酿酒业，距今已有数千年的历史渊源。第2页 长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义 白酒：是我国特有的具有悠久历史的传统酒种。黄酒：是我国最古老的酒种，据史料记载已有6000年左右了。 葡萄酒：1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司，这是我国第一个型的葡萄酒酿造厂目前我国葡萄酒工厂已有近八十家。2023 年葡萄酒年产量约34 万吨。啤酒：1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成。2023年产量到达2200万吨左入世纪后，形成了青啤、燕京、华润“三强”鼎立。 在医药方面，抗生素得到迅猛进展，1998年抗生素产量到达33486t，其中青霉素的产量居世界首位。其他生化药物中，初步形成产业化规模的有干扰素、白细胞介素、乙型肝炎疫苗等。 在农药方面，生物农药品种达85种主要有苏云金芽孢杆菌、井冈霉素、赤霉素等。其中井冈霉素的--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~7~==============================产量居世界首位。 在食品与饲料方为三大发酵制品的味精、柠檬酸、酶制剂的产量也有很大增加，如味精产量万吨增加到万吨，其生产和消费居世界第一；还有柠檬素的生产和出口也居世界第一。 在保健品方面，中国已能生产多种氨基酸核酸维生素等。但是，也存在诸多问题。 中国发酵水平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；③产品品种单一，构造不合理； 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。3、发酵工程的进展前景 ①基因工程的进展为发酵工程带来的活力。②型发酵设备的研制为发酵工程供给先进工具。 连续化、自动化把握技术的应用为发酵工程的进展拓展了空间。④生态型发酵工业的兴起开拓了发酵的领域。⑤再生资源的利用给人们带来了期望。 本课程--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~8~==============================的教学目的和内容 1、本课程的教学目的2、教学内容 第一章绪论(4学时) 其次章菌种的来源(4学时) 第三章发酵培育基(4学时)第四章发酵工业的无菌技术(4学时)第五章种子的扩大培育(4 学时)第六章抗生素发酵生产工艺(2 学时)第七章啤酒发酵生产工艺(4学时)第八章氨基酸发酵生产工艺(2学时) 第九章发酵过程把握(12学时) 其次章菌种的来源 教学目的了解工业化菌种的要求以及一些工业化生产菌介绍；了解菌种分别的一般过程；把握土样采集应留意的问题，菌种的分别方法；把握优良菌种应具备的根本特性和菌种的选育。 难点：土样采集应留意不同的土壤特点、地理和气候条件，土样的采集方法；生化反响分别法； 第3页 长江大学生科院生物技术系 《发酵工程》讲义诱变育种。 第一节工业化菌种的要求及已工业化产品生产菌介绍--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~9~==============一、工业化菌种的要求 ????能在廉价原料制成的培育基上生长，且大量高效地合成产物；遗传性能要相对稳定； 可操作性要强；抗噬菌体及杂菌污染力气强； ?产生菌及其产物的毒性必需考虑；●发酵条件如温度、pH、溶解氧等易把握。二、已工业化产品生产菌介绍 1、抗生素生产有关的微生物2、氨基酸生产有关的微生物 50,60年月以氨基酸发酵为代表的代谢把握发酵，是发酵工业进展历史上的一个转折点。 代谢把握发酵：用人工诱变的方法，有意识地转变微生物的代谢途径，最大限度地积存产物，这种发酵形象地称为代谢把握发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。3、食品酶制剂生产有关的微生物 利用微生物来进展酶制剂生产是19世纪日本人用曲霉通过固体培育生产他卡淀粉酶，而大规模工业化生产则始于20世纪40年月末日本用深层发酵法生产α—淀粉酶。 其次节自然--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~10~==============================界中目的微 生物的分别 一、菌种分别的一般过程 标本采集→预处理→富集培育→菌种分别→性能鉴定→ 菌种保藏 二微生物材料的标本采集 一般通过以下途径获得菌种：①向菌种保藏机构索取有关菌株； ②自然界采集样品，如土壤、水、动植物体等； ③从一些发酵制品中分别目的菌株，如从酱油中分别蛋白酶产生菌，从酒醪中分别淀粉酶或糖化酶产生菌。 自然界中微生物富土壤是微生物最集中的地方，所以土壤样品往往是采集的首选目标。土样采集应留意以下问题： A、不同的土壤特点 因土壤组成有机物浓度pH等条件的不同，微生物的种群分布会格外不同。如菜园和农田常以细菌和放线菌较多；果园树根土壤中酵母菌含量较高；动植物残骸及腐殖土中霉菌较多；根瘤菌多在豆科植物根系土壤中分别；分解石油的微生物常在油田和石油炼油厂四周的土层中分布最多。B、--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~11~==============================地理和气候条件 南方和北方一年四季。很多工业微生物菌种，如抗生素产生菌，尤其是霉菌、酵母菌，大多从南方。秋季采土样最为抱负。 采土样的方法南方用取样铲将表层5cm左右的浮土除去，取5～25cm处的土样10～25g，装入事先预备好的塑料袋内扎好北方土壤枯燥可在10～30cm处取样。给塑料袋编号并记录地点、土壤质地、植被名称、时间及其他环境条件。一般样品取回后应马上分别，以免微生物死亡。 C、微生物的生理特性Ｄ极端环境条件下采样分别 极端微生物的采集。 第4页 长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义 三标本的预处理 提高菌种分别的效率。表2-2 四、目的微生物富集的一些根本方法 ?富集的目的：让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。 富集培育是在目的微生物含量较少时，依据微生物的生理特点，设计一种选择性培育基或--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~12~==============================制造有利生长条件，使目的微生物数量增加，原来自然条件下的劣势种变成人工环境下的优势种，以利于分别得到所需要的菌株。 ?富集的根本方法：1、把握养分；2、把握培育条件，如pH、温度、通气量等；3、抑制不需要的种类 五、菌种分别 1、常规分别法：划线法、稀释法和涂布法2、生化反响分别法：透亮圈法、变色圈法抑菌圈法生长圈法 ：在平板培育基中参与溶解性较差的底物，使培育基混浊，这样能分解该底物的微生物便会在菌落四周产生透亮圈。圈的大小可初步反映该菌株利用底物的力气，完全可以作为菌种初筛的推断标准。如脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶及核酸酶产生菌的分别，产有机酸菌的初筛。粉为惟一碳源，待样品涂布到平板上，经过培育形成单个菌落后，再用碘液浸涂，依据菌落四周是否消灭透亮的水解--------------------，治理类，工作总结类，工作打算类文档，感谢阅读下载---------------------~13~==============================种产生有机酸的菌株时，在培育基中添加碳酸钙。 变色圈法：对于一些不易产生透亮圈产物的产生菌，可在底物平板中参与指示剂或显色剂，使所需微生物能被快速鉴别出来。 例：分别果胶酶产生菌，用含%果胶为唯一碳源，菌落长成后参与%的刚果红溶液染色4h，具有分解果胶力气的菌落四周便会消灭降红色的变色圈。 抑菌圈法：假设被检菌能分泌某些抑制工具菌生长的物质，