发酵原理.ppt

1、发酵原理,绪论 发酵工业菌种 发酵工业培养基设计 发酵工业的无菌技术 发酵工业的种子制备 发酵动力学 发酵工业中氧的供需,发酵过程控制 发酵罐放大与设计 基因工程菌发酵 发酵产物的提取与精制 发酵工业清洁生产技术 发酵经济学 发酵产品生产原理与技术应用 发酵工程在现代生物化工中的应用,第一章 绪论,发酵工程的概念以及与相关学科的关系 发酵工程的发展 发酵工业的特点和研究范畴 工业发酵的类型和工艺流程 发酵工程的应用 发酵工业的发展前景,生物技术,以生命科学为基础 结合先进的工程技术手段和其他自然科学原理按照预先的设计改造生物体 利用微生物、植物或动物体对原料进行加工 生产出人类所需要的产品或达

2、到某种目的的技术,一 发酵工程的概念以及与相关学科的关系,发酵工程的概念,发酵,沸腾,生物化学家 工业微生物学家,发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程 发酵工程：利用微生物的生长繁殖和代谢活动来生产人们所需产品的理论和工程技术体系。包括菌种的选育和保藏、菌种的扩大生产、微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化、微生物生理功能的工业化应用,现代发酵工程：利用微生物工业菌种，特别是经DNA重组技术构建的微生物基因工程菌生产商业产品,微生物学：菌种分离鉴定改造以及基因工程菌 生化工程技术：创造最适发酵条件，获得最大生产效率,发酵生产流程图,从外界分离菌种,细胞工程,基

3、因工程,诱变育种,生产菌种,发 酵 罐,灭菌的 培养基,分离、提纯,菌体,代谢物,发酵工程与相关学科的关系,基因工程和细胞工程（上游生物技术） 源头上改变遗传特性来获得具有优良加工和转化能力的新品种 发酵工程 生物的优良遗传性状通过微生物生长繁殖得以表达，生产目的产物 酶工程,基因工程,基因工程是指在体外将目的基因插入载体的遗传物质中，并将其导入原来没有此基因的受体细胞内，使目的基因在受体细胞内得以表达，进而得到人类需要的基因产物。,细胞工程,细胞工程是采用类似工程设计的方法，运用细胞学技术、有计划的改造细胞遗传特性，从而培养出人们所需要的动植物品种或有具有某些新性状的细胞群体。,酶工程,酶工

4、程是研究酶的生产和应用的技术学科，包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰和改造以及酶反应器等内容 。,生化工程,生化工程是实验室成果实现产业化的技术支撑。包括生物反应和分离纯化过程的放大技术及其装备。,中下游生物技术,生化工程,发酵工程,二 发酵工程的发展,1发酵的本质 酿酒、制醋、生产酱油 1680年，荷兰的列文虎克制成显微镜 1897年，德国毕希纳提出酶催化理论,自然发生说,酶学理论,亚里士多德尼达姆 生命是 自然发生的,弗郎希斯科 施罗德 Pasteur Buchner 发酵的本质,路易斯巴斯德（LouisPasteur），法国微生物学家、化学家，开辟了微生物领域，近代微生物学的奠基人。

5、 巴斯德证明了三个科学问题： （1）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。“巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。 （2）每一传染病都是一种微菌在生物体内的发展。 （3）传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，使他们从病菌变成防病的药苗。,巴氏灭菌法又称低温灭菌法，先将要求灭菌的物质加热到6530分钟或7215分钟，随后迅速冷却到10以下。既不破坏营养成分，又能杀死细菌的营养体，巴斯德发明的这种方法解决了酒质变酸的问题，拯救了法国酿酒业。,2 发酵工程的发展,1900年前，自然发酵阶段。 1900-1940年，纯培养技术的建立第一转折点 1940年后，深层液体通气搅拌纯种培养第二转折点 代

6、谢控制发酵工程技术的建立第三转折点 开拓发酵原料,发展发酵放大技术 采用基因工程菌生产新产物,20世纪60年代，粮食紧张和饲料需求的增加 开发微生物细胞为饲料蛋白 石油产品作为发酵原料 推动了发酵生产的连续化和自动化发展,开始人为控制微生物的发酵进程，发酵效率逐步提高；生产规模扩大，产量提高，对发酵工业起了巨大的推动作用。 主要产物：甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮等,青霉素是指从青霉菌培养液中提取的，能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是-内酰胺类中一大类抗生素的总称。主要对革兰氏阳性菌有效，过敏反应强。,基因工程可以在

7、不相关的生物间转移基因，还可精确的对一个基因组进行交换，定向改变生物性状与功能，创造新物种。大大丰富了发酵工业的内容，使发酵工业发生革命性的变化,三 发酵工业的特点和研究范畴,发酵工业：利用微生物具有的加工和生物转化能力，将廉价的发酵原料转化为高附加值产物的产业,廉价原料生产高价值产品,专一性强,常温、常压、反应条件温和,生物转化修饰,不受自然 条件的限制,发酵工业的特点,发酵工业的研究范畴,微生物菌体,生物转化,酶制剂,代谢产物,微生物菌体,酵母,SCP,SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等） 生物防治制剂（如苏云金杆菌） 活性乳制剂,酶制剂：糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆分）、蛋白酶、

8、脂肪酶等 酶可用于淀粉糖、酒类、果蔬、奶制品和肉类制品等的加工生产；酶作为添加剂应用于洗涤剂、饲料、纺织和皮革等行业中；酶用于疾病诊断和治疗、药物生产等医学领域中；用于可再生能源的生产以及环境污染的治理等领域,代谢产物 初级代谢产物：对数生长期产生的代谢产物，是细胞生长和繁殖所必需的物质。具有重要的应用价值，供商业开发。 次级代谢产物：微生物进入缓慢生长期或者停止生长时期即稳定期所产生的物质。药物筛选和开发的重要资源。,初级代谢产物： 与菌体生长相伴随的产物， 氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累,次级代谢产物： 与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原

9、料而合成 抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感,生物转化,概念,利用微生物细胞或酶对某些化合物的特定部位进行催化修饰，使之转化为结构相似具有更大经济价值的化合物,范畴,脱氢，氧化，羟化，缩合，还原，脱羧，氨化以及异构作用等,优点,效率高 专一性强 条件温和, 含环戊烷多氢菲核的化合物； 甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的； 可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此,如：

10、甾体转化, 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett, 576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年938mg醋酸可的松） 生物法：高效、收率高 （1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世）,四 工业发酵的类型与工艺流程,对氧的需求,培养基物理性状,发酵的工艺流程,需氧发酵 厌氧发酵 兼性厌氧发酵,液体发酵 固体发酵（浅盘固体发酵和深层固体发酵）,工业发酵的类型,分批发酵 连续发酵 补料分批连续发酵,新发展的微生物培养方法,载体培养 两步法液体深层培养,发酵生产的工艺流程,发酵的工艺过程,培养基的制备 灭菌 接种

11、 控制发酵条件 产物的提取与精制 回收处理三废物质,五 发酵工程的应用,医药工业,药物：能影响机体生理、生化和病理过程，用以调节身体机能或抵御病原微生物的化学物质。, 抗生素：12 000余种 青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等, 氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）, 维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等, 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等, 酶抑制剂： 棒酸（可抑制-内酰胺酶对青霉素的破坏） -淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病 胆固醇抑制剂可治疗

12、高血压高血脂,药物,化学合成药物 工艺复杂 条件苛刻 污染严重 毒副作用大,生化药物和天然药物 生产受到资源的限制，价格偏高,微生物发酵药物 抗生素、维生素、氨基酸,医药工业的发展方向,应用微生物技术研究开发新药和替代传统制药工业技术，加快医药生物技术产品的产业化规模和速度,食品工业,发酵工程贡献的食品占食品工业的15%以上,农产品经过微生物处理，可得到风味各异的食品,与化学法相比，发酵法生产在毒理学和微生物学方面更安全,1,2,3,发酵食品的种类,酵母 有机酸谷氨酸 调味料 红茶和乌龙茶 酒类 酒精 发酵乳制品,酸奶,酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其

13、他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。,酸奶的生产,原料乳,杀菌,冷却,接种,乳酸菌纯培养物,母发酵剂,生产发酵剂,灌装,发酵,冷藏,检验出厂,乳酸菌的种类,乳酸菌是一类可利用碳水化合物产生大量乳酸的细菌,嗜热链球菌,嗜酸乳杆菌,乳酸链球菌,双歧杆菌,促进乳中酪蛋白的吸收,防止有机体大量积累吲哚和酚等有害物质,抑制肠道内腐败细菌的生长和繁殖,乳酸菌产生的有机酸促进胃肠蠕动，利于消化,乳酸菌的作用,醪糟,醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。

14、根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。,啤酒制造工艺流程,啤酒制造工艺流程,啤酒的生产,能源工业,生物乙醇,沼 气,微生物采油,生物电池,世界未来能源结构,UNDP对世界能源构成的一种情景分析,我国能源消费与供给趋势,中国目前的CO2排放量仅次于美国居世界第二位。CO2减排的压力将越来越大。 发展生物质能源能够大幅度减排 秸秆焚烧的烟气污染十分严重 发展“沼气”与“纤维素制乙醇”是解决前述问题的根本途径,太阳能生物质生物能源,燃料酒精,生物氢能,生物柴油,我国政府已批准建

15、设4个燃料酒精生产基地 吉林燃料乙醇有限责任公司，30万t；河南天冠集团，30万t；黑龙江华润酒精有限公司，30万t；安徽丰原生化股份有限公司，32万t 2002年6月30日开始在河南郑州、洛阳、南阳和黑龙江哈尔滨、肇东5个城市进行了为期一年的车用乙醇汽油使用试点到2005年底，黑龙江、吉林、辽宁、安徽等8个省市全面实行燃料酒精计划.,盈利前景颇为乐观,粮食约占生产成本的八成,在玉米价格等于1250元、酒精价格3621.2/吨的情况下，燃料乙醇的吨利润可达到536元,甜高粱是普通粒用高粱的一个变种，具有抗旱、耐涝、耐盐碱、适应性强、生物学产量高、糖分含量高等特点，有作物中的“骆驼”之称，是名副

16、其实的高效能植物。在可再生能源发展“十一五”规划中，被列为生物液体燃料的第一个来源。,16吨甜高粱茎秆（我国北方平均4亩耕地的产量）可以制取1吨燃料乙醇。废渣还可以制取500公斤生物柴油。,纤维质原料,纤维类物质是自然界中的可再生资源。其含量十分丰富。天然纤维原料由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成，它们均较难被降解，长期以来人们都在研究如何利用纤维质原料来生产酒精及其他化工产品。近年来，纤维素和半纤维素生产酒精的研究有了突破性的进展，纤维素和半纤维已成为很有潜力的酒精生产原料。,优势 减少了对常规能源的依赖，节约常规能源，有利于国家安全 促进了废弃物的资源化利用 环境友好 带动相关产业的发展，增加就业机会，增加收入和推动当地经济的发展 改变农村的面貌，有利于社会主义新农村建设,在化工中的应用,醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等 有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等 多糖：黄原胶、海藻糖等,冶金工业,细 菌 冶 金,概念,应用,将微生物及其代谢产物作为浸矿剂，喷在矿石上，从浸取液中得到有用金属,金、银、铜、锰、钴等,生 物 肥 料,发酵工程在农业中的应用,生 物 农 药,抗 生 素,添 加 剂,酶 制 剂,生 长 调 节 剂,SCP 饲 料,生物农药： 杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫） 防治植物病害