發(fā)酵工程《生物技術(shù)與生活》《生物技術(shù)概論》課件-視圖選擇純黑白即可使用

1、,,. 前言. 概況,. 微生物發(fā)酵過(guò)程,. 典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn),發(fā) 酵 工 程,Fermentation Engineering,,,發(fā) 酵 工,程,發(fā)酵已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程。現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激

2、素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。,,,發(fā)酵工程將微生物學(xué)，生物化學(xué)和化學(xué)工程的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是一門利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。,前言,生物技術(shù)的

3、多學(xué)科性示意圖,前言,,,發(fā)酵工程,前言發(fā)酵工程、遺傳工程、細(xì)胞工程和酶工程構(gòu)成了生物工程的四大支柱。無(wú)論從微生物得到酶或用遺傳工程菌獲得產(chǎn)品，都必須依賴發(fā)酵工程技術(shù)。發(fā)酵工程的主體是微生物，特別是用經(jīng)過(guò)DNA重組技術(shù)改造過(guò)的微生物。,,,,,時(shí)間,發(fā)酵階段,主要產(chǎn)品,主要技術(shù),-1900,天然發(fā)酵,酒、醋、干酪、酵母,天然分批,1905-,純培養(yǎng),酒精、丙酮、丁醇,密閉純培養(yǎng),1940-,通氣攪拌,抗生素

4、、有機(jī)酸,通氣攪拌,酶 、維生素,分批或連續(xù),1957-,代謝控制,氨基酸、核苷酸,選育缺陷菌株,1960-,開拓原料,單細(xì)胞蛋白,連續(xù)發(fā)酵,1979-,基因工程菌,胰島素、干擾素,DNA 重組,工業(yè)發(fā)酵的發(fā)展簡(jiǎn)史,,概況,發(fā)酵工程的內(nèi)容生產(chǎn)菌種的選育發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制反應(yīng)器的設(shè)計(jì)產(chǎn)物的分離、提取與精制,FERMENTATIONProcess Control,上游工程,UPSTREAMPROCESSES

5、下游工程,DOWNSTREAMPROCESSES,Fermentation engineering發(fā)酵工程組成,從廣義上講，由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程,UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell …,- inoculum development- media formulation- sterilization- inoculation,FERMEN

6、TATIONProcess Control,上游工程,Fermentation engineering,- waste treatment-by product recovery,FERMENTATIONProcess Control,Fermentation engineering下游工程DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purificatio

7、n& assay,,發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵,概況,,概況,傳統(tǒng)發(fā)酵描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，即以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。,,概況

8、,工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過(guò)程包括：?厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。?通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。?產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。,,發(fā)酵工業(yè)指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，進(jìn)行無(wú)機(jī)或有機(jī)原料的酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。,概況,概況,發(fā)酵類型微生物菌體發(fā)酵以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。,?

9、面包酵母發(fā)酵? 單細(xì)胞蛋白發(fā)酵,?,藥用真菌,???,名貴中藥微生物殺蟲劑疫苗,傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵,新的菌體發(fā)酵,,,微生物菌體發(fā)酵特點(diǎn)細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。,發(fā)酵類型,,發(fā)酵類型,微生物酶發(fā)酵? 酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。? 分類：胞內(nèi)酶和胞外酶。? 生物合成特點(diǎn)：需要誘

10、導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。,,微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵? 包括初級(jí)代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。? 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。? 各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所積累的，來(lái)自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。,發(fā)酵類型,,微生物的轉(zhuǎn)

11、化發(fā)酵? 利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物。? 最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。,例如：乙醇,乙酸,醋酸發(fā)酵,葡萄糖,葡萄糖酸,發(fā)酵類型,,,發(fā)酵類型,生物工程細(xì)胞的發(fā)酵利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞，如工程菌以及“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。

12、發(fā)酵生產(chǎn)生長(zhǎng)激素的“工程菌”,,發(fā)酵類型,微生物特殊機(jī)能的利用? 利用微生物消除環(huán)境污染? 利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡? 微生物濕法冶金? 利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域,,發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用,產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，活性物質(zhì)，特殊化學(xué)品和食品添加劑。,,發(fā)酵過(guò)程中的上、中、下游過(guò)程,? 上游加工----最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑。即應(yīng)

13、用常規(guī)選育、基因工程、細(xì)胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細(xì)胞系或固定化的菌體等。,? 中游加工----生物反應(yīng)器為。,? 下游加工----從反應(yīng)液中提取目的產(chǎn)物 加工,精制成合格產(chǎn)品，廢物處理。,,發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介,??????,發(fā)酵食品有機(jī)酸氨基酸核酸類物質(zhì)酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素…）,? 飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白? 環(huán)境工程（廢物處理）? 其它 （冶金工業(yè)…）,Fermen

14、tation Industry,??????,Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical (Antibiotics…),??,Feedstuff (eg. SCP)Environmental Application(Waste Treatment),? Others (eg. Me

15、tallurgicalindustry),發(fā) 酵 過(guò) 程即微生物反應(yīng)過(guò)程，指由微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中所引起的生化反應(yīng)的過(guò)程。根據(jù)對(duì)氧的需要分：厭氧和有氧發(fā)酵。根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀分：液體和固體發(fā)酵。根據(jù)微生物生長(zhǎng)特性分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵。,發(fā)酵工程,,發(fā)酵工業(yè)中的微生物,,,,,一.細(xì)菌（Bacterium),——形態(tài)球形桿形,弧形,螺旋形,微生物種類,各種“視野”下的細(xì)

16、菌,光鏡超薄切片,暗視野冷凍切片,熒光掃描電鏡,透射電鏡DNA蛋白質(zhì)復(fù)合物,? 結(jié) 構(gòu)基本結(jié)構(gòu):細(xì)胞壁；細(xì)胞膜；細(xì)胞質(zhì)；類核(染色體)。特殊結(jié)構(gòu):莢膜；芽孢；鞭毛；質(zhì)粒。,微生物種類,染色體,質(zhì)粒,,,,

17、,,,? 培 養(yǎng) 特 征固體培養(yǎng)基上:菌落（colony）：指單個(gè)微生物或一小堆同種細(xì)胞在適宜條件下，在固體培養(yǎng)基表面形成的肉眼可見(jiàn)的以母細(xì)胞為中心的子細(xì)胞集團(tuán)。若來(lái)自一個(gè)細(xì)胞，則為純培養(yǎng)菌苔(lawn)：大量細(xì)菌的菌落連成一片。,微生物種類,,,微生物種類,培 養(yǎng) 特 征液體培養(yǎng)基上均勻混濁；沉淀生長(zhǎng)；表面生長(zhǎng)。用于淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸、肌苷的

18、生產(chǎn)。,,微生物種類,二. 放線菌(Actinomycetes)用于鏈霉素、紅霉素、慶大霉素、金霉素等的生產(chǎn)。,,微生物種類,三.酵母菌(Yeast)用于釀酒、制造面包、脂肪酶、藥用和飼料用菌體蛋白的生產(chǎn)。,,,曲霉,微生物種類,四.霉菌（Mold)? 菌落特征形態(tài)較大，疏松，外觀干燥不透明，呈現(xiàn)蛛網(wǎng)狀、絨毛狀、棉

19、絮狀；與培養(yǎng)基連接緊密，不易挑取，正反面、邊緣與中心,顏色常不一致。,,,微生物種類,? 霉菌的作用糖化和蛋白質(zhì)水解。傳統(tǒng)發(fā)酵：醬油、豆腐乳、釀酒。現(xiàn)代工業(yè)：酒精、有機(jī)酸（檸檬酸、乳酸）、抗菌素（青霉素、灰黃霉素）、植物生長(zhǎng)激素（赤霉素）、殺蟲農(nóng)藥（白僵菌劑）、酶制劑（糖化酶、蛋白酶、纖維素霉、果膠酶）。,微生物種類,五.擔(dān)子菌（菇類）用于多糖、橡膠物質(zhì)、抗癌藥物的開發(fā)。,微生物種類

20、,六.藻類螺旋藻是一種生長(zhǎng)在堿性鹽湖的藍(lán)綠藻植物，是一種微型螺旋狀海藻，營(yíng)養(yǎng)極其豐富，含蛋白質(zhì)高達(dá)60-70%,是牛肉的3倍，豬肝的4倍，雞蛋的6倍，大米的10倍，其中8種是人體必需又不能自行合成的。含有VA、B1、B2、B6、B12、E、PP、K、泛酸、葉酸等多種維生素，幾乎所有的維生素都可以在螺旋藻中找到。VB12含量最高，比豬肝高3倍，可以糾正惡性貧血。,微生物種類,螺旋藻

21、從螺旋藻中提取的螺旋藻多糖是高純度生物活性物質(zhì)，含有免疫多糖、活性肽、多種氨基酸、維生素和微量元素，是最強(qiáng)免疫增強(qiáng)劑之一，它通過(guò)激活體細(xì)胞、免疫細(xì)胞和體液免疫系統(tǒng)增強(qiáng)抗病毒、抗腫瘤、抗細(xì)菌感染能力，間接地抑制病毒、癌細(xì)胞和細(xì)菌生長(zhǎng)，對(duì)正常人體細(xì)胞無(wú)傷害，是化療放療的有效輔助藥物。,,,,,,,,,發(fā)酵的一般過(guò)程,發(fā)酵過(guò)程,空氣空氣凈化處理,碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培

22、養(yǎng)種子罐滅菌主發(fā)酵產(chǎn)物分離純化成品,發(fā)酵過(guò)程,菌種? 選育目的是改善菌種的特性，使能提高產(chǎn)量、改進(jìn)質(zhì)量、降低成本、改革工藝、方便管理及綜合利用等。? 基本方法自然選育、生產(chǎn)育種、抗噬菌體菌株的選育、誘變育種、代謝控制育種及原生質(zhì)體技術(shù)和體外重組DNA技術(shù)（基因工程）等。,發(fā)酵過(guò)程,采樣,增殖培養(yǎng),地點(diǎn)方法,目的方法,純種分離方法,性

23、能測(cè)定方法,菌種從自然界分離,發(fā)酵過(guò)程,種子罐級(jí)數(shù)指種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)。一般根據(jù)種子的生長(zhǎng)特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。對(duì)于生長(zhǎng)快的細(xì)菌，種子用量少，故種子罐級(jí)數(shù)相應(yīng)也少。如谷氨酸生產(chǎn)，種子接入種子罐后于320C培養(yǎng)7-10h，菌濃達(dá)到108-109個(gè)/ml，即可接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為一級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，也稱二級(jí)發(fā)酵。生長(zhǎng)較慢的菌種，如青霉素生產(chǎn)菌種，種子接入

24、一級(jí)種子罐270C培養(yǎng)40h后，再需移入裝有新鮮培養(yǎng)基的第二級(jí)種子罐，于270C培養(yǎng)10-24h移至發(fā)酵罐作為種子，這稱為二級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，也稱三級(jí)發(fā)酵。一般50m3發(fā)酵罐都采用三級(jí)發(fā)酵。,發(fā)酵過(guò)程,發(fā)酵過(guò)程,生產(chǎn)車間種子制備階段（二級(jí)種子培養(yǎng)、 三級(jí)種子培養(yǎng)）二級(jí)發(fā)酵 三級(jí)發(fā)酵,斜面孢子,搖瓶液體培養(yǎng)冷凍干燥孢子茄子瓶斜面培養(yǎng),砂土孢子固體培養(yǎng)基培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室種子制備階段

25、（一級(jí)種子培養(yǎng)）,一級(jí)種子罐,二級(jí)種子罐,發(fā)酵罐,種子擴(kuò)大培養(yǎng)流程圖,,生理代謝,菌種篩選,種子培養(yǎng),發(fā)酵培養(yǎng),發(fā)酵,發(fā)酵步驟和工藝流程? 用作菌種培養(yǎng)及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐培養(yǎng)基的配制? 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌? 培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中? 將發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長(zhǎng)并形成代謝產(chǎn)物,發(fā)酵過(guò)程,下游處理? 將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到

26、合格的產(chǎn)品。? 回收或處理發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的廢物和廢水。? 獲得的產(chǎn)物按照有關(guān)部門制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和性能測(cè)定，符合要求后才為合格產(chǎn)品。,發(fā)酵過(guò)程,菌種篩選,搖瓶試驗(yàn),發(fā)酵罐試驗(yàn),,發(fā)酵工業(yè)的意義與展望,? 利用遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)，人工選育和改良,菌種,? 采用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行高等動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)? 固定化技術(shù)廣泛應(yīng)用,? 開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動(dòng),控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段,? 應(yīng)用代

27、謝控制技術(shù)，發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸、抗生,素、維生素,? 將生物技術(shù)廣泛地用于環(huán)境工程,氨基酸生產(chǎn)方法,? 發(fā)酵法,是氨基酸生產(chǎn)的主要方法，目前用發(fā)酵法生產(chǎn),的氨基酸已有20多種。,? 酶法,利用微生物細(xì)胞或微生物產(chǎn)生的酶來(lái)制造氨基酸。,? 提取法,蛋白質(zhì)水解，從水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸,和酪氨酸。,? 合成法,DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。,谷氨酸生產(chǎn),? 谷氨酸（Glu）發(fā)酵,,,,,,,,,,,谷氨酸生產(chǎn),? 谷氨酸（α-

28、氨基戊二酸）OC OHH2N-C- HH-C-HH-C-HH-C OOHL-型,谷氨酸生產(chǎn),谷氨酸的生物合成TCA循環(huán) → α-酮戊二酸 → 谷氨酸,,,,,,,,,? 谷氨酸的生物合成,COOH COOH,C=O,Glu脫氫酶,CHNH2,CH2 +NH4+ +NADPH2,

29、CH2 +H2O+NADP,CH2,CH2,COOH,COOH,谷氨酸生產(chǎn),Glu發(fā)酵生產(chǎn)的菌種? 棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬、節(jié)桿菌屬，革蘭氏陽(yáng)性? 不形成芽胞? 沒(méi)有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)? 需要生物素作為生長(zhǎng)因子? 在通氣條件下才能產(chǎn)生谷氨酸。,發(fā)酵工程應(yīng)用,發(fā)酵工程應(yīng)用,Glu發(fā)酵生產(chǎn)的原料制備淀粉水解糖的制備酸水解? 調(diào)漿：干淀粉用水調(diào)成10-11Bx的淀粉

30、乳，加鹽酸0.5-0.8％至pH1.5。? 糖化：蒸汽加熱，加壓糖化25min。冷卻至80℃下中和。? 中和：燒堿中和，至pH4.0-5.0? 脫色：粉末狀活性炭脫色，用量為0.6-0.8％，在60℃及酸性條件下攪拌后過(guò)濾。,淀粉水解糖的制備酶水解? 以大米或碎米為原料? 大米浸泡磨漿，調(diào)成15Bx，調(diào)pH6.0， 85 ℃加細(xì)菌a-淀粉酶液化30min， 60 ℃

31、加糖化酶糖化24h，過(guò)濾，即得淀粉水解液。,發(fā)酵工程應(yīng)用,發(fā)酵工程應(yīng)用,菌種擴(kuò)大培養(yǎng)? 一級(jí)種子培養(yǎng)：由葡萄糖、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸鐵及硫酸錳組成。pH6.5-6.8。1000ml裝200-250ml振蕩，32℃培養(yǎng)12h。? 二級(jí)種子培養(yǎng)：用種子罐培養(yǎng)，料液量為發(fā)酵罐投料體積的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃ 通氣攪拌7-10h。活菌數(shù)為108-109 /ml。,

32、,,,,谷氨酸發(fā)酵? 適應(yīng)期：菌體生長(zhǎng)遲緩，糖不利用，約2-4h?？刹扇≡龃蠼臃N量和控制發(fā)酵條件使該期縮短。? 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速下降。菌體生長(zhǎng)迅速，不產(chǎn)酸，約12h。需及時(shí)供給菌體生長(zhǎng)必須的氮源（尿素）及維持pH在7.5-8.0，保溫在30- 32℃。? 停止期（谷氨酸合成期）：及時(shí)流加尿素提供氨以維持pH7.2-7.4。大量通氣，控制溫度34-

33、37 ℃。? 發(fā)酵后期：菌體衰老，糖耗慢，殘?zhí)堑?。?dāng)營(yíng)養(yǎng)物耗盡、Glu濃度不增加時(shí)，及時(shí)放罐。? 發(fā)酵周期一般為30h,發(fā)酵工程應(yīng)用,發(fā)酵工程應(yīng)用,谷氨酸的提取? 等電點(diǎn)法：pI=3.22，發(fā)酵液 pH 調(diào)到等電點(diǎn)，使Glu沉淀。? 離子交換法：在pH<3.22時(shí)， Glu帶正電，用強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂（732）氫型吸附后， 在60°C用4% 的NaOH