0微生物工程与工艺原理绪 论.ppt

微生物工程工艺原理 主讲 林日辉Cellphonemail linrihui 0 参考材料 微生物工程工艺原理 姚汝华 华南理工大学出版社发酵工程原理与技术 李艳 高等教育出版社生物工艺学 俞俊棠唐孝宣 华东理工大学出版社发酵工艺原理 熊宗贵 中国药科大学出版社生化生产工艺 梅乐和 浙江大学出版社FermentationBiotechnology OwenPWard 微生物学报微生物学通报食品与发酵工业工业微生物生物工程学报生物工程进展食品与生物技术过程工程学报现代化工 主要专业期刊 主要内容 绪论第一篇微生物工业菌种与培养基第二篇发酵机制 讨论课 第三篇发酵工艺过程的控制第四篇发酵产物的提取与精制总计46课时 绪论 了解 课程的研究对象 研究内容 微生物工程发展的历史 国内外微生物工业概况及其发展趋势 理解 微生物工程的特征 研究范围及其与化学工程的区别 易林 豫 同人 有 饥蚕作室 緍多乱缠 绪不可得 淮南子 精神训 有 反复始终 不知其端绪 绪 丝头 引申为头路或开端 1 1微生物工程工艺原理的基本概念 一 基本概念 微生物工程是将化学工程有关理论和单元操作应用于微生物的工业发酵生产 进而发展起来的具有新的特点的一门学科 微生物工程通常称为发酵工程 可分为发酵和提取两个部分 1 微生物工程工艺原理的定义 1 发酵 一词的来源英语中 发酵 一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的 原意为 翻腾 它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象 2 发酵的定义 2 狭义 发酵 的定义是指微生物在无氧条件下分解各种有机物 并以有机物作为电子受体的氧化还原产能的反应过程 如酒精发酵 乳酸发酵等过程 3 广义 发酵 的定义泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程 它包括厌氧培养的生产过程 如酒精 丙酮丁醇 乳酸等发酵 以及通气 有氧 培养的生产过程 如抗生素 氨基酸 酶制剂等的生产 二 微生物发酵的基本特征 代谢控制发酵 是指利用生物的 物理的 化学的方法 人为的改变了微生物的生长代谢途径 使之合成 积累 分泌我们所需要的产品的过程 1 现代发酵过程是典型的代谢控制发酵 由于微生物生理特性决定了微生物在发酵过程中需要稳定的环境 特殊的条件以及以氧作为底物的供给 这些都涉及到化工生产相关领域 1 质量的传递 氧的供给 代谢物的排泄等 2 热量的传递 微生物呼吸产热 微生物生长和代谢需要稳定而严格的温度条件 3 动量的传递 涉及到搅拌轴功率的计算 它与溶氧 气液混合的关系 4 微生物的反应工程 涉及到微生物的生长动力学模型的建立 产物生成动力学模型的建立 2 现代发酵过程是一个典型的化工过程 1 反应条件温和微生物的生理特性 要求温度为26 55 pH值中性偏酸性 酵母 霉菌 放线菌等 pH值中性偏碱性 细菌的发酵 2 无菌操作整个反应过程要求无菌 培养基 空气 补料和取样要求无菌处理 有些发酵尾气也要求进行无菌处理 3 非连续性生产微生物的生理特性决定了发酵过程的非连续性 大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的 目前只有少数发酵实现了连续化生产 如啤酒发酵 3 现代发酵工业又有别于化工过程 根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要 可将发酵分成以下几个类型 1 按发酵原料来区分 糖类物质发酵 石油发酵及废水发酵等 2 按发酵产物来区分 如氨基酸发酵 有机酸发酵 抗生素发酵 酒精发酵等 3 按发酵形式来区分 固态发酵和液体发酵 4 按发酵工艺流程区分 分批发酵 连续发酵和流加发酵 5 按发酵过程中对氧的需求 分为 厌氧发酵和通风发酵 三 微生物发酵的类型 固态发酵生产 大型发酵罐 典型的发酵过程可以划分成以下六个基本组成部分 1 繁殖菌种和发酵生产所用的培养基组份设定 2 培养基 发酵罐及其附属设备的灭菌 3 培养出有活性 适量的纯种 接种入生产的容器中 4 在发酵设备中 控制菌种生长代谢条件 进行发酵 5 产物萃取和精制 6 过程中排出的废弃物的处理 四 微生物发酵过程的组成部分 1 发酵阶段的组成 2 发酵工艺过程 1 适宜的微生物菌种 2 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 培养基组成 温度 溶氧 pH等 3 进行微生物发酵的设备 4 提取菌体或代谢产物 精制成产品的方法和设备 3 发酵生产的条件 菌种筛选 摇瓶试验 发酵罐中试 发酵生产 4 由实验室研究到产业化的过程 工业上的发酵产品 有四个主要类别 1 以菌体为产品 2 以微生物的酶为产品 3 以微生物的代谢产物为产品 4 生物转化过程 五 微生物发酵产品的类型 一 菌体是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的发酵工业 包括单细胞的酵母和藻类 担子菌 生物防治的苏云金杆菌以及人 畜防治疾病用的疫苗等 特点 细胞的生长与产物积累成平行关系 生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段 生长稳定期产量最高 二 微生物的酶可分为胞内酶和胞外酶合成特点 需要诱导作用 或遭受阻遏 抑制等调控作用的影响 在菌种选育 培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意 三 微生物代谢产物包括初级代谢产物 中间代谢产物和次级代谢产物 初级代谢产物或中间代谢产物是指细胞自身生长所必需的 在对数生长期形成的产物 次级代谢产物是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的 来自于中间代谢产物和初级代谢产物 四 生物转化过程利用生物细胞对一些化合物某一特定部位 基团 的作用 使它转变成结构相类似但具有更高经济价值的化合物 反应类型主要有 氧化 还原 水解 异构化 结合或引入杂原子 天然发酵阶段 古代 1900年 纯培养技术的建立 1905年 通气搅拌发酵技术的建立 1940年 代谢控制的发酵工程技术 1960年 现代发酵工程技术时期 1979年 1 2微生物发酵的历史及发展方向 一 微生物工业发酵的历史 早在夏 商 周时代就已经出现酿酒技术 据史料记载已有6000年左右了 1 第一个阶段 1900年以前 产品 酿酒 酱油 醋 面包 奶酪等 特点 地方性 经验性 偶然性 知其然 不知其所以然 A vanLeeuwenhoek 吕文虎克 荷兰业余科学家 1632 1723 1683年 1675年 LouisPaseteur 巴斯德 法国微生物学家 1822 1895 1861年 柯赫 RobertKoch 医生 德国 1843 1910 2 第二个阶段 1900年 1940年 纯培养技术的建立主要的新产品是酵母 甘油 柠檬酸 乳酸 丁醇和丙酮在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在一次大战时 Weizmann开拓了丙酮丁醇发酵 并建立了真正的无杂菌发酵 3 第三个阶段 1940年以后 解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题这一阶段的标志是 在纯种培养技术下 以深层培养生产青霉素 表面培养法 1升扁瓶 发酵液200ml 麦麸为培养基 青霉素发酵的效价单位约为40u ml 约0 3125微克 u 生产1kg产品需400000个扁瓶 折1 6万美元1kg 即每10万单位1美元 深层液体培养 机械搅拌 通无菌空气 设备 5000升发酵罐 结果 200u ml 纯度60 的产品0 74kg 现在国产青霉素约为每40万单位0 6元人民币 4 第四个阶段 1956年以后 应用动态生物化学和遗传学理论选育微生物突变株 控制代谢途径 大量积累发酵产物 主要的新产品 谷氨酸发酵 甾体化合物的生物转化 谷氨酸与谷氨酰胺产生代谢网络图 5 第五个阶段 1979年以后 这个阶段以基因工程产品的生产为标志 以分子生物学为基础 基因工程手段获得超级微生物 目前 世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种 如 胰岛素 人生长激素等等 人胰岛素人生长激素 GH 表皮生长因子 EGF 肿瘤坏死因子白细胞介素 2 IL 2 尿激酶原猪生长激素 PGH 牛生长激素 BGH 纤维素酶 干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子 CSF 促红细胞生成素 EPO 抗血友病因子组织溶纤原激活剂 t PA 部分利用基因工程技术研制的产品 二 微生物发酵工业的发展方向 微生物发酵工业有着悠久的历史 在国民经济中占有重要的地位 21世纪又是生物的世纪 体现在哪里 1 从工业领域看微生物发酵将占据越来越重要的地位 具体的讲 1 通过微生物工程解决能源问题能源问题是全球面临的问题 生物工程如何解决 太阳能淀粉 纤维素G乙醇能源乙烯 目前已取得突破性进展 生物工程作为桥梁 2000年世界产值已达50亿美元 酶工程 发酵 化学工业的发展也面临着巨大的挑战 首先 石油资源枯竭将会引起世界性的能源危机 随着石油等不可再生资源日趋紧张 及时的开展替代产品的研究很重要 其次 化学工业引起的环境污染问题也不容忽视 2005年吉林石化一化工车间发生连续爆炸图片 2 微生物工程在化学工业中的应用 化工厂排污口流出的污水 漂着白沫 又黑又臭 基地内公路旁随处都是死去的白鹭 化学工业可持续发展 需要不断的寻找新的经济生长点 来推动化学工业走向21世纪 利用发酵工程技术改造 取代传统化工产品就是其中研究的热点 有机溶剂 去污剂 丙烯酰胺 1 3 丙二醇 长链二元酸 聚羟基烷酸酯 聚L 乳酸是目前应用发酵工程生产的重要化工产品 3 农业生物农业 农产品加工等方面 4 医药主要包括手性药物制剂 手性原料和手性中间体 1 酶制剂工业 酶既是生产工具 又是科学研究的工具和基础 2 新型抗菌素工业和维生素行业 3 氨基酸及多肽发酵 4 生物免疫物质 白介素 2 干扰素 抗肿瘤物质等 5 细胞工程及疫苗 2 从产品角度看