发酵工程学课件(共28页).ppt

1、1 赵赵 蕾蕾 山东师范大学生命科学学院山东师范大学生命科学学院 Zhaolei, PhD College of Life Science Shandong Normal University E- 发发 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 2发酵工程发酵工程fermentation engineeringfermentation engineering 直接利用微生物的机能将物料加工以提直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品的过程，又称微生物工程。供产品的过程，又称微生物工程。 在最适发酵条件下，大量培养细胞和生在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢产物的工

2、艺技术。产代谢产物的工艺技术。3发酵工业简介发酵工业简介发酵食品发酵食品有机酸有机酸氨基酸氨基酸核酸类物质核酸类物质酶制剂酶制剂医药工业抗生素医药工业抗生素饲料工业单细胞蛋白饲料工业单细胞蛋白)环境工程废物处理环境工程废物处理其它其它 冶金工业冶金工业 Fermentation Industry Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP) Environmental Application (Waste Treatme

3、nt) Others (eg. Metallurgical industry)4 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？特点有什么关系？1 1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。将其他种类的微生物杀死。2 2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖质水解成可吸收的小分子的多肽或

4、氨基酸、葡萄糖 。3 3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。物质，包括氨基酸、核苷酸等。5 微生物繁殖非常迅速微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造微生物本身也容易改造6FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发酵工程组成从广义上讲，由三局部组成： 上游工程、发酵工程、下游工程7UPSTREAM PR

5、OCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineering8DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 Fermentation

6、 engineering9 适宜的微生物适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件保证或控制微生物进行代谢的各种条件 进行微生物发酵的设备进行微生物发酵的设备 精制成产品的方法和设备精制成产品的方法和设备获得发酵产品的条件10Use of Microorganisms Positive益处益处 Biomass Production Conversion Negative危害危害 Pathogens Spoilage11发酵的定义 传统发酵传统发酵 生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵 工业上的发酵工业上的发酵12传统发酵 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁最初发酵是用来描述酵母菌

7、作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。的生产过程。 Fermentation最初来自拉丁语最初来自拉丁语“发泡发泡fervere1314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。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如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出生酒精并放出COCO2 2。15工业上的发酵 泛指利用微生物生产某些产品的过程。泛指利用微生物生产某些产品的过程。 包括：包括： 1. 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等厌氧培养的生产

8、过程，如酒精，乳酸等。 2. 2. 通气有氧培养的生产过程，如抗生通气有氧培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。素、氨基酸、酶制剂等。16一、发酵工业简史一、发酵工业简史 时间时间 发酵阶段发酵阶段 主要产品主要产品 主要技术主要技术 -1900 -1900 天然发酵天然发酵 酒酒 醋醋 干酪干酪 酵母酵母 天然分批天然分批 1905- 1905- 纯培养纯培养 酒精酒精 丙酮丁醇丙酮丁醇 密闭纯培养密闭纯培养 1940- 1940- 通气搅拌通气搅拌 抗生素抗生素 有机酸有机酸 通气搅拌通气搅拌 酶酶 维生素维生素 分批或连续分批或连续 1957- 1957- 代谢控制代谢控制 氨基酸

9、氨基酸 核苷酸核苷酸 选育缺陷菌株选育缺陷菌株 1960- 1960- 开拓原料开拓原料 单细胞蛋白单细胞蛋白 连续发酵连续发酵 1979- 1979- 基因工程菌基因工程菌 胰岛素胰岛素 干扰素干扰素 DNA DNA 重组重组纯培养纯培养: :第一个转折点第一个转折点 通气搅拌通气搅拌: :第二个转折点第二个转折点 代谢控制：第三个转折点代谢控制：第三个转折点 基因工程菌：第四个转折点基因工程菌：第四个转折点 17History of applied microbiology Ancient times flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wi

10、ne) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals18n原始开展阶段发酵技术开始于家庭小制作，技术进步缓慢，完原始开展阶段发酵技术开始于家庭小制作，技术进步缓慢，完n 全是经验式的，并不知道其中的原理。全是经验式的，并不知道其中的原理。 n传统发酵工业阶段人们开始了解发酵现象的本质，采用开放式传统发酵工业阶段人们开始了解发酵现象的本质，采用开放式n 的发酵方式，生产过程及设备较为

11、简单，规模一般不大。的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模一般不大。n现代发酵工业阶段技术要求高、开展速度快；生产规模大；菌现代发酵工业阶段技术要求高、开展速度快；生产规模大；菌n 种生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用到达种生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用到达前前n 所未有的程度。所未有的程度。n生物技术产业阶段生物技术产业阶段 利用构建的基因工程菌生产。利用构建的基因工程菌生产。19二、生物反响的过程二、生物反响的过程 cell enzyme biocatalyst monitor sterlized air product bioreactor by pro

12、duct residue sterilizing mediumextract20空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物别离纯化成品21菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验23 菌种选育自然界筛选、诱变育种、自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程培养基配制根据培养基的配制原那么制根据培养基的配制原那么制备，实践中需屡次试验配方备，实践中需屡次试验配方灭菌杀灭杂菌杀灭杂菌扩大培养和接种发酵过程中心阶段检测进程，满足营养需要；严格检测进程，满足营养需要；严格控制温度、控制温度、pHpH、溶氧、转速等溶氧、转速等别离

13、纯化菌体：过滤、沉淀菌体：过滤、沉淀代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换24 四局部组成四局部组成菌种选育及扩大培养菌种选育及扩大培养原料预处理及培养基的制备原料预处理及培养基的制备发酵设备及反响条件的选择发酵设备及反响条件的选择4.4.产品的别离与纯化产品的别离与纯化25三、三、 微生物工业产品的类型微生物工业产品的类型 微生物菌体的发酵微生物菌体的发酵 以获得具有某种用途的菌体为目以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵工业。的的发酵工业。 2. 2. 微生物酶发酵微生物酶发酵 目前应用的酶大多来自微生物发酵。目前应用的酶大多来自微生物发酵。26 3. 3. 微生物代谢

14、产物发酵微生物代谢产物发酵(1)(1)初级代谢产物初级代谢产物(primary metabolite)(primary metabolite) 菌体生长繁殖所必需的，在对数生长菌体生长繁殖所必需的，在对数生长期产生的物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白期产生的物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白质等。质等。(2)(2)次级代谢产物次级代谢产物(secondary metabolite)(secondary metabolite) 与菌体生长繁殖无明显关系，是在菌与菌体生长繁殖无明显关系，是在菌体生长的稳定期静止期合成的具有特体生长的稳定期静止期合成的具有特定功能的产物。如抗生素、生物碱、细菌定功能的产物。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长