任务微生物在工业生产中应用技术课件

微生物应用技术学习情景七微生物在工业生产中应用技术

微生物应用技术学习情景七微生物在工业生产中应用技术1主要内容1任务微生物在工业生产中应用技术学习情景七微生物在工业生产中应用技术主要内容1任务微生物在工业生产中应用技术学习情景七2※认识工业发酵。※工业发酵的菌种和发酵特征，微生物在工业生产中应用技术。※固定化酶和固定化细胞发酵

【学习内容】学习情景七微生物在工业生产中应用技术※认识工业发酵。【学习内容】学习情景七微生物在工业生产中3☆了解工业发酵的菌种和发酵特征，微生物在工业生产中应用技术。☆了解固定化酶和固定化细胞发酵

【知识目标】【技能目标】能应用微生物在工业中生产。学习情景七微生物在工业生产中应用技术☆了解工业发酵的菌种和发酵特征，微生物在工业生产中4任务微生物在工业生产中应用技术学习情景七微生物在工业生产中应用技术任务微生物在工业生产中应用技术学习情景七微生物在工5

微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许多是对人类有应用价值的。人们工业化规模培养微生物生产商业性产品，称为微生物工业，或者以微生物为主体生产产品的工业，也称之为微生物工业。

任务提出任务微生物在工业生产中应用技术

微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许6微生物种类繁多，容易变异，工业中菌种的选择和培育是生产之母；微生物代谢类型多，适应性强，微生物工业中的代谢调控是生产的关键；保持微生物工业产品的优质、高产和低耗，规模生产的设备和产物的处理是生产的重要组成。微生物工业化规模的生产，不同于实验室的试验，也不同于实验工厂的中间试验，涉及的学科更多。微生物工业产品众多，生产工艺各异，应用范围广泛，本章就微生物工业中有关微生物学方面的问题简要叙述。任务分析任务微生物在工业生产中应用技术

微生物种类繁多，容易变异，工业中菌种的选择和培育是生7一、工业发酵的菌种和发酵特征发酵：指任何大规模生产过程，是不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用。

任务实施的相关专业知识任务微生物在工业生产中应用技术

发酵罐，也可叫做生物反应器：进行工业发酵的容器

发酵结果：积累某些有机物，即产生多种多样的发酵产物。

应用：在工、农、医、药、环保等领域，有经济和社会效益

商业性的发酵产品：发酏产物经发酵后的处理，如：分离、纯化或再加工等获得的产品。一、工业发酵的菌种和发酵特征发酵：指任何大规模生产过程，是不8一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵：利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。任务微生物在工业生产中应用技术

一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵：利用各种微生物9一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵基本过程：任务微生物在工业生产中应用技术

一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵基本过程：任务10一、工业发酵的菌种和发酵特征规模大：即所用的设备庞大，占用场地大，人力、物力投入大；原料、能源：消耗多；菌种：符合生产要求，生长代谢特性与大规模发酵相适应；成本：需进行核算。任务微生物在工业生产中应用技术

大规模发酵特征：一、工业发酵的菌种和发酵特征规模大：即所用的设备庞大，占用场11一、工业发酵的菌种和发酵特征大型发酵罐：特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐，它的结构、功能和应用的特点较突出地反映出大规模发酵的特征。

任务微生物在工业生产中应用技术

一、工业发酵的菌种和发酵特征大型发酵罐：特别是用于好氧微生物12一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

容积：小型：1～10m3

(a)单个小型自动发酵罐

(b)系列小型试验发酵罐一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构13一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

容积：大型：5×105～1.5×105

m3发酵车间的大型发酵罐的顶部

露天的大型发酵罐群

一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构14一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

大型发酵罐：指容积在几十吨以上，用普通钢材或不锈钢材构造，它是顶端和底部被密封的大园柱体，在其内外装配着各种各样的管道、阀门和仪表。

大型发酵罐示意图

一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构15一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

大型发酵罐的结构特点：培养基的灭菌和温度：罐体夹层和罐体内的盘旋管，用蒸气或冷却水的流通控制；通气：喷雾装置和搅拌器。搅拌：发酵罐内壁垂直地安装有挡板。无菌轴封、观察孔，溶解氧监测器，温度监测仪，搅拌速度控制器，pH检测和控制器，酸、碱添加泵，泡沫破碎叶片，营养物的添加管道等设备和仪器。一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构16一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

大型发酵罐结构的作用：监测发酵时氧浓度、温度、搅拌速度、pH值、泡沫状态、营养物的消耗情况、菌生长状况和产品形成等，并及时控制，以期达到最佳发酵条件，获得优质、高产、低成本的产品。

一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构17一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

计算机用于发酵罐生产的监视和控制的作用：根据生产过程中获得的各种资料的数据制作成的计算机软件，能够被用于生产的在线范围内，准确、及时地监测和控制整个发酵过程，使发酵生产顺利而正确地进行。计算机用于制作发酵生产的数学模型，能检验生长和产物快速产生及相互作用的各种数据的效果，变更数据，显示它们是怎样影响生产的，对发酵工业生产具指导作用。

一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构18一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用任务微生物在工业生产中应用技术

大型好氧发酵罐还须配备与其他的设备或系统：

菌种扩大培养系统、无菌空气供应系统、动力系统、培养基配制罐、储液罐、后处理设备等。一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构19一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器

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工业发酵形式：厌氧发酵和好氧发酵

差别：厌氧菌大型发酵罐与省去无菌空气供应的装置和系统，发酵罐用钢材或钢筋混凝土或木料构成。

一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反20一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器

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厌氧菌大型发酵罐气升式发酵罐一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反21一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器

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氧利用率高的卧式发酵罐啤酒连续发酵的发酵罐

一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反22一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物在工业生产中应用技术

※由实验室小型设备到试验工厂小规模设备的试验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产。逐级放大的三个阶段：小试(小型试验)、中试(中间试验)和大试(大规模工业性试验)

注意：各阶段不是设备的简单放大，要调节温度、pH、溶解氧、细胞生长、产物形成等发酵参数，使用适宜于放大的设备，每个阶段都要有预期的目标和要求。一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物23一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物在工业生产中应用技术

※小试：指采用实验室的小型设备，包括三角玻璃瓶、1～50m3发酵罐、实验室其它常规设备等进行的试验。要求：对培养基的成份和配比，pH值，培养温度，通气量的大小等发酵条件进行大量试验，获得众多数据资料，得出小试中的发酵最佳条件。

作用：达到小试的目标，初步评估出所发酵的产物是否具有效益和生产的可能性。

一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物24一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物在工业生产中应用技术

※中试：指采用试验工厂或车间的小规模设备，例如：100～5000m3发酵罐，与其相适应的分离、过滤、提取、精制等设备，根据小试阶段获得的最佳发酵条件进行放大试验。要求：验证、改进小试中的最佳发酵条件，更接近大规模生产，初步核算生成成本，为工业生产提供各种参数，还要提供足够量的产物，进行正式的功能性、安全性、质量分析鉴定等试验，取得有关的具法律效力的新产品等文件。

作用：达到中试的目标。确定发酵产物能否进行工业性大规模生产，初步确定该产品生产的必要性和可行性。

一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物25一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物在工业生产中应用技术

※大试：也可称为试验性生产，或工程性试验研究，是指用工业性大规模设备，包括大型发酵罐，分离、过滤、提取、纯化等大型设备，根据中试阶段获得的最佳发酵条件的参数进行试验性生产。要求：对中试中的最佳发酵条件进行验证、改进，生产出质量合格、具经济价值的商业性产品，并核算成本、制定生产规程等，取得具法律效力的生产许可证等有关证书。

作用：达到大试的目标：确定发酵产物能否进行工业性大规模生产，生产该产品的必要性和可行性。

一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务微生物26二、固定化酶和固定化细胞发酵

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微生物可看作是多种酶的包裹，工业发酵是合理控制和利用微生物酶的过程。也可将提取出的酶用固体支持物(称为载体)固定，使其成为不溶于水或不易散失和可多次使用的生物催化剂，利用它与底物作用制造产品。可将酶从微生物细胞中提取出，将其与底物作用制造产品。可将微生物细胞用载体固定，将反应物与其作用，制造产品或做其他用途。二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用27二、固定化酶和固定化细胞发酵

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游离酶或细胞：未固定的酶或细胞用于工业生产。固定化细胞：固定的微生物细胞。固定化酶：固定的酶。固定化酶（细胞）发酵，或简称固定化发酵：固定化酶（细胞）用于发酵。二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用28二、固定化酶和固定化细胞发酵

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★可重复使用。1.固定化的优势

★各有所长。★酶活力很高或细胞密度很大，而且抗酸、碱、温度变化的性能高，酶活力较稳定。★做成球形颗粒或薄片状，工艺操作简化，易于机械化和自动化，设备和器材较简易。★产品的分离、提纯等后处理较容易。二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用29二、固定化酶和固定化细胞发酵

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2.固定化的几种类型吸附固定化、包埋固定化、共价固定化、交联固定化、微囊固定化。

二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用30二、固定化酶和固定化细胞发酵

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吸附固定法：按照正、负电荷相吸的原理，酶或细胞吸附在载体的表面而被固定。载体：瓷碎片、玻璃球、尼龙网、棉花、木屑、毛发等，经一定操作处理后，将酶或细胞可吸附固定在其表面。2.固定化的几种类型二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用31二、固定化酶和固定化细胞发酵

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包埋固定法：用大分子的有机或无机聚合物，将酶或细胞包裹，固定在其凝胶中。载体：琼脂、明胶、海藻酸钙、Κ-角叉菜聚糖、聚丙烯酰胺等，经一定的操作处理后，将酶或细胞包埋在里面。

2.固定化的几种类型二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用32二、固定化酶和固定化细胞发酵

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共价固定法：酶或细胞与载体通过共价键而被固定。酶或细胞溶液与含羧酸载体（R-OOH）或氨基载体（R-NH2），在缩合剂碳化二亚胺作用下，经搅拌等处理，而制成固定化酶或细胞。

2.固定化的几种类型二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用33二、固定化酶和固定化细胞发酵

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交联固定化：酶分子或细胞上的化合物基团之间在双功能基团交联剂作用下，与载体上的化合基团相互交联呈网状结构而被固定。所用的化学试剂的毒性能引起细胞破坏而损害细胞活性。应用较少，戊二醛是最常用的交联剂。2.固定化的几种类型二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用34二、固定化酶和固定化细胞发酵

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微囊固定化：利用高分子聚合物形成的半透膜将细胞包埋，形成微囊型固定化细胞，半透膜的孔径可以根据需要加以控制和改变。微囊的直径为1～2mm的胶粒。

制备过程：细胞用海藻酸钙包埋，制成胶粒，再用聚赖氨酸处理，外层包上一层聚赖氨酸薄膜，然后泡在柠檬酸钠溶液中，使海藻酸钙凝胶溶解。2.固定化的几种类型二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用35二、固定化酶和固定化细胞发酵

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固定化细胞培养折工艺流程：2.固定化的几种类型保藏细胞固定化细胞细胞扩大培养预培养细胞活化发酵无菌空气二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用36二、固定化酶和固定化细胞发酵

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3.固定化的应用领域：饮料、医药、化工、能源、环保等固定化细胞的应用实例被固定的微生物细胞所用载体和方法底物产物或用途酿酒酵母硅和聚氧乙稀碎片，吸附葡萄糖乙醇酿酒酵母魔芋葡甘露糖，共价葡萄糖乙醇酿酒酵母海藻酸钙，包埋麦芽汁啤酒委内瑞拉链霉菌明胶，微囊葡萄糖果糖黑曲霉甲基丙烯酸缩水甘油脂聚合物戊二醛交联葡萄糖葡萄糖酸芽孢杆菌聚丙烯酰胺，包埋蛋白胨等杆菌肽粘质赛氏菌卡拉胶，包埋明胶，蛋白胨等碱性蛋白酶珊瑚诺卡氏菌酚醛树脂，吸附丙烯腈废水处理废水荧光假单胞菌明胶，包埋葡萄糖血糖检测传感器木醋杆菌卡拉胶，包埋乙醇酒精检测传感器柱孢鱼腥蓝细菌玻璃珠，吸附光解水链鱼腥蓝细菌链鱼腥蓝细菌海藻酸聚赖氨酸，微囊N2固氮荨麻青霉角叉菜聚糖，包埋葡萄糖，酵母提取物棒曲霉素丙酸细菌光交联树脂，包埋硫酸钴、甘氨酸等B12谷氮酸棒杆菌聚丙烯酰胺，包埋葡萄糖等L-谷氨酸二、固定化酶和固定化细胞发酵任务微生物在工业生产中应用37三、固态发酵又称固体发酵，指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程。

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要求：含水量约50%，无游离水流出，“手握成团，落地能散”，也可称为半固体发酵

固态的湿培养基

三、固态发酵又称固体发酵，指微生物在没有或几乎没有游离水的固38三、固态发酵固态发酵生产的实例

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菌种固态培养基的主要基质产品地衣芽孢杆菌麸皮、谷糠、豆饼粉蛋白酶苏云金芽孢杆菌肥土、麸皮、豆饼粉、硫酸铵Bt杀虫剂白僵菌麸皮、谷壳、玉米芯粉白僵菌杀虫剂细黄链霉菌棉饼粉、肥土、蔗糖抗生菌肥料圆生蘑菇秸杆、粪、棉子壳、碳蘑菇香菇木材，秸杆香菇米曲霉谷物，麸皮，秸杆淀粉酶黑曲霉麸皮，米糠，豆饼粉有机酸硫杆菌低品位矿石金属浸出腐乳毛霉大豆制品豆腐乳产朊假丝酵母甘蔗渣，甜菜渣单细胞蛋白三、固态发酵固态发酵生产的实例任务微生物在工业生产中应39三、固态发酵选择发酵工艺的依据：菌种、原料、设备、所需产品、技术等，比较两种工艺中那种可行性和经济效益高。

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固态发酵与液态发酵相比的优、缺点

优点缺点1.培养基含水量少，废水废渣少，环境污染少，容易处理。1.菌种限于耐低水活性(Aw)的微生物，菌种选择性少。2.能源消耗量低，供能设备简易。2.发酵速度慢，周期较长。3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉。3.