化学微生物学第六章 发酵.ppt

1、第六章 微生物的代谢与发酵,第二节 微生物发酵及其特征,主要内容,一、发酵的定义及应用范围 二 发酵工程及发酵工业 三 发酵方法的类别与流程 四 我国发酵工业的科技进步,提问：什么是发酵,微生物发酵技术,1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。,一、发酵的定义,1、传统发酵 2

2、、生化和生理学意义的发酵 3、工业上的发酵,1、传统发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,2、生化和生理学意义的发酵,指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,3、工业上的发酵,泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括： 1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,提问：发酵工程的应用领域,发酵工程应用范

3、围,食 品 工 程 酶 工 业 氨基酸工业 有机酸工业 饲 料 工 业 新材料开发 生 物 化 工 环 境 保 护,在食品工业中的应用,这是生物技术最早开发应用的领域， 含醇饮料：以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆等为主要原料酿造或经加工的有葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、朗姆酒等 传统调味品及发酵食品：以豆类、米、麦等生产的酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。 发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等,饮料酒类产量大、产值高、影响面广，许多国家利用生物工程的技术改革旧工艺已取得明显效果，收到显著的经济效益。,用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料：葡萄糖、麦芽糖、果葡

4、糖浆、甘露糖醇、脂肪等 食品添加剂：面包酵母、味精(谷氨酸单纳)、赖氨酸、柠檬酸、红曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鸟苷酸(均为增鲜剂)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖 (均为增稠剂)、葡萄糖氧化酶和异维生素C(均为食品保鲜剂)、乳链菌肽(食用防腐剂)。 新型发酵饮料 活性乳酸饮料。,微生物与饮食、调味品,青 红 方,酱，酱油，豆,食 用 醋,发酵饮料,味 精,发酵面食,食用药用菌,食用色素,食品添加剂,淹渍蔬菜,发酵食品市场,主要原料：橄榄、卷心菜和腌黄瓜。 1999年韩国国内泡菜市场产值约为16.7亿美元。1998年日本泡菜生产量达18万吨，市场为13亿美元，在国际市场上日韩两国占据了95%以上的份

5、额。 2000年，中国泡菜工业的市场销售额约为10亿 元，中国泡菜的代表之一-四川泡菜企业出口总额约500万美元，仅占国际泡菜市场总量的3%。,A 各种抗生素：抗细菌，抗真菌，抗原虫，抗肿瘤 天然、合成、半合成 B、各种氨基酸：在医药中主要用于生产氨基酸输液 可用发酵获得或用酶法获得 C、维生素 D、甾体激素,生物技术在医药工业中的应用,E、生物制品：生于预防、诊断或治疗传染病 F、单克隆抗体、抗体与抗原具有高度亲和性，用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物导弹药物的运载工具。纯化抗原类物质，菌种鉴别。 G、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、制药工业用酶、工业发酵药物,生物技术在医药工业中的应

6、用,抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发酵罐为400立方米。 进入90年代后，全球生产与销售的各类抗生素原料药平均每年约在3万吨以上，总价值约为250一300亿美元，1992一1993年度实际增长率为4%。美国抗感染药物市场销售额1992年达60.71美元。,医药市场,维生素,发酵生产的维生素，1982年世界产量为6万吨左右，六种维生累的总销额为6.7亿美元。在19691980年间，每年销售量递增10，19811991年间仍以7一8的速率递增。 目前，全

7、球范围内使用最为普遍的是VA、VC 和VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有0.5-1.5亿美元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料的市场正以每年2-3速度增长，在药用和食品领域都以4-5的速度增长 。,甾体激素,目前世界市场的年销售额为67亿元，今后仍将以610的速率递增。最近正在兴起用固定化细胞进行甾体转化，将是一个有发展前途的新工艺， 目前国际上正在研究中的除干扰素以外、还有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余种。今后几年内，在重组DNA的工作逐步深入当中，定会对人类和牲畜健康引起实质性的改善。,糖酶：a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支链淀粉酶

8、、转化酶、异构酶、半乳糖酶、纤维素酶。 蛋白酶：碱性、酸性、中性蛋白酶 果胶酶 脂肪酶 凝乳酶 过氧化氢酶。,应用于轻工、食品用酶的生产,应用于化工能源产品的生产,利用发酵、生物转化或酶法生产：烷烃、醇及溶剂、有机酸、多糖等,酵母生产燃料乙醇,沼气 在利用工农业生产中的有机物废料，将它们发酵制取燃料(沼气)气体方面，美国计划解决全国能源需要量的10，工业有机废水(渣)的利用在西欧转向甲烷发酵，英、美、德、日、俄都已建成了许多大型沼气发酵厂，如伦敦，每年可回收沼气8800万立方米。 氢能 生物柴油,5、饲料工业方面,随着世界人口的不断增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益减少，动、植物蛋白的来源受

9、到了限制，高质量蛋白质的不足已经成为一个十分突出的问题。 微生物菌体中，蛋白质含量占4555(干物质)、所以用发酵工业生产单细胞蛋白是食品和饲料蛋白质的重要来源。,另外，藻类蛋白饲料也不可忽视，如前西德培养的珊列藻，每年每公顷所得蛋白比小麦多20一35倍。,一个 20 米直径的水池年产 4 吨藻类，加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。 一英亩三角大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。,图为生长在淡水和海水中的一种硅藻,6、冶金工业方面,细菌浸矿，即利用细菌的直接和间接作用对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。 细菌浸出的金属也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规

10、模生产的只有铜和铀(批量)。 目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等许多国家都在积极开展此项研究和生产。 美国用这种办法得到的铜占铜产量的10以上，加拿大用细菌浸出的铀(U308)年产量达230吨。 据世界20个矿山资料表明，每年用细菌浸出约铜达20万吨。,抗病、杀虫抗生素 单细胞蛋白 食用和药用真菌 生物农药 生物肥料,在农业生产中的应用,微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。 嫌气发酵法：指在嫌气情况下利用分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2。 好气发酵（活性污泥）法：指在曝气情况下，用某些能降

11、解有机物质的产菌胶的细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对工业或生活污水进行处理。,在环境保护中的应用,在化学工业和环境保护等方面，微生物工程也同样能发挥独持的作用，如：与化学法相结合，选育相应的优良菌种，以乙烯和丙烯腈为原料，分别生产环氧乙烷、乙二醇等，利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大面积的海面石油污染等。,喷洒工程菌清除石油污染,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,二、 发酵工程及发酵工业,发酵工程定义,发酵工程是渗透有工程学的微生物学。 是利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术产生有用物质或直接应用于工业化生产、以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全球

12、性课题联系起来的一种技术体系。 是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。,利用微生物的特点,发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌。 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。 (2)有极强的消化能力。 (3)有极强的繁殖能力。,发酵工程组成,从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程,Fermentation engineering,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES,发酵工程,原始材料：包括菌种，培养

13、基的糖类，氮源及某些微量元素； 上游过程： (1)对菌种加以改造，提高生产能力或者导入外源基因等以获得工程菌； (2)发酵或生物转化，是通过优化发酵条件如温度、营养、供气量等。利用工程菌的生物合成，加工和修饰等以获得目的产物； 下游过程：是运用生物化学、物理学方法分离、纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或经济效益。,发酵工程,Continuous centrifuges,发酵工程研究内容,主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐

14、中通入干燥无菌空气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。,(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。 (5) 由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。,发酵工程简介,发酵工业,一、定义 是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。,发酵工业的特征,发酵过程中离不开微生物

15、的作用 1、发酵原料的选择及预处理 2、微生物菌种的选育及扩大培养 3、发酵设备选择及工艺条件控制： 常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。 4、发酵产物的分离提取 5、发酵废物的回收和利用,(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。 (2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。,(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。 (4)发

16、酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。 (5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。,(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。 (7) 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。 (8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。,三 发酵方法的类别与流程,1、类别： 根据对氧的需要区分： 厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵

17、 根据从微生物生长特性区分： 分批发酵和连续发酵,2、发酵的流程,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,产物分离纯化,成品,2. 工业发酵步骤和工艺流程,(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制。 (2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌。 (3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中。 (4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物。 (5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品。 (6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水。,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,纯种培养,2.1发酵

18、原料的预处理,原料不同处理方法也有所差异。 1. 淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖。 方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法 2. 糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐。 3. 碳氢化合物：石油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵。,2.2菌种斜面培养,菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种。 方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。,保存的菌种,菌种活化,种子扩大培养,2.3 种子扩大培养,扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。

19、固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或茄子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。 需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇床上振荡培养。 厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。,克氏瓶和茄子瓶,克氏瓶和茄子瓶,摇床培养,2.4 微生物发酵和控制,发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。 固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。 液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,2.5 发酵产物的分离提取,利用菌体：离心沉淀或板框压滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。 酒精发酵醪蒸馏塔蒸馏； 抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。 获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。,四 我国发酵工业的科技进步,在20世纪60年代以前，轻工、食品领域的发酵工业主要由酿酒和酿造的产品组成。 至今，已形成了一个品种繁多，门类较齐全，具有相当规模的独立工业体系，在国民经济中占有重要地位某些产