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

1、,,. 前言. 概況,. 微生物發(fā)酵過程,. 典型產品的發(fā)酵生產,發(fā) 酵 工 程,Fermentation Engineering,,,發(fā) 酵 工,程,發(fā)酵已經從過去簡單的生產酒精類飲料、生產醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學科工程。現代發(fā)酵工程不但生產酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產胰島素、干擾素、生長激

2、素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料，在化學工業(yè)上生產氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等。,,,發(fā)酵工程將微生物學，生物化學和化學工程的基本原理有機地結合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。是生物技術的重要組成部分，是生物技術產業(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,生物技術的

3、多學科性示意圖,前言,,,發(fā)酵工程,前言發(fā)酵工程、遺傳工程、細胞工程和酶工程構成了生物工程的四大支柱。無論從微生物得到酶或用遺傳工程菌獲得產品，都必須依賴發(fā)酵工程技術。發(fā)酵工程的主體是微生物，特別是用經過DNA重組技術改造過的微生物。,,,,,時間,發(fā)酵階段,主要產品,主要技術,-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)展簡史,,概況,發(fā)酵工程的內容生產菌種的選育發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制反應器的設計產物的分離、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生氣泡的現象，或者是指酒的生產過程。生化和生理學意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產生能量的一種方式，即以有機物作為電子受體的氧化還原產能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精并放出CO2。,,概況

8、,工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產某些產品的過程包括：?厭氧培養(yǎng)的生產過程，如酒精，乳酸等。?通氣（有氧）培養(yǎng)的生產過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。?產品有細胞代謝產物，也包括菌體細胞、酶等。,,發(fā)酵工業(yè)指利用生物的生命活動產生的酶，進行無機或有機原料的酶加工，獲得產品的工業(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)酵特點細胞的生長與產物積累成平行關系，生長速率最大時期也是產物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產量最高。,發(fā)酵類型,,發(fā)酵類型,微生物酶發(fā)酵? 酶的特點：易于工業(yè)化生產，便于改善工藝提高產量。? 分類：胞內酶和胞外酶。? 生物合成特點：需要誘

10、導作用，或遭受阻遏、抑制等調控作用的影響，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。,,微生物代謝產物發(fā)酵? 包括初級代謝產物、中間代謝產物和次級代謝產物。? 對數生長期形成的產物是細胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產物或中間代謝產物。? 各種次級代謝產物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所積累的，來自于中間代謝產物和初級代謝產物。,發(fā)酵類型,,微生物的轉

11、化發(fā)酵? 利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基團）的作用，使它轉變成結構相類似但具有更在經濟價值的化合物。? 最終產物是由微生物細胞的酶或酶系對底物某一特定部位進行化學反應而形成的。,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,生物工程細胞的發(fā)酵利用生物工程技術所獲得的細胞，如工程菌以及“雜交”細胞等進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產物多種多樣。

12、發(fā)酵生產生長激素的“工程菌”,,發(fā)酵類型,微生物特殊機能的利用? 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)酵工程新領域,,發(fā)酵技術的應用,產物：微生物細胞，酶，活性物質，特殊化學品和食品添加劑。,,發(fā)酵過程中的上、中、下游過程,? 上游加工----最重要的是提供和制備高產優(yōu)質和足夠數量的生物催化劑。即應

13、用常規(guī)選育、基因工程、細胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細胞系或固定化的菌體等。,? 中游加工----生物反應器為。,? 下游加工----從反應液中提取目的產物 加工,精制成合格產品，廢物處理。,,發(fā)酵工業(yè)簡介,??????,發(fā)酵食品有機酸氨基酸核酸類物質酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素…）,? 飼料工業(yè)（單細胞蛋白? 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 程即微生物反應過程，指由微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應的過程。根據對氧的需要分：厭氧和有氧發(fā)酵。根據培養(yǎng)基物理性狀分：液體和固體發(fā)酵。根據微生物生長特性分：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

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蛋白質復合物,? 結 構基本結構:細胞壁；細胞膜；細胞質；類核(染色體)。特殊結構:莢膜；芽孢；鞭毛；質粒。,微生物種類,染色體,質粒,,,,

17、,,,? 培 養(yǎng) 特 征固體培養(yǎng)基上:菌落（colony）：指單個微生物或一小堆同種細胞在適宜條件下，在固體培養(yǎng)基表面形成的肉眼可見的以母細胞為中心的子細胞集團。若來自一個細胞，則為純培養(yǎng)菌苔(lawn)：大量細菌的菌落連成一片。,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；表面生長。用于淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸、肌苷的

18、生產。,,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。,,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。,,,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，呈現蛛網狀、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水解。傳統(tǒng)發(fā)酵：醬油、豆腐乳、釀酒?，F代工業(yè)：酒精、有機酸（檸檬酸、乳酸）、抗菌素（青霉素、灰黃霉素）、植物生長激素（赤霉素）、殺蟲農藥（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.擔子菌（菇類）用于多糖、橡膠物質、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在堿性鹽湖的藍綠藻植物，是一種微型螺旋狀海藻，營養(yǎng)極其豐富，含蛋白質高達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，含有免疫多糖、活性肽、多種氨基酸、維生素和微量元素，是最強免疫增強劑之一，它通過激活體細胞、免疫細胞和體液免疫系統(tǒng)增強抗病毒、抗腫瘤、抗細菌感染能力，間接地抑制病毒、癌細胞和細菌生長，對正常人體細胞無傷害，是化療放療的有效輔助藥物。,,,,,,,,,發(fā)酵的一般過程,發(fā)酵過程,空氣空氣凈化處理,碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質,保藏菌種斜面活化擴大培

22、養(yǎng)種子罐滅菌主發(fā)酵產物分離純化成品,發(fā)酵過程,菌種? 選育目的是改善菌種的特性，使能提高產量、改進質量、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體技術和體外重組DNA技術（基因工程）等。,發(fā)酵過程,采樣,增殖培養(yǎng),地點方法,目的方法,純種分離方法,性

23、能測定方法,菌種從自然界分離,發(fā)酵過程,種子罐級數指種子需逐級擴大培養(yǎng)的次數。一般根據種子的生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。對于生長快的細菌，種子用量少，故種子罐級數相應也少。如谷氨酸生產，種子接入種子罐后于320C培養(yǎng)7-10h，菌濃達到108-109個/ml，即可接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為一級種子罐擴大培養(yǎng)，也稱二級發(fā)酵。生長較慢的菌種，如青霉素生產菌種，種子接入

24、一級種子罐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，這稱為二級種子罐擴大培養(yǎng)，也稱三級發(fā)酵。一般50m3發(fā)酵罐都采用三級發(fā)酵。,發(fā)酵過程,發(fā)酵過程,生產車間種子制備階段（二級種子培養(yǎng)、 三級種子培養(yǎng)）二級發(fā)酵 三級發(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)實驗室種子制備階段

25、（一級種子培養(yǎng)）,一級種子罐,二級種子罐,發(fā)酵罐,種子擴大培養(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)及擴大生產的發(fā)酵罐培養(yǎng)基的配制? 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設備的消毒滅菌? 培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉接到發(fā)酵罐中? 將發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產物,發(fā)酵過程,下游處理? 將產物抽提并進行精制，以得到

26、合格的產品。? 回收或處理發(fā)酵過程中產生的廢物和廢水。? 獲得的產物按照有關部門制定的國家標準進行質量檢驗和性能測定，符合要求后才為合格產品。,發(fā)酵過程,菌種篩選,搖瓶試驗,發(fā)酵罐試驗,,發(fā)酵工業(yè)的意義與展望,? 利用遺傳工程等先進技術，人工選育和改良,菌種,? 采用發(fā)酵技術進行高等動植物細胞培養(yǎng)? 固定化技術廣泛應用,? 開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動,控制將成為發(fā)酵生產控制的主要手段,? 應用代

27、謝控制技術，發(fā)酵生產氨基酸、抗生,素、維生素,? 將生物技術廣泛地用于環(huán)境工程,氨基酸生產方法,? 發(fā)酵法,是氨基酸生產的主要方法，目前用發(fā)酵法生產,的氨基酸已有20多種。,? 酶法,利用微生物細胞或微生物產生的酶來制造氨基酸。,? 提取法,蛋白質水解，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,? 谷氨酸（Glu）發(fā)酵,,,,,,,,,,,谷氨酸生產,? 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,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,Glu發(fā)酵生產的菌種? 棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬、節(jié)桿菌屬，革蘭氏陽性? 不形成芽胞? 沒有鞭毛，不能運動? 需要生物素作為生長因子? 在通氣條件下才能產生谷氨酸。,發(fā)酵工程應用,發(fā)酵工程應用,Glu發(fā)酵生產的原料制備淀粉水解糖的制備酸水解? 調漿：干淀粉用水調成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，調成15Bx，調pH6.0， 85 ℃加細菌a-淀粉酶液化30min， 60 ℃

31、加糖化酶糖化24h，過濾，即得淀粉水解液。,發(fā)酵工程應用,發(fā)酵工程應用,菌種擴大培養(yǎng)? 一級種子培養(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。活菌數為108-109 /ml。,

32、,,,,谷氨酸發(fā)酵? 適應期：菌體生長遲緩，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。? 對數生長期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速下降。菌體生長迅速，不產酸，約12h。需及時供給菌體生長必須的氮源（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)堑汀．敔I養(yǎng)物耗盡、Glu濃度不增加時，及時放罐。? 發(fā)酵周期一般為30h,發(fā)酵工程應用,發(fā)酵工程應用,谷氨酸的提取? 等電點法：pI=3.22，發(fā)酵液 pH 調到等電點，使Glu沉淀。? 離子交換法：在pH<3.22時， Glu帶正電，用強酸型陽離子樹脂（732）氫型吸附后， 在60°C用4% 的NaOH