發(fā)酵工程學(xué)課件(共28頁).ppt

1、1 趙趙 蕾蕾 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 Zhaolei, PhD College of Life Science Shandong Normal University E- 發(fā)發(fā) 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 2發(fā)酵工程發(fā)酵工程fermentation engineeringfermentation engineering 直接利用微生物的機(jī)能將物料加工以提直接利用微生物的機(jī)能將物料加工以提供產(chǎn)品的過程，又稱微生物工程。供產(chǎn)品的過程，又稱微生物工程。 在最適發(fā)酵條件下，大量培養(yǎng)細(xì)胞和生在最適發(fā)酵條件下，大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工

2、藝技術(shù)。產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。3發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵食品發(fā)酵食品有機(jī)酸有機(jī)酸氨基酸氨基酸核酸類物質(zhì)核酸類物質(zhì)酶制劑酶制劑醫(yī)藥工業(yè)抗生素醫(yī)藥工業(yè)抗生素飼料工業(yè)單細(xì)胞蛋白飼料工業(yè)單細(xì)胞蛋白)環(huán)境工程廢物處理環(huán)境工程廢物處理其它其它 冶金工業(yè)冶金工業(yè) 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、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過抗生素、氨基酸、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過微生物發(fā)酵來生產(chǎn)？這與微生物的生長和代謝微生物發(fā)酵來生產(chǎn)？這與微生物的生長和代謝特點(diǎn)有什么關(guān)系？特點(diǎn)有什么關(guān)系？1 1、某些微生物因爭(zhēng)奪生存環(huán)境或營養(yǎng)物，會(huì)產(chǎn)生抗生素、某些微生物因爭(zhēng)奪生存環(huán)境或營養(yǎng)物，會(huì)產(chǎn)生抗生素將其他種類的微生物殺死。將其他種類的微生物殺死。2 2、微生物會(huì)產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營養(yǎng)物、微生物會(huì)產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營養(yǎng)物質(zhì)水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖質(zhì)水解成可吸收的小分子的多肽或

4、氨基酸、葡萄糖 。3 3、微生物細(xì)胞會(huì)通過合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些、微生物細(xì)胞會(huì)通過合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些物質(zhì)，包括氨基酸、核苷酸等。物質(zhì)，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 微生物培養(yǎng)易于控制微生物培養(yǎng)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發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三局部組成： 上游工程、發(fā)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 適宜的微生物適宜的微生物 保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件 進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件10Use of Microorganisms Positive益處益處 Biomass Production Conversion Negative危害危害 Pathogens Spoilage11發(fā)酵的定義 傳統(tǒng)發(fā)酵傳統(tǒng)發(fā)酵 生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 工業(yè)上的發(fā)酵工業(yè)上的發(fā)酵12傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁最初發(fā)酵是用來描述酵母菌

7、作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。的生產(chǎn)過程。 Fermentation最初來自拉丁語最初來自拉丁語“發(fā)泡發(fā)泡fervere1314生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。 如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出生酒精并放出COCO2 2。15工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生物生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。泛指利用微生物生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。 包括：包括： 1. 1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)

8、過程，如酒精，乳酸等。 2. 2. 通氣有氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生通氣有氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。素、氨基酸、酶制劑等。16一、發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)史一、發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)史 時(shí)間時(shí)間 發(fā)酵階段發(fā)酵階段 主要產(chǎn)品主要產(chǎn)品 主要技術(shù)主要技術(shù) -1900 -1900 天然發(fā)酵天然發(fā)酵 酒酒 醋醋 干酪干酪 酵母酵母 天然分批天然分批 1905- 1905- 純培養(yǎng)純培養(yǎng) 酒精酒精 丙酮丁醇丙酮丁醇 密閉純培養(yǎng)密閉純培養(yǎng) 1940- 1940- 通氣攪拌通氣攪拌 抗生素抗生素 有機(jī)酸有機(jī)酸 通氣攪拌通氣攪拌 酶酶 維生素維生素 分批或連續(xù)分批或連續(xù) 1957- 1957- 代謝控制代謝控制 氨基酸

9、氨基酸 核苷酸核苷酸 選育缺陷菌株選育缺陷菌株 1960- 1960- 開拓原料開拓原料 單細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白 連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 1979- 1979- 基因工程菌基因工程菌 胰島素胰島素 干擾素干擾素 DNA DNA 重組重組純培養(yǎng)純培養(yǎng): :第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 通氣攪拌通氣攪拌: :第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 代謝控制：第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)代謝控制：第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 基因工程菌：第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)基因工程菌：第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 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原始開展階段發(fā)酵技術(shù)開始于家庭小制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完原始開展階段發(fā)酵技術(shù)開始于家庭小制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完n 全是經(jīng)驗(yàn)式的，并不知道其中的原理。全是經(jīng)驗(yàn)式的，并不知道其中的原理。 n傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段人們開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)，采用開放式傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段人們開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)，采用開放式n 的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過程及設(shè)備較為

11、簡(jiǎn)單，規(guī)模一般不大。的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過程及設(shè)備較為簡(jiǎn)單，規(guī)模一般不大。n現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段技術(shù)要求高、開展速度快；生產(chǎn)規(guī)模大；菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段技術(shù)要求高、開展速度快；生產(chǎn)規(guī)模大；菌n 種生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用到達(dá)種生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用到達(dá)前前n 所未有的程度。所未有的程度。n生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段 利用構(gòu)建的基因工程菌生產(chǎn)。利用構(gòu)建的基因工程菌生產(chǎn)。19二、生物反響的過程二、生物反響的過程 cell enzyme biocatalyst monitor sterlized air product bioreactor by pro

12、duct residue sterilizing mediumextract20空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物別離純化成品21菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗(yàn)搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)23 菌種選育自然界篩選、誘變育種、自然界篩選、誘變育種、基因工程、細(xì)胞工程基因工程、細(xì)胞工程培養(yǎng)基配制根據(jù)培養(yǎng)基的配制原那么制根據(jù)培養(yǎng)基的配制原那么制備，實(shí)踐中需屢次試驗(yàn)配方備，實(shí)踐中需屢次試驗(yàn)配方滅菌殺滅雜菌殺滅雜菌擴(kuò)大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程中心階段檢測(cè)進(jìn)程，滿足營養(yǎng)需要；嚴(yán)格檢測(cè)進(jìn)程，滿足營養(yǎng)需要；嚴(yán)格控制溫度、控制溫度、pHpH、溶氧、轉(zhuǎn)速等溶氧、轉(zhuǎn)速等別離

13、純化菌體：過濾、沉淀菌體：過濾、沉淀代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換24 四局部組成四局部組成菌種選育及擴(kuò)大培養(yǎng)菌種選育及擴(kuò)大培養(yǎng)原料預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備原料預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備發(fā)酵設(shè)備及反響條件的選擇發(fā)酵設(shè)備及反響條件的選擇4.4.產(chǎn)品的別離與純化產(chǎn)品的別離與純化25三、三、 微生物工業(yè)產(chǎn)品的類型微生物工業(yè)產(chǎn)品的類型 微生物菌體的發(fā)酵微生物菌體的發(fā)酵 以獲得具有某種用途的菌體為目以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵工業(yè)。的的發(fā)酵工業(yè)。 2. 2. 微生物酶發(fā)酵微生物酶發(fā)酵 目前應(yīng)用的酶大多來自微生物發(fā)酵。目前應(yīng)用的酶大多來自微生物發(fā)酵。26 3. 3. 微生物代謝

14、產(chǎn)物發(fā)酵微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵(1)(1)初級(jí)代謝產(chǎn)物初級(jí)代謝產(chǎn)物(primary metabolite)(primary metabolite) 菌體生長繁殖所必需的，在對(duì)數(shù)生長菌體生長繁殖所必需的，在對(duì)數(shù)生長期產(chǎn)生的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、蛋白期產(chǎn)生的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)等。質(zhì)等。(2)(2)次級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物(secondary metabolite)(secondary metabolite) 與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，是在菌與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，是在菌體生長的穩(wěn)定期靜止期合成的具有特體生長的穩(wěn)定期靜止期合成的具有特定功能的產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌定功能的產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長