工業(yè)發(fā)酵分析課件

工業(yè)

發(fā)酵分析

課程的目的、要求、地位和作用

發(fā)酵分析是發(fā)酵工程專業(yè)及相關(guān)的生物工程、生物化工等專業(yè)必修的專業(yè)課。該課程是先期學(xué)習(xí)了“發(fā)酵工程”、“生物化學(xué)”、“微生物學(xué)”、“物理化學(xué)”和“化工原理”等基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課后開設(shè)的一門必修學(xué)位課。本課程的任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握發(fā)酵分析方面的基本原理，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和實(shí)際動(dòng)手能力，提高分析和解決問題的水平，其基本要求是：

1、掌握各分析方法的基本原理

2、熟悉各分析方法的具體步驟

3、了解發(fā)酵分析在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用一、基本概念1.發(fā)酵一詞的來源

“發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。第一章發(fā)酵簡(jiǎn)介2.狹義“發(fā)酵”的定義在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是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，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時(shí)獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。3.廣義“發(fā)酵”的定義工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。4.發(fā)酵工程（FermentationEngineering）的定義發(fā)酵工程（FermentationEngineering）屬于生物技術(shù)的范疇。最初是由一位匈牙利工程師KarlEreky于1917年提出的。生物技術(shù)的定義：應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)原理依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或社會(huì)服務(wù)的技術(shù)。

發(fā)酵工程（FermentationEngineering）:應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會(huì)性服務(wù)的一門科學(xué)。發(fā)酵已經(jīng)從過去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。典型的發(fā)酵過程示意圖

發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴(yán)格的無菌生長(zhǎng)環(huán)境：包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵罐和發(fā)酵原料以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。13二、微生物發(fā)酵技術(shù)

1857年法國(guó)化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！?/p>

巴斯德認(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。

同時(shí)，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。

14利用微生物的特點(diǎn)

發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌

利用微生物的特點(diǎn)：

(1)對(duì)周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力(2)有極強(qiáng)的消化能力(3)有極強(qiáng)的繁殖能力15三、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。發(fā)酵過程的組成

繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中；微生物在最適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)；產(chǎn)物提取和精制；過程中排出的廢棄物的處理。

發(fā)酵生產(chǎn)的條件某種適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧pH等）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備18四、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史天然發(fā)酵階段純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立：青霉素的生產(chǎn)——深層培養(yǎng)代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。對(duì)微生物具有高度專一性的酶反應(yīng)作為合成手段的一部分加以利用，進(jìn)行合理的代謝。19開拓發(fā)酵原料時(shí)期：石油發(fā)酵，醋酸生產(chǎn)谷氨酸基因工程階段：采用酶學(xué)的方法，將不同來源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。20五、發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)，特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑1、生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì)定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細(xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點(diǎn)：細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。2、微生物酶發(fā)酵酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內(nèi)酶和胞外酶生物合成特點(diǎn)：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)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。3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級(jí)代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。4、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義：是利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。5、微生物特殊機(jī)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(lǐng)域。27發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵食品有機(jī)酸氨基酸核酸類物質(zhì)酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素…）飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白環(huán)境工程（廢物處理）其它（冶金工業(yè)…）

FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)?？梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。六、發(fā)酵工業(yè)的特征(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件簡(jiǎn)單。(4)發(fā)酵對(duì)雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反應(yīng)必需在無菌條件下進(jìn)行。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過濾外，反應(yīng)必須在無菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。(5)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(7)工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(8)除利用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)行反應(yīng)。七、發(fā)酵方法的類別與流程1、類別：根據(jù)對(duì)氧的需要區(qū)分：厭氧和有氧發(fā)酵根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分：液體和固體發(fā)酵根據(jù)微生物生長(zhǎng)特性區(qū)分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵2、發(fā)酵的流程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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品3.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1)用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制(2)培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3)將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中(4)將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長(zhǎng)并形成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水菌種篩選搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)3.1發(fā)酵原料的預(yù)處理原料不同處理方法也有所差異。1.淀粉——利用前需變成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高壓、耐酸）、酶水解法2.糖蜜——加熱殺菌和用水沖稀，也可加酸處理后再補(bǔ)充無機(jī)鹽3.碳?xì)浠衔铮菏兔撓灐欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10℃的油，加入適量無機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵3.2菌種斜面培養(yǎng)菌種：已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種方法