化學微生物學第六章發(fā)酵全解

第六章微生物的代謝與發(fā)酵其次節(jié)微生物發(fā)酵及其特征主要內容一、發(fā)酵的定義及應用范圍二發(fā)酵工程及發(fā)酵工業(yè)三發(fā)酵方法的類別與流程四我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步提問：什么是發(fā)酵微生物發(fā)酵技術1857年法國化學家、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果?！卑退沟抡J為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學技術的進展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質變。

同時，也可以把發(fā)酵的微生物分別出來，通過人工培育，依據不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產品。

一、發(fā)酵的定義1、傳統發(fā)酵2、生化和生理學意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵1、傳統發(fā)酵

最初發(fā)酵是用來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。2、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，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化復原產能反響。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精并放出CO2。3、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：1.厭氧培育的生產過程，如酒精，乳酸等。2.通氣〔有氧〕培育的生產過程，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。提問：發(fā)酵工程的應用領域發(fā)酵工程應用范圍食品工程酶工業(yè)氨基酸工業(yè)有機酸工業(yè)飼料工業(yè)新材料開發(fā)生物化工環(huán)境保護在食品工業(yè)中的應用這是生物技術最早開發(fā)應用的領域，含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經加工的有葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等傳統調味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產的醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等飲料酒類產量大、產值高、影響面廣，很多國家利用生物工程的技術改革舊工藝已取得明顯效果，收到顯著的經濟效益。用近代發(fā)酵或酶反響技術生產的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等食品添加劑：面包酵母、味精(谷氨酸單納)、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸(均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食品保鮮劑)、乳鏈菌肽(食用防腐劑)。新型發(fā)酵飲料活性乳酸飲料。微生物與飲食、調味品

青紅方醬，醬油，豆食用醋發(fā)酵飲料味精發(fā)酵面食食用藥用菌食用色素食品添加劑淹漬蔬菜Cncnc-micro發(fā)酵食品市場主要原料：橄欖、卷心菜和腌黃瓜。1999年韓國國內泡菜市場產值約為16.7億美元。1998年日本泡菜生產量達18萬噸，市場為13億美元，在國際市場上日韓兩國占據了95%以上的份額。2023年，中國泡菜工業(yè)的市場銷售額約為10億元，中國泡菜的代表之一-------四川泡菜企業(yè)出口總額約500萬美元，僅占國際泡菜市場總量的3%。A各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤自然、合成、半合成B、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產氨基酸輸液可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得C、維生素D、甾體激素生物技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用E、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病F、單克隆抗體、抗體與抗原具有高度親和性，用于制備診斷盒、治療疾病或作為生物藥物的運載工具。純化抗原類物質，菌種鑒別。G、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物生物技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用抗生素：目前世界各國可用發(fā)酵法生產的抗生素約400種，其中廣泛應用的大約120種。l980年世界總產量約為25000噸。僅青、四、紅和頭孢四類抗生素的產值就達42億美元，最大的發(fā)酵罐為400立方米。進入90年月后，全球生產與銷售的各類抗生素原料藥平均每年約在3萬噸以上，總價值約為250一300億美元，1992一1993年度實際增長率為4%。美國抗感染藥物市場銷售額1992年達60.71美元。醫(yī)藥市場維生素發(fā)酵生產的維生素，1982年世界產量為6萬噸左右，六種維生累的總銷額為6.7億美元。在1969—1980年間，每年銷售量遞增10×，1981—1991年間仍以7一8％的速率遞增。目前，全球范圍內使用最為普遍的是VA、VC和VE，三都每年市場銷售額近20億美元，其中VE超過10億美元，其余為VB族，每個品種都有億美元的市值。在各種用途中，維生素作為動物飼料的市場正以每年2-3％速度增長，在藥用和食品領域都以4-5％的速度增長。甾體激素目前世界市場的年銷售額為67億元，今后仍將以6—10％的速率遞增。最近正在興起用固定化細胞進展甾體轉化，將是一個有進展前途的新工藝，目前國際上正在爭論中的除干擾素以外、還有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余種。今后幾年內，在重組DNA的．工作逐步深入當中，定會對人類和牲畜安康引起實質性的改善。糖酶：a-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、轉化酶、異構酶、半乳糖酶、纖維素酶。蛋白酶：堿性、酸性、中性蛋白酶果膠酶脂肪酶凝乳酶過氧化氫酶。

應用于輕工、食品用酶的生產應用于化工能源產品的生產利用發(fā)酵、生物轉化或酶法生產：烷烴、醇及溶劑、有機酸、多糖等酵母生產燃料乙醇沼氣在利用工農業(yè)生產中的有機物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面，美國打算解決全國能源需要量的10％，工業(yè)有機廢水(渣)的利用在西歐轉向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建成了很多大型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收沼氣8800萬立方米。氫能生物柴油5、飼料工業(yè)方面隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益削減，動、植物蛋白的來源受到了限制，高質量蛋白質的缺乏已經成為一個特別突出的問題。微生物菌體中，蛋白質含量占45—55％(干物質)、所以用發(fā)酵工業(yè)生產單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質的重要來源。另外，藻類蛋白飼料也不行無視，如前西德培育的珊列藻，每年每公頃所得蛋白比小麥多20一35倍。Cncnc-micro一個20米直徑的水池年產4噸藻類，加工后可得相當于3000升柴油的燃料。

一英畝三角大戟可生產相當于50噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻6、冶金工業(yè)方面細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。細菌浸出的金屬也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余種，但大規(guī)模生產的只有銅和鈾(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等很多國家都在樂觀開展此項爭論和生產。美國用這種方法得到的銅占銅產量的10％以上，加拿大用細菌浸出的鈾(U308)年產量達230噸。據世界20個礦山資料說明，每年用細菌浸出約銅達20萬噸?？共?、殺蟲抗生素單細胞蛋白食用和藥用真菌生物農藥生物肥料在農業(yè)生產中的應用微生物在對生物物質的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣狀況下利用分解碳水化合物、蛋白質和脂肪的微生物，將有機廢棄物分解為可溶性物質，進而通過產酸菌和甲烷細菌的作用再分解為甲烷和CO2。好氣發(fā)酵〔活性污泥〕法：指在曝氣狀況下，用某些能降解有機物質的產菌膠的細菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對工業(yè)或生活污水進展處理。在環(huán)境愛護中的應用在化學工業(yè)和環(huán)境愛護等方面，微生物工程也同樣能發(fā)揮獨持的作用，如：與化學法相結合，選育相應的優(yōu)良菌種，以乙烯和丙烯腈為原料，分別生產環(huán)氧乙烷、乙二醇等，利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構建超級細菌，處理大面積的海面石油污染等。噴灑工程菌去除石油污染微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池二、發(fā)酵工程及發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工程定義

發(fā)酵工程是滲透有工程學的微生物學。是利用微生物的特定性狀，通過現代化工程技術產生有用物質或直接應用于工業(yè)化生產、以把糧食、能源、化學制品、環(huán)境掌握等全球性課題聯系起來的一種技術體系。是將傳統發(fā)酵技術與DNA重組、細胞融合、分子修飾和改造等新技術結合并進展起來的現代發(fā)酵技術。利用微生物的特點

發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細菌、放線菌，酵母菌和霉菌。利用微生物的特點：

(1)對四周環(huán)境的溫度、壓強、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應力量。(2)有極強的消化力量。(3)有極強的生殖力量。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FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程原始材料：包括菌種，培育基的糖類，氮源及某些微量元素；上游過程：(1)對菌種加以改造，提高生產力量或者導入外源基因等以獲得工程菌；(2)發(fā)酵或生物轉化，是通過優(yōu)化發(fā)酵條件如溫度、養(yǎng)分、供氣量等。利用工程菌的生物合成，加工和修飾等以獲得目的產物；下游過程：是運用生物化學、物理學方法分別、純化產品，最終將產品推向市場并獲得社會或經濟效益。發(fā)酵工程Continuouscentrifuges發(fā)酵工程爭論內容主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培育細胞和生產代謝產物的工藝技術(1)有嚴格的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開頭前承受高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接收道進展滅菌的技術；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入枯燥無菌空氣的空氣過濾技術；(2)在發(fā)酵過程中依據細胞生長要求掌握加料速度的計算機掌握技術；(3)種子培育和生產培育的不同的工藝技術。(4)在進展任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必需在試驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進展大量的試驗，得到產物形成的動力學模型，并依據這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最終從中試數據再設計更大規(guī)模生產的動力學模型。(5)由于生物反響的簡單性，在從試驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產過程中會消失很多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程簡介應用發(fā)酵工程的生產實例發(fā)酵工程的概念和內容發(fā)酵工程的應用菌種的選育培養(yǎng)基的配制滅菌擴大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程和分離提純谷氨酸的微生物發(fā)酵法生產在醫(yī)藥工業(yè)上的應用在食品工業(yè)上的應用生產傳統發(fā)酵產品，如啤酒、食醋等生產食品添加劑，如L-蘋果酸解決糧食短缺問題

發(fā)酵工業(yè)一、定義是指利用生物的生命活動產生的酶，無機或有機原料進展酶加工，獲得產品的工業(yè)。發(fā)酵工業(yè)的特征發(fā)酵過程中離不開微生物的作用1、發(fā)酵原料的選擇及預處理2、微生物菌種的選育及擴大培育3、發(fā)酵設備選擇及工藝條件掌握：常溫、常壓。種子擴大培育和發(fā)酵承受不同的工藝。4、發(fā)酵產物的分別提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農副產品為主，只要參加少量的有機和無機氮源就可進展反響。可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進展生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進展發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種選育，可以獲得高產的優(yōu)良菌株并使生產設備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產的產品。(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進展的生物化學反響，反響安全，要求條件簡潔。(4)發(fā)酵對雜菌的污染的防治至關重要。反響必需在無菌條件下進展。(5)由于生物體本身所具有的反響機制，能夠專一地和高度選擇性地對某些較為簡單的化合物進展特定部位地氧化、復原等化學轉化反響，也可以產生比較簡單的高分子化合物。(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動調整方式來完成的，反響的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產物。(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濟效益。(8)除利用微生物外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的遺傳工程菌進展反響。三發(fā)酵方法的類別與流程1、類別：依據對氧的需要區(qū)分：厭氧和有氧發(fā)酵依據培育基物理性狀區(qū)分：液體和固體發(fā)酵依據從微生物生長特性區(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大培育種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等養(yǎng)分物質滅菌產物分別純化成品2.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1)用作培育菌種及擴大生產的發(fā)酵罐的培育基的配制。(2)培育基、發(fā)酵罐以及幫助設備的消毒滅菌。(3)將已培育好的有活性的純菌株以肯定量轉接到發(fā)酵罐中。(4)將接種到發(fā)酵罐中的菌株掌握在最適條件下生長并形成代謝產物。(5)將產物抽提并進展精制，以得到合格的產品。(6)回收或處理發(fā)酵過程中產生的廢物和廢水。菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗純種培育2.1發(fā)酵原料的預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充無機鹽。3.碳氫化合物：石油脫蠟——肯定餾分的石油經冷卻脫蠟而獲得的凝固點在-10℃的油，參加適量無機鹽進展接種發(fā)酵。2.2菌種斜面培育菌種：已有的優(yōu)良生產菌種和選育的新菌種。方法：一般都是由保存于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開頭，在正式使用前要先轉接到新穎斜面培育基上活化后，再用于種子擴大培育。保存的菌種菌種活化種子擴大培育2.3種子擴大培育擴大培育的方法可以依據需要承受固體培育或液體培育兩級不同方式。固體種子擴大培育一般承受傳統的制曲工藝，一般先用克氏瓶或茄子瓶進展擴大，再轉接到曲盤擴大培育。需氧微生物：將克氏瓶外表培育的菌種接到裝有液體培育基的三角瓶中，在搖床上振蕩培育。厭氧微生物：將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉接到三角瓶液體培育基中靜置培育?？耸掀亢颓炎悠靠耸掀亢颓炎悠繐u床培育2.4微生物發(fā)酵和掌握發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。固體發(fā)酵：適合于傳統發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來生產比較簡潔的產品。液體深層發(fā)酵：適合于大規(guī)模工業(yè)化生產。影響發(fā)酵的因素很多，如溫度、pH、通風、攪拌、罐壓力等等，必需適當地掌握影響發(fā)酵的各種條件，把握發(fā)酵的動態(tài)，并進展雜菌的檢查和產物測定，使整個發(fā)酵過程順當進展。2.5發(fā)酵產物的分別提取利用菌體：離心沉淀或板框壓濾法使菌體與醪液分開，也可以用噴霧枯燥法直接做成粉劑。酒精——發(fā)酵醪蒸餾塔蒸餾；抗菌素及有機酸——依據產物的不同特性，承受離子交換樹脂吸附處理、脫色過濾、減壓濃縮等方法提取精制。獲得的產物都要依據有關部門制定的國家標準進展質量檢驗和性能測定，符合要求后才為合格產品。四我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步在20世紀60年月以前，輕工、食品領域的發(fā)酵工業(yè)主要由釀酒和釀造的產品組成。至今，已形成