本科課件發(fā)酵工程
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發(fā)發(fā) 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 1主講人簡介劉萍:發(fā)酵工程專業(yè)博士,研究方向為生物制藥,主講課程發(fā)酵工程、生物制藥概論、生物工藝學(xué),參講課程細胞工程、生物學(xué)基礎(chǔ)、生物工程概論、發(fā)酵工程專題等發(fā)酵工程被評為校級精品課程和北京市精品課程建設(shè)課程聯(lián)系方式:7671、7697(6273)2需要注意的問題 認識發(fā)酵工程的重要性認識發(fā)酵工程的重要性 如何學(xué)習(xí)這門課如何學(xué)習(xí)這門課 如何去看書如何去看書 重視科技文獻重視科技文獻 尤其要重視實驗課尤其要重視實驗課 有關(guān)考試有關(guān)考試3教材及主要參考書教材:教材:生物工藝學(xué)生物工藝學(xué) 俞俊棠主編俞俊棠主編 華東理工大學(xué)出版社,華東理工大學(xué)出版社,1991.參考書:參考書:1.曹軍衛(wèi)曹軍衛(wèi),馬輝文馬輝文.微生物工程微生物工程.科學(xué)出版社,科學(xué)出版社,2002.2.P.F.斯坦伯里斯坦伯里,A 惠特克惠特克.發(fā)酵工藝學(xué)原理發(fā)酵工藝學(xué)原理.中國醫(yī)藥科中國醫(yī)藥科技出版社技出版社.1992.3.賀小賢賀小賢.生物工藝原理生物工藝原理.化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社.2003.4.尹光琳尹光琳,戰(zhàn)立克戰(zhàn)立克,趙根楠趙根楠.發(fā)酵工業(yè)全書發(fā)酵工業(yè)全書.中國醫(yī)藥科技出中國醫(yī)藥科技出版社版社.1992.4主要介紹內(nèi)容第一章緒論(2學(xué)時)本章要點:掌握發(fā)酵工程的基本知識;了解發(fā)酵工程的一般工藝過程和工藝發(fā)展趨勢。5第二章工業(yè)微生物菌種的選育與保藏(4學(xué)時)1、工業(yè)菌種篩選2、培養(yǎng)分離3、工業(yè)菌種的育種方針4、工業(yè)微生物菌種保藏技術(shù)6第三章發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化(4學(xué)時)1、培養(yǎng)基2、菌種生長條件3、種子擴大培養(yǎng)7第四章發(fā)酵機制(4學(xué)時)第一節(jié)微生物代謝機理第二節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)8第五章發(fā)酵工程動力學(xué)(4學(xué)時)第一節(jié)微生物反應(yīng)過程概論第二節(jié)微生物發(fā)酵動力學(xué)分類第三節(jié)工業(yè)微生物培養(yǎng)方法9第六章發(fā)酵工藝控制(4學(xué)時)第一節(jié)滅菌及空氣除菌第二節(jié)氧的供給第三節(jié)發(fā)酵單元操作10第七章發(fā)酵生產(chǎn)的設(shè)備(6學(xué)時)第一節(jié)介紹常用發(fā)酵罐的組成、工作原理及操作、控制第二節(jié)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計和自動控制11第九章發(fā)酵工程各論12學(xué)時第一節(jié)氨基酸生產(chǎn)工藝學(xué)2第二節(jié)抗生素生產(chǎn)工藝學(xué)2第三節(jié)微生物酶制劑生產(chǎn)工藝2第四節(jié)污水生化處理技術(shù)2第五節(jié)甾體激素的微生物轉(zhuǎn)化工藝2第六節(jié)活性物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)212發(fā)酵工程實驗發(fā)酵工程實驗 16學(xué)時學(xué)時1、特定產(chǎn)物工業(yè)生產(chǎn)菌種的篩選4學(xué)時2、搖床培養(yǎng)確定菌體培養(yǎng)和營養(yǎng)條件4學(xué)時3、小型發(fā)酵罐中進行產(chǎn)品的分批發(fā)酵4學(xué)時4、流加發(fā)酵動力學(xué)研究4學(xué)時13第一章緒論第一節(jié) 發(fā)酵的定義及應(yīng)用范圍第二節(jié) 發(fā)酵工程組成及研究內(nèi)容第三節(jié) 發(fā)酵工業(yè)第四節(jié) 發(fā)酵方法的類別與流程第五節(jié) 我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步14提問:什么是發(fā)酵15微生物發(fā)酵技術(shù) 1857年法國化學(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?!卑退沟抡J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,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。16一、發(fā)酵的定義1 1、傳統(tǒng)發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵2 2、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3 3、工業(yè)上的發(fā)酵、工業(yè)上的發(fā)酵171、傳統(tǒng)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(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象,或者是指酒的生產(chǎn)過程。182、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下,分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)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CO2。193、工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程 包括:1.厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程,如酒精,乳酸等。2.通氣(有氧)培養(yǎng)的生產(chǎn)過程,如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物,也包括菌體細胞、酶等。20提問:發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域21發(fā)酵工程應(yīng)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22在食品工業(yè)中的應(yīng)用這是生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)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(jīng)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(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品:以豆類、米、麥等生產(chǎn)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23飲料酒類產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、影響面廣,許多國家利用生物工程的技術(shù)改革舊工藝已取得明顯效果,收到顯著的經(jīng)濟效益。24用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)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(食用防腐劉)。新型發(fā)酵飲料活性乳酸飲料。25微生物與飲食、調(diào)味品微生物與飲食、調(diào)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-micro26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(nèi)泡菜市場產(chǎn)值約為16.7億美元。1998年日本泡菜生產(chǎn)量達18萬噸,市場為13億美元,在國際市場上日韓兩國占據(jù)了95%以上的份額。2000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%。27A各種抗生素:抗細菌,抗真菌,抗原蟲,抗腫瘤天然、合成、半合成B、各種氨基酸:在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)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3.2生物技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用28E、生物制品:生于預(yù)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導(dǎo)彈藥物的運載工具。純化抗原類物質(zhì),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3.2生物技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用29抗生素:目前世界各國可用發(fā)酵法生產(chǎn)的抗生素約400種,其中廣泛應(yīng)用的大約120種。l980年世界總產(chǎn)量約為25000噸。僅青、四、紅和頭孢四類抗生素的產(chǎn)值就達42億美元,最大的發(fā)酵罐為400立方米。進入90年代后,全球生產(chǎn)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。生物技術(shù)生產(chǎn)醫(yī)藥市場30維生素發(fā)酵生產(chǎn)的維生素,1982年世界產(chǎn)量為6萬噸左右,六種維生累的總銷額為6.7億美元。在19691980年間,每年銷售量遞增10,19811991年間仍以7一8的速率遞增。目前,全球范圍內(nèi)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0.5-1.5億美元的市值。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(lǐng)域都以4-5的速度增長。31甾體激素目前世界市場的年銷售額為67億元,今后仍將以610的速率遞增。最近正在興起用固定化細胞進行甾體轉(zhuǎn)化,將是一個有發(fā)展前途的新工藝,目前國際上正在研究中的除干擾素以外、還有口蹄疫疫苗,狂犬病疫苗等十余種。今后幾年內(nèi),在重組DNA的工作逐步深入當(dāng)中,定會對人類和牲畜健康引起實質(zhì)性的改善。32糖酶:a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶、異構(gòu)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。3、生物技術(shù)應(yīng)用于輕工、食品用酶的生產(chǎn)334、生物技術(shù)應(yīng)用于化工能源產(chǎn)品的生產(chǎn)利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn):烷烴、醇及溶劑、有機酸、多糖等據(jù)預(yù)測,2000年酒精發(fā)酵原料主要是纖維素、木質(zhì)質(zhì)等,并大量用于燃料消耗。美國計劃在90年代能源結(jié)構(gòu)中,煤和石油將從目前的95下降到50,酒精將在新能源中占重要地位。34酵母生產(chǎn)燃料乙醇35沼氣在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機物廢料,將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面,美國計劃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(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵,英、美、德、日、俄都已建成了許多大型沼氣發(fā)酵廠,如倫敦,每年可回收沼氣8800萬立方米。氫能生物柴油365、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減少,動、植物蛋白的來源受到了限制,高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個十分突出的問題。微生物菌體中,蛋白質(zhì)含量占4555(干物質(zhì))、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)的重要來源。37另外,藻類蛋白飼料也不可忽視,如前西德培養(yǎng)的珊列藻,每年每公頃所得蛋白比小麥多20一35倍。Cncnc-micro38 一個 20 米直徑的水池年產(chǎn) 4 噸藻類,加工后可得相當(dāng)于3000 升柴油的燃料。一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當(dāng)于 50 噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻396、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(chǎn)的只有銅和鈾(批量)。目前,美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在積極開展此項研究和生產(chǎn)。美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的10以上,加拿大用細菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達230噸。據(jù)世界20個礦山資料表明,每年用細菌浸出約銅達20萬噸。40抗病、殺蟲抗生素單細胞蛋白食用和藥用真菌生物農(nóng)藥生物肥料7、生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用41什么是有機食品42微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。嫌氣發(fā)酵法:指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物,將有機廢棄物分解為可溶性物質(zhì),進而通過產(chǎn)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:指在曝氣情況下,用某些能降解有機物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對工業(yè)或生活污水進行處理。8、生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用43在化學(xué)工業(yè)和環(huán)境保護等方面,微生物工程也同樣能發(fā)揮獨持的作用,如:與化學(xué)法相結(jié)合,選育相應(yīng)的優(yōu)良菌種,以乙烯和丙烯腈為原料,分別生產(chǎn)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(gòu)建超級細菌,處理大面積的海面石油污染等。44噴灑工程菌清除石油污染45微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池46479、生物技術(shù)應(yīng)用于高技術(shù)研究開發(fā)基因工程中酶、DNA探針等醫(yī)藥中診斷用酶48第二節(jié)發(fā)酵工程組成及研究內(nèi)容49發(fā)酵工程定義發(fā)酵工程是滲透有工程學(xué)的微生物學(xué)。是利用微生物的特定性狀,通過現(xiàn)代化工程技術(shù)產(chǎn)生有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)、以把糧食、能源、化學(xué)制品、環(huán)境控制等全球性課題聯(lián)系起來的一種技術(shù)體系。是將傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與DNA重組、細胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。50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)對周圍環(huán)境的溫度、壓強、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力。(2)有極強的消化能力。(3)有極強的繁殖能力。51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52FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES53發(fā)酵工程原始材料:包括菌種,培養(yǎng)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(chǎn)能力或者導(dǎo)入外源基因等以獲得工程菌;(2)發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化,是通過優(yōu)化發(fā)酵條件如溫度、營養(yǎng)、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(chǎn)物;下游過程:是運用生物化學(xué)、物理學(xué)方法分離、純化產(chǎn)品,最終將產(chǎn)品推向市場并獲得社會或經(jīng)濟效益。54發(fā)酵工程Continuouscentrifuges55發(fā)酵工程研究內(nèi)容主要指在最適發(fā)酵條件下,發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴格的無菌生長環(huán)境:包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術(shù);在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù);(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速 度的計算機控制技術(shù);(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。56(4)在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前,必須在實驗 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗,得到產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型,并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求,最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性,在從實驗室到中試,從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題,這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。57第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)一、定義 是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶,無機或有機原料進行酶加工,獲得產(chǎn)品的工業(yè)。58二、發(fā)酵工程的創(chuàng)立天然發(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)酵進程。微生物的發(fā)酵開始于人類見到微生物前的一段漫長的歷史時期,大約在距今8000年前至公元1676年。最常見的例子就是發(fā)面、天然果酒的釀制、牛乳和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來治療一些疾病等。其中應(yīng)用水平最高的是中國人在制曲、釀酒方面的偉大創(chuàng)造。59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):微生物進行甾體化合物的轉(zhuǎn)化,Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。對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,進行合理的代謝。60開拓發(fā)酵原料時期:石油發(fā)酵,醋酸生產(chǎn)谷氨酸基因工程階段:人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細胞中,從而達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。61四、發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細胞為產(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62微生物產(chǎn)物:微生物細胞,酶,藥物活性物微生物產(chǎn)物:微生物細胞,酶,藥物活性物質(zhì),特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑質(zhì),特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑631、生產(chǎn)微生物細胞物質(zhì)定義:是以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè),包括單細胞的酵母和藻類、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:細胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系,生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段,生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。642、微生物酶發(fā)酵酶的特點: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: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。653、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細胞自身生長所必需的,稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的,來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。664、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義:是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(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更在經(jīng)濟價值的化合物。最終產(chǎn)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(xué)反應(yīng)而形成的。675、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(lǐng)域。68五、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(yù)處理2、微生物菌種的選育及擴大培養(yǎng)3、發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制:常溫、常壓。種子擴大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用69(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和無機氮源就可進行反應(yīng)??梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進行發(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。70(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)安全,要求條件簡單。(4)發(fā)酵對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行。(5)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機制,能夠?qū)R坏睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進行特定部位地氧化、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。71(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的,反應(yīng)的專一性強,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(gòu)建的遺傳工程菌進行反應(yīng)。72第四節(jié) 發(fā)酵方法的類別與流程1、類別:根據(jù)對氧的需要區(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)從微生物生長特性區(qū)分:分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵732、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養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品742.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1)用作培養(yǎng)菌種及擴大生產(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并形成代謝產(chǎn)物。(5)將產(chǎn)物抽提并進行精制,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。75菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗發(fā)酵罐試驗純種培養(yǎng)純種培養(yǎng)762.1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充無機鹽。3.碳氫化合物:石油脫蠟一定餾分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點在-10的油,加入適量無機鹽進行接種發(fā)酵。772.2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: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始,在正式使用前要先轉(zhuǎn)接到新鮮斜面培養(yǎng)基上活化后,再用于種子擴大培養(yǎng)。保存的菌種菌種活化種子擴大培養(yǎng)782.3 種子擴大培養(yǎng)擴大培養(yǎng)的方法可以根據(jù)需要采用固體培養(yǎng)或液體培養(yǎng)兩級不同方式。固體種子擴大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝,一般先用克氏瓶或茄子瓶進行擴大,再轉(zhuǎn)接到曲盤擴大培養(yǎng)。需氧微生物:將克氏瓶表面培養(yǎng)的菌種接到裝有液體培養(yǎng)基的三角瓶中,在搖床上振蕩培養(yǎng)。厭氧微生物:將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉(zhuǎn)接到三角瓶液體培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng)??耸掀亢颓炎悠?9克氏瓶和茄子瓶搖床培養(yǎng)802.4 微生物發(fā)酵和控制發(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(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來生產(chǎn)比較簡單的產(chǎn)品。液體深層發(fā)酵:適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。影響發(fā)酵的因素很多,如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等,必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件,掌握發(fā)酵的動態(tài),并進行雜菌的檢查和產(chǎn)物測定,使整個發(fā)酵過程順利進行。812.5 發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取利用菌體:離心沉淀或板框壓濾法使菌體與醪液分開,也可以用噴霧干燥法直接做成粉劑。酒精發(fā)酵醪蒸餾塔蒸餾;抗菌素及有機酸根據(jù)產(chǎn)物的不同特性,采用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(chǎn)物都要按照有關(guān)部門制定的國家標(biāo)準(zhǔn)進行質(zhì)量檢驗和性能測定,符合要求后才為合格產(chǎn)品。82第五節(jié)我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步在20世紀60年代以前,輕工、食品領(lǐng)域的發(fā)酵工業(yè)主要由釀酒和釀造的產(chǎn)品組成。至今,已形成了一個品種繁多,門類較齊全,具有相當(dāng)規(guī)模的獨立工業(yè)體系,在國民經(jīng)濟中占有重要地位某些產(chǎn)品如味精、檸檬酸年總產(chǎn)量已躍居世界首位。83今后我國發(fā)酵工業(yè)研究的重點積極采用高新技術(shù)改造和提升現(xiàn)有發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)水平和開發(fā)新產(chǎn)品,形成新產(chǎn)業(yè)。84應(yīng)加強應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究1要充分意識到自人類基因組圖譜繪制完成后世界進入后基因組時代;轉(zhuǎn)基因技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢,要引起足夠重視,除對基因工程的研發(fā)工作本身要加強外,應(yīng)從開展轉(zhuǎn)基因食品安全性的研究入手,參與國際上對轉(zhuǎn)基因食品安全性的鑒定和科學(xué)評價,積極創(chuàng)建造福于人類的新一代發(fā)酵制品。852加強發(fā)酵基礎(chǔ)理論研究,從對微生物的代謝調(diào)控,生長和發(fā)酵動力學(xué)剖析基礎(chǔ)上,創(chuàng)建新的發(fā)酵系統(tǒng),故應(yīng)積極研究開發(fā)不同類型的發(fā)酵分離耦合系統(tǒng),達到高產(chǎn)豐收的目的。863要充分認識微生物的多樣性、生物技術(shù)的多學(xué)科性、應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性,利用先進、實用技術(shù),加強新資源開發(fā)和已有資源的高值化?,F(xiàn)有的發(fā)酵制品原則上仍屬初級產(chǎn)品,商品化的品種單一,應(yīng)用領(lǐng)域狹窄,產(chǎn)值低,應(yīng)進一步深加工,二次開發(fā),達到更有效地利用資源,產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。874瞄準(zhǔn)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)進行重點突破,如節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、無害化的環(huán)保新工藝新裝備,提升現(xiàn)有企業(yè)的生產(chǎn)水平,使我國輕工、食品領(lǐng)域的發(fā)酵工業(yè)在新世紀實現(xiàn)跨越式的發(fā)展。88利用遺傳工程等先進技術(shù),人工選育和改良菌種采用發(fā)酵技術(shù)進行高等動動植物細胞培養(yǎng)固定化技術(shù)廣泛應(yīng)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(chǎn)控制的主要手段應(yīng)用代謝控制技術(shù),發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸將生物技術(shù)理廣泛地用于環(huán)境工程國際發(fā)酵工程研究方向89三、發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程 簡介應(yīng)用發(fā)酵工程的生產(chǎn)實例發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容發(fā) 酵 工 程的應(yīng)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(chǎn)在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用在食品工業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品,如啤酒、食醋等生產(chǎn)食品添加劑,如L-蘋果酸解決糧食短缺問題90
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