《发酵工程全套》PPT课件.ppt

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1、考考核核方方式式v闭卷考试占闭卷考试占70v高水平科技文献阅读翻译占高水平科技文献阅读翻译占15v平时课堂提问、作业与考勤占平时课堂提问、作业与考勤占15本章内容本章内容一、一、发酵工程定义及在生物技术中的地位发酵工程定义及在生物技术中的地位二、二、发酵工程发展简史发酵工程发展简史三、三、发酵工业的特点及其应用范围发酵工业的特点及其应用范围四、四、工业发酵的类型与典型过程工业发酵的类型与典型过程五、五、发酵工程前沿及应用前景发酵工程前沿及应用前景1.何谓发酵何谓发酵？ferver：发泡、沸腾发泡、沸腾fermentation微生物的发酵现象请看下面现象请看下面现象对发酵现象的不同理解对发酵现象

2、的不同理解两种角度（能量、产物）生生物物化化学学家家侧重能量代谢侧重能量代谢：1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）（1）有氧呼吸有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）（2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）2、无氧呼吸无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物(个别是有机氧化物)并释放较少能量。根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。对发酵现象的不同理解对发酵现象

3、的不同理解两种角度（能量、产物）发酵是指有机化合物进行无氧代谢发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量释放能量的过程的过程厌氧发酵是厌氧菌借助氧化厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应还原反应释放能量释放能量的过程的过程发酵是酵母无氧呼吸发酵是酵母无氧呼吸产生能量产生能量的过程的过程需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不完全氧化完全氧化释放能量释放能量的过程的过程生生物物化化学学家家生物化学家看待微生物发酵过程：生物化学家看待微生物发酵过程：工业工业微生微生物学物学家家利用生物细胞（包括动、植物细胞）利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来培养来生

4、产产物生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）的所有过程？（需氧过程、细胞工程）发酵是利用微生物培养来发酵是利用微生物培养来生产产物生产产物的无氧或需氧的任何过程的无氧或需氧的任何过程侧重产品的生产：侧重产品的生产：发酵现象的本质发酵现象的本质v显微镜观察：微生物v著名的巴斯德实验：微生物作用v著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用2.发酵工程概念？发酵工程概念？微生物细胞加工技术过程优化与放大微生物细胞加工技术过程优化与放大v传传统统发发酵酵工工程程：利利用用微微生生物物的的生生长长和和代代谢谢活活动动来来大大量量生生产产人人们们所所需需产产品品的的过过程程理理论论与与工工程程技技术术体体系系

5、。该该技技术术体体系系主主要要包包括括菌菌种种选选育育与与保保藏藏、菌菌种种扩扩大大生生产产、代代谢谢产产物物的的生生物物合合成与分离纯化制备等技术集成。成与分离纯化制备等技术集成。v现现代代发发酵酵工工程程：是是将将DNA重重组组及及细细胞胞融融合合技技术术、酶酶工工程程技技术术、组组学学及及代代谢谢网网络络调调控控技技术术、过过程程工工程程优优化化与与放放大大技技术术等等新新技技术术与与传传统统发发酵酵工工程程融融合合，大大大大提提高高传传统统发发酵酵技技术术水水平平，拓拓展展传传统统发发酵酵应应用用领领域域和和产产品品范范围围的的一一种种现现代代工工业业生生物物技技术术体系（新一代工业生

6、物技术）。体系（新一代工业生物技术）。强强调调现现代代生生物物技技术术、控控制制技技术术和和装装备备技技术术在在传统与现代传统与现代发酵工业领域的集成应用。发酵工业领域的集成应用。传统发酵工业：传统发酵工业：酿造及食品酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生微生态制剂、生物农药、生物肥料等物肥料等现代发酵工业：现代发酵工业：基因工基因工程药物、细胞工程药物、程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。以及传统发酵工业升

7、级。传统大型发酵工传统大型发酵工业的中央控制业的中央控制现代发酵工业现代发酵工业的中央控制的中央控制3.发酵工程在生物技术中的地位发酵工程在生物技术中的地位生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。供产品或为社会服务的技术。发酵工程是生物技术的应用基发酵工程是生物技术的应用基础，是生物技术产业的核心。础，是生物技术产业的核心。分离和纯化产品。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化胞破壁技术、产物纯化技术，以

8、及产品检验和技术，以及产品检验和包装技术等包装技术等 下游技术发酵过程控制，主要包发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分菌环境的控制，过程分析和控制等析和控制等 中游技术广广义义发发酵酵工工程程对对生生物物学学和和工工程程学学的的要要求求优良种株的选育和保优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等），菌种代谢路径改造等），上游技术上中下游相互关联！上中下游相互关联！生物技术体系生物技术体系生化工程生化工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程产物产品产品产品产品基因工程基因工程产品产品强调过程优强调过程优

9、化与控制化与控制（一）发酵工程发展简史（一）发酵工程发展简史1900以前以前自然发酵阶段自然发酵阶段19001940纯培养技术的建立纯培养技术的建立19401950通气搅拌纯培养发酵技术的建立通气搅拌纯培养发酵技术的建立19501960诱变技术与代谢控制发酵技术的建立诱变技术与代谢控制发酵技术的建立19601970开拓发酵原料时期（石油发酵时期）开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后年以后进入基因工程菌发酵时期，以及细胞进入基因工程菌发酵时期，以及细胞大规模培养技术的全面发展。大规模培养技术的全面发展。近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基

10、础的现代发酵工业突飞猛进。现代发酵工业突飞猛进。自然发酵阶段自然发酵阶段v主要是酿造工业主要是酿造工业v主要产品：酒、酒精、醋、主要产品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等啤酒、干酪、酸乳等v17世纪，能在容量为世纪，能在容量为1500桶（一桶约桶（一桶约136升）的升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造v1757年应用温度计；年应用温度计；1801使用原始热交换器使用原始热交换器主要特点：嫌气发酵，非纯种培养主要特点：嫌气发酵，非纯种培养，产品质，产品质量不稳定量不稳定纯培养技术的建立纯培养技术的建立vKoch首先发明固体培养基，建立细菌首先发明固体培养

11、基，建立细菌的纯粹培养的纯粹培养vPetri创造一种培养皿创造一种培养皿(petridish)用于用于微生物平板分离微生物平板分离vWinograsky和和Beijerink发明富集培发明富集培养法，分离特定的微生物养法，分离特定的微生物v主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等v第一次世界大战，第一次世界大战，Weizmann发明了丙酮丁发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵无杂菌发酵。v在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术技术主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量主要特点：纯培养为

12、主、嫌氧发酵，产品产量质量控制水平大大提高质量控制水平大大提高纯培养技术的建立纯培养技术的建立通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立v标志：标志：纯种培养深层发酵生产青霉素纯种培养深层发酵生产青霉素 v主要技术进展：主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。发酵中的杂菌污染问题。v主要特点：主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发耗氧发酵实现规模化纯培养发 酵，一系列过程工程技

13、术创新酵，一系列过程工程技术创新v意义：意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础奠定了现代发酵工业的理论和实践基础通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立代谢控制发酵技术的建立代谢控制发酵技术的建立v基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。制发酵。v代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生遗传学理论，选育微生物突

14、变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。物代谢，大量积累目标发酵产物。v主要应用：主要应用：氨基酸氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物及核苷酸等基于初生代谢产物的发酵生产，以及有机酸的发酵生产，以及有机酸、抗生素等抗生素等开拓新的发酵原料时期开拓新的发酵原料时期v目的目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源料蛋白质的来源v技术进步技术进步：发展了高压喷射式、强制循环式等多种发发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术酵罐及其发酵技术计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发酵过程自动控制，促进发酵工业朝酵

15、过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、连续化、自动化方向自动化方向发展发展v特点特点：解决发酵原料及人畜争粮问题；解决发酵原料及人畜争粮问题；规模和自动化程度显著提高，能耗过大。规模和自动化程度显著提高，能耗过大。开拓新的发酵原料时期开拓新的发酵原料时期基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）v主要标志主要标志基因工程产品生产以及基因工程产品生产以及基因工程技术应用基因工程技术应用世界上已批准上市的世界上已批准上市的基因工程药物有几十基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人种，如：胰岛素、人生长激素等。生长激素等。v主要特点主要特点基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以

16、及基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步发酵过程优化及放大技术的全面进步高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产工程菌构建及产品的发酵生产主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起技术的兴起基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）人胰岛素人生长激素(GH)表皮生长因子(EGF)肿瘤坏死因子白细胞介素-2(IL-2)尿激酶原猪生长激素(PGH)牛生长激素(BGH)纤维素酶,-干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF

17、)促红细胞生成素(EPO)抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA)部分利用基因工程技术研制的产品发酵工程的主要前沿进展发酵工程的主要前沿进展v原料拓展：原料拓展：可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）v过程优化技术过程优化技术v多尺度生物反应器优化控制技术多尺度生物反应器优化控制技术v生物炼制生物炼制高产量高产量高产量高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素高转化率高转化率高转化率高转化率：微生物代谢途径和过程条件高效率高效率高效率高效率：微生物反应动力学和系统优化以高产量、高转化率和高效率及低以高产量、高转化率和高效率及低成本为目标的发酵过程优化

18、技术成本为目标的发酵过程优化技术低成本低成本低成本低成本：技术综合及产业化技术集成 环境友好环境友好环境友好环境友好：开发清洁生产技术发酵过程优化技术发酵过程优化技术条件确定过程优化初始条件过程分析过程强化1基于组学技术的高通量菌种改造和筛选基于组学技术的高通量菌种改造和筛选2基于组学和生物信息学代谢途径分析优化基于组学和生物信息学代谢途径分析优化菌种菌种改造改造3基于实时代谢流分析、代谢途径模型基于实时代谢流分析、代谢途径模型与自动控制技术的发酵过程优化控制与自动控制技术的发酵过程优化控制发酵发酵工艺工艺优化优化4基于发酵液及产品特性的高收率、低基于发酵液及产品特性的高收率、低成本、高质量和

19、环境友好的提取精制成本、高质量和环境友好的提取精制技术集成技术集成发酵发酵产物产物分离分离纯化纯化5基于源头防治与过程监控的资源节约基于源头防治与过程监控的资源节约与废物资源化清洁生产技术集成与废物资源化清洁生产技术集成综合综合治理治理技术技术优化优化（一）发酵工业的特点（一）发酵工业的特点发酵过程发酵过程一般是一般是在在常温常压常温常压下进行的生化反应，下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。反应安全，要求条件较简单。可用较廉价原料生产较高价值产品。可用较廉价原料生产较高价值产品。反应专一性强。反应专一性强。能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的能够专一性地和高度选择性地对某些较为复

20、杂的化合物进行特定部位的生物转化修饰。化合物进行特定部位的生物转化修饰。发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。菌种是关键。菌种是关键。发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。限制。（一）发酵工业的特点（一）发酵工业的特点（二）发酵工业的范围（二）发酵工业的范围微生物菌体微生物菌体酶制剂酶制剂代谢产物代谢产物生物转化生物转化微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域利

21、用基因工程菌株开拓发酵工程新领域微生物菌体微生物菌体v传统菌体发酵传统菌体发酵工业工业v现代菌体发酵工业现代菌体发酵工业酵母发酵酵母发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵杀虫剂杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌绿僵菌疫苗疫苗v新的菌体发酵产品新的菌体发酵产品:药用功能菌体药用功能菌体茯苓菌茯苓菌茯苓茯苓担子真菌担子真菌灵芝、香菇类灵芝、香菇类虫草头孢菌虫草头孢菌密环菌密环菌微生物菌体微生物菌体面包酵母面包酵母藻类藻类芽孢杆菌和伴孢晶体芽孢杆菌和伴孢晶体虫草头孢菌发酵生产虫草虫草头孢菌发酵生产虫草酶制

22、剂酶制剂v广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等基因重组技术用酶制剂：核酸酶（基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、限制性内切酶、DNA连接酶等。连接酶等。饲料酶制剂：木聚糖酶、饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等葡聚糖酶、

23、纤维素酶等微生物转化微生物转化在用维生素在用维生素C一步和二步发酵法生产中一步和二步发酵法生产中,起主要氧起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或山梨醇或L-山山梨糖梨糖)的分子结构进行特异性改变。的分子结构进行特异性改变。（一）工业发酵的类型（一）工业发酵的类型固体发酵固体发酵厌氧发酵厌氧发酵需氧发酵需氧发酵兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵液体发酵（包括液体深层发酵）液体发酵（包括液体深层发酵）按培养基的物理性状按培养基的物理性状浅盘固体发酵浅盘固体发酵深层固体发酵（机械通风制曲）深层固体发酵（机械通风制曲）按微生物对氧的不同需求按微生物对氧的不同需求按发酵工艺

24、流程按发酵工艺流程分批发酵分批发酵补料分批发酵补料分批发酵连续发酵连续发酵单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵（一）工业发酵的类型（一）工业发酵的类型按菌的种类按菌的种类单菌种发酵单菌种发酵多菌种混合发酵（混合菌发酵）多菌种混合发酵（混合菌发酵）新发展的微生物培养方法新发展的微生物培养方法v载体培养载体培养微载体以细小的颗粒作为细胞载体，通过搅微载体以细小的颗粒作为细胞载体，通过搅拌悬浮在培养液内，使细胞在载体表面繁殖成单拌悬浮在培养液内，使细胞在载体表面繁殖成单层的一种细胞培养技术。层的一

25、种细胞培养技术。v两步法液体深层培养两步法液体深层培养菌体生长和产酶条件不同，先提供合适的生菌体生长和产酶条件不同，先提供合适的生长条件，收集到大量菌体，再移入发酵长条件，收集到大量菌体，再移入发酵培养基培养基中进行产物发酵。中进行产物发酵。（二）发酵工业的基本生产过程（二）发酵工业的基本生产过程1.用作种子扩大培养及发酵生产的各种培用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；养基的配制；2.培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；3.扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比例接种入发酵罐中；例接种入发酵罐中；4.控制最适发

26、酵条件使微生物生长并形成大量的代谢控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；产物；5.将产物提取并精制，以得到合格的产品；将产物提取并精制，以得到合格的产品；6.回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。（二）发酵工业的基本生产过程（二）发酵工业的基本生产过程（二）发酵工业的典型过程（二）发酵工业的典型过程深层发酵过程深层发酵过程发酵工业发展趋向及应用前景发酵工业发展趋向及应用前景n基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。n采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人

27、前景。n不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，n计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。v强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。得到进一步开发。v生态生态型发酵工业的兴起：型发酵工业的兴起：清洁生产清洁生产。v再生资源的利用。再生资源的利用。v混合菌发酵混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，提强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率。高发酵效率。发酵工业发展趋向及应用前景发酵工业发展趋向及应用前景清洁生产清洁生产v按照联合国环境规划署按照联合国环境规划署（UN

28、EP）的定义：的定义：“清洁生产是一清洁生产是一种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境战略持续应种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰及环境的风险。对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性；对产品，要求有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要求将环境因素纳入设

29、计和所提供的服务中。对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。”混合菌发酵的应用混合菌发酵的应用v传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉v有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转化：化：生物能源：生物制氢、生物制沼气生物能源：生物制氢、生物制沼气生物饲料生物饲料生物肥料生物肥料课课程程内内容容v第一章第一章绪论绪论v第二章第二章发酵工业菌种发酵工业菌种v第三章第三章发酵工业培养基设计（讨论课）发酵工业培养基设计（讨论课）v第四章第四章发酵工业的无菌技术发酵工业的无菌技术v第五章第五章发酵工业

30、的种子制备（讨论课）发酵工业的种子制备（讨论课）v第六章第六章发酵动力学发酵动力学v第七章第七章发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需v第八章第八章发酵罐放大与设计发酵罐放大与设计v第九章第九章发酵过程优化与控制发酵过程优化与控制v第十章第十章发酵经济学（讨论课）发酵经济学（讨论课）结合实践自学：发酵产物分离纯化以及产品制备结合实践自学：发酵产物分离纯化以及产品制备发酵工业的洁净生产技术发酵工业的洁净生产技术学习重点学习重点v基本过程基本过程v过程优化过程优化v过程控制过程控制v过程放大过程放大一条主线一条主线、两个重点两个重点、三个层次三个层次、四个目标四个目标发酵工发酵工艺过程艺过程过程优过

31、程优化放大化放大反应器反应器细胞、分子细胞、分子高转化率高转化率高产量高产量高效率高效率低成本低成本发酵工程是连接生物科学、生物技术和发酵工程是连接生物科学、生物技术和生物工程的桥梁，生物科学与技术生物工程的桥梁，生物科学与技术成果的推广应用离不开发酵工程！成果的推广应用离不开发酵工程！Thank you for your attention !过量运动后肌肉会有酸痛感，运动后肌肉会有酸痛感，就是因为肌体在缺氧状态下进就是因为肌体在缺氧状态下进行糖酵解产生了乳酸等行糖酵解产生了乳酸等v高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大：由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯

32、竭产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等甚至导致局部细胞坏死或整体死亡人类脑缺氧非常危险、长期剧烈运动有损健康、提倡有氧运动本章内容一、一、常用的工业微生物常用的工业微生物二、二、发酵工业菌种筛选发酵工业菌种筛选三、三、发酵工业菌种改良发酵工业菌种改良一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物p13v1、细菌、细菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌枯草杆菌枯草杆菌丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌大肠杆菌大肠杆菌谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌v2、酵母菌、酵母菌酿酒酵母酿酒酵母假丝酵母属假丝酵母属v产朊假丝酵母产朊假丝酵母v解脂假丝酵母解脂假丝酵

33、母v热带假丝酵母热带假丝酵母毕赤酵母属、汉逊酵母属毕赤酵母属、汉逊酵母属一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物v3、霉菌、霉菌曲霉属曲霉属v米曲霉米曲霉v黑曲霉黑曲霉青霉属青霉属v青霉菌：点青霉、产黄青霉青霉菌：点青霉、产黄青霉v桔青霉桔青霉根霉属根霉属v德氏根霉德氏根霉v米根霉、小麦曲根霉米根霉、小麦曲根霉红曲霉属红曲霉属v紫红曲霉紫红曲霉一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物v4、放线菌、放线菌链霉菌属链霉菌属小单孢菌属小单孢菌属地中海诺卡氏菌地中海诺卡氏菌一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物5、未培养微生物、未培养微生物p14v定义：定义：指迄今所采用的微生物指迄今所采用的微生物

34、纯培养分离及纯培养分离及培养方法培养方法还未获得纯培养的微生物。还未获得纯培养的微生物。v其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例，其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例，约为约为99。一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物二、发酵工业菌种分离筛选二、发酵工业菌种分离筛选v菌株分离：将混杂着各种微生物的样品按照实菌株分离：将混杂着各种微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取迅速、准确、有效的方际需要和菌株的特性采取迅速、准确、有效的方法对它们进行法对它们进行分离、筛选分离、筛选，进而得到所需微生物，进而得到所需微生物的过程。的过程。1.菌种选择的总趋势菌种选择的总趋势v野生菌野生菌变异菌变

35、异菌v自然选育自然选育代谢控制育种代谢控制育种v诱发基因突变诱发基因突变基因重组的定向育种基因重组的定向育种（一）发酵工业菌种筛选的总趋势与要求（一）发酵工业菌种筛选的总趋势与要求2.菌种选择的要求菌种选择的要求p15v能能在在廉廉价价原原料料制制成成的的培培养养基基上上迅迅速速生生长长，且且生生成成的目的产物产量高、易于回收；的目的产物产量高、易于回收；v生长速度和反应速度较快，发酵周期较短；生长速度和反应速度较快，发酵周期较短；v培养条件易于控制；培养条件易于控制；v抗噬菌体及杂菌污染的能力强；抗噬菌体及杂菌污染的能力强；2.菌种选择的要求（续）菌种选择的要求（续）p15v菌种不易变异退化

36、；菌种不易变异退化；v对放大设备的适应性强；对放大设备的适应性强；v菌菌种种不不是是病病原原菌菌，不不产产生生任任何何有有害害的的生生物活性物质和毒素。物活性物质和毒素。（二）分离筛选原理与技术（二）分离筛选原理与技术1.筛选的指导思想筛选的指导思想2.分离筛选工作在实际中应用的几个方面分离筛选工作在实际中应用的几个方面3.新种分离筛选原理与技术新种分离筛选原理与技术1、筛选的两种指导思想筛选的两种指导思想v先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。v分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株。分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株。结果有两种可能：结果有两种

37、可能：获得适于工业发酵菌株获得适于工业发酵菌株只获得选育所需的出发菌株只获得选育所需的出发菌株2、分离筛选工作在实际中应用的几个方面分离筛选工作在实际中应用的几个方面v从被污染的生产及科研用菌中分离目的菌；从被污染的生产及科研用菌中分离目的菌；v生产中长期使用的菌种的定期分离筛选生产中长期使用的菌种的定期分离筛选；v从各种育种方法处理的微生物材料中分离筛选适于从各种育种方法处理的微生物材料中分离筛选适于工业目的的优良菌株工业目的的优良菌株；v从保藏机构获取菌种从保藏机构获取菌种v从已知菌种和大自然中分离新菌株从已知菌种和大自然中分离新菌株寻找新的发酵产品的产生菌；寻找新的发酵产品的产生菌；寻找

38、老产品的新的优良菌株。寻找老产品的新的优良菌株。3、新种分离与筛选的步骤、新种分离与筛选的步骤p15调查研究（包括资料查阅）调查研究（包括资料查阅）试验方案设计试验方案设计含微生物样品的采集含微生物样品的采集（如何使样品中含所需微（如何使样品中含所需微生物的可能性大？）生物的可能性大？）样品预处理样品预处理（如何在后续的操作中使这种可（如何在后续的操作中使这种可能性实现）能性实现）菌种分离菌种分离 根据目的菌株及其产物特点分根据目的菌株及其产物特点分选择性分离方法选择性分离方法随机分离方法随机分离方法(定向筛选定向筛选选择压力选择压力)(用筛选方案用筛选方案-检测系统进行间接分离）检测系统进行

39、间接分离）富集液体培养富集液体培养固体培养基条件培养固体培养基条件培养(初筛初筛)菌种纯化菌种纯化复筛复筛 菌种纯化菌种纯化初步工艺条件摸索初步工艺条件摸索再复筛再复筛生产性能测试生产性能测试较优菌株较优菌株1-3株株保藏及进一步做生产试验保藏及进一步做生产试验某些必要试验和某些必要试验和或作为育种的出发菌株或作为育种的出发菌株毒性试验等毒性试验等 (1)、含微生物样品的采集、含微生物样品的采集p16v1、采样时应注意的问题、采样时应注意的问题:土壤微生物的分布土壤微生物的分布土壤的有机质含量和通风情况土壤的有机质含量和通风情况土壤植被情况土壤植被情况采样季节采样季节土壤的酸碱度土壤的酸碱度v

40、2、对于分离筛选新菌种，还存在另两个选择标准：、对于分离筛选新菌种，还存在另两个选择标准：土壤来源广泛土壤来源广泛在已适应相当苛刻环境压力的微生物类群中寻找新在已适应相当苛刻环境压力的微生物类群中寻找新菌种菌种（2）、样品的预处理）、样品的预处理p16v目的：提高分离效率目的：提高分离效率v方法：方法：物理方法：物理方法：热处理；膜过滤法；离心法热处理；膜过滤法；离心法化学方法：化学方法：化学成分增加特定微生物的数量化学成分增加特定微生物的数量诱饵法：诱饵法：富集目的菌富集目的菌（3）、分离方法的选择）、分离方法的选择v根据目的菌有无选择性特征来选择分离方法根据目的菌有无选择性特征来选择分离方

41、法菌种的营养特征独特菌种的营养特征独特生长特征独特生长特征独特无无选择性特征选择性特征根据产物的特征进行根据产物的特征进行随机分离随机分离选择性分离选择性分离 A、选择性分离原理和技术选择性分离原理和技术v1、生长条件的选择与控制原理、生长条件的选择与控制原理控制营养成分控制营养成分控制培养基酸碱度控制培养基酸碱度添加抑制剂添加抑制剂控制培养温度控制培养温度控制通气条件控制通气条件v2、选择性分离技术、选择性分离技术富集液体培养技术富集液体培养技术固体培养技术固体培养技术施加选择压力，进行定向筛选施加选择压力，进行定向筛选A、选择性分离原理和技术、选择性分离原理和技术、富集液体培养、富集液体培

42、养p17v增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术v技术特点：技术特点：给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长或不利给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件于目的菌以外的其他菌型生长的条件v培养方式培养方式分批培养方式：分批培养方式：以最大比生长速率以最大比生长速率（max）筛选，存在）筛选，存在选择压力的控制、移种时间和次数等问题选择压力的控制、移种时间和次数等问题连续培养方式：连续培养方式：以比生长速率（以比生长速率（）筛选）筛选 ABS0基质浓度对基质浓度对A、B两种菌的比生长速率（两种菌的比生长速率（）的影响）的影响当当S

43、S0时，富集什么菌株？时，富集什么菌株？连续培养方式：连续培养方式：以比生长速率（以比生长速率（）筛选）筛选连续富集培养技术分离菌株的优点连续富集培养技术分离菌株的优点v分离的菌株特别适合连续发酵生产过程分离的菌株特别适合连续发酵生产过程v有利于分离具有某种工业生产特性的菌株有利于分离具有某种工业生产特性的菌株v可以筛选出能共生的稳定混合培养物可以筛选出能共生的稳定混合培养物、固体培养技术固体培养技术v常用于分离某些酶产生菌常用于分离某些酶产生菌v选择压力：在选择培养基中加入所需酶的基质选择压力：在选择培养基中加入所需酶的基质v如：淀粉酶的分离如：淀粉酶的分离B、随机分离原理与技术、随机分离原

44、理与技术v从产物入手，通过设计高产培养基和建立快速灵敏专一的筛从产物入手，通过设计高产培养基和建立快速灵敏专一的筛选方法，从随机分离的菌落中筛选出所需的目的菌。选方法，从随机分离的菌落中筛选出所需的目的菌。v技术关键：产物合成条件的选择与控制及相应筛选方法的确技术关键：产物合成条件的选择与控制及相应筛选方法的确定。定。v随机分离技术举例随机分离技术举例抗生素产生菌的筛选抗生素产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选抗生素产生菌的筛选抗生素产生菌的筛选v筛选模型：筛选模型：试验菌试验菌v筛选方法：筛选方法：铺菌法铺菌法复印平板法复印平板法液体培养筛选液体培养筛选抗药性抗药性筛选筛选筛

45、选模型：筛选模型：氨苄青霉素氨苄青霉素和和-内酰胺酶内酰胺酶产生菌（克雷白氏菌）协同产生菌（克雷白氏菌）协同 I I II II无试样时（不含棒酸时），无试样时（不含棒酸时），I I对对IIII菌作用不大菌作用不大有试样时（含棒酸时），有试样时（含棒酸时），I I对对IIII菌恢复药效，棒酸抑制水解酶活性菌恢复药效，棒酸抑制水解酶活性固体培养筛选固体培养筛选试验菌试验菌 代表微生物类型代表微生物类型金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌209p革兰氏阳性球菌革兰氏阳性球菌枯草杆菌枯草杆菌6633革兰氏阳性杆菌革兰氏阳性杆菌大肠杆菌大肠杆菌革兰氏阴性肠道细菌革兰氏阴性肠道细菌耻垢分枝杆菌耻垢分枝杆菌607

46、 结核杆菌结核杆菌白色念珠菌白色念珠菌 酵母状真菌酵母状真菌 青霉菌青霉菌 丝状真菌丝状真菌生长因子产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选v筛选模型：营养缺陷型试验菌筛选模型：营养缺陷型试验菌 v筛筛选选方方法法：利利用用被被分分离离的的微微生生物物产产物物能能否否促促进进营营养养缺陷型试验菌生长缺陷型试验菌生长氨基酸产生菌的筛选氨基酸产生菌的筛选 样品样品预处理预处理 初筛（除真菌）初筛（除真菌）在分离平板上生长获得多个单菌落在分离平板上生长获得多个单菌落 复印平板（复印平板（copy法）法）平板培养，其中有产生氨基酸平板培养，其中有产生氨基酸的菌落分泌氨基酸的菌落分泌氨基酸 对应到对应到copy

47、前相应前相应u.v线杀死长好的菌落线杀死长好的菌落位置，找到目的菌落位置，找到目的菌落再铺上一层含营养缺陷型试验菌的琼脂再铺上一层含营养缺陷型试验菌的琼脂 培养后培养后 产氨基酸菌落周围有生长圈产氨基酸菌落周围有生长圈 目的菌落进行液体培养，目的菌落进行液体培养，对产物进行定量测定对产物进行定量测定筛选产物含量高的菌株筛选产物含量高的菌株4、几种典型微生物的分离筛选方法举例、几种典型微生物的分离筛选方法举例v细菌细菌v放线菌放线菌v真菌真菌细菌分离：以乳酸菌为例细菌分离：以乳酸菌为例 取未成熟的酱醪样品取未成熟的酱醪样品1g至无菌磨口瓶中至无菌磨口瓶中加麦芽汁至瓶口处，封塞，加麦芽汁至瓶口处，

48、封塞，25培养培养24-48h培养基中长出绢丝状波动物，镜检培养基中长出绢丝状波动物，镜检 杆状，阳性染色杆状，阳性染色 初步断定乳酸菌初步断定乳酸菌 用选择性培养基分批富集培养用选择性培养基分批富集培养2-3代代稀释分离法分离单菌落，培养基为含麦芽汁、稀释分离法分离单菌落，培养基为含麦芽汁、CaCO3的琼脂培养基的琼脂培养基 根据透明圈挑选菌落根据透明圈挑选菌落 性能测定（镜检杆状，染色阳性；乳酸纸层析鉴定）性能测定（镜检杆状，染色阳性；乳酸纸层析鉴定）Rf值定性值定性 （有机酸呈黄斑点）（有机酸呈黄斑点）乳酸生成量测定（滴定法）乳酸生成量测定（滴定法）放线菌的分离：放线菌的分离：以产链霉素

49、菌种的分离为例以产链霉素菌种的分离为例（从退化菌种中筛选）（从退化菌种中筛选）取工业发酵液（含孢子）样品取工业发酵液（含孢子）样品1 1环环放入带玻璃珠的装有放入带玻璃珠的装有10ml无菌水的小三角瓶中，摇匀无菌水的小三角瓶中，摇匀采用稀释法制平板，获取单菌落采用稀释法制平板，获取单菌落 斜面保藏斜面保藏 高产菌恢复高产菌恢复根据高产菌的特点，选择目的菌落根据高产菌的特点，选择目的菌落 放大培养，发酵液性能测试放大培养，发酵液性能测试筛选模型：形态依据筛选模型：形态依据真菌的分离筛选：以啤酒酵母的分离为例真菌的分离筛选：以啤酒酵母的分离为例 取发酵液少许以取发酵液少许以10倍稀释成倍稀释成10

50、-1-10-7稀释分离法稀释分离法取取0.1ml加入固体培养基铺平皿（加入固体培养基铺平皿（2）在麦芽汁固体培养基上，在麦芽汁固体培养基上，25培养培养48-72h 形态筛选形态筛选 根据正常株特点进行挑选，接种斜面备用根据正常株特点进行挑选，接种斜面备用 纯化，采用平板分离法进一步纯化，至少反复三次纯化，采用平板分离法进一步纯化，至少反复三次 生生成成子子囊囊孢孢子子速速度度测测定定 发酵力测定发酵力测定 性能测定性能测定 热死温度测定热死温度测定 凝集力测定凝集力测定 双乙酰含量测定双乙酰含量测定菌种选育改良的具体目标菌种选育改良的具体目标p23v提高目标产物的产量提高目标产物的产量v提高