发酵工程生概自制课件

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1、第四章 发酵工程,涉及内容 一、发酵工程概况 二、微生物发酵过程 三、液体深层发酵 四、固体发酵 五、典型产品的发酵,一、发酵工程概况 （一）发酵的定义： 发酵（fermentation）最初来自拉丁语“ 发泡 ”（fervere），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。 巴斯德研究了酒精发酵的生理意义，认为发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。 生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。 目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。,（二）发酵工程的定义 采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，

2、或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。以微生物作为研究对象，也称微生物工程。 现代的发酵工程不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。,（三）发酵工程发展,远古人类发现：吃剩的米粥数日后变成 了醇香可口的饮料人类最早发明的酒,我国古代的酿酒作坊 （四川新都县出土的汉代画像）,微生物学的奠基人伟大的巴斯德,我国的传统发酵产品酱 油、醋、腐乳等享誉世界 我国的酿酒已经有4000多 年的历史 我国的酱油距今已有3000 年的历史 1857年巴斯德证明发酵是 由于微生物的作用,（四）

3、发酵类型,根据微生物发酵产物的不同分为 1.微生物菌体发酵 以获得某种用途的菌体为目的的发酵。 1) 用于面包制作的酵母发酵及用于人 类食品或动物饲料的微生物菌体蛋 白（螺旋藻等） 2)药用真菌 香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草 以及担子菌的灵芝等。,虫草真菌的子囊孢子侵袭虫草蝙蝠蛾的幼虫形成的“冬虫夏草”,3)生物防治剂 苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌细胞中 的伴孢晶体可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫；丝状真 菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。,2.微生物酶发酵： 获得微生物酶制剂，多用于食品工业和轻工业中， 如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖； 也用于医药生产和医疗检测中，胆固醇

4、氧化酶用于 检查血清中胆固醇的含量，葡萄糖氧化酶用于检查 血中葡萄糖的含量等等。,3.微生物代谢产物发酵： 获得微生物代谢产物，分为初级代谢产物（对数生长 期所产生的产物如氨基酸、核苷酸糖类等，是菌体生 长繁殖所必需的）和次级代谢产物（生长静止期合成 一些具有特定功能的产物，如抗生素、细菌毒素等， 与菌体生长繁殖无明显关系）两种。,4.微生物的转化发酵 利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成 结构相关的更有经济价值的产物。脱氢反应、氧化反 应、脱水反应、缩合反应、脱氨反应等。最古老的生 物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。 包括醇类转化、甾类转化和抗生素转化等。 5.生物工

5、程细胞发酵： 利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程 菌”以及细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型 发酵，其产物多种多样。有用基因工程菌生产的有胰岛 素、干扰素等，用杂交瘤细胞生产的用于疾病治疗和诊 断的各种单克隆抗体等。,（五）发酵产品的生产特点：, 操作条件比较温和，通常在常温常压下进行，耗能少，设备简单； 以淀粉、糖蜜或农副产品、工业废水或植物秸秆、木屑等可再生资源等为主要原料，成本低。 过程反应以生命体（微生物自身）的自动调节方式进行，多个反应可一次性完成； 能合成复杂的高分子化合物，如：酶、光学活性体等；能选择性的在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等特

6、殊反应； 生产过程中，需要防止杂菌污染（设备、空气）。,（六）微生物工业的范围,（1）医药工业 生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等 （2）食品工业 微生物蛋白、酒类、饮料、氨基酸、食品添加剂等 （3）能源工业 酒精、沼气发酵 （4）化学工业 可降解的生物塑料、化工原料、生物表面活性剂等 （5）冶金工业 利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等 （6）农业 生物固氮和生产生物杀虫剂及微生物饲料 （7）环境保护 净化有毒高分子化合物、降解浮油、处理废水、污水等,二、微生物发酵过程,1、发酵的方式 a.按微生物种类分,即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程 中所引起的生化反应的过程。,b

7、. 按培养基状态分,c、按照发酵设备类型分,2、发酵工业中常用的微生物 微生物： 个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚的微小生物的统称。其种类包括原核生物的细菌（真细菌和古细菌）、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和螺旋体等；属于真核生物的真菌（酵母菌、霉菌和担子菌）、单细胞藻类和原生动物以及没有细胞结构的病毒（动物、植物和微生物病毒）和亚病毒。 细菌、放线菌、酵母菌和霉菌在发酵工业中应用最广，藻类和担子菌亦有应用。,细菌： 自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属单细胞 原核生物，有球状（双球、四联球、八叠球、链球、葡 萄球菌等）、杆状、螺旋状等多种形态，以较典型的二 分裂方式繁殖。,

8、细菌形态图,细菌形态及结构简图,杆菌二分裂过程电镜照片及模式图,细菌的二分裂繁殖 细菌生长时，单环DNA染色质体被复制，细胞内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞中部产生一横断间隔，染色质体分开，继而间隔分裂形成细胞壁，最后形成两个相同的子细胞。如果间隔不完全分裂就形成链状细胞。,发酵工业中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等，可用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。,2）放线菌： 因其菌落呈放射状而得名（菌丝末端 伸长和分支，彼此交错成网状结构， 称为菌丝体）。为原核生物，分布 广，在含有机质丰富的微碱性土壤中 较多。大多腐生，少数寄生。主要以 无性孢

9、子进行繁殖，也可借菌丝片段 进行繁殖。,放线菌形态,根据放线菌菌丝形态和功能可分为营养菌丝、气生丝和孢子丝三种： 营养菌丝 又叫初级菌丝或一级菌丝，匍匐生长于培养基内，可吸 收营养物，故亦称基内菌丝。 气生菌丝 又称二级菌丝。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养 基外并伸向空间的菌丝。叠生于营养菌丝上，可覆盖整 个菌落表面。为繁殖后代做准备，传递营养物质。 孢子丝 气生菌丝体发育到一定程度，分化出可形成孢子的菌丝 （产孢丝或繁殖菌丝）。孢子丝的形状有直形、波曲和螺 旋形之分，着生方式有互生、轮生或丛生等，形态固定， 可作为菌种鉴定的依据。,链霉菌的形态构造模式,放线菌的各种孢子丝形态,放线菌能用

10、于产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素，有60以上是放线菌产生的，如链霉素、金霉素、红霉素、庆大霉素等。发酵工业常用的放线菌主要来自于链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。,3）酵母菌： 单细胞真核生物，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境 中，如水果、蔬菜和植物叶片上及果园土壤中。大多为 腐生，常以单个细胞存在，主要以出芽形式进行繁殖。 母细胞体积长到一定程度时就开始发芽，芽长大的同时 母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大 小的母子细胞。如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细 胞，称为假菌丝。也有部分酵母以裂殖和子囊孢子的形 式进行繁殖。,酵母光镜图,酵母电镜镜图,酵母结构图,酵母菌的芽

11、殖过程 1.泡；2.小管；3.核；4.液泡,酵母菌假菌丝的形成 图中1、2、3、4 是出芽的顺序,酵母生长旺盛时，芽体还未脱落时又生成新的芽体，形成假菌丝。,酵母菌子囊孢子的形成过程（有性生殖） 1-4：两个细胞的原生质突起结合； 5：接合子（双倍体细胞核）； 6-9：核分裂，形成4-8个细胞核； 10、11：子核与原生质形成孢子,发酵工业上常用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用的酵母菌体蛋白等。,4）霉菌： 凡生长在营养基质上形成绒毛状、网 状或絮状菌丝的真菌。分布广，大量 存在于土壤、空气、水和生物体内

12、外 等处。喜偏酸性环境，大多数为好氧 性，多腐生，少数寄生。,各种曲霉的菌落,青霉菌落,各种病原真菌的菌落,霉菌的营养体由菌丝体组成 A.无隔多核菌丝； B.有隔单核菌丝； C.有隔多核菌丝,霉菌的繁殖能力很强，它以无性孢子（为主）和有性孢子进行繁殖。其生长方式是菌丝末端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。为适应不同的环境条件和更有效地摄取营养满足生长发育的需要，许多霉菌的菌丝分化成一些特殊的形态和组织（菌丝变态）。如:假根（根霉属霉菌 ，固着和吸收养料）、寄生性吸器、 捕食性真菌的菌套和菌网（用于捕捉其它小生物如线虫、草履虫等）,根霉的结构示意图具假根,寄生性真菌的吸器 A.球状 B.根状 C

13、.指状 D.佛手状,捕食性真菌的菌套和菌网 A.菌套 B.简单菌网 C.复杂菌网,黄曲霉的分生孢子,青霉的分生孢子,链霉菌的菌丝及分生孢子,发酵工业上常用的霉菌有：藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌类的曲霉、青霉等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。,5）其他微生物： a、担子菌（菇类） 主要用于多糖、橡胶 物质和抗癌药物（香 菇）的开发。,b、藻类（螺旋藻）,螺旋藻,自养型微生物 可作人类保健食品和饲料； 可通过藻类利用光能将 C02转变为石油； 利用其光合放氢作用来取得氢能。,3、培养基 1）培养基种类 可按照培养基的组成成分、物理状态和功能进行分类。

14、 a、按组成成分分,按成分不同划分,天然培养基,合成培养基,含化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物（动、植物或微生物的浸出物、水解液等物质(牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等）,化学成分完全了解的物质配制而成，实验室作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究,按物理状态不同划分,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,b、按物理状态分,1）孢子培养基： 用于制备大量优质孢子（植物或微生物所产生的一 种有繁殖或休眠作用的细胞，能直接发育成新个 体 ），且不能产生变异。 基质浓度(特别是有机氮源)要低些，无机盐的浓度 要适量，否则影响孢子的数量和质量。 生产中常用的孢子培养基有

15、麸皮培养基，大(小)米 培养基，琼脂斜面培养基等。,c、根据在生产中的用途分,2）种子培养基： 供孢子发芽和菌体生长繁殖使用。 要求营养成分丰富且完整，易被菌体吸收利用。 其中氮源和维生素的含量应略高些，但总浓度以略 稀薄为宜，以便菌体的生长繁殖。 常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米浆、酵 母粉、硫酸铵、尿素、硫酸镁、磷酸盐等。 培养基的组成随菌种而改变，成分要与发酵培养基 相关联（使种子尽快适应发酵罐内的环境）。,3）发酵培养基： 供菌体生长繁殖及合成大量代谢产物。 要求组成丰富完整，营养成分的浓度和黏度适 中，利于菌体的生长，进而合成大量代谢产物。 发酵培养基的组成要考虑菌体在发酵过程

16、中的 各种生化代谢的协调，在产物合成期，使发酵 液pH不出现大的波动。,2） 发酵培养基的组成,微生物的营养物质有六大类要素:水、碳源、氮源、无 机盐、生长因子和产物形成的诱导物、前体和促进剂。 水（水质影响较大） 培养基的主要成分，构成菌体细胞，传递营养物质， 直接参与代谢反应。深井水、自来水和地表水皆可。 碳源 构成菌体和产物的碳架及能量来源。包括各种单糖 (如葡萄糖)、双糖(如蔗糖)和淀粉、纤维素等多糖； 玉米淀粉；油脂（霉菌和放线菌生长的消泡剂）； 有机酸；醇类；石油产品等。,氮源 构成微生物细胞本身的物质或代谢产物中氮素来 源。有机和无机氮源两大类，黄豆、花生、棉籽饼 粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉；氨水、硫酸铵、氯 化铵、硝酸盐等。 无机盐和微量元素 磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾及微量元素如镁、 铁、钴、锌、锰等。构成菌体原生质的成分（P、S 等）；作为酶的组成成分或维持酶的活性 （Mg、Fe、 Mn等）；调节细胞的渗透压和影响细胞膜的通透性 （NaCl、KCl等）；参与产物的生物合成等。需