发酵工程课程总结.ppt
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1、发酵工程概图发酵工程概图2021/5/182021/5/181 1微生物特点:微生物特点:微生物微生物比比表面积大;表面积大;转化能力强;转化能力强;敏殖速度快;敏殖速度快;变异率高;变异率高;分布范围广泛。分布范围广泛。2021/5/182021/5/182 2发酵发酵:是指利用微生物在有氧或无氧条件是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动,来制备微生物菌体本下的生命活动,来制备微生物菌体本身或其代谢产物的过程。身或其代谢产物的过程。2021/5/182021/5/183 3发酵工业发酵工业 是指利用微生物生命活动产生的是指利用微生物生命活动产生的酶酶,对无机或有机原料进行,对无机或有机原
2、料进行酶加工酶加工获获得产品的工业。得产品的工业。其其主体主体是利用是利用微生物酶微生物酶进行进行生化生化反应反应的工业。的工业。2021/5/182021/5/184 4发酵工业:发酵工业:传统发酵(传统发酵(也称酿造,如醋、酱、酒等)近代发酵工业(近代发酵工业(如酒精、乳酸等)现代发酵工业(现代发酵工业(抗生素、氨基酸、酶制剂等)2021/5/182021/5/185 5发酵工程:发酵工程:是指具有工程技术的微生物学在是指具有工程技术的微生物学在工、农、医等领域应用,而形成的一工、农、医等领域应用,而形成的一门多学科交叉的学科。门多学科交叉的学科。2021/5/182021/5/186 6
3、实现发酵工程,必备条件:实现发酵工程,必备条件:某种功能的微生物;某种功能的微生物;控制微生物生长和代谢的各种条件;控制微生物生长和代谢的各种条件;微生物发酵设备;微生物发酵设备;发酵产物提取、精制的条件和设备。发酵产物提取、精制的条件和设备。2021/5/182021/5/187 7发酵工业大致经历如下几个阶段:发酵工业大致经历如下几个阶段:1 1自然发酵阶段自然发酵阶段 2 2纯培养技术的建立纯培养技术的建立 3 3通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立 4 4代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术 5 5开拓发酵原料时期开拓发酵原料时期 6 6基因工程阶段基因工程阶段2021/5/182
4、021/5/188 81 1、微生物菌体发酵、微生物菌体发酵 2 2微生物酶发酵微生物酶发酵3 3代谢产物发酵代谢产物发酵4 4微生物的生物转化发酵微生物的生物转化发酵5 5微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用发酵工程的范围发酵工程的范围2021/5/182021/5/189 9发酵工程的未来发酵工程的未来 1 1利用基因工程技术改良菌种利用基因工程技术改良菌种2 2动植物细胞培养技术动植物细胞培养技术3 3固定化酶或细胞技术固定化酶或细胞技术2021/5/182021/5/181010微生物代谢微生物代谢 代谢:代谢:生物体内所进行的全部化学反应生物体内所进行的全部化学反应的总和。的总和
5、。代谢代谢-物质代谢和能量代谢(物质代谢和能量代谢(酶酶););物质代谢物质代谢-分解代谢与合成代谢(分解代谢与合成代谢(酶酶););能量代谢能量代谢-产生、储运和利用产生、储运和利用(酶酶)。2021/5/182021/5/181111微生物代谢:微生物代谢:u初级代谢:初级代谢:一般把具有明确的生理功能,对维持一般把具有明确的生理功能,对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程。其产物称为生命活动不可缺少的物质代谢过程。其产物称为初级代谢产物,如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸初级代谢产物,如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和维生素等。和维生素等。u次级代谢:次级代谢:把一些没有明确的生理功能,不是维把一些
6、没有明确的生理功能,不是维持生命活动所必须的物质的代谢过程。其产物称持生命活动所必须的物质的代谢过程。其产物称为次级代谢产物,如某些色素、抗生素、毒素、为次级代谢产物,如某些色素、抗生素、毒素、生物碱等。生物碱等。2021/5/182021/5/181212 代谢过程错综复杂,但受体内调代谢过程错综复杂,但受体内调节系统严格控制,并按照顺序、协调节系统严格控制,并按照顺序、协调有效地进行,维持体内代谢平衡。有效地进行,维持体内代谢平衡。对微生物而言:对微生物而言:代谢过程代谢过程-细胞内细胞内自我调节自我调节2021/5/182021/5/181313微生物代谢调节方式微生物代谢调节方式:1.
7、1.细胞透性调节;细胞透性调节;2.2.代谢途径调节;代谢途径调节;3.3.代谢流向调节;代谢流向调节;4.4.代谢速度调节代谢速度调节(酶活性或酶数量酶活性或酶数量)。2021/5/182021/5/181414 发酵工程生产水平由发酵工程生产水平由生产菌种性能生产菌种性能、发酵条件发酵条件、提取工艺提取工艺和和生产设备生产设备。其中生产菌种是最重要的,其中生产菌种是最重要的,生产菌生产菌种最初都来源于自然界种最初都来源于自然界。2021/5/182021/5/181515具有在较短的发酵周期内产生大量发具有在较短的发酵周期内产生大量发酵产物的能力。酵产物的能力。在发酵过程中在发酵过程中不产
8、生或少产生不产生或少产生与目标与目标产品性质相近的副产物及其他产物。产品性质相近的副产物及其他产物。生长繁殖能力强,生长速率快。生长繁殖能力强,生长速率快。优良的生产菌种应具备基本特性优良的生产菌种应具备基本特性:2021/5/182021/5/181616能够高效地将原料转化为产品。能够高效地将原料转化为产品。有广泛利用不同来源原材料的能力,有广泛利用不同来源原材料的能力,并对发酵原料成分波动敏感性较小。并对发酵原料成分波动敏感性较小。对需要添加的前体物质有耐受能力,对需要添加的前体物质有耐受能力,并且不能将这些前体物质作为一般碳并且不能将这些前体物质作为一般碳源利用。源利用。2021/5/
9、182021/5/181717发酵过程中产生泡沫要少。发酵过程中产生泡沫要少。具有抗噬菌体感染能力。具有抗噬菌体感染能力。遗传特性稳定,保证发酵过程能够长遗传特性稳定,保证发酵过程能够长期、稳定地进行,同时有利于实施最期、稳定地进行,同时有利于实施最佳工艺控制。佳工艺控制。2021/5/182021/5/181818生产菌种选育方法:生产菌种选育方法:自然选育、诱变选育、抗噬菌体菌自然选育、诱变选育、抗噬菌体菌种选育、杂交育种、原生质体融合技种选育、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程技术等。术、基因工程技术等。2021/5/182021/5/181919自然选育自然选育:不经人工处理,利用微
10、生物自然突变进不经人工处理,利用微生物自然突变进行菌种选育的过程。行菌种选育的过程。自然突变原因自然突变原因:1.1.多因素低剂量的诱变效应多因素低剂量的诱变效应,2.2.互变异构效应互变异构效应。2021/5/182021/5/182020自然选育程序自然选育程序:取样取样菌悬液菌悬液稀释稀释平板分离平板分离单菌单菌落落能力检测能力检测菌种。菌种。2021/5/182021/5/182121诱变育种:诱变育种:是利用物理、化学诱变剂处理微生物是利用物理、化学诱变剂处理微生物细胞,提高基因突变频率,再通过适当的细胞,提高基因突变频率,再通过适当的筛选方法获得所需要的高产优质菌种的育筛选方法获得
11、所需要的高产优质菌种的育种方法。种方法。常用的诱变剂常用的诱变剂-物理、化学和生物物理、化学和生物的三大类。的三大类。2021/5/182021/5/182222诱变育种基本方法诱变育种基本方法 诱变育种诱变育种-诱变诱变和和筛选筛选诱变诱变-包括出发菌株选择、诱变剂种包括出发菌株选择、诱变剂种类和剂量选择,以及合理使用方法。类和剂量选择,以及合理使用方法。筛选筛选-初筛和复筛,测定菌种的生产初筛和复筛,测定菌种的生产能力。能力。2021/5/182021/5/182323诱变剂的使用方法诱变剂的使用方法诱变的方法:诱变的方法:单一诱变和复合诱变。单一诱变和复合诱变。单一诱变:单一诱变:指只用
12、一种诱变剂处理菌种。指只用一种诱变剂处理菌种。复合诱变:复合诱变:指两种以上诱变剂处理菌种。指两种以上诱变剂处理菌种。复合诱变处理包括复合诱变处理包括同一诱变剂多次同一诱变剂多次处理、处理、两种以上诱变剂两种以上诱变剂同时同时、先后处理先后处理或或多次多次处理。处理。2021/5/182021/5/182424原生质体融合技术原生质体融合技术基因工程技术基因工程技术杂交育种杂交育种菌种保藏的原理和方法菌种保藏的原理和方法2021/5/182021/5/182525发酵类型:发酵类型:1.1.分批发酵分批发酵2.2.补料分批发酵补料分批发酵3.3.半连续发酵半连续发酵4.4.连续发酵连续发酵5.
13、5.细胞高浓度发酵细胞高浓度发酵2021/5/182021/5/182626 是研究各种环境因素与微生物代谢是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间相互作用随时间而变化活动之间相互作用随时间而变化即生物反应速度的规律。即生物反应速度的规律。微生物发酵动力学微生物发酵动力学2021/5/182021/5/182727研究方法:研究方法:是用数学模型定量地描述发酵过是用数学模型定量地描述发酵过程中程中细胞生长速率细胞生长速率、基质利用速率基质利用速率和和产物生成速度产物生成速度等因素的变化,以达到等因素的变化,以达到对发酵过程有效的控制,从而提高产对发酵过程有效的控制,从而提高产品的产率及降低生产成
14、本的目的。品的产率及降低生产成本的目的。2021/5/182021/5/182828发酵动力学模型:发酵动力学模型:发酵动力学模型,是为了描述发酵动力学模型,是为了描述菌体菌体生长生长、碳源利用、碳源利用与与代谢产物形成代谢产物形成速度速度变化,以及它们相互变化,以及它们相互之间的之间的动力学关动力学关系。系。目前有多种动力学分型目前有多种动力学分型。2021/5/182021/5/182929 碳源利用与产物形成速度的关系动力碳源利用与产物形成速度的关系动力学分型,它将发酵过程分成了三个类型。学分型,它将发酵过程分成了三个类型。1 1)型型产物产物直接直接与碳源利用与碳源利用有关有关;2 2
15、)型型产物产物间接间接与碳源利用与碳源利用有关有关;3 3)型型产物产物表面表面与碳源利用与碳源利用无关无关。2021/5/182021/5/183030分批发酵动力学分批发酵动力学 分批培养:分批培养:是一次投料,一次接种,一次收获的间是一次投料,一次接种,一次收获的间歇培养方式。歇培养方式。这种培养方式操作简单,发酵液中细这种培养方式操作简单,发酵液中细胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间而胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间而不断变化。就细胞浓度变化而言,在分批不断变化。就细胞浓度变化而言,在分批培养中要经历延迟期、对数生长期、减速培养中要经历延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期(图期
16、、稳定期和衰亡期(图4-24-2)。)。2021/5/182021/5/183131连续培养动力学连续培养动力学 连续培养或连续发酵是指在培养过程连续培养或连续发酵是指在培养过程中,连续地向发酵罐中加人培养基,同时中,连续地向发酵罐中加人培养基,同时以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培养基。养基。一般连续培养方式可归纳为两种基一般连续培养方式可归纳为两种基本方式:本方式:一种是罐式或搅拌发酵罐,另一一种是罐式或搅拌发酵罐,另一种是管式反应器。种是管式反应器。2021/5/182021/5/183232微生物发酵营养基质控制微生物发酵营养基质控制 营养物质营养
17、物质:能够满足微生物生长、繁殖:能够满足微生物生长、繁殖和各种生理活动所需的物质。和各种生理活动所需的物质。2021/5/182021/5/183333生长因子种类:生长因子种类:维生素维生素、氨基酸氨基酸、嘌呤和嘧啶嘌呤和嘧啶、卟啉及其衍生物、固醇、胺类、卟啉及其衍生物、固醇、胺类、C2C2C6C6直链或分支脂肪酸等,还有一些特直链或分支脂肪酸等,还有一些特殊的辅酶。殊的辅酶。能提供生长因子的天然物质有酵母能提供生长因子的天然物质有酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液等。境的提取液等。2
18、021/5/182021/5/183434微生物发酵微生物发酵pHpH控制控制 发酵液发酵液pHpH变化,与发酵关系极为密切,变化,与发酵关系极为密切,对菌体生长繁殖和产物积累影响极大,因对菌体生长繁殖和产物积累影响极大,因此是一项重点检测的发酵参数。此是一项重点检测的发酵参数。2021/5/182021/5/183535pHpH影响结果影响结果 1.1.菌体大小、长度缩短、直径和数量。菌体大小、长度缩短、直径和数量。2.pH2.pH影响细胞膜的电荷状态,进而引起影响细胞膜的电荷状态,进而引起膜的渗透性发生改变,再进而影响菌体对膜的渗透性发生改变,再进而影响菌体对营养物质吸收和代谢产物的形成。
19、对产物营养物质吸收和代谢产物的形成。对产物的稳定性同样有影响。的稳定性同样有影响。3.pH3.pH对某些生物合成途径有显著影响对某些生物合成途径有显著影响2021/5/182021/5/183636引起引起pHpH变化原因:变化原因:取决于微生物自身的代谢,取决于微生物自身的代谢,还与培养基的成分有极大关系。还与培养基的成分有极大关系。2021/5/182021/5/183737生理碱性物质生理碱性物质:某些物质被微生物利用、氧化还原某些物质被微生物利用、氧化还原后,可使后,可使pHpH上升,这些物质称为生理上升,这些物质称为生理碱性物质。碱性物质。如有机氮源、硝酸盐、有机酸等如有机氮源、硝酸
20、盐、有机酸等。2021/5/182021/5/183838生理酸性物质生理酸性物质:某些物质被微生物利用、氧化还原后,某些物质被微生物利用、氧化还原后,使使pHpH下降,这些物质称为生理酸性物质。下降,这些物质称为生理酸性物质。碳源代谢往往起到降低碳源代谢往往起到降低pHpH作用,例如,作用,例如,糖类氧化不完全时产生的有机酸;脂肪不糖类氧化不完全时产生的有机酸;脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、硅盐氧化后产生完全氧化产生的脂肪酸、硅盐氧化后产生的硫酸等。的硫酸等。2021/5/182021/5/183939发酵过程发酵过程pHpH控制方法控制方法 主要考虑培养基中生理酸性物质与生理碱主要考虑培养基
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