發(fā)酵工程概圖

1PPT課件發(fā)酵工程概圖1PPT課件微生物特點：

①微生物比表面積大；

②轉化能力強；

③敏殖速度快；

④變異率高；

⑤分布范圍廣泛。2PPT課件微生物特點：2PPT課件發(fā)酵:

是指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或其代謝產(chǎn)物的過程。3PPT課件發(fā)酵:3PPT課件發(fā)酵工業(yè)

是指利用微生物生命活動產(chǎn)生的酶，對無機或有機原料進行酶加工獲得產(chǎn)品的工業(yè)。其主體是利用微生物酶進行生化反應的工業(yè)。4PPT課件發(fā)酵工業(yè)4PPT課件發(fā)酵工業(yè)：

傳統(tǒng)發(fā)酵（也稱釀造，如醋、醬、酒等）近代發(fā)酵工業(yè)（如酒精、乳酸等）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)（抗生素、氨基酸、酶制劑等）5PPT課件發(fā)酵工業(yè)：5PPT課件發(fā)酵工程：

是指具有工程技術的微生物學在工、農(nóng)、醫(yī)等領域應用，而形成的一門多學科交叉的學科。

6PPT課件發(fā)酵工程：6PPT課件實現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：

①某種功能的微生物；

②控制微生物生長和代謝的各種條件；

③微生物發(fā)酵設備；

④發(fā)酵產(chǎn)物提取、精制的條件和設備。

7PPT課件實現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：7PPT課件發(fā)酵工業(yè)大致經(jīng)歷如下幾個階段：

1．自然發(fā)酵階段

2．純培養(yǎng)技術的建立

3．通氣攪拌發(fā)酵技術的建立

4．代謝控制發(fā)酵技術

5．開拓發(fā)酵原料時期

6．基因工程階段8PPT課件發(fā)酵工業(yè)大致經(jīng)歷如下幾個階段：8PPT課件1、微生物菌體發(fā)酵

2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生物的生物轉化發(fā)酵5．微生物特殊機能的利用發(fā)酵工程的范圍9PPT課件1、微生物菌體發(fā)酵2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生發(fā)酵工程的未來

1．利用基因工程技術改良菌種2．動植物細胞培養(yǎng)技術3．固定化酶或細胞技術10PPT課件發(fā)酵工程的未來1．利用基因工程技術改良微生物代謝

代謝：生物體內(nèi)所進行的全部化學反應的總和。代謝----物質(zhì)代謝和能量代謝（酶）；物質(zhì)代謝--分解代謝與合成代謝（酶）；能量代謝--產(chǎn)生、儲運和利用（酶）。11PPT課件微生物代謝代謝：生物體內(nèi)所進行的全部化學反應的總和。11P微生物代謝：初級代謝：一般把具有明確的生理功能，對維持生命活動不可缺少的物質(zhì)代謝過程。其產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和維生素等。次級代謝：把一些沒有明確的生理功能，不是維持生命活動所必須的物質(zhì)的代謝過程。其產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，如某些色素、抗生素、毒素、生物堿等。

12PPT課件微生物代謝：12PPT課件

代謝過程錯綜復雜，但受體內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴格控制，并按照順序、協(xié)調(diào)有效地進行，維持體內(nèi)代謝平衡。對微生物而言：

代謝過程----細胞內(nèi)自我調(diào)節(jié)13PPT課件代謝過程錯綜復雜，但受體內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴微生物代謝調(diào)節(jié)方式:

1.細胞透性調(diào)節(jié)；

2.代謝途徑調(diào)節(jié)；

3.代謝流向調(diào)節(jié)；

4.代謝速度調(diào)節(jié)(酶活性或酶數(shù)量)。14PPT課件微生物代謝調(diào)節(jié)方式:14PPT課件

發(fā)酵工程生產(chǎn)水平由生產(chǎn)菌種性能、發(fā)酵條件、提取工藝和生產(chǎn)設備。其中生產(chǎn)菌種是最重要的，生產(chǎn)菌種最初都來源于自然界。15PPT課件發(fā)酵工程生產(chǎn)水平由生產(chǎn)菌種性能、發(fā)酵條件①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的能力。②在發(fā)酵過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生與目標產(chǎn)品性質(zhì)相近的副產(chǎn)物及其他產(chǎn)物。③生長繁殖能力強，生長速率快。優(yōu)良的生產(chǎn)菌種應具備基本特性：16PPT課件①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的能力。優(yōu)良的生產(chǎn)菌④能夠高效地將原料轉化為產(chǎn)品。⑤有廣泛利用不同來源原材料的能力，并對發(fā)酵原料成分波動敏感性較小。⑥對需要添加的前體物質(zhì)有耐受能力，并且不能將這些前體物質(zhì)作為一般碳源利用。17PPT課件④能夠高效地將原料轉化為產(chǎn)品。17PPT課件⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。⑧具有抗噬菌體感染能力。⑨遺傳特性穩(wěn)定，保證發(fā)酵過程能夠長期、穩(wěn)定地進行，同時有利于實施最佳工藝控制。18PPT課件⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。18PPT課件生產(chǎn)菌種選育方法：

自然選育、誘變選育、抗噬菌體菌種選育、雜交育種、原生質(zhì)體融合技術、基因工程技術等。19PPT課件生產(chǎn)菌種選育方法：19PPT課件自然選育:

不經(jīng)人工處理，利用微生物自然突變進行菌種選育的過程。自然突變原因：

1.多因素低劑量的誘變效應，

2.互變異構效應。20PPT課件自然選育:20PPT課件自然選育程序:取樣→菌懸液→稀釋→平板分離→單菌落→能力檢測→菌種。

21PPT課件自然選育程序:21PPT課件誘變育種：是利用物理、化學誘變劑處理微生物細胞，提高基因突變頻率，再通過適當?shù)暮Y選方法獲得所需要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種的育種方法。

常用的誘變劑--物理、化學和生物的三大類。22PPT課件誘變育種：常用的誘變劑--物理、化學和生物的三大類誘變育種基本方法

誘變育種----誘變和篩選誘變----包括出發(fā)菌株選擇、誘變劑種類和劑量選擇，以及合理使用方法。篩選----初篩和復篩，測定菌種的生產(chǎn)能力。23PPT課件誘變育種基本方法誘變育種----誘變和篩選23PPT課件誘變劑的使用方法誘變的方法：單一誘變和復合誘變。單一誘變：指只用一種誘變劑處理菌種。復合誘變：指兩種以上誘變劑處理菌種。復合誘變處理包括同一誘變劑多次處理、兩種以上誘變劑同時、先后處理或多次處理。24PPT課件誘變劑的使用方法誘變的方法：單一誘變和復合誘變。24PPT課原生質(zhì)體融合技術基因工程技術雜交育種菌種保藏的原理和方法25PPT課件原生質(zhì)體融合技術基因工程技術雜交育種菌種保藏的原理和方法25發(fā)酵類型：1.分批發(fā)酵2.補料分批發(fā)酵3.半連續(xù)發(fā)酵4.連續(xù)發(fā)酵5.細胞高濃度發(fā)酵26PPT課件發(fā)酵類型：1.分批發(fā)酵26PPT課件

是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化－－即生物反應速度的規(guī)律。微生物發(fā)酵動力學27PPT課件是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時研究方法：

是用數(shù)學模型定量地描述發(fā)酵過程中細胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速度等因素的變化，以達到對發(fā)酵過程有效的控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本的目的。

28PPT課件研究方法：28PPT課件發(fā)酵動力學模型：

發(fā)酵動力學模型，是為了描述菌體生長、碳源利用與代謝產(chǎn)物形成速度變化，以及它們相互之間的動力學關系。目前有多種動力學分型。29PPT課件發(fā)酵動力學模型：發(fā)酵動力學模型，是為了

碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關系動力學分型，它將發(fā)酵過程分成了三個類型。1）Ⅰ型——產(chǎn)物直接與碳源利用有關；2）Ⅱ型——產(chǎn)物間接與碳源利用有關；3）Ⅲ型——產(chǎn)物表面與碳源利用無關。30PPT課件碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關系動力學分型，它將發(fā)分批發(fā)酵動力學

分批培養(yǎng)：是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培養(yǎng)方式。這種培養(yǎng)方式操作簡單，發(fā)酵液中細胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷變化。就細胞濃度變化而言，在分批培養(yǎng)中要經(jīng)歷延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期（圖4-2）。

31PPT課件分批發(fā)酵動力學分批培養(yǎng)：31PPT課件連續(xù)培養(yǎng)動力學

連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是指在培養(yǎng)過程中，連續(xù)地向發(fā)酵罐中加人培養(yǎng)基，同時以相同流速從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)品的培養(yǎng)基。一般連續(xù)培養(yǎng)方式可歸納為兩種基本方式：一種是罐式或攪拌發(fā)酵罐，另一種是管式反應器。32PPT課件連續(xù)培養(yǎng)動力學連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是指在培養(yǎng)過程微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制

營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足微生物生長、繁殖和各種生理活動所需的物質(zhì)。33PPT課件微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足微生物生長生長因子種類：

維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶、卟啉及其衍生物、固醇、胺類、C2～C6直鏈或分支脂肪酸等，還有一些特殊的輔酶。能提供生長因子的天然物質(zhì)有酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、玉米漿、動植物組織或細胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液等。34PPT課件生長因子種類：34PPT課件微生物發(fā)酵pH控制

發(fā)酵液pH變化，與發(fā)酵關系極為密切，對菌體生長繁殖和產(chǎn)物積累影響極大，因此是一項重點檢測的發(fā)酵參數(shù)。35PPT課件微生物發(fā)酵pH控制發(fā)酵液pH變化pH影響結果

1.菌體大小、長度縮短、直徑和數(shù)量。

2.pH影響細胞膜的電荷狀態(tài)，進而引起膜的滲透性發(fā)生改變，再進而影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝產(chǎn)物的形成。對產(chǎn)物的穩(wěn)定性同樣有影響。

3.pH對某些生物合成途徑有顯著影響36PPT課件pH影響結果36PPT課件引起pH變化原因：①取決于微生物自身的代謝，②還與培養(yǎng)基的成分有極大關系。37PPT課件引起pH變化原因：37PPT課件生理堿性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，可使pH上升，這些物質(zhì)稱為生理堿性物質(zhì)。

如有機氮源、硝酸鹽、有機酸等。

38PPT課件生理堿性物質(zhì):38PPT課件生理酸性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，使pH下降，這些物質(zhì)稱為生理酸性物質(zhì)。碳源代謝往往起到降低pH作用，例如，糖類氧化不完全時產(chǎn)生的有機酸；脂肪不完全氧化產(chǎn)生的脂肪酸、硅鹽氧化后產(chǎn)生的硫酸等。

39PPT課件生理酸性物質(zhì):39PPT課件發(fā)酵過程pH控制方法

①主要考慮培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)的配比；

②通過中間補料進一步加以控制。生理酸性物質(zhì)－－（NH4）2SO4；生理堿性物質(zhì)－－氨水。當pH和氨氮含量均低時，補加氨水；若pH較高，而氨氮較低時，應該補加（NH4）2SO440PPT課件發(fā)酵過程pH控制方法40PPT課件微生物發(fā)酵溫度控制

溫度是影響有機體生長繁殖最重要的因素之一。任何生物化學酶促反應都直接與溫度變化有關的。對微生物發(fā)酵來說，溫度影響是多方面的，可以影響各種發(fā)酵條件，最終影響微生物生長和產(chǎn)物形成。41PPT課件微生物發(fā)酵溫度控制溫度是影響有機體生長繁殖溫度對發(fā)酵影響:

酶反應看，溫度上升→生長、繁殖、代謝。酶促反應動力學看，溫度升高→反應速度加快→呼吸加強→細胞生長、繁殖加快。但隨著溫度上升→酶失活速度加快→菌體衰老提前→發(fā)酵周期縮短→對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利。42PPT課件溫度對發(fā)酵影響:42PPT課件最適發(fā)酵溫度選擇與控制

選擇最適發(fā)酵溫度應該考慮兩個方面：①微生物生長最適溫度，②產(chǎn)物合成最適溫度。不同菌種、菌種不同生長階段以及不同培養(yǎng)條件，最適溫度都不同。43PPT課件最適發(fā)酵溫度選擇與控制43PPT課件微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：

是指菌種接入發(fā)酵基質(zhì)起至發(fā)酵結束為止的時間間隔。發(fā)酵時間盡可能短、考慮提高產(chǎn)物收得率、降低底物消耗率、提高經(jīng)濟效益、利于后序處理及產(chǎn)品質(zhì)量等。

44PPT課件微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：44PPT課件過度延長發(fā)酵時間缺點：①生產(chǎn)效率降低；②對后續(xù)提取工序不利，如菌體自溶釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，改變發(fā)酵液性質(zhì)，使發(fā)酵液過濾困難，會使一些不穩(wěn)定產(chǎn)物遭到破壞，降低不穩(wěn)定發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

45PPT課件過度延長發(fā)酵時間缺點：45PPT課件過度縮短發(fā)酵時間：①會減少產(chǎn)物產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)效率；②發(fā)酵液還殘存較多的糖、氨基酸、消沫劑、無機鹽離子等對發(fā)酵液過濾和產(chǎn)物提取時的樹脂交換有影響。46PPT課件過度縮短發(fā)酵時間：46PPT課件微生物發(fā)酵溶氧控制

氧是細胞呼吸底物。溶氧量是指溶于培養(yǎng)液中的氧氣量。適宜溶氧量能保證菌體內(nèi)正常氧化還原反應。47PPT課件微生物發(fā)酵溶氧控制氧是細胞呼吸底物。

溶氧量少，導致能量供應不足，微生物將從有氧代謝轉化為無氧代謝來供應能量；碳源物質(zhì)不完全氧化產(chǎn)生乙醇、乳酸、短鏈脂肪酸等有機酸的積累，都將抑制菌體生長與代謝。

溶氧量高，導致培養(yǎng)基過度氧化；細胞成分由于氧化而分解，也不利于菌體生長。48PPT課件溶氧量少，導致能量供應不足，微生物將從溶解氧對產(chǎn)物形成影響是多樣性：①大量供氧才能高產(chǎn)，供氧不足，產(chǎn)量下降。如谷氨酸、精氨酸發(fā)酵。②對氧不敏感，雖然氧充足時高產(chǎn)，但限制供氧量對產(chǎn)量影響不明顯，如賴氨酸、蘇氨酸等發(fā)酵。③供氧充足，產(chǎn)物合成受到抑制，只有在供氧受到限制時才能高產(chǎn)，如亮氨酸、苯丙氨酸等發(fā)酵。49PPT課件溶解氧對產(chǎn)物形成影響是多樣性：49PPT課件

發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關，如果代謝途徑中產(chǎn)生NADH越多，呼吸鏈需要氧就越多，必須多供氧。有的發(fā)酵需要在不同階段進行不同供氧。如天冬酷胺酶生產(chǎn)，前期好氧發(fā)酵，后期厭氧發(fā)酵，能提高酶活性。

50PPT課件發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關生產(chǎn)上影響需氧因素主要有以下幾方面:①溶解氧濃度：溶解氧濃度高時一般需氧量相對較低。②生產(chǎn)菌種：不同菌種對氧的要求不同，即使同一菌種的不同時期對氧的需求亦不相同。

如：在發(fā)酵初期，呼吸最強但總菌量小，總需氧量不大，通氣量可減小些；進入對數(shù)期，菌體大量增加，呼吸又在較高水平上，此時需氧量增大，直到最高，這時通氣量要加大，直到最大。

51PPT課件生產(chǎn)上影響需氧因素主要有以下幾方面:51PPT課件

③培養(yǎng)基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物的需氧量影響明顯。當碳源濃度增加，菌種需氧量也增加；如發(fā)酵中補料會增加微生物對氧的需求量；無機濃度對微生物需氧量也有較大影響，如磷酸鹽濃度升高，金霉素產(chǎn)生菌對氧氣的需求也大大增加。52PPT課件③培養(yǎng)基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物④有毒產(chǎn)物的形成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳等代謝產(chǎn)物如果不能及時從培養(yǎng)液中排出，讓其在發(fā)酵罐中積累，就會抑制微生物的呼吸并對微生物有毒害作用，減小氧的需求量。53PPT課件④有毒產(chǎn)物的形成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳⑤消沫劑的影響：如使用消沫劑可被微生物利用，則會增強需氧量。⑥其它因素：發(fā)酵接種量大，微生物生長快，菌體濃度大需氧量多；幼齡菌體呼吸強度高，需氧量大。54PPT課件⑤消沫劑的影響：如使用消沫劑可被微生物利用，則會增強需氧量。影響供氧因素：

供氧是指氧溶于培養(yǎng)液中的過程。氧在培養(yǎng)液中溶解度很低，對于好氧發(fā)酵必須不斷通人空氣并攪拌，以滿足對溶解氧的需求。溶解氧濃度與發(fā)酵液物理化學性質(zhì)、溫度等有關。生產(chǎn)上影響供氧主要因素有以下幾方面。55PPT課件影響供氧因素：55PPT課件①攪拌，在深層培養(yǎng)過程中機械攪拌是加速氧溶解的重要條件。②空氣流速，一般空氣流速提高，可提高供氧量，但空氣流速過大，攪拌器葉輪發(fā)生過載，即葉輪不能分散空氣，此時氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。當空氣流速超過過載速度時，通氣效率就不再增加，反而增加動力消耗。56PPT課件①攪拌，在深層培養(yǎng)過程中機械攪拌是加速氧溶解的重要條件。5③罐壓，罐壓增大，一般溶氧量增大，但也會增大二氧化碳溶解度，影響發(fā)酵。④空氣分布器，良好分布器可增大供氧量。⑤溫度，溫度升高氧溶解量下降。⑥空氣含氧量，富氧空氣可提高溶解氧量，即提高氧供應量。

57PPT課件③罐壓，罐壓增大，一般溶氧量增大，但也會增大二氧化碳溶解度，工藝控制：

氧的供應是用空氣壓縮機將空氣壓縮，經(jīng)除菌后通過分布管通入發(fā)酵罐內(nèi)，并通過攪拌把培養(yǎng)液內(nèi)的空氣打碎，使之與培養(yǎng)液充分混合，增加通氣效果。溶氧量的調(diào)節(jié)一般可通過調(diào)節(jié)通氣量大小及攪拌強度實現(xiàn)（空氣流量增大、增加攪拌轉速可使供氧量提高，反之下降）。58PPT課件工藝控制：58PPT課件

另外，控制發(fā)酵液中菌體濃度也可調(diào)節(jié)氧的供需情況；通過控制培養(yǎng)基濃度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)氧。如青霉素發(fā)酵生產(chǎn)中就是通過控制補料中葡萄糖濃度來控制發(fā)酵液中菌絲濃度，進而實現(xiàn)氧供需情況的調(diào)節(jié)。

59PPT課件另外，控制發(fā)酵液中菌體濃度也可調(diào)節(jié)氧的供

此外，工業(yè)生產(chǎn)中還可以通過調(diào)節(jié)罐溫、排二氧化碳、改善發(fā)酵液的物理性質(zhì)、液化培養(yǎng)基、中間加水、使用表面活性劑等方法來控制溶氧濃度；通過控制補料速率及罐壓及空氣中氧氣含量也可調(diào)節(jié)溶氧量。

60PPT課件此外，工業(yè)生產(chǎn)中還可以通過調(diào)節(jié)罐溫、排二發(fā)酵染菌危害

——產(chǎn)物收得率低；

——產(chǎn)品質(zhì)量差；

——浪費原材料；

——經(jīng)濟效益差；

——造成環(huán)境污染。

61PPT課件發(fā)酵染菌危害——產(chǎn)物收得率低；61PPT課件發(fā)酵過程異?，F(xiàn)象判斷（1）溶解氧水平異常；（2）排氣中CO2異常；

（3）pH變化及菌體酶活力異常。62PPT課件發(fā)酵過程異?，F(xiàn)象判斷（1）溶解氧水平異常；62PPT課件（1）種子帶菌（2）無菌空氣系統(tǒng)染菌（3）培養(yǎng)基滅菌不徹底（4）設備管道滅菌不徹底（5）設備管道系統(tǒng)滲漏雜菌污染原因分析63PPT課件（1）種子帶菌雜菌污染原因分析63PPT課件造成雜菌污染主要原因:

——設備問題為主，如設備滲漏、管道不嚴密、設備中存在死角、空氣過濾系統(tǒng)失效等；

——其次是種子（主要是二級種子）染菌，

——培養(yǎng)基滅菌不徹底造成染菌極少發(fā)生。

64PPT課件造成雜菌污染主要原因:64PPT課件發(fā)酵產(chǎn)物特征：

1、組成復雜；

2、產(chǎn)物品種多→理化性質(zhì)復雜；

3、生理活性產(chǎn)品→容易變性失活；

4、產(chǎn)品濃度低→產(chǎn)品成本提高。發(fā)酵產(chǎn)物的回收和精制65PPT課件發(fā)酵產(chǎn)物特征：發(fā)酵產(chǎn)物的回收和精制65PPT課件發(fā)酵液固液分離

——胞外產(chǎn)物；

——胞內(nèi)產(chǎn)物；

——菌體。66PPT課件發(fā)酵液固液分離——胞外產(chǎn)物；66PPT課件發(fā)酵液（提取液）預處理

——改變發(fā)酵液物理性質(zhì)；

——降低粘度；

——增大固體粒度；

——絮凝蛋白質(zhì)；

——除高價無機離子；

——發(fā)酵液中其它雜質(zhì)。67PPT課件發(fā)酵液（提取液）預處理——改變發(fā)酵液物理性質(zhì)；67P胞外產(chǎn)物成品加工高度純化初步純化細胞碎片分離細胞破碎細胞分離預處理發(fā)酵液提取精制離心、萃取、過濾、錯流過濾高壓勻漿、珠磨、超聲、酶解、化學滲透、滲透壓沖擊沉降、離心分離，過濾、錯流過濾加熱、調(diào)pH、絮凝沉淀、萃取、離子交換吸附、超濾各種層析、電泳措施無菌過濾、超濾、結晶冷凍干燥、噴霧干燥提取與精制工藝流程68PPT課件胞外產(chǎn)物成品加工高度純化初步純化細胞

大學之道，在明明德，在親民，在止于至善。知止而后有定，定而后能靜，靜而后能安，安而后能慮，慮而后能得。物有本末，事有終始，知所先后，則近道矣。古之欲明明德于天下者，先治其國；欲治其國者，先齊其家；欲齊其家者，先修其身；欲修其身者，先正其心；欲正其心者，先誠其意；欲誠其意者，先致其知。致知在格物。----摘自《四書五經(jīng)》

69PPT課件大學之道，在明明德，在親民，在止于至善。知止而后有發(fā)酵工程概圖

70PPT課件發(fā)酵工程概圖1PPT課件微生物特點：

①微生物比表面積大；

②轉化能力強；

③敏殖速度快；

④變異率高；

⑤分布范圍廣泛。71PPT課件微生物特點：2PPT課件發(fā)酵:

是指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或其代謝產(chǎn)物的過程。72PPT課件發(fā)酵:3PPT課件發(fā)酵工業(yè)

是指利用微生物生命活動產(chǎn)生的酶，對無機或有機原料進行酶加工獲得產(chǎn)品的工業(yè)。其主體是利用微生物酶進行生化反應的工業(yè)。73PPT課件發(fā)酵工業(yè)4PPT課件發(fā)酵工業(yè)：

傳統(tǒng)發(fā)酵（也稱釀造，如醋、醬、酒等）近代發(fā)酵工業(yè)（如酒精、乳酸等）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)（抗生素、氨基酸、酶制劑等）74PPT課件發(fā)酵工業(yè)：5PPT課件發(fā)酵工程：

是指具有工程技術的微生物學在工、農(nóng)、醫(yī)等領域應用，而形成的一門多學科交叉的學科。

75PPT課件發(fā)酵工程：6PPT課件實現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：

①某種功能的微生物；

②控制微生物生長和代謝的各種條件；

③微生物發(fā)酵設備；

④發(fā)酵產(chǎn)物提取、精制的條件和設備。

76PPT課件實現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：7PPT課件發(fā)酵工業(yè)大致經(jīng)歷如下幾個階段：

1．自然發(fā)酵階段

2．純培養(yǎng)技術的建立

3．通氣攪拌發(fā)酵技術的建立

4．代謝控制發(fā)酵技術

5．開拓發(fā)酵原料時期

6．基因工程階段77PPT課件發(fā)酵工業(yè)大致經(jīng)歷如下幾個階段：8PPT課件1、微生物菌體發(fā)酵

2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生物的生物轉化發(fā)酵5．微生物特殊機能的利用發(fā)酵工程的范圍78PPT課件1、微生物菌體發(fā)酵2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生發(fā)酵工程的未來

1．利用基因工程技術改良菌種2．動植物細胞培養(yǎng)技術3．固定化酶或細胞技術79PPT課件發(fā)酵工程的未來1．利用基因工程技術改良微生物代謝

代謝：生物體內(nèi)所進行的全部化學反應的總和。代謝----物質(zhì)代謝和能量代謝（酶）；物質(zhì)代謝--分解代謝與合成代謝（酶）；能量代謝--產(chǎn)生、儲運和利用（酶）。80PPT課件微生物代謝代謝：生物體內(nèi)所進行的全部化學反應的總和。11P微生物代謝：初級代謝：一般把具有明確的生理功能，對維持生命活動不可缺少的物質(zhì)代謝過程。其產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和維生素等。次級代謝：把一些沒有明確的生理功能，不是維持生命活動所必須的物質(zhì)的代謝過程。其產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，如某些色素、抗生素、毒素、生物堿等。

81PPT課件微生物代謝：12PPT課件

代謝過程錯綜復雜，但受體內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴格控制，并按照順序、協(xié)調(diào)有效地進行，維持體內(nèi)代謝平衡。對微生物而言：

代謝過程----細胞內(nèi)自我調(diào)節(jié)82PPT課件代謝過程錯綜復雜，但受體內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴微生物代謝調(diào)節(jié)方式:

1.細胞透性調(diào)節(jié)；

2.代謝途徑調(diào)節(jié)；

3.代謝流向調(diào)節(jié)；

4.代謝速度調(diào)節(jié)(酶活性或酶數(shù)量)。83PPT課件微生物代謝調(diào)節(jié)方式:14PPT課件

發(fā)酵工程生產(chǎn)水平由生產(chǎn)菌種性能、發(fā)酵條件、提取工藝和生產(chǎn)設備。其中生產(chǎn)菌種是最重要的，生產(chǎn)菌種最初都來源于自然界。84PPT課件發(fā)酵工程生產(chǎn)水平由生產(chǎn)菌種性能、發(fā)酵條件①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的能力。②在發(fā)酵過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生與目標產(chǎn)品性質(zhì)相近的副產(chǎn)物及其他產(chǎn)物。③生長繁殖能力強，生長速率快。優(yōu)良的生產(chǎn)菌種應具備基本特性：85PPT課件①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的能力。優(yōu)良的生產(chǎn)菌④能夠高效地將原料轉化為產(chǎn)品。⑤有廣泛利用不同來源原材料的能力，并對發(fā)酵原料成分波動敏感性較小。⑥對需要添加的前體物質(zhì)有耐受能力，并且不能將這些前體物質(zhì)作為一般碳源利用。86PPT課件④能夠高效地將原料轉化為產(chǎn)品。17PPT課件⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。⑧具有抗噬菌體感染能力。⑨遺傳特性穩(wěn)定，保證發(fā)酵過程能夠長期、穩(wěn)定地進行，同時有利于實施最佳工藝控制。87PPT課件⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。18PPT課件生產(chǎn)菌種選育方法：

自然選育、誘變選育、抗噬菌體菌種選育、雜交育種、原生質(zhì)體融合技術、基因工程技術等。88PPT課件生產(chǎn)菌種選育方法：19PPT課件自然選育:

不經(jīng)人工處理，利用微生物自然突變進行菌種選育的過程。自然突變原因：

1.多因素低劑量的誘變效應，

2.互變異構效應。89PPT課件自然選育:20PPT課件自然選育程序:取樣→菌懸液→稀釋→平板分離→單菌落→能力檢測→菌種。

90PPT課件自然選育程序:21PPT課件誘變育種：是利用物理、化學誘變劑處理微生物細胞，提高基因突變頻率，再通過適當?shù)暮Y選方法獲得所需要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種的育種方法。

常用的誘變劑--物理、化學和生物的三大類。91PPT課件誘變育種：常用的誘變劑--物理、化學和生物的三大類誘變育種基本方法

誘變育種----誘變和篩選誘變----包括出發(fā)菌株選擇、誘變劑種類和劑量選擇，以及合理使用方法。篩選----初篩和復篩，測定菌種的生產(chǎn)能力。92PPT課件誘變育種基本方法誘變育種----誘變和篩選23PPT課件誘變劑的使用方法誘變的方法：單一誘變和復合誘變。單一誘變：指只用一種誘變劑處理菌種。復合誘變：指兩種以上誘變劑處理菌種。復合誘變處理包括同一誘變劑多次處理、兩種以上誘變劑同時、先后處理或多次處理。93PPT課件誘變劑的使用方法誘變的方法：單一誘變和復合誘變。24PPT課原生質(zhì)體融合技術基因工程技術雜交育種菌種保藏的原理和方法94PPT課件原生質(zhì)體融合技術基因工程技術雜交育種菌種保藏的原理和方法25發(fā)酵類型：1.分批發(fā)酵2.補料分批發(fā)酵3.半連續(xù)發(fā)酵4.連續(xù)發(fā)酵5.細胞高濃度發(fā)酵95PPT課件發(fā)酵類型：1.分批發(fā)酵26PPT課件

是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化－－即生物反應速度的規(guī)律。微生物發(fā)酵動力學96PPT課件是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時研究方法：

是用數(shù)學模型定量地描述發(fā)酵過程中細胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速度等因素的變化，以達到對發(fā)酵過程有效的控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本的目的。

97PPT課件研究方法：28PPT課件發(fā)酵動力學模型：

發(fā)酵動力學模型，是為了描述菌體生長、碳源利用與代謝產(chǎn)物形成速度變化，以及它們相互之間的動力學關系。目前有多種動力學分型。98PPT課件發(fā)酵動力學模型：發(fā)酵動力學模型，是為了

碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關系動力學分型，它將發(fā)酵過程分成了三個類型。1）Ⅰ型——產(chǎn)物直接與碳源利用有關；2）Ⅱ型——產(chǎn)物間接與碳源利用有關；3）Ⅲ型——產(chǎn)物表面與碳源利用無關。99PPT課件碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關系動力學分型，它將發(fā)分批發(fā)酵動力學

分批培養(yǎng)：是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培養(yǎng)方式。這種培養(yǎng)方式操作簡單，發(fā)酵液中細胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷變化。就細胞濃度變化而言，在分批培養(yǎng)中要經(jīng)歷延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期（圖4-2）。

100PPT課件分批發(fā)酵動力學分批培養(yǎng)：31PPT課件連續(xù)培養(yǎng)動力學

連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是指在培養(yǎng)過程中，連續(xù)地向發(fā)酵罐中加人培養(yǎng)基，同時以相同流速從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)品的培養(yǎng)基。一般連續(xù)培養(yǎng)方式可歸納為兩種基本方式：一種是罐式或攪拌發(fā)酵罐，另一種是管式反應器。101PPT課件連續(xù)培養(yǎng)動力學連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是指在培養(yǎng)過程微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制

營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足微生物生長、繁殖和各種生理活動所需的物質(zhì)。102PPT課件微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足微生物生長生長因子種類：

維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶、卟啉及其衍生物、固醇、胺類、C2～C6直鏈或分支脂肪酸等，還有一些特殊的輔酶。能提供生長因子的天然物質(zhì)有酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、玉米漿、動植物組織或細胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液等。103PPT課件生長因子種類：34PPT課件微生物發(fā)酵pH控制

發(fā)酵液pH變化，與發(fā)酵關系極為密切，對菌體生長繁殖和產(chǎn)物積累影響極大，因此是一項重點檢測的發(fā)酵參數(shù)。104PPT課件微生物發(fā)酵pH控制發(fā)酵液pH變化pH影響結果

1.菌體大小、長度縮短、直徑和數(shù)量。

2.pH影響細胞膜的電荷狀態(tài)，進而引起膜的滲透性發(fā)生改變，再進而影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝產(chǎn)物的形成。對產(chǎn)物的穩(wěn)定性同樣有影響。

3.pH對某些生物合成途徑有顯著影響105PPT課件pH影響結果36PPT課件引起pH變化原因：①取決于微生物自身的代謝，②還與培養(yǎng)基的成分有極大關系。106PPT課件引起pH變化原因：37PPT課件生理堿性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，可使pH上升，這些物質(zhì)稱為生理堿性物質(zhì)。

如有機氮源、硝酸鹽、有機酸等。

107PPT課件生理堿性物質(zhì):38PPT課件生理酸性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，使pH下降，這些物質(zhì)稱為生理酸性物質(zhì)。碳源代謝往往起到降低pH作用，例如，糖類氧化不完全時產(chǎn)生的有機酸；脂肪不完全氧化產(chǎn)生的脂肪酸、硅鹽氧化后產(chǎn)生的硫酸等。

108PPT課件生理酸性物質(zhì):39PPT課件發(fā)酵過程pH控制方法

①主要考慮培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)的配比；

②通過中間補料進一步加以控制。生理酸性物質(zhì)－－（NH4）2SO4；生理堿性物質(zhì)－－氨水。當pH和氨氮含量均低時，補加氨水；若pH較高，而氨氮較低時，應該補加（NH4）2SO4109PPT課件發(fā)酵過程pH控制方法40PPT課件微生物發(fā)酵溫度控制

溫度是影響有機體生長繁殖最重要的因素之一。任何生物化學酶促反應都直接與溫度變化有關的。對微生物發(fā)酵來說，溫度影響是多方面的，可以影響各種發(fā)酵條件，最終影響微生物生長和產(chǎn)物形成。110PPT課件微生物發(fā)酵溫度控制溫度是影響有機體生長繁殖溫度對發(fā)酵影響:

酶反應看，溫度上升→生長、繁殖、代謝。酶促反應動力學看，溫度升高→反應速度加快→呼吸加強→細胞生長、繁殖加快。但隨著溫度上升→酶失活速度加快→菌體衰老提前→發(fā)酵周期縮短→對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利。111PPT課件溫度對發(fā)酵影響:42PPT課件最適發(fā)酵溫度選擇與控制

選擇最適發(fā)酵溫度應該考慮兩個方面：①微生物生長最適溫度，②產(chǎn)物合成最適溫度。不同菌種、菌種不同生長階段以及不同培養(yǎng)條件，最適溫度都不同。112PPT課件最適發(fā)酵溫度選擇與控制43PPT課件微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：

是指菌種接入發(fā)酵基質(zhì)起至發(fā)酵結束為止的時間間隔。發(fā)酵時間盡可能短、考慮提高產(chǎn)物收得率、降低底物消耗率、提高經(jīng)濟效益、利于后序處理及產(chǎn)品質(zhì)量等。

113PPT課件微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：44PPT課件過度延長發(fā)酵時間缺點：①生產(chǎn)效率降低；②對后續(xù)提取工序不利，如菌體自溶釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，改變發(fā)酵液性質(zhì)，使發(fā)酵液過濾困難，會使一些不穩(wěn)定產(chǎn)物遭到破壞，降低不穩(wěn)定發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

114PPT課件過度延長發(fā)酵時間缺點：45PPT課件過度縮短發(fā)酵時間：①會減少產(chǎn)物產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)效率；②發(fā)酵液還殘存較多的糖、氨基酸、消沫劑、無機鹽離子等對發(fā)酵液過濾和產(chǎn)物提取時的樹脂交換有影響。115PPT課件過度縮短發(fā)酵時間：46PPT課件微生物發(fā)酵溶氧控制

氧是細胞呼吸底物。溶氧量是指溶于培養(yǎng)液中的氧氣量。適宜溶氧量能保證菌體內(nèi)正常氧化還原反應。116PPT課件微生物發(fā)酵溶氧控制氧是細胞呼吸底物。

溶氧量少，導致能量供應不足，微生物將從有氧代謝轉化為無氧代謝來供應能量；碳源物質(zhì)不完全氧化產(chǎn)生乙醇、乳酸、短鏈脂肪酸等有機酸的積累，都將抑制菌體生長與代謝。

溶氧量高，導致培養(yǎng)基過度氧化；細胞成分由于氧化而分解，也不利于菌體生長。117PPT課件溶氧量少，導致能量供應不足，微生物將從溶解氧對產(chǎn)物形成影響是多樣性：①大量供氧才能高產(chǎn)，供氧不足，產(chǎn)量下降。如谷氨酸、精氨酸發(fā)酵。②對氧不敏感，雖然氧充足時高產(chǎn)，但限制供氧量對產(chǎn)量影響不明顯，如賴氨酸、蘇氨酸等發(fā)酵。③供氧充足，產(chǎn)物合成受到抑制，只有在供氧受到限制時才能高產(chǎn)，如亮氨酸、苯丙氨酸等發(fā)酵。118PPT課件溶解氧對產(chǎn)物形成影響是多樣性：49PPT課件

發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關，如果代謝途徑中產(chǎn)生NADH越多，呼吸鏈需要氧就越多，必須多供氧。有的發(fā)酵需要在不同階段進行不同供氧。如天冬酷胺酶生產(chǎn)，前期好氧發(fā)酵，后期厭氧發(fā)酵，能提高酶活性。

119PPT課件發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關生產(chǎn)上影響需氧因素主要有以下幾方面:①溶解氧濃度：溶解氧濃度高時一般需氧量相對較低。②生產(chǎn)菌種：不同菌種對氧的要求不同，即使同一菌種的不同時期對氧的需求亦不相同。

如：在發(fā)酵初期，呼吸最強但總菌量小，總需氧量不大，通氣量可減小些；進入對數(shù)期，菌體大量增加，呼吸又在較高水平上，此時需氧量增大，直到最高，這時通氣量要加大，直到最大。

120PPT課件生產(chǎn)上影響需氧因素主要有以下幾方面:51PPT課件

③培養(yǎng)基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物的需氧量影響明顯。當碳源濃度增加，菌種需氧量也增加；如發(fā)酵中補料會增加微生物對氧的需求量；無機濃度對微生物需氧量也有較大影響，如磷酸鹽濃度升高，金霉素產(chǎn)生菌對氧氣的需求也大大增加。121PPT課件③培養(yǎng)基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物④有毒產(chǎn)物的形成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳等代謝產(chǎn)物如果不能及時從培養(yǎng)液中排出，讓其在發(fā)酵罐中積累，就會抑制微生物的呼吸并對微生物有毒害作用，減小氧的需求量。122PPT課件④有毒產(chǎn)物的形成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳⑤消沫劑的影響：如使用消沫劑可被微生物利用，則會增強需氧量。⑥其它因素：發(fā)酵接種量大，微生物生長快，菌體濃度大需氧量多；幼齡菌體呼吸強度高，需氧量大。123PPT課件⑤消沫劑的影響：如使用消沫劑可被微生物利用，則會增強需氧量。影響供氧因素：

供氧是指氧溶于培養(yǎng)液中的過程。氧在培養(yǎng)液中溶解度很低，對于好氧發(fā)酵必須不斷通人空氣并攪拌，以滿足對溶解氧的需求。溶解氧濃度與發(fā)酵液物理化學性質(zhì)、溫度等有關。生產(chǎn)上影響供氧主要因素有以下幾方面。124PPT課件影響供氧因素：55PPT課件①攪拌，在深層培養(yǎng)過程中機械攪拌是加速氧溶解的重要條件。②空氣流速，一般空氣流速提高，可提高供氧量，但空氣流速過大，攪拌器葉輪發(fā)生過載，即葉輪不能分散空氣，此時氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。當空氣流速超過過載速度時，通氣效率就不再增加，反而增加動力消耗。125PPT課件①攪拌，在深層培養(yǎng)過程中機械攪拌是加速氧溶解的重要條件。5③罐壓，罐壓增大，一般溶氧量增大，但也會增大二氧化碳溶解度，影響發(fā)酵。④空氣分布器，良好分布器可增大供氧量。⑤溫度，溫度升高氧溶解量下降。⑥空氣含氧量，富氧空氣可提高溶解氧量，即提高氧供應量。