发酵工程
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发酵工程知识点总结归纳一、发酵工程概述1. 发酵工程的定义发酵工程是一门研究微生物、酶等生物催化剂在工业生产中广泛应用的工程学科。
2. 发酵工程的历史发酵工程的历史可以追溯到几千年前,最早的酿酒技术可以追溯到古代民族。
随着人类对微生物的认识和技术的发展,发酵工程逐渐成为一门系统的学科。
3. 发酵工程的应用领域发酵工程广泛应用于食品、饮料、医药、生物制药、环保等领域,对人类的生活和健康有着重要影响。
二、发酵过程及机理1. 发酵过程发酵过程是利用微生物或酶对有机物进行生物催化反应,产生有机产物或能量的过程。
发酵过程通常包括菌种培养、发酵产物的分离提纯等步骤。
2. 发酵机理发酵的基本机理包括微生物的生长和代谢过程,包括物质的代谢途径、酶的作用、生理生化特性等。
三、发酵工程中的微生物1. 发酵微生物的分类发酵微生物包括细菌、真菌、酵母等。
不同的微生物在发酵过程中起到不同的作用。
2. 发酵微生物的培养发酵微生物的培养包括培养基的配制、发酵罐的设计等环节,培养条件对微生物的生长和代谢具有重要影响。
3. 发酵微生物的选育发酵工程中常用的微生物包括大肠杆菌、酵母菌等,针对不同的产品需要选择适合的微生物用于发酵生产。
四、发酵工程中的酶1. 酶的分类酶是生物催化剂,可以促进化学反应的进行。
按照其作用方式可以分为氧化酶、还原酶、水解酶等。
2. 酶的应用酶在发酵工程中有着广泛的应用,可以用于生产食品、医药、生物燃料等产品。
3. 酶的工程化酶的工程化包括酶的产生、提纯、改良等步骤,使其更好地适用于实际生产。
五、发酵工程中的设备1. 发酵罐发酵罐是用于放置和滋生微生物的设备,包括灭菌、通气、控温等功能。
2. 排气系统排气系统可以有效地排除产生的二氧化碳和其他代谢产物,以保证发酵过程的正常进行。
3. 分离设备分离设备包括离心机、膜分离等,用于分离提纯发酵产物。
六、发酵工程中的工艺控制1. 发酵条件的控制发酵过程中需要控制pH、温度、氧气供应等参数,以保证微生物的生长和产物的产生。
第3节发酵工程及其应用一、发酵工程的基本环节发酵工程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品分离、提纯等方面。
1.选育菌种:性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来,也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
2.扩大培养:工业发酵罐的体积很大,接入的菌种总体积也较大,因此在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
3.配制培养基:在菌种确定之后,要选择原料制备培养基。
培养基的配方要经过反复试验才能确定。
4.灭菌:发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。
一旦有杂菌污染,可能导致产量大大下降。
因此,培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
5.接种:扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。
大型发酵罐有计算机控制系统,能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。
6.发酵罐内发酵:在发酵过程中,要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程。
还要及时添加必需的营养组分,要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
7.分离、提纯产物:如果发酵产品是微生物细胞本身,可在发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品。
如果产品是代谢物,可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用(1)生产传统的发酵产品,如酱油、各种酒类。
(2)生产各种各样的食品添加剂,如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸,由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。
(3)生产酶制剂,如α淀粉酶、β淀粉酶、脂肪酶等。
2.在医药工业上的应用基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
3.在农牧业上的应用(1)生产微生物肥料。
微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力,改良土壤结构,促进植株生长,常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
(2)生产微生物农药。
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。
发酵工程全部知识点总结一、发酵工程的基本概念1. 发酵的定义发酵是指利用微生物或其代谢物来改变物质的过程。
主要包括酵母、细菌、真菌等微生物。
2. 发酵工程的定义发酵工程是指利用发酵微生物代谢特性,通过合理调控环境条件,进行微生物发酵过程中的相关技术。
二、发酵微生物1. 酵母酵母是发酵工程中最常用的微生物,广泛应用于酒类、面包、啤酒等食品工业中。
2. 细菌细菌在发酵工程中也有重要的应用,如益生菌、酸奶中的乳酸菌等。
3. 真菌真菌发酵应用广泛,包括酵素生产、抗生素生产、食品添加剂等。
三、发酵工程的基本过程1. 液体发酵液体发酵是将发酵微生物培养在液体培养基中,通过控制培养基成分、通气、温度等条件来进行微生物代谢产物的生产。
2. 固体发酵固体发酵是将发酵微生物培养在固体底物中,通过控制底物成分、湿度、通气等条件来进行微生物代谢产物的生产。
3. 半固体发酵半固体发酵是将发酵微生物培养在半固体底物中,采用液态和固态发酵的优点来进行微生物代谢产物的生产。
四、发酵工程的主要设备和工艺1. 发酵罐发酵罐是发酵工程的主要设备之一,根据不同的发酵工艺和需求,可以采用不同类型的发酵罐。
2. 发酵工艺发酵工艺是指在发酵过程中,针对不同的微生物和产物特性,进行合理的发酵条件控制和操作流程。
3. 发酵控制系统发酵控制系统是指在发酵工程中,通过自动化设备和仪器,实现对发酵条件如温度、pH 值、通气、搅拌等的精确控制。
五、发酵工程的应用范围1. 食品工业发酵工程在食品工业中应用广泛,如酿造啤酒、制作酸奶、发酵面包、制作酱油等。
2. 医药工业发酵工程在医药工业中应用广泛,如生产抗生素、激素、酶制剂等。
3. 燃料工业发酵工程在燃料工业中也有应用,如生物乙醇、生物柴油等。
4. 化学工业发酵工程在化学工业中也有应用,如生产乳酸、丙酮、丙二醇等。
六、发酵工程的发展趋势1. 发酵工程技术的进步随着科技的不断进步,发酵工程的技术也在不断提高,发酵设备和工艺不断更新。
发酵工程:是指采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术.菌种保藏:运用物理、生物手段让菌种处于完全休眠状态,使在长时间储存后仍能保持菌种原有生物特性和生命力的菌种储存的措施。
富集培养:指利用不同微生物间生命活动特点的不同,人为地提供一些特定的环境条件,使特定种(类)微生物旺盛生长,使其在数量上占优势,更利于分离出该特定微生物,并引向纯培养.菌种退化:菌种在培养或保藏过程中,由于自发突变的存在,出现某些原有优良生产性状的劣化、遗传标记的丢失等现象.前体:是被加入培养基的化合物,能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去,而自身的结构并未发生太大变化,却能提高产物的产量的一类小分子物质.生长因子:是一类调节微生物正常生长代谢所必需,但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物,包括广义生长因子和狭义生长因子。
产物合成促进剂:指那些非细胞生长所必须的营养物,又非前体,但加入后却能提高产量的添加剂。
如:链霉素生产加巴比妥,赖氨酸生产加红霉素等。
斜面培养基:固体培养基(solid culture medium )的一种形式;制作时应趁热定量分装于试管内,并凝固成斜面的称为斜面培养基,用于菌种扩大转管及菌种保藏。
种子培养基:供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体,并使菌体长得粗壮,成为活力强的“种子”的培养基,所以种子培养基的营养成分要求比较丰富和完全。
发酵培养基:发酵培养基是供菌种生长、繁殖和合成产物之用。
它既要使种子接种后能迅速生长,达到一定的菌丝浓度,又要使长好的菌体能迅速合成需产物。
空消:指清除空间内不好的或不需要的杂质,使之达到无害化的洁净程度。
实消:就是将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中,通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭菌的操作过程,也称实罐灭菌。
连消:即连续灭菌,即培养基的连续灭菌,是灭菌的一种方式。
就是将配制好的并经预热的培养基用泵连续输入由直接蒸汽加热的加热塔,使其在短时间内达到灭菌温度。
发酵工程教案(打印)第一章:发酵工程的概述1.1 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章:发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章:发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章:发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章:发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章:发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章:发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章:发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章:发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章:发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一:发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。
高中发酵工程的知识点总结一、发酵工程的基本概念1. 发酵工程的定义发酵工程是以微生物或酶等生物催化剂为基础,通过控制合适的环境条件,利用微生物或酶的代谢作用,进行有选择地生产物质或提取有用产品的工程技术。
2. 发酵工程的原理发酵工程利用生物催化剂在适宜的温度、pH、氧气供应等条件下对原料进行代谢作用,使其产生有用的化学产物。
发酵过程分为有氧发酵和无氧发酵,有氧发酵是指微生物在充分供氧的情况下进行代谢作用,而无氧发酵则是微生物在缺氧条件下进行代谢作用。
3. 发酵工程的应用发酵工程在食品、医药、酒类、饲料、化工等领域都有重要的应用,可以生产出酒精、乳酸、维生素、抗生素、酶等多种产品。
二、微生物学基础1. 微生物的分类微生物是一类极小的生物体,包括细菌、真菌、酵母菌、病毒等。
其中,细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌,酵母菌主要是酵母菌科的酵母菌,真菌包括霉菌和酵母菌。
2. 微生物的生长特性微生物的生长需要适宜的温度、pH值、氧气供应等条件,不同微生物的生长特性有所不同。
典型的微生物生长曲线包括潜伏期、对数生长期和平稳期。
3. 微生物的代谢特点微生物的代谢分为呼吸代谢和发酵代谢两种形式。
呼吸代谢需要有氧气,产生CO2和H2O,而发酵代谢不需要氧气,产生乳酸、酒精、醋酸等产物。
4. 微生物的培养方法微生物的培养方法包括液体培养和固体培养两种形式,培养基的选择对微生物的生长有重要影响。
三、发酵工程的工艺流程1. 发酵工程的基本流程发酵工程的基本流程包括发酵菌种的培养和保存、发酵罐的设计和运行、发酵过程的控制和调节、产品的分离和提取等步骤。
2. 发酵工程的发酵罐发酵罐是进行微生物发酵的设备,按照不同的设计要求可分为批式发酵罐和连续式发酵罐。
3. 发酵工程的发酵菌种发酵菌种是进行发酵的微生物,可以是细菌、酵母菌、真菌等。
合适的发酵菌种是发酵工程成功的关键。
4. 发酵工程的发酵过程控制发酵过程的控制包括温度、pH值、氧气供应、营养物质的添加等方面,需要根据不同的菌种和发酵产品进行调节。
发酵工程名词解释1、发酵工程:是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系。
该技术体系主要包括菌种选育和保藏、菌种的扩大生产、微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化制备。
2、现代发酵工程:是指将DNA重组及细胞融合技术、组学及代谢网络调控技术、发酵过程优化放大与精准控制技术等新技术与传统发酵工程融合,大大提高了传统发酵技术,拓展了传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术理论与工程技术体系。
3、富集培养:是在目的微生物含量较少时,根据微生物的生理特点,设计一种选择性培养基,创造有利的生长条件,使目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖,数量增加,由原来自然条件下的劣势种变成人工环境下的优势种,以利分离到所需的菌种。
4、诱变育种:就是人为的利用物理或化学等因素,使诱变对象细胞内的遗传物质发生变化,引起突变,并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。
5、代谢控制育种:是通过选育特定突变型,达到改变代谢通路,降低支路代谢终产物的生产,或切断支路代谢途径,并提高细胞膜的透性等,使代谢流向目的产物积累方向。
6、分解代谢阻遏现象:在初级或次级代谢中都存在,其含义是指代谢过程中酶的合成往往受高浓度的葡萄糖或其他易分解利用的碳源或氮源所抑制。
7、渗漏缺陷型:是一种特殊的营养缺陷型,是遗传性障碍不完全的突变型,其特点是酶活力下降但没有完全丧失,并能在基本培养基上少量生长。
8、抗反馈作用突变株:是一种解除合成代谢反馈调节机制的突变型菌株,其特点是所需产物不断积累,不会因其浓度超量而终止生产。
9、结构类似物:是指那些结构上和代谢终产物(氨基酸、嘌呤、维生素等)相似的物质。
10、代谢工程:利用多基因重组技术有目的地对细胞代谢途径进行修饰、改造、改变细胞特性,并与细胞基因调控、代谢调控及生化工程相结合,为实现构建新的代谢途径,生产特定目的产物而发展起来的一个新的学科领域。
11、菌种退化:所谓菌种退化,是指优良菌种的群体中出现某些生理特征和形态特征逐渐减退或丧失,而表现为目的代谢产物合成能力下降的现象。
第二章发酵工程第一节发酵工程概况一、发酵和发酵工程1、什么是发酵(1)传统的发酵定义:发酵(fermentation)最初来自拉丁语“发泡”(fervere),人们早期的认识,发酵是指酵母作用于果汁或谷物,进行酒精发酵产生CO2的现象,这个过程是酵母在无氧状态下的呼吸过程,是微生物获得能量的一种形式。
(2)现在定义:目前人们把借助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身、或直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。
2、发酵工程(1)定义:它是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来,利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
由于它以培养微生物为主,所以又称微生物工程。
(2)分类:发酵工程分为:食品发酵工程和非食品发酵工程两大类。
食品发酵工程又叫酿造工业,如啤酒、白酒、黄酒、葡萄酒、酱油、食醋、酱、豆豉、腐乳。
这些产品成分复杂,对风味有较高的要求。
非食品发酵工程,如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶制剂、核苷酸、单细胞蛋白等。
这些产品成分单一,无风味要求。
二、发酵工程的发展历程1、天然发酵阶段19世纪前,人们对发酵的本质并不了解,但已经在利用自然发酵现象制成各种发酵产品,如酱油、米酒、面包、奶酪、啤酒、白酒等。
菌种是天然的,而非纯种培养,凭经验传授技术、带徒弟,产品质量不稳定,常常受到杂菌的污染而使人们感到困惑。
2、纯培养技术的建立1680年,发明了显微镜(270倍),人类历史上第一次看到了大量的活的微生物。
1859年,巴斯德证明了发酵原理,随后发明了低温杀菌法(巴氏杀菌),挽救了法国的葡萄酒。
1881年,柯赫建立了细菌纯粹培养技术,并获1905年的诺贝尔奖。
确立了单种微生物的分离和纯粹培养技术,使发酵技术从天然发酵转变为纯粹培养发酵,实现了第一次发酵技术进步(第一个转折期)。
从此,人类开始了人为地控制微生物的发酵过程,产品质量的稳定性得到大大地提高。
发酵工程的名词解释
发酵工程是微生物、植物、动物和环境的交互作用的综合应用,可以将物质和能量重新配置,以改善化学特性,利用发酵生物技术将原料转化成多种有用的化合物,包括蛋白质、氨基酸、维生素、抗生素、有机酸、抗菌物质、食品添加剂等。
发酵反应是通过微生物的代谢动力学过程,将原料转化成目的产物的过程。
这种代谢反应一般指的是一个或多个原料(碳源),由微生物分解并释放出它们的能量,然后这些能量被微生物代谢成有用的产物的过程。
它具有同化作用、外源代谢作用、细胞成熟作用和生物合成作用等特性。
发酵技术在食品加工中实用性很强,可以调节食品的味道、质地、颜色和保质期等特性,以满足消费者的要求;也可以利用微生物发酵技术,将原料转化为乳、酒、糖、醋、酱油等美味的保健品;此外,由于发酵技术可以有效提高食品营养价值,使食品更加健康,因此越来越受到人们的重视。
另外,发酵工程不仅可以应用在食品领域,还可以用于产生对环境有益的物质,如植物激素、微量元素、农用洗涤剂以及活性剂等。
此外,由于发酵技术可以以少量原料、少量空间和少量能源获得较多的产物,因此被认为是高效率和环保的生产方式。
总之,发酵工程是一门研究发酵反应的工程学科,是上述所有发酵技术的综合应用与开发。
它综合利用了生物、化学、物理、机械等学科的知识,是一门具有深远影响的高新技术。
目前,发酵技术在现代社会已经发挥了重要作用,从食品工业到农业生物技术,以及其他众多领域,都有着广泛的应用。
发酵工程的发展也在迅速推动着生物科技的发展,成为生物科技中重要的一环,为人类社会健康、发展提供了重要贡献。
专题九发酵工程(1)泡菜、果酒和果醋的制备原理、过程和条件控制。
(2)微生物培养基的配制和无菌技术。
(3)微生物的选择培养和计数。
(4)发酵工程及其基本环节。
1.判断有关发酵工程应用说法的正误(1)腐乳制作利用了毛霉等微生物产生的蛋白酶和脂肪酶。
(√)(2)在制作果醋时,如果条件适宜,醋酸菌可将葡萄汁中的糖分解成乙酸。
(√)(3)果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵温度。
(×)(4)制作泡菜时,盐水煮沸后可以立即使用。
(×)(5)泡菜的制作前期需要通入氧气,后期应严格保持无氧条件。
(×)(6)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身。
(√)(7)在啤酒生产中,使用基因工程改造的啤酒酵母,可以加速发酵过程,缩短生产周期。
(√)2.判断有关微生物培养与应用说法的正误(1)在琼脂固体培养基上长出的单个菌落含有多种细菌。
(×)(2)检测土壤中细菌总数实验操作中,确定对照组无菌后,选择菌落数在300以上的实验组平板进行计数。
(×)(3)虽然各种培养基的具体配方不同,但一般都含有水、碳源、氮源和无机盐。
(√)(4)对异养微生物来说,含C、H、O、N的有机化合物既是碳源又是氮源。
(√)(5)观察细菌培养的实验时,最好是在另一块平板上接种无菌水作为对照实验。
(√)(6)平板划线法要求多次划线,稀释涂布平板法中菌液要充分地稀释。
(√)(7)倒平板时,应将打开的皿盖放到一边,以免培养基溅到皿盖上。
(×)(8)对细菌进行计数能采用稀释涂布平板法,也能用平板划线法。
(×)(9)分解尿素的细菌在分解尿素时,可以将尿素转化为氨,使得培养基的酸碱度降低。
(×)(10)刚果红可以与纤维素形成透明复合物,所以可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。
(×)1.果酒发酵时,装入发酵瓶要留有大约1/3的空间,原因是。
提示为酵母菌大量繁殖提供适量的氧气,防止发酵时汁液溢出2.某同学在通过发酵制作果酒时,发现在制作原料中添加一定量的糖,可以提高酒精度,原因是。
发酵工程知识点总结高中一、发酵工程的概念和发展发酵工程,是指通过微生物的代谢活动,将有机物质转化成更有用的产物的工程技术。
发酵工程是综合应用生物化学、微生物学、工程学的一门新兴科学,是现代生产中的重要组成部分。
随着生物技术和工程技术的不断发展,发酵工程得到了较快的发展。
发酵工程的产物广泛用于医学、农业、食品、环保等多个领域。
在国民经济各部门和人们生活中都起着重要作用。
二、发酵工程的基本原理1.微生物发酵的基本原理发酵的基本过程是:首先是微生物分解所需营养物质为能量,随后是将其转化为生长代谢的生物体组织,进一步是将有机物质转化为对人类生产和生活有益的产物。
在这个过程中,微生物起着关键的作用。
2.发酵过程的基本特点发酵过程是由微生物代谢活动引起的,具有时间长、可控制性差等特点。
另外,发酵过程还会产生较多的热量,需要合理的散热措施。
3.发酵工程原料的选择原料的选择对于发酵工程至关重要,原料一般包括碳源、氮源、矿物盐等,不同的微生物对原料要求差异较大。
4.发酵工程的主要流程发酵工程主要包括发酵罐的设计、微生物的培养、发酵条件的控制等步骤,其主要目的是通过发酵罐培养微生物得到需求的产物。
三、发酵工程中的微生物1.发酵工程中的微生物的种类常见的发酵微生物有酵母菌、乳酸菌、霉菌、细菌等。
在不同的发酵过程中,选择合适的微生物种类非常重要。
2.微生物的选型对于发酵工程来说,微生物的选型是十分关键的。
要根据所需产物的性质和发酵条件的要求来选择合适的微生物。
3.微生物的培养微生物的培养是发酵工程中的核心环节,培养的条件应该控制得很好,确保微生物的最佳生长繁殖情况。
四、发酵罐的设计1.发酵罐的结构发酵罐通常分为罐体、搅拌器、温控装置、进气装置、排气装置等几个部分。
2.发酵罐的主要功能和要求发酵罐的主要功能是提供合适的生长环境给微生物,要求它能够充分搅拌,保持温度和通气等。
3.发酵罐的类型目前,常用的发酵罐类型有批量式、连续式及其衍生的多种类型。
发酵工程孙再桥生技31101•传统发酵已有相当长的历史,春秋时代的孔子已经借酒助兴了。
传统发酵技术工业化不过是发酵使用的设备的更新带来了规模的扩大。
只有在生物工程到来之后,发酵工业开始采用工程菌,使得通过发酵获得的产品一改过去以酒和调味品为代表的旧貌,开始了以生物制药为代表的大飞跃。
•1857年,法国微生物学家巴斯德发现了发酵原理,人们才认识到发酵是微生物活动的结果。
此后,随着纯种微生物的分离及培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的设计成功,使人们能够利用某种类型的微生物,在人工控制的环境条件下,进行大规模的生产,逐步形成了发酵工程。
•生物工程的最终阶段是发酵。
不仅是来自微生物,而且来自动物和植物细胞合成的物质都可以通过发酵来生产。
农牧业工厂化的趋势之一是逐步转向发酵。
•发酵生产周期短,容易调控。
•发酵技术的发展经历了如下几个阶段:•(1)自然发酵阶段:这个阶段为从史前到19世纪末,主要特征为人类利用自然接种的方法进行传统酿造食品的生产。
•(2)纯培养厌氧发酵技术的建立:这个阶段始于19世纪末,20世纪初,主要特征为人类在显微镜的帮助下,把单一的微生物进行纯培养,在密闭容器中进行厌氧发酵生产酒精等工业产品。
•(3)通气搅拌发酵技术的建立:这个阶段始于20世纪40年代,其技术特征为,成功地建立起深层通气进行微生物发酵的一整套技术,有效地控制了微生物有氧发酵的通气量、温度、pH和营养物质的供给,使得抗生素、柠檬酸、酶制剂等好氧发酵产品的生产成为可能,是现代发酵工业的开端。
•(4)代谢调控发酵技术的建立:这个阶段始于20世纪60年代,其技术特征为,以生物化学和遗传学为基础,研究代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制,选择巧妙的技术路线,人为地控制目的代谢产物的大量合成,从而得到所需产品。
•(5)现代发酵工程技术的建立:这个阶段始于20世纪70年代,其主要技术特征表现在如下几个方面:•①原生质体融合技术、基因工程技术的发展和在微生物菌种选育方面的应用,为发酵工程技术带来了方法上、手段上的重大变化和革命。
•②计算机控制发酵技术,固定化细胞技术,发酵工程优化控制技术,先进的提取、分离、纯化技术以及现代化的发酵与提取设备的应用,使发酵工业得到了迅速的发展,并展现了广阔的前景。
1、发酵工程的概念和内容•(1)概念•发酵工程是指采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
•发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等(2)应用发酵工程的生产实例•谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分,以前用植物(如大豆)蛋白质水解法生产。
1957年,日本率先用微生物发酵法生产成功。
•常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。
培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成,呈液体状态,因此也称培养液。
其中的生物素是生长因子。
培养液配制完成以后,投放到发酵罐中,通入98kPa的蒸汽进行灭菌,冷却后,在无菌条件下加入菌种,即为接种。
•发酵罐是一种圆柱形的容器,容量从几升到几百万升不等,上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置;此外,还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置(如图)。
•谷氨酸棒状杆菌是好氧菌,因此,发酵过程要不断地通入无菌空气,并通过搅拌,使空气形成细小的气泡,迅速溶解在培养液中(称溶氧);同时,也能使菌种与培养液充分接触,提高它们对原料的利用率。
•在温度为30~37℃、pH 为7~8.0的条件下,经28~32h ,培养液中就会生成大量的谷氨酸。
•最后,将谷氨酸从培养液中分离提取出来,通常每升培养液中能得到谷氨酸50~100g 。
提取出来的谷氨酸用适量的Na 2CO 3溶液中和后,再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤,便制成了味精。
(3)发酵的类型•按照是否需氧,发酵分为好氧和厌氧两大类,是否需氧是由所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。
•好氧发酵(aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。
多数有机酸,如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要氧气。
发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。
不断搅拌促进氧气进入发酵液。
•厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气,不搅拌。
酵母菌酿酒,乳酸菌生产乳酸,瘤胃细菌分解纤维素过程不需要氧气。
•按照使用的细胞类型,发酵分为:•微生物发酵:•植物细胞发酵;•动物细胞发酵。
•动植物细胞的发酵历史很短。
通常所说的发酵主要是指微生物发酵。
(4)发酵的意义• 1.获得用其它方法不易获得的物质•酒精等有机物质,生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等物质至今要靠发酵来获得。
化学合成的成本太高,有些物质目前还不能化学方法合成,例如有旋光活性的氨基酸,D、L型的挑选要用酶的立体专一性解决。
用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。
• 2.获得菌体•有些微生物菌体,如人体所需的双歧乳酸菌,是以活的菌体为需要对象。
• 3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质•自然界第一位的材料是纤维素。
目前纤维素的分解主要靠生物分解。
牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的,这样的转化产物是乳汁且无污染,而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸所产生的大量有污染的废水。
2、发酵工程的工艺流程•发酵生产的设备•发酵罐又叫反应器,有通风和嫌气两类。
前者用于好氧发酵,后者用于厌氧发酵。
也有同时适合于两种类型的发酵罐。
•物料处理和运输设备如磨碎机、筛选机、输送机等,用于将原料粉碎和传输至发酵罐。
•空气调节和除菌设备调节空气的湿度、温度和除去空气中的微生物。
•过滤与分离设备如过滤机,离心机等用于发酵成熟液的过滤、澄清;产物的分离。
•浓缩干燥结晶设备用于分离后获得的初品的再处理。
发酵的工艺控制•发酵过程需在以下方面监控,这些指标已经实现在线自动化。
• 1. 温度升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管(排管)中的蒸汽或制冷剂,与发酵液进行热交换实现的。
• 2.溶氧通风搅拌增加溶解氧• 3.pH调节方法为加酸、碱或稀释。
•以上三项使用传感器监控。
• 4.泡沫发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行,加入消泡剂可以减少泡沫生成。
• 5.中间产物要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行,应用细胞代谢调控知识引导,否则会出现过多的副产物。
• 6.杂菌污染非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。
确保菌种扩大期间无杂菌培养是最关键的一步。
发酵期间杂菌污染要及时发现和消除。
3、发酵工程的应用•1、在食品工业上的应用•(1)通过发酵工程使一些传统的发酵产品,如啤酒、果酒、食醋等,在产量和质量上得到明显的提高。
•(2)通过发酵工程生产食品添加剂(见下表),改善了食品的品质及色、香、味。
常用的几类食品添加剂添加剂举例酸味剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸鲜味剂肌苷酸、谷氨酸色素β-胡萝卜素、红曲素甜味剂高果糖浆、甜菜糖•(3)发酵工程有望为解决人类的粮食短缺问题开辟一条新的途径。
•微生物含有丰富的蛋白质,如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%~80%,酵母菌的占45%~65%,而且它们的生长繁殖速度很快。
因此,许多国家利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料,通过发酵获得大量的微生物菌体,这种生物菌体就叫做单细胞蛋白。
20世纪80年代中期,全世界生产的单细胞蛋白已达2×106吨。
用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂,甚至制成“人造肉”供人们直接食用。
最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品,就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。
单细胞蛋白用做饲料,能使家畜、家禽增重快,产奶或产蛋量显著提高。
•2、在医药工业上的应用•发酵工程已广泛应用于医药工业,很多抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸等都可通过发酵工程得到,其中,抗生素的生产占主要地位。
20世纪80年代,世界各地的抗生素年产量达2.5×104吨,产值超过40亿美元。
目前,常用的抗生素已达一百多种,如青霉素类、头孢菌素类、红霉素类和四环素类。
•有些药物如人生长激素、胰岛素,过去主要是靠从生物体器官、组织、细胞或尿液中提取,发酵工程使这些药物的生产量大大提高,已可满足普通人的需要。
•随着基因工程和发酵工程的结合应用,人们已可大批量生产人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素、抗血友病因子、生长激素释放抑制因子等重要的药物。
•3.在轻工业上的应用•轻工业是发酵工程技术应用最早和最多的领域,这个领域的特点是大量利用农副产品(产要是淀粉类产品)进行深加工,其生产的产品种类有:•①酒和溶剂类:如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮;•②有机酸类:如柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸等;•③氨基酸类:如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等;•④酶制剂类:如食品工业用酶、纺织工业用酶、饲料工业用酶等;•⑤功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类。
• 1.3现代发酵工程技术的发展方向展望•由于发酵工业生产具有反应条件温和,生产原料来源广泛,价格低廉,以及与其它工业相比投资少、见效快,经济与社会效益显著等诸多优点。
而且,通过发酵工程技术生产的产品种类多、应用面广。
因此,发酵工程具有广阔的发展应用前景。
•近年来,生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术的发展。
而发酵工程技术的应用,则是直接将生物技术转化为生产力,用于生产人类所需的各种产品,以及为社会服务的重要手段。
因此,基因工程、细胞工程、酶工程技术的最终实施,主要是依靠发酵工程技术来完成的。
所以现代发酵工程是生物技术的重要内容之一,是生物技术实现产业化的必由之路,是未来经济社会发展过程中富有生机和活力的一个重要产业群体。
•目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面:•(1)采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方法相结合,辅之以激光、离子束、γ-射线等物理诱变方法,致力于选育发酵工业所需的各种优良生产菌种。
•(2)开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品。
•(3)采用发酵工程技术取代部分传统化工产品的生产,降低原材料消耗和能源消耗,减少污染物的排放。
•(4)研究开发发酵和提取新技术、新工艺、新设备,提高产品收率、节能降耗。
•(5)大规模工业化发酵生产技术。
•1国际上的研究进展情况•传统的酿造食品,如奶类、豆类、酒类都是用微生物把自然食品发酵成味美、易消化的可口食品。
现代提倡的添加氨基酸、维生素的强化食品都是生物工程,特别是发酵工程带来的新成果。
国际上用发酵工程法或酶法已开发并生产出了18种氨基酸,年产量接近百万吨。
用淀粉酶、糖化酶和异构酶生产的高果糖浆已都进入规模化生产阶段。