生物工艺学课件

4) 发酵工程（微生物发酵技术）：给微生物提供最 适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。
5) 生化工程：包括生物反应器和传感器的设计，生 物反应器的程序控制，产品分离精制技术。运用化学工 程的原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开 发，使之成为生物反应过程的一门学科。简单地说：生 化工程是为生物技术服务的化学工程。
立式旋转摇床
厌氧培养箱
新疆威仕达生物工程有限公司设备局部
上海豫园生物工程有限公司发酵车间局部
一、发酵工业对生产菌种的要求
★要求产率高 1）原料要易得、价廉 2）发酵条件粗放 3）菌种生长和发酵速度较快，发酵周期短。尽
量诱变次数少，避免选择缺陷型 4）发酵周期短的优点：感染杂菌的机会减少 提高设备的利用率
生物工艺学
第一章：总论
第一节：生物技术总论 （一）生物技术定义 生物技术（Biotechnology）生物工程(Bioengineering)
应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物 料进行加工以提供产品或为社会服务。
●生物技术是一门多学科、综合性的科学技术（见分枝图） ●反应中有生物催化剂参加
成分 氨基氮 还原糖 总糖
溶磷 酸度 铁 总灰分
43% 3.9-4.0 2.32-1.9 3.6-3.7 1.25-1.52 10-11 0.05-0.5 20%
黄豆饼粉：水分11%，总氮11.2%,类脂物0.6%,总糖 30%,灰分6.5%
麸皮水解液：可以代替玉米浆,但蛋白质、氮基酸等营 养成分比玉米浆少
土曲霉：衣康酸 赤霉菌：赤霉素 青霉：青霉素 木霉：纤维素酶 毛霉（Mucor）：产生蛋白酶，有分解大豆蛋白的能力。
腐乳、酱油。 转化甾族化合物。
微小毛霉，米黑毛霉：凝乳酶，脂肪酶 根霉（Rhizopus）：米酒、黄酒 米根霉（R.oryzae）L-乳酸 红曲霉 (Monascus): 红曲色素, 洛伐他汀
三、生物技术的发展史
天然发酵阶段（混合发酵）
酿酒制醋
纯培养技术的建立
通风搅拌发酵技术 基因工程阶段
1928年弗莱明发现青霉素， 1965年获诺贝尔医学生理学奖。 50年代氨基酸发酵 60年代酶制剂工业
四、生物技术的应用 (见教材)
第二节：发酵工业概论
一、发酵工程的定义 Fermentation ～ ferverl 翻涌，CO2
碳 源——组成培养基的主要成分之一。 葡萄糖是碳源中最易利用的糖，几乎所有微生都利用葡萄糖， 所以葡萄糖常作为培养基的一种主要成分。但是过多的葡萄 糖会过份加速菌体的呼吸，以致培养基中的溶解氧不能满足 需要，使一些中间产物不能完全氧化而积累在菌体或培养基 中，如丙酮酸、乳酸、乙酸等，导致pH下降，影响某些酶的 活性，从而抑制微生物的生长和产物的合成。 淀粉、糊精等多糖也是常用的碳源，它们一般都要经酶水解 成单糖后再被吸收利用。——缓慢利用，有些微生物还可直 接利用玉米粉、薯干，啤酒生产原料为麦芽（麦芽糖 ) 。有 些微生物则利用有机酸，如富马酸、醋酸，注意：有机酸的 利用会使pH上升
例子：谷氨酸发酵所用的培养基
培养基成分 淀粉水解糖(%)
玉米浆(%
K2HPO4(%) MgSO4(%)
Urea Fe2+,Mn2+
种子培养基 2.5
2.5-3.5 0.15 0.04 0.4
各2ppm
发酵培养基 12.5
0.5-0.8 0.15 0.06 3
各2ppm
作业：
1、什么时候可用淀粉作为碳源？ 2、如何正确利用生理酸、碱性盐，稳定调节发酵过程pH？ 3、查阅文献，找出以下几类典型产品生产所用的培养基， 并分析它的组成。
尿素：菌体必须含脲酶方可使用
氨水：为无机氮源，目前常在生产中使用高浓度液氨， 注意：因分解容易带来pH波动的问题
二、培养基类型及选择
A：按纯度 合成培养基：化学成分明确、稳定，适合于科研，
在生产某些疫苗过程中，为防止异性蛋白等杂质 混入，也经常使用。
天然培养基：发酵工业中普遍使用，营养丰富，适
合于微生物生长。但成分有波动。
◆足够的菌体浓度；(1)浊度测定，A640
例子：谷氨酸发酵一级种子质量指标：
1、用显微镜观察，菌体粗壮、均匀，排列整齐。 2、用琼脂平板检查，无杂菌，无噬菌斑。 3、OD值净增在0.6左右。 4、种子培养液pH在6.4左右。 5、种子培养液残糖含量在0.5%以下
第三章：培养基 一、培养基的成分及来源
氮 源：用于构成菌体细胞物质和含 氮 代谢物
▲无机氮源——快速利用{A：生理酸性（NH4）2SO4，经微生物代谢后 形成酸性物质；B：生理碱性NaNO3
▲有机氮源——缓慢利用，包括蛋白胨、牛肉膏、花生饼粉、黄豆饼粉、 玉米浆、酵母粉、麸皮水解液、尿素、棉子饼粉
玉米浆是一种用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡水浓缩物，含丰富的氨基酸、 核酸、维生素、无机盐等，它的平均化学组成：
2)细胞工程（细胞融合和大量培养技术）：包括细胞（有时 也包括器官或组织）的离体培养、繁殖、再生、融合以及细胞 核、细胞质乃至染色体与细胞器（线粒体、叶绿体等）的移植 与改建等操作。
如：无性克隆技术，细胞大规模培养技术
3) 酶工程（酶的修饰和利用技术）：包括酶的修饰， 固定化酶和固定化技术，酶反应过程，酶反应器等研究。
（二) 细菌(按教材) 1) 醋酸菌（Acetobacter） 2) 假单胞菌（Pseudomonas） 3) 乳酸菌 4) 大肠杆菌 5) 芽孢杆菌 6) 棒杆菌、短杆菌
(三) 酵母：酒精、各类酒、糖醇 (四) 放线菌：抗生素
三、种子扩大培养
(一) 扩大培养意义
将保存于砂土管、冷冻干燥管、斜面中处于休眠 状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁 瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量 和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。
5）菌种纯粹，稳定性好 菌种退化，生产性能下降是生产中常碰到的问
题。 6）抗杂菌能力、抗噬菌体强 7）不是病原菌，不产生有害物质和毒素
二、常用的工业微生物
要求复习微生物知识，掌握基本形态。看一段光盘
（一）霉菌 黑曲霉(Asprgillus niger)：柠檬酸，糖化酶、酸性蛋白酶、
低聚果糖、果胶酶、单宁酶
●最后目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这一过程可 称为生物反应过程。
生物催化剂(见教材) ▲细胞（微生物、动物、植物）
游离细胞 固定化细胞
▲酶 游离酶 固定化酶
二、生物技术的种类
生物技术在不断发展之中，它的内容也在不断丰富和补充，现 阶段的生物技术大致可分为：
1) 基因工程（DNA重组技术）：核酸的分离提取、体外剪切、 拚接重组以及扩增与表达技术。蛋白质工程被称为第二代基因 工程，它利用蛋白质空间结构和活性之间的最新知识，借助计 算机辅助设计和基因定位诱变与改造技术，以构建新的蛋白质
(二) 种子制备工艺
1、实验室阶段 A：固体培养；B：液体培养 ▲ 产孢子能力强、孢子发芽快、生长繁殖快的菌种
可以采用固体培养基培养孢子，这样操作简便， 不易染菌。 ▲ 产孢子能力，孢子发芽慢，液体摇瓶，菌丝体作 为种子，如链霉菌素生产菌灰色链霉菌 ▲ 不产孢子的细菌，可以固体也可以液体
２、车间种子制备 种子罐级数 制备种子需逐级扩大培养的次数，一般根据
菌种生长特性，孢子发芽及菌体繁殖速度以及采用发 酵罐体积而定。
谷氨酸：
斜面 摇瓶 种子罐 发酵
二级发酵
青霉素：
孢子悬浮液
一级种子罐
27℃ 40h 发芽罐
二级种子罐 发酵
27℃ 10-40h 菌丝繁殖罐
三级发酵
链霉素
四级发酵
种龄：种子罐中培养的菌种开始移入下一级种子罐或发酵 罐时的培养时间。通常以菌体处于生长旺盛期为合适
发 酵：利用特定的微生物，控制适宜的工艺条件，生产 人们所需的产品或达到某些特些目的。游离的整体微生 物活细胞
二、发酵工业的特征 1、原料 2、菌种 3、设备
第二章：工业微生物及其培养 ● 微生物培养常用的设备
小型高压蒸汽消毒锅
蒸 汽 消 毒 锅
克氏瓶，茄子瓶
净 化 工 作 台
பைடு நூலகம்
卧式旋转摇床
B：按用途 １、孢子培养基：繁殖孢子。注意：①营养不要太
丰富（特别是有机氮源）否则，不产孢子；②所 用无机盐的浓度要适量；③pH和湿度要适中
２、种子培养基：提供种子。①营养丰富和完全，
氮源含量高些，总浓度稀薄，②碳源少量，若糖 分过多，菌体代谢活动旺盛，产生在机酸，使pH 下降，菌种容易衰老
３、发酵培养基：主要目的是获得产物
L-赖氨酸； L-异亮氨酸；柠檬酸；L-乳酸；α-淀粉酶； 葡萄糖苷酶；酒精；黄原胶；青霉素；链霉素；金霉素；红 霉素 4、查阅文献，写出上述产品的代谢机理并分析发酵工艺。
接种量：移入的种子液体积与接种后培养液体积的比例。
取决于菌种在发酵罐中生长繁殖速度 一般：细菌0.5-1% 抗生素10-15%（20-25%）
种子质量要求
◆纯; 具体检验方法有(1)显微镜观察；(2)斜面接入 种子液进行无菌试验 ，有无异常菌落出现；(3) 有些要检查有无噬菌体
◆活力旺盛；(1)镜检观察菌体形态，是否粗壮，整 齐，处于分裂期