第七章.发酵工程技术概论_PPT幻灯片
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发酵工程原理PPT课件
发酵工程原理 与技术应用
.
1
发酵工程
一、微生物发酵工程
微生物工程：利用微生物的活动来进行物质 转化的理论与工程技术体系。是将化学工程 有关理论和单元操作应用于微生物的工业发 绪 酵生产，进而发展起来的具有新的特点的一 论 门学科。
.
2
发酵工程
生物学
绪
论
发酵工程
工程学
化学
.
3
发酵工程
1.是应用微生物为工业规模生产服务的一门 工程技术，是直接建立在微生物学基础上的， 随微生物工业的发展而发展，同时也是与化 学工业相结合的一个新发展。 绪 论
目前，发酵工程的全部基本参数：如温度、pH 值等均能自动记录并能自动控制。
.
8
发酵工程
6.微生物酶反应生物合成和化学合成反应结 合工程技术的建立；
混合法（可先发酵后合成，亦可颠倒） 大规模生产 ：维生素C、激素、核酸； 新
绪 的抗生素； 某些氨基酸
论
.
9
发酵工程
三、微生物工业的特点及范围
微生物工业（发酵工业）：利用微生物具有 的化学活性进行物质转换，从事各种发酵产 品生产的工业。 绪 论
①从糖分解产生简单化合物→复杂物质的生
物合成；
绪 论
②发酵方法代替化学合成方法较多；
③向大型发酵发展（常用20～120吨发酵罐， 最大500～1000吨）
④人工诱变菌种和代谢控制，新产品、新用
途层出不穷；
⑤开辟新原料；
⑥环境友好型生产；
.
15
发酵工程
七、《发酵工程原理与技术》的任务和内容
任务：从微生物工程范畴出发来阐明厌氧性 发酵与好气性发酵过程及产品提纯的工艺原 理； 绪 用这些基本理论去分析、解决微生物工业中 论 存在的具体问题，提高产品质量和数量；
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1
发酵工程
一、微生物发酵工程
微生物工程：利用微生物的活动来进行物质 转化的理论与工程技术体系。是将化学工程 有关理论和单元操作应用于微生物的工业发 绪 酵生产，进而发展起来的具有新的特点的一 论 门学科。
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2
发酵工程
生物学
绪
论
发酵工程
工程学
化学
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3
发酵工程
1.是应用微生物为工业规模生产服务的一门 工程技术，是直接建立在微生物学基础上的， 随微生物工业的发展而发展，同时也是与化 学工业相结合的一个新发展。 绪 论
目前，发酵工程的全部基本参数：如温度、pH 值等均能自动记录并能自动控制。
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8
发酵工程
6.微生物酶反应生物合成和化学合成反应结 合工程技术的建立；
混合法（可先发酵后合成，亦可颠倒） 大规模生产 ：维生素C、激素、核酸； 新
绪 的抗生素； 某些氨基酸
论
.
9
发酵工程
三、微生物工业的特点及范围
微生物工业（发酵工业）：利用微生物具有 的化学活性进行物质转换，从事各种发酵产 品生产的工业。 绪 论
①从糖分解产生简单化合物→复杂物质的生
物合成；
绪 论
②发酵方法代替化学合成方法较多；
③向大型发酵发展（常用20～120吨发酵罐， 最大500～1000吨）
④人工诱变菌种和代谢控制，新产品、新用
途层出不穷；
⑤开辟新原料；
⑥环境友好型生产；
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15
发酵工程
七、《发酵工程原理与技术》的任务和内容
任务：从微生物工程范畴出发来阐明厌氧性 发酵与好气性发酵过程及产品提纯的工艺原 理； 绪 用这些基本理论去分析、解决微生物工业中 论 存在的具体问题，提高产品质量和数量；
生物人教版(2019)选择性必修3 1.3发酵工程及其应用(共57张ppt)
2. 基本环节 （6）发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
①发酵过程的要求： Ⅰ. 发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以 了解发酵进程； Ⅱ. 要及时添加必需的营养物质； Ⅲ. 要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节
（6）发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节 ②严格控制发酵条件的原因：环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖， 而且影响微生物代谢物的形成。
发酵工程。即利用微生物的特定的功能，通过现代 工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
一、发酵工程的基本环节
1. 发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化 生产对人类有用的产品。
2. 基本环节
选育菌种 扩大培养
接 种
配置培养基
灭菌
发酵罐 内发酵
分离、 提纯产物
获得 产品
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节 （1）选育菌种
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节 （2）扩大培养
①目的：获得更多的菌种。 ②原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大 （数目多）。 ③3
接入的菌种总体积 几 ~ 几十m3
思考·讨论 思考：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？
一、发酵工程的基本环节
2. 基本环节
（5）接种： 将扩大培养后的菌种投放到 发酵罐中。
发酵罐示意图
①培养物或营养 物质的加入口 ⑤观察孔 ⑥取样管
⑨温度传感器 和控制装置
⑩冷却水 进入口
③阀门
装置编号
主要用途
⑬电动机 ⑫排气管 ⑦pH计
①②③ ④
控制培养物以一定速度进入、 流出发酵罐，实现连续培养
①发酵过程的要求： Ⅰ. 发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以 了解发酵进程； Ⅱ. 要及时添加必需的营养物质； Ⅲ. 要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节
（6）发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节 ②严格控制发酵条件的原因：环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖， 而且影响微生物代谢物的形成。
发酵工程。即利用微生物的特定的功能，通过现代 工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
一、发酵工程的基本环节
1. 发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化 生产对人类有用的产品。
2. 基本环节
选育菌种 扩大培养
接 种
配置培养基
灭菌
发酵罐 内发酵
分离、 提纯产物
获得 产品
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节 （1）选育菌种
一、发酵工程的基本环节 2. 基本环节 （2）扩大培养
①目的：获得更多的菌种。 ②原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大 （数目多）。 ③3
接入的菌种总体积 几 ~ 几十m3
思考·讨论 思考：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？
一、发酵工程的基本环节
2. 基本环节
（5）接种： 将扩大培养后的菌种投放到 发酵罐中。
发酵罐示意图
①培养物或营养 物质的加入口 ⑤观察孔 ⑥取样管
⑨温度传感器 和控制装置
⑩冷却水 进入口
③阀门
装置编号
主要用途
⑬电动机 ⑫排气管 ⑦pH计
①②③ ④
控制培养物以一定速度进入、 流出发酵罐，实现连续培养
发酵工程制药ppt课件
避光、缺少营养）； 尽可能采用多种不同的手段保藏同一菌株。
48
菌种保藏的常用方法
斜面低温保藏法 石蜡油封存法 砂土管保藏法 麸皮保藏法 甘油悬液保藏法 冷冻真空干燥保藏法 液氮超低温保藏法 宿主保藏法
49
方法名称 斜面低温保藏法 石蜡油封存法
砂土管保藏法
麸皮保藏法 甘油悬液保藏法 冷冻真空干燥保藏法
自然选育 诱变育种 杂交育种 原生质体融合 基因工程
39
从自然界中获得新菌种
土壤、空气、动植物等，严重污染的水域，极端 环境等
基本程序：
采样→预处理→富集培养→筛选→鉴定→野生型
菌株
40
诱变育种
物理或化学方法诱发突变。 物理诱变剂：紫外线、X-射线、γ-射线等 化学诱变剂：氮芥、亚硝酸、5-氟尿嘧啶等
50
第三节 发酵方式
（一）分批培养 （二）连续培养 （三）其它培养方法
51
（一）分批培养
•1、分批培养的定义 •2、分批培养的生长过程 •3、分批培养过程中影响细胞生长的因素
52
分批培养的设备要求较少 操作也较简单
工业微生物生产中经常采用
1、分批培养的定 义
• 分批培养是一种间 歇式的培养方法，
36
真菌之其它
牛肝菌属：含有人体必需的8种氨基酸，还含有腺膘呤、 胆碱和腐胺等生物碱。
灵芝属：灵芝多糖、灵芝多肽、三萜类、16种氨基酸(其 中含有七种人体必需氨基酸)、蛋白质、甾类、甘露醇、 香豆精苷、生物碱、有机酸（主含延胡索酸），以及微量 元素Ge、P、Fe、Ca、Mn、Zn等。
37
发酵菌种的选育要求
饲料工业（单细胞蛋白） (Antibiotics…)
48
菌种保藏的常用方法
斜面低温保藏法 石蜡油封存法 砂土管保藏法 麸皮保藏法 甘油悬液保藏法 冷冻真空干燥保藏法 液氮超低温保藏法 宿主保藏法
49
方法名称 斜面低温保藏法 石蜡油封存法
砂土管保藏法
麸皮保藏法 甘油悬液保藏法 冷冻真空干燥保藏法
自然选育 诱变育种 杂交育种 原生质体融合 基因工程
39
从自然界中获得新菌种
土壤、空气、动植物等，严重污染的水域，极端 环境等
基本程序：
采样→预处理→富集培养→筛选→鉴定→野生型
菌株
40
诱变育种
物理或化学方法诱发突变。 物理诱变剂：紫外线、X-射线、γ-射线等 化学诱变剂：氮芥、亚硝酸、5-氟尿嘧啶等
50
第三节 发酵方式
（一）分批培养 （二）连续培养 （三）其它培养方法
51
（一）分批培养
•1、分批培养的定义 •2、分批培养的生长过程 •3、分批培养过程中影响细胞生长的因素
52
分批培养的设备要求较少 操作也较简单
工业微生物生产中经常采用
1、分批培养的定 义
• 分批培养是一种间 歇式的培养方法，
36
真菌之其它
牛肝菌属：含有人体必需的8种氨基酸，还含有腺膘呤、 胆碱和腐胺等生物碱。
灵芝属：灵芝多糖、灵芝多肽、三萜类、16种氨基酸(其 中含有七种人体必需氨基酸)、蛋白质、甾类、甘露醇、 香豆精苷、生物碱、有机酸（主含延胡索酸），以及微量 元素Ge、P、Fe、Ca、Mn、Zn等。
37
发酵菌种的选育要求
饲料工业（单细胞蛋白） (Antibiotics…)
发酵工程--ppt课件(2024版)
罐，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没 有物料交换。 ➢ 传统的生物产品发酵多用此过程。
分批发酵的优缺点
➢ 优点 操作简单 操作引起染菌的概率低 不会产生菌种老化和变异问题
➢ 缺点 非生产时间较长、设备利用率低
➢ 根据不同发酵类型，每批发酵需要十 几个小时到几周时间。
➢ 全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的 培养基、接种、发酵过程、放罐和洗 罐，所需时间的总和为一个发酵周期。
典型的分批发酵工艺流程图
微生物分批培养的生长曲线
1.延滞期 2.加速生长期 3.指数生长期 4.减速期 5.稳定期 6.衰亡期
4.3.1.2 连续发酵
以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基， 同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐 内的液量维持，微生物在稳定状态（恒定的基 质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定的 菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长。
4 发酵工程
【学习目的】
1. 掌握发酵工程的基本类型和基本原理。 2. 了解典型发酵产品的生产工艺。 3. 认识发酵的基本过程及常用的发酵设备。
发酵（Fermentation）
最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酵 母作用于果汁或者发芽谷物产生CO2的现象。
巴斯德：酵母在无氧环境下的呼吸过程。 生物化学：微生物在无氧时的代谢过程。
草莓栽培
微生物酶发酵 酶普遍存在于动植物中，在人类生活中发挥着
非常重要的作用。
微生物代谢产物发酵 ①氨基酸、蛋白质、核酸——初级代谢产物 ②抗生素、生长因子等——次级代谢产物
微生物转化发酵 利用微生物把一种化合物转变成结构相关的更
有经济价值的产物。 葡萄糖→Grapevine
生物工程发酵 DNA重组的“工程菌”理论上可以生产出多种代 谢产物。
分批发酵的优缺点
➢ 优点 操作简单 操作引起染菌的概率低 不会产生菌种老化和变异问题
➢ 缺点 非生产时间较长、设备利用率低
➢ 根据不同发酵类型，每批发酵需要十 几个小时到几周时间。
➢ 全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的 培养基、接种、发酵过程、放罐和洗 罐，所需时间的总和为一个发酵周期。
典型的分批发酵工艺流程图
微生物分批培养的生长曲线
1.延滞期 2.加速生长期 3.指数生长期 4.减速期 5.稳定期 6.衰亡期
4.3.1.2 连续发酵
以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基， 同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐 内的液量维持，微生物在稳定状态（恒定的基 质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定的 菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长。
4 发酵工程
【学习目的】
1. 掌握发酵工程的基本类型和基本原理。 2. 了解典型发酵产品的生产工艺。 3. 认识发酵的基本过程及常用的发酵设备。
发酵（Fermentation）
最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酵 母作用于果汁或者发芽谷物产生CO2的现象。
巴斯德：酵母在无氧环境下的呼吸过程。 生物化学：微生物在无氧时的代谢过程。
草莓栽培
微生物酶发酵 酶普遍存在于动植物中，在人类生活中发挥着
非常重要的作用。
微生物代谢产物发酵 ①氨基酸、蛋白质、核酸——初级代谢产物 ②抗生素、生长因子等——次级代谢产物
微生物转化发酵 利用微生物把一种化合物转变成结构相关的更
有经济价值的产物。 葡萄糖→Grapevine
生物工程发酵 DNA重组的“工程菌”理论上可以生产出多种代 谢产物。
发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-7第七章生产菌种的扩大培养与保藏
– 种子级数越少越好，可简化工艺和控制，减 少染菌机会
– 种子级数太少，接种量小，发酵时间延长， 降低发酵罐的生产率，增加染菌机会
– 虽然种子罐级数随产物的品种及生产规模而 定。但也与所选用工艺条件有关。如改变种 子罐的培养条件，加速了孢子发芽及菌体的 繁殖，也可相应地减少种子罐的级数。
16
16
第二节 种子质量的控制
素含量要高
• 营养成分要尽可能与发酵培养基相近。
27
27
2，培养条件 （1）温度 （2）通气量
在种子罐中培养的种子除保证供给易被利用的 培养基外，有足够的通气量可以提高种子质 量。例如，青霉素的生产菌种在制备过程中 将通气充足和不足两种情况下得到的种子分 别接入发酵罐内，它们的发酵单位可相差1倍 。但也有例外，例如土霉素生产菌，一级种 子罐的通气量小对发酵有利。
41
41
(3)二级种子的质量要求 种龄 7~8h pH 7.2左右 OD值 净增0.5左右 无菌检查 (-) 噬菌体检查(-)
42
42
二、啤酒酵母的扩大培养
• 菌种在固体培养基上可呈现多种不同代 谢类型的菌落，氮源品种越多，出现的 菌落类型也越多，不利于生产的稳定。
19
19
• 措施
– 培养基所用原料要经过发酵试验合格才可使 用
– 严格控制灭菌后培养基的质量 – 斜面培养基使用前，需在适当温度下放置一
定时间 – 供生产用的孢子培养基要用比较单一的氮源
，作为选种或分离用的培养基则采用较复杂 的有机氮源
• 通常接种量，细菌1~5%，酵母 菌5~10%，霉菌7~15%，有时
20~25%
30
30
三、种子质量的控制措施
• 种子质量的最终指标是考察其在发酵罐 中所表现出来的生产能力。因此首先必 须保证生产菌种的稳定性，其次是提供 种子培养的适宜环境保证无杂菌侵入， 以获得优良种子。
– 种子级数太少，接种量小，发酵时间延长， 降低发酵罐的生产率，增加染菌机会
– 虽然种子罐级数随产物的品种及生产规模而 定。但也与所选用工艺条件有关。如改变种 子罐的培养条件，加速了孢子发芽及菌体的 繁殖，也可相应地减少种子罐的级数。
16
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第二节 种子质量的控制
素含量要高
• 营养成分要尽可能与发酵培养基相近。
27
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2，培养条件 （1）温度 （2）通气量
在种子罐中培养的种子除保证供给易被利用的 培养基外，有足够的通气量可以提高种子质 量。例如，青霉素的生产菌种在制备过程中 将通气充足和不足两种情况下得到的种子分 别接入发酵罐内，它们的发酵单位可相差1倍 。但也有例外，例如土霉素生产菌，一级种 子罐的通气量小对发酵有利。
41
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(3)二级种子的质量要求 种龄 7~8h pH 7.2左右 OD值 净增0.5左右 无菌检查 (-) 噬菌体检查(-)
42
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二、啤酒酵母的扩大培养
• 菌种在固体培养基上可呈现多种不同代 谢类型的菌落，氮源品种越多，出现的 菌落类型也越多，不利于生产的稳定。
19
19
• 措施
– 培养基所用原料要经过发酵试验合格才可使 用
– 严格控制灭菌后培养基的质量 – 斜面培养基使用前，需在适当温度下放置一
定时间 – 供生产用的孢子培养基要用比较单一的氮源
，作为选种或分离用的培养基则采用较复杂 的有机氮源
• 通常接种量，细菌1~5%，酵母 菌5~10%，霉菌7~15%，有时
20~25%
30
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三、种子质量的控制措施
• 种子质量的最终指标是考察其在发酵罐 中所表现出来的生产能力。因此首先必 须保证生产菌种的稳定性，其次是提供 种子培养的适宜环境保证无杂菌侵入， 以获得优良种子。
高中生物新人教版选择性必修3传统发酵技术的应用(48张)课件
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第1章 发酵工程
30
2．在农村泡菜的制作方法：新鲜的蔬菜经过整理、清洗后，放入彻底 清洁并用白酒擦拭过的泡菜坛中，然后向坛中加入盐水、香辛料及一些 “陈泡菜水”；密封后置于阴凉处，最适环境温度为28～30 ℃，根据上述 内容回答下列问题： (1)用白酒擦拭泡菜坛的目的是__________。 (2)制作泡菜宜选用新鲜蔬菜，原因是____________________________。
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第1章 发酵工程
14
2．泡菜、果酒和果醋制作原理的比较
发酵 类型
发酵原理
反应式
பைடு நூலகம்
泡菜 发酵
无氧条件下，乳酸菌通过无氧呼吸产 C6H12O6――酶→
生乳酸
2C3H6O3(乳酸)＋能量
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第1章 发酵工程
15
发酵 类型
酒精 发酵
发酵原理
反应式
有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸大 C6H12O6＋6O2――酶→
量繁殖
6CO2＋6H2O＋能量
无氧条件下，酵母菌通过无氧呼吸产 C6H12O6――酶→
生酒精
2C2H5OH (酒精)＋2CO2＋能量
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第1章 发酵工程
16
发酵类型
发酵原理
反应式
乙酸 发酵
当 O2、糖源充足时，醋酸菌能 C6H12O6＋2O2――酶→
将糖分解成乙酸
2CH3COOH(乙酸)＋2CO2＋
联系
制作果醋时，可在果酒发酵的基础上进行果醋发酵
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第七章 发酵工程制药 生物技术制药PPT优质课件
.
2、微生物的酶
目前的酶多数来源于微生物发酵 医用酶制剂的生产 医药工业用酶 酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高
产量。 生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑
制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制 以及发酵条件等方面需给予注意。
.
3、微生物代谢产物发酵
包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代 谢产物。
第二章 发酵工程制药
.
第一节 概述
一、发酵工程 微生物工程:自催化 过程 完整的工业体系
.
(一)发酵的定义 1、传统发酵
最初发酵是用来描述酵母菌 作用于果汁或麦芽汁产生气 泡的现象，或者是指酒的生 产过程。
.
2、生化和生理学意义的发酵
指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质 产生能量的一种方式，或者更严格地说，发 酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能 反应。
对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必 需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。
各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或 停止生长时期即稳定期所 产生的，来自于中间代谢 产物和初级代谢产物。
.
1, 3-丙二醇两步发酵法
糖
酵母
甘油
伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等
1,3-丙二醇
.
4、微生物的生物转化
定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定 部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似 但具有更多经济价值的化合物。
如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒 精并放出CO2。
.
3、工业上的发酵
泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程, 包括：
1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、
2、微生物的酶
目前的酶多数来源于微生物发酵 医用酶制剂的生产 医药工业用酶 酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高
产量。 生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑
制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制 以及发酵条件等方面需给予注意。
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3、微生物代谢产物发酵
包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代 谢产物。
第二章 发酵工程制药
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第一节 概述
一、发酵工程 微生物工程:自催化 过程 完整的工业体系
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(一)发酵的定义 1、传统发酵
最初发酵是用来描述酵母菌 作用于果汁或麦芽汁产生气 泡的现象，或者是指酒的生 产过程。
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2、生化和生理学意义的发酵
指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质 产生能量的一种方式，或者更严格地说，发 酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能 反应。
对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必 需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。
各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或 停止生长时期即稳定期所 产生的，来自于中间代谢 产物和初级代谢产物。
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1, 3-丙二醇两步发酵法
糖
酵母
甘油
伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等
1,3-丙二醇
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4、微生物的生物转化
定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定 部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似 但具有更多经济价值的化合物。
如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒 精并放出CO2。
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3、工业上的发酵
泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程, 包括：
1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、
发酵工程 ppt课件
100%
酵母菌
单细胞真菌，具有真核细胞结构 ，有产孢子繁殖和水生、好气性 生长及醇发酵和糖发酵等类型。
80%
霉菌
丝状真菌的俗称，意即多细胞的 真菌，在自然界中广泛存在。
微生物的营养需求
水
微生物细胞的主要组成部分， 是良好的溶剂，能维持酶活性 ，参与代谢反应。
无机盐
参与细胞构成和代谢反应，对 细胞的渗透压平衡和酸碱平衡 起着重要作用。
利用发酵技术生产面包、啤酒 、酸奶等食品。
医药工业
生产抗生素、疫苗、干扰素等 生物药物。
化学工业
生产燃料、化学品、塑料等物 质。
环境治理
利用微生物处理废水、废气， 实现环境保护和治理。
02
发酵工程的基本原理
微生物的种类与特性
80%
细菌
根据形态可分为球菌、杆菌、螺 旋菌等，根据对人类的关系可分 为致病菌、条件致病菌和益生菌 。
细胞分离
通过离心、过滤等技术将菌体从发酵液中分离出 来。
产物纯化
通过一系列的分离纯化技术，如蒸馏、结晶、色 谱等，将产物纯化至所需的规格和纯度。
04
发酵工程的应用实例
酒精发酵Βιβλιοθήκη 010203
酒精发酵简介
酒精发酵是一种通过酵母 菌将糖类物质转化为乙醇 的过程，广泛应用于酒精 饮料、化工等领域。
酒精发酵工艺流程
提高产物的产量与质量
代谢工程
通过代谢工程手段，对微生物的代谢途径进行优化，提高目标产 物的产量和纯度。
过程控制
采用先进的传感器和在线监测技术，实时监测发酵过程，实现精 准控制，提高产物质量。
降低生产成本与环境污染
节能减排技术
采用新型发酵设备，提高设备利用率和能源利用效率，降低能耗和碳排放。
高中生物新人教版选择性必修3传统发酵技术的应用课件(42张)
(2)在制作果醋的过程中,醋酸菌从何而来?采取什么措 施可以加快果醋的制作过程? 提示:来自空气。为发酵液通入无菌空气。 (3)果醋表面会出现一层菌膜,该膜的形成与哪种微生物 有关? 提示:醋酸菌。 (4)若要评价制作的果醋是否成功,可采用什么方式? 提示:可通过观察菌膜的形成、嗅味和品尝等方式进行 。
30～35℃
需要充足的氧气
7～8d
2.制作过程。 (1)用具消毒:将发酵瓶、榨汁机等器具用洗洁精清洗干 净,并用体积分数为70%的 酒精 消毒,晾干备用
(2)挑选、冲洗葡萄:先 用清水冲洗1~2次 ,再去除枝梗和 腐烂的籽粒,沥干
(3)榨汁:用榨汁机榨取葡萄汁,将葡萄汁装入发酵瓶中, 盖好瓶盖
(4)果酒发酵
(5)封坛发酵:向坛盖边沿的水槽中注满水,并在发 酵过程中注意经常向水槽中补充水,根据室内 温度 控 制发酵时间
探究三 果酒和果醋的制作 阅读教科书第6、7页相关内容,分析“探究·实践:制作果
酒和果醋”,说明果酒和果醋的制作原理,简述果酒和果醋
制作的过程。
1.制作原理及发酵条件。
项目 制 菌种 作 原 反应 理
() A.用白酒擦拭泡菜坛的目的是消毒 B.加入“陈泡菜水”的作用是提供乳酸菌 C.若制作的泡菜“咸而不酸”,最可能的原因是大量的食盐
抑制了乳酸菌的发酵过程 D.制作泡菜过程中,有机物的干重和种类将减少
解析:制作泡菜时,用白酒擦拭泡菜坛的目的是消毒; “ 陈泡菜水”中含有大量的乳酸菌,因此加入“陈泡菜水” 可提供乳酸菌; “咸而不酸”是由于加入的食盐过多,抑 制了乳酸菌无氧呼吸产生乳酸的过程; 乳酸菌的生命 活动消耗有机物,将有机物转变成其他物质,因此有机 物的干重下降,种类增多。 答案:D
(4)为什么日常生活中要多吃新鲜蔬菜,不宜多吃腌制 蔬菜? 提示:腌制蔬菜中亚硝酸盐含量高,人体摄入过多的亚 硝酸盐会对身体造成危害。
发酵工程原理与技术课件
自然选育和诱变育种交替使用可获高产菌株。
•发酵工程原理与技术
•44
特殊变异菌的筛选方法
营养缺陷型突变株 抗阻遏和抗反馈突变型 组成型突变株 抗（敏感）性突变株
•发酵工程原理与技术
•47
高丝氨酸缺陷菌生产赖氨酸
必需氨基酸 食品、医药、畜牧业需要量很大 但在代谢过程中，一方面赖氨酸对天冬氨酸激酶有反馈抑制， 另一方面还同时生成苏氨酸和甲硫氨酸，使赖氨酸不能在细 胞内累积 高丝氨酸缺陷菌（不能合成高丝氨酸脱氢酶，补充适量高丝 氨酸）则合成大量赖氨酸
2
3
2
1
3 2
对照(HC0 =HC1+ HC2 + HC3) 诱变
3
•发酵工程原理与技术
( HC1＞ HC0 能力增强)
( HC2＜ HC0 能力减弱) ( HC3= HC0 能力不变)•42
•发酵工程原理与技术
•43
诱变后的突变株会继续变异，低单位菌株在传代过程 中往往占优势，因此复筛中常常出现产量高低不稳的状态， 必须进行自然分离—诱变育种和杂交育种必须环节。
•发酵工程原理与技术
•21
自然选育
自然选育：利用菌种自然突变(Spontaneous Mutation)进 行菌种筛选的过程。 自然突变：微生物在没有人工参与下所发生的突变。 引起自然突变两个原因：多因素低剂量的诱变效应和互变 异构效应。
•发酵工程原理与技术
前进
•22
自然突变
多因素低剂量诱变效应：自然突变实质上是由一些原 因不详的低剂量诱变因素引起的长期综合效应，如宇宙 空间各种短波辐射、自然界中普遍存在的一些低浓度诱 变物质以及微生物自身代谢活动中所产生的一些诱变物 质(如H2O2)的作用等。
•发酵工程原理与技术
•44
特殊变异菌的筛选方法
营养缺陷型突变株 抗阻遏和抗反馈突变型 组成型突变株 抗（敏感）性突变株
•发酵工程原理与技术
•47
高丝氨酸缺陷菌生产赖氨酸
必需氨基酸 食品、医药、畜牧业需要量很大 但在代谢过程中，一方面赖氨酸对天冬氨酸激酶有反馈抑制， 另一方面还同时生成苏氨酸和甲硫氨酸，使赖氨酸不能在细 胞内累积 高丝氨酸缺陷菌（不能合成高丝氨酸脱氢酶，补充适量高丝 氨酸）则合成大量赖氨酸
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1
3 2
对照(HC0 =HC1+ HC2 + HC3) 诱变
3
•发酵工程原理与技术
( HC1＞ HC0 能力增强)
( HC2＜ HC0 能力减弱) ( HC3= HC0 能力不变)•42
•发酵工程原理与技术
•43
诱变后的突变株会继续变异，低单位菌株在传代过程 中往往占优势，因此复筛中常常出现产量高低不稳的状态， 必须进行自然分离—诱变育种和杂交育种必须环节。
•发酵工程原理与技术
•21
自然选育
自然选育：利用菌种自然突变(Spontaneous Mutation)进 行菌种筛选的过程。 自然突变：微生物在没有人工参与下所发生的突变。 引起自然突变两个原因：多因素低剂量的诱变效应和互变 异构效应。
•发酵工程原理与技术
前进
•22
自然突变
多因素低剂量诱变效应：自然突变实质上是由一些原 因不详的低剂量诱变因素引起的长期综合效应，如宇宙 空间各种短波辐射、自然界中普遍存在的一些低浓度诱 变物质以及微生物自身代谢活动中所产生的一些诱变物 质(如H2O2)的作用等。
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第一节 概述 第二节 优良菌种的选育 第三节 发酵的基本过程 第四节 发酵方式 第五节 发酵工艺控制 第六节 发酵产物的提取 第七节 发酵设备 第八节 基因工程在发酵工程中的应用 第九节 发酵工程的发展展望
第一节 概述
一、发酵工程（fermentation engineering），又称 微生物工程：
及条件的优化、发酵过程参数控制、反应器的设 计） ❖ 产物的分离、提取与精制等（纯化） ❖ 发酵工业的生产水平取决于三个要素：
生产菌种、发酵工艺、发酵设备
第二节 优良菌种的选育
一、菌种选育的物质基础：遗传物质（DNA） 二、自然选育 不经过人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程 正变菌株：生长良好、生产水平提高、对生产有利的变异个体 负变菌株：生产能力下降、形态出现异性，生产水平下降，菌
通过微生物完整的细胞自催化完成生物化学反应 过程，微生物既能正常生长又能过量积累目的产 物，提供工业产品。
包括：抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶制剂、 蛋白质、基因工程药物、核酸类物质等。
❖ 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发 酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
1. 某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将 其他种类的微生物杀死。
分批培养的优缺点
部遗传密码转录和翻译的错误---移码突变。如吖啶类物质
三、诱变育种
（二）诱变和筛选 a. 诱变---以合适的诱变剂处理细胞悬浮液 包括：出发菌株的选择---诱变剂种类和诱变剂剂量的选择--合理的使用方法 b. 筛选---用合适的方法淘汰负变异株，选出性能优良的正
变异株
包括：初筛---重复筛选---突变株性能检测---直到获得新
③ PEG：相对分子质量（4000或6000）、浓度（30~40%） ④ 外界因素：高渗溶液配制、再生培养基中加入酵母膏促
进再生速度、原生质体密度要适当
3.原生质体融合育种
❖ 意义：打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因 重组。可使遗传物质传递更为完整、获得更多基因重组的 机会。去除了细胞壁屏障，融合重组频率比较高。可与其 他育种方法相结合，如把常规诱变和原生质体诱变所获得 的优良性状，组合到一个单株中。
❖ 用途：改良菌株，提高代谢产物的产量，打破种属界限、 产生重组子，有可能产生新的化合物。
第三节 发酵的基本过程
❖ 菌种---种子制备---发酵---发酵液预处理---提取精制
一、菌种 对生产菌种的要求：产量高、生长快、性能稳定、容易培养 生产菌种的保存：0~4℃休眠保存，砂土管或冷冻干燥管 二、种子的制备 使菌种繁殖，获得足够数量的菌体，以便接入发酵罐中 三、发酵 使微生物产生大量的目的产物，是发酵的关键阶段。 参数：通气量、搅拌转速、罐压、罐温、培养基总体积、黏 度、泡沫、菌丝形态、pH、溶氧浓度、排气中二氧化碳含量
素、抗生素、高分子化合物、杀菌剂、染料等。 对DNA的作用形式： a. 与一个或多个核酸碱基起化学反应，引起DNA复制时碱基配
对的转换而导致变异；如亚硝酸、硫酸二乙酯等 b. 与天然碱基相似的类似物掺入到DNA分子上引起的；如5-溴
尿嘧啶、8-氮鸟嘌呤等 c. DNA分子上减少或增加一两个碱基引起碱基突变点以下的全
倒位、缺失、重复） （3）染色体组突变：指由有丝分裂或减数分裂异常而产生
的染色体数目或组数的变化。
2.诱变剂及作用方式： 诱变剂：能诱发基因突变并使突变率提高到超过自发突变水 平的物理化学因子。 （1）物理诱变剂
紫外线、x射线、γ射线、快中子、α射线、β射线和 超声波等。
（2）化学诱变剂 金属离子、一般化学试剂、生物碱、抗代谢物、生长刺激
种退化 特点：纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产 量；但效率低、进展慢，通常将自然选育和诱变育种交替使用
三、诱变育种
用人工方法来诱发突变是加速基因突变的重要手段，突 变部位一般是在遗传物质DNA上，因此突变后性状能稳定的 遗传。 （一）方法和原理 1.诱变机制 （1）微小损伤突变：碱基置换、移码突变 （2）染色体畸变：由于遗传物质的缺失或重排造成（易位、
等 四、产物提取 发酵液的预处理和过滤，提取，精制
第四节 发酵方式
一、分批发酵 将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种、发酵
后再将发酵液一次放出的操作过程。 特点：（1）整个培养系统与外界没有其他物质交换（O2、 CO2、消泡剂、酸碱除外）
（2）整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物 浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法
1. 原生质体融合的一般程序：
溶壁作用：细菌、放线菌（溶菌酶）、真菌（蜗牛酶）、 霉菌（蜗牛酶、纤维素酶）
原生质体在高渗溶液下用PEG作助融剂，将两种亲株原生 质体进行融合
在选择培养基上培养，挑出融合重组子
2.影响融合的因素 ① 菌龄：一般采用对数前期的菌体，原生质体形成率较高
② 培养基成分：在限制性培养基上比在于完全培养基上原 生质体形成效果好，可能是由于完全培养基中的有机成 分或某些金属离子会引起细胞壁成分的改变，导致对溶 壁酶敏感：
① 自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素；开始 合成抗生素的时间提早，产量也有所提高
② 结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除反 馈抑制，积累过量产物
③ 营养缺陷型突变株及其回复突变株：解除反馈抑 制、阻断分支途径
四、原生质体融合
❖ 原生质体：除去细胞壁的细胞，或是被质膜所包围的裸露 细胞。 ❖ 原生质体融合：指通过人为的方法，使遗传性状不同的两 个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的 稳定重组子的过程。
2. 微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质 水解成可吸收的小分子多肽或氨基酸、葡萄糖。
3. 微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物 质，包括氨基酸、核苷酸等。
三、发酵工程的研究内容
❖ 生产菌种的培养和选育（菌种） ❖ 培养基制备和灭菌（培养基） ❖ 发酵条件的优化与控制（通气搅拌、溶氧、发酵
第一节 概述
一、发酵工程（fermentation engineering），又称 微生物工程：
及条件的优化、发酵过程参数控制、反应器的设 计） ❖ 产物的分离、提取与精制等（纯化） ❖ 发酵工业的生产水平取决于三个要素：
生产菌种、发酵工艺、发酵设备
第二节 优良菌种的选育
一、菌种选育的物质基础：遗传物质（DNA） 二、自然选育 不经过人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程 正变菌株：生长良好、生产水平提高、对生产有利的变异个体 负变菌株：生产能力下降、形态出现异性，生产水平下降，菌
通过微生物完整的细胞自催化完成生物化学反应 过程，微生物既能正常生长又能过量积累目的产 物，提供工业产品。
包括：抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶制剂、 蛋白质、基因工程药物、核酸类物质等。
❖ 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发 酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
1. 某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将 其他种类的微生物杀死。
分批培养的优缺点
部遗传密码转录和翻译的错误---移码突变。如吖啶类物质
三、诱变育种
（二）诱变和筛选 a. 诱变---以合适的诱变剂处理细胞悬浮液 包括：出发菌株的选择---诱变剂种类和诱变剂剂量的选择--合理的使用方法 b. 筛选---用合适的方法淘汰负变异株，选出性能优良的正
变异株
包括：初筛---重复筛选---突变株性能检测---直到获得新
③ PEG：相对分子质量（4000或6000）、浓度（30~40%） ④ 外界因素：高渗溶液配制、再生培养基中加入酵母膏促
进再生速度、原生质体密度要适当
3.原生质体融合育种
❖ 意义：打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因 重组。可使遗传物质传递更为完整、获得更多基因重组的 机会。去除了细胞壁屏障，融合重组频率比较高。可与其 他育种方法相结合，如把常规诱变和原生质体诱变所获得 的优良性状，组合到一个单株中。
❖ 用途：改良菌株，提高代谢产物的产量，打破种属界限、 产生重组子，有可能产生新的化合物。
第三节 发酵的基本过程
❖ 菌种---种子制备---发酵---发酵液预处理---提取精制
一、菌种 对生产菌种的要求：产量高、生长快、性能稳定、容易培养 生产菌种的保存：0~4℃休眠保存，砂土管或冷冻干燥管 二、种子的制备 使菌种繁殖，获得足够数量的菌体，以便接入发酵罐中 三、发酵 使微生物产生大量的目的产物，是发酵的关键阶段。 参数：通气量、搅拌转速、罐压、罐温、培养基总体积、黏 度、泡沫、菌丝形态、pH、溶氧浓度、排气中二氧化碳含量
素、抗生素、高分子化合物、杀菌剂、染料等。 对DNA的作用形式： a. 与一个或多个核酸碱基起化学反应，引起DNA复制时碱基配
对的转换而导致变异；如亚硝酸、硫酸二乙酯等 b. 与天然碱基相似的类似物掺入到DNA分子上引起的；如5-溴
尿嘧啶、8-氮鸟嘌呤等 c. DNA分子上减少或增加一两个碱基引起碱基突变点以下的全
倒位、缺失、重复） （3）染色体组突变：指由有丝分裂或减数分裂异常而产生
的染色体数目或组数的变化。
2.诱变剂及作用方式： 诱变剂：能诱发基因突变并使突变率提高到超过自发突变水 平的物理化学因子。 （1）物理诱变剂
紫外线、x射线、γ射线、快中子、α射线、β射线和 超声波等。
（2）化学诱变剂 金属离子、一般化学试剂、生物碱、抗代谢物、生长刺激
种退化 特点：纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产 量；但效率低、进展慢，通常将自然选育和诱变育种交替使用
三、诱变育种
用人工方法来诱发突变是加速基因突变的重要手段，突 变部位一般是在遗传物质DNA上，因此突变后性状能稳定的 遗传。 （一）方法和原理 1.诱变机制 （1）微小损伤突变：碱基置换、移码突变 （2）染色体畸变：由于遗传物质的缺失或重排造成（易位、
等 四、产物提取 发酵液的预处理和过滤，提取，精制
第四节 发酵方式
一、分批发酵 将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种、发酵
后再将发酵液一次放出的操作过程。 特点：（1）整个培养系统与外界没有其他物质交换（O2、 CO2、消泡剂、酸碱除外）
（2）整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物 浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法
1. 原生质体融合的一般程序：
溶壁作用：细菌、放线菌（溶菌酶）、真菌（蜗牛酶）、 霉菌（蜗牛酶、纤维素酶）
原生质体在高渗溶液下用PEG作助融剂，将两种亲株原生 质体进行融合
在选择培养基上培养，挑出融合重组子
2.影响融合的因素 ① 菌龄：一般采用对数前期的菌体，原生质体形成率较高
② 培养基成分：在限制性培养基上比在于完全培养基上原 生质体形成效果好，可能是由于完全培养基中的有机成 分或某些金属离子会引起细胞壁成分的改变，导致对溶 壁酶敏感：
① 自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素；开始 合成抗生素的时间提早，产量也有所提高
② 结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除反 馈抑制，积累过量产物
③ 营养缺陷型突变株及其回复突变株：解除反馈抑 制、阻断分支途径
四、原生质体融合
❖ 原生质体：除去细胞壁的细胞，或是被质膜所包围的裸露 细胞。 ❖ 原生质体融合：指通过人为的方法，使遗传性状不同的两 个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的 稳定重组子的过程。
2. 微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质 水解成可吸收的小分子多肽或氨基酸、葡萄糖。
3. 微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物 质，包括氨基酸、核苷酸等。
三、发酵工程的研究内容
❖ 生产菌种的培养和选育（菌种） ❖ 培养基制备和灭菌（培养基） ❖ 发酵条件的优化与控制（通气搅拌、溶氧、发酵