化學(xué)微生物學(xué)第六章 發(fā)酵

第六章微生物的代謝與發(fā)酵第二節(jié)微生物發(fā)酵及其特征主要內(nèi)容一、發(fā)酵的定義及應(yīng)用范圍二發(fā)酵工程及發(fā)酵工業(yè)三發(fā)酵方法的類別與流程四我國發(fā)酵工業(yè)的科技進(jìn)步提問：什么是發(fā)酵微生物發(fā)酵技術(shù)

1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！卑退沟抡J(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。

同時，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。

一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵1、傳統(tǒng)發(fā)酵

最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。3、工業(yè)上的發(fā)酵

泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程包括：1.厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。2.通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。提問：發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)酵工程應(yīng)用范圍食品工程酶工業(yè)氨基酸工業(yè)有機(jī)酸工業(yè)飼料工業(yè)新材料開發(fā)生物化工環(huán)境保護(hù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用這是生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域，含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等飲料酒類產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、影響面廣，許多國家利用生物工程的技術(shù)改革舊工藝已取得明顯效果，收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益。用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等食品添加劑：面包酵母、味精(谷氨酸單納)、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸(均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食品保鮮劑)、乳鏈菌肽(食用防腐劑)。新型發(fā)酵飲料活性乳酸飲料。微生物與飲食、調(diào)味品

青紅方醬，醬油，豆食用醋發(fā)酵飲料味精發(fā)酵面食食用藥用菌食用色素食品添加劑淹漬蔬菜Cncnc-micro發(fā)酵食品市場主要原料：橄欖、卷心菜和腌黃瓜。1999年韓國國內(nèi)泡菜市場產(chǎn)值約為16.7億美元。1998年日本泡菜生產(chǎn)量達(dá)18萬噸，市場為13億美元，在國際市場上日韓兩國占據(jù)了95%以上的份額。2000年，中國泡菜工業(yè)的市場銷售額約為10億元，中國泡菜的代表之一-------四川泡菜企業(yè)出口總額約500萬美元，僅占國際泡菜市場總量的3%。A各種抗生素：抗細(xì)菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤天然、合成、半合成B、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得C、維生素D、甾體激素生物技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用E、生物制品：生于預(yù)防、診斷或治療傳染病F、單克隆抗體、抗體與抗原具有高度親和性，用于制備診斷盒、治療疾病或作為生物導(dǎo)彈藥物的運(yùn)載工具。純化抗原類物質(zhì)，菌種鑒別。G、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物生物技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用抗生素：目前世界各國可用發(fā)酵法生產(chǎn)的抗生素約400種，其中廣泛應(yīng)用的大約120種。l980年世界總產(chǎn)量約為25000噸。僅青、四、紅和頭孢四類抗生素的產(chǎn)值就達(dá)42億美元，最大的發(fā)酵罐為400立方米。進(jìn)入90年代后，全球生產(chǎn)與銷售的各類抗生素原料藥平均每年約在3萬噸以上，總價值約為250一300億美元，1992一1993年度實(shí)際增長率為4%。美國抗感染藥物市場銷售額1992年達(dá)60.71美元。醫(yī)藥市場維生素發(fā)酵生產(chǎn)的維生素，1982年世界產(chǎn)量為6萬噸左右，六種維生累的總銷額為6.7億美元。在1969—1980年間，每年銷售量遞增10×，1981—1991年間仍以7一8％的速率遞增。目前，全球范圍內(nèi)使用最為普遍的是VA、VC和VE，三都每年市場銷售額近20億美元，其中VE超過10億美元，其余為VB族，每個品種都有0.5-1.5億美元的市值。在各種用途中，維生素作為動物飼料的市場正以每年2-3％速度增長，在藥用和食品領(lǐng)域都以4-5％的速度增長。甾體激素目前世界市場的年銷售額為67億元，今后仍將以6—10％的速率遞增。最近正在興起用固定化細(xì)胞進(jìn)行甾體轉(zhuǎn)化，將是一個有發(fā)展前途的新工藝，目前國際上正在研究中的除干擾素以外、還有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余種。今后幾年內(nèi)，在重組DNA的．工作逐步深入當(dāng)中，定會對人類和牲畜健康引起實(shí)質(zhì)性的改善。糖酶：a-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶、異構(gòu)酶、半乳糖酶、纖維素酶。蛋白酶：堿性、酸性、中性蛋白酶果膠酶脂肪酶凝乳酶過氧化氫酶。

應(yīng)用于輕工、食品用酶的生產(chǎn)應(yīng)用于化工能源產(chǎn)品的生產(chǎn)利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)：烷烴、醇及溶劑、有機(jī)酸、多糖等酵母生產(chǎn)燃料乙醇沼氣在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面，美國計劃解決全國能源需要量的10％，工業(yè)有機(jī)廢水(渣)的利用在西歐轉(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建成了許多大型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收沼氣8800萬立方米。氫能生物柴油5、飼料工業(yè)方面隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益減少，動、植物蛋白的來源受到了限制，高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個十分突出的問題。微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占45—55％(干物質(zhì))、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)的重要來源。另外，藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公頃所得蛋白比小麥多20一35倍。Cncnc-micro一個20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當(dāng)于3000升柴油的燃料。

一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當(dāng)于50噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻6、冶金工業(yè)方面細(xì)菌浸礦，即利用細(xì)菌的直接和間接作用對礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。細(xì)菌浸出的金屬也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余種，但大規(guī)模生產(chǎn)的只有銅和鈾(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在積極開展此項(xiàng)研究和生產(chǎn)。美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的10％以上，加拿大用細(xì)菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達(dá)230噸。據(jù)世界20個礦山資料表明，每年用細(xì)菌浸出約銅達(dá)20萬噸?？共?、殺蟲抗生素單細(xì)胞蛋白食用和藥用真菌生物農(nóng)藥生物肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機(jī)廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進(jìn)而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細(xì)菌的作用再分解為甲烷和CO2。好氣發(fā)酵（活性污泥）法：指在曝氣情況下，用某些能降解有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細(xì)菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對工業(yè)或生活污水進(jìn)行處理。在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等方面，微生物工程也同樣能發(fā)揮獨(dú)持的作用，如：與化學(xué)法相結(jié)合，選育相應(yīng)的優(yōu)良菌種，以乙烯和丙烯腈為原料，分別生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙二醇等，利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構(gòu)建超級細(xì)菌，處理大面積的海面石油污染等。噴灑工程菌清除石油污染微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池二、發(fā)酵工程及發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工程定義

發(fā)酵工程是滲透有工程學(xué)的微生物學(xué)。是利用微生物的特定性狀，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)產(chǎn)生有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)、以把糧食、能源、化學(xué)制品、環(huán)境控制等全球性課題聯(lián)系起來的一種技術(shù)體系。是將傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與DNA重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。利用微生物的特點(diǎn)

發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌。

利用微生物的特點(diǎn)：

(1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力。(2)有極強(qiáng)的消化能力。(3)有極強(qiáng)的繁殖能力。發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程原始材料：包括菌種，培養(yǎng)基的糖類，氮源及某些微量元素；上游過程：(1)對菌種加以改造，提高生產(chǎn)能力或者導(dǎo)入外源基因等以獲得工程菌；(2)發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化，是通過優(yōu)化發(fā)酵條件如溫度、營養(yǎng)、供氣量等。利用工程菌的生物合成，加工和修飾等以獲得目的產(chǎn)物；下游過程：是運(yùn)用生物化學(xué)、物理學(xué)方法分離、純化產(chǎn)品，最終將產(chǎn)品推向市場并獲得社會或經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)酵工程Continuouscentrifuges發(fā)酵工程研究內(nèi)容主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴(yán)格的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型，并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程簡介應(yīng)用發(fā)酵工程的生產(chǎn)實(shí)例發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容發(fā)酵工程的應(yīng)用菌種的選育培養(yǎng)基的配制滅菌擴(kuò)大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程和分離提純谷氨酸的微生物發(fā)酵法生產(chǎn)