学习情景七微生物在工业生产中应用技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微生物应用技术,学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,微生物应用技术学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,1,主要内容,1,任务 微生物在工业生产中应用技术,学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,主要内容1任务 微生物在工业生产中应用技术学习情景七,2,认识工业发酵。,工业发酵的菌种和发酵特征，微生物在工业生产中应用技术。,固定化酶和固定化细胞发酵,【,学习内容,】,学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,认识工业发酵。【学习内容】学习情景七 微生物在工业生产中,3,了解工业发酵的菌种和发酵特征，微生物 在工业生产中应用技术。,了解固定化酶和固定化细胞发酵,【,知识目标,】,【,技能目标,】,能应用微生物在工业中生产。,学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,了解工业发酵的菌种和发酵特征，微生物 在工业生产中,4,任务 微生物在工业生产中应用技术,学习情景七 微生物在工业生产中应用技术,任务 微生物在工业生产中应用技术 学习情景七 微生物在工,5,微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许多是对人类有应用价值的。人们工业化规模培养微生物生产商业性产品，称为微生物工业，或者以微生物为主体生产产品的工业，也称之为微生物工业。,任务提出,任务 微生物在工业生产中应用技术,微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许,6,微生物种类繁多，容易变异，工业中菌种的选择和培育是生产之母；微生物代谢类型多，适应性强，微生物工业中的代谢调控是生产的关键；保持微生物工业产品的优质、高产和低耗，规模生产的设备和产物的处理是生产的重要组成。,微生物工业化规模的生产，不同于实验室的试验，也不同于实验工厂的中间试验，涉及的学科更多。,微生物工业产品众多，生产工艺各异，应用范围广泛，本章就微生物工业中有关微生物学方面的问题简要叙述。,任务分析,任务 微生物在工业生产中应用技术,微生物种类繁多，容易变异，工业中菌种的选择和培育是生,7,一、工业发酵的菌种和发酵特征,发酵：,指任何大规模生产过程，是不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用。,任务实施的相关专业知识,任务 微生物在工业生产中应用技术,发酵罐，也可叫做生物反应器 ：,进行工业发酵的容器,发酵结果：积累某些有机物，即产生多种多样的发酵产物。,应用：,在工、农、医、药、环保等领域，有经济和社会效益,商业性的发酵产品,：,发酏产物经发酵后的处理，如：分离、纯化或再加工等获得的产品。,一、工业发酵的菌种和发酵特征发酵：指任何大规模生产过程，是不,8,一、工业发酵的菌种和发酵特征,微生物的工业发酵：,利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品,。,任务 微生物在工业生产中应用技术,一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵：利用各种微生物,9,一、工业发酵的菌种和发酵特征,微生物的工业发酵基本过程：,任务 微生物在工业生产中应用技术,一、工业发酵的菌种和发酵特征微生物的工业发酵基本过程：任务,10,一、工业发酵的菌种和发酵特征,规模大：,即所用的设备庞大，占用场地,大，人力、物力投入大；,原料、能源：,消耗多；,菌种：,符合生产要求，生长代谢特性与大规模发酵相适应；,成本：,需进行核算,。,任务 微生物在工业生产中应用技术,大规模发酵特征：,一、工业发酵的菌种和发酵特征规模大：即所用的设备庞大，占用场,11,一、工业发酵的菌种和发酵特征,大型发酵罐：,特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐，它的结构、功能和应用的特点较突出地反映出大规模发酵的特征。,任务 微生物在工业生产中应用技术,一、工业发酵的菌种和发酵特征大型发酵罐：特别是用于好氧微生物,12,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,容积：,小型：,1,10m,3,(a),单个小型自动发酵罐,(b),系列小型试验发酵罐,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,13,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,容积：,大型：,510,5,1.510,5,m,3,发酵车间的大型发酵罐的顶部,露天的大型发酵罐群,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,14,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,大型发酵罐：,指容积在几十吨以上，用普通钢材或不锈钢材构造，它是顶端和底部被密封的大园柱体，在其内外装配着各种各样的管道、阀门和仪表。,大型发酵罐示意图,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,15,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,大型发酵罐的结构特点：,培养基的灭菌和温度,：罐体夹层和罐体内的盘旋管，用蒸气或冷却水的流通控制；,通气,：喷雾装置和搅拌器。,搅拌：,发酵罐内壁垂直地安装有挡板。,无菌轴封、观察孔，溶解氧监测器，温度监测仪，搅拌速度控制器，,pH,检测和控制器，酸、碱添加泵，泡沫破碎叶片，营养物的添加管道等设备和仪器。,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,16,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,大型发酵罐结构的作用：,监测发酵时氧浓度、温度、搅拌速度、,pH,值、泡沫状态、营养物的消耗情况、菌生长状况和产品形成等，并及时控制，以期达到最佳发酵条件，获得优质、高产、低成本的产品。,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,17,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,计算机用于发酵罐生产的监视和控制,的作用,：,根据生产过程中获得的各种资料的数据制作成的计算机软件，能够被用于生产的在线范围内，准确、及时地监测和控制整个发酵过程，使发酵生产顺利而正确地进行。,计算机用于制作发酵生产的数学模型，能检验生长和产物快速产生及相互作用的各种数据的效果，变更数据，显示它们是怎样影响生产的，对发酵工业生产具指导作用。,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,18,一、工业发酵的菌种和发酵特征,1.,用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用,任务 微生物在工业生产中应用技术,大型好氧发酵罐还须配备与其他的设备或系统：,菌种扩大培养系统、无菌空气供应系统、动力系统、培养基配制罐、储液罐 、后处理设备等。,一、工业发酵的菌种和发酵特征1.用于好氧菌的大型发酵罐的结构,19,一、工业发酵的菌种和发酵特征,2.,厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器,任务 微生物在工业生产中应用技术,工业发酵形式,：厌氧发酵和好氧发酵,差别：,厌氧菌大型发酵罐与省去无菌空气供应的装置和系统，发酵罐用钢材或钢筋混凝土或木料构成。,一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反,20,一、工业发酵的菌种和发酵特征,2.,厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器,任务 微生物在工业生产中应用技术,厌氧菌大型发酵罐,气升式发酵罐,一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反,21,一、工业发酵的菌种和发酵特征,2.,厌氧菌大型发酵罐和其它生物反应器,任务 微生物在工业生产中应用技术,氧利用率高的卧式发酵罐,啤酒连续发酵的发酵罐,一、工业发酵的菌种和发酵特征2.厌氧菌大型发酵罐和其它生物反,22,一、工业发酵的菌种和发酵特征,3.,发酵的逐级放大,任务 微生物在工业生产中应用技术,由实验室小型设备到试验工厂小规模设备的试验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产,。,逐级放大的三个阶段：,小试,(,小型试验,),、中试,(,中间试 验,),和大试,(,大规模工业性试验,),注意：,各阶段不是设备的简单放大，要调节温度、,pH,、溶解氧、细胞生长、产物形成等发酵参数，使用适宜于放大的设备，每个阶段都要有预期的目标和要求,。,一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务 微生物,23,一、工业发酵的菌种和发酵特征,3.,发酵的逐级放大,任务 微生物在工业生产中应用技术,小试,：指采用实验室的小型设备，包括三角玻璃瓶、,1,50m,3,发酵罐、实验室其它常规设备等进行的试验。,要求：,对培养基的成份和配比，,pH,值，培养温度，通气量的大 小等发酵条件进行大量试验，获得众多数据资料，得出小试中的发酵最佳条件。,作用：,达到小试的目标，初步评估出所发酵的产物是否具有效益和生产的可能性。,一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务 微生物,24,一、工业发酵的菌种和发酵特征,3.,发酵的逐级放大,任务 微生物在工业生产中应用技术,中试：指采用试验工厂或车间的小规模设备，例如：,100,5000m,3,发酵罐，与其相适应的分离、过滤、提取、精制等设备，根据小试阶段获得的最佳发酵条件进行放大试验。,要求：,验证、改进小试中的最佳发酵条件，更接近大规模生产，初步核算生成成本，为工业生产提供各种参数，还要提供足够量的产物，进行正式的功能性、安全性、质量分析鉴定等试验，取得有关的具法律效力的新产品等文件。,作用：,达到中试的目标。确定发酵产物能否进行工业性大规模生产，初步确定该产品生产的必要性和可行性。,一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务 微生物,25,一、工业发酵的菌种和发酵特征,3.,发酵的逐级放大,任务 微生物在工业生产中应用技术,大试：也可称为试验性生产，或工程性试验研究，是指用工业性大规模设备，包括大型发酵罐，分离、过滤、提取、纯化等大型设备，根据中试阶段获得的最佳发酵条件的参数进行试验性生产。,要求：,对中试中的最佳发酵条件进行验证、改进，生产出质量合格、具经济价值的商业性产品，并核算成本、制定生产规程等，取得具法律效力的生产许可证等有关证书。,作用：,达到大试的目标：确定发酵产物能否进行工业性大规模生产，生产该产品的必要性和可行性。,一、工业发酵的菌种和发酵特征3.发酵的逐级放大任务 微生物,26,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,微生物可看作是多种酶的包裹，工业发酵是合理控制和利用微生物酶的过程。,也可将提取出的酶用固体支持物,(,称为载体,),固定，使其成为不溶于水或不易散失和可多次使用的生物催化剂，利用它与底物作用制造产品。,可将酶从微生物细胞中提取出，将其与底物作用制造产品。,可将微生物细胞用载体固定，将反应物与其作用，制造产品或做其他用途。,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,27,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,游离酶或细胞：,未固定的酶或细胞用于工业生产。,固定化细胞：,固定的微生物细胞。,固定化酶,：,固定的酶。,固定化酶（细胞）发酵，或简称固定化发酵：,固定化酶（细胞）用于发酵。,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,28,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,可重复使用。,1.,固定化的优势,各有所长。,酶活力很高或细胞密度很大，而且抗酸、碱、温度变化的性能高，酶活力较稳定。,做成球形颗粒或薄片状，工艺操作简化，易于机械化和自动化，设备和器材较简易。,产品的分离、提纯等后处理较容易。,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,29,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,2.,固定化的几种类型,吸附固定化、包埋固定化、共价固定化、交联固定化、微囊固定化。,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,30,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,吸附固定法：,按照正、负电荷相吸的原理，酶或细胞吸附在载体的表面而被固定。,载体：,瓷碎片、玻璃球、尼龙网、棉花、木屑、毛发等，经一定操作处理后，将酶或细胞可吸附固定在其表面。,2.,固定化的几种类型,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,31,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,包埋固定法：,用大分子的有机或无机聚合物，将酶或细胞包裹，固定在其凝胶中。,载体：,琼脂、明胶、海藻酸钙、,-,角叉菜聚糖、聚丙烯酰胺等，经一定的操作处理后，将酶或细胞包埋在里面。,2.,固定化的几种类型,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,32,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,共价固定法：,酶或细胞与载体通过共价键而被固定。,酶或细胞溶液与含羧酸载体（,R-OOH,）或氨基载体（,R-NH,2,），在缩合剂碳化二亚胺作用下，经搅拌等处理，而制成固定化酶或细胞。,2.,固定化的几种类型,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,33,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,交联固定化：,酶分子或细胞上的化合物基团之间在双功能基团交联剂作用下，与载体上的化合基团相互交联呈网状结构而被固定。,所用的化学试剂的毒性能引起细胞破坏而损害细胞活性。,应用较少，戊二醛是最常用的交联剂。,2.,固定化的几种类型,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,34,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,微囊固定化：,利用高分子聚合物形成的半透膜将细胞包埋，形成微囊型固定化细胞，半透膜的孔径可以根据需要加以控制和改变。,微囊的直径为,1,2mm,的胶粒。,制备过程：,细胞用海藻酸钙包埋，制成胶粒，再用聚赖氨酸处理，外层包上一层聚赖氨酸薄膜，然后泡在柠檬酸钠溶液中，使海藻酸钙凝胶溶解。,2.,固定化的几种类型,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,35,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,固定化细胞培养折工艺流程：,2.,固定化的几种类型,保藏细胞,固定化细胞,细胞扩大培养,预培养,细胞活化,发 酵,无菌空气,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,36,二、固定化酶和固定化细胞发酵,任务 微生物在工业生产中应用技术,3.,固定化的应用,领域：饮料、医药、化工、能源、环保等,固定化细胞的应用实例,被固定的微生物细胞,所用载体和方法,底物,产物或用途,酿酒酵母,硅和聚氧乙稀碎片，吸附,葡萄糖,乙醇,酿酒酵母,魔芋葡甘露糖，共价,葡萄糖,乙醇,酿酒酵母,海藻酸钙，包埋,麦芽汁,啤酒,委内瑞拉链霉菌,明胶，微囊,葡萄糖,果糖,黑曲霉,甲基丙烯酸缩水甘油脂聚合物戊二醛交联,葡萄糖,葡萄糖酸,芽孢杆菌,聚丙烯酰胺，包埋,蛋白胨等,杆菌肽,粘质赛氏菌,卡拉胶，包埋,明胶，蛋白胨等,碱性蛋白酶,珊瑚诺卡氏菌,酚醛树脂，吸附,丙烯腈废水,处理废水,荧光假单胞菌,明胶，包埋,葡萄糖,血糖检测传感器,木醋杆菌,卡拉胶，包埋,乙醇,酒精检测传感器,柱孢鱼腥蓝细菌,玻璃珠，吸附,光解水,链鱼腥蓝细菌,链鱼腥蓝细菌,海藻酸聚赖氨酸，微囊,N,2,固 氮,荨麻青霉,角叉菜聚糖，包埋,葡萄糖，酵母提取物,棒曲霉素,丙酸细菌,光交联树脂，包埋,硫酸钴、甘氨酸 等,B,12,谷氮酸棒杆菌,聚丙烯酰胺，包埋,葡萄糖等,L-,谷氨酸,二、固定化酶和固定化细胞发酵 任务 微生物在工业生产中应用,37,三、固态发酵,又称固体发酵，指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程。,任务 微生物在工业生产中应用技术,要求,：,含水量约,50%,，无游离水流出，,“,手握成团，落地能散,”,，也可称为半固体发酵,固态的湿培养基,三、固态发酵又称固体发酵，指微生物在没有或几乎没有游离水的固,38,三、固态发酵,固态发酵生产的实例,任务 微生物在工业生产中应用技术,菌种,固态培养基的主要基质,产 品,地衣芽孢杆菌,麸皮、谷糠、豆饼粉,蛋白酶,苏云金芽孢杆菌,肥土、麸皮、豆饼粉、硫酸 铵,Bt,杀虫剂,白僵菌,麸皮、谷壳、玉米芯粉,白僵菌杀虫剂,细黄链霉菌,棉饼粉、肥土、蔗糖,抗生菌肥 料,圆生蘑菇,秸杆、粪、棉子壳、碳,蘑菇,香菇,木材，秸杆,香菇,米曲霉,谷物，麸皮，秸杆,淀粉酶,黑曲霉,麸皮，米糠，豆饼粉,有机酸,硫杆菌,低品位矿石,金属浸出,腐乳毛霉,大豆制品,豆腐乳,产朊假丝酵母,甘蔗渣，甜菜渣,单细胞蛋白,三、固态发酵固态发酵生产的实例 任务 微生物在工业生产中应,39,三、固态发酵,选择发酵工艺的依据：,菌种、原料、设备、所需产品、技术等，比较两种工艺中那种可行性和经济效益高,。,任务 微生物在工业生产中应用技术,固态发酵与液态发酵相比的优、缺点,优点,缺点,1.,培养基含水量少，废水废渣少，环境污 染少，容易处理。,1.,菌种限于耐低水活性,(Aw),的微生物，菌种选择性少。,2.,能源消耗量低，供能设备简易。,2.,发酵速度慢，,周期较长。,3.,培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉。,3.,天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量。,4.,设备和技术较简易，较低的投资。,4.,工艺参数难测准,和控制。,5.,产物浓度较高，,后处理较方便。,5.,产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大。,三、固态发酵选择发酵工艺的依据：任务 微生物在工业生产中应,40,三、发酵的主要产品,任务 微生物在工业生产中应用技术,传统产品：,酿造业的酒、醋、酱、乳酪。,微生物工业的产品分类：,按出现的年代,传统产品、近代产品和现代产品,现代产品,：以,20,世纪,80,年代出现的基因工程产品,胰岛素、,-,干扰素、乙肝疫苗等。,近代产品：,20,世纪,40-50,年代开始的产品,抗生素、氨基酸、有机酸。,三、发酵的主要产品 任务 微生物在工业生产中应用技术 传,41,三、发酵的主要产品,任务 微生物在工业生产中应用技术,各行业的微生物工业及其产品举例,名 称,产品举例,食品微生物工业,面包、乳酪、味精、肌苷酸、赖氨酸 、维生素、食用菌,酿造微生物工业,酒、食用醋、酱油、柠檬酸,药用微生物工业,青霉素、链霉素、维生素,E,、精氨酸、基因工程菌产的活性肽,医用微生物工业,菌苗、疫苗、诊断试剂、葡聚糖、甾体激素,环保微生物工业,有益菌剂、分解酚菌剂、石油净化剂,能源微生物工业,乙醇、沼气、氢气、微生物电池,农业微生物工业,赤霉素、井冈霉素、,Bt,杀虫剂、菌肥,林业微生物工业,菌根菌剂、放线菌酮、病毒杀虫剂、食用菌,饲料微生物工业,单细胞蛋白、土霉素、蛋氨酸,兽医药微生物工业,土霉素、菌苗、疫苗、诊断试剂,冶金微生物工业,富集铜菌剂、富集铀菌剂,化工微生物工业,丙酮、丁醇、醋酸、衣康酸、,PHB,、丙烯酰胺,轻工微生物工业,甘油、乳酸、酶制剂,石油微生物工业,黄原胶、嗜石油酵母,军用微生物工业,菌苗、疫苗、细菌武器检测和预防产品,三、发酵的主要产品 任务 微生物在工业生产中应用技术 各行,42,