發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)張水生

辦公室：SC313

電話習(xí)內(nèi)容掌握發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)展過程、特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展方向；了解典型發(fā)酵產(chǎn)品的一般工藝及生產(chǎn)控制。學(xué)習(xí)內(nèi)容微生物與發(fā)酵生物化工的發(fā)展過程發(fā)酵產(chǎn)品的類型我國(guó)生物化工的現(xiàn)狀及發(fā)展方向微生物發(fā)酵生產(chǎn)過程崗位基本職責(zé)要求基本概念生物化工常見的產(chǎn)品：干擾素、促紅細(xì)胞生長(zhǎng)素等（昂貴，年需求量?jī)H為千克級(jí)）；抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農(nóng)業(yè)生化制品等（低價(jià)位產(chǎn)品，年需求量逾萬(wàn)噸）。基本概念發(fā)酵“發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語(yǔ)“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。基本概念發(fā)酵狹義“發(fā)酵”的定義：在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物在無(wú)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(shuō)，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(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳，同時(shí)獲得能量；丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。基本概念發(fā)酵廣義“發(fā)酵”（工業(yè)發(fā)酵）：工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品既有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。直擊典型企業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)特點(diǎn)發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：條件溫和：發(fā)酵過程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。發(fā)酵所用的原料簡(jiǎn)單粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)。基于這一特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。發(fā)酵生產(chǎn)特點(diǎn)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以生產(chǎn)比較復(fù)雜的高分子化合物。微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)酵生產(chǎn)特點(diǎn)發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵過程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。發(fā)酵類型按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分糖類物質(zhì)發(fā)酵石油發(fā)酵廢水發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分固態(tài)發(fā)酵深層液體發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分氨基酸發(fā)酵有機(jī)酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵工藝流程區(qū)分分批發(fā)酵分批補(bǔ)料發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵機(jī)理（過程中對(duì)氧的需求不同）區(qū)分好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分氨基酸發(fā)酵有機(jī)酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵典型生產(chǎn)過程典型生產(chǎn)過程微生物發(fā)酵制藥的一般過程

提取精制發(fā)酵液預(yù)處理成品包裝成品檢驗(yàn)凈化空氣冷凍管菌種斜面孢子搖瓶培養(yǎng)二級(jí)種子罐發(fā)酵罐一級(jí)種子罐培養(yǎng)基配制原料培養(yǎng)基滅菌典型生產(chǎn)過程培養(yǎng)基制備：繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；滅菌：培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；種子制備：培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中；發(fā)酵工藝控制：微生物在最適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)；產(chǎn)物提取和精制：“三廢”處理：過程中排出的廢棄物的處理。傳統(tǒng)發(fā)酵生產(chǎn)：發(fā)酵食品、抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機(jī)酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等。現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)：基因工程藥物、疫苗及抗體產(chǎn)品。產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等行業(yè)發(fā)展過程自然發(fā)酵

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純種發(fā)酵

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深層通風(fēng)發(fā)酵

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代謝控制發(fā)酵

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原料轉(zhuǎn)變

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分子生物學(xué)時(shí)代大曲制備白酒黃酒醬油醋醬類泡菜發(fā)展過程-自然發(fā)酵酒精發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵檸檬酸發(fā)酵（表面培養(yǎng)）發(fā)展過程-純種發(fā)酵1941（二次世界大戰(zhàn)），青霉素生產(chǎn)。1943年美英科學(xué)家和工程師把化工行業(yè)的通風(fēng)攪拌技術(shù)引入發(fā)酵行業(yè)，設(shè)計(jì)了帶有通風(fēng)攪拌裝置和通入無(wú)菌空氣的密閉發(fā)酵罐。發(fā)展過程-深層通風(fēng)發(fā)酵1957年日本人木下祝郎，發(fā)現(xiàn)了谷氨酸棒桿菌，隨后谷氨酸發(fā)酵成功，氨基酸、核苷酸發(fā)酵興起。這一類屬于在DNA分子水平上，通過遺傳學(xué)或其其它生物化學(xué)的手段，人為地改變、控制微生物代謝，使有用產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵。發(fā)展過程-代謝控制發(fā)酵非糧食原料的轉(zhuǎn)變。隨著利用石油低碳化合物進(jìn)行發(fā)酵的菌種發(fā)現(xiàn)，使其生產(chǎn)SCP（simplecellprotein）。纖維素、半纖維素是待開發(fā)的能源。發(fā)展過程-發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)變隨著微生物遺傳學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程等學(xué)科的發(fā)展，使人們有可能按照意志設(shè)計(jì)新的生命體。生物技術(shù)將成為21世紀(jì)的十大科技之一。例如胰島素、干擾素、細(xì)胞白介素、促紅細(xì)胞生長(zhǎng)素等。。發(fā)展過程-分子生物學(xué)時(shí)代發(fā)展過程-現(xiàn)代生物技術(shù)的三次浪潮1980-19901991-20002001-生物醫(yī)藥公司數(shù)量第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮轉(zhuǎn)基因植物工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)是工業(yè)生物技術(shù)的主要部分，由于國(guó)家需求和社會(huì)發(fā)展，主要目標(biāo)已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題有機(jī)酸發(fā)酵。技術(shù)內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展為緊密依靠生物學(xué)、工程學(xué)基礎(chǔ)研究的工程技術(shù)。發(fā)酵工業(yè)與其它學(xué)科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué)。發(fā)展現(xiàn)狀-關(guān)鍵技術(shù)問題1微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物(產(chǎn)量)的條件是什么？

高產(chǎn)量

便于產(chǎn)品分離提取關(guān)鍵問題工程意義2底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(轉(zhuǎn)化率)的條件是什么？糧食原料為底物

高轉(zhuǎn)化率

降低原料成本3

微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的條件是什么？分批操作為主

高生產(chǎn)強(qiáng)度

縮短生產(chǎn)周期發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)是工業(yè)生物技術(shù)的主要部分，由于國(guó)家需求和社會(huì)發(fā)展，主要目標(biāo)已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題有機(jī)酸發(fā)酵。技術(shù)內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展為緊密依靠生物學(xué)、工程學(xué)基礎(chǔ)研究的工程技術(shù)。發(fā)酵工業(yè)與其它學(xué)科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué)。發(fā)酵工業(yè)-我國(guó)生產(chǎn)規(guī)模大醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一維生素C、氨基酸(味精)、有機(jī)酸(如檸檬酸）等產(chǎn)量世界第一產(chǎn)品種類多發(fā)酵工業(yè)大國(guó)發(fā)酵工業(yè)-我國(guó)工藝技術(shù)落后（生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%）創(chuàng)新品種較少（部分產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口）不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國(guó)產(chǎn)品每噸排放廢水硫氰酸紅霉素500噸，COD10萬(wàn)mg/L味精COD6-7萬(wàn)mg/L廢母液近20噸，總排400噸檸檬酸COD1-4萬(wàn)mg/L中和廢水10噸，總排300噸發(fā)酵工業(yè)-我國(guó)環(huán)境污染嚴(yán)重（每年廢水達(dá)80億m3(工業(yè)排放總量10%)，COD排放500萬(wàn)噸(20％)）不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國(guó)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)水平國(guó)際水平谷氨酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸產(chǎn)酸14-16％25％頭孢菌素30000-35000u/ml40000u/ml以上維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率94％糖酸轉(zhuǎn)化率97％發(fā)酵工業(yè)-我國(guó)工藝技術(shù)落后（生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%）不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國(guó)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)水平國(guó)際水平谷氨酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸產(chǎn)酸14-16％25％頭孢菌素30000-35000u/ml40000u/ml以上維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率94％糖酸轉(zhuǎn)化率97％發(fā)酵生產(chǎn)過程崗位基本職責(zé)要求認(rèn)真執(zhí)行操作工的“六嚴(yán)格”掌握操作人員應(yīng)具備的知識(shí)和技能

做好工作區(qū)的“6S”工作進(jìn)入設(shè)備貫徹“八個(gè)必須”各種