DOC《《微生物工程》教案》

《微生物工程》教案 授课教师:张爱梅 西北师范大学生命科学学院 2013年4月 课程名称 微生物工程 课程代码

74022718 学分

2 总学时

36 理论学时

36 课程性质 基础课( ) 专业必修课( ) 专业限选课(√) 专业任选课( ) 教学手段 多媒体 任课教师 张爱梅 职称 副教授 授课时间 2012~2013学年第一学期 授课对象 2010级生物技术1班教学目的与 要求通过系统地讲授微生物工程的原理、方法、生产设备、应用及进展,使生物技术专业类的学生对微生物工程的最新成就、原理和生产方法等有较全面地了解,扩大学生眼界,使其能够更加适应市场经济的需要.

通过本课程的学习使学生将理科的有关知识与必要的工程技术有机的结合起来,使学生既能掌握比较专业的理论知识,又能掌握工程技术方面的基本计算和设计工艺流程的原理和方法. 教学基本要求掌握微生物工程的基本原理及规律,熟悉微生物工程生产的常用设备,使学生既学到比较专业的微生物学理论知识,又掌握工程技术方面的基本计算和设计工艺流程的原理和方法. 教材曹军卫主编《微生物工程》(第二版) 主要参 考资料 《微生物工程》 (吴松刚) 科学出版社

2004 《微生物工程工艺原理》 (姚汝华) 华南理工大学出版社

2005 《新编生物工艺学》 (俞俊棠) 化学工业出版社

2003 《发酵工艺原理》 (熊宗贵) 中国药科大学出版社

2000 《发酵工程与设备》 (邱立友) 中国农业出版社

2007 《现代生物工艺学》 (储炬) 华东理工大学出版社

2008 《微生物发酵过程多尺度研究与优化》 (张嗣良) 化学工业出版社

2003 《 Fermentation Microbiology and Biotechnology 》(E. M. T. El-Mansi, C. F. A. Bryce, Arnold L. Demain ) Taylor &

Francis

2011 院系审阅意见 系主任签字:年月日教学内容与学时分配 教学时数 教学内容 讲课 实验 小计 备注绪论 2学时 2学时 实验课单独开设

第一章 菌种的来源 2学时 2学时

第二章 优良菌种的选育 2学时 2学时

第三章 菌种保藏的原理及方法 1学时 1学时

第四章 微生物的代谢调节和代谢工程 3学时 3学时

第五章 微生物发酵培养基 2学时 2学时

第六章 发酵工艺控制 8学时 8学时

第七章 发酵过程的参数检测 2学时 2学时

第八章 微生物反应动力学 3学时 3学时

第九章 培养基灭菌及灭菌设备 3学时 3学时

第十章 发酵设备 3学时 3学时 第十一章 发酵设备过程的优化与放大概论 2学时 2学时 第十二章 空气除菌设备 2学时 2学时 第十三章 微生物工程展望 1学时 1学时 绪论 1.1 发酵及发酵工程 一. 发酵的定义 1,发酵一词的来源 发酵 (Fermentation)一词是拉丁语 沸腾 (fervere)的派生词,它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象.产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的. 2,狭义 发酵 的定义 在生物化学或生理学上发酵是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. 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳.同时获得能量,丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等. 3,广义 发酵 的定义 工业上所称的发酵是泛指利用生物(微生物或动植物)细胞制造或生产某些产品的过程,它包括厌氧培养的生产过程,如酒精、丙酮丁醇、乳酸等,以及通气(有氧)培养的生产过程,如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产.产品既有细胞代谢产物,也包括菌体细胞、酶等. 4,发酵工程的定义 1) 国际纯粹及应用化学联合会(1981年) 将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程(包括医药卫生、能源及农业产品)及环境保护的技术 2).国际经济及合作发展组织(1982年) 应用自然科学及工程学原理、依靠生物作用剂(Biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术 3). Murry Moo-Young(1985年) 对生物作用和生物物料加以评价和利用,并进行工业产品生产的技术 4). Higgins 生物系统或生物过程的工业利用,它很大程度上取决于对生物系统及其催化作用专门知识的认识. 发酵工程(Fermentation Biotechnology) 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理,利用微生物等生物细胞进行酶促转化,将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学. 发酵过程的组成部分 1.发酵过程的组成 繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定;

培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌;

培养出有活性、适量的纯种,接种入生产的容器中;

微生物在最适合于产物生长的条件下,在发酵罐中生长;

产物提取和精制;

过程中排出的废弃物的处理. 3.发酵生产的条件 某种适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件(培养基组成,温度,溶氧pH等) 进行微生物发酵的设备 提取菌体或代谢产物,精制成产品的方法和设备 发酵工程的地位 1. 生物工程重要的组成部分 发酵工程( Fermentation ) 酶工程 (蛋白质工程) (Enzyme engineering &

Protein engineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程 ( Cell engineering ) 2. 生物工程中其他技术产业化表达的重要手段 基因工程菌 动植物细胞培养 3. 生命科学研究的对象或载体地位 基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 二.发酵工程的特点 发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应.其主要特点如下: 1.发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应,反应安全,要求条件也比较简单. 2.发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主,只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应.微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养.基于这―特性,可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新. 3.发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的,反应的专一性强,因而可以得到较为单―的代谢产物. 4.发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要.除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外,反应必须在无菌条件下进行.如果污染了杂菌,生产上就要遭到巨大的经济损失,要是感染了噬菌体,对发酵就会造成更大的危害.因而维持无菌条件是发酵成败的关键. 5.由于生物体本身所具有的反应机制,能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应,也可以产生比较复杂的高分子化合物. 6.微生物菌种是进行发酵的根本因素,通过变异和菌种筛选,可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用,也可以因此获得按常规方法难以生产的产品. 7.工业发酵与其他工业相比,投资少,见效快,开可以取得显著的经济效益.

三、发酵的类型 1.按发酵原料来区分 糖类物质发酵 石油发酵 废水发酵 2.按发酵形式来区分 固态发酵 深层液体发酵 3.按发酵产物区分 氨基酸发酵 有机酸发酵 抗生素发酵 酒精发酵 维生素发酵 酶制剂发酵 4.按发酵工艺流程区分 分批发酵 连续发酵 流加发酵 5.按发酵过程中对氧的不同需求来分 厌氧发酵 通风发酵 发酵产品的类型 工业上的发酵,有四个主要类别:

一、菌体 工业生产的微生物体,可分为二种: 1.供制备面包用的酵母;

2.作为人类或动物的食物的微生物细胞(单细胞蛋白质).

二、微生物的酶 工业上,曾由植物、动物和微生物生产酶.微生物的酶可以用发酵技术大量生产,是其最大的优点.而且与植物或动物相比,改进微生物的生产能力也方便得多.酶的生产是受到微生物本身严格控制.为改进酶的生产能力可以改变这些控制,如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术,以消除反馈阻遏作用.

三、微生物代谢产物 1.代谢产物的类别 初级代谢产物:氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等. 次级代谢产物:有些微生物的稳定期培养物中所含有的化合物,并不在营养期时出现,而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响.例如,抗生素. 2.初级代谢产物及其在工业上的应用 (1)第一个阶段(19世纪以前) 产品只限于含酒精饮料和醋 古埃及已经能酿造啤酒 (2)第二个阶段(1900年~1940年) 主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养 技术 在一次大战时,Weizmann开拓了丁醇丙酮发酵,并建立了真正的无杂菌发酵 (3)第三个阶段(1940年以后) 这以阶段的标志是,在纯种培养技术下,以深层培养生产青霉素 解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题 (4)第四个阶段(1960年以后) 以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐 工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法 (5)第五个阶段(1979年以后) 这个阶段以基因工程产品的生产为标志. 目前,世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种,如:胰岛素、人生长激素等等. 3.工业化成功利用催化生产的有机化合物 4.微生物酶促转化与化学合成有机结合 5,现代生物技术的发展 1.2 发酵工程的应用 一.发酵工程在食品,轻工业领域的展望 高产菌种和特殊环境微生物的遗传育种 新酶品种开发和应用 食品添加剂新品种开发和应用 生物技术产物工业规模的分离和提取 二.发酵工业范围 1. 酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等) 2.食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等) 3.有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等) 4.抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等) 5.有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等) 6.酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等) 7. 氨基酸发酵工业(谷氨酸,赖氨酸等) 8. 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等) 9. 维生素发酵工业(维生素、维生素等) 10.生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等) 11.微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等) 12.微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、污水等) 13.生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等,能源物质) 14.微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等) 三.发酵产品的应用领域 1,医药 2,食品 3,化工 4,纺织 5,轻工 6,环保 四.发酵罐等生物反应器规模 谷氨酸 100~200m3 最大660m3 啤酒600m3(露天) 柠檬酸 220m3 酶制剂 90m3 酵母培养罐 170m3 黄酒 200m3 酒精 5*1500m3 五.国外发酵工业的发展趋势 1.生物转化(或生物合成)技术成为国外著名化学公司争夺的热点,并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移 2.生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 3.利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料,是化学工业发展的一个重要趋势. 4.传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良.许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造,大大地提高了产量.在以基因工程为主导的现代生物技术产品中,医药生物技术产品占75%左右. 六.国内发酵工业的发展概况 我国传统发酵历史悠久,在《黄帝内经素向》、 《汤液醪醴论》里,已有酿酒的记载.白酒的起源,当在元朝以前,尚待考证.酱油的酿造,当始自周朝.在汉武帝时代开始有了葡萄酒,距今已有两千多年的历史. 数千年来由于科学技术进步缓慢,各种微生物工业也未能充分发展.直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业.近几年来,由于生物新技术的应用,发酵工业开始进入新的发展时期. 1.白酒 中国的酿酒业,距今已有数千年的历史渊源.白酒是我国特有的、具有悠久历史的传统酒种. 1949年新中国成立时,我国白酒的产量只有10.8万t . 1996年,我国白酒产量达到历史高峰,总量达到801.30万................