《发酵技术基础》课件

发酵技术基础欢迎来到发酵技术基础课程！本课程将带您深入了解发酵技术的原理、应用及发展从微生物的基础知识到发酵工程的实践操作，我们将逐步揭开发酵技术的神秘面纱通过本课程的学习，您将掌握发酵技术的核心知识，为未来的科研或工业应用打下坚实的基础让我们一起开启这段精彩的发酵之旅！课程概述课程目标内容安排考核方式掌握发酵技术的原理和方法；熟悉常用工发酵技术概述；微生物基础知识；发酵工平时作业（）包括课堂讨论、实验30%业发酵微生物；了解发酵工程的基本过程艺学；发酵设备；培养基；菌种保藏与复报告等；期末考试（）考察学生对70%；具备发酵过程控制的基本技能；能够解壮；接种与扩大培养；发酵过程控制；发发酵技术理论知识的掌握程度和应用能力决发酵生产中的实际问题酵动力学；下游处理；发酵产品；发酵工考试形式包括选择题、填空题、简答题程新技术和论述题第一章发酵技术概述发酵的定义1发酵是指微生物在无氧或有氧条件下，将有机物分解为人类所需产物的过程它是一种古老而重要的生物技术，广泛应用于食品、医药、化工等领域发酵技术的历史2发酵技术的历史悠久，早在几千年前，人类就开始利用发酵技术制作食品，如酒、醋、酱油等随着科学技术的发展，发酵技术不断进步，应用领域也日益广泛发酵技术的应用领域食品工业医药工业化工行业发酵技术在食品工业中应用广发酵技术在医药工业中用于生发酵技术在化工行业中用于生泛，如生产酸奶、奶酪、面包产抗生素、疫苗、维生素、酶产有机酸、醇类、氨基酸、生、啤酒、葡萄酒、酱油、醋等制剂等这些产品对人类的健物塑料等这些产品广泛应用发酵不仅可以改善食品的风康具有重要意义于各个领域味和口感，还可以提高食品的营养价值和保质期环境保护发酵技术在环境保护中用于处理废水、废气、固体废弃物等通过发酵，可以将这些废物转化为有用的资源，实现资源的循环利用发酵工程的基本过程上游工程上游工程包括菌种选育、培养基制备、种子培养等其目的是为发酵过程提供优良的菌种和适宜的生长环境，为后续的发酵过程奠定基础发酵过程发酵过程是整个发酵工程的核心环节在此过程中，微生物利用培养基中的营养物质进行生长和代谢，产生目标产物需要对温度、、溶氧等参数进行精确控制pH下游工程下游工程包括细胞分离、产物提取、产物纯化、产品干燥与包装等其目的是将发酵液中的目标产物分离出来，并进行纯化和包装，最终得到符合质量标准的产品第二章微生物基础知识微生物的分类微生物的结构微生物种类繁多，根据其细胞结构和生理特性，可以分为细菌、微生物的结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、核物质等了解微真菌、酵母、病毒等不同类型的微生物在发酵过程中发挥着不生物的结构有助于理解其生长和代谢的机制，从而更好地控制发同的作用，对发酵产品的性质和产量产生重要影响酵过程微生物的生长特性生长曲线1微生物的生长曲线包括延迟期、对数期、稳定期和衰亡期了解生长曲线的特点，有助于掌握微生物的生长规律，从而优化发酵工艺影响微生物生长的因素2影响微生物生长的因素包括温度、、溶氧、营养物质等控制这些pH因素，可以为微生物的生长提供最佳条件，提高发酵效率微生物代谢初级代谢初级代谢是指微生物为了维持自身生长和繁殖所进行的代谢活动其产物主要包括氨基酸、核苷酸、糖类、脂类等这些产物是微生物生命活动的基础次级代谢次级代谢是指微生物在特定条件下产生的、与生长繁殖没有直接关系的代谢活动其产物主要包括抗生素、色素、毒素等这些产物具有复杂的结构和多样的功能重要的工业发酵微生物细菌真菌酵母细菌是重要的工业发酵真菌也是重要的工业发酵母是重要的工业发酵微生物，如乳酸菌、醋酵微生物，如霉菌、蘑微生物，如啤酒酵母、酸菌、芽孢杆菌等它菇等它们可以用于生面包酵母等它们主要们广泛应用于食品、医产抗生素、酶制剂、食用于生产酒精、面包等药、化工等领域品等第三章发酵工艺学发酵工艺的类型批次发酵根据发酵过程中是否添加新的培养基，发酵工艺可以分为批次批次发酵是指在发酵过程中，一次性加入全部培养基，发酵结发酵、连续发酵和分批补料发酵不同类型的发酵工艺适用于束后一次性取出全部发酵液批次发酵操作简单，但生产效率不同的发酵产品较低连续发酵原理优缺点应用实例连续发酵是指在发酵过程中，不断地加入优点生产效率高、产品质量稳定、自动连续发酵广泛应用于生产酒精、啤酒、醋新的培养基，同时不断地取出部分发酵液化程度高；缺点容易发生污染、菌种容酸、谷氨酸等通过连续发酵，可以实现，使发酵过程保持稳定状态连续发酵可易退化、工艺控制复杂这些产品的规模化生产以提高生产效率固态发酵特点应用领域固态发酵是指微生物在固体培养固态发酵广泛应用于生产食品、基上进行的，水分含量较低的发饲料、酶制剂、中药等如酱油酵过程固态发酵具有成本低、、腐乳、黄酒、饲料蛋白、纤维污染少、产品风味独特等特点素酶等工艺控制固态发酵的工艺控制包括水分控制、温度控制、通气控制等控制这些因素，可以保证微生物的正常生长和代谢，提高发酵效率发酵工艺的优化培养基优化通过优化培养基的组成和浓度，可以为微生物提供更适宜的营养环境，促进其2工艺参数优化生长和代谢，提高发酵效率和产品质量通过优化温度、、溶氧、搅拌速度pH1等工艺参数，可以提高微生物的生长和发酵过程控制代谢速率，从而提高发酵效率和产品质量通过对发酵过程进行实时监测和控制，可以及时调整工艺参数，保证发酵过程3的稳定运行，提高发酵效率和产品质量第四章发酵设备发酵罐的类型发酵罐的结构根据发酵罐的结构和功能，可以分为搅拌式发酵罐、气升式发酵发酵罐的结构包括罐体、搅拌系统、通气系统、温度控制系统、罐、塔式发酵罐等不同类型的发酵罐适用于不同的发酵工艺控制系统等这些结构共同保证了发酵过程的顺利进行pH搅拌系统搅拌器类型1常用的搅拌器类型包括推进式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器等不同类型的搅拌器适用于不同的发酵体系搅拌效果评价2搅拌效果的评价指标包括混合时间、剪切速率、功率消耗等通过评价搅拌效果，可以选择合适的搅拌器类型和搅拌速度，提高发酵效率通气系统通气方式常用的通气方式包括鼓泡通气、表面通气、喷雾通气等不同类型的通气方式适用于不同的发酵体系气泡分散器气泡分散器的作用是将空气分散成细小的气泡，增加气液接触面积，提高氧气的传递效率常用的气泡分散器包括多孔板式、喷射式、机械破碎式等温度控制系统加热方式冷却方式常用的加热方式包括蒸汽加热、电加常用的冷却方式包括冷却水冷却、冷热、热水循环加热等不同类型的加媒冷却、喷雾冷却等不同类型的冷热方式适用于不同的发酵体系却方式适用于不同的发酵体系控制系统pH测量pH测量常用的方法是使用电极电极可以实时监测发酵pH pH pH液的值，为控制提供依据pH pH调节方法pH常用的调节方法是添加酸或碱根据发酵过程中的变化趋pH pH势，可以适时添加酸或碱，将值控制在合适的范围内pH发酵罐的清洗与灭菌系统CIP系统SIP（）系统是指在CIP CleaningIn Place（）系统是SIP SterilizationIn Place不拆卸设备的情况下，对发酵罐进行清1指在不拆卸设备的情况下，对发酵罐进洗的系统系统可以有效去除发酵CIP2行灭菌的系统系统可以有效杀死SIP罐内的残留物，保证发酵过程的卫生安发酵罐内的微生物，防止污染全第五章培养基培养基的组成培养基的类型培养基是微生物生长和代谢的营养来源培养基的组成包括碳源根据培养基的物理状态，可以分为液体培养基、固体培养基和半、氮源、无机盐、微量元素、生长因子等固体培养基不同类型的培养基适用于不同的发酵工艺碳源常用碳源碳源的选择12常用的碳源包括葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素等不同类型碳源的选择应根据微生物的特性和发酵产品的要求进行一的微生物对碳源的利用能力不同般来说，选择价格低廉、易于获取、微生物能够有效利用的碳源氮源有机氮源常用的有机氮源包括蛋白胨、酵母膏、玉米浆等有机氮源含有丰富的氨基酸和肽类，易于被微生物吸收利用无机氮源常用的无机氮源包括硫酸铵、硝酸铵、尿素等无机氮源价格低廉，但需要微生物具有一定的转化能力才能利用无机盐和微量元素主要无机盐重要微量元素主要的无机盐包括磷酸盐、钾盐、镁盐等这些无机盐是微生物生重要的微量元素包括铁、锰、锌、铜等这些微量元素虽然含量较长所必需的元素，参与细胞的结构和代谢过程低，但对微生物的生长和代谢具有重要作用，参与酶的组成和活性调节培养基的制备与灭菌配制方法培养基的配制需要按照一定的配方，将各种成分溶解在水中，并调节值至合适的范围配制过程中需要注意无菌操作，防pH止污染灭菌方式培养基的灭菌常用的方法是高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌可以有效杀死培养基中的微生物，保证发酵过程的纯净第六章菌种保藏与复壮保藏方法菌种保藏的目的菌种保藏的方法包括短期保藏和长期保菌种保藏的目的是保持菌种的遗传特性1藏短期保藏适用于保存时间较短的菌和生理活性，防止菌种退化和污染，为2种，长期保藏适用于保存时间较长的菌发酵生产提供可靠的菌种来源种短期保藏斜面保藏水中保藏斜面保藏是将菌种接种在斜面培养基上，培养一段时间后，放入水中保藏是将菌种悬浮在无菌水中，放入冰箱中保存水中保藏冰箱中保存斜面保藏操作简单，但容易发生污染和干燥可以减少菌种的干燥，但容易发生污染长期保藏冷冻干燥法超低温保藏法冷冻干燥法是将菌种冷冻后，在真空条件下干燥，使水分升华超低温保藏法是将菌种放入液氮中保存液氮温度极低，可以，从而达到保藏的目的冷冻干燥法可以长期保存菌种，但操有效抑制菌种的代谢活动，长期保存菌种超低温保藏法是目作较为复杂前最有效的菌种保藏方法之一菌种复壮复壮的必要性复壮方法菌种在保藏过程中，由于环境因素的菌种复壮的方法包括传代培养、选择影响，容易发生退化，导致生长速度培养等通过复壮，可以恢复菌种的减慢、代谢产物减少因此，在发酵生长活力和代谢能力，保证发酵生产生产前需要对菌种进行复壮的顺利进行第七章接种与扩大培养接种的意义接种是指将菌种转移到培养基中的过程接种的目的是将菌种引入到发酵体系中，为发酵生产提供菌种来源接种量的确定接种量是指接种到培养基中的菌种数量接种量过少会导致延迟期过长，影响发酵效率；接种量过多会导致营养物质消耗过快，影响产品质量因此，需要根据菌种的特性和发酵工艺的要求，确定合适的接种量种子培养种子培养的目的种子培养的方法种子培养的目的是将菌种培养到一定的种子培养的方法包括摇瓶培养、种子罐1浓度和生理状态，为大规模发酵提供充培养等种子培养的过程中需要控制温足的菌种种子培养是发酵生产的关键2度、、溶氧等参数，保证菌种的正pH环节之一常生长和代谢扩大培养扩大培养的原理扩大培养的步骤扩大培养是指将小规模培养的菌种转移到更大规模的培养体系扩大培养的步骤包括一级种子培养、二级种子培养、三级种子中，逐步扩大菌种的数量和浓度扩大培养的目的是为大规模培养等每次扩大培养都需要控制温度、、溶氧等参数，pH发酵提供充足的菌种保证菌种的正常生长和代谢第八章发酵过程控制发酵过程控制的目的控制参数发酵过程控制的目的是保证发酵过程发酵过程控制的主要参数包括温度、的稳定运行，提高发酵效率和产品质、溶氧、泡沫、搅拌速度、补料速pH量通过对发酵过程中的各种参数进度等这些参数对微生物的生长和代行监测和控制，可以为微生物的生长谢具有重要影响，需要进行精确控制和代谢提供最佳环境，从而提高发酵效率和产品质量温度控制温度对发酵的影响温度对微生物的生长和代谢具有重要影响不同的微生物具有不同的最适生长温度温度过高或过低都会影响微生物的生长和代谢，甚至导致死亡温度控制策略温度控制策略包括恒温控制、变温控制等恒温控制是指将发酵温度控制在一个恒定的值变温控制是指根据发酵过程中微生物的生长和代谢情况，调整发酵温度控制pH对发酵的影响控制方法pH pH对微生物的生长和代谢具有重要影控制方法包括添加酸或碱、使用缓pH pH1响不同的微生物具有不同的最适生长冲剂等添加酸或碱可以调节发酵液的值值过高或过低都会影响微生2值缓冲剂可以稳定发酵液的值pH pHpHpH物的生长和代谢，甚至导致死亡，防止值剧烈变化pH溶氧控制溶氧的重要性溶氧控制技术溶氧是指溶解在发酵液中的氧气浓度氧气是好氧微生物生长溶氧控制技术包括调节通气量、调节搅拌速度、使用富氧空气和代谢所必需的溶氧不足会限制微生物的生长和代谢，降低等调节通气量和搅拌速度可以提高氧气的传递效率使用富发酵效率氧空气可以提高发酵液中的氧气浓度泡沫控制泡沫产生的原因泡沫控制方法泡沫产生的原因包括培养基中含有表泡沫控制方法包括添加消泡剂、机械面活性物质、发酵过程中产生气体等消泡等添加消泡剂可以降低培养基泡沫过多会影响发酵罐的正常运行的表面张力，抑制泡沫的产生机械，甚至导致发酵失败消泡可以破坏泡沫，减少泡沫的体积搅拌控制搅拌速度的影响搅拌速度对发酵过程具有重要影响搅拌速度过慢会导致传质效率低，影响微生物的生长和代谢；搅拌速度过快会导致剪切力过大，损伤微生物细胞搅拌策略搅拌策略包括恒速搅拌、变速搅拌等恒速搅拌是指将搅拌速度控制在一个恒定的值变速搅拌是指根据发酵过程中微生物的生长和代谢情况，调整搅拌速度补料控制补料策略补料方式补料策略包括恒速补料、指数补料、反馈补料等恒速补料是指以恒定的速度补料方式包括连续补料、间歇补料等1向发酵罐中添加营养物质指数补料是连续补料是指连续不断地向发酵罐中添指以指数增长的速度向发酵罐中添加营2加营养物质间歇补料是指间隔一段时养物质反馈补料是指根据发酵过程中间向发酵罐中添加营养物质某些参数的变化，调整补料速度在线监测技术常用传感器常用的传感器包括温度传感器、传感器、溶氧传感器、葡萄糖传感器等pH这些传感器可以实时监测发酵过程中的各种参数，为发酵过程控制提供依据数据采集与分析数据采集系统可以将传感器采集到的数据进行存储和处理通过对数据的分析，可以了解发酵过程的状态，及时调整工艺参数，保证发酵过程的稳定运行第九章发酵动力学发酵动力学的意义基本概念发酵动力学是研究发酵过程中微生物生长、底物消耗和产物形成发酵动力学的基本概念包括比生长速率、产物形成速率、底物消的规律的学科通过研究发酵动力学，可以了解发酵过程的本质耗速率等这些概念是描述发酵过程的重要指标，优化发酵工艺，提高发酵效率生长动力学方程1Monod方程是描述微生物生长与底物浓度关系的经典方程该方程可Monod以用于预测微生物的生长速率，优化发酵工艺比生长速率2比生长速率是指单位时间内微生物生物量的增长速率比生长速率是描述微生物生长速度的重要指标，受多种因素的影响，如温度、、溶pH氧等产物形成动力学方程Luedeking-Piret方程是描述产物形成与微生物生长和底物消耗关系的方Luedeking-Piret程该方程可以用于预测产物的形成速率，优化发酵工艺产物形成类型产物形成类型包括生长相关型、非生长相关型和混合型生长相关型产物是指产物的形成与微生物的生长密切相关非生长相关型产物是指产物的形成与微生物的生长没有直接关系混合型产物是指产物的形成与微生物的生长既有相关性，又有非相关性底物消耗动力学底物利用率产物得率底物利用率是指微生物利用底物的效率底物利用率越高，说明微产物得率是指单位消耗底物所产生的产物量产物得率越高，说明生物对底物的利用能力越强，发酵效率越高发酵效率越高，经济效益越好发酵过程的数学模型结构模型非结构模型结构模型是指考虑微生物内部结构和代谢途径的模型结构模非结构模型是指不考虑微生物内部结构和代谢途径的模型非型可以更准确地描述发酵过程，但模型较为复杂，计算量较大结构模型简单易用，但精度较低第十章下游处理下游处理的意义主要步骤下游处理是指将发酵液中的目标产物分1下游处理的主要步骤包括细胞分离、产离出来，并进行纯化和包装的过程下物提取、产物纯化、产品干燥与包装等游处理是发酵生产的重要环节，直接影2响产品的质量和成本细胞分离离心过滤离心是利用离心力将细胞从发酵液中分离出来的方法离心操作过滤是利用过滤介质将细胞从发酵液中分离出来的方法过滤适简单，效率高，广泛应用于工业生产用于分离固体颗粒较大的细胞，如酵母、霉菌等产物提取萃取萃取是利用溶剂将目标产物从发酵液中提取出来的方法萃取适用于提取脂溶性产物，如抗生素、维生素等吸附吸附是利用吸附剂将目标产物从发酵液中吸附出来的方法吸附适用于提取极性产物，如氨基酸、有机酸等产物纯化层析结晶层析是利用不同的物质在层析介质中结晶是利用溶解度差异将目标产物从的吸附和分配性质的差异，将混合物溶液中分离出来的方法结晶适用于中的各组分分离出来的方法层析是纯化溶解度随温度变化较大的产物纯化复杂混合物的有效方法产品干燥与包装干燥方法常用的干燥方法包括喷雾干燥、冷冻干燥、真空干燥等喷雾干燥适用于干燥液体产品冷冻干燥适用于干燥热敏性产品真空干燥适用于干燥易氧化产品包装要求产品包装应符合国家标准和行业标准，保证产品的质量和安全包装材料应具有良好的阻隔性、耐腐蚀性、耐压性等第十一章发酵产品发酵产品的分类主要发酵产品介绍发酵产品根据用途可以分为食品发酵产1主要发酵产品包括氨基酸、有机酸、抗品、医药发酵产品、化工发酵产品等生素、酶制剂、维生素、多糖等这些不同类型的发酵产品具有不同的特性和2产品在各个领域都发挥着重要作用用途氨基酸发酵谷氨酸发酵赖氨酸发酵谷氨酸是一种重要的氨基酸，广泛应用于食品调味剂、医药中间赖氨酸是一种必需氨基酸，广泛应用于饲料添加剂、食品强化剂体等谷氨酸发酵是利用微生物发酵生产谷氨酸的方法等赖氨酸发酵是利用微生物发酵生产赖氨酸的方法有机酸发酵柠檬酸发酵柠檬酸是一种重要的有机酸，广泛应用于食品添加剂、医药中间体等柠檬酸发酵是利用微生物发酵生产柠檬酸的方法乳酸发酵乳酸是一种重要的有机酸，广泛应用于食品添加剂、医药中间体等乳酸发酵是利用微生物发酵生产乳酸的方法抗生素发酵青霉素发酵链霉素发酵青霉素是一种重要的抗生素，广泛应链霉素是一种重要的抗生素，广泛应用于治疗细菌感染青霉素发酵是利用于治疗结核病等链霉素发酵是利用微生物发酵生产青霉素的方法用微生物发酵生产链霉素的方法酶制剂发酵淀粉酶发酵淀粉酶是一种重要的酶制剂，广泛应用于食品工业、纺织工业等淀粉酶发酵是利用微生物发酵生产淀粉酶的方法蛋白酶发酵蛋白酶是一种重要的酶制剂，广泛应用于食品工业、洗涤剂工业等蛋白酶发酵是利用微生物发酵生产蛋白酶的方法维生素发酵维生素发酵核黄素发酵B12维生素是一种重要的维生素，广泛核黄素是一种重要的维生素，广泛应用B121应用于治疗贫血等维生素发酵是于食品强化剂、饲料添加剂等核黄素B12利用微生物发酵生产维生素的方法2发酵是利用微生物发酵生产核黄素的方B12法多糖发酵黄原胶发酵黄原胶是一种重要的多糖，广泛应用于食品工业、石油工业等黄原胶发酵是利用微生物发酵生产黄原胶的方法壳聚糖发酵壳聚糖是一种重要的多糖，广泛应用于医药工业、农业等壳聚糖发酵是利用微生物发酵生产壳聚糖的方法第十二章发酵工程新技术代谢工程基因工程代谢工程是指通过改变微生物的代谢基因工程是指通过基因转移、基因修途径，提高目标产物的产量或生产新饰等手段，改变微生物的遗传特性，的产物的技术代谢工程是发酵工程提高目标产物的产量或生产新的产物的重要发展方向的技术基因工程是发酵工程的重要工具细胞融合技术原理应用细胞融合是指将两个或多个细胞融合在一起，形成一个具有多细胞融合技术广泛应用于菌种选育、基因转移等通过细胞融个细胞核的细胞的过程细胞融合可以整合不同细胞的优良特合，可以获得具有优良特性的菌种，提高发酵效率性，创造新的菌种固定化技术固定化方法优势与应用固定化是指将微生物或酶固定在一定的固定化技术具有提高微生物或酶的稳定1载体上，使其保持活性并可以重复使用性、重复使用、易于分离等优点固定的技术常用的固定化方法包括包埋法2化技术广泛应用于发酵生产、生物催化、吸附法、交联法等等领域课程总结知识回顾1本课程系统地介绍了发酵技术的基础知识，包括发酵的定义、应用领域、基本过程、微生物基础知识、发酵工艺学、发酵设备、培养基、菌种保藏与复壮、接种与扩大培养、发酵过程控制、发酵动力学、下游处理、发酵产品和发酵工程新技术发展前景展望2随着科学技术的不断发展，发酵技术将朝着高效、绿色、智能的方向发展发酵技术将在食品、医药、化工、环保等领域发挥更加重要的作用，为人类的健康和可持续发展做出更大的贡献。