《微生物发酵过程》课件

微生物发酵过程本课程将深入探讨微生物发酵过程，从基本原理到实际应用，涵盖发酵微生物、发酵工艺、发酵产品和相关技术课程介绍什么是微生物发酵？定义作用微生物发酵是指利用微生物在适宜条件下，将有机物转化为其他微生物在发酵过程中扮演着关键角色，它们通过代谢作用，将原物质的过程，常用于生产食品、药物、能源等料转化为目标产物发酵的定义、历史和应用领域定义历史12发酵是指利用微生物将有机物发酵是人类最早掌握的技术之转化为其他物质的过程一，已有数千年的历史，从酿酒、制作酸奶到生产抗生素，都离不开发酵应用领域3发酵广泛应用于食品、制药、生物能源、农业等领域，为人类社会发展做出了重大贡献重要的发酵产品食品、药品、能源等食品酿酒、酸奶、酱油、醋、泡菜等药品抗生素、疫苗、激素、酶制剂等能源生物燃料、生物塑料等其他生物农药、生物肥料等微生物在发酵中的作用酵母细菌霉菌酵母主要用于酒精发酵细菌参与多种发酵过程霉菌在酱油、青霉素等，例如酿酒和面包制作，例如酸奶、醋、酱油发酵中起重要作用等的发酵常用发酵微生物种类细菌、酵母、霉菌酵母单细胞真菌，主要用于酒精发酵霉菌细菌多细胞真菌，在酱油、青霉素等生产中起种类繁多，参与多种发酵过程重要作用213微生物的生长特性与发酵的关系迟滞期1微生物适应环境，准备繁殖对数生长期2微生物快速繁殖，代谢活跃稳定期3繁殖速度减缓，产物合成旺盛衰亡期4微生物死亡，代谢减弱发酵培养基的组成与作用碳源提供微生物生长的能量和碳骨架，例如葡萄糖、淀粉等氮源提供微生物合成蛋白质和核酸的氮元素，例如氨基酸、蛋白胨等无机盐提供微生物生长所需的微量元素，例如磷酸盐、硫酸盐等生长因子微生物生长必需的特殊有机物，例如维生素、氨基酸等碳源、氮源、无机盐、生长因子等生长因子无机盐生长因子是微生物自身不能合氮源无机盐是微生物合成酶、辅酶成或合成量不足的特殊有机物碳源氮源是微生物合成蛋白质、核等生物活性物质的必需元素，对微生物生长至关重要碳源是微生物进行能量代谢和酸等生物大分子的重要组成部合成细胞物质的必需营养物质分培养基的优化策略成分优化物理条件优化添加剂优化根据微生物的生长需求，调整碳源、氮优化温度、、溶氧等物理条件，促进添加适量的诱导剂、抑制剂等添加剂，pH源、无机盐和生长因子的比例微生物生长和产物合成提高目标产物的产量和质量发酵罐的设计与类型12搅拌式气升式最常见的类型，通过机械搅拌提供氧利用气泡升腾带动培养基流动，混合气和混合效果好3固定化将微生物固定在载体上，提高效率和产物产量搅拌式发酵罐、气升式发酵罐等气升式发酵罐混合效果好，节能环保，但氧传递效率较低搅拌式发酵罐应用广泛，但能耗较高，容易产生剪切力发酵过程中的控制参数温度、、溶氧、压力等的控制pH温度控制1温度是影响微生物生长和产物合成的关键因素，需严格控制温度范围pH控制2值影响微生物酶活性，需保持适宜的范围pH pH溶氧控制3氧气是好氧微生物呼吸所需的物质，需保证充足的溶氧量压力控制4压力影响微生物生长和产物合成，需根据具体情况进行控制发酵过程的工艺流程种子培养将菌种在小规模培养基中培养，使其大量繁殖发酵将种子液接种到发酵罐中，在适宜条件下进行发酵分离将发酵液中的菌体或产物与培养基分离提取从发酵液中提取目标产物精制对提取的产物进行纯化，提高其质量种子培养、发酵、分离、提取、精制种子培养1确保菌种活性，为发酵提供高质量种子液发酵2在发酵罐中进行，控制各种参数，提高产物产量分离3将菌体或产物与培养基分离，获得目标产物提取4从发酵液中提取目标产物，提高产物浓度精制5对提取的产物进行纯化，提高其质量和纯度发酵过程的优化方法物理因素优化化学因素优化温度、搅拌速度、压力等物理因、溶氧、培养基成分等化学因pH素的优化，可以提高发酵效率和素的优化，可以改善微生物生长产物产量和产物合成生物因素优化菌种选择、诱变等生物因素的优化，可以提高发酵效率和产物质量物理因素优化温度、搅拌速度等温度搅拌速度压力不同的微生物对温度要求不同，需根据搅拌速度影响氧传递效率和混合效果，压力会影响微生物生长和产物合成，需菌种特点选择最佳温度范围需根据发酵罐和菌种特点进行调整根据具体情况进行控制化学因素优化、溶氧等pHpH1值影响微生物酶活性，需保持适宜的范围，可以用酸碱pH pH调节溶氧2溶氧影响好氧微生物的呼吸，需保证充足的溶氧量，可以通过通气和搅拌来调节培养基成分3培养基成分的优化，可以为微生物提供充足的营养，促进生长和产物合成生物因素优化菌种选择、诱变菌种选择选择合适的菌种，可以提高发酵效率，提高产物产量和质量诱变通过诱变技术，可以获得高产、抗逆性强的菌株基因工程利用基因工程技术，可以改造菌种，提高产物产量和质量发酵过程的动力学微生物生长动力学产品合成动力学描述微生物生长速率和菌体浓度随时描述目标产物合成速率和产物浓度随间变化的关系时间变化的关系微生物生长动力学模型时间菌体浓度产品合成动力学模型时间产物浓度发酵过程的数学模型微生物生长模型产物合成模型发酵过程模型利用数学方程描述微生物生长速率和菌利用数学方程描述目标产物合成速率和综合考虑微生物生长、产物合成和环境体浓度随时间变化的关系产物浓度随时间变化的关系因素，建立完整的数学模型发酵过程的检测与分析在线检测离线检测数据分析123在发酵过程中实时监测参数，例如从发酵液中取样，进行成分分析、利用统计学方法分析检测数据，评、溶氧、温度等菌体浓度、产物含量等检测估发酵过程的效率和产物质量pH在线检测技术、溶氧等pH在线检测pH1利用传感器实时监测发酵液的值，保证微生物生长的最pH pH佳环境溶氧在线检测2利用溶氧传感器实时监测发酵液的溶氧量，保证好氧微生物的呼吸需求温度在线检测3利用温度传感器实时监测发酵罐的温度，保证微生物生长的最佳温度离线检测技术成分分析、菌体浓度等成分分析利用色谱、质谱等技术，分析发酵液中的成分含量，评估产物质量菌体浓度检测利用显微镜、比浊仪等方法，检测发酵液中的菌体浓度，评估发酵效率产物含量检测利用化学方法、酶联免疫吸附法等，检测发酵液中的产物含量，评估发酵效率发酵产品的分离与提取固液分离细胞破碎萃取将发酵液中的菌体与液体分离，例如将菌体破碎，释放胞内产物，例如超利用溶剂将目标产物从发酵液中提取过滤、离心等方法声波破碎、酶解等方法出来，例如有机溶剂萃取、超临界流体萃取等方法固液分离、细胞破碎、萃取等固液分离将发酵液中的菌体与液体分离，获得目标产物或进一步提取细胞破碎将菌体破碎，释放胞内产物，提高产物提取效率萃取利用溶剂将目标产物从发酵液或菌体中提取出来，提高产物纯度发酵产品的精制与纯化结晶层析膜分离利用目标产物的溶解度差异，进行结晶利用目标产物与固定相的亲和力差异，利用膜的孔径大小，将不同大小的分子分离和纯化进行分离纯化进行分离纯化结晶、层析、膜分离等结晶1通过改变溶液的温度、、溶剂等条件，使目标产物析出晶pH体层析2利用目标产物与固定相的吸附能力差异，进行分离纯化膜分离3利用膜的孔径大小，将不同大小的分子进行分离纯化，适用于生物大分子和微粒的分离发酵产品的质量控制产品质量标准检测方法质量管理体系制定产品质量标准，包括外观、性状、建立严格的检测方法，确保产品符合质建立完善的质量管理体系，保证产品质含量、杂质等指标量标准量的稳定性产品质量标准、检测方法123标准制定检测方法建立质量管理体系制定严格的产品质量标准，确保产品的安建立相应的检测方法，对产品的关键指标建立完善的质量管理体系，涵盖原料、生全性、有效性和稳定性进行检测，保证产品质量产过程、产品检验等各个环节发酵产品的应用案例酿酒利用酵母发酵，生产啤酒、葡萄酒、白酒等制药利用微生物发酵，生产抗生素、疫苗、激素等食品加工利用微生物发酵，生产酸奶、酱油、醋、泡菜等生物能源利用微生物发酵，生产生物燃料，例如乙醇、生物柴油等酿酒、制药、食品加工等制药食品加工酿酒制药领域广泛应用发酵技术，生产抗生利用微生物发酵，生产酸奶、酱油、醋素、疫苗、激素等、泡菜等，丰富食品种类酿酒是利用酵母发酵糖类，生成酒精和二氧化碳案例分析抗生素的发酵生产菌种选育选择高产、抗逆性强的菌株，例如青霉菌、链霉菌等发酵工艺优化发酵条件，提高抗生素产量，例如温度、、溶氧等pH提取纯化从发酵液中提取和纯化抗生素，例如溶剂萃取、层析等方法菌种选育、发酵工艺、提取纯化菌种选育1通过诱变、基因工程等技术，选育高产、抗逆性强的菌株发酵工艺2优化发酵条件，提高抗生素产量，例如温度、、溶氧等pH提取纯化3从发酵液中提取和纯化抗生素，例如溶剂萃取、层析等方法案例分析氨基酸的发酵生产菌种选育发酵工艺提取纯化选择高产、抗逆性强的菌株，例如谷氨优化发酵条件，提高氨基酸产量，例如从发酵液中提取和纯化氨基酸，例如离酸棒杆菌、赖氨酸产生菌等温度、、溶氧等子交换、结晶等方法pH菌种选育、发酵工艺、提取纯化菌种选育发酵工艺提取纯化选择高产、抗逆性强的菌株，例如谷氨优化发酵条件，提高氨基酸产量，例如从发酵液中提取和纯化氨基酸，例如离酸棒杆菌、赖氨酸产生菌等温度、、溶氧等子交换、结晶等方法pH案例分析酶制剂的发酵生产菌种选育发酵工艺1选择高产、抗逆性强的菌株，例如枯草优化发酵条件，提高酶制剂产量，例如2芽孢杆菌、黑曲霉等温度、、溶氧等pH应用提取纯化4酶制剂广泛应用于食品、医药、工业等3从发酵液中提取和纯化酶制剂，例如盐领域析、层析等方法菌种选育、发酵工艺、提取纯化12菌种选育发酵工艺选择高产、抗逆性强的菌株，例如枯优化发酵条件，提高酶制剂产量，例草芽孢杆菌、黑曲霉等如温度、、溶氧等pH3提取纯化从发酵液中提取和纯化酶制剂，例如盐析、层析等方法发酵过程的生物安全菌种污染安全风险评估12发酵过程中，微生物污染会导对发酵过程进行安全风险评估致产物质量下降甚至生产事故，制定相应的安全措施，防止污染和事故发生安全管理体系3建立完善的安全管理体系，涵盖菌种管理、生产过程控制、废弃物处理等各个环节菌种污染的预防与控制无菌操作环境控制消毒灭菌严格执行无菌操作规范，防止外来微生控制发酵环境，例如温度、湿度、空气对发酵设备、培养基等进行消毒灭菌，物污染发酵过程质量等，抑制微生物生长消除潜在的污染源发酵产品的安全风险评估风险识别1识别发酵过程中的潜在风险，例如菌种污染、产物质量问题、安全事故等风险评估2对每个风险进行评估，确定其发生的可能性和严重程度风险控制3制定相应的风险控制措施，降低风险发生的可能性和严重程度发酵过程的工程伦理环境保护减少发酵过程对环境的污染，例如废水、废气、废渣的处理资源利用提高资源利用效率，例如废弃物的循环利用，减少资源浪费社会责任生产安全、有效、优质的发酵产品，为社会发展做出贡献发酵技术的未来发展趋势基因工程菌的应用发酵过程的智能化控制利用基因工程技术改造菌种，提利用人工智能技术，实现发酵过高产物产量和质量，降低生产成程的智能化控制，提高效率和稳本定性发酵技术的交叉学科研究将发酵技术与其他学科交叉融合，例如生物信息学、纳米技术等，拓展应用领域基因工程菌的应用基因改造利用基因工程技术，将外源基因导入菌株，提高产物产量或改变产物性质菌株筛选筛选具有高产、抗逆性强的基因工程菌株，用于发酵生产应用优势基因工程菌的应用，可以提高发酵效率，降低生产成本，提高产品质量发酵过程的智能化控制数据采集模型预测自动控制利用传感器实时采集发酵过程中的各种利用机器学习技术，建立发酵过程的数根据预测结果，自动调节发酵过程的各数据，例如温度、、溶氧等学模型，预测发酵过程的动态变化种参数，例如温度、、溶氧等pH pH发酵技术的交叉学科研究生物信息学1利用生物信息学技术分析微生物基因组数据，挖掘新的发酵潜力纳米技术2利用纳米技术提高发酵效率，例如纳米载体、纳米生物传感器等合成生物学3利用合成生物学技术，设计和构建新的发酵途径，生产新的产品发酵工程与环境保护废弃物处理将发酵废弃物进行处理和利用，例如沼气发酵、生物降解等资源循环利用实现发酵过程的资源循环利用，减少资源浪费，降低生产成本环境友好型技术开发环境友好型发酵技术，减少环境污染，促进可持续发展发酵废弃物的处理与利用沼气发酵生物降解资源回收将发酵废弃物进行厌氧发酵，产生沼利用微生物将发酵废弃物分解成无害从发酵废弃物中回收有用物质，例如气，作为能源利用物质，例如肥料、饲料等蛋白质、酶等发酵过程的可持续发展资源节约环境友好社会效益提高资源利用效率，减少资源浪费，例减少发酵过程对环境的污染，例如废水生产安全、有效、优质的发酵产品，为如水资源、能源等、废气、废渣的处理社会发展做出贡献发酵工程的就业前景12食品行业制药行业发酵食品的生产和研发，例如酿酒、抗生素、疫苗、激素等发酵药物的生酸奶、酱油等产和研发3生物工程行业生物能源、生物材料、生物农药等发酵产品的生产和研发食品、制药、生物工程等领域食品行业1发酵食品的生产和研发，例如酿酒、酸奶、酱油等制药行业2抗生素、疫苗、激素等发酵药物的生产和研发生物工程行业3生物能源、生物材料、生物农药等发酵产品的生产和研发课程总结发酵过程的关键环节菌种选育选择合适的菌种，是发酵过程成功的基础发酵工艺控制发酵参数，提高发酵效率和产物产量分离提取从发酵液中分离和提取目标产物，提高产物纯度质量控制严格控制产品质量，确保产品符合质量标准思考题如何提高发酵效率？菌种优化工艺优化设备改进选择高产、抗逆性强的菌株，或通过基优化发酵条件，例如温度、、溶氧等改进发酵设备，提高氧传递效率，降低pH因工程改造菌种，提高发酵效率能耗参考文献发酵工程原理与应用•现代发酵工程技术•微生物发酵技术•课后作业请同学们查阅资料，了解不同类型的发酵产品及其应用，并思考如何提高发酵效率，实现可持续发展答疑环节同学们如有任何疑问，请随时提出，我们将在课后进行答疑感谢聆听感谢大家认真听讲，希望本课程对大家有所帮助！。