發(fā)酵工程第一章總論

1、 發(fā)發(fā) 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 發(fā)酵已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、生產(chǎn)醋酸發(fā)酵已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程。科工程。 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、醋酸和面包，現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類(lèi)飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫

2、苗等而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲(chóng)劑、細(xì)菌肥料和微生多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲(chóng)劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。 食品工業(yè)食品工業(yè) 豐富飲食文化，提高生活質(zhì)量。如調(diào)料、酒、多種保健豐富飲食文化，提高生活質(zhì)量。如調(diào)料、酒、多種保健品。品。 醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)藥工業(yè) 抗生素、維生素、氨基酸、葡萄糖、胰島素?？股?、維生素、氨基酸、葡萄糖、胰島素。 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè) 丙烯酰胺作為絮凝劑、

3、土壤調(diào)節(jié)劑的配料，紙漿膠料；丙烯酰胺作為絮凝劑、土壤調(diào)節(jié)劑的配料，紙漿膠料；各種香料和長(zhǎng)鏈脂肪酸等。各種香料和長(zhǎng)鏈脂肪酸等。 能源開(kāi)發(fā)的新途徑能源開(kāi)發(fā)的新途徑 纖維素纖維素 乙醇；廢棄物乙醇；廢棄物 沼氣。沼氣。第一章 總論 一、發(fā)酵的基本概念 二、發(fā)酵工業(yè)的沿革 三、發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)與分類(lèi) 四、發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程1、發(fā)酵？、發(fā)酵？(fermentation) 最初的發(fā)酵 ： 最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣 泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。 巴斯德的發(fā)酵定義： 厭氧條件下，原料糖經(jīng)酵母等生物細(xì)胞作用進(jìn)行分解 代謝、向菌體提供能量，從而得到原料分解產(chǎn)生酒精 和CO2的過(guò)程。 生物

4、化學(xué)家的發(fā)酵定義： 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。葡萄糖在無(wú)氧條件下產(chǎn)生酒精并放出CO2。一、發(fā)酵的基本概念發(fā)酵: 利用生物細(xì)胞（含動(dòng)物、植物和微生物），在合適的條件下，經(jīng)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物或菌體的過(guò)程。工業(yè)微生物學(xué)家的發(fā)酵定義：工業(yè)微生物學(xué)家的發(fā)酵定義： 利用培養(yǎng)微生物制得產(chǎn)物的需氧或厭氧的任何過(guò)程。利用培養(yǎng)微生物制得產(chǎn)物的需氧或厭氧的任何過(guò)程。 2、發(fā)酵工程？、發(fā)酵工程？生物工程： 以生物科學(xué)和生物技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)工程、機(jī)械工程、控制工程、環(huán)境工程等工程科學(xué)，研究和發(fā)展利用生物體系或其中的一部分生產(chǎn)有益于社會(huì)的產(chǎn)品或達(dá)到一定社會(huì)目標(biāo)的過(guò)程工程科學(xué)。

5、生物工程的主要任務(wù)： 促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室成果向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。生物工程的基礎(chǔ)知識(shí) 基因工程基因工程 發(fā)酵工程發(fā)酵工程 酶工程酶工程 細(xì)胞工程細(xì)胞工程1、基因工程 利用基因體外重組技術(shù)，構(gòu)建出新型的微生物菌株、培育出新的動(dòng)植物品種或是使其具有優(yōu)良性狀。 生物工程的研究領(lǐng)域 2、酶工程研究酶的分離、提純，以及利用酶作為生物催化劑，實(shí)現(xiàn)化學(xué)轉(zhuǎn)化，合成各種產(chǎn)物或達(dá)到人類(lèi)所需社會(huì)目標(biāo)的工程科學(xué)。酶工程技術(shù)范圍：自然酶的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)、酶的分離純化技術(shù)、酶的修飾改造技術(shù)、酶的固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)。3、細(xì)胞工程以細(xì)胞為基本單位，在離體條件下進(jìn)行培養(yǎng)、繁殖，或通過(guò)人為改變，獲得新個(gè)體或有用物質(zhì)的過(guò)程（包

6、含細(xì)胞融合、核移植、試管動(dòng)物等技術(shù)）。 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程是利用微生物、動(dòng)植物細(xì)胞和基因工程菌在人工生物反應(yīng)器人工生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）中培養(yǎng)而獲得產(chǎn)物的工業(yè)過(guò)程。產(chǎn)品 蛋白質(zhì)、初級(jí)代謝產(chǎn)物、次級(jí)代謝產(chǎn)物 發(fā)酵工程？發(fā)酵工程？發(fā)酵工程發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1) 有嚴(yán)格的無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境：包括發(fā)酵開(kāi)始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過(guò)程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無(wú)菌空氣的空氣過(guò)濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模

7、工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問(wèn)題。 基因工程、細(xì)胞工程基因工程、細(xì)胞工程 酶酶 工工 程程發(fā)酵工程發(fā)酵工程 產(chǎn)產(chǎn) 品品生物工程各研究領(lǐng)域相互關(guān)系發(fā)酵工程是生物工程的重要組成部分發(fā)酵工程是生物工程的重要組成部分生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器生物分離工程生物分離工程新性狀菌株或細(xì)胞新性狀菌株或細(xì)胞生物反應(yīng)器 生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所，提供微生物最優(yōu)生長(zhǎng)、最優(yōu)形成產(chǎn)物的可控系

8、統(tǒng)和環(huán)境。生物分離工程 將生化反應(yīng)與化學(xué)工程相結(jié)合，采用適當(dāng)?shù)姆蛛x純化技術(shù)，使產(chǎn)品達(dá)到一定的純度。3 3、發(fā)酵工程的組成、發(fā)酵工程的組成FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES從廣義上的組成： 上游工程、發(fā)酵、下游工程Fermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES- 優(yōu)良菌種的選育優(yōu)良菌種的選育- -最適發(fā)酵條件的確定最適發(fā)酵條件的確定-營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備上游工程FERMENTATIONProces

9、s ControlFermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculation上游工程FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。 - -無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境- -控制加料控制加料- -種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術(shù)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術(shù) FERMENTATION Proc

10、ess Control發(fā)酵Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES- 固液分離技術(shù)固液分離技術(shù) - - 細(xì)胞破壁技術(shù)細(xì)胞破壁技術(shù)- 蛋白質(zhì)純化技術(shù)蛋白質(zhì)純化技術(shù)- 包裝處理技術(shù)包裝處理技術(shù) 下游工程 FERMENTATIONProcess Control從發(fā)酵液中分離純化產(chǎn)品的技術(shù)Fermentation engineering- product extraction, purification & assay- waste treatment- by product recovery 下游工程 FERMENTATIONProcess C

11、ontrol從發(fā)酵液中分離純化產(chǎn)品的技術(shù)二、發(fā)酵工業(yè)的歷史沿革（了解） 1天然發(fā)酵階段 2純培養(yǎng)技術(shù)的建立 3通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立 4代謝控制發(fā)酵技術(shù) 5. 基因工程階段 6現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)1、天然發(fā)酵階段 主要產(chǎn)品有各種飲料酒、酒精、醬、醬油、 醋、干酪、酸乳及酵母等。 特點(diǎn)： 手工作坊或家庭式生產(chǎn)； 非純種培養(yǎng)； 憑經(jīng)驗(yàn)傳授技術(shù)； 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定； 產(chǎn)品為厭氧發(fā)酵產(chǎn)品。二、發(fā)酵工業(yè)的沿革古羅馬人搬運(yùn)葡萄酒的情景（上）古羅馬人搬運(yùn)葡萄酒的情景（上） 漢代磚刻上的釀酒圖（漢代磚刻上的釀酒圖（ 右上右上 ） 戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的盛酒銅器和其中的酒戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的盛酒銅器和其中的酒（右）（右）2、純培養(yǎng)技術(shù)的建

12、立19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代 安東尼列文.虎克 路易巴斯德 柯赫 布赫納(Buchner) 漢遜(Hansen)l 1680年，荷蘭博物學(xué)家安東尼列文虎克發(fā)明顯微鏡（放大倍數(shù)170倍），人類(lèi)歷史上第一次看到大量活的微生物。 安東尼列文虎克路易巴斯德l 法國(guó),路易巴斯德1822-1895年l 徹底否定“自生說(shuō)”學(xué)說(shuō)l 免疫學(xué)預(yù)防接種l 證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的l 提出巴斯德消毒法等l 巴斯德也因此被人們譽(yù)之為“發(fā)酵之父”。利斯特柯赫l(shuí) 德國(guó)柯赫 1843-1910年l 提出了柯赫法則l 配制培養(yǎng)基技術(shù)l 第一次分離得到微生物純種l 1872年，英國(guó)的布雷菲爾德創(chuàng)建了霉菌純培養(yǎng)技術(shù)；l 丹麥的漢

13、遜(Hansen)建立了啤酒酵母的純種培 養(yǎng)方法。 因此，人類(lèi)開(kāi)始了人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程，從而使發(fā)酵的生產(chǎn)技術(shù)得到巨大的改良，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。l 1907年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。布赫納3、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立l 1928年英國(guó)細(xì)菌 學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn) 青霉素。3、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立上世紀(jì)40年代初二戰(zhàn)爆發(fā)的迫切需要，青霉素迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。主要的技術(shù)進(jìn)展抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無(wú)菌空氣、培 養(yǎng)基滅菌、無(wú)污染接種、大型發(fā)酵罐的密封；通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問(wèn)題； 嚴(yán)格控制培養(yǎng)溫度、pH、通氣量、營(yíng)養(yǎng)物的供 給。大型發(fā)酵罐攪拌裝置深層培養(yǎng)法和操作技術(shù)，除青霉素外，以后微生物各

14、種酶制劑、檸檬酸、維生素、氨基酸和甾類(lèi)化合物的發(fā)酵轉(zhuǎn)化，都采用這種方法。 4、代謝控制發(fā)酵技術(shù)代謝控制發(fā)酵代謝控制發(fā)酵 應(yīng)用動(dòng)態(tài)生物化學(xué)知識(shí)和遺傳學(xué)理論選育微生物突變株，從DAN分子水平上，控制微生物的代謝途徑，進(jìn)行最合理的代謝，積累 大量的有用發(fā)酵產(chǎn)物的技術(shù)。 目前比較成熟的技術(shù)：氨基酸的代謝控制發(fā)酵。 5、基因工程階段采用酶學(xué)的方法，將不同來(lái)源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物，如胰島素、干擾素等

15、。發(fā)酵工程已經(jīng)擴(kuò)展到動(dòng)植物細(xì)胞領(lǐng)域。 發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程是以天然生物體和人工修飾的生物體為加工對(duì)象，集現(xiàn)代化高新技術(shù)為一體，生產(chǎn)產(chǎn)品或服務(wù)于人類(lèi)社會(huì)的一種工程技術(shù)?，F(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工程發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程操作對(duì)象操作對(duì)象微生物微生物天然微生物菌株、變異微生物菌株、基天然微生物菌株、變異微生物菌株、基因工程菌、動(dòng)植物細(xì)胞株、細(xì)胞融合體因工程菌、動(dòng)植物細(xì)胞株、細(xì)胞融合體無(wú)菌概念無(wú)菌概念排雜菌（單向）排雜菌（單向） 生物體不逸出（雙向）生物體不逸出（雙向）培養(yǎng)裝置培養(yǎng)裝置發(fā)酵罐發(fā)酵罐新型生物反應(yīng)器新型生物反應(yīng)器思考題思考題 什么是發(fā)酵? 什么是發(fā)酵工程，發(fā)酵工業(yè)

16、？ 生物工程都有哪些研究領(lǐng)域？他們的關(guān)系是 怎樣的？2. 現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的區(qū)別是什么？發(fā)酵：發(fā)酵：利用生物細(xì)胞（含動(dòng)物、植物和微生物），在合適的條件 下，經(jīng)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物或菌體的過(guò)程。發(fā)酵工程：發(fā)酵工程：利用微生物、動(dòng)植物細(xì)胞和基因工程菌在人工生物反 應(yīng)器（發(fā)酵罐）中培養(yǎng)而獲得產(chǎn)物的工業(yè)過(guò)程。發(fā)酵工業(yè)：利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，對(duì)無(wú)機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工（生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程），獲得產(chǎn)品的工業(yè)。42History of applied microbiology Ancient times food preservation (vinegar, cheese) flavo

17、ur (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals43History of applied microbiology 1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen) 1982 rec human insulin（胰島素）胰島素） post recombinant

18、DNA area since 1982 rec therapeutic agents（治療劑）治療劑） 1990 rec bakers yeast 1992 rec chymosine （凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)1、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：l在常溫常壓下進(jìn)行，操作條件溫和，設(shè)備要求較低。l原料廣泛，基本屬于可再生生物資源。發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、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)。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。三、發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)與分類(lèi)（熟悉）l反應(yīng)以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行。由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇

19、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)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。l投資少，見(jiàn)效快，具有經(jīng)濟(jì)和效能的統(tǒng)一性。l除利用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)行反應(yīng)。l按獲取能量能量：好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵；l按發(fā)酵原料原料：糖質(zhì)原料發(fā)酵和烴類(lèi)原料發(fā)酵；l按產(chǎn)物產(chǎn)物類(lèi)型：初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵，或?yàn)槭称?發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、維生素發(fā)酵等；l按發(fā)酵狀態(tài)狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、液體表面和液體深層發(fā) 酵；l按工藝類(lèi)型工藝類(lèi)型：批式發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等。2 2、發(fā)酵工業(yè)的分類(lèi)、發(fā)酵工業(yè)的分類(lèi)（了解）發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介 發(fā)酵食品 有機(jī)酸 氨基酸 核酸類(lèi)物質(zhì) 酶制劑 醫(yī)藥工業(yè)（抗