發(fā)酵工程第一章-緒論課件

1、發(fā)酵工程Fermentation Engineering廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院教材余龍江主編. 發(fā)酵工程原理與技術(shù)應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2006-2008參考書籍俞俊棠等主編. 生物工藝學(xué)(上下冊). 華東理工大學(xué)出版社梅樂和等主編. 生化生產(chǎn)工藝學(xué). 科學(xué)出版社姚汝華主編. 微生物工程工藝原理. 華南理工大學(xué)出版社Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of Fermentation Technology. (2nd Edition)考 核 方 式閉卷考試占70高水平科技文獻閱讀翻譯占15平時

2、課堂提問、作業(yè)與考勤占15第一章 緒 論 本章內(nèi)容 一、發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位二、發(fā)酵工程發(fā)展簡史三、發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)用范圍四、工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程五、發(fā)酵工程前沿及應(yīng)用前景何謂發(fā)酵？ ferver：發(fā)泡、沸騰 fermentation微生物的發(fā)酵現(xiàn)象請看下面現(xiàn)象對發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解 兩種角度（能量、產(chǎn)物）生物化學(xué)家側(cè)重能量代謝：1、能夠在氧分子參與下進行有氧呼吸產(chǎn)生能量的生物可以進行： 有氧呼吸、糖酵解、厭氧呼吸（兼性微生物）（1）有氧呼吸（氧供應(yīng)充分、有機物氧化徹底、產(chǎn)生大量能量）（2）糖酵解（暫時缺氧、有機物氧化不徹底、產(chǎn)生少量能量）2、無氧呼吸：特指那些不需要氧的微生

3、物所進行的能量代謝。 指有機物經(jīng)徹底或不徹底氧化，所脫下來的電子最后傳給外源的無機氧化物(個別是有機氧化物)并釋放較少能量。 根據(jù)最終電子受體不同，無氧呼吸分為：硝酸鹽呼吸、硫酸鹽呼吸、硫呼吸、碳酸鹽呼吸及延胡索酸呼吸等。發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)顯微鏡觀察：微生物著名的巴斯德實驗：微生物作用著名的畢希納實驗：酵素（酶）的作用2. 發(fā)酵工程概念？ 微生物細胞加工技術(shù)過程優(yōu)化與放大 傳統(tǒng)發(fā)酵工程：利用微生物的生長和代謝活動來大量生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的過程理論與工程技術(shù)體系。該技術(shù)體系主要包括菌種選育與保藏、菌種擴大生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的生物合成與分離純化制備等技術(shù)集成。 現(xiàn)代發(fā)酵工程：是將DNA重組及細胞融合技術(shù)、酶

4、工程技術(shù)、組學(xué)及代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控技術(shù)、過程工程優(yōu)化與放大技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)酵工程融合，大大提高傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)水平，拓展傳統(tǒng)發(fā)酵應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品范圍的一種現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)體系（新一代工業(yè)生物技術(shù)）。 強調(diào)現(xiàn)代生物技術(shù)、控制技術(shù)和裝備技術(shù)在傳統(tǒng)與現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域的集成應(yīng)用。 分離和純化產(chǎn)品。包括固液分離技術(shù)、細胞破壁技術(shù)、產(chǎn)物純化技術(shù)，以及產(chǎn)品檢驗和包裝技術(shù)等 下游技術(shù)發(fā)酵過程控制，主要包括發(fā)酵條件的調(diào)控，無菌環(huán)境的控制，過程分析和控制等 中游技術(shù)廣義發(fā)酵工程對生物學(xué)和工程學(xué)的要求 優(yōu)良種株的選育和保藏（包括菌種篩選、改造，菌種代謝路徑改造等），上游技術(shù)上中下游相互關(guān)聯(lián)！生物技術(shù)體系生化工程酶工程細胞工

5、程發(fā)酵工程 產(chǎn)物 產(chǎn)品 產(chǎn)品基因工程 產(chǎn)品強調(diào)過程優(yōu)化與控制（一）發(fā)酵工程發(fā)展簡史1900以前 自然發(fā)酵階段19001940 純培養(yǎng)技術(shù)的建立19401950 通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立19501960 誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立19601970 開拓發(fā)酵原料時期（石油發(fā)酵時期）1970年以后 進入基因工程菌發(fā)酵時期，以及細胞 大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的全面發(fā)展。 近年來，以現(xiàn)代生物技術(shù)和過程工程技術(shù)為基礎(chǔ)的 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)突飛猛進。自然發(fā)酵階段主要是釀造工業(yè)主要產(chǎn)品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等17世紀，能在容量為1500桶（一桶約136升）的 木質(zhì)大桶中進行第一次真正的大規(guī)模釀造 175

6、7年應(yīng)用溫度計；1801 使用原始熱交換器 主要特點：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng) ，產(chǎn)品質(zhì) 量不穩(wěn)定第一次世界大戰(zhàn)， Weizmann 發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)酵，建立了真正的無雜菌發(fā)酵。在面包酵母的生產(chǎn)中首先采用了分批補料培養(yǎng)技術(shù) 主要特點：純培養(yǎng)為主、嫌氧發(fā)酵，產(chǎn)品產(chǎn)量 質(zhì)量控制水平大大提高純培養(yǎng)技術(shù)的建立通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立標志：純種培養(yǎng)深層發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 主要技術(shù)進展：通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問題。無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大 型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計解決了耗氧 發(fā)酵中的雜菌污染問題。主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)?；兣囵B(yǎng)發(fā) 酵，一系列過程工程技術(shù)創(chuàng)新意義：推動抗生素工業(yè)乃至整個發(fā)酵

7、工業(yè)快速發(fā)展建立了完整的好氧發(fā)酵放大技術(shù)及裝備奠定了現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的理論和實踐基礎(chǔ)通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立基于代謝途徑及其調(diào)控實現(xiàn)微生物菌種選育和控制發(fā)酵。 代謝控制發(fā)酵技術(shù)：應(yīng)用生物化學(xué)的代謝知識和遺傳學(xué)理論，選育微生物突變株，從而調(diào)控微生物代謝，大量積累目標發(fā)酵產(chǎn)物。主要應(yīng)用：氨基酸及核苷酸等基于初生代謝產(chǎn)物 的發(fā)酵生產(chǎn)，以及有機酸 、抗生素等 開拓新的發(fā)酵原料時期目的：以烴類為碳源生產(chǎn)微生物細胞作為飼 料蛋白質(zhì)的來源 技術(shù)進步：發(fā)展了高壓噴射式、強制循環(huán)式等多種發(fā) 酵罐及其發(fā)酵技術(shù) 計算機和自動控制技術(shù)的運用：滅菌和發(fā) 酵過程自動控制，促進發(fā)酵工業(yè)朝連續(xù)化、 自動化方向

8、發(fā)展 特點：解決發(fā)酵原料及人畜爭糧問題；規(guī)模和自動化程度顯著提高，能耗過大。開拓新的發(fā)酵原料時期基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）主要標志 基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)以及基因工程技術(shù)應(yīng)用世界上已批準上市的基因工程藥物有幾十種，如：胰島素、人生長激素等。主要特點基因工程技術(shù)、細胞工程技術(shù)、酶工程技術(shù)以及發(fā)酵過程優(yōu)化及放大技術(shù)的全面進步 高產(chǎn)微生物代謝產(chǎn)物及非微生物代謝產(chǎn)物的基因工程菌構(gòu)建及產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)主導(dǎo)碳氧經(jīng)濟發(fā)展，碳氫經(jīng)濟的替代及生物煉制技術(shù)的興起基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段） 人胰島素人生長激素(GH)表皮生長因子(EGF)腫瘤壞死因子白細胞介素-2(IL-2)尿激酶原豬生長激素(PGH) 牛

9、生長激素(BGH)纖維素酶, -干擾素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促紅細胞生成素(EPO)抗血友病因子組織溶纖原激活劑(t-PA)部分利用基因工程技術(shù)研制的產(chǎn)品發(fā)酵工程的主要前沿進展原料拓展： 可再生資源的加工和綜合利用（如纖維素原料）過程優(yōu)化技術(shù)多尺度生物反應(yīng)器優(yōu)化控制技術(shù)生物煉制 高產(chǎn)量：微生物生理、遺傳、營養(yǎng)及環(huán)境因素 高轉(zhuǎn)化率：微生物代謝途徑和過程條件 高效率：微生物反應(yīng)動力學(xué)和系統(tǒng)優(yōu)化以高產(chǎn)量、高轉(zhuǎn)化率和高效率及低成本為目標的發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù) 低成本：技術(shù)綜合及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)集成 環(huán)境友好：開發(fā)清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù)條件確定過程優(yōu)化初始條件過程分析過程強化1 基于組學(xué)技術(shù)的高

10、通量菌種改造和篩選2 基于組學(xué)和生物信息學(xué)代謝途徑分析優(yōu)化菌種改造3 基于實時代謝流分析、代謝途徑模型 與自動控制技術(shù)的發(fā)酵過程優(yōu)化控制發(fā)酵工藝優(yōu)化4 基于發(fā)酵液及產(chǎn)品特性的高收率、低 成本、高質(zhì)量和環(huán)境友好的提取精制 技術(shù)集成發(fā)酵產(chǎn)物分離純化5 基于源頭防治與過程監(jiān)控的資源節(jié)約 與廢物資源化清潔生產(chǎn)技術(shù)集成綜合治理技術(shù)優(yōu)化（一）發(fā)酵工業(yè)的特點 發(fā)酵過程一般是在常溫常壓下進行的生化反應(yīng)， 反應(yīng)安全，要求條件較簡單。 可用較廉價原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。 反應(yīng)專一性強。 能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的 化合物進行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。 發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。菌種是關(guān)鍵。發(fā)

11、酵生產(chǎn)不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件限制。（一）發(fā)酵工業(yè)的特點（二）發(fā)酵工業(yè)的范圍微生物菌體 酶制劑 代謝產(chǎn)物 生物轉(zhuǎn)化微生物特殊機能的利用 利用微生物消除環(huán)境污染 利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡 微生物濕法冶金 利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域微生物菌體傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌 疫苗新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品: 藥用功能菌體 茯苓菌茯苓 擔子真菌靈芝、香菇類 蟲草頭孢菌 密環(huán)菌 微生物菌體 面包酵母 藻類芽孢桿菌和伴孢晶體 蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草 酶制劑廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工酶試劑盒

12、：醫(yī)用診斷試劑盒、工業(yè)分析試劑盒等藥用酶制劑：膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工業(yè)用酶制劑：果膠酶，淀粉酶等基因重組技術(shù)用酶制劑：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的內(nèi)切酶、外切酶，DNA限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶等。飼料酶制劑：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纖維素酶等 微生物轉(zhuǎn)化 在用維生素C一步和二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化作用的葡糖酸桿菌對作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子結(jié)構(gòu)進行特異性改變。（一）工業(yè)發(fā)酵的類型 固體發(fā)酵 厭氧發(fā)酵 需氧發(fā)酵 兼性厭氧發(fā)酵 液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)酵） 按培養(yǎng)基的物理性狀 淺盤固體發(fā)酵 深層固體發(fā)酵（機械通風(fēng)制曲） 按微生物對氧的不同需求按發(fā)酵

13、工藝流程分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵單級恒化器連續(xù)發(fā)酵多級恒化器連續(xù)發(fā)酵帶有細胞再循環(huán)的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵（一）工業(yè)發(fā)酵的類型按菌的種類單菌種發(fā)酵多菌種混合發(fā)酵（混合菌發(fā)酵）新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法載體培養(yǎng) 微載體以細小的顆粒作為細胞載體，通過攪拌懸浮在培養(yǎng)液內(nèi)，使細胞在載體表面繁殖成單層的一種細胞培養(yǎng)技術(shù)。 兩步法液體深層培養(yǎng) 菌體生長和產(chǎn)酶條件不同，先提供合適的生長條件，收集到大量菌體，再移入發(fā)酵 培養(yǎng)基中進行產(chǎn)物發(fā)酵。 （二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過程1. 用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培 養(yǎng)基的配制；2. 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的消毒滅菌；3. 擴大培養(yǎng)出有活性的適量純種，以一定比 例

14、接種入發(fā)酵罐中；4. 控制最適發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產(chǎn)物；5. 將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品；6. 回收或處理發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過程（二）發(fā)酵工業(yè)的典型過程深層發(fā)酵過程發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應(yīng)用前景基因工程的發(fā)展為發(fā)酵工程帶來新的活力。 采用發(fā)酵技術(shù)進行高等動植物細胞培養(yǎng)，具有誘人前景。 不斷開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置， 計算機自動控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段。強調(diào)代謝機理與調(diào)控研究，使微生物的機能得到進一步開發(fā)。生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起：清潔生產(chǎn)。再生資源的利用?；旌暇l(fā)酵強調(diào)微生物群落與功能研究，提高發(fā)酵效率。 發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應(yīng)用

15、前景清潔生產(chǎn)按照聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的定義：“清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程、產(chǎn)品和服務(wù)中，以增加生態(tài)效益和減少人類及環(huán)境的風(fēng)險。對生產(chǎn)過程，要求節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒原材料，減降所有廢棄物的數(shù)量和毒性；對產(chǎn)品，要求減少從原材料提煉到產(chǎn)品最終處置的全生命周期的不利影響；對服務(wù)，要求將環(huán)境因素納入設(shè)計和所提供的服務(wù)中?！被旌暇l(fā)酵的應(yīng)用傳統(tǒng)釀造和食品發(fā)酵工業(yè)：白酒，醬油、醋、豆豉有機廢棄物（工業(yè)、城市和農(nóng)業(yè)）的發(fā)酵處理與轉(zhuǎn)化： 生物能源：生物制氫、生物制沼氣 生物飼料 生物肥料 課 程 內(nèi) 容第一章 緒論第二章 發(fā)酵工業(yè)菌種第三章 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計（討論課）第四章 發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)第五章 發(fā)酵工業(yè)的種子制備（討論課）第六章 發(fā)酵動力學(xué)第七章 發(fā)酵工業(yè)中氧的供需第八章 發(fā)酵罐放大與設(shè)計第九章 發(fā)酵過程優(yōu)化與控制第十章 發(fā)酵經(jīng)濟學(xué)（討論課） 結(jié)合實踐自學(xué)：發(fā)酵產(chǎn)物分離純化以及產(chǎn)品制備 發(fā)酵工業(yè)的潔凈生產(chǎn)技術(shù) 學(xué)習(xí)重點基本過程過程優(yōu)化過程控制過程放大一條主線、兩個重點、三個層次、四個目標發(fā)酵工藝過程過程優(yōu)化放大反應(yīng)器細胞、分子高轉(zhuǎn)化率高產(chǎn)