發(fā)酵工程余龍江版-第章-緒論課件

發(fā)酵工程1.發(fā)酵工程1.教材及主要參考書教材：余龍江，《發(fā)酵工程原理及技術(shù)應用》，化學工業(yè)出版社，2006.

參考書：1.酶工程（第二版）.郭勇.科學出版社,2004年2.俞俊棠《新編生物工藝學》化學工業(yè)出版社，2003.3.曹軍衛(wèi)《微生物工程》

科學出版社，2002.4.賀小賢《生物工藝原理》

化學工業(yè)出版社.2003.5.尹光琳,戰(zhàn)立克,趙根楠《發(fā)酵工業(yè)全書》中國醫(yī)藥科技出版社.1992.2.教材及主要參考書教材：余龍江，《發(fā)酵工程原理及技術(shù)應用》，化第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍第四節(jié)工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程第五節(jié)發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應用第六節(jié)發(fā)酵工程前沿及應用前景3.第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位3.1、何為發(fā)酵？最初發(fā)酵是用來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)過程。ferver：發(fā)泡、沸騰fermentation微生物的發(fā)酵現(xiàn)象一、發(fā)酵工程定義第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位4.1、何為發(fā)酵？最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量的過程厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化-還原反應釋放能量的過程

發(fā)酵是酵母無氧呼吸產(chǎn)生能量的過程需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時的不完全氧化釋放能量的過程生物化學家看待微生物發(fā)酵過程：側(cè)重能量代謝5.發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量的過程厭氧發(fā)酵利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程（需氧過程、細胞工程）發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的無氧或需氧的任何過程工業(yè)微生物學家：側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等6.利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程（需發(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：微生物作用著名的布希納實驗：酵素（酶）的作用7.發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)顯微鏡觀察：微生物7.2.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

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。8.2.發(fā)酵工程概念？

－－微生物細胞加工技術(shù)過程優(yōu)化釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等基因工程藥物、細胞工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生物基化學品等。9.釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料

傳統(tǒng)大型發(fā)酵工業(yè)的中央控制

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制

10.傳統(tǒng)大型發(fā)酵工現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)10.二發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位

生物技術(shù)：應用自然科學和工程學的原理，依靠生物及其細胞的催化作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務的技術(shù)。發(fā)酵工程是生物技術(shù)的應用基礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。11.二發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位生物技術(shù)：應用自然科學和工程

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)酵工程對生物學和工程學的要求

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)！12.分離和純化產(chǎn)品。下游發(fā)酵過程控制，主要包中游技生物技術(shù)體系生化工程酶工程細胞工程發(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13.生物技術(shù)體系生化工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物產(chǎn)品產(chǎn)第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史1900以前自然發(fā)酵階段1900—1940純培養(yǎng)技術(shù)的建立1940—1950通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立1950—1960誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立1960—1970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。14.第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史1900以前一、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1757年應用溫度計；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15.一、自然發(fā)酵階段主要是釀造工業(yè)15.二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純粹培養(yǎng)Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petridish)用于微生物平板分離Winograsky和Beijerink發(fā)明富集培養(yǎng)法，分離特定的微生物主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等16.二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純第一次世界大戰(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17.第一次世界大戰(zhàn)，Weizmann發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)酵，建立三、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。18.三、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)青霉素主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)模化純培養(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19.主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)?；兣囵B(yǎng)發(fā)通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立1四、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)：應用生物化學的代謝知識和遺傳學理論，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

20.四、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)微生物菌種五、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、自動化方向發(fā)展

21.五、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22.特點：開拓新的發(fā)酵原料時期22.六、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。23.六、基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）主要標志23.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）24.主要特點基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）24.

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25.

人胰島素

人生長激素第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍

1、發(fā)酵過程一般是在常溫常壓下進行的生化反應，反應安全，要求條件較簡單。

2、可用較廉價原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。3、反應專一性強，可得到較為單一產(chǎn)品。4、能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。5、發(fā)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26.第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍1、發(fā)酵過程一般是發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。菌種是關(guān)鍵。應注意27.發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。應注意27.二、發(fā)酵工業(yè)的范圍

1、微生物菌體2、酶制劑3、代謝產(chǎn)物4、生物轉(zhuǎn)化5、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28.二、發(fā)酵工業(yè)的范圍

1、微生物菌體28.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29.微生物菌體酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿新的菌體發(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30.新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品:藥用功能菌體微生物菌體30.

面包酵母

藻類31.面包酵母藻類31.芽孢桿菌和伴孢晶體

32.芽孢桿菌和伴孢晶體32.蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草

33.蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草33.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：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、β-葡聚糖酶、纖維素酶等

34.酶制劑廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工34.35.35.36.36.從初生代謝到次生代謝37.從初生代謝到次生代謝37.微生物轉(zhuǎn)化

在用維生素C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。38.微生物轉(zhuǎn)化在用維生素C二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化39.39.一、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）

2、按培養(yǎng)基的物理性狀淺盤固體發(fā)酵深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）

1、按微生物對氧的不同需求第四節(jié)工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程40.一、工業(yè)發(fā)酵的類型固體發(fā)酵按發(fā)酵工藝流程分批發(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)酵工業(yè)發(fā)酵的類型4、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）3、41.按發(fā)酵工藝流程分批發(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)酵新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態(tài)基質(zhì)作為微生物生長的載體，營養(yǎng)成分可以嚴格控制。發(fā)酵結(jié)束后只須將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。

兩步法液體深層培養(yǎng)：在酶制劑生產(chǎn)中，由于微生物生長與產(chǎn)酶的最適條件往往有很大的差異，采取兩步法培養(yǎng)，將菌體生長條件（營養(yǎng)期）與產(chǎn)酶條件區(qū)分開來，因而更容易控制各個生理時期的最適條件。42.新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代二、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)。43.二、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)的各發(fā)酵工業(yè)的典型過程－－深層發(fā)酵過程44.發(fā)酵工業(yè)的典型過程－－深層發(fā)酵過程44.1、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤天然、合成、半合成2、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液,可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得3、維生素：4、甾體激素：一、在醫(yī)藥工業(yè)中的應用第五節(jié)發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應用45.1、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤一、在醫(yī)藥工業(yè)5、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病6、單克隆抗體：抗體與抗原具有高度親和性，用于制備診斷盒、治療疾病或作為生物導彈藥物的運載工具。純化抗原類物質(zhì)，菌種鑒別。7、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物在醫(yī)藥工業(yè)中的應用46.5、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病在醫(yī)藥工業(yè)中的應用4二、在食品工業(yè)中的應用這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應用的領(lǐng)域，

1、含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等2、傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。3、發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等47.二、在食品工業(yè)中的應用這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應用的領(lǐng)域，473、用近代發(fā)酵或酶反應技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等4、食品添加劑：面包酵母、味精(谷氨酸單納)、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸(均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食品保鮮劑)、乳鏈菌肽(食用防腐劉)。5、新型發(fā)酵飲料

：活性乳酸飲料。48.3、用近代發(fā)酵或酶反應技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果三、應用于能源工業(yè)據(jù)預測，未來酒精發(fā)酵原料主要是纖維素、木質(zhì)質(zhì)等，并大量用于燃料消耗。美國計劃在21世紀能源結(jié)構(gòu)中，煤和石油將從目前的95％下降到50％，酒精將在新能源中占重要地位。49.三、應用于能源工業(yè)據(jù)預測，未來酒精發(fā)酵原料主要是纖維素、木質(zhì)1、酵母生產(chǎn)燃料乙醇50.1、酵母生產(chǎn)燃料乙醇50.2、沼氣：在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面，美國計劃解決全國能源需要量的10％，工業(yè)有機廢水(渣)的利用在西歐轉(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建成了許多大型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收沼氣8800萬立方米。3、氫能：生物電池4、生物柴油：藻類中提取51.2、沼氣：51.

一個20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當于3000升柴油的燃料。

一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當于50噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻52.一個20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當于3四、應用于化學工業(yè)1、利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)：烷烴、醇及溶劑、有機酸、多糖等2、與化學法相結(jié)合，選育相應的優(yōu)良菌種，以乙烯和丙烯腈為原料，分別生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙二醇等53.四、應用于化學工業(yè)1、利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)：烷烴、醇五、冶金工業(yè)方面細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。細菌浸出的金屬也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余種，但大規(guī)模生產(chǎn)的只有銅和鈾(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在積極開展此項研究和生產(chǎn)。美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的10％以上，加拿大用細菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達230噸。據(jù)世界20個礦山資料表明，每年用細菌浸出約銅達20萬噸。54.五、冶金工業(yè)方面細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或1、抗病、殺蟲抗生素2、單細胞蛋白3、食用和藥用真菌4、生物農(nóng)藥5、生物肥料六、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用55.1、抗病、殺蟲抗生素六、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用55.飼料方面隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益減少，動、植物蛋白的來源受到了限制，高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個十分突出的問題。微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占45—55％(干物質(zhì))、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)的重要來源。56.飼料方面隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日另外，藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公頃所得蛋白比小麥多20一35倍。57.另外，藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公1、微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細菌的作用再分解為甲烷和CO2。好氣發(fā)酵（活性污泥）法：指在曝氣情況下，用某些能降解有機物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對工業(yè)或生活污水進行處理。2、利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構(gòu)建超級細菌，處理大面積的海面石油污染等。七、在環(huán)境保護中的應用58.1、微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。七噴灑工程菌清除石油污染59.噴灑工程菌清除石油污染59.微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池60.微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池60.61.61.第六節(jié)發(fā)酵工程前沿及應用前景一、基因工程的發(fā)展為發(fā)酵工程帶來新的活力。

二、新型發(fā)酵設(shè)備的研制為發(fā)酵工程提供先進工具。三、大型化、連續(xù)化、自動化控制技術(shù)的應用為發(fā)酵工程的發(fā)展拓展了新空間。四、強調(diào)代謝機理與調(diào)控研究，使微生物的發(fā)酵機能得到進一步開發(fā)。五、生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起開拓了發(fā)酵新的領(lǐng)域。六、再生資源的利用給人們帶來了希望。62.第六節(jié)發(fā)酵工程前沿及應用前景一、基因工程的發(fā)展為發(fā)發(fā)酵工程63.發(fā)酵工程1.教材及主要參考書教材：余龍江，《發(fā)酵工程原理及技術(shù)應用》，化學工業(yè)出版社，2006.

參考書：1.酶工程（第二版）.郭勇.科學出版社,2004年2.俞俊棠《新編生物工藝學》化學工業(yè)出版社，2003.3.曹軍衛(wèi)《微生物工程》

科學出版社，2002.4.賀小賢《生物工藝原理》

化學工業(yè)出版社.2003.5.尹光琳,戰(zhàn)立克,趙根楠《發(fā)酵工業(yè)全書》中國醫(yī)藥科技出版社.1992.64.教材及主要參考書教材：余龍江，《發(fā)酵工程原理及技術(shù)應用》，化第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍第四節(jié)工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程第五節(jié)發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應用第六節(jié)發(fā)酵工程前沿及應用前景65.第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位3.1、何為發(fā)酵？最初發(fā)酵是用來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)過程。ferver：發(fā)泡、沸騰fermentation微生物的發(fā)酵現(xiàn)象一、發(fā)酵工程定義第一節(jié)發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位66.1、何為發(fā)酵？最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量的過程厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化-還原反應釋放能量的過程

發(fā)酵是酵母無氧呼吸產(chǎn)生能量的過程需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時的不完全氧化釋放能量的過程生物化學家看待微生物發(fā)酵過程：側(cè)重能量代謝67.發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量的過程厭氧發(fā)酵利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程（需氧過程、細胞工程）發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的無氧或需氧的任何過程工業(yè)微生物學家：側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等68.利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程（需發(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：微生物作用著名的布希納實驗：酵素（酶）的作用69.發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)顯微鏡觀察：微生物7.2.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

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。70.2.發(fā)酵工程概念？

－－微生物細胞加工技術(shù)過程優(yōu)化釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等基因工程藥物、細胞工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生物基化學品等。71.釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料

傳統(tǒng)大型發(fā)酵工業(yè)的中央控制

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制

72.傳統(tǒng)大型發(fā)酵工現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)10.二發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位

生物技術(shù)：應用自然科學和工程學的原理，依靠生物及其細胞的催化作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務的技術(shù)。發(fā)酵工程是生物技術(shù)的應用基礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。73.二發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位生物技術(shù)：應用自然科學和工程

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)酵工程對生物學和工程學的要求

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)！74.分離和純化產(chǎn)品。下游發(fā)酵過程控制，主要包中游技生物技術(shù)體系生化工程酶工程細胞工程發(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75.生物技術(shù)體系生化工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物產(chǎn)品產(chǎn)第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史1900以前自然發(fā)酵階段1900—1940純培養(yǎng)技術(shù)的建立1940—1950通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立1950—1960誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立1960—1970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。76.第二節(jié)發(fā)酵工程發(fā)展簡史1900以前一、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1757年應用溫度計；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77.一、自然發(fā)酵階段主要是釀造工業(yè)15.二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純粹培養(yǎng)Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petridish)用于微生物平板分離Winograsky和Beijerink發(fā)明富集培養(yǎng)法，分離特定的微生物主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等78.二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純第一次世界大戰(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79.第一次世界大戰(zhàn)，Weizmann發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)酵，建立三、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。80.三、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81.主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)?；兣囵B(yǎng)發(fā)通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立1四、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)：應用生物化學的代謝知識和遺傳學理論，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

82.四、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)微生物菌種五、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、自動化方向發(fā)展

83.五、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84.特點：開拓新的發(fā)酵原料時期22.六、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。85.六、基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）主要標志23.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）86.主要特點基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）24.

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87.

人胰島素

人生長激素第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍

1、發(fā)酵過程一般是在常溫常壓下進行的生化反應，反應安全，要求條件較簡單。

2、可用較廉價原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。3、反應專一性強，可得到較為單一產(chǎn)品。4、能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。5、發(fā)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88.第三節(jié)發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍1、發(fā)酵過程一般是發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。菌種是關(guān)鍵。應注意89.發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。應注意27.二、發(fā)酵工業(yè)的范圍

1、微生物菌體2、酶制劑3、代謝產(chǎn)物4、生物轉(zhuǎn)化5、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90.二、發(fā)酵工業(yè)的范圍

1、微生物菌體28.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91.微生物菌體酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿新的菌體發(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92.新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品:藥用功能菌體微生物菌體30.

面包酵母

藻類93.面包酵母藻類31.芽孢桿菌和伴孢晶體

94.芽孢桿菌和伴孢晶體32.蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草

95.蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草33.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：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、β-葡聚糖酶、纖維素酶等

96.酶制劑廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工34.97.35.98.36.從初生代謝到次生代謝99.從初生代謝到次生代謝37.微生物轉(zhuǎn)化

在用維生素C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。100.微生物轉(zhuǎn)化在用維生素C二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化101.39.一、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）

2、按培養(yǎng)基的物理性狀淺盤固體發(fā)酵深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）

1、按微生物對氧的不同需求第四節(jié)工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程102.一、工業(yè)發(fā)酵的類型固體發(fā)酵按發(fā)酵工藝流程分批發(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)酵工業(yè)發(fā)酵的類型4、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）3、103.按發(fā)酵工藝流程分批發(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)酵新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態(tài)基質(zhì)作為微生物生長的載體，營養(yǎng)成分可以嚴格控制。發(fā)酵結(jié)束后只須將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。

兩步法液體深層培養(yǎng)：在酶制劑生產(chǎn)中，由于微生物生長與產(chǎn)酶的最適條件往往有很大的差異，采取兩步法培養(yǎng)，將菌體生長條件（營養(yǎng)期）與產(chǎn)酶條件區(qū)分開來，因而更容易控制各個生理時期的最適條件。104.新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代二、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)。105.二、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)的各發(fā)酵工業(yè)的典型過程－－深層發(fā)酵過程106.發(fā)酵工業(yè)的典型過程－－深層發(fā)酵過程44.1、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤天然、合成、半合成2、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液,可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得3、維生素：4、甾體激素：一、在醫(yī)藥工業(yè)中的應用第五節(jié)發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應用107.1、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤一、在醫(yī)藥工業(yè)5、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病6、單克隆抗體：抗體與抗原具有高度親和性，用于制備診斷盒、治療疾病或作為生物導彈藥物的運載工具。純化抗原類物質(zhì)，菌種鑒別。7、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物在醫(yī)藥工業(yè)中的應用108.5、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病在醫(yī)藥工業(yè)中的應用4二、在食品工業(yè)中的應用這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應用的領(lǐng)域，

1、含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等2、傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。3、發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等109.二、在食品工業(yè)中的應用這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應用的領(lǐng)域，473、用近代發(fā)酵或酶反應技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等4、食品添加劑：面包酵母、味精(谷氨酸單納)、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸(均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食品保鮮劑)、乳鏈菌肽(食用防腐劉)。5、新型發(fā)酵飲料

：活性乳酸飲料。110.3、用近代發(fā)酵或酶反應技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果三、應用于能源工業(yè)據(jù)預測，未來酒精發(fā)酵原料主要是纖維素、木質(zhì)質(zhì)等，并大量用于燃料消耗。美國計劃在21世