第一章發(fā)酵工程緒論

1黃小龍農(nóng)學(xué)院生物技術(shù)系發(fā)酵工程

FermentationEngineering

2學(xué)時：32聯(lián)系方式程考核：期末考試成績占70分；平時成績占30分。平時成績量化考核一、考勤：10分

平時無故上課遲到一次扣5分，無故缺課一次扣10分。二、課堂表現(xiàn)：10分上課積極、回答問題積極加5-10分，上課睡覺或做與課程無關(guān)的事，扣5-10分。三、專題討論：10分

每8人組成興趣小組，提出與本課程相關(guān)的一個科學(xué)問題，加5分；查找文獻(xiàn)并回答好問題加5分。34第一章緒論一、發(fā)酵的定義二、發(fā)酵工程三、發(fā)酵過程的特點(diǎn)四、發(fā)酵工程的范圍（發(fā)酵產(chǎn)品類型）五、發(fā)酵工程的發(fā)展史六、發(fā)酵方法的類別與流程七、發(fā)酵工程的意義與展望5本章要求理解并掌握發(fā)酵、發(fā)酵工程、上游工程和下游工程的概念；了解發(fā)酵工程的發(fā)展歷程；熟悉發(fā)酵工程的特點(diǎn)、應(yīng)用及內(nèi)容6一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵71、傳統(tǒng)發(fā)酵來源于拉丁文“fervere（發(fā)泡）”描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象（沸騰現(xiàn)象）－酵母在厭氧條件下分解糖產(chǎn)生ＣＯ２82、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵

(狹義的發(fā)酵)指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。93、工業(yè)上的發(fā)酵

（廣義的發(fā)酵）泛指通過大規(guī)模培養(yǎng)微生物來制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。包括：(1)厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。(2)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(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等10二、發(fā)酵工程

1、概念

利用微生物的某些特定性狀和功能，采用現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。11發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、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極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計算機(jī)軟硬件工程的一個多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、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、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。12適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備產(chǎn)品的提取和精制2、微生物工業(yè)發(fā)酵的基本過程13發(fā)酵工程發(fā)酵工藝控制、產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物（或菌體）上游工程菌種選育、擴(kuò)大培養(yǎng)等下游工程發(fā)酵產(chǎn)物的分離、提取、精制（或者菌體的收集）3、發(fā)酵工程組成

從廣義上講，由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程發(fā)酵主體微生物的特點(diǎn)：

①微生物種類繁多；②微生物酶的種類多；③能利用有機(jī)物、無機(jī)物等各種營養(yǎng)源；④能利用簡易的設(shè)備生產(chǎn)多種多樣的產(chǎn)品；⑤不受氣候、季節(jié)等自然條件限制。三、發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)（2）發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)：

①發(fā)酵過程以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行；多個反應(yīng)能在發(fā)酵設(shè)備中一次完成；②反應(yīng)條件溫和、耗能少，設(shè)備較簡單；③通常以糖蜜、淀粉等為主要原料；④容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物；⑤發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染。（3）發(fā)酵工程反應(yīng)過程的特點(diǎn)：

①作為生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)條件溫和；②原料來源廣泛，通常以糖蜜、淀粉等為主要原料；③在單一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行若干個反應(yīng)；④能生產(chǎn)小子分子產(chǎn)品和復(fù)雜的高分子化合物；⑤能高度選擇性的在復(fù)雜化合物特定部位導(dǎo)入反應(yīng)；⑥發(fā)酵菌體也是發(fā)酵產(chǎn)物；⑦發(fā)酵過程特別需要防止雜菌污染；⑧改良微生物菌種，能夠利用原有設(shè)備提高生產(chǎn)水平。17發(fā)酵的不足產(chǎn)物濃度不是很高，需提純；產(chǎn)物與副產(chǎn)物混雜在一起，需精制；微生物原料多為碳水化合物，與人類爭奪糧食；反應(yīng)過程比化學(xué)反應(yīng)緩慢。18四、發(fā)酵工程的范圍（發(fā)酵產(chǎn)品類型）1、發(fā)酵食品2、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物3、以微生物酶為產(chǎn)品4、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品5、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物6、微生物特殊機(jī)能的利用19包括發(fā)酵主食品：面包，饅頭發(fā)酵副食品：豆腐乳，泡菜發(fā)酵調(diào)味品：醋，醬油發(fā)酵乳制品：酸奶、奶酪1、發(fā)酵食品Cheese，芝士202、生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì)定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細(xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點(diǎn)：細(xì)胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。213、微生物酶發(fā)酵酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內(nèi)酶和胞外酶生物合成特點(diǎn)：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、糖化酶等。224、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸等。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌素、植物生長因子等。235、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義：是利用生物細(xì)胞對一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更高經(jīng)濟(jì)價值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。包括脫氫、氧化、羥基化、脫水、縮合、脫碳、氨基化、脫氨和異構(gòu)化。246、微生物特殊機(jī)能的利用利用微生物消除環(huán)境污染（農(nóng)藥殘留降解、海面石油清理等）；利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡（秸稈還田）；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。25金屬的細(xì)菌瀝濾低品位銅礦礦渣再生浸礦劑細(xì)菌+O2CuSO4Cu溶礦置換H2SO4+Fe2(SO4)3FeSO4+S鐵屑FeSO4氧化亞鐵硫桿菌：將Fe2+

氧化成Fe3+

，硫和低價硫化物氧化成硫酸26第一階段（1900年前）五、發(fā)酵工程的發(fā)展史主要產(chǎn)品：１、酒精２、醋18世紀(jì)早期開始第一次大規(guī)模釀酒19世紀(jì)中期Ｐasteur證實(shí)了酵母菌在酒精發(fā)酵過程中的必要作用，由此建立了純培養(yǎng)技術(shù)19世紀(jì)后期，德國人Buchner進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍能使糖發(fā)酵，并將此具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為“酶”，至此，發(fā)酵現(xiàn)象的真相才被人們了解19世紀(jì)后期有人開始嘗試純培養(yǎng)方法在發(fā)酵中的應(yīng)用最初由天然微生物菌群緩慢氧化而生成，19世紀(jì)后期人們嘗試用巴斯德法滅菌，然后以10％優(yōu)質(zhì)醋作為接種劑，還能起到抗污染的作用27第二階段（1900年－1940年）主要產(chǎn)品（大多是微生物的初級代謝產(chǎn)物）：１、酵母細(xì)胞：面包酵母作為戰(zhàn)爭期間的食品供給２、丙酮-丁醇：第一個真正意義上的無菌發(fā)酵３、淀粉酶４、檸檬酸５、乳酸28第三階段（1940年至今）主要產(chǎn)品（大多是微生物的次級代謝產(chǎn)物）：青霉素：新技術(shù)帶動其他次級代謝產(chǎn)物（如抗生素、維生素、赤霉素、氨基酸）及初級代謝產(chǎn)物（酶和類固醇）行業(yè)的迅猛發(fā)展1928年，Ｆleming發(fā)現(xiàn)了青霉素，但由于產(chǎn)量低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，未投入生產(chǎn)；隨著二戰(zhàn)爆發(fā)，對抗感染藥物需求量增大，青霉素生產(chǎn)研究重新提上日程；通過改造菌種、改良通氣液體發(fā)酵設(shè)備、改進(jìn)產(chǎn)品提取方法等新型發(fā)酵技術(shù)使青霉素產(chǎn)量大大提高。29第四階段（1960年至今）生產(chǎn)微生物細(xì)胞用作飼料蛋白價格低廉

提高產(chǎn)量連續(xù)培養(yǎng)大量空氣

高質(zhì)量發(fā)酵罐和流加培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌技術(shù)壓力噴射和壓力循環(huán)罐的發(fā)展30第五階段（1979年至今）體外遺傳操作技術(shù)出現(xiàn)改造微生物基因組提高傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量產(chǎn)生通常由高等生物細(xì)胞產(chǎn)生的化合物人胰島素下表為一些正在開發(fā)或已開始生產(chǎn)的DNA重組技術(shù)產(chǎn)品31醫(yī)藥產(chǎn)品（包括畜用產(chǎn)品）干擾素（IFN）包括白細(xì)胞干擾素，成纖維細(xì)胞干擾素和免疫干擾素胰島素生長激素及其相關(guān)因子淋巴細(xì)胞活素血纖維蛋白溶解劑疫苗，包括腺病毒、霍亂、腦炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰質(zhì)炎、狂犬、瘧疾等胸腺素白蛋白血因子促紅細(xì)胞生長素促血小板生長素降血鈣素絨毛促性腺激素絕經(jīng)期促性腺激素表皮生長因子Α-1胰蛋白酶抑制劑腫瘤壞死因子集落刺激因子心鈉素單克隆抗體（供診斷和治療用）DNA探針（供診斷和治療用）利用重組菌生產(chǎn)的抗生素、氨基酸、甾體激素、維生素六、發(fā)酵方法的類別與流程1、類別：根據(jù)對氧的需要區(qū)分：

厭氧和好氧發(fā)酵根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分：

液體和固體發(fā)酵根據(jù)從微生物生長特性區(qū)分：

分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵33空氣加熱器油水分離器冷卻器貯氣罐空氣壓縮機(jī)空氣總過濾器分過濾器發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵罐種子罐三角瓶或茄子瓶生產(chǎn)用斜面（多管）純化復(fù)壯保存菌種（砂土管、凍干、液氮、斜面）菌種預(yù)處理原料過濾、離心、提取、精制、干燥包裝補(bǔ)料調(diào)節(jié)劑消泡劑冷卻滅菌配料、調(diào)漿滅菌2、液態(tài)好氧發(fā)酵的流程廢水處理七、發(fā)酵工業(yè)的意義與展望利用遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)，人工選育和改良