發(fā)酵工程第一章總論

發(fā)酵工程第一章總論第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵工程

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。第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵在人類生活中的作用？食品工業(yè)—

豐富飲食文化，提高生活質(zhì)量。如調(diào)料、酒、多種保健品。醫(yī)藥工業(yè)—

抗生素、維生素、氨基酸、葡萄糖、胰島素?；瘜W(xué)工業(yè)—

丙烯酰胺作為絮凝劑、土壤調(diào)節(jié)劑的配料，紙漿膠料；各種香料和長鏈脂肪酸等。能源開發(fā)的新途徑—

纖維素乙醇；廢棄物沼氣。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一章總論

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)與分類四、發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1、發(fā)酵？(fermentation)最初的發(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。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的過程。生物化學(xué)家的發(fā)酵定義：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。葡萄糖在無氧條件下產(chǎn)生酒精并放出CO2。一、發(fā)酵的基本概念第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵:

利用生物細(xì)胞（含動物、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)物或菌體的過程。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程。

第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2、發(fā)酵工程？第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四生物工程：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)有益于社會的產(chǎn)品或達(dá)到一定社會目標(biāo)的過程工程科學(xué)。生物工程的主要任務(wù)：促進(jìn)和實現(xiàn)生命科學(xué)實驗室成果向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。生物工程的基礎(chǔ)知識第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

基因工程發(fā)酵工程酶工程細(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)域第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

2、酶工程研究酶的分離、提純，以及利用酶作為生物催化劑，實現(xiàn)化學(xué)轉(zhuǎn)化，合成各種產(chǎn)物或達(dá)到人類所需社會目標(biāo)的工程科學(xué)。酶工程技術(shù)范圍：自然酶的開發(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)器的開發(fā)。第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四3、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，或通過人為改變，獲得新個體或有用物質(zhì)的過程（包含細(xì)胞融合、核移植、試管動物等技術(shù)）。

第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

發(fā)酵工程發(fā)酵工程是利用微生物、動植物細(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)過程。產(chǎn)品蛋白質(zhì)、初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物

發(fā)酵工程？第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四發(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)格的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(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)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計算機(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)。第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實驗，得到產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型，并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四基因工程、細(xì)胞工程

酶工程發(fā)酵工程

產(chǎn)

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生物反應(yīng)器生物分離工程新性狀菌株或細(xì)胞第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四生物反應(yīng)器生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場所，提供微生物最優(yōu)生長、最優(yōu)形成產(chǎn)物的可控系統(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。第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四3、發(fā)酵工程的組成FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES從廣義上的組成：

上游工程、發(fā)酵、下游工程第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四FermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-優(yōu)良菌種的選育-最適發(fā)酵條件的確定營養(yǎng)物的準(zhǔn)備上游工程FERMENTATIONProcessControl第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四FermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculation上游工程FERMENTATIONProcessControl第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四Fermentation

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)。-無菌生長環(huán)境-控制加料-種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術(shù)

FERMENTATIONProcessControl發(fā)酵第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四FermentationengineeringDOWNSTREAMPROCESSES

固液分離技術(shù)-細(xì)胞破壁技術(shù)蛋白質(zhì)純化技術(shù)包裝處理技術(shù)

下游工程FERMENTATIONProcessControl從發(fā)酵液中分離純化產(chǎn)品的技術(shù)第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四Fermentationengineering-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecovery

下游工程FERMENTATIONProcessControl從發(fā)酵液中分離純化產(chǎn)品的技術(shù)第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四二、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)第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1、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。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四二、發(fā)酵工業(yè)的沿革古羅馬人搬運(yùn)葡萄酒的情景（上）漢代磚刻上的釀酒圖（右上）戰(zhàn)國時期的盛酒銅器和其中的酒（右）第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2、純培養(yǎng)技術(shù)的建立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)第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1680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），人類歷史上第一次看到大量活的微生物。安東尼·列文·虎克第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四路易·巴斯德法國,路易·巴斯德1822-1895年徹底否定“自生說”學(xué)說免疫學(xué)－預(yù)防接種證實發(fā)酵是由微生物引起的提出巴斯德消毒法等巴斯德也因此被人們譽(yù)之為“發(fā)酵之父”。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四利斯特·柯赫德國柯赫1843-1910年提出了柯赫法則配制培養(yǎng)基技術(shù)第一次分離得到微生物純種單種微生物（細(xì)菌）的分離和純培養(yǎng)技術(shù)第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1872年，英國的布雷菲爾德創(chuàng)建了霉菌純培養(yǎng)技術(shù)；丹麥的漢遜(Hansen)建立了啤酒酵母的純種培

養(yǎng)方法。因此，人類開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。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1897年法國的布赫納1907年獲諾貝爾化學(xué)獎。發(fā)酵過程是由酶催化的一系列化學(xué)反應(yīng)。布赫納第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四3、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立1928年英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四3、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)：無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封；通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問題；嚴(yán)格控制培養(yǎng)溫度、pH、通氣量、營養(yǎng)物的供給。第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四大型發(fā)酵罐攪拌裝置第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四深層培養(yǎng)法和操作技術(shù)，除青霉素外，以后微生物各種酶制劑、檸檬酸、維生素、氨基酸和甾類化合物的發(fā)酵轉(zhuǎn)化，都采用這種方法。

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四4、代謝控制發(fā)酵技術(shù)代謝控制發(fā)酵應(yīng)用動態(tài)生物化學(xué)知識和遺傳學(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。第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四天冬氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ甲硫氨酸蘇氨酸高絲氨酸賴氨酸高絲氨酸脫氫酶可以大量積累不能合成人工誘變的菌種不能產(chǎn)生人工控制黃色短桿菌生產(chǎn)賴氨酸第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四5、基因工程階段采用酶學(xué)的方法，將不同來源的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。發(fā)酵工程已經(jīng)擴(kuò)展到動植物細(xì)胞領(lǐng)域。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)

現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機(jī)酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料、基因工程菌發(fā)酵、基因工程藥物、疫苗及抗體產(chǎn)品等酒、醋的釀造發(fā)酵工業(yè)第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四現(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)于人類社會的一種工程技術(shù)?，F(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工程現(xiàn)代發(fā)酵工程操作對象微生物天然微生物菌株、變異微生物菌株、基因工程菌、動植物細(xì)胞株、細(xì)胞融合體無菌概念排雜菌（單向）生物體不逸出（雙向）培養(yǎng)裝置發(fā)酵罐新型生物反應(yīng)器第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四思考題什么是發(fā)酵?什么是發(fā)酵工程，發(fā)酵工業(yè)？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：利用生物細(xì)胞（含動物、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)物或菌體的過程。發(fā)酵工程：利用微生物、動植物細(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)過程。發(fā)酵工業(yè)：利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，對無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工（生物化學(xué)反應(yīng)過程），獲得產(chǎn)品的工業(yè)。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四HistoryofappliedmicrobiologyAncienttimesfoodpreservation(vinegar,cheese)flavour(bread,soysauce)brewing(beer,wine)1861LouisPasteurfirstphaseindustrialbiotechnology1940penicillin(Fleming)antibioticindustryproductionoffinechemicals42第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四Historyofappliedmicrobiology1973recDNAtechnology(Boyer&Cohen)1982rechumaninsulin（胰島素）postrecombinantDNAareasince1982rectherapeuticagents（治療劑）1990recbakersyeast1992recchymosine（凝乳酶）(fromyeast)43第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1、特點(diǎn)：在常溫常壓下進(jìn)行，操作條件溫和，設(shè)備要求較低。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)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)?？梢岳脧U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（熟悉）第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四反應(yīng)以生命體的自動調(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擇性地對某些較為復(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。投資少，見效快，具有經(jīng)濟(jì)和效能的統(tǒng)一性。除利用微生物外，還可以用動植物細(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)。第45頁，共49頁，2023年，2月20日，星