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)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸發(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、化學工程、基因工程分支，成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學科工程。科工程。 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，現(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

2、苗等而且生產(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、細菌肥料和微生多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學工業(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胞蛋白等。香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等。 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。抗生素、維生素、氨基酸、葡萄糖、胰島素。 化學工業(yè)化學工業(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；各種香料和長鏈脂肪酸等。各種香料和長鏈脂肪酸等。 能源開發(fā)的新途徑能源開發(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)的特點與分類 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)酵母等生物細胞作用進行分解 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

4、化學家的發(fā)酵定義： 指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(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)酵的基本概念發(fā)酵: 利用生物細胞（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)微生物學家的發(fā)酵定義：工業(yè)微生物學家的發(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。利用培養(yǎng)微生物制得產(chǎn)物的需氧或厭氧的任何過程。 2、發(fā)酵工程？、發(fā)酵工程？生物工程： 以生物科學和生物技術為基礎，結合化學工程、機械工程、控制工程、環(huán)境工程等工程科學，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)品或達到一定社會目標的過程工程科學。

5、生物工程的主要任務： 促進和實現(xiàn)生命科學實驗室成果向應用領域轉(zhuǎn)化。生物工程的基礎知識 基因工程基因工程 發(fā)酵工程發(fā)酵工程 酶工程酶工程 細胞工程細胞工程1、基因工程 利用基因體外重組技術，構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，實現(xiàn)化學轉(zhuǎn)化，合成各種產(chǎn)物或達到人類所需社會目標的工程科學。酶工程技術范圍：自然酶的開發(fā)和生產(chǎn)、酶的分離純化技術、酶的修飾改造技術、酶的固定化技術、酶反應器的開發(fā)。3、細胞工程以細胞為基本單位，在離體條件下進行培養(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

6、含細胞融合、核移植、試管動物等技術）。 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程是利用微生物、動植物細胞和基因工程菌在人工生物反應器人工生物反應器（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？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)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(1) 有嚴格的無菌生長環(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行滅菌的技術；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；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術。(4)在進行任何大規(guī)模

7、工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗，得到產(chǎn)物形成的動力學模型，并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學模型。(5)由于生物反應的復雜性，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。 基因工程、細胞工程基因工程、細胞工程 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域相互關系發(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器生物反應器生物分離工程生物分離工程新性狀菌株或細胞新性狀菌株或細胞生物反應器 生物化學反應進行的場所，提供微生物最優(yōu)生長、最優(yōu)形成產(chǎn)物的可控系

8、統(tǒng)和環(huán)境。生物分離工程 將生化反應與化學工程相結合，采用適當?shù)姆蛛x純化技術，使產(chǎn)品達到一定的純度。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-營養(yǎng)物的準備營養(yǎng)物的準備上游工程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)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術。 - -無菌生長環(huán)境無菌生長環(huán)境- -控制加料控制加料- -種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術 FERMENTATION Proc

10、ess Control發(fā)酵Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES- 固液分離技術固液分離技術 - - 細胞破壁技術細胞破壁技術- 蛋白質(zhì)純化技術蛋白質(zhì)純化技術- 包裝處理技術包裝處理技術 下游工程 FERMENTATIONProcess Control從發(fā)酵液中分離純化產(chǎn)品的技術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)技術的建立 3通氣攪拌發(fā)酵技術的建立 4代謝控制發(fā)酵技術 5. 基因工程階段 6現(xiàn)代發(fā)酵工程技術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： 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； 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葡萄酒的情景（上）古羅馬人搬運葡萄酒的情景（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)國時期的盛酒銅器和其中的酒戰(zhàn)國時期的盛酒銅器和其中的酒（右）（右）2、純培養(yǎng)技術的建

12、立19世紀末到20世紀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。 安東尼列文虎克路易巴斯德l 法國,路易巴斯德1822-1895年l 徹底否定“自生說”學說l 免疫學預防接種l 證實發(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之為“發(fā)酵之父”。利斯特柯赫l 德國柯赫 1843-1910年l 提出了柯赫法則l 配制培養(yǎng)基技術l 第一次分離得到微生物純種l 1872年，英國的布雷菲爾德創(chuàng)建了霉菌純培養(yǎng)技術；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，人類開始了人為地控制微生物的發(fā)酵進程，從而使發(fā)酵的生產(chǎn)技術得到巨大的改良，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。l 1907年獲諾貝爾化學獎。布赫納3、通氣攪拌發(fā)酵技術的建立l 1928年英國細菌 學家弗萊明發(fā)現(xiàn) 青霉素。3、通氣攪拌發(fā)酵技術的建立上世紀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)。主要的技術進展抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術：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； 嚴格控制培養(yǎng)溫度、pH、通氣量、營養(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，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)酵技術代謝控制發(fā)酵代謝控制發(fā)酵 應用動態(tài)生物化學知識和遺傳學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，進行最合理的代謝，積累 大量的有用發(fā)酵產(chǎn)物的技術。 目前比較成熟的技術：氨基酸的代謝控制發(fā)酵。 5、基因工程階段采用酶學的方法，將不同來源的DNA進行體外重組，再把重組DNA設法轉(zhuǎn)入受體細胞內(nèi)，并進行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導入微生物細胞中，從而達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)擴展到動植物細胞領域。 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象，集現(xiàn)代化高新技術為一體，生產(chǎn)產(chǎn)品或服務于人類社會的一種工程技術?，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)酵工程操作對象操作對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、動植物細胞株、細胞融合體因工程菌、動植物細胞株、細胞融合體無菌概念無菌概念排雜菌（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)酵罐新型生物反應器新型生物反應器思考題思考題 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域？他們的關系是 怎樣的？2. 現(xiàn)代發(fā)酵技術與傳統(tǒng)發(fā)酵技術的區(qū)別是什么？發(fā)酵：發(fā)酵：利用生物細胞（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：發(fā)酵工程：利用微生物、動植物細胞和基因工程菌在人工生物反 應器（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，對無機或有機原料進行酶加工（生物化學反應過程），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：、特點：l在常溫常壓下進行，操作條件溫和，設備要求較低。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和無機氮源就可進行反應?？梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。三、發(fā)酵工業(yè)的特點與分類（熟悉）l反應以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行。由于生物體本身所具有的反應機制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇

19、性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉(zhuǎn)化反應，也可以產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。l投資少，見效快，具有經(jīng)濟和效能的統(tǒng)一性。l除利用微生物外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的遺傳工程菌進行反應。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)酵和烴類原料發(fā)酵；l按產(chǎn)物產(chǎn)物類型：初級和次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵，或為食品 發(fā)酵、有機酸發(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按工藝類型工藝類型：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、發(fā)酵工業(yè)的分類（了解）發(fā)酵工業(yè)簡介發(fā)酵工業(yè)簡介 發(fā)酵食品 有機酸 氨基酸 核酸類物質(zhì) 酶制劑 醫(yī)藥工業(yè)（抗