發(fā)酵工程第一章.pptx

1、 發(fā) 酵 工 程Fermentation Engineering 1學(xué)時(shí)：48（講授38，實(shí)驗(yàn)10）聯(lián)系方式：（M）2第一章緒 論一、發(fā)酵的定義二、發(fā)酵工程三、發(fā)酵工程的范圍（發(fā)酵產(chǎn)品類型）四、發(fā)酵過程的特點(diǎn)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3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 4一、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51、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62

2、、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。73、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8二、發(fā)酵工程 1、定義 采用現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，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)。9發(fā)酵

3、已經(jīng)從過去簡(jiǎn)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(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)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(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)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(zhǎng)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。 10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)備精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備2、獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件11 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

4、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12三、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13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142、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

5、病用的疫苗等。特點(diǎn)：細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。153、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。164、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級(jí)代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱為初級(jí)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(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即

6、穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌素、植物生長(zhǎng)因子等。175、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義：是利用生物細(xì)胞對(duì)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(jià)值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)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。186、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19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

7、換H2SO4 + Fe2(SO4)3Fe SO4 + S鐵屑Fe SO4氧化亞鐵硫桿菌：將Fe2+ 氧化成Fe3+ ，硫和低價(jià)硫化物氧化成硫酸201、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。2、微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。四、發(fā)酵過程的特點(diǎn)213、發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件簡(jiǎn)單。4、發(fā)酵對(duì)雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反應(yīng)必需在無菌條

8、件下進(jìn)行。5、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(duì)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。226 、發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。7、除利用微生物外，還可以用動(dòng)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)。23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(zhēng)奪糧食；反應(yīng)過程比化學(xué)反應(yīng)緩慢。24第一階段（1900年前）五、發(fā)酵工程的發(fā)展史主要產(chǎn)品：、酒精、醋18世紀(jì)早期開始第一次大規(guī)模釀酒19世紀(jì)中期

9、asteur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(guó)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25第二階段（1900年1940年）主要產(chǎn)品（大多是微生物的初級(jí)代謝產(chǎn)物）：、酵母細(xì)胞：面包酵母作為戰(zhàn)爭(zhēng)期間的食品供給、丙酮-丁醇：第一個(gè)真正意義上的無菌發(fā)酵、淀粉酶、檸檬酸、乳酸26第三階段（1940年至今）主要產(chǎn)品（大多

10、是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物）：青霉素：新技術(shù)帶動(dòng)其他次級(jí)代謝產(chǎn)物（如抗生素、維生素、赤霉素、氨基酸）及初級(jí)代謝產(chǎn)物（酶和類固醇）行業(yè)的迅猛發(fā)展1928年，leming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(duì)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。27第四階段（1960年至今）生產(chǎn)微生物細(xì)胞用作飼料蛋白價(jià)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28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29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(zhǎng)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(zhǎng)素促血小板生長(zhǎng)素降血鈣素絨毛促性腺激素絕經(jīng)期促性腺激