微生物發(fā)酵緒論

微生物發(fā)酵工程苑琳E-mail：yuan0079@163.com參考書目《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》李艷主編；《發(fā)酵工程》徐巖主編；《現(xiàn)代生物工藝學(xué)》儲(chǔ)炬主編。第1章緒論發(fā)酵與發(fā)酵工程發(fā)酵工程的內(nèi)容發(fā)酵工業(yè)的歷史淵源發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和服務(wù)領(lǐng)域生物工程與發(fā)酵工程一、發(fā)酵與發(fā)酵工程發(fā)酵發(fā)酵工程1、發(fā)酵（fermentation）是由拉丁語ferver（即“發(fā)泡”、“沸涌”）派生而來。指厭氧發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的現(xiàn)象。巴斯德研究酒精發(fā)酵：指酵母菌在無氧狀態(tài)下的呼吸，是生物獲得能量的一種方式。生物化學(xué)角度：發(fā)酵是微生物細(xì)胞為獲取生長(zhǎng)和生存所需能量而進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。新的發(fā)酵產(chǎn)品的涌現(xiàn)：發(fā)酵指利用生物細(xì)胞（動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞），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?，F(xiàn)代發(fā)酵發(fā)酵：以天然生物體和人工修飾的生物體為加工對(duì)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(huì)的過程。加工對(duì)象無菌概念培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)裝置下游工程現(xiàn)代高新技術(shù)的應(yīng)用2、發(fā)酵工程是指將發(fā)酵原理與工程學(xué)相結(jié)合，研究由生物細(xì)胞（包括微生物、動(dòng)物和植物細(xì)胞）參與的工藝過程的原理和科學(xué)，是研究利用生物材料生產(chǎn)有用物質(zhì)，服務(wù)于人類的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。發(fā)酵工程的組成中游工程上游工程下游工程-優(yōu)良種株的選育最適發(fā)酵條件的確定

培養(yǎng)基的制備等-目的產(chǎn)物的分離和純化-“三廢”處理滅菌技術(shù)空氣過濾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的工藝技術(shù)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵工藝的放大二、發(fā)酵工程的內(nèi)容發(fā)酵的基本過程獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件1、發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)過程空氣保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)生物反應(yīng)器滅菌產(chǎn)物分離純化成品機(jī)械能原料培養(yǎng)基預(yù)處理種子副產(chǎn)品廢物除菌啤酒發(fā)酵好氧發(fā)酵2、獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件有適宜的微生物；保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成、溫度、溶解氧濃度、酸堿度等）；有進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備；有將菌體或代謝產(chǎn)物提取出來，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備。現(xiàn)代發(fā)酵工程的核心獲得特殊反應(yīng)或過程所需的最良好的生物細(xì)胞（或酶）；選擇最精良設(shè)備，開發(fā)最優(yōu)技術(shù)操作，創(chuàng)造充分發(fā)揮生物細(xì)胞（或酶）作用的最佳環(huán)境。微生物細(xì)胞可控系統(tǒng)或反應(yīng)器三、發(fā)酵工業(yè)的歷史淵源天然發(fā)酵階段純培養(yǎng)技術(shù)的建立通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立代謝控制發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展1、天然發(fā)酵階段史前到19世紀(jì)，人們不了解發(fā)酵的本質(zhì)，僅利用自然發(fā)酵現(xiàn)象制成各種飲料酒和食品。主要產(chǎn)品：各種飲料酒、酒精、醬、醬油、醋、干酪、酸乳等。生產(chǎn)特點(diǎn)：手工作坊或家庭式生產(chǎn)，非純種培養(yǎng)，憑經(jīng)驗(yàn)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。2、純培養(yǎng)技術(shù)的建立19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代。單種微生物的分離和純培養(yǎng)技術(shù)的確立，使發(fā)酵技術(shù)從天然發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)榧兣囵B(yǎng)發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)轉(zhuǎn)折。1872年，英國(guó)Bredfeld創(chuàng)建了霉菌純培養(yǎng)法。1881年，德國(guó)Koch完成了細(xì)菌純培養(yǎng)技術(shù)。1878年，丹麥Hansen建立了啤酒酵母的純培養(yǎng)方法。純培養(yǎng)技術(shù)的建立1897年，法國(guó)Buchner證明了任何生物都有引起發(fā)酵的物質(zhì)（酶），開始了發(fā)酵機(jī)理的研究。第一次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)Weizman發(fā)明丙酮-丁醇發(fā)酵。第二次世界大戰(zhàn)中，日本藤牟三郎發(fā)明了用砂糖發(fā)酵制取正丁醇，最終制成異辛烷。自丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵途徑及其產(chǎn)物日本人腸內(nèi)酵母感染導(dǎo)致醉酒第一次世界大戰(zhàn)丁醇：生產(chǎn)無煙火藥丙酮：生產(chǎn)炸藥純培養(yǎng)技術(shù)的建立主要產(chǎn)品：厭氧：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮-丁醇等；好氧：檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶等。特點(diǎn)：表面培養(yǎng)，生產(chǎn)過程較簡(jiǎn)單，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求不高，規(guī)模不大。3、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立1929年，英國(guó)A.Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素；1940年，英國(guó)HawardFlorey和E.B.Chain分離出青霉素，并確認(rèn)其卓越療效和低毒性；1941年，美英合作研究、開發(fā)，1942年實(shí)現(xiàn)青霉素工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。龐大的抗生素工業(yè)興起，并建立了深層培養(yǎng)法。通氣攪拌液體深層發(fā)酵技術(shù)的建立，實(shí)現(xiàn)了第二個(gè)轉(zhuǎn)折。大型發(fā)酵罐攪拌裝置180m3發(fā)酵罐車間大型空氣壓縮機(jī)發(fā)酵車間的空氣過濾器通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)時(shí)期主要產(chǎn)品：初級(jí)代謝產(chǎn)物：氨基酸、酶制劑、有機(jī)酸等；次級(jí)代謝產(chǎn)物：抗生素、多糖等；生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：甾體化合物等；酶反應(yīng)產(chǎn)物：6-氨基青霉烷酸等。特點(diǎn)：產(chǎn)品類型多，技術(shù)要求高，規(guī)模大，技術(shù)發(fā)展迅速。4、代謝控制發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展1956年，日本木下祝郎發(fā)明了代謝控制發(fā)酵技術(shù)，使谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。1950~1960年，發(fā)酵工業(yè)的兩個(gè)顯著進(jìn)步：采用微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化；代謝控制發(fā)酵技術(shù)的出現(xiàn)。1960~1970年，許多氨基酸和核苷酸均可發(fā)酵生產(chǎn)；開展發(fā)酵原料多樣化的開發(fā)；出現(xiàn)單細(xì)胞蛋白的研究和生產(chǎn)。1970年以來，DNA重組、細(xì)胞融合等現(xiàn)代生物技術(shù)的運(yùn)用，固定化技術(shù)的應(yīng)用，新型生物反應(yīng)器的研究與設(shè)計(jì)，特殊環(huán)境微生物的研究，動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)，發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)等。主要產(chǎn)品：核苷酸類物質(zhì)、有機(jī)酸、氨基酸、部分抗生素等。代謝控制發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)生物化學(xué)和遺傳學(xué)的理論選育微生物突變株，從DNA分子水平上，控制微生物的代謝途徑，進(jìn)行最合理的代謝，積累大量有用發(fā)酵產(chǎn)物的技術(shù)。BiostatBplusBiostatED10PilotBiostatUD50DCUMFCSFermentorDisplayHistoryPlot四、發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和服務(wù)領(lǐng)域發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)酵工程產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)/領(lǐng)域BCDAE發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取和制劑制作節(jié)能降耗技術(shù)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)代謝組學(xué)和在線控制發(fā)酵工業(yè)微生物功能基因分析及改造發(fā)酵過程和產(chǎn)物分離偶聯(lián)技術(shù)1、發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展2、發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)酵食品生物化工生物醫(yī)藥發(fā)酵工程主要支柱產(chǎn)業(yè)各種酒類醬油、醋、腐乳、泡菜等傳統(tǒng)發(fā)酵食品淀粉糖生物防腐劑等有機(jī)酸生物能源烴類化合物氨基酸工業(yè)酶及應(yīng)用生物環(huán)境工程等抗生素、益生素維生素甾體激素轉(zhuǎn)化醫(yī)藥酶不飽和脂肪酸、酵母等3.發(fā)酵工程產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)/領(lǐng)域發(fā)酵工程農(nóng)業(yè)化工機(jī)械環(huán)保包裝印刷材料加工文化教育商業(yè)貿(mào)易交通運(yùn)輸原料種植市場(chǎng)流通啤酒發(fā)酵水泥發(fā)酵罐大工業(yè)化啤酒發(fā)酵罐現(xiàn)代黃酒釀造工藝流程手工釀造黃酒工業(yè)化生產(chǎn)黃酒浸米蒸飯前酵榨酒后酵黃酒發(fā)酵生物技術(shù)提升傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)采用基因工程技術(shù)，改變大麥醇溶蛋白基因或控制其表達(dá)，便可相應(yīng)的降低大麥原料中的醇溶蛋白含量，以適應(yīng)生產(chǎn)的要求；把S.occidentalis或S.diastaticus的糖化酶基因引入啤酒酵母中表達(dá)和分泌，改良了菌種，便可以直接發(fā)酵生產(chǎn)干啤酒和淡色啤酒了。酵母菌大麥生物芯片在固態(tài)發(fā)酵機(jī)理研究應(yīng)用通過基因芯片技術(shù)，直接對(duì)菌群中的多菌種同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，鑒定出菌群的消長(zhǎng)情況五、生物工程與發(fā)酵工程生物工程生物工程研究的領(lǐng)域生物工程與發(fā)酵工程1、生物工程生物學(xué)工程學(xué)化學(xué)生物技術(shù)生物化學(xué)生物工程化學(xué)工程不涉及化學(xué)，僅是物理過程和生物學(xué)的結(jié)合。是醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程、衛(wèi)生工程、農(nóng)業(yè)工程、仿生工程、人體功能工程等的總稱。涉及生物催化劑，與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。生物工程（bioengineering）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，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(huì)的產(chǎn)品或達(dá)到一定社會(huì)目標(biāo)的過程工程科學(xué)。狹義：指以基因工程技術(shù)為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)的總稱。廣義：指運(yùn)用生物科學(xué)知識(shí)及工程學(xué)的原理，開發(fā)利用生物材料為人類社會(huì)提供產(chǎn)品和服務(wù)的工程技術(shù)。2、生物工程研究的領(lǐng)域基因工程(geneengineering)細(xì)胞工程(cellengineering)酶工程(enzymeengineering)發(fā)酵工程(f