第1章 發(fā)酵工程緒論

《發(fā)酵工程》課程內(nèi)容第一章緒論第二章工業(yè)微生物菌種選育、保藏及菌種擴(kuò)培第三章微生物的生長代謝調(diào)節(jié)及發(fā)酵動力學(xué)第四章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基及原料處理第五章發(fā)酵工程的滅菌及空氣除菌第六章發(fā)酵條件及工藝控制第七章發(fā)酵染菌及防治第八章發(fā)酵罐

第九章發(fā)酵產(chǎn)物的后處理（即下游加工）第十章現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)主要產(chǎn)品的工藝過程學(xué)習(xí)要求：理論與實(shí)驗緊密結(jié)合1、理論學(xué)習(xí)是前提2、實(shí)驗基本技能操作能力是基礎(chǔ)3、實(shí)驗設(shè)計能力是要求4、實(shí)驗探索研究能力培養(yǎng)是目的思考：發(fā)酵工程與我國國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)系？發(fā)酵產(chǎn)品與我們生活的關(guān)系？第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵和發(fā)酵工程的涵義第二節(jié)發(fā)酵工程的發(fā)展簡史第三節(jié)發(fā)酵工程的基本內(nèi)容第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的范圍第五節(jié)發(fā)酵類型與流程第六節(jié)發(fā)酵工程的應(yīng)用第七節(jié)發(fā)酵工業(yè)展望第八節(jié)發(fā)酵工程的課程任務(wù)和內(nèi)容第一節(jié)發(fā)酵和發(fā)酵工程的涵義一、發(fā)酵的涵義二、發(fā)酵工程的概念一、發(fā)酵的涵義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4、發(fā)酵的現(xiàn)代概念(p1)1、傳統(tǒng)發(fā)酵最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或發(fā)芽谷物產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！卑退沟抡J(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟。2、生化和生理學(xué)意義的發(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的過程。3、工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(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。4、發(fā)酵的現(xiàn)代概念利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產(chǎn)物的過程，統(tǒng)稱為發(fā)酵。利用微生物的特點(diǎn)：發(fā)酵工程所利用的微生物：細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌等。利用微生物的特點(diǎn)：

(1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力。(2)有極強(qiáng)的消化能力。(3)有極強(qiáng)的繁殖能力。二、發(fā)酵工程（一）發(fā)酵工程的概念發(fā)酵工程是利用微生物生長與代謝活動，通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。由于它以培養(yǎng)微生物（發(fā)酵）為主，所以習(xí)慣上也稱為微生物工程。即利用微生物發(fā)酵過程來生產(chǎn)產(chǎn)品。（P1）（二）發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)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)發(fā)酵工程主體微生物的特點(diǎn)(2)發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)(3)發(fā)酵工程反應(yīng)過程的特點(diǎn)（p2）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。發(fā)酵工程是研究微生物工業(yè)生產(chǎn)中各單元操作的工藝和設(shè)備的一門學(xué)科，它是利用生化工程的原理和方法、生物反應(yīng)器技術(shù)及分離純化技術(shù)，將生物工程的實(shí)驗室成果進(jìn)行工業(yè)開發(fā)的學(xué)科，是生物工程不可分割的一部分。（三）發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型酒精類飲料、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食品、醫(yī)療保健藥物；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；氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素；單細(xì)胞蛋白等微生物菌體。生物能微生物冶煉（p3）第二節(jié)發(fā)酵工程的發(fā)展簡史

（p7-12）一、自然發(fā)酵時期（傳統(tǒng)發(fā)酵時期）二、近代發(fā)酵工程時期純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立：青霉素的生產(chǎn)——深層培養(yǎng)代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。三、現(xiàn)代發(fā)酵工程時期——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。發(fā)酵工業(yè)發(fā)展階段的過程現(xiàn)代生物技術(shù)特別是基因工程賦予發(fā)酵工程新的生命力，現(xiàn)代發(fā)酵工程產(chǎn)品種類不斷增加，是方興未艾的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，。它不但為人類提供所需的產(chǎn)品、在農(nóng)業(yè)、化工原料等行業(yè)的應(yīng)用中顯示巨大的潛力，并且隨著現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用將為人類創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。第三節(jié)發(fā)酵工程的基本內(nèi)容一、發(fā)酵工程的特征二、發(fā)酵工程研究的主要內(nèi)容三、獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件一、發(fā)酵工程的特征

（p13）1、原料：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、菌種：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。3、條件：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，要求條件簡單。4、發(fā)酵對雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反應(yīng)必需在無菌條件下進(jìn)行。5、產(chǎn)物：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。6、發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(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、特點(diǎn)：工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。8、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)。二、發(fā)酵工程研究的主要內(nèi)容1、工業(yè)生產(chǎn)菌種的選育。2、最佳發(fā)酵條件的選擇和控制。3、生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）的設(shè)計。4、產(chǎn)品的分離、提取及精制等過程。發(fā)酵工程的內(nèi)容是隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大和充實(shí)的。適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件微生物發(fā)酵的設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備三、獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞、酶、藥物活性物質(zhì)、特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑1、生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì)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。2、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。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。3、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。4、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)相類似但具有更大經(jīng)濟(jì)價值的化合物。生物轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物不是微生物細(xì)胞利用營養(yǎng)物質(zhì)代謝產(chǎn)生的，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。生長細(xì)胞、靜止?fàn)I養(yǎng)細(xì)胞、孢子或干細(xì)胞均能進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。特點(diǎn)：特異性強(qiáng)（反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性）。5、微生物特殊機(jī)能的利用利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡

★生物固氮代替化學(xué)肥料★微生物殺蟲劑代替化學(xué)農(nóng)藥★培育和創(chuàng)造能在惡劣條件下生長，并且能抗病蟲害和草害的農(nóng)作物新品種★為人類提供動物蛋白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)域第五節(jié)發(fā)酵類型與流程（p25）一、類型根據(jù)對氧的需要區(qū)分：厭氧和有氧發(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)發(fā)酵位置是表面或深層區(qū)分：表面發(fā)酵和深層發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵是間歇或連續(xù)區(qū)分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵根據(jù)所用菌種是單一或多種區(qū)分：單一純種發(fā)酵和混合發(fā)酵二、發(fā)酵的流程（有氧）空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品三、工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程1、培養(yǎng)基的配制：用于培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大的發(fā)酵罐生產(chǎn)。2、消毒滅菌：培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的滅菌。3、接種：將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中。4、發(fā)酵過程控制：將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產(chǎn)物。5、產(chǎn)物后處理：將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品。6、廢物處理：回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水。菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的基本流程（好氧發(fā)酵）

（一）發(fā)酵原料的預(yù)處理原料不同處理方法也有所差異。1.淀粉——利用前需變成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高壓、耐酸）、酶水解法2.糖蜜——加熱殺菌和用水沖稀，也可加酸處理后再補(bǔ)充無機(jī)鹽3.碳?xì)浠衔铮菏兔撓灐欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10℃的油，加入適量無機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵（二）菌種斜面培養(yǎng)菌種：已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種。方法：一般都是由保存于