發(fā)酵工程第一章緒論課件

發(fā)酵工程主講人：王君Tel：E-mail：fermentionengineering考核方式閉卷考試占70％平時課堂提問、作業(yè)、筆記、課堂論文與考勤占30％

CONTENTS

一、發(fā)酵工程的概念二、發(fā)酵工程的開展簡史三、發(fā)酵工程的根本內(nèi)容＊四、發(fā)酵過程的主要發(fā)酵類型五、發(fā)酵工程的后處理＊＊第一章發(fā)酵工程概述第一節(jié)發(fā)酵工程的概念微生物的發(fā)酵現(xiàn)象－－請看下面現(xiàn)象酵母作用于果汁或發(fā)芽谷物產(chǎn)生CO2 ferver：發(fā)泡、沸騰fermentation一.對發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解

－兩種角度〔能量、產(chǎn)物〕生物化學家側(cè)重能量代謝：1、能夠在氧分子參與下進行有氧呼吸產(chǎn)生能量的生物可以進行：有氧呼吸、糖酵解、厭氧呼吸〔兼性微生物〕〔1〕有氧呼吸〔氧供給充分、有機物氧化徹底、產(chǎn)生大量能量〕〔2〕糖酵解〔暫時缺氧、有機物氧化不徹底、產(chǎn)生少量能量〕2、無氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所進行的能量代謝。指有機物經(jīng)徹底或不徹底氧化，所脫下來的電子最后傳給外源的無機氧化物(個別是有機氧化物)并釋放較少能量。

根據(jù)最終電子受體不同，無氧呼吸分為：硝酸鹽呼吸、硫酸鹽呼吸、硫呼吸、碳酸鹽呼吸及延胡索酸呼吸等。發(fā)酵是微生物在無氧條件下分解代謝有機物釋放能量的過程。

發(fā)酵是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?，F(xiàn)代生物化學家生物化學家看待微生物發(fā)酵過程：代謝產(chǎn)物的生物合成與分離純化菌種擴大生產(chǎn)菌種選育與保藏

完整發(fā)酵工程：投入原料獲得最終產(chǎn)品發(fā)酵和提取主要研究解決工藝和設(shè)備問題實驗室和中試成果迅速擴大到工業(yè)生產(chǎn)中2.發(fā)酵工業(yè)的根本生產(chǎn)過程菌種活化擴大培養(yǎng)代謝產(chǎn)物的分離測量和控制發(fā)酵溫度、PH、溶解氧細胞的加工副產(chǎn)品或廢物處理粗選、除雜、粉碎加工等產(chǎn)品代謝產(chǎn)物分純或加工預(yù)處理滅菌代謝產(chǎn)物和細胞分離發(fā)酵培養(yǎng)基的配制發(fā)酵原料大型發(fā)酵過濾、離心、沉淀進一步擴大培養(yǎng)微生物工業(yè)發(fā)酵根本過程發(fā)酵工業(yè)的典型過程

－－深層發(fā)酵過程主體微生物的特點用簡易設(shè)備生產(chǎn)多種多樣的產(chǎn)品能利用無機物、有機物等各種營養(yǎng)物質(zhì)酶種類繁多催化各種生化反應(yīng)種類繁多繁殖速度快代謝能力強易通過人工誘變獲得有益菌株不受氣候、季節(jié)的限制能高度選擇在復(fù)雜化合物的特定部位進行氧化、還原、功能團引入或去除原料來源豐富、微生物有選擇的的吸收反應(yīng)條件溫和、耗能少、設(shè)備較簡單以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行過程需要除菌、防止雜菌污染傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)：釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)：基因工程藥物、細胞工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生物基化學品等，以及傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)升級。三.發(fā)酵過程的產(chǎn)品類型

傳統(tǒng)大型發(fā)酵工業(yè)的中央控制

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制

發(fā)酵工業(yè)的其他產(chǎn)品微生物菌體酶制劑代謝產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化微生物特殊機能的利用

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)域微生物菌體傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)酵母發(fā)酵菌體蛋白〔單細胞蛋白〕發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌

疫苗新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品:藥用功能菌體茯苓菌→茯苓擔子真菌→靈芝、香菇類蟲草頭孢菌密環(huán)菌微生物菌體

面包酵母

藻類芽孢桿菌和伴孢晶體

蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草

酶制劑從初生代謝到次生代謝微生物轉(zhuǎn)化

在用維生素C一步和二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化作用的葡糖酸桿菌對作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子結(jié)構(gòu)進行特異性改變。

分離和純化產(chǎn)品。包括固液分離技術(shù)、細胞破壁技術(shù)、產(chǎn)物純化技術(shù)，以及產(chǎn)品檢驗和包裝技術(shù)等下游技術(shù)發(fā)酵過程控制，主要包括發(fā)酵條件的調(diào)控，無菌環(huán)境的控制，過程分析和控制等

中游技術(shù)廣義發(fā)酵工程對生物學和工程學的要求

優(yōu)良種株的選育和保藏（包括菌種篩選、改造，菌種代謝路徑改造等），上游技術(shù)上中下游相互關(guān)聯(lián)！生化工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程

產(chǎn)物

產(chǎn)品

產(chǎn)品基因工程

產(chǎn)品強調(diào)過程優(yōu)化與控制第二節(jié)、發(fā)酵工程開展簡史1.傳統(tǒng)發(fā)酵階段主要是釀造工業(yè)主要產(chǎn)品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等17世紀，能在容量為1500桶〔一桶約136升〕的木質(zhì)大桶中進行第一次真正的大規(guī)模釀造1757年應(yīng)用溫度計；1801使用原始熱交換器主要特點：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定Koch首先創(chuàng)造固體培養(yǎng)基，建立細菌的純粹培養(yǎng)Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petridish)用于微生物平板別離Winograsky和Beijerink創(chuàng)造富集培養(yǎng)法，別離特定的微生物主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等開拓新的發(fā)酵原料時期特點：解決發(fā)酵原料及人畜爭糧問題；規(guī)模和自動化程度顯著提高，能耗過大。開拓新的發(fā)酵原料時期3.基因工程階段〔現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段〕基因工程階段〔現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段〕

人胰島素

人生長激素(GH)

表皮生長因子(EGF)

腫瘤壞死因子

白細胞介素-2(IL-2)

尿激酶原

豬生長激素(PGH)

牛生長激素(BGH)纖維素酶

,

-干擾素

乙型肝炎疫苗

集落刺激因子(CSF)

促紅細胞生成素(EPO)

抗血友病因子

組織溶纖原激活劑(t-PA)第三節(jié)、發(fā)酵工程根本內(nèi)容〔一〕發(fā)酵工程的一般特征1、發(fā)酵工業(yè)一般是在常溫常壓下進行的生物化學反響，反響條件比較溫和。2、可用較廉價的原料生產(chǎn)較高價值的產(chǎn)品。3、發(fā)酵過程是通過生物體自適應(yīng)調(diào)節(jié)來完成的，反響的專一性強，因而可以得到單一性的代謝產(chǎn)物。4、易產(chǎn)生復(fù)雜高分子化合物。5、高度選擇性的進行復(fù)雜化合物在特定部位的氧化、復(fù)原、官能團導入。6、生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)物的生物物質(zhì)菌體本身也是發(fā)酵產(chǎn)物。7、發(fā)酵生產(chǎn)需要注意防止染菌。8、發(fā)酵生產(chǎn)不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件的限制，可改進菌種。存在問題1、底物不可能完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可防止；2、產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外，也受細胞內(nèi)因素的影響，菌體易變異；3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖廉價，但質(zhì)量價格波動大準備工作量大，花費高，反響器效率低；4、過高的底物產(chǎn)物或產(chǎn)物濃度常導致酶的抑制或細胞不能耐受過高的滲透壓而失活；5、COD、BOD在發(fā)酵過程中常需要調(diào)控?！捕嘲l(fā)酵工程菌的特點1、在廉價培養(yǎng)基上生長迅速2、易于控制選育抗噬菌體能力強的菌株4、菌種純粹，不易變異5、菌種不是病原體，不產(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)〔三〕工業(yè)發(fā)酵的類型〔四〕發(fā)酵過程的優(yōu)化發(fā)酵過程優(yōu)化的定義：最正確控制發(fā)酵過程的方案或發(fā)酵過程中主要控制的工程和方法。發(fā)酵過程優(yōu)化的目的：使細胞調(diào)節(jié)、細胞環(huán)境、反響器特性、工藝條件等之間的關(guān)系簡化。發(fā)酵過程優(yōu)化的研究內(nèi)容：微生物細胞生長過程、微生物反響化學計量、微生物反響動力學、為生物反響器工程〔五〕發(fā)酵工業(yè)的逐級擴大逐級擴大定義：實驗室小型設(shè)備到實驗工廠小規(guī)模設(shè)備的實驗發(fā)酵，再轉(zhuǎn)為大規(guī)模設(shè)備的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)。逐級擴大階段：小試、中試、大試見第一章種子擴大培養(yǎng)

固體發(fā)酵

厭氧發(fā)酵需氧發(fā)酵兼性厭氧發(fā)酵

液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)酵）按培養(yǎng)基的物理性狀淺盤固體發(fā)酵深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）

按微生物對氧的不同需求1、發(fā)酵類型第四節(jié)、發(fā)酵工程常見主要發(fā)酵類型按發(fā)酵工藝流程分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵單級恒化器連續(xù)發(fā)酵多級恒化器連續(xù)發(fā)酵帶有細胞再循環(huán)的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵按菌的種類單菌種發(fā)酵多菌種混合發(fā)酵〔混合菌發(fā)酵〕3.厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，是利用一些厭氧微生物進行的發(fā)酵，如丙酮、丁醇、乳酸、乙醇的生產(chǎn)。好氧發(fā)酵是利用需氧的微生物進行的發(fā)酵。特點：是在發(fā)酵過程中需要不斷的供給微生物氧氣〔或空氣〕，以滿足微生物呼吸代謝。與分批培養(yǎng)方式比較與連續(xù)培養(yǎng)方式比較1、可以解除培養(yǎng)過程中的底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)1、不需嚴格的無菌條件2、對于好氧過程，可以避免在分批培養(yǎng)過程中，因一次性投糖過多造成細胞大量生長、好氧過多以致通風攪拌設(shè)備不能匹配的狀況2、不會產(chǎn)生微生物菌種的老化和變異3、微生物細胞可以被控制住一系列的過濾態(tài)階段，可用來控制細胞的質(zhì)量，并可重復(fù)某個時期細胞培養(yǎng)的過濾態(tài)，可用于理論的研究。3、最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離4、使用范圍廣泛5、混合發(fā)酵應(yīng)用：傳統(tǒng)釀造和食品發(fā)酵工業(yè)：白酒，醬油、醋、豆豉有機廢棄物〔工業(yè)、城市和農(nóng)業(yè)〕的發(fā)酵處理與轉(zhuǎn)化：生物能源：生物制氫、生物制沼氣生物飼料生物肥料混合發(fā)酵：混合培養(yǎng)物發(fā)酵。多種微生物混合在一起共用一種培養(yǎng)基進行發(fā)酵，也稱混合培養(yǎng)。特點：生產(chǎn)人員少、原材料和能源消耗少、設(shè)備和器材少、生產(chǎn)效益高或產(chǎn)品的種類多；能夠獲得一些獨特的產(chǎn)品；混合的多種菌種，增加了發(fā)酵中許多基因的功能，通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復(fù)雜的代謝作用，可以提高代謝效率。6.發(fā)酵工業(yè)開展趨向及應(yīng)用前景強調(diào)代謝機理與調(diào)控研究，使微生物的機能得到進一步開發(fā)。生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起：清潔生產(chǎn)。再生資源的利用?；旌暇l(fā)酵強調(diào)微生物群落與功能研究，提高發(fā)酵效率。

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發(fā)酵工程的主要前沿進展

高產(chǎn)量：微生物生理、遺傳、營養(yǎng)及環(huán)境因素

高轉(zhuǎn)化率：微生物代謝途徑和過程條件高效率：微生物反響動力學和系統(tǒng)優(yōu)化條件確定過程優(yōu)化初始條件過程分析過程強