發(fā)酵工程

1、發(fā)酵工程原理,,教材余龍江主編. 發(fā)酵工程原理與技術應用.化學工業(yè)出版社，2006-2008參考書籍俞俊棠等主編. 生物工藝學(上下冊). 華東理工大學出版社梅樂和等主編. 生化生產工藝學. 科學出版社姚汝華主編. 微生物工程工藝原理. 華南理工大學出版社Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of Fermentation Techno

2、logy. (2nd Edition),《發(fā)酵工程》教材,考 核 方 式,閉卷考試占70％實驗占20％平時課堂提問、作業(yè)與考勤占10％,第一章 緒 論,本章內容,一、發(fā)酵工程定義及在生物技術中的地位二、發(fā)酵工程發(fā)展簡史三、發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍四、工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程五、發(fā)酵工程前沿及應用前景,何謂發(fā)酵？,微生物的發(fā)酵現(xiàn)象,－－請看下面現(xiàn)象,對發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解 －－兩種角度（能量、產物）,,生

3、物化學家,,側重能量代謝：1、能夠在氧分子參與下進行有氧呼吸產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（氧供應充分、有機物氧化徹底、產生大量能量）（2）糖酵解（暫時缺氧、有機物氧化不徹底、產生少量能量）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。

4、 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。,對發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解 －－兩種角度（能量、產物）,發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量 的過程,厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化-還原反應釋放能量的過程,發(fā)酵是酵母無氧呼吸產生能量的過程,需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時的不 完全氧化釋放能量的過程,,生物化學家,,生物化學家看待微生物發(fā)酵過程：,

5、,工業(yè)微生物學家,,利用生物細胞（包括動、植物細胞） 培養(yǎng)來生產產物的所有過程？（需氧過程、細胞工程）,發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來生產產物的無氧或需氧的任何過程,側重產品的生產：,發(fā)酵現(xiàn)象的本質,顯微鏡觀察：微生物著名的巴斯德實驗：微生物作用著名的畢希納實驗：酵素（酶）的作用,2. 發(fā)酵工程概念？ －－微生物細胞加工技術過程優(yōu)化與放大,傳統(tǒng)發(fā)酵工程：利用微生物的生長和代謝活動來大量生產人們所需產品的過程理

6、論與工程技術體系。該技術體系主要包括菌種選育與保藏、菌種擴大生產、代謝產物的生物合成與分離純化制備等技術集成。,現(xiàn)代發(fā)酵工程：是將DNA重組及細胞融合技術、酶工程技術、組學及代謝網絡調控技術、過程工程優(yōu)化與放大技術等新技術與傳統(tǒng)發(fā)酵工程融合，大大提高傳統(tǒng)發(fā)酵技術水平，拓展傳統(tǒng)發(fā)酵應用領域和產品范圍的一種現(xiàn)代工業(yè)生物技術體系（新一代工業(yè)生物技術）。 強調現(xiàn)代生物技術、控制技術和裝備技術在傳統(tǒng)與現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)領域的集成應

7、用。,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。,現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制,,,3. 發(fā)酵工程在生物技術中的地位,生物技術：應用自然科學和工程學的原理，依靠生物及其細胞的催化作用，將物料進行加工以提供產品或為社會服務的技術。,發(fā)酵工程是生物技術的應用基

8、 礎，是生物技術產業(yè)的核心。,,廣義發(fā)酵工程對生物學和工程學的要求,上中下游相互關聯(lián)！,生物技術體系,生化工程,酶工程,細胞工程,發(fā)酵工程,產物,產品,,,,,,,產品,,基因工程,,產品,,強調過程優(yōu)化與控制,,發(fā)酵工程發(fā)展簡史,1900以前 自然發(fā)酵階段1900—1940 純培養(yǎng)技術的建立1940—1950 通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術的建立1950—1960 誘變技術與代謝控制發(fā)酵技

9、術的建立1960—1970 開拓發(fā)酵原料時期（石油發(fā)酵時期）1970年以后 進入基因工程菌發(fā)酵時期，以及細胞 大規(guī)模培養(yǎng)技術的全面發(fā)展。 近年來，以現(xiàn)代生物技術和過程工程技術為基礎的 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)突飛猛進。,自然發(fā)酵階段,主要是釀造工業(yè)主要產品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等17世紀，能在容量為1

10、500桶（一桶約136升）的 木質大桶中進行第一次真正的大規(guī)模釀造 1757年應用溫度計；1801 使用原始熱交換器 主要特點：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng) ，產品質 量不穩(wěn)定,純培養(yǎng)技術的建立,Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌 的純培養(yǎng)Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petri dish)用于 微生物平板分離Winograsky和 Beijerin

11、k發(fā)明富集培 養(yǎng)法，分離特定的微生物主要產品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等,第一次世界大戰(zhàn)， Weizmann 發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)酵，建立了真正的無雜菌發(fā)酵。在面包酵母的生產中首先采用了分批補料培養(yǎng)技術 主要特點：純培養(yǎng)為主、嫌氧發(fā)酵，產品產量 質量控制水平大大提高 純培養(yǎng)技術的建立是發(fā)酵技術發(fā)展的第一個轉折時期。,純培養(yǎng)技術的建立,通氣攪拌發(fā)酵技術的建立,固體發(fā)酵缺點

12、標志：純種培養(yǎng)深層發(fā)酵生產青霉素 主要技術進展：通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問題。無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大 型發(fā)酵罐的密封與抗污染設計解決了耗氧 發(fā)酵中的雜菌污染問題。,主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)模化純培養(yǎng)發(fā)酵，一系列過程工程技術創(chuàng)新。意義：推動抗生素工業(yè)乃至整個發(fā)酵工業(yè)快速發(fā)展建立了完整的好氧發(fā)酵放大技術及裝備奠定了現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的理論和實踐基礎通氣攪拌大規(guī)模發(fā)酵技術的建立時發(fā)酵工業(yè)發(fā)展史上的第二

13、個轉折點。,通氣攪拌發(fā)酵技術的建立,代謝控制發(fā)酵技術的建立,基于代謝途徑及其調控實現(xiàn)微生物菌種選育和控制發(fā)酵。 代謝控制發(fā)酵技術：應用生物化學的代謝知識和遺傳學理論，選育微生物突變株，從而調控微生物代謝，大量積累目標發(fā)酵產物。主要應用：氨基酸及核苷酸等基于初生代謝產物 的發(fā)酵生產，以及有機酸 、抗生素等 代謝控制發(fā)酵工程技術的建立，是發(fā)酵技術發(fā)展的第三個轉折點。,開拓新的發(fā)酵原料時期,目的

14、：以烴類為碳源生產微生物細胞作為飼 料蛋白質的來源 技術進步：發(fā)展了高壓噴射式、強制循環(huán)式等多種發(fā) 酵罐及其發(fā)酵技術 計算機和自動控制技術的運用：滅菌和發(fā) 酵過程自動控制，促進發(fā)酵工業(yè)朝連續(xù)化、 自動化方向發(fā)展,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,基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）,主要標志 基因工程產品生產以及基因工程技術應用世界

15、上已批準上市的基因工程藥物有幾十種，如：胰島素、人生長激素等。,主要特點基因工程技術、細胞工程技術、酶工程技術以及發(fā)酵過程優(yōu)化及放大技術的全面進步 高產微生物代謝產物及非微生物代謝產物的基因工程菌構建及產品的發(fā)酵生產主導碳氧經濟發(fā)展，碳氫經濟的替代及生物煉制技術的興起,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)

16、 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),部分利用基因工程技術研制的產品,發(fā)酵工程的主要前沿進展,原料拓展： 可再生資源的加工和綜合利用（如纖維素原料）過程優(yōu)化技術多尺度生物反應器優(yōu)化控制技術生物煉制,,高產量：微生物生理、遺傳、營養(yǎng)及環(huán)境因素,高轉化率：微生物代謝途徑和過程條件,高效率：微生物反應動力

17、學和系統(tǒng)優(yōu)化,以高產量、高轉化率和高效率及低成本為目標的發(fā)酵過程優(yōu)化技術,低成本：技術綜合及產業(yè)化技術集成,環(huán)境友好：開發(fā)清潔生產技術,,發(fā)酵過程優(yōu)化技術,,三、發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍（一）發(fā)酵工業(yè)的特點,發(fā)酵過程一般是在常溫常壓下進行的生化反應， 反應安全，要求條件較簡單。 可用較廉價原料生產較高價值產品。 反應專一性強，可以得到較為專一的代謝產物。 能夠專一性地和高度選擇性地對某些較為復雜的

18、化合物進行特定部位的生物轉化修飾。,發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關重要。菌種是關鍵。發(fā)酵生產不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件限制。,（一）發(fā)酵工業(yè)的特點,（二）發(fā)酵工業(yè)的范圍,微生物菌體 酶制劑 代謝產物 生物轉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)酵工程新領域,,微生物菌體,傳統(tǒng)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,,新的菌體發(fā)

19、酵產品: 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,蟲草頭孢菌發(fā)酵生產蟲草,,酶制劑,廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工酶試劑盒：醫(yī)用診斷試劑盒、工業(yè)分析試劑盒等藥用酶制劑：膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工業(yè)用酶制劑：果膠酶，淀粉酶等基因重組技術用酶制劑：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA

20、的內切酶、外切酶，DNA限制性內切酶、DNA連接酶等。飼料酶制劑：木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶等,,從初生代謝到次生代謝,,微生物轉化,,,在用維生素C一步和二步發(fā)酵法生產中,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)的分子結構進行特異性改變。,,,,四、工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程（一）工業(yè)發(fā)酵的類型,,,固體發(fā)酵,厭氧發(fā)酵

21、 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（厚度2-3cm）

22、 深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）,按微生物對氧的不同需求,,,,（一）工業(yè)發(fā)酵的類型,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）,新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法,載體培養(yǎng)以天然或人工合成的多孔材料的固態(tài)基質作為載體兩步法液體深層培養(yǎng),（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產過程,1. 用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產的各種培 養(yǎng)基的配制；2. 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設備的消毒滅菌

23、；3. 擴大培養(yǎng)出有活性的適量純種，以一定比 例接種入發(fā)酵罐中；,4. 控制最適發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產物；5. 將產物提取并精制，以得到合格的產品；6. 回收或處理發(fā)酵過程中所產生的三廢物質。,（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產過程,（二）發(fā)酵工業(yè)的典型過程－－深層發(fā)酵過程,,五、發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應用前景,,基因工程的發(fā)展為發(fā)酵工程帶來新的活力。 采用發(fā)酵技術進行高等動植物細胞培養(yǎng)，具有誘人前景。 不

24、斷開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置， 計算機自動控制將成為發(fā)酵生產控制的主要手段。,強調代謝機理與調控研究，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。再生資源的利用?；旌暇l(fā)酵強調微生物群落與功能研究，提高發(fā)酵效率。,發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應用前景,清潔生產,按照聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的定義：“清潔生產是一種新的創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應用于生產過程、產品和服務中，以增加生態(tài)效益和減少人

25、類及環(huán)境的風險。對生產過程，要求節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒原材料，減降所有廢棄物的數(shù)量和毒性；對產品，要求減少從原材料提煉到產品最終處置的全生命周期的不利影響；對服務，要求將環(huán)境因素納入設計和所提供的服務中?！?,混合菌發(fā)酵的應用,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)、城市和農業(yè)）的發(fā)酵處理與轉化： 生物能源：生物制氫、生物制沼氣 生物飼料 生物肥料,課 程 內 容,第一章 &

26、#160;  緒論第二章    發(fā)酵工業(yè)菌種第三章    發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設計第四章    發(fā)酵工業(yè)的無菌技術第五章    發(fā)酵工業(yè)的種子制備第六章    發(fā)酵動力學第七章    發(fā)酵

27、工業(yè)中氧的供需第八章    發(fā)酵罐放大與設計第九章    發(fā)酵過程優(yōu)化與控制第十章    發(fā)酵經濟學,結合實踐自學：發(fā)酵產物分離純化以及產品制備 發(fā)酵工業(yè)的潔凈生產技術,發(fā)酵工程是連接生物科學、生物技術和 生物工程的橋梁，生物科學與技術 成果

28、的推廣應用離不開發(fā)酵工程！,Thank you for your attention !,過量運動后肌肉會有酸痛感，就是因為肌體在缺氧狀態(tài)下進行糖酵解產生了乳酸等,,高等生物（動物、植物和好氣性微生物）長期進行糖酵解（發(fā)酵）危害很大：由于能量不足加速了底物的利用導致能量物質枯竭產生大量有毒的底物不完全氧化的中間體：酒精、乳酸等甚至導致局部細胞壞死或整體死亡 人類腦缺氧非常危險、長期劇烈運動有損健康、提倡有氧