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(shù)應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2006-2008參考書籍俞俊棠等主編. 生物工藝學(xué)(上下冊). 華東理工大學(xué)出版社梅樂和等主編. 生化生產(chǎn)工藝學(xué). 科學(xué)出版社姚汝華主編. 微生物工程工藝原理. 華南理工大學(xué)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(nèi)容,一、發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)物）,,生

3、物化學(xué)家,,側(cè)重能量代謝：1、能夠在氧分子參與下進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生能量的生物可以進(jìn)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(yīng)充分、有機(jī)物氧化徹底、產(chǎn)生大量能量）（2）糖酵解（暫時缺氧、有機(jī)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(jìn)行的能量代謝。 指有機(jī)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(jī)氧化物(個別是有機(jī)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(chǎn)物）,發(fā)酵是指有機(jī)化合物進(jìn)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(yīng)釋放能量的過程,發(fā)酵是酵母無氧呼吸產(chǎn)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(xué)家,,生物化學(xué)家看待微生物發(fā)酵過程：,

5、,工業(yè)微生物學(xué)家,,利用生物細(xì)胞（包括動、植物細(xì)胞） 培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程？（需氧過程、細(xì)胞工程）,發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物的無氧或需氧的任何過程,側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)：,發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì),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(xì)胞加工技術(shù)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(chǎn)人們所需產(chǎn)品的過程理

6、論與工程技術(shù)體系。該技術(shù)體系主要包括菌種選育與保藏、菌種擴(kuò)大生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的生物合成與分離純化制備等技術(shù)集成。,現(xiàn)代發(fā)酵工程：是將DNA重組及細(xì)胞融合技術(shù)、酶工程技術(shù)、組學(xué)及代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控技術(shù)、過程工程優(yōu)化與放大技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)酵工程融合，大大提高傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)水平，拓展傳統(tǒng)發(fā)酵應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品范圍的一種現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)體系（新一代工業(yè)生物技術(shù)）。 強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代生物技術(shù)、控制技術(shù)和裝備技術(shù)在傳統(tǒng)與現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域的集成應(yīng)

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(jī)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(xì)胞工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生物基化學(xué)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(shù)中的地位,生物技術(shù)：應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生物及其細(xì)胞的催化作用，將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務(wù)的技術(shù)。,發(fā)酵工程是生物技術(shù)的應(yīng)用基

8、 礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。,,廣義發(fā)酵工程對生物學(xué)和工程學(xué)的要求,上中下游相互關(guān)聯(lián)！,生物技術(shù)體系,生化工程,酶工程,細(xì)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(qiáng)調(diào)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(shù)的建立1940—1950 通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立1950—1960 誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技

9、術(shù)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(jìn)入基因工程菌發(fā)酵時期，以及細(xì)胞 大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的全面發(fā)展。 近年來，以現(xiàn)代生物技術(shù)和過程工程技術(shù)為基礎(chǔ)的 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)突飛猛進(jìn)。,自然發(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(jì)，能在容量為1

10、500桶（一桶約136升）的 木質(zhì)大桶中進(jìn)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,純培養(yǎng)技術(shù)的建立,Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細(xì)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(chǎn)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(chǎn)中首先采用了分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù) 主要特點：純培養(yǎng)為主、嫌氧發(fā)酵，產(chǎn)品產(chǎn)量 質(zhì)量控制水平大大提高 純培養(yǎng)技術(shù)的建立是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第一個轉(zhuǎn)折時期。,純培養(yǎng)技術(shù)的建立,通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立,固體發(fā)酵缺點

12、標(biāo)志：純種培養(yǎng)深層發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 主要技術(shù)進(jìn)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(shè)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)?；兣囵B(yǎng)發(fā)酵，一系列過程工程技術(shù)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(shù)及裝備奠定了現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的理論和實踐基礎(chǔ)通氣攪拌大規(guī)模發(fā)酵技術(shù)的建立時發(fā)酵工業(yè)發(fā)展史上的第二

13、個轉(zhuǎn)折點。,通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立,代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立,基于代謝途徑及其調(diào)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(shù)：應(yīng)用生物化學(xué)的代謝知識和遺傳學(xué)理論，選育微生物突變株，從而調(diào)控微生物代謝，大量積累目標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)物。主要應(yīng)用：氨基酸及核苷酸等基于初生代謝產(chǎn)物 的發(fā)酵生產(chǎn)，以及有機(jī)酸 、抗生素等 代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的建立，是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三個轉(zhuǎn)折點。,開拓新的發(fā)酵原料時期,目的

14、：以烴類為碳源生產(chǎn)微生物細(xì)胞作為飼 料蛋白質(zhì)的來源 技術(shù)進(jìn)步：發(fā)展了高壓噴射式、強(qiáng)制循環(huán)式等多種發(fā) 酵罐及其發(fā)酵技術(shù) 計算機(jī)和自動控制技術(shù)的運用：滅菌和發(fā) 酵過程自動控制，促進(jìn)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(biāo)志 基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)以及基因工程技術(shù)應(yīng)用世界

15、上已批準(zhǔn)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(shù)、細(xì)胞工程技術(shù)、酶工程技術(shù)以及發(fā)酵過程優(yōu)化及放大技術(shù)的全面進(jìn)步 高產(chǎn)微生物代謝產(chǎn)物及非微生物代謝產(chǎn)物的基因工程菌構(gòu)建及產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)主導(dǎo)碳氧經(jīng)濟(jì)發(fā)展，碳?xì)浣?jīng)濟(jì)的替代及生物煉制技術(shù)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(xì)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(xì)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(shù)研制的產(chǎn)品,發(fā)酵工程的主要前沿進(jìn)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(shù)多尺度生物反應(yīng)器優(yōu)化控制技術(shù)生物煉制,,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：微生物反應(yīng)動力

17、學(xué)和系統(tǒng)優(yōu)化,以高產(chǎn)量、高轉(zhuǎn)化率和高效率及低成本為目標(biāo)的發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),低成本：技術(shù)綜合及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)集成,環(huán)境友好：開發(fā)清潔生產(chǎn)技術(shù),,發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù),,三、發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)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(jìn)行的生化反應(yīng)， 反應(yīng)安全，要求條件較簡單。 可用較廉價原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。 反應(yīng)專一性強(qiáng)，可以得到較為專一的代謝產(chǎn)物。 能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的

18、化合物進(jìn)行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。,發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。菌種是關(guān)鍵。發(fā)酵生產(chǎn)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(chǎn)物 生物轉(zhuǎn)化微生物特殊機(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 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),酵母發(fā)酵,菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）發(fā)酵,,新的菌體發(fā)

19、酵產(chǎn)品: 藥用功能菌體 茯苓菌→茯苓 擔(dān)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(chǎn)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(shù)用酶制劑：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA

20、的內(nèi)切酶、外切酶，DNA限制性內(nèi)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(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(jìn)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(jī)械通風(fēng)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(zhì)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(chǎn)過程,1. 用作種子擴(kuò)大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培 養(yǎng)基的配制；2. 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的消毒滅菌

23、；3. 擴(kuò)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(chǎn)物；5. 將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品；6. 回收或處理發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。,（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)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(yīng)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(shù)進(jìn)行高等動植物細(xì)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(jī)自動控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段。,強(qiáng)調(diào)代謝機(jī)理與調(diào)控研究，使微生物的機(jī)能得到進(jìn)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(qiáng)調(diào)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(yīng)用前景,清潔生產(chǎn),按照聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的定義：“清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程、產(chǎn)品和服務(wù)中，以增加生態(tài)效益和減少人

25、類及環(huán)境的風(fēng)險。對生產(chǎn)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(chǎn)品，要求減少從原材料提煉到產(chǎn)品最終處置的全生命周期的不利影響；對服務(wù)，要求將環(huán)境因素納入設(shè)計和所提供的服務(wù)中。”,,混合菌發(fā)酵的應(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(jī)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,課 程 內(nèi) 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(shè)計第四章    發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)第五章    發(fā)酵工業(yè)的種子制備第六章    發(fā)酵動力學(xué)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(shè)計第九章    發(fā)酵過程優(yōu)化與控制第十章    發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué),結(jié)合實踐自學(xué)：發(fā)酵產(chǎn)物分離純化以及產(chǎn)品制備 發(fā)酵工業(yè)的潔凈生產(chǎn)技術(shù),發(fā)酵工程是連接生物科學(xué)、生物技術(shù)和 生物工程的橋梁，生物科學(xué)與技術(shù) 成果

28、的推廣應(yīng)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(jìn)行糖酵解產(chǎn)生了乳酸等,,高等生物（動物、植物和好氣性微生物）長期進(jìn)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(dǎo)致能量物質(zhì)枯竭產(chǎn)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(dǎo)致局部細(xì)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