发酵工程第一章绪论ppt课件

发酵工程 Fermentation Engineering,课程性质：专业必修课 学 时 数：讲授 32 学时 实验 32 学时 主讲教师：袁洪水 (生命科学学院制药工程系),2019/5/14,2,发酵工程课程的内容,第一章 绪论 第二章 菌种选育理论与技术(微生物遗传育种单独设课) 第三章 培养基 第四章 灭菌与除菌 第五章 生产菌种的制备与保藏 第六章 发酵过程中的供氧 第七章 发酵过程的控制 第八章 次级代谢产物的生物合成 第九章 次级代谢产物生物合成的调控 第十章 抗生素工业发酵生产 第十一章 维生素工业发酵生产 第十二章 氨基酸工业发酵生产,2019/5/14,3,发酵工艺学 何建勇主编 中国医药科技出版社 发酵工艺原理熊宗贵主编 中国医药科技出版社 发酵工艺学 白秀峰主编 中国医药科技出版社 微生物工程 曹军卫主编 科学出版社 发酵工程 李玉英主编 中国农业大学出版社 发酵工程 韦革宏主编 科学技术出版社,发酵工程课程教材及参考书,2019/5/14,4,发酵工程学习方法要求,各章的内容有所增加，应作好笔记； 带着问题听课，可以在课上向老师提问题； 我只讲重点、难点，能看懂的要求自学； 要求掌握的内容精讲，考试占70%； 要求熟悉的内容泛讲，考试占20%； 了解的内容只列题目，要求自学，考试占10%；,2019/5/14,5,平时成绩：20%（作业和小测，辅以点名） 期末考试：50% （闭卷，不划范围，课后思 考题即是范围） 实验成绩：30%,发酵工程课程考核方式,2019/5/14,6,第一章 绪论,第一节 发酵与发酵工程的概念 一、发酵的概念 二、发酵工程的概念 第二节 发酵工业的发展历史 第三节 发酵工业产品的类型 一、发酵工业产品类型 二、发酵工程/发酵工业应用范围 第四节 发酵的基本方法和过程 一、广义发酵工程组成 二、发酵工程的类型 三、发酵工程产品生产基本流程 四、发酵工程的研究内容 五、发酵工程技术的特点 第五节 发酵工业的发展趋势,2019/5/14,7,第一节 发酵和发酵工程的概念,2019/5/14,8,带着问题来听课： 什么是发酵？ 什么是发酵工程？ 发酵工程研究内容和发酵工艺、发酵原理有何区别？ 发酵工程对我们有什么用？,2019/5/14,9,一、发酵的概念,1.发酵（fermentation）的传统概念 拉丁语：Fervere 中文：“发泡” 或“翻涌”， 是指酵母菌作用于果汁或发芽谷物汁时产生碳酸气泡并引起翻动的现象。,2019/5/14,10,2.生理学和生物化学意义 巴斯德：研究了酒精发酵的过程，发泡是由浸出液中的糖降解而产生的CO2所引起的。 这个过程是在无氧条件下，糖在酵母菌等生物细胞的作用下进行分解代谢，得到产物酒精和CO2 ，并向菌体提供能量的过程。 生理意义认为：发酵是酵母在无氧条件下的呼吸过程，是“生物获得能量的一种形式”。,一、发酵的概念,2019/5/14,11,一、发酵的概念,生物化学家研究了多种微生物的厌氧、需氧发酵过程，表明：厌氧发酵是微生物体内产生能量的氧化还原反应，同时也是形成多种代谢产物的生物化学过程。 需氧发酵时，微生物体内进行了厌氧发酵和需氧呼吸两种生化代谢过程，其氧化还原反应需要分子氧的参与，同时产生了一系列的微生物代谢产物。 生物化学定义：发酵是指微生物在无氧条件下以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2 ，同时获得能量； 丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等。,2019/5/14,12,3. 微生物工业角度 通过微生物的生长和代谢活动，产生和积累人们所需代谢产物的一切微生物培养过程(即生物反应过程)通称为发酵。 包括： 厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、 乳酸等。 有氧培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、维生素、酶制剂等。 产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞。,一、发酵的概念,2019/5/14,13,4.发酵的现代概念 培养生物细胞（除微生物外还有动、植物细胞）经特定的代谢途径来产生或转化形成目标产物的过程。 又包括了： 做为发酵主体除微生物外，还有动、植物细胞；除天然生物体外，还有人工修饰的生物体。 除利用生物细胞合成产物外，还包括用生物转化生成有用物质，或转化毒、害物质成无毒、无害物质。 也把固定化(细胞或菌)发酵包含其中。,一、发酵的概念,2019/5/14,14,二、发酵工程的概念,1. 概念：发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动，通过工程技术手段进行工业化生产有用物质或进行有益活动的理论和工程技术体系。 最初：是微生物学与工程学(工程技术)相互渗透、有机结合形成的，也称之为渗透有工程学的微生物学，是微生物技术的工程化发展，又称为微生物工程。 发酵工程从20世纪40年代随着抗生素发酵工业的建立而产生和发展起来。 发酵工程技术体系主要包括：,2019/5/14,15,二、发酵工程的概念,微生物菌种选育和保藏； 培养基和发酵设备的灭菌技术； 空气净化除菌技术； 菌种的扩大培养； 微生物代谢产物的发酵生产； 产品分离纯化技术； 发酵过程中的补料技术； 发酵过程的参数检测、分析与控制技术。,现代发酵工程是以天然生物体和人工修饰的生物体为对象，将传统的发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的生产产品或服务于人类社会的一种工程技术，是现代生物工程的重要分支科学技术。,发酵工程技术体系主要包括：,2019/5/14,16,二、发酵工程的概念,2. 发酵工艺与发酵工程、发酵原理的联系和区别 发酵用于工业生产，是通过微生物群体的生命活动来加工或制造产品，其对应的加工或制造方法与过程被称为“发酵工艺”。解决产品生产技术路线问题。 为实现工业化生产，就必须解决实现发酵工艺的工业生产环境、设备和过程控制参数等的工程学的问题，即发酵工程解决按发酵工艺进行产品工业化生产的工程学问题。 对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，从生物学的角度审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原理是其生物学原理，发酵工程原理必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。解决发酵过程参数控制与生物学特性的内在规律问题。,2019/5/14,17,二、发酵工程的概念,3. 发酵工程在生物工程中的地位 21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么样的格局？ 作为工业生物技术核心的发酵工程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状态？ 能起何种作用？ 又面临那些课题？ 这是人们所关注的问题！,2019/5/14,18,二、发酵工程的概念,生物工程，是指人们以现代生命科学的理论和技术为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体，或依靠生物反应器为人类生产所需产品，或达到某种目的技术。 现代生物技术包含五大工程技术体系： 基因工程：用“剪刀+糨糊”创造新物种的工程。 细胞工程：微观水平的嫁接技术 酶工程：让工厂高效、安静、美丽如画的工程。 蛋白质工程： 巧夺天工的修剪和搭建新物质技术。 发酵工程：把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁。,2019/5/14,19,二、发酵工程的概念,基因工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,微生物或细胞,改良或创建生物新品种,蛋白质工程,作为一种应用性工程技术体系，采用了生物学、化学、工程学相结合的方法，依靠微生物生命活动生产人类需要的产品，或保护人类及其生活环境。,发酵工程不仅涉及单纯的野生型微生物的天然发酵，而且包括微生物突变株、人工组建的“工程菌”、动植物细胞的培养过程等。,发酵工程包括菌种筛选与改造、微生物培养及发酵过程的优化、微生物细胞机能的利用等整个生物工艺过程。,发酵工程依靠生物体的生命活动而实现工业化生产，发酵工程是生物工程的基础和关键技术，是生物工程的开路先锋。发酵工程是生物工程中最接近工业生产前沿的组成部分，它是生物工程的其他组成部分（基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程）的科学技术成果实现工业化生产并取得经济效益的可靠支柱，是生物工程的核心技术的用武之地。,2019/5/14,20,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,21,一、发酵本质的认识 发酵现象是与地球上生命活动同时诞生的，发酵产物与人类生活的关系十分密切。 人类对发酵现象本质的认知是近300年的事。1675年荷兰人吕文虎克发明了显微镜，只是用肉眼通过显微镜直接观察到了细菌和酵母等微生物(时称微动体)。 巴斯德对当时的乙醇发酵、乳酸发酵、葡萄酒酿造、食醋制造等多种发酵现象进行了仔细的研究，明确提出这些不同类型的发酵是由形态上可以区别的微生物所引起的，即各种微生物在各自的发酵过程中表现出不同的化学反应过程。如：酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟； 巴斯德的多项研究结果证实了微生物与发酵的关系： “一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 至此，对天然发酵的生理学意义有了认知。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,22,后来，布雷菲尔德建立了霉菌的分离与纯培养技术， 柯赫等创立了细菌的分离与纯培养技术， 汉逊等创建了酵母菌的分离与纯培养技术， 从此，人类可以控制某种微生物的生命活动，并可进行单一微生物的发酵。 1897年巴克纳(Buchner)阐明了微生物发酵中的化学反应本质，他用磨碎的酵母细胞制成酵母汁，加入大量的糖，发现有CO2和乙醇的形成，说明酵母汁中含有具备发酵能力的物质，后来证明了乙醇发酵是酵母细胞中的酶(当时称为酒化酶)催化了一系列化学反应的结果。其后相继对多种微生物体内的酶学性质进行了深入研究。 这些研究成果为后来的发酵工艺研究和发酵机制的探讨奠定了坚实基础。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,23,二、发酵工业的发展 二战之前，发酵主要产品是酵母菌体、乳酸、柠檬酸、乙醇、甘油、丙酮、丁醇等。 酵母菌体和有机溶剂发酵研究的较多，进展很大。 面包酵母发酵是个需氧过程，在丰富麦芽汁培养基中，酵母菌生长迅速，培养液中的溶解氧很快被消耗尽，导致菌体生长停滞而产生乙醇。如果限制发酵开始时的麦芽汁浓度，可以降低酵母菌的生长速度，在发酵过程中少量多次地补入麦芽汁可控制菌体生长速度，从而解决了因菌体生长速度过快造成的溶解氧不足的难题。由此建立了补料分批发酵的工艺。此种发酵工艺已在多种发酵工业中得到应用，获得了良好的效果。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,24,在丙酮、丁醇的厌氧发酵中，发酵前期较易受到需氧菌的污染，而在发酵后期又易受到厌氧菌的污染。第一次世界大战期间，由于制备炸药需要大量的丙酮，而丙酮又被用于制造人造橡胶，所以英国、加拿大、美国等研究其发酵技术， 建造低碳钢的圆柱形发酵罐； 生产中采用加压蒸汽灭菌技术； 建立起了纯种培养技术、无菌接种技术。 解决了丙酮、丁醇发酵过程的杂菌污染问题。 这不仅满足了当时市场上对丙酮、丁醇的商业需求，更重要的是为以后的需氧纯种发酵工艺的研究奠定了基础。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,25,二战期间，需要大量的青霉素。 最初青霉素生产采用固体表面培养法，生产水平很低，易受杂菌污染。 1941年成功研究出青霉素的深层培养发酵工艺，建造了带有搅拌和通风装置的钢制发酵罐，采用了培养基和发酵设备的灭菌技术，空气的净化除菌工艺、无菌接种技术，制订和完善了发酵过程中的pH、温度、营养物质浓度等参数的监测与控制技术。 这是微生物发酵上业史上的重大变革和成就，也是微生物发酵工业兴旺发达的开端。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,26,为了提高青霉素菌种的生产能力，满足工业生产的需要，建立了改造微生物遗传特性的菌种选育技术。 1940年，希特利等人对青霉素的提取纯化进行了深入研究，从酸化后的发酵液中将青霉素提取到有机溶剂相中，再在中性条件下将青霉素转移至水相中。试验证明，这种简单的提取方法是一系列纯化工作的关键，为工业生产提供了技术保证。 青霉素的液体深层发酵技术和提取纯化技术，为后来发现的许多种抗生素的工业化生产建立了一套完整的好氧发酵技术，大型通气搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展，为现代发酵工程奠定了基础。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,27,第二节 发酵工业的发展历史,三、抗生素发现的黄金时代 青霉素治疗感染性疾病的神奇疗效和链霉素用于结核病的治疗取得了令人震惊的效果，激发了世界各国微生物学家、化学家及相关学者从土壤微生物代谢产物中寻找抗生素的研究热情。 1929年弗莱明发现青霉素； 1943年美国科学家瓦克斯曼发现链霉素； 1948年Dugger发现第一个可口服的抗生素金霉素； 1949年Finlay发现了土霉素； 1952年McGuire发现第一个有临床应用价值的红霉素； 1953年Doothe发现了四环素，这类抗生素对革兰阳性菌、革兰阴性菌和某此大病毒等有抑杀作用，称为广谱抗生素。,2019/5/14,28,第二节 发酵工业的发展历史,1957年梅泽滨夫发现了对耐药菌有效的卡那霉素； 同年Sens发现了第一个安莎类抗生素利福霉素， 对其分子结构进行化学改造获得了利福平等一系 列衍生物，成为治疗肺结核、麻风病的有效药物。 1957年以后相继发现了柱晶白霉素、麦迪霉素、螺旋霉素等大环内酯类抗生素，均在临床上取得了很好的效果。 1963年Weinstein发现了毒性较低的庆大霉素； 1967年美国礼莱公司发现了对铜绿假单胞菌作用强且毒性低的妥布霉素。 由微生物产生的医药用抗生素超过了1,000个。,2019/5/14,29,第二节 发酵工业的发展历史,20世纪60年代以来，人们又开发出许多， 抗肿瘤抗生素：如丝裂霉素、柔红霉素、博来霉素。 抗病毒抗生素：如阿糖腺苷、他利霉素。 抗虫抗生素：盐霉素、莫能菌素、阿维菌素等 农牧业用抗生素： 春雷霉素、有效霉素、井岗霉素、安普霉素等。 这些抗生素的发酵生产和应用极大地促进了世界发酵工业的进步和发展。,2019/5/14,30,技术特点和意义： 通气、搅拌解决了液体深层培养和高粘度培养液的供氧问题。 无菌空气技术、培养基灭菌、大型发酵罐的密封设计制造实现了抗杂菌污染的纯种培养。 分批补料培养法、连续培养法等培养方式的使用、以及新型发酵罐设计，使发酵工业规模得以增大，菌种生产能力大幅度提高。 人工诱变育种和代谢调节控制技术应用，使初级代谢产物产量大幅度提高。 发酵动力学、发酵设备的计算机控制技术应用，生物合成和化学合成相结合工程技术建立，非碳水化合物(石油)代替碳水化合物的发酵，培养单细胞蛋白，发酵生产向大型化、多样化、连续化、自动化方向发展。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,31,四、其他微生物代谢产物的发现 1949年开始采用深层通风培养法进行细菌淀粉酶的生产，并用细菌淀粉酶和糖化酶进行淀粉的水解糖化，确立了酶法制备葡萄糖的生产工艺； 后来一些国家不仅用细菌发酵法生产大量的-淀粉酶、葡萄糖异构酶； 还创立了微生物发酵法直接生产蛋白酶、纤维素酶、果酸酶、转化酶、凝乳酶、脂肪酶、青霉素酰化酶、门冬酰胺酶等品种的深层发酵技术。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,32,1950S后，维生素、氨基酸、酶制剂、有机酸等微生物代谢产物的发酵技术进入迅速发展的时期。 用棉病囊霉、阿氏假囊酵母深层发酵生产维生素B2(核黄素)的发酵工业进一步完善，产量显著提高。 用丙酸菌发酵生产维生素B12的发酵工艺已投人生产。 自从细菌发酵生产谷氨酸在日本实现工业化后，其他国家的微生物学工作者对各种氨基酸产生菌的寻找和生物合成机制的研究日益深入。 至目前为止，赖氨酸、苏氨酸等18种氨基酸均可用微生物发酵法进行生产。 以微生物深层发酵技术生产柠檬酸等有机酸；生产肌苷、肌苷酸、ATP、辅酶A等核酸类医药产品的技术口益完善，为人类的健康事业作出了贡献。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,33,氨基酸：氨基酸虽然是一类初级代谢产物，但它充分利用青霉素等开发的经验和成果，获得很快地发展，从1955年发酵获得谷氨酸，目前几乎所有的氨基酸还包括L-多巴(二羟基苯丙氨酸等)都可用发酵法生产。 核苷酸：最早的产品是肌苷酸和鸟苷酸。此后又开发出三磷酸腺苷(ATP)，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)等。 多糖：主要用于食品和其他用途的增稠剂，有葡聚糖、黄原胶、糊精、微生物海藻酸、微生物几丁质等。 新的有机酸：己酸、水杨酸、苹果酸、赤藓酸等。 新的酶制剂：出现了多种用于工业生产和食品医药的酶。尤其是一系列核酸酶，为基因重组技术的发展奠定了基础。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,34,五、现代生物技术与发酵工程的相互促进 细胞融合技术、重组DNA技术的发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物，可按人们的意愿定向地改变生物性状，创立新功能的物种，发酵生产出人们所希望的各种产品。增加控制代谢产物产量的基因拷贝数，大幅度地提高目标产物的产量； 重组DNA技术获得的“工程菌”、“工程细胞”，使发酵工业的范畴突破了利用天然微生物的传统发酵，固定化细胞技术，逐步建立起新型的发酵体系。 生物反应器也不再局限于钢铁设备，昆虫、动物乳腺、植物的根茎果实都可能成为新型生物反应器。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,35,主要产品：基因工程的应用首先集中在多肽或蛋白质的生化药物。 人胰岛素、干扰素、 白细胞介素-2(IL-2)、 人生长激素(GH) 、 促红细胞生成素(EPO)、 集落刺激因子(CSF) 、表皮生长因子(EGF)、 肿瘤坏死因子、 凝血因子、 抗血友病因子、 尿激酶原、 组织溶纤原激活剂(t-PA)、 疫苗有：乙型肝炎疫苗、腺病毒疫苗、 流感疫苗、 脊髓灰质炎疫苗 等。,第二节 发酵工业的发展历史,2019/5/14,36,第二节 发酵工业的发展历史,六、我国发酵工业的发展 新中国建立之后，我国的发酵工业得到了迅速的发展。 原有酒精厂、啤酒厂、酵母厂：改造和扩建； 建立了以抗生素生产为主体的医药发酵工业。 1953年在原上海第三制药厂的基础上，建立了我国第一个青霉素生产企业； 1958年我国最大的抗生素生产基地华北制药厂建成投产，同时我同各地区相继建立起了一批抗生素生产厂。 实现了主要抗生素品种的国产化，其产量不仅能满足国内医药市场的需要，还有一定量的出口。,2019/5/14,37,第二节 发酵工业的发展历史,以淀粉酶、碱性蛋白酶等为代表的酶制剂发酵工业， 以柠檬酸发酵生产为代表的有机酸发酵工业， 以谷氨酸和赖氨酸发酵生产为代表的氨基酸发酵工业， 以肌苷发酵生产为代表的核酸发酵工业， 以维生素B2、维生素C为代表的维生素发酵工业 均得到了空前的发展。 尤其是20世纪70年代我国研究成功的维生素C“二步发酵法”处于国际领先地位，其发酵技术已转让到国外多个生产厂家。,2019/5/14,38,第三节 发酵工业产品的类型,带着问题来听课？ 发酵工业的产品类型有哪些？ 各个领域是如何应用发酵工程的？,2019/5/14,39,微生物发酵工业产品种类繁多，但就其发酵类型而言可分为下列几类： 1、微生物菌体细胞为产品； 2、微生物代谢产物(包括初级代谢产物和次级代 谢产物)为产品； 3、酶制剂和酶调节剂为产品； 4、微生物转化或修饰的产物； 5、工程菌发酵代谢产物； 6、动植物细胞大规模培养的代谢产物；,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,40,一、发酵工业产品类型,1、 微生物菌体细胞 根据用途不同，有： 活性干酵母：面包酵母和啤酒酵母、酿酒酵母； 活性乳酸菌：调节肠道微生态平衡的微生态制剂、酸奶发酵剂； 药用菌：富(锌/硒/铁)酵母、藻类、人工冬虫夏草菌、灵芝菌、蜜环菌(原天麻共生)、茯苓菌、香菇、； 饲用单细胞蛋白：藻类、酵母、细菌、真菌制备； 生物防治：苏云金杆菌、白僵菌、绿僵菌； 饲用添加剂：乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌；,2019/5/14,41,2、微生物代谢产物 初级代谢产物：在微生物生长过程中产生的，供菌体生长繁殖所必需的，如酶、有机酸、维生素、多糖、氨基酸、蛋白质、核苷酸、核酸、脂类等； 次级代谢产物：在菌体生长的后期，菌体产生的一些具有特性的、与菌体生长无明确关系的产物，如抗生素、生物碱、毒素、酶的生长抑制剂、激素类物质(生长因子)等。 在次级代谢产物中数量最多的是抗生素，它也是最大一类由发酵生产的微生物次级代谢产物，据不完全统计其结构类型有14类。抗生素不仅有广泛的抗菌作用，而且还有抗癌、抗病毒、抗虫及其他生物活性，已成为发酵工业的最重要部分。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,42,初级代谢产物和次级代谢产物的异同,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,43,3、微生物酶制剂与酶调节剂 酶是由活细胞产生的生物催化剂，普遍存在于动物、植物和微生物细胞中。 很早以前人类是从动物和植物组织中提取某些酶用于治病，如从动物胃膜和胰腺中提取蛋白酶，从植物麦芽中提取淀粉酶。随着酶制剂的应用日益广泛，需求量迅速扩大，用微生物发酵法生产酶制剂得到了极大的发展。越来越多的酶制剂均可用发酵法生产，形成了酶发酵工业。 微生物酶制剂与酶调节剂在医药、食品和轻工业、石油化工等行业中获得了广泛的应用和发展；,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,44,青霉素酰化酶：用于青霉素的水解，制备半合成青霉素的前体6-氨基青霉烷酸(6-APA)； 葡萄糖氧化酶：检验血液中葡萄糖含量等。 20世纪60年代梅泽滨夫从链霉菌代谢产物中分离出二肽化合物贝他定对氨肽酶B及亮氨酸氨肽酶有特异性抑制作用，该活性物质还可以刺激细胞免疫，增加巨噬细胞和脾细胞对白细胞介素I、的释放。 血管紧张素转化酶抑制剂(ACE)用于治疗高血压； 糖苷酶抑制剂治疗肥胖病、糖尿病和高脂蛋白血症；,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,45,磷脂酶抑制剂治疗胰腺炎； 3-羟-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMG-CoA还原酶)抑制剂以及乙酰辅酶A-胆固醇乙酰转移酶(ACAT)抑制剂治疗高胆固醇血症和动脉粥样硬化等。 有的酶抑制剂是免疫增强剂，如氨肽酶抑制剂有治疗癌症的作用； 有的酶抑制剂是免疫抑制剂，如环孢素A专门抑制T淋巴细胞的功能，它的临床应用使器官移植发生了一场“革命”，大幅度提高了器官移植的成功率。 医药用酶制剂和酶调节剂的临床应用，加速了新品种的研究开发，同时促进了酶发酵工业的发展、生产菌种的选育、发酵过程的自动控制以及酶制品的分离纯化技术。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,46,4、微生物转化产物 微生物转化就是利用微生物代谢过程中的某一种酶或酶系将一种化合物转化成含有特殊功能基团产物的生物化学反应。 1880s巴斯德发现乙酸杆菌能将乙醇氧化为乙酸，后来又相继发现用微生物可将异丙醇转化为丙醇，甘油转化成二羟基丙酮，L-酪氨酸转化成L-多巴胺；葡萄糖转化成葡萄糖酸进而转化成为2-酮基葡萄糖酸或5-酮基葡萄糖酸；山梨醇转化成山梨糖等。 微生物转化方法有分批培养转化法(生长细胞转化)、静止细胞转化法，干细胞转化法、孢子转化法、渗透细胞转化法、固定化细胞转化法。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,47,微生物转化反应在药物合成中应用愈来愈广，其特点： 在立体结构合成上具有高度的专一性； 转化反应条件温和，无污染。 微生物转化反应的生化反应类型主要有： 氧化、还原、水解、缩合、胺化、酰基化、降解、脱水等反应。 能够进行上述各种转化的微生物主要有： 霉菌、酵母、细菌和放线菌。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,48,微生物转化反应在药物研制中的应用始于1930s，1950s形成大规模工业生产。现已广泛用于激素、维生素、抗生素和生物碱等多种药物的生产中。 在维生素C生产中， 山梨醇 山梨糖 2-酮基-L-古龙酸 该方法不仅简化了“莱氏法”生产工艺，避免了使用有毒化学药品所造成的污染，而且该工艺易于实现工业生产的连续化、自动化，大大提高了维生素C的产量。,一、发酵工业产品类型,乙酸杆菌,氧化葡萄糖酸杆菌 巨大芽孢杆菌组合,2019/5/14,49,甾体激素类药物的工业生产主要是改造天然的甾体化合物。 胆固醇 雌酚酮,一、发酵工业产品类型,乙酸可的松皮质激素 (C-11位上导人一个氧原子),天然甾 体母核,单纯化学方法要37步反应 收率2/10万,黑根霉转化，一步就能在 C-11位上导人一个羟基， 其后合成步骤减少到11步， 收率达90%。,化学合成要进行6步反应 生物转化法可省去3步,2019/5/14,50,利用微生物转化生产过程中所进行的酶反应不需要把酶从微生物中提取出来，而是直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞或固定化酶的柱中进行酶促反应。除了可以省去提取酶的复杂过程，还十分适合于多酶反应或需要辅酶、辅因子参与的催化过程。 生物转化反应的特点： 反应条件温和 (30-40，常压，水相反应)； 反应特异性强（具有反应特异性、结构位置特异性、立体特异性强的特点）； 反应产物纯度高（包括光学纯）； 工艺简单、操作方便、环境污染小； 反应收率主要取决于菌种的性能。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,51,5、工程菌发酵产物 通过重组DNA技术、细胞融合技术等创造具有特殊功能的 “工程菌” ，用发酵技术能够生产大量所需要的产物。 如基因工程药物：胰岛素、促红细胞生成素(EPO)、集落刺激因子(CSF)、表皮生长因子(EGF)、人生长激素、干扰素、白介素、各种疫苗、单克隆抗体等。 迄今累计已有40余种基因工程药物投放市场。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,52,6、动植物细胞大规模培养的代谢产物 动、植物细胞虽小，但其生理生化功能却非常精密、复杂，并有较高的繁殖能力，可以生产许多种医药产物。 随着基因工程技术的发展，人们逐渐认识到许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰及正确的切割、折叠，才能具有与自然产物分子一样的生物功能。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,53,人们采用细胞操作技术，对原代细胞、转化细胞系等进行融合和重组构建出工程细胞系。 利用上述的各种细胞系在特制的动、植物细胞反应器中，在适宜的培养条件下进行组织培养，获取含有不同代谢产物的细胞群体。再用适当的方法从细胞群体中提取、纯化所需的代谢产物。 对木瓜细胞进行培养获得木瓜蛋白酶；用杂交瘤细胞生产用于治疗和诊断的各种单克隆抗体等。,一、发酵工业产品类型,2019/5/14,54,二、发酵工程/发酵工业应用范围,发酵工程在基因工程、细胞工程、蛋白质工程等现代生物技术的支持下，可以产生众多新的产品，应用的范围进一步扩大，已深入到工农业生产、医疗保健、环境保护，甚至微电子领域。 发酵工程促进了传统产业的技术改造和新兴产业的产生，对人类社会生活将产生深远的影响，同时也具有巨大的经济效益潜力。,2019/5/14,55,二、发酵工程/发酵工业应用范围,1、发酵工程在食品工业中的应用： 食品工业是世界上最大的工业之一，食品是人们的必需和享受，也是微生物技术最早开发应用的领域，至今其产量和产值仍占据发酵工程的首位。 食品加工：以各种原料生产的单细胞蛋白，包括细菌、酵母、真菌、藻类(螺旋藻)等。 含醇饮料：以糖类物质(水果汁、树汁、蜂蜜等)和淀粉类物质(谷物或根类等)为主要原料酿造或加工的葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、香槟酒、朗姆酒等。 发酵乳制品：奶酒、乳酪、酸奶等。,2019/5/14,56,二、发酵工程/发酵工业应用范围,调味品：味精、肌苷酸、鸟苷酸。 发酵食品：以豆类和谷物等生产的面包、酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、饴糖、泡菜等。 甜味剂：葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇、甜味肽、甜蛋白等。 食品添加剂：面包酵母、赖氨酸、葡萄糖酸、苹果酸、柠檬酸、黄原胶、海藻糖、高果糖浆、色素、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(增稠剂)、葡萄糖氧化酶和维生素C (食品保鲜剂)、乳链菌肽(Nisin食品防腐剂)、匹马霉素(食品保护剂)等。 功能食品：低聚糖、真菌多糖、活性肽、功能性不饱和脂肪酸等。,2019/5/14,57,二、发酵工程/发酵工业应用范围,2、发酵工程在医药卫生中的应用： 医药卫生领域是发酵工程应用最广泛，成绩最显著，发展最迅速，潜力也最大的领域。这是因为可以利用微生物工程从各方面改进医药的生产，开发新的药品，改善医疗手段，从而提高人类的医疗水平，并且也可以从中获得巨大的经济利益。 抗生素：现在发现的抗生素有6000余种，其中绝大多数是由微生物产生的，已形成产品的医用和兽用的(包括半合成抗生素)有百余种。 抗细菌抗生素：杆菌肽、青霉素、头孢菌素、金霉素、环丝氨酸、红霉素、庆大霉素、卡那霉素、青紫霉素等。 抗真菌抗生素：两性霉素 B、杀假丝菌素、灰黄霉素、制霉菌素等。,2019/5/14,58,二、发酵工程/发酵工业应用范围,抗原虫抗生素：烟古霉素、古曲霉素等。 抗肿瘤抗生素：放线菌素、阿德里亚(阿)霉素、博来霉素、光神霉素、丝裂霉素等。 起免疫抑制作用的抗生素：如环孢菌素A等。 半合成抗生素：某些天然抗生素在长期的使用中，会诱使一些病原菌产生抗药性。为了解决抗药性，同时也为了扩大抗菌谱，采用半合成的方法，将天然抗生素的侧链去掉，再用化学法加上新的侧链，如此产生的抗生素被称为半合成抗生素。研究最多的为青霉素型和头孢菌素型半合成抗生素。,2019/5/14,59,二、发酵工程/发酵工业应用范围,青霉素型半合成抗生素：如对青霉素酶稳定的甲氧苯青霉素、乙氧萘青霉素、苯唑青霉素、邻氯苯唑青霉素，广谱的氨苄青霉素、羟氨苄青霉素，抗绿脓杆菌的羧苄青霉素、磺苄青霉素等。 头孢菌素型半合成抗生素：噻唑霉素、头孢利定、头孢甘氨酸、头孢力新、唑啉头孢菌素、环己烯胺头孢菌素、吡硫头孢菌素、氰甲基头孢菌素。 其他半合成抗生素：丁胺卡那霉素、甲烯土霉素、强力霉素(去氧土霉素)、二甲胺四环素、四氢吡咯甲基四环素、去甲基金霉素、利福平、氯林肯霉素、去甲基林肯霉素、乙酰螺旋霉素等。,2019/5/14,60,二、发酵工程/发酵工业应用范围,氨基酸：氨基酸在医药中除用作大输液外，还广泛地用于临床治疗， 高氨血症、肝机能障碍：精氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸； 恢复疲劳，治疗心脏病、肝病、糖尿病：天门冬氨酸钾盐和镁盐 癌细胞抑制剂： S-氨甲酰基-半胱氨酸(天门冬酰氨的类似物)、N-乙酰-L-苯丙氨酸、N-乙酰-L-缬氨酸。 经发酵获得的氨基酸：谷氨酸、赖氨酸、丙氨酸、精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、苏氨酸、色氨酸、酪氨酸、缬氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸等。 酶法获得的氨基酸：天门冬氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、酪氨酸、半胱氨酸等。,2019/5/14,61,二、发酵工程/发酵工业应用范围,维生素：发酵获得的维生素或合成维生素的中间产物有维生素B2(核黄素)，维生素B12(氰钴氨素)，2-酮基-古龙酸(维生素C-抗坏血酸的前体)，类胡萝卜素(维生素A的前体)，麦角甾醇(维生素D2的前体)等。 甾体激素：甾体激素是由化学法合成的，但工序复杂且得率极低，成本也很高。用微生物进行转化，则操作工序大为减少，得率高，而成本低，并且可在甾体核的许多位碳原子上进行转化(如7和11位碳原子)。 如可的松(17-羟基-脱氧皮质酮)、氢化可的松、泼尼松(脱氢可的松或强的松)、氢化泼尼松(强的松龙)、肤轻松(氟氢可的松)、地塞米松(9-氟-16-甲基脱氢皮质醇)、确氨舒松(氟羟脱氢皮质醇)等，均用微生物进行转化产生。,2019/5/14,62,二、发酵工程/发酵工业应用范围,生物制品：生物制品通常是指含抗原制品。它们可用于预防、诊断或治疗相关疾病。包括 减毒或死的病毒和立克次氏体制造的疫苗，如牛痘和斑疹伤寒疫苗； 减毒或死的病原菌制造的菌苗，如卡介苗和伤寒菌苗；类毒素如白喉类毒素，以及含抗体的制品。 基因工程技术制造的生物制品，包括亚单位疫苗(如单纯疱疹病毒疫苗、口蹄疫病毒疫苗、肽疫苗等)、活体重组疫苗(如流感病毒载体疫苗、乙肝病毒载体疫苗等)、避孕疫苗、肿瘤疫苗、DNA疫苗等。,2019/5/14,63,二、发酵工程/发酵工业应用范围,治疗用酶： 蛋白酶和核酸酶可用于加速坏死组织、脓汁、分泌物、血肿的去除； 胃蛋白酶、脂肪酶、蛋白酶可帮助消化； 尿激酶、链激酶可溶化血栓；胰蛋白酶可释放激肽； 天门冬酰氨酶是抗肿瘤药物； 超氧化物歧化酶可治疗因O2-的毒性引起的炎症等。 酶抑制剂： 棒酸可抑制细菌产生的-内酰胺酶对青霉素的破坏； -淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病； 胆固醇抑制剂作为治疗高血压、高血脂的药物； 抑肽酶素用于治疗胃溃疡； 抑氨肽酶素作为免疫活性物质用在肿瘤放疗中； 多巴丁有降血压作用等。,2019/5/14,64,二、发酵工程/发酵工业应用范围,核苷酸类药物： 肌苷、辅酶A可治疗心脏病、白血病、血小板下降、肝病等； 5-腺苷酸(AMP)用于治疗循环系统紊乱、风湿病； 三磷酸腺苷(ATP)可治疗代谢紊乱、肌肉萎缩、心脏病、肝病； 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)可治疗维生素B缺乏症、肝病、肾病； 辅酶I(NAD)可治疗糙皮症、肝病、肾病； 胞苷二磷酸(CDP)胆碱可治疗头部外伤或大脑外伤引起的意识模糊。,2019/5/14,65,二、发酵工程/发酵工业应用范围,其他发酵药物： 如麦角新碱可促进产后子宫复原， 麦角胺可治疗偏头痛； 真菌多糖：可提高免疫力；灵芝多糖、云芝多糖、灰树花多糖、香菇多糖、 低聚糖可帮助建立肠道益生菌的微生态平衡； 酵母菌助消化等。 药用真菌：冬虫夏草、蜜环菌。,2019/5/14,66,二、发酵工程/发酵工业应用范围,基因工程药物：已知很多蛋白质是生理活性物质，因此它们的缺乏与人类的各种疾病密切相关。 如侏儒症与病人缺乏生长激素有关，有些糖尿病是由于胰岛素合成不足引起，出血不止的血友病则是因缺少凝血因子或的基因突变，而造成这些因子的严重缺乏。 基因工程技术提供了大量获得人源蛋白药物的基因工程菌，使原来需要由人或动物中制取的蛋白药物，可以从微生物的发酵中获得。并且可通过对蛋白质基因结构的修饰改造，使蛋白药物的性质更稳定，活性更高，副作用更小。 自1980年世界上第一个基因工程药物人胰岛素正式批准上市以来，现有几十种已获准上市。,2019/5/14,67,二、发酵工程/发酵工业应用范围,B-细胞生长因子 降血钙素 -胰蛋白酶抑制剂 粒细胞集落刺激因子(G-CSF) 粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF) 人绒毛膜促性腺激素(HCG) 表皮生长因子(EGF) 红细胞生成素(EPO) 凝血因子 生长激素 生长激素释放因子 胰岛素 干扰素(IFN) 白细胞介素(IL) 肿瘤坏死因子(TNF) 淋巴细胞毒素 巨噬细胞激活因子(MAF) 内啡肽和脑啡肽 血小板衍生因子 血清白蛋白 组织血纤维蛋白溶酶原激活因子(TPA) 链激酶(SK) 尿激酶(UK) 促性腺激素释放激素(GnRH) 促肾上腺皮质激素 各种疫苗 等,2019/5/14,68,二、发酵工程/发酵工业应用范围,3、发酵工程在轻工业中的应用 由微生物生产出许多种可用于轻工业加工的酶，如 糖酶：-淀粉酶(淀粉液化生成糊精及少量麦芽糖和葡萄糖)、 -淀粉酶(淀粉水解为麦芽糖)、 葡萄糖苷酶即糖化酶(水解淀粉、糊精、麦芽糖为葡萄糖)、 支链(异)淀粉酶(水解支链淀粉)、 转化酶(蔗糖酶，能将蔗糖和棉子糖水解为葡萄糖及果糖)、 异构酶(葡萄糖异构为果糖)、 半乳糖酶(水解乳糖为葡萄糖和半乳糖)、 纤维素酶类(水解纤维素为葡萄糖)等。,2019/5/14,69,二、发酵工程/发酵工业应用范围,蛋白酶： 碱性蛋白酶(用于洗涤剂、皮革鞣化、胶片银的回收、啤酒去浊)、 酸性蛋白酶(用于饮料、食品的冷藏，制作蛋白水解物)、中性蛋白酶(用于皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备)。 果胶酶：水解果胶物质，用于果汁、果酒的澄清，苎麻脱胶等。 脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油。 凝乳酶：凝固蛋白质制作干酪。 氨基酰化酶：用于拆分化学合成的DL-氨基酸，获得L-氨基酸。 甘露聚糖酶：水解甘露聚糖为甘露糖，生产山梨糖醇。 过氧化氢酶：将H2O2水解为H2O和O2 。,2019/5/14,70,二、发酵工程/发酵工业应用范围,4、发酵工程在化工能源产品中的应用 醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、二羟丙酮、丁醇、丁二醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、赤藓糖醇等。 有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、丁酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、酒石酸、衣康酸、环氧琥珀酸、柠檬酸羟基羧基戊二酸己二烯二酸、葡萄糖酸、酮葡萄糖酸、槽酸、曲酸、水杨酸、长链二元酸等。 多糖：右旋糖酐、黄原胶、茁霉多糖、海藻酸等。 烷烃：甲烷。 清洁能源：氢气、微生物燃料电池。 此外还有藻类产油等。,2019/5/14,71,二、发酵工程/发酵工业应用范围,5、发酵工程在农业中的应用 农业是世界上规模最大和最重要的产业，发达的农业经济很大程度上依赖于科学技术的进步，微生物工程技术和产品为农业的发展提供了有利的支持。 生物农药 微生物杀虫剂：包括病毒杀虫剂，如核型多角体病毒、质型多角体病毒、颗粒体病毒、重组杆状病毒； 细菌杀虫剂：如苏云金杆菌、重组苏云金杆菌； 真菌杀虫剂：如虫霉菌杀虫剂、造成“僵病”的白僵菌杀虫剂； 动物杀虫剂：如原生动物微孢子虫杀虫剂，线虫如新线虫和索线虫动物杀虫剂等。,2019/5/14,72,二、发酵工程/发酵工业应用范围,防治植物病害微生物：如细菌(假单胞菌属、土壤杆菌属等)、放线菌(细黄链菌)、真菌(木霉)、病毒(各种弱病毒)， 农用抗生素：杀稻瘟菌素、灭瘟素s、春日霉素、赤霉素、庆丰霉素等。 生物除草剂：主要是利用杂草的病原微生物，包括真菌(如锈菌、链刀菌、炭疽病菌等)、线虫、病毒等。 生物增产剂： 共生固氮菌、蓝细菌、联合固氮菌、钾细菌(如硅酸盐菌)、磷细菌等。 发酵饲料： 干酵母、单细胞蛋白、酵素菌、益生菌、青贮饲料。,2019/5/14,73,二、发酵工程/发酵工业应用范围,6、发酵工程在环境保护中的应用 工业和生活产生的废水、废气、废渣对江河湖海、大气和我们生活的环境造成了不同程度的污染，全球环境正在急剧恶化。过去人们通常采用焚烧和化学处理法来处理废弃物。但这些方法成本很高，并且会产生新的污染。 20世纪60年代中期，人们发现一些土壤微生物可以降解非生物源物质，如除草剂、杀虫剂、制冷剂等。它们大多数属于假单胞菌属，可分解100多种有毒废弃物。经研究发现，与有毒废弃物降解有关的酶有多种，编码这些酶的基因大多数存在于微生物细胞内的质粒上，也有的存在于染色体上，有的同时存在于质粒和染色体上。于是发明了有毒废弃物的微生物处理技术，这包括：,2019/5/14,74,二、发酵工程/发酵工业应用范围,厌气发酵法：如专性厌气微生物梭菌、拟杆菌、瘤胃球菌、丁酸弧菌、乙酸菌、甲烷菌等，兼性厌气微生物大肠杆菌、芽孢杆菌等。多用于沼气、肥料、饲料发酵。 好气发酵法：在有氧条件下，用某些产生菌胶的细菌和某些原虫的混合物处理工业和生活污水以及废气。现在已有属于悬浮生物体系和固定生物体系两大类的各种处理技术。如曝气池发酵和活性污泥发酵处理废水。,2019/5/14,75,二、发酵工程/发酵工业应用范围,7、发酵工程生物能源中的应用 利用秸杆、木屑、纤维素、半纤维素、木质素等发酵生产沼气、乙醇、乙烯、甲烷等。 8、发酵工程在细菌冶金中的应用 利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌有把亚铁氧化为高铁、把硫和低价硫化物氧化为硫酸的能力，将含硫金属矿石(主要是尾矿、贫矿)中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。 用此法浸出的金属有铜、钴、锌、铅、铀、金等。 还有石油发酵脱硫等。,2019/5/14,76,二、发酵工程/发酵工业应用范围,9、发酵工程在高新技术研究中的应用 如为基因工程研究提供的质粒、黏粒和病毒载体，限制性内切酶、连接酶、磷酸酶、磷酸激酶等。 医学诊断和工业过程检验用的生物传感器(酶、微生物电极、DNA芯片)，以及可能会用于微电子中的生物芯片等。,2019/5/14,77,第四节 发酵的基本方法和过程,2019/5/14,78,带着问题来听课？ 发酵工程是怎样生产出产品的？ 发酵工程研究哪些应用技术？ 发酵工程对所用微生物有要求吗？ 为什么要用发酵工程而不是化学工程生产某些产品？ 发酵工程有哪些特点？,2019/5/14,79,一、广义发酵工程组成,中游工程FERMENTATION Process Control,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES,- genetics, cell - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation,- product extraction, - purification & assay - waste treatment - by product recovery,从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工程分为菌种、发酵和提炼(包括废水处理)三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学原理、工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。,2019/5/14,80,一、广义发酵工程组成,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES,- genetics, cell - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation - Process Control,- product extraction, - purification & assay - waste treatment - by product recovery,辅助工程 Aided PROCESSES,- Air Purification - Water Treatment - Heating and cooling,发酵工程也可分为发酵和提取两部分，发酵部分是生物反应过程，提取也称后处理或下游加工过程。,2019/5/14,81,二、发酵工程的类型,发酵技术多种多样，人为分类：,好氧发酵 厌氧发酵 液体发酵 固体发酵 表面发酵 深层发酵 分批发酵 半连续发酵 连续发酵 游离发酵 固定化发酵 纯种发酵 混菌发酵,依 据,发酵过程氧的需要 培 养 基 物 理状态 微 生 物 生 长区域 发酵过程是否间断 菌 种 是 否 被固定 所 用 菌 种 的数量,在微生物