【发酵工程】余龙江版 第1章_绪论.ppt

1,发酵工程,2,教材及主要参考书,教材：余龙江，发酵工程原理及技术应用，化学工业出版社，2006.参考书：1.酶工程（第二版）.郭勇.科学出版社,2004年2.俞俊棠新编生物工艺学化学工业出版社，2003.3.曹军卫微生物工程科学出版社，2002.4.贺小贤生物工艺原理化学工业出版社.2003.5.尹光琳,战立克,赵根楠发酵工业全书中国医药科技出版社.1992.,3,第一章绪论,第一节发酵工程定义及在生物技术中的地位第二节发酵工程发展简史第三节发酵工业的特点及其应用范围第四节工业发酵的类型与典型过程第五节发酵工程在国民经济中的应用第六节发酵工程前沿及应用前景,4,1、何为发酵？,微生物的发酵现象,一、发酵工程定义,第一节发酵工程定义及在生物技术中的地位,5,发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量的过程,厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程,发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程,需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不完全氧化释放能量的过程,生物化学家看待微生物发酵过程：侧重能量代谢,6,利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来生产产物的所有过程（需氧过程、细胞工程）,发酵是利用微生物培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程,工业微生物学家：侧重产品的生产,厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等,7,发酵现象的本质,显微镜观察：微生物著名的巴斯德实验：微生物作用著名的布希纳实验：酵素（酶）的作用,8,2.发酵工程概念？微生物细胞加工技术过程优化与放大,发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。,9,酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等,基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等。,10,现代发酵工业的中央控制,11,二发酵工程在生物技术中的地位,生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。,发酵工程是生物技术的应用基础，是生物技术产业的核心。,12,广义发酵工程对生物学和工程学的要求,上中下游相互关联！,13,生物技术体系,生化工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,基因工程,产品,强调过程优化与控制,14,第二节发酵工程发展简史,1900以前自然发酵阶段19001940纯培养技术的建立19401950通气搅拌纯培养发酵技术的建立19501960诱变技术与代谢控制发酵技术的建立19601970开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后进入基因工程菌发酵时期，以及细胞大规模培养技术的全面发展。近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的现代发酵工业突飞猛进。,15,一、自然发酵阶段,主要是酿造工业主要产品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等17世纪，能在容量为1500桶（一桶约136升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造1757年应用温度计；1801使用原始热交换器主要特点：嫌气发酵，非纯种培养，产品质量不稳定,16,二、纯培养技术的建立,Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养Petri创造一种培养皿(petridish)用于微生物平板分离Winograsky和Beijerink发明富集培养法，分离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等,17,第一次世界大战，Weizmann发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术。主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量质量控制水平大大提高,纯培养技术的建立,18,三、通气搅拌发酵技术的建立,标志：纯种培养深层发酵生产青霉素主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧发酵中的杂菌污染问题。,19,主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发酵，一系列过程工程技术创新意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础,通气搅拌发酵技术的建立,20,四、代谢控制发酵技术的建立,基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。主要应用：氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物的发酵生产，以及有机酸、抗生素等,21,五、开拓新的发酵原料时期,目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源技术进步：发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、自动化方向发展,22,特点：解决发酵原料及人畜争粮问题；规模和自动化程度显著提高，能耗过大。,开拓新的发酵原料时期,23,六、基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）,主要标志基因工程产品生产以及基因工程技术应用世界上已批准上市的基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人生长激素等。,24,主要特点基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起,基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）,25,人胰岛素人生长激素(GH)表皮生长因子(EGF)肿瘤坏死因子白细胞介素-2(IL-2)尿激酶原猪生长激素(PGH)牛生长激素(BGH),纤维素酶,-干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促红细胞生成素(EPO)抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA),部分利用基因工程技术研制的产品,26,第三节发酵工业的特点及其应用范围,1、发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。2、可用较廉价原料生产较高价值产品。3、反应专一性强，可得到较为单一产品。4、能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位的生物转化修饰。5、发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。,一、发酵工业的特点,27,发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。菌种是关键。,应注意,28,二、发酵工业的范围,1、微生物菌体2、酶制剂3、代谢产物4、生物转化5、微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域,29,微生物菌体,传统菌体发酵工业现代菌体发酵工业,酵母发酵,菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵,杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌,疫苗,30,新的菌体发酵产品:药用功能菌体茯苓菌茯苓担子真菌灵芝、香菇类虫草头孢菌密环菌,微生物菌体,31,面包酵母,藻类,32,芽孢杆菌和伴孢晶体,33,虫草头孢菌发酵生产虫草,34,酶制剂,广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等,35,从初生代谢到次生代谢,38,微生物转化,在用维生素C二步发酵法生产中,起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子结构进行特异性改变。,39,40,一、工业发酵的类型,固体发酵,厌氧发酵需氧发酵兼性厌氧发酵液体发酵（包括液体深层发酵）2、按培养基的物理性状浅盘固体发酵深层固体发酵（机械通风制曲）,1、按微生物对氧的不同需求,第四节工业发酵的类型与典型过程,41,工业发酵的类型,4、按菌的种类,单菌种发酵,多菌种混合发酵（混合菌发酵）,3、,42,新发展的微生物培养方法,载体培养：以天然或人工合成的多孔材料代替麸皮之类的固态基质作为微生物生长的载体，营养成分可以严格控制。发酵结束后只须将菌体和培养液挤压出来进行抽提，载体又可以重新使用。两步法液体深层培养：在酶制剂生产中，由于微生物生长与产酶的最适条件往往有很大的差异，采取两步法培养，将菌体生长条件（营养期）与产酶条件区分开来，因而更容易控制各个生理时期的最适条件。,43,二、发酵工业的基本生产过程,1、用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；2、培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；3、扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比例接种入发酵罐中；4、控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；5、将产物提取并精制，以得到合格的产品；6、回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。,发酵工业的典型过程深层发酵过程,45,1、各种抗生素：抗细菌，抗真菌，抗原虫，抗肿瘤天然、合成、半合成2、各种氨基酸：在医药中主要用于生产氨基酸输液,可用发酵获得或用酶法获得3、维生素：4、甾体激素：,一、在医药工业中的应用,第五节发酵工程在国民经济中的应用,46,5、生物制品：生于预防、诊断或治疗传染病6、单克隆抗体：抗体与抗原具有高度亲和性，用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物导弹药物的运载工具。纯化抗原类物质，菌种鉴别。7、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、制药工业用酶、工业发酵药物,在医药工业中的应用,47,二、在食品工业中的应用,这是发酵工程最早开发应用的领域，1、含醇饮料：以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆等为主要原料酿造或经加工的有葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、朗姆酒等2、传统调味品及发酵食品：以豆类、米、麦等生产的酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。3、发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等,48,3、用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料：葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇、脂肪等4、食品添加剂：面包酵母、味精(谷氨酸单纳)、赖氨酸、柠檬酸、红曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鸟苷酸(均为增鲜剂)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均为增稠剂)、葡萄糖氧化酶和异维生素C(均为食品保鲜剂)、乳链菌肽(食用防腐刘)。5、新型发酵饮料：活性乳酸饮料。,49,三、应用于能源工业,据预测，未来酒精发酵原料主要是纤维素、木质质等，并大量用于燃料消耗。美国计划在21世纪能源结构中，煤和石油将从目前的95下降到50，酒精将在新能源中占重要地位。,50,1、酵母生产燃料乙醇,51,2、沼气：在利用工农业生产中的有机物废料，将它们发酵制取燃料(沼气)气体方面，美国计划解决全国能源需要量的10，工业有机废水(渣)的利用在西欧转向甲烷发酵，英、美、德、日、俄都已建成了许多大型沼气发酵厂，如伦敦，每年可回收沼气8800万立方米。3、氢能：生物电池4、生物柴油：藻类中提取,52,一个20米直径的水池年产4吨藻类，加工后可得相当于3000升柴油的燃料。一英亩三角大戟可生产相当于50吨石油的燃料。,图为生长在淡水和海水中的一种硅藻,53,四、应用于化学工业,1、利用发酵、生物转化或酶法生产：烷烃、醇及溶剂、有机酸、多糖等2、与化学法相结合，选育相应的优良菌种，以乙烯和丙烯腈为原料，分别生产环氧乙烷、乙二醇等,54,五、冶金工业方面,细菌浸矿，即利用细菌的直接和间接作用对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有铜和铀(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等许多国家都在积极开展此项研究和生产。美国用这种办法得到的铜占铜产量的10以上，加拿大用细菌浸出的铀(U308)年产量达230吨。据世界20个矿山资料表明，每年用细菌浸出约铜达20万吨。,55,1、抗病、杀虫抗生素2、单细胞蛋白3、食用和药用真菌4、生物农药5、生物肥料,六、在农业生产中的应用,56,饲料方面,随着世界人口的不断增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益减少，动、植物蛋白的来源受到了限制，高质量蛋白质的不足已经成为一个十分突出的问题。微生物菌体中，蛋白质含量占4555(干物质)、所以用发酵工业生产单细胞蛋白是食品和饲料蛋白质的重要来源。,57,另外，藻类蛋白饲料也不可忽视，如前西德培养的珊列藻，每年每公顷所得蛋白比小麦多20一35倍。,58,1、微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。嫌气发酵法：指在嫌气情况下利用分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2。好气发酵（活性污泥）法：指在曝气情况下，用某些能降解有机物质的产菌胶的细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对