生物技术与人类生活(4)--发酵(微生物)

1、2021-11-25生物技术与人类生活课程1生物技术与人类生活（七）生物技术与人类生活（七）-发酵工程技术及应用发酵工程技术及应用李李 云云 海海2021-11-25生物技术与人类生活课程21、发酵工程技术的、发酵工程技术的概念及意义概念及意义（1）发酵工程，也称微生物工程。发酵工程，也称微生物工程。 传统发酵技术传统发酵技术（旧有的（旧有的发发 酵酵 技技 术术 制酱、醋、酒、面包、制酱、醋、酒、面包、奶奶（有着悠久的历史）（有着悠久的历史） 酪、酸奶等技术）酪、酸奶等技术） 现代发酵技术现代发酵技术（始于（始于20世世 纪纪40年代的微生物发酵工年代的微生物发酵工 业，后来结合基因、细胞业

2、，后来结合基因、细胞 和分子修饰改造等工程和分子修饰改造等工程 ）2021-11-25生物技术与人类生活课程3（2）现代发酵工程的）现代发酵工程的概念概念 发酵发酵是人们利用微生物在有氧或无是人们利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程。或其代谢产物的过程。 把微生物学、生物化学和化学工程把微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机地结合起来，利用微生的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术，称为质的工程技术，称为发酵工程发酵工程。2021-11-25生物

3、技术与人类生活课程4（3）发酵工程技术的）发酵工程技术的意义意义l发酵工程是生物技术的重要组成部分发酵工程是生物技术的重要组成部分l是生物技术产业化的重要环节是生物技术产业化的重要环节l外源目的基因易在微生物菌体中表达外源目的基因易在微生物菌体中表达l发酵工业投资少、见效快、污染小发酵工业投资少、见效快、污染小l在医药、食品、化工、冶金、资源、能在医药、食品、化工、冶金、资源、能源、健康和环境领域中都占有重要地位源、健康和环境领域中都占有重要地位2021-11-25生物技术与人类生活课程52、发酵工程技术的、发酵工程技术的概况概况l（1）发酵类型）发酵类型（根据产品类别分五类）（根据产品类别分

4、五类）lA.微生物菌体发酵微生物菌体发酵（菌体蛋白、冬虫夏（菌体蛋白、冬虫夏草菌、天麻密环菌、茯苓菌、灵芝菌，苏云金草菌、天麻密环菌、茯苓菌、灵芝菌，苏云金杆菌、白僵菌和绿僵菌等昆虫天敌菌）杆菌、白僵菌和绿僵菌等昆虫天敌菌）lB.微生物酶的发酵微生物酶的发酵（淀粉酶、糖化酶、（淀粉酶、糖化酶、氨基酰化酶、青霉素酰化酶、胆固醇氧化酶等，氨基酰化酶、青霉素酰化酶、胆固醇氧化酶等，食品工业、医药生产和医疗检测）食品工业、医药生产和医疗检测）2021-11-25生物技术与人类生活课程6lC.微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵（初级代谢产物、（初级代谢产物、次级代谢产物）次级代谢产物）lD.微生物的转

5、化发酵微生物的转化发酵（乙醇（乙醇-乙酸，异乙酸，异丙醇丙醇-丙醇）丙醇）lE.生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵（工程菌或杂交（工程菌或杂交细胞，胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶、单抗）细胞，胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶、单抗）2021-11-25生物技术与人类生活课程7（2）发酵技术的特点）发酵技术的特点l生命体自动调节，数十个反应一次完成生命体自动调节，数十个反应一次完成l原料可以是农副产品、工业废水或可再生资源原料可以是农副产品、工业废水或可再生资源 （糖蜜、淀粉，植物秸秆、木屑等）（糖蜜、淀粉，植物秸秆、木屑等）l容易生产复杂的有特定部位或基团的高分子化容易生产复杂的有特定部位或基团的

6、高分子化合物合物l严格的无菌条件，发酵过程中需要防止杂菌的严格的无菌条件，发酵过程中需要防止杂菌的污染（设备冲洗、灭菌，空气过滤等）污染（设备冲洗、灭菌，空气过滤等）2021-11-25生物技术与人类生活课程83、微生物发酵、微生物发酵过程过程（1）常用微生物常用微生物（五种）（五种）A、 细菌细菌：淀粉酶、淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等和肌苷酸等B、放线菌放线菌：占发酵生产的占发酵生产的200多种抗生多种抗生素中的素中的60%。放线菌细菌2021-11-25生物技术与人类生活课程9C、酵母菌酵母菌：酿酒、面包、：酿酒、面包、低凝固点石油、脂肪酶、低凝固点石油、脂肪酶、

7、酵母菌体蛋白等酵母菌体蛋白等D、霉菌霉菌：多种酶制剂、：多种酶制剂、抗生素、有机酸、甾体激素等抗生素、有机酸、甾体激素等E、其他其他：菇类菇类（抗癌药物、（抗癌药物、橡胶、多糖）和橡胶、多糖）和藻类藻类（保健食品、饲料、（保健食品、饲料、CO2石油、光能石油、光能氢能）氢能）霉菌酵母菌蓝藻菇类2021-11-25生物技术与人类生活课程10（2）培养基培养基（三种）（三种）l孢子培养基孢子培养基：供微生物产生大量优质孢子用：供微生物产生大量优质孢子用 的，如麸皮培养基、小米培养基的，如麸皮培养基、小米培养基l种子培养基种子培养基：供孢子发芽和菌体生长繁殖用：供孢子发芽和菌体生长繁殖用 的，如富加

8、葡萄糖、糊精、蛋白的，如富加葡萄糖、糊精、蛋白 胨、玉米浆和酵母粉等的培养基胨、玉米浆和酵母粉等的培养基l发酵培养基发酵培养基：碳源、氮源、无机盐、微量元：碳源、氮源、无机盐、微量元 素、生长因子、水和产物形成的素、生长因子、水和产物形成的诱导物（前体或促进剂等）诱导物（前体或促进剂等）2021-11-25生物技术与人类生活课程11（3）发酵的一般过程发酵的一般过程（四环节）（四环节）l菌种制备、种子培养、发酵生产和提取精制等：菌种制备、种子培养、发酵生产和提取精制等：l培养基原料培养基原料 培养基配制培养基配制 培养基灭菌培养基灭菌 菌体菌体l储备菌种储备菌种 种子罐种子罐 生产罐生产罐 细

9、胞或菌体分离细胞或菌体分离l 无细胞上清夜无细胞上清夜 产品抽提产品抽提 产品精制和包装产品精制和包装l 废水处理废水处理2021-11-25生物技术与人类生活课程12（4）微生物发酵过程的）微生物发酵过程的分类分类l4.1 分类分类l好氧性发酵；厌氧性发酵好氧性发酵；厌氧性发酵l固体发酵；液体发酵固体发酵；液体发酵l敞口发酵；密闭发酵敞口发酵；密闭发酵l浅盘发酵；深层发酵浅盘发酵；深层发酵l液体深层发酵液体深层发酵发酵罐及其发酵罐及其控制系统控制系统2021-11-25生物技术与人类生活课程13好氧性发酵好氧性发酵 l在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空在发酵过程中需要不断地通入一定量的

10、无菌空气。气。l如利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵，利用棒状杆如利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵，利用棒状杆菌进行的谷氨酸发酵，利用黄单孢菌进行的多菌进行的谷氨酸发酵，利用黄单孢菌进行的多糖发酵等。糖发酵等。 4.2 微生物发酵过程简介微生物发酵过程简介2021-11-25生物技术与人类生活课程14厌氧性发酵厌氧性发酵 l在发酵时不需要供给空气。在发酵时不需要供给空气。l如乳酸杆菌引起的乳酸发如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭状芽孢杆菌引起的酵，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。丙酮、丁醇发酵等。l厌氧发酵也称静止培养厌氧发酵也称静止培养, , 因其不需供氧因其不需供氧, , 所以设备所以设备和工艺都较好氧发

11、酵简单。和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深层发酵严格的厌氧液体深层发酵的主要特色是排除发酵罐的主要特色是排除发酵罐中的氧。如乳酸和啤酒等。中的氧。如乳酸和啤酒等。 4.2 微生物发酵过程微生物发酵过程啤酒发酵罐2021-11-25生物技术与人类生活课程154、液体深层发酵液体深层发酵（1）发酵的操作方式发酵的操作方式（三类型）（三类型） 分批发酵、连续发酵和补料发酵分批发酵、连续发酵和补料发酵（2）发酵工艺控制发酵工艺控制（四参数）（四参数） 温度、黏度（通气和搅拌）、温度、黏度（通气和搅拌）、pH、溶解氧浓度、溶解氧浓度（3）发酵设备发酵设备（发酵罐）（发酵罐） 好氧发酵设备：机械搅拌

12、或通风搅拌式发酵罐好氧发酵设备：机械搅拌或通风搅拌式发酵罐 厌氧发酵设备：静止培养，排除发酵罐中的氧厌氧发酵设备：静止培养，排除发酵罐中的氧2021-11-25生物技术与人类生活课程16（4）下游加工过程下游加工过程l从发酵液中分离、精制有关产品的过程称为发从发酵液中分离、精制有关产品的过程称为发酵生产的下游加工过程。酵生产的下游加工过程。结晶罐结晶罐离心机离心机双效浓缩器双效浓缩器2021-11-25生物技术与人类生活课程17下游加工过程（下游加工过程（四环节四环节）l发酵液发酵液预预处理处理和和固固液分离液分离、提取提取（吸（吸附、离子附、离子交换、沉交换、沉淀、萃取淀、萃取和超滤和超滤等

13、）、等）、精精制制、成品成品加工加工。预处理预处理发酵液发酵液高度纯化高度纯化（精制）（精制）细胞碎片细胞碎片分离分离细胞细胞破碎破碎细胞分离细胞分离 成品成品加工加工初步纯化初步纯化（提取）（提取）胞外产物胞外产物2021-11-25生物技术与人类生活课程185、固体发酵固体发酵l原料一般为经济易得、富含营养物质的原料一般为经济易得、富含营养物质的工农业中的副产品或废弃物；工农业中的副产品或废弃物；l一般都是开放式的，无菌条件要求不高；一般都是开放式的，无菌条件要求不高；l所需设备简单，操作容易；所需设备简单，操作容易；l劳动强度大，不便于机械化操作，微生劳动强度大，不便于机械化操作，微生物

14、品种少、生长慢，产品有限。物品种少、生长慢，产品有限。2021-11-25生物技术与人类生活课程19固固 体体 发发 酵酵 实实 例例 例子例子 原料原料 所用微生物所用微生物 蘑菇生产蘑菇生产 麦秆、粪肥麦秆、粪肥 双孢蘑菇、埃杜香菇等双孢蘑菇、埃杜香菇等 泡菜泡菜 包心菜包心菜 乳酸菌乳酸菌 酱油酱油 黄豆、小麦黄豆、小麦 米曲霉米曲霉 大豆发酵食品大豆发酵食品 大豆大豆 寡孢根霉寡孢根霉 干酪干酪 凝乳凝乳 娄格法尔特氏青霉娄格法尔特氏青霉 堆肥堆肥 混合有机材料混合有机材料 真菌、细菌、放线菌真菌、细菌、放线菌 花生饼素花生饼素 花生饼花生饼 嗜食链孢霉嗜食链孢霉 金属浸提金属浸提 低

15、级矿石低级矿石 硫芽孢杆菌硫芽孢杆菌 有机酸有机酸 蔗糖、废糖蜜蔗糖、废糖蜜 黑曲霉黑曲霉 酶酶 麦麸等麦麸等 黑曲霉黑曲霉 污水处理污水处理 污水成分污水成分 细菌、真菌和原生动物细菌、真菌和原生动物2021-11-25生物技术与人类生活课程204.1.3 发酵技术的应用 l抗生素、维生素、激素抗生素、维生素、激素l疫苗和菌苗等疫苗和菌苗等 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程21食品工业食品工业 l微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类酒类l食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）等）

16、 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程22能源工业能源工业 l酒精酒精l沼气沼气l氢能氢能 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程23化学工业化学工业 l可降解的生物塑料可降解的生物塑料l化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）l生物表面活性剂及生物凝集剂生物表面活性剂及生物凝集剂 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程24冶金工业冶金工业 l黄金开采和铜、铀等金属的浸提黄金开采和铜、铀等金属的浸提 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-

17、11-25生物技术与人类生活课程25农业农业 l生物固氮生物固氮l生物杀虫剂生物杀虫剂l微生物饲料微生物饲料 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程26环境保护环境保护 l使用生物肥料，生物杀虫剂使用生物肥料，生物杀虫剂l降解有毒物质降解有毒物质l净化废水废气，处理石油污染净化废水废气，处理石油污染 6.1发酵工程的应用发酵工程的应用2021-11-25生物技术与人类生活课程277、典型产品典型产品的发酵生产的发酵生产（1）抗生素发酵生产抗生素发酵生产 青霉素：菌株、培养基、发酵工艺青霉素：菌株、培养基、发酵工艺（2）氨基酸发酵生产氨基酸发酵生产 谷氨酸：

18、菌种、原料、培养、发酵、提取谷氨酸：菌种、原料、培养、发酵、提取（3）维生素发酵生产维生素发酵生产 维生素维生素C、B2、B12、D和胡萝卜等和胡萝卜等2021-11-25生物技术与人类生活课程28青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。19281928年为英国人年为英国人Fleming A.Fleming A.发现，发现，2020世纪世纪4040年年代投入工业生产。代投入工业生产。 7.1 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品青霉素青霉素7.1.1 抗生素发酵生产之一抗生素发酵生产之一 2021-11-25生物技术与人类生活课程29目前全世界用于生产青

19、霉素的高产菌株，大都由目前全世界用于生产青霉素的高产菌株，大都由菌株菌株Wis Q176（一种产黄青霉，（一种产黄青霉，Penicilliumchrysogenum）经不同改良途径得）经不同改良途径得到。到。青霉素工业发酵生产水平已达青霉素工业发酵生产水平已达85000 U/mL以上以上。 7.1 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品青霉素青霉素7.1.2 青霉素发酵生产的菌株青霉素发酵生产的菌株2021-11-25生物技术与人类生活课程30碳源：淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液碳源：淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液 。氮源：玉米浆、花生饼粉、精制棉籽饼氮源：玉米浆、花生饼粉、精制棉籽饼 粉或麸皮粉或麸皮

20、 。前体：苯乙酸或苯乙酰胺前体：苯乙酸或苯乙酰胺 。无机盐无机盐 ：包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。：包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。 7.1 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品青霉素青霉素7.1.3 青霉素发酵生产培养基青霉素发酵生产培养基2021-11-25生物技术与人类生活课程317.1.4 青霉素青霉素发酵工艺发酵工艺冷冻管冷冻管 斜面母瓶斜面母瓶 孢子培养孢子培养 25，67天天 大米孢子大米孢子 孢子培养孢子培养 25，67天天 一级种子罐一级种子罐 种子培养种子培养 25，4045h，1 2vvm 二级种子罐二级种子罐 种子培养种子培养 25，1315h，1 1.5vvm 发酵罐发

21、酵罐 发发 酵酵 2226，1 10.8vvm，67天天 放罐放罐 提炼提炼 冷至冷至15 7.1 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品青霉素青霉素2021-11-25生物技术与人类生活课程32过滤：采用鼓式真空过滤器；过滤：采用鼓式真空过滤器； 提炼：溶液媒介萃取法；提炼：溶液媒介萃取法； 脱色：活性炭脱色；脱色：活性炭脱色； 结晶：丁醇共沸结晶法。结晶：丁醇共沸结晶法。 7.1.5 青霉素发酵青霉素发酵生产后处理生产后处理 7.1 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品青霉素青霉素2021-11-25生物技术与人类生活课程33l谷氨酸谷氨酸是目前氨基酸生产中产量最是目前氨基酸生产中产量最大的

22、一种，谷氨酸发酵生产工艺也大的一种，谷氨酸发酵生产工艺也是氨基酸发酵生产中最典型和最成是氨基酸发酵生产中最典型和最成熟的。熟的。l谷氨酸发酵谷氨酸发酵生产菌生产菌种主要有棒状杆种主要有棒状杆菌属（菌属（Corynebacterium）、短杆）、短杆菌属（菌属（Brevibacterium）、小杆菌）、小杆菌属（属（Microbacterium）及节杆菌属）及节杆菌属(Arthrobacter)的细菌。的细菌。 7.2 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品氨基酸氨基酸7.2.1 谷氨酸的谷氨酸的发酵生产发酵生产谷氨酸棒状杆菌2021-11-25生物技术与人类生活课程34l谷氨酸发酵生产以淀粉水解

23、糖为谷氨酸发酵生产以淀粉水解糖为原料原料。l谷氨酸谷氨酸提取提取有等电点法、离子交换法、金属盐沉淀法、有等电点法、离子交换法、金属盐沉淀法、盐酸盐法和电渗析法，以及将上述方法结合使用的方盐酸盐法和电渗析法，以及将上述方法结合使用的方法。国内多采用的是等电点离子交换法。法。国内多采用的是等电点离子交换法。 7.2 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品氨基酸氨基酸谷氨酸钠味精2021-11-25生物技术与人类生活课程35l维生素的生产多采用化学合成法，后来人们发现某维生素的生产多采用化学合成法，后来人们发现某些微生物可以完成维生素合成中的某些重要步骤，些微生物可以完成维生素合成中的某些重要步骤，在

24、此基础上，化学合成与生物转化相结合的半合成在此基础上，化学合成与生物转化相结合的半合成法在维生素生产中得到了广泛应用。目前可以用发法在维生素生产中得到了广泛应用。目前可以用发酵法或半合成法生产的维生素有维生素酵法或半合成法生产的维生素有维生素C、B2、B12、D，以及，以及-胡萝卜素胡萝卜素等。等。 7.3 发酵工程的典型产品发酵工程的典型产品维生素维生素7.3.1 维生素发酵生产维生素发酵生产2021-11-25生物技术与人类生活课程36l维生素维生素C的化学合成方法一般指莱氏法，后来人们改用微的化学合成方法一般指莱氏法，后来人们改用微生物脱氢代替化学合成中生物脱氢代替化学合成中L-山梨糖中

25、间产物的生成，使山山梨糖中间产物的生成，使山犁糖的得率提高一倍，我国进一步利用另一种微生物将犁糖的得率提高一倍，我国进一步利用另一种微生物将L-山梨糖转化为山梨糖转化为2-酮基酮基-L-古龙酸，再经化学转化生产维生素古龙酸，再经化学转化生产维生素C，称为，称为两步法发酵工艺两步法发酵工艺。这种方法使得维生素。这种方法使得维生素C的产量的产量得到大幅度提高。得到大幅度提高。l第一步发酵所用菌株是生黑葡萄糖酸杆菌第一步发酵所用菌株是生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobactermelanogenus)或弱氧化醋酸杆菌或弱氧化醋酸杆菌(Acetobactersuboxydans) ；第二步发酵的菌株是氧化；第二步发酵的菌株是