发酵工程 第一章 总论

1、 发发 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫

2、苗等而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 食品工业食品工业 丰富饮食文化，提高生活质量。如调料、酒、多种保健丰富饮食文化，提高生活质量。如调料、酒、多种保健品。品。 医药工业医药工业 抗生素、维生素、氨基酸、葡萄糖、胰岛素。抗生素、维生素、氨基酸、葡萄糖、胰岛素。 化学工业化学工业 丙烯酰胺作为絮凝剂、

3、土壤调节剂的配料，纸浆胶料；丙烯酰胺作为絮凝剂、土壤调节剂的配料，纸浆胶料；各种香料和长链脂肪酸等。各种香料和长链脂肪酸等。 能源开发的新途径能源开发的新途径 纤维素纤维素 乙醇；废弃物乙醇；废弃物 沼气。沼气。第一章 总论 一、发酵的基本概念 二、发酵工业的沿革 三、发酵工业的特点与分类 四、发酵工业的生产流程1、发酵？、发酵？(fermentation) 最初的发酵 ： 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气 泡的现象，或者是指酒的生产过程。 巴斯德的发酵定义： 厌氧条件下，原料糖经酵母等生物细胞作用进行分解 代谢、向菌体提供能量，从而得到原料分解产生酒精 和CO2的过程。 生物

4、化学家的发酵定义： 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式。葡萄糖在无氧条件下产生酒精并放出CO2。一、发酵的基本概念发酵: 利用生物细胞（含动物、植物和微生物），在合适的条件下，经特定的代谢途径转变成所需产物或菌体的过程。工业微生物学家的发酵定义：工业微生物学家的发酵定义： 利用培养微生物制得产物的需氧或厌氧的任何过程。利用培养微生物制得产物的需氧或厌氧的任何过程。 2、发酵工程？、发酵工程？生物工程： 以生物科学和生物技术为基础，结合化学工程、机械工程、控制工程、环境工程等工程科学，研究和发展利用生物体系或其中的一部分生产有益于社会的产品或达到一定社会目标的过程工程科学。

5、生物工程的主要任务： 促进和实现生命科学实验室成果向应用领域转化。生物工程的基础知识 基因工程基因工程 发酵工程发酵工程 酶工程酶工程 细胞工程细胞工程1、基因工程 利用基因体外重组技术，构建出新型的微生物菌株、培育出新的动植物品种或是使其具有优良性状。 生物工程的研究领域 2、酶工程研究酶的分离、提纯，以及利用酶作为生物催化剂，实现化学转化，合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学。酶工程技术范围：自然酶的开发和生产、酶的分离纯化技术、酶的修饰改造技术、酶的固定化技术、酶反应器的开发。3、细胞工程以细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖，或通过人为改变，获得新个体或有用物质的过程（包

6、含细胞融合、核移植、试管动物等技术）。 发酵工程 发酵工程是利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在人工生物反应器人工生物反应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。产品 蛋白质、初级代谢产物、次级代谢产物 发酵工程？发酵工程？发酵工程发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境：包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。(4)在进行任何大规模

7、工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。 基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程 酶酶 工工 程程发酵工程发酵工程 产产 品品生物工程各研究领域相互关系发酵工程是生物工程的重要组成部分发酵工程是生物工程的重要组成部分生物反应器生物反应器生物分离工程生物分离工程新性状菌株或细胞新性状菌株或细胞生物反应器 生物化学反应进行的场所，提供微生物最优生长、最优形成产物的可控系

8、统和环境。生物分离工程 将生化反应与化学工程相结合，采用适当的分离纯化技术，使产品达到一定的纯度。3 3、发酵工程的组成、发酵工程的组成FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES从广义上的组成： 上游工程、发酵、下游工程Fermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES- 优良菌种的选育优良菌种的选育- -最适发酵条件的确定最适发酵条件的确定-营养物的准备营养物的准备上游工程FERMENTATIONProces

9、s ControlFermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculation上游工程FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。 - -无菌生长环境无菌生长环境- -控制加料控制加料- -种子培养和生产培养的工艺技术种子培养和生产培养的工艺技术 FERMENTATION Proc

10、ess Control发酵Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES- 固液分离技术固液分离技术 - - 细胞破壁技术细胞破壁技术- 蛋白质纯化技术蛋白质纯化技术- 包装处理技术包装处理技术 下游工程 FERMENTATIONProcess Control从发酵液中分离纯化产品的技术Fermentation engineering- product extraction, purification & assay- waste treatment- by product recovery 下游工程 FERMENTATIONProcess C

11、ontrol从发酵液中分离纯化产品的技术二、发酵工业的历史沿革（了解） 1天然发酵阶段 2纯培养技术的建立 3通气搅拌发酵技术的建立 4代谢控制发酵技术 5. 基因工程阶段 6现代发酵工程技术1、天然发酵阶段 主要产品有各种饮料酒、酒精、酱、酱油、 醋、干酪、酸乳及酵母等。 特点： 手工作坊或家庭式生产； 非纯种培养； 凭经验传授技术； 产品质量不稳定； 产品为厌氧发酵产品。二、发酵工业的沿革古罗马人搬运葡萄酒的情景（上）古罗马人搬运葡萄酒的情景（上） 汉代砖刻上的酿酒图（汉代砖刻上的酿酒图（ 右上右上 ） 战国时期的盛酒铜器和其中的酒战国时期的盛酒铜器和其中的酒（右）（右）2、纯培养技术的建

12、立19世纪末到20世纪30年代 安东尼列文.虎克 路易巴斯德 柯赫 布赫纳(Buchner) 汉逊(Hansen)l 1680年，荷兰博物学家安东尼列文虎克发明显微镜（放大倍数170倍），人类历史上第一次看到大量活的微生物。 安东尼列文虎克路易巴斯德l 法国,路易巴斯德1822-1895年l 彻底否定“自生说”学说l 免疫学预防接种l 证实发酵是由微生物引起的l 提出巴斯德消毒法等l 巴斯德也因此被人们誉之为“发酵之父”。利斯特柯赫l 德国柯赫 1843-1910年l 提出了柯赫法则l 配制培养基技术l 第一次分离得到微生物纯种l 1872年，英国的布雷菲尔德创建了霉菌纯培养技术；l 丹麦的汉

13、逊(Hansen)建立了啤酒酵母的纯种培 养方法。 因此，人类开始了人为地控制微生物的发酵进程，从而使发酵的生产技术得到巨大的改良，提高了产品的稳定性。l 1907年获诺贝尔化学奖。布赫纳3、通气搅拌发酵技术的建立l 1928年英国细菌 学家弗莱明发现 青霉素。3、通气搅拌发酵技术的建立上世纪40年代初二战爆发的迫切需要，青霉素迅速形成工业大规摸生产。主要的技术进展抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培 养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封；通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题； 严格控制培养温度、pH、通气量、营养物的供 给。大型发酵罐搅拌装置深层培养法和操作技术，除青霉素外，以后微生物各

14、种酶制剂、柠檬酸、维生素、氨基酸和甾类化合物的发酵转化，都采用这种方法。 4、代谢控制发酵技术代谢控制发酵代谢控制发酵 应用动态生物化学知识和遗传学理论选育微生物突变株，从DAN分子水平上，控制微生物的代谢途径，进行最合理的代谢，积累 大量的有用发酵产物的技术。 目前比较成熟的技术：氨基酸的代谢控制发酵。 5、基因工程阶段采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如胰岛素、干扰素等

15、。发酵工程已经扩展到动植物细胞领域。 发酵工业现代发酵工程现代发酵工程是以天然生物体和人工修饰的生物体为加工对象，集现代化高新技术为一体，生产产品或服务于人类社会的一种工程技术。现代发酵工业现代发酵工业发酵工程发酵工程现代发酵工程现代发酵工程操作对象操作对象微生物微生物天然微生物菌株、变异微生物菌株、基天然微生物菌株、变异微生物菌株、基因工程菌、动植物细胞株、细胞融合体因工程菌、动植物细胞株、细胞融合体无菌概念无菌概念排杂菌（单向）排杂菌（单向） 生物体不逸出（双向）生物体不逸出（双向）培养装置培养装置发酵罐发酵罐新型生物反应器新型生物反应器思考题思考题1. 什么是发酵? 什么是发酵工程，发酵

16、工业？2. 生物工程都有哪些研究领域？他们的关系是 怎样的？2. 现代发酵技术与传统发酵技术的区别是什么？发酵：发酵：利用生物细胞（含动物、植物和微生物），在合适的条件 下，经特定的代谢途径转变成所需产物或菌体的过程。发酵工程：发酵工程：利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在人工生物反 应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。发酵工业：利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工（生物化学反应过程），获得产品的工业。42History of applied microbiology Ancient times food preservation (vinegar, cheese) f

17、lavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals43History of applied microbiology 1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen) 1982 rec human insulin（胰岛素）胰岛素） post recombin

18、ant DNA area since 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）治疗剂） 1990 rec bakers yeast 1992 rec chymosine （凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)1、特点：、特点：l在常温常压下进行，操作条件温和，设备要求较低。l原料广泛，基本属于可再生生物资源。发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。三、发酵工业的特点与分类（熟悉）l反应以生命体的自动调节方式进行。由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和

19、高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。l投资少，见效快，具有经济和效能的统一性。l除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。l按获取能量能量：好氧发酵和厌氧发酵；l按发酵原料原料：糖质原料发酵和烃类原料发酵；l按产物产物类型：初级和次级代谢产物发酵，或为食品 发酵、有机酸发酵、氨基酸发酵、维生素发酵等；l按发酵状态状态：固态、液态、液体表面和液体深层发 酵；l按工艺类型工艺类型：批式发酵、半连续发酵和连续发酵等。2 2、发酵工业的分类、发酵工业的分类（了解）发酵工业简介发酵工业简介 发酵食品 有机酸 氨基酸 核酸类物质 酶制剂 医药工业（