发酵学-第1章-绪论

发酵工艺原理何为发酵？狭义定义广义定义来源拉丁语“Fervere”“Fermentation”

用于描述果汁或麦芽浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生二氧化碳所引起的“沸腾”现象。生物化学或生理学上发酵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。工业上发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。厌氧培养有氧培养是利用微生物或其他生物细胞（动、植物细胞）的培养，产生和积累人们所需产品的过程。发酵定义发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要技术基础。应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域发酵工程：利用微生物特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系，也称微生物工程。FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES发酵工程组成

从广义上讲，由三部分组成：

上游工程、发酵工程、下游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程FermentationengineeringDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程Fermentationengineering课程介绍《发酵工艺原理》课程旨在让学生熟悉发酵过程的工艺流程及相关的原理，对发酵工业控制的特点和共性有初步认识，同时掌握发酵过程中过程优化与放大的基本知识，为以后从事相关方面的生产和研究打下基础。教学内容

第1章绪论2第2章工业微生物的菌种选育5第3章培养基1第4章灭菌4第5章

生产菌种的培养与保藏2发酵工艺原理第6章通气与搅拌4第7章发酵工艺的控制8第8章发酵过程检测与自控1第9章发酵工程的实验室研究、中试和放大1第10章个论举例

4考核方式作业10%出勤和课堂表现20%期末考试70%基本要求1.保持好的课堂纪律2.认真听课3.认真做好课后作业第一章绪论本章主要内容一、发酵工业的发展简史二、发酵工业的特点三、发酵工业的研究范畴四、发酵工业的类型及工艺流程五、发酵工业的应用及发展前景一、发酵工业的发展史1.天然发酵阶段2.纯培养阶段3.深层发酵阶段4.开拓发酵原料阶段5.基因工程阶段产品西方：啤酒、葡萄酒、面包、干酪东方：酱油、清酒、醋中东：乳酸特点1.手工作坊或家庭式生产2.非纯种培养3.产品质量不稳定4.凭经验传授技术5.一般为嫌气发酵1.天然发酵阶段（19世纪以前）17世纪后叶，列文虎克发明显微镜首次观察到大量的微生物19世纪中叶，巴斯德发酵是微生物作用的结果认识了发酵的生理学意义19世纪后期，柯赫建立了单种微生物分离和纯培养技术利用控制特定微生物发酵生产特定产品法国微生物学家、化学家，近代微生物学的奠基人微生物学之父提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”巴斯德认为，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；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。

同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。发明了巴氏灭菌法LouisPasteur

德国人，发现了炭疽杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌，于1905年获得诺贝尔生理学及医学奖被视为细菌学之父。世界上第一次发明了蒸汽杀菌法设计了细菌培养用的肉汁胨培养液和营养琼脂培养基；创立了固体培养基划线分离纯种法。建立了细菌涂片染色的基本方法。RobertKoch

2.纯培养技术的建立（1905-1940年）在一次大战时，魏兹曼开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮特点表面培养生产过程简单，对设备要求不高生产规模不大嫌气或好气发酵俄国-英国-以色列化学家1911年，Weizmann利用微生物发酵生产丙酮。1932年担任耶路撒冷的希伯来大学校长。1948年担任以色列第一任总统Weizmann,Chaim1928年Flemming爵士发现了青霉素1939年弗洛里和钱恩精制分离出青霉素1941年美国进行了青霉素工业化生产1945年，三人分获诺贝尔奖3.深层发酵阶段（1940年以后）初期，在培养瓶中进行表面培养，浓度仅能达到每毫升8～12单位。几百个瓶子生产的青霉素只够一个病人使用。1943年，在发酵罐中采用通气搅拌的深层培养法生产青霉素。目前，生产青霉素的发酵罐体积已扩大到百吨以上，发酵液浓度已达每毫升80000单位左右。产品主要有抗生素、赤霉素、氨基酸、酶和甾体的转化

青霉素发酵技术成功地建立起深层通气培养法和一套培养技术（包括通无菌空气，搅拌，培养基灭菌和无菌接种等）使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、营养物的供给都受到了严格的控制，厌氧—→好氧，导致一大批新产品的开发这些都为以后的发酵工业提供了新的概念和模型，成为当代发酵工业兴旺发达的开端抗生素的问世，不仅迎来了化学医疗的黄金时期，挽救了千千万万的生命，而且对发酵工业产生了深远的影响发酵车间的空气过滤器大型发酵罐搅拌装置特点机械搅拌发酵罐的容积已经从第三阶段时的80M3扩大到150M3。以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源。4.开拓发酵原料（1960年以后）60年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵主要产品为微生物蛋白质（单细胞蛋白SCP）标志：基因工程产品的生产。1972，博耶和科恩建立了基因工程的基本方法。1976年，斯旺森投资，与博耶共同成立Genentech公司，生产重组胰岛素1980年，公司上市，市值达到38.5million美元。5.基因工程阶段（1979年以后）基本方法定向的改变生物性状和功能，生产原来微生物不能生产的产物。发酵产品增多，应用范围广泛。哺乳动物的活性蛋白基因在微生物细胞中得到克隆和表达发酵工业已经扩展到动物和植物细胞培养领域，使过去只能在动植物中提取的一些产品，现在也能成为发酵产品目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素、,-干扰素、乙型肝炎疫苗等等。生产效率高10L工程菌=50万只羊脑—→5mg激素释放抑制因子2000L基因工程菌=720kg猪胰—→100g胰岛素自动控制技术应用更普遍特点二、发酵工业的特点酶工程在分子水平的催化发酵工程在细胞水平进行的催化反应1、具有易变异性，导致代谢途径多样化2.原料简单粗放，来源广泛，价格低廉3.反应条件温和，生产过程安全4.效率高、效益高1.微生物菌体细胞2.微生物代谢产物3.酶制剂4.微生物转化发酵5.微生物废水处理和其他三、发酵工业的研究范畴传统菌体发酵工业面包酵母菌体蛋白（单细胞蛋白）现代菌体发酵工业杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌疫苗芽孢杆菌伴孢晶体1.微生物菌体细胞发酵新的菌体发酵产品---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2.微生物代谢产物发酵初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。氨基酸、核苷酸、蛋白、多糖次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。抗生素、毒素、色素酒食品：酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等。抗生素：青霉素、头孢霉素、链霉素等。氨基酸：谷氨酸、赖氨酸等。有机溶剂：酒精、丙酮、丁醇等。3.酶制剂酶普遍存在于动物、植物和微生物中。微生物发酵法制备酶的优点：产量大、种类多、生产条件易改进。特点：酶生产受微生物严格调节控制，解除调节控制，提高产量。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、β-葡聚糖酶、纤维素酶等4.微生物的转化发酵定义：是利用生物细胞对一些化合物的某一特定部位（基团）修饰作用，使它转变成结构相关但更有经济价值的化合物的过程。醋酸发酵脱氢、氧化、脱水、脱羧、缩合或同分异构等

特点：特异性强、反应条件温和、无污染。5.微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染基因工程菌株发酵。四、发酵工业的类型及其工艺流程1.发酵工业的类型2.典型的发酵过程示意图发酵食品抗生素、维生素和激素四、发酵工业的应用及发展前景（一）发酵工业的应用能源环境1.医药工业抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等)核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)维生素发酵工业(维生素C、维生素B等)2.食品工业(酒、酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等)3.有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等)4.农牧业微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等)生物农药（苏云金杆菌的伴胞晶体）细菌肥料（固氮菌）5.微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、污水等)6.生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等，能源物质)（二）发酵工业的发展前景1.利用基因工程技术，人工选育和改良菌种2.结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养3.应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业4.改进发酵设备5.发酵法生产单细胞蛋白6.加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品1.利用基因工程技术，人工选育和改良菌种

通过基因工程技术可产生带有目的基因的受体细胞，具有我们所希望的新的遗传性能和生产性能，这是常规育种方法无法做到的。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行菌种改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75％左右2.结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的阶段。动植物细胞有产生很多微生物细胞所不具备的特有的代谢产物，进行动植物细胞的培养，就能生产这些特有物质。紫草、三七等等植物细胞已可在发酵罐种大规模培养。我国的传统中药涉及5000种左右植物，细胞培养是中药资源开发的一个重要方面。3.应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业可大大简化提取纯化工艺；固定后稳定性得以提高；作为生物催化剂使用。4.改进发酵设备

生化反应器生物传感器5.发酵法生产单细胞蛋白

由于微生物的代谢方式各种各样，各种资源都可以利用，而且微生物繁殖速度惊人，比动物要快上百倍。因此，发展单细胞蛋白不失为一种解决废水废料、保护环境、节约粮食资源的好方法。6.加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品由于生物代谢的多样性，至今研究透彻的仅为代谢途径中的一小部分，搞清更多的代谢途径，搞清