发酵工程第一章总论

发酵工程第一章总论第1页，课件共49页，创作于2023年2月发酵工程

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科工程。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、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，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、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。第2页，课件共49页，创作于2023年2月发酵在人类生活中的作用？食品工业—

丰富饮食文化，提高生活质量。如调料、酒、多种保健品。医药工业—

抗生素、维生素、氨基酸、葡萄糖、胰岛素。化学工业—

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。能源开发的新途径—

纤维素乙醇；废弃物沼气。第3页，课件共49页，创作于2023年2月第一章总论

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第4页，课件共49页，创作于2023年2月1、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、发酵的基本概念第5页，课件共49页，创作于2023年2月发酵:

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：利用培养微生物制得产物的需氧或厌氧的任何过程。

第6页，课件共49页，创作于2023年2月2、发酵工程？第7页，课件共49页，创作于2023年2月生物工程：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。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第8页，课件共49页，创作于2023年2月

基因工程发酵工程酶工程细胞工程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第9页，课件共49页，创作于2023年2月

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。第10页，课件共49页，创作于2023年2月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（包含细胞融合、核移植、试管动物等技术）。

第11页，课件共49页，创作于2023年2月

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（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？第12页，课件共49页，创作于2023年2月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。第13页，课件共49页，创作于2023年2月(4)在进行任何大规模工业发酵前，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。第14页，课件共49页，创作于2023年2月基因工程、细胞工程

酶工程发酵工程

产

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生物反应器生物分离工程新性状菌株或细胞第15页，课件共49页，创作于2023年2月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。第16页，课件共49页，创作于2023年2月3、发酵工程的组成FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES从广义上的组成：

上游工程、发酵、下游工程第17页，课件共49页，创作于2023年2月FermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-优良菌种的选育-最适发酵条件的确定营养物的准备上游工程FERMENTATIONProcessControl第18页，课件共49页，创作于2023年2月FermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculation上游工程FERMENTATIONProcessControl第19页，课件共49页，创作于2023年2月Fermentation

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-控制加料-种子培养和生产培养的工艺技术

FERMENTATIONProcessControl发酵第20页，课件共49页，创作于2023年2月FermentationengineeringDOWNSTREAMPROCESSES

固液分离技术-细胞破壁技术蛋白质纯化技术包装处理技术

下游工程FERMENTATIONProcessControl从发酵液中分离纯化产品的技术第21页，课件共49页，创作于2023年2月Fermentationengineering-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecovery

下游工程FERMENTATIONProcessControl从发酵液中分离纯化产品的技术第22页，课件共49页，创作于2023年2月二、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．现代发酵工程技术第23页，课件共49页，创作于2023年2月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。第24页，课件共49页，创作于2023年2月二、发酵工业的沿革古罗马人搬运葡萄酒的情景（上）汉代砖刻上的酿酒图（右上）战国时期的盛酒铜器和其中的酒（右）第25页，课件共49页，创作于2023年2月2、纯培养技术的建立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)第26页，课件共49页，创作于2023年2月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·虎克第27页，课件共49页，创作于2023年2月路易·巴斯德法国,路易·巴斯德1822-1895年彻底否定“自生说”学说免疫学－预防接种证实发酵是由微生物引起的提出巴斯德消毒法等巴斯德也因此被人们誉之为“发酵之父”。第28页，课件共49页，创作于2023年2月利斯特·柯赫德国柯赫1843-1910年提出了柯赫法则配制培养基技术第一次分离得到微生物纯种单种微生物（细菌）的分离和纯培养技术第29页，课件共49页，创作于2023年2月1872年，英国的布雷菲尔德创建了霉菌纯培养技术；丹麦的汉逊(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。第30页，课件共49页，创作于2023年2月1897年法国的布赫纳1907年获诺贝尔化学奖。发酵过程是由酶催化的一系列化学反应。布赫纳第31页，课件共49页，创作于2023年2月3、通气搅拌发酵技术的建立1928年英国细菌学家弗莱明发现青霉素。第32页，课件共49页，创作于2023年2月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。第33页，课件共49页，创作于2023年2月大型发酵罐搅拌装置第34页，课件共49页，创作于2023年2月深层培养法和操作技术，除青霉素外，以后微生物各种酶制剂、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。

第35页，课件共49页，创作于2023年2月4、代谢控制发酵技术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。第36页，课件共49页，创作于2023年2月天冬氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ甲硫氨酸苏氨酸高丝氨酸赖氨酸高丝氨酸脱氢酶可以大量积累不能合成人工诱变的菌种不能产生人工控制黄色短杆菌生产赖氨酸第37页，课件共49页，创作于2023年2月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。发酵工程已经扩展到动植物细胞领域。第38页，课件共49页，创作于2023年2月传统发酵技术

现代发酵技术抗生素、生物制药、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、基因工程菌发酵、基因工程药物、疫苗及抗体产品等酒、醋的酿造发酵工业第39页，课件共49页，创作于2023年2月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。现代发酵工业发酵工程现代发酵工程操作对象微生物天然微生物菌株、变异微生物菌株、基因工程菌、动植物细胞株、细胞融合体无菌概念排杂菌（单向）生物体不逸出（双向）培养装置发酵罐新型生物反应器第40页，课件共49页，创作于2023年2月思考题什么是发酵?什么是发酵工程，发酵工业？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：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：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。第41页，课件共49页，创作于2023年2月HistoryofappliedmicrobiologyAncienttimesfoodpreservation(vinegar,cheese)flavour(bread,soysauce)brewing(beer,wine)1861LouisPasteurfirstphaseindustrialbiotechnology1940penicillin(Fleming)antibioticindustryproductionoffinechemicals42第42页，课件共49页，创作于2023年2月Historyofappliedmicrobiology1973recDNAtechnology(Boyer&Cohen)1982rechumaninsulin（胰岛素）postrecombinantDNAareasince1982rectherapeuticagents（治疗剂）1990recbakersyeast1992recchymosine（凝乳酶）(fromyeast)43第43页，课件共49页，创作于2023年2月1、特点：在常温常压下进行，操作条件温和，设备要求较低。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）第44页，课件共49页，创作于2023年2月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。投资少，见效快，具有经济和效能的统一性。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。第45页，课件共49页，创作于2023年2月