第一章发酵工程绪论已

1、微生物工程微生物工程主讲：郝志敏主讲：郝志敏生命科学学院制药工程系生命科学学院制药工程系联系方式：联系方式材及主要参考书教材及主要参考书n 教材：教材： 发酵工艺原理发酵工艺原理 熊宗贵主编熊宗贵主编 中国医药科技出版社中国医药科技出版社n 参考书：参考书： 1.1.微生物工程微生物工程 曹军卫曹军卫, ,马辉文马辉文 2.2.生物工艺学生物工艺学 俞俊棠主编俞俊棠主编 3.3.生物工艺原理生物工艺原理 贺小贤贺小贤 4.4.发酵工程发酵工程 李玉英李玉英 中国农业大学出版社中国农业大学出版社 学习微生物工程的重要性学习微生物工程的重要性n 微生物工程是生物技术产业化

2、的基础和关键技微生物工程是生物技术产业化的基础和关键技术，是术，是生物技术四大支柱生物技术四大支柱的核心，无论传统发的核心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产。酵技术进行生产。基因工程细胞工程酶工程发酵工程生物技术生物技术（生物工程） 1944年，Waksman发现由链霉菌产生的链霉素用于治疗细菌特别是结核杆菌引起的感染有特效，此后陆续发现了氯霉素、金霉素、制霉菌素等，由此造就了抗生素发展的黄金时代。 经验经验 科学科学 理性理性 发酵工业历史渊

3、远，近代发酵工业的大发展发酵工业历史渊远，近代发酵工业的大发展的开始的开始 数十年来，微生物来源的酶制剂、氨基酸、有机酸、维生素、核苷酸、激素、色素、生物碱以及其他生理活性物质等发酵产品的生产，已经对人类的经济发展作出了巨大的贡献。 第一章第一章 绪论绪论一、发酵的定义及微生物工程简介一、发酵的定义及微生物工程简介 二、发酵工业的定义与特点二、发酵工业的定义与特点三、发酵工业的范围（产品类型为分类依据）三、发酵工业的范围（产品类型为分类依据）四、发酵工业的发展历程四、发酵工业的发展历程 五、发酵工业的培养方法和基本过程五、发酵工业的培养方法和基本过程六、发酵工业的发展趋势六、发酵工业的发展趋势

4、七、当前微生物工业面临的问题七、当前微生物工业面临的问题八、微生物发酵工业的比拟放大问题八、微生物发酵工业的比拟放大问题 一、发酵的定义及微生物工程简介一、发酵的定义及微生物工程简介 1.1.发酵（发酵（fermentationfermentation）的定义）的定义n 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产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生气泡的现象现象，或者是指酒的生产过程。，或者是指酒的生产过程。n 巴斯德：巴斯德：发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。n 生物化学和生理学意义角度：生物为获得能量所进生物化学和生理学意义角度：生物为获

5、得能量所进行的氧化行的氧化还原反应。还原反应。n 微生物工业角度：微生物工业角度：利用培养微生物来制得产物的利用培养微生物来制得产物的需需氧或厌氧氧或厌氧的任何过程，以及培养生物细胞（含动、的任何过程，以及培养生物细胞（含动、植物细胞和微生物）来制得产物的所有过程。植物细胞和微生物）来制得产物的所有过程。n微生物工程微生物工程:是微生物学与工程学有机结合的是微生物学与工程学有机结合的产物。是研究和发展微生物产业的有用产品产物。是研究和发展微生物产业的有用产品和有益活动的学科。和有益活动的学科。是涉及微生物学、化学是涉及微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计工程、基因工程、细胞工程

6、、机械工程和计算机软硬件工程的一门多学科交叉的边缘学算机软硬件工程的一门多学科交叉的边缘学科。科。又称为发酵工程。又称为发酵工程。n现代微生物工程所利用的生物除传统的微生现代微生物工程所利用的生物除传统的微生物外，还包括两类生物形态：物外，还包括两类生物形态：“工程微生物工程微生物”和和“工程细胞工程细胞”。2.2.微生物工程：性质、组成和定义（性质）微生物工程：性质、组成和定义（性质）n 现代微生物工程不但生产酒精类饮料、醋酸现代微生物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，生素、抗生素和疫苗

7、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、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香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。蛋白等。 BTBT杀虫剂杀虫剂nBTBT杀虫剂，即苏云金杆菌微生物杀虫剂，杀虫剂，即苏云金杆菌微生物杀虫剂，含有毒杀害虫的伴孢晶体和芽孢毒素，含有毒杀害虫的伴孢晶体和芽孢毒素，杀灭害虫效果良好，且对人畜安全，对杀灭害虫效果良好，且对人畜安全，对天敌无伤害，较难产生抗药性，已被广天敌无伤害，较难产生抗药性，已被广泛应用于防治农作物害虫。泛应用

8、于防治农作物害虫。n目前市售比双灵、绿杀螟、特杀螟、必目前市售比双灵、绿杀螟、特杀螟、必杀螟等农药，均为杀螟等农药，均为BTBT粉剂或乳剂粉剂或乳剂 2.2.微生物工程（组成）微生物工程（组成）n微生物工程组成微生物工程组成从广义上讲，由三部分组成：从广义上讲，由三部分组成：上游工程、微生物工程、下游上游工程、微生物工程、下游工程工程FERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES从自然界分从自然界分离的菌种离的菌种诱变育种诱变育种基因工程基因工程细胞工程细胞工程生产用菌种生产用菌

9、种培养基配制培养基配制原料原料 发酵罐发酵罐发酵条件控制发酵条件控制扩大培养扩大培养接种接种灭菌灭菌分离分离 提纯提纯微生物菌体微生物菌体代谢产物代谢产物(例如蛋白例如蛋白)产品产品微生物工程生产产品流程简图微生物工程生产产品流程简图2.2.微生物工程（定义）微生物工程（定义）n 主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养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，细胞和生产代谢产物的工艺技术，包括：包括：(1)(1)有严格的无菌生长环境：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

10、技术；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；空气的空气过滤技术；(2)(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速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；度的计算机控制技术；(3)(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。种子培养和生产培养的不同的工艺技术。(4)(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验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形成的动力学模

11、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。生产的动力学模型。(5)(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，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，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是微生物工程工艺放大问题。这就是微生物工程工艺放大问题。 二、二、发酵工业的定义与特点发酵工业的定义与特点发酵工业定义：发酵工业定义：n又称微生物工业，是利用微生物具有的又称微生物工业，是利用微生物具有的生物活性（生物活性（酶）酶）进行物质转换，从事各进行物质转换，从事各种发酵产品

12、生产的工业。种发酵产品生产的工业。n微生物工业的特点：微生物工业的特点：n原料广泛，产品丰富原料广泛，产品丰富 (病毒、细菌、放线菌、真菌、藻类等病毒、细菌、放线菌、真菌、藻类等)n在常温、常压下完成，设备简单，通用性在常温、常压下完成，设备简单，通用性好好三发酵工业的范围三发酵工业的范围（以产品的类型为分类依据：（以产品的类型为分类依据：6类）类）（一）（一） 微生物菌体发酵微生物菌体发酵1. 生产面包酵母和单细胞蛋白生产面包酵母和单细胞蛋白(single-cell protein, SCP)的传统菌体发酵工的传统菌体发酵工业；业；2. 生产药用功能菌体的发酵工业；生产药用功能菌体的发酵工业

13、；3. 生产微生物杀虫剂的菌体发酵工业。生产微生物杀虫剂的菌体发酵工业。 （二）微生物酶发酵（二）微生物酶发酵1.广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工等广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工等行业中；行业中；2.现在发展的很多高灵敏度、特异性强的现在发展的很多高灵敏度、特异性强的检测手段检测手段都有酶参与，在医疗检测、卫生安全、发酵工业，都有酶参与，在医疗检测、卫生安全、发酵工业，以及多种科研工作中大量应用，具有准确度高、以及多种科研工作中大量应用，具有准确度高、速度快、操作简便等特点；速度快、操作简便等特点；3.用于用于基因重组技术基因重组技术的核酸酶（的核酸酶（nuclease），包

14、），包括括DNA、RNA的内切酶、外切酶，的内切酶、外切酶，DNA限制性限制性内切酶、内切酶、DNA连接酶等。连接酶等。 （三）微生物代谢产物发酵（三）微生物代谢产物发酵生产初级代谢产物发酵：生产初级代谢产物发酵：在对数生长期大量产生在对数生长期大量产生的，是菌体生长繁殖所必须的，如的，是菌体生长繁殖所必须的，如酶、有机酸、酶、有机酸、维生素、多糖、氨基酸、核酸维生素、多糖、氨基酸、核酸类等物质的发酵；类等物质的发酵；n次级代谢产物发酵：次级代谢产物发酵：在菌体生长的稳定期，菌在菌体生长的稳定期，菌体产生的一些在生长期中不能合成的、具有一体产生的一些在生长期中不能合成的、具有一些特性的、与菌体

15、生长无明确关系的产物，如些特性的、与菌体生长无明确关系的产物，如抗生素、生物碱、毒素、激素类物质抗生素、生物碱、毒素、激素类物质(生长因子生长因子等等)等的代谢产物发酵。等的代谢产物发酵。（四）微生物转化发酵（四）微生物转化发酵n微生物转化微生物转化指利用微生物细胞的一种或多种酶指利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的把一种化合物转变成结构相关的具有更大经济具有更大经济价值的价值的产物的生化反应。产物的生化反应。n最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。n生物转化具有反应特异性、结构位置特异性、生物转化具有反应特异性、结构位置特异性、立体特异性

16、强的特点。立体特异性强的特点。（脂肪酸的氧化）（脂肪酸的氧化）优点优点n生产过程中所进行的酶反应不需要把酶从生产过程中所进行的酶反应不需要把酶从微生物中提取出来，而是直接用产生相关微生物中提取出来，而是直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞或固定化酶的柱中进行酶装有固定化细胞或固定化酶的柱中进行酶促反应。促反应。除了可以省去提取酶的复杂过程，除了可以省去提取酶的复杂过程，还十分适合于多酶反应或需要辅酶、辅因还十分适合于多酶反应或需要辅酶、辅因子参与的催化过程。子

17、参与的催化过程。（五）（五）微生物废水处理和其他微生物废水处理和其他n利用微生物消除环境污染利用微生物消除环境污染n利用微生物发酵保持生态平衡利用微生物发酵保持生态平衡n微生物湿法冶金微生物湿法冶金微生物治理电镀废水n 微生物治理电镀废水技术从电镀污泥、废水及下水道内，分离、筛选、驯化获得高效去除重金属的复和功能菌，对电镀废水中铬、镉、锌、铜、镍和铅等金属进行净化，净化去除率达99%以上，回收率达80%以上，排放水中各种金属离子的浓度和其它常规指标均低于国家标准。n 该方法具有不使用化学药剂，污泥少，无二次污染，对废水的pH、组分和水量的变化适应性强，处理后出水可回用，金属可回收，工艺流程简单

18、、易操作，运行费用低等特点。微生物治理水华 因生活污水导致淡水湖泊水质恶化而产生的蓝藻水华现象，是一直以来困扰全球的问题。蓝藻是淡水水域生长着的一种藻类植物。蓝藻水华是因生活垃圾中富含有适宜蓝藻疯狂生长的营养物质，从而引发的水污染现象。 目前世界各地的淡水水域均受到不同程度的影响。我国受这方面污染的主要有云南滇池、太湖、巢湖、淮河等。传统的治理主要是采取引水冲淡富养或填埋、化学处理等，但一般成本过高，而化学剂对水域有轻微污染且效果不太明显。 微生物治理方法运用微生物来控制和杀死蓝藻，从而可以达到生态平衡的目的。（六）生物技术的生物细胞发酵（六）生物技术的生物细胞发酵n利用利用DNA重组、细胞融

19、合重组、细胞融合等生物技术获得的等生物技术获得的生物细胞生物细胞，以及，以及动植物细胞或固定化活细胞动植物细胞或固定化活细胞等，等，进行培养来发酵生产获得产物。进行培养来发酵生产获得产物。1、通过重组、通过重组DNA技术、诱变、杂交、细胞融合技术、诱变、杂交、细胞融合等技术改变等技术改变菌种菌种遗传特性，成为遗传特性，成为“工程菌工程菌”，在工业发酵条件下能够大量产生所需要的产物在工业发酵条件下能够大量产生所需要的产物2、对、对动物细胞动物细胞进行培养获得产物进行培养获得产物3、对、对植物细胞植物细胞进行培养获得产物进行培养获得产物4、固定化细胞固定化细胞发酵发酵目前临床上应用的乙肝疫苗：目前

20、临床上应用的乙肝疫苗：n(1)(1)血源性乙肝疫苗：此疫苗是用无症状的血源性乙肝疫苗：此疫苗是用无症状的乙肝表面抗乙肝表面抗原原 HBsAgHBsAg携带者的血液制成，故称血源性乙肝疫苗。携带者的血液制成，故称血源性乙肝疫苗。n(2)(2)基因工程疫苗：利用基因工程研制重组基因工程疫苗：利用基因工程研制重组DNADNA乙肝疫乙肝疫苗，曾先后研制过大肠杆菌系统、啤酒酵母细胞系统、苗，曾先后研制过大肠杆菌系统、啤酒酵母细胞系统、哺乳动物细胞系统和牛痘病毒系统的重组乙肝疫苗。哺乳动物细胞系统和牛痘病毒系统的重组乙肝疫苗。目前多用酵母基因的重组疫苗。目前多用酵母基因的重组疫苗。 n(3)(3)含前含前

21、S S蛋白的乙肝疫苗：目前临床上应用的血源性蛋白的乙肝疫苗：目前临床上应用的血源性疫苗与基因工程疫苗，均只含疫苗与基因工程疫苗，均只含HBsAgHBsAg蛋白，当证实蛋白，当证实S S蛋蛋白能增强白能增强HBsAgHBsAg的免疫应答后，又注意到单纯只含的免疫应答后，又注意到单纯只含HBsAgHBsAg蛋白的疫苗对血液透析病人与蛋白的疫苗对血液透析病人与新生儿新生儿免疫效果较免疫效果较差时，遂生产出添加前差时，遂生产出添加前S S蛋白的酵母源性重组蛋白的酵母源性重组乙肝乙肝疫苗，疫苗，它确能明显地增强免疫应答。它确能明显地增强免疫应答。 四四. 发酵工业的发展历程发酵工业的发展历程n 经验的发

22、酵技术时期经验的发酵技术时期n 近代发酵工业的建立时期近代发酵工业的建立时期n 近代发酵工业的全盛时期近代发酵工业的全盛时期n 现代发酵工业的建立和发展现代发酵工业的建立和发展n （一）经验的发酵技术时期（一）经验的发酵技术时期 （自然发酵时期（自然发酵时期【酿酒、酿醋、制酱等酿酒、酿醋、制酱等】）n几千年来，东西方文明都有多种发酵食品的制作。在我几千年来，东西方文明都有多种发酵食品的制作。在我国古代，约国古代，约4000年前的夏初年前的夏初，开始用，开始用黏高粱造酒黏高粱造酒，大豆大豆制酱制酱大约也始于这时；约大约也始于这时；约3500年前的商代年前的商代，开始用人畜，开始用人畜的粪便和秸秆

23、杂草沤制的粪便和秸秆杂草沤制堆肥堆肥；约约3000年前的商后期年前的商后期，发，发现现发霉的豆腐可以治疗外伤和皮肤病发霉的豆腐可以治疗外伤和皮肤病。在中东和西方，。在中东和西方，有从金字塔中发现的有从金字塔中发现的公元前公元前40世纪世纪的用发酵面团制作的的用发酵面团制作的面包面包；古巴尔干人公元前；古巴尔干人公元前25世纪世纪开始制作开始制作酸奶酸奶；古亚述；古亚述人公元前人公元前20世纪用世纪用葡萄酿酒葡萄酿酒。由于没有对发酵的本质认由于没有对发酵的本质认识，这些发酵生产都处于原始的阶段。识，这些发酵生产都处于原始的阶段。（二）近代发酵工业的建立时期（二）近代发酵工业的建立时期（第一代微生

24、物发酵技术，纯培养技术的建立）（第一代微生物发酵技术，纯培养技术的建立）n近代发酵工业的近代发酵工业的建立与微生物学的诞生密不可分建立与微生物学的诞生密不可分，n从从19世纪世纪50年代微生物学的诞生到年代微生物学的诞生到20世纪世纪40年代。年代。n理论上，逐渐对微生物及生理特性有了认识，对理论上，逐渐对微生物及生理特性有了认识，对发酵的本发酵的本质开始了解质开始了解。n技术上，技术上，1881年德国人年德国人柯赫柯赫（R. Koch）和助手建立和助手建立单单种微生物的分离和纯培养技术种微生物的分离和纯培养技术，为大规模的发酵生产提供，为大规模的发酵生产提供了可能。了可能。n发酵产品主要有有

25、机溶剂、有机酸、甘油、酶制品、疫苗发酵产品主要有有机溶剂、有机酸、甘油、酶制品、疫苗等，但这时的发酵方式多还是固体发酵方式等，但这时的发酵方式多还是固体发酵方式。（需氧、散热、（需氧、散热、营养分布限制）营养分布限制）（三）近代发酵工业的全盛时期（三）近代发酵工业的全盛时期（第二代微生物发酵技术，深层培养技术）（第二代微生物发酵技术，深层培养技术）n从从20世纪世纪40年代初到年代初到70年代末，以青霉素的工业开发成年代末，以青霉素的工业开发成功为起始标志。功为起始标志。n1941年由于第二次世界大战，对抗感染药物有了迫切需要，年由于第二次世界大战，对抗感染药物有了迫切需要，英美才开始对青霉素

26、的工业发酵进行研究。最初的青霉素英美才开始对青霉素的工业发酵进行研究。最初的青霉素发酵采用湿麦麸为主要培养基的固体发酵方式，发酵采用湿麦麸为主要培养基的固体发酵方式，后来后来才才开开发出液体培养方式，采用发酵罐来生产青霉素。发出液体培养方式，采用发酵罐来生产青霉素。青霉素的青霉素的投产，开辟了一个新的以生产上百种新的抗生素和其他次投产，开辟了一个新的以生产上百种新的抗生素和其他次级代谢产物的工业微生物产品道路，同时也对原有的和新级代谢产物的工业微生物产品道路，同时也对原有的和新的初级代谢产品的生产方式起了很大启示作用，原来采用的初级代谢产品的生产方式起了很大启示作用，原来采用固体发酵为主的有机

27、酸和酶制剂生产大多都改为液体发酵固体发酵为主的有机酸和酶制剂生产大多都改为液体发酵生产。生产。n这一时期的主要工业微生物产品：这一时期的主要工业微生物产品：1.抗生素抗生素大量的抗生素被开发出来，有人估计各种由微大量的抗生素被开发出来，有人估计各种由微生物产生的医药用抗生素超过了生物产生的医药用抗生素超过了1,000个，其个，其中包括我们熟悉的青霉素中包括我们熟悉的青霉素(1928)、链霉素、链霉素(1944)、螺旋霉素、螺旋霉素(1952)、万古霉素、万古霉素(1956)、头孢霉素头孢霉素(1956)等等。等等。2. 用于农业和畜牧的生物活性物质用于农业和畜牧的生物活性物质乳链菌肽乳链菌肽(

28、1944，保鲜杀菌，保鲜杀菌)，放线菌酮，放线菌酮(1953,抗植抗植物霉菌物霉菌)，杀稻瘟菌素，杀稻瘟菌素(1958,抗真菌抗真菌)，井岗霉素，井岗霉素(1971，抗水稻纹枯病，抗水稻纹枯病)等等。等等。3. 氨基酸氨基酸氨基酸虽然是一类初级代谢产物，但它充分利用青霉氨基酸虽然是一类初级代谢产物，但它充分利用青霉素等开发的经验和成果，获得很快地发展，从素等开发的经验和成果，获得很快地发展，从1955年年发酵获得谷氨酸，目前几乎所有的氨基酸还包括发酵获得谷氨酸，目前几乎所有的氨基酸还包括L-多多巴巴(二羟基苯丙氨酸等二羟基苯丙氨酸等)都可用发酵法生产。都可用发酵法生产。 （营养药）（营养药）4

29、. 核苷酸核苷酸始于始于20世纪世纪60年代，最早的产品是肌苷酸和鸟苷酸。年代，最早的产品是肌苷酸和鸟苷酸。此后又开发出三磷酸腺苷此后又开发出三磷酸腺苷(ATP)，烟酰胺腺嘌呤二核，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苷酸(NAD)等产品。等产品。（营养药、能量药）（营养药、能量药）5. 多糖多糖n主要用于食品和其他用途的增稠剂，有葡聚糖、黄原胶、主要用于食品和其他用途的增稠剂，有葡聚糖、黄原胶、糊精、微生物海藻酸、微生物几丁质等等。糊精、微生物海藻酸、微生物几丁质等等。 6. 新的有机酸新的有机酸n己酸、水杨酸、苹果酸、赤藓酸等等。己酸、水杨酸、苹果酸、赤藓酸等等。7. 新的酶制剂新的酶制剂n出现了多种用于

30、工业生产和食品医药的酶。在出现了多种用于工业生产和食品医药的酶。在20世纪世纪70年代初，发现一系列核酸酶，为基因重组技术的发展奠定年代初，发现一系列核酸酶，为基因重组技术的发展奠定了基础。了基础。n 这一时期一些新技术如连续培养、循环操作、补料系统这一时期一些新技术如连续培养、循环操作、补料系统等在发酵罐设计和培养方式上的使用，使发酵工业取得了等在发酵罐设计和培养方式上的使用，使发酵工业取得了许多进展。许多进展。（四）现代发酵工业的建立和发展（四）现代发酵工业的建立和发展（第三代微生物发酵技术，微生物工程）（第三代微生物发酵技术，微生物工程）20世纪世纪70年代末开始，以基因工程技术应用作为

31、特点。年代末开始，以基因工程技术应用作为特点。n基因工程的基本步骤是：基因工程的基本步骤是：n目的基因的获得；目的基因的获得；n将目的基因导入载体以获得重组体将目的基因导入载体以获得重组体DNA (recombinant DNA)；n将重组体将重组体DNA导入受体细胞；导入受体细胞；n对上述细胞进一步筛选和鉴定；对上述细胞进一步筛选和鉴定；n克隆基因表达条件的确定。克隆基因表达条件的确定。n基因工程的应用基因工程的应用首先集中在许多多肽或蛋白质的生化首先集中在许多多肽或蛋白质的生化药物中，如胰岛素、干扰素等，疫苗如腺病毒、流感、药物中，如胰岛素、干扰素等，疫苗如腺病毒、流感、脊髓灰质炎等，还有

32、激素、淋巴细胞活素、凝血因子脊髓灰质炎等，还有激素、淋巴细胞活素、凝血因子等等。等等。n 除了基因工程的应用，这一时期还有单克隆抗体的发除了基因工程的应用，这一时期还有单克隆抗体的发现和应用，以及现和应用，以及动、植物细胞培养技术，固定化细胞动、植物细胞培养技术，固定化细胞发酵技术的应用。发酵技术的应用。与这些技术相适应的与这些技术相适应的各种生物反应各种生物反应器器也被开发出来并不断发展完善，也被开发出来并不断发展完善，计算机辅助计算机辅助的发酵的发酵过程自动化，共同推动了现代发酵工业的飞速发展。过程自动化，共同推动了现代发酵工业的飞速发展。五五. 发酵工业的培养方法和基本过程发酵工业的培养

33、方法和基本过程（一）培养方法（一）培养方法n表面培养法：表面培养法：微生物在基质表面上进行培养，分固微生物在基质表面上进行培养，分固体和液体表面发酵两种（赤霉素、糖化酶及农抗）。体和液体表面发酵两种（赤霉素、糖化酶及农抗）。n深层培养法：深层培养法：微生物细胞生长于液体培养基深层微生物细胞生长于液体培养基深层(厌厌气或好气气或好气)中进行培养。中进行培养。n深层培养法与表面培养法相比深层培养法与表面培养法相比具有效率高、产量大、具有效率高、产量大、易控制等优点，因而早期的发酵多是固体表面发酵，现易控制等优点，因而早期的发酵多是固体表面发酵，现代的发酵一般都采用深层培养法。但在一些产品如农用代的

34、发酵一般都采用深层培养法。但在一些产品如农用抗生素的发酵生产中，表面培养法仍具有自己的优势。抗生素的发酵生产中，表面培养法仍具有自己的优势。（二）发酵工艺的基本过程（二）发酵工艺的基本过程空气空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化斜面活化扩大培养扩大培养种子罐种子罐主发酵主发酵碳源、氮源、无碳源、氮源、无机盐等营养物质机盐等营养物质灭菌灭菌产物分离纯化产物分离纯化成品成品六六. 发酵工业的发展趋势发酵工业的发展趋势n简单化合物（酒精）简单化合物（酒精）复杂物质（复杂物质（SCP）n自然发酵自然发酵诱变与代谢控制诱变与代谢控制基因工程基因工程n化学合成化学合成生物合成生物合成生物与

35、化学合成生物与化学合成相结合相结合n大型化、连续化和自动化的趋势大型化、连续化和自动化的趋势n石油、天然气、纤维素等新原料的采用石油、天然气、纤维素等新原料的采用国际微生物工程研究方向国际微生物工程研究方向n利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种种n采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养n固定化技术广泛应用固定化技术广泛应用n开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段制将成为发酵生产控制的主要手段n应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸应用代谢控制技术，发

36、酵生产氨基酸n将生物技术广泛地用于环境工程将生物技术广泛地用于环境工程 七、当前发酵工业面临的问题七、当前发酵工业面临的问题n菌种问题：菌种问题：（1）对菌种的要求：）对菌种的要求： 必须是纯培养物，不含有其他微生物和噬菌体；菌株遗传稳定性好，可长期保存；易于产生大量营养细胞、孢子或其他繁殖体，在种子罐和其他用于制备大量种子的容器中培养时能够茁壮、快速繁殖；菌株在较短的时间内能快速产生目的产物，并很少产生毒性物质或副产物；菌株具有抵制其他杂菌感染和忍耐不良环境的能力；对诱变剂敏感，可通过诱变达到提高菌种性能的目的。 七、当前发酵工业面临的问题七、当前发酵工业面临的问题（2 2）生产菌种的来源：

37、）生产菌种的来源：两条途径，自我筛选和引进n合适的反应器：合适的反应器：基本要求基本要求生产规模化原料利用量大，并有一定选择性尽可能节省能源结构多样化，操作自动化节省劳力n基质的选择：基质的选择：要求生产原料价廉，来源充足，易被利用 八、微生物发酵工业的比拟放大八、微生物发酵工业的比拟放大比拟放大：比拟放大：n实验室小型试验实验室小型试验(Laboratory-scale)n中间试验规模中间试验规模(Pilot-scale)n大型生产规模大型生产规模(Production)（小试（小试中试中试生产）生产）小试：确定原理（理论），设计方向小试：确定原理（理论），设计方向中试：摸索最佳工艺和条件，（中试的工艺条件中试：摸索最佳工艺和条件，（中试的工艺条件往往与小试有很大差异）往往与小试有很大差异）n此外某些发酵过程还缺乏理论指导（如连续发酵理此外某些发酵过程还缺乏理论指导（如连续发酵理论）论） ，还有由于菌株和操作的特殊性造成的某些理论，还有由于菌株和操作的特殊性造成的某些理论的无法按常规方法运作（如丝状菌的发酵）的无法按常规方法运作（如丝状菌的发酵）菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐中试发酵罐中试由实验室研究到产业化的过程由实验室研究到产业化的过程发酵生产发酵生产第一章第一章 绪论思考题绪论思