微生物发酵绪论

微生物发酵工程苑琳E-mail：yuan0079@163.com参考书目《发酵工程原理与技术》李艳主编；《发酵工程》徐岩主编；《现代生物工艺学》储炬主编。第1章绪论发酵与发酵工程发酵工程的内容发酵工业的历史渊源发酵工程技术的发展趋势和服务领域生物工程与发酵工程一、发酵与发酵工程发酵发酵工程1、发酵（fermentation）是由拉丁语ferver（即“发泡”、“沸涌”）派生而来。指厌氧发酵产生二氧化碳气体的现象。巴斯德研究酒精发酵：指酵母菌在无氧状态下的呼吸，是生物获得能量的一种方式。生物化学角度：发酵是微生物细胞为获取生长和生存所需能量而进行的氧化还原反应。新的发酵产品的涌现：发酵指利用生物细胞（动物、植物和微生物细胞），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。现代发酵发酵：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过程。加工对象无菌概念培养技术培养装置下游工程现代高新技术的应用2、发酵工程是指将发酵原理与工程学相结合，研究由生物细胞（包括微生物、动物和植物细胞）参与的工艺过程的原理和科学，是研究利用生物材料生产有用物质，服务于人类的一门综合性科学技术。发酵工程的组成中游工程上游工程下游工程-优良种株的选育最适发酵条件的确定

培养基的制备等-目的产物的分离和纯化-“三废”处理灭菌技术空气过滤技术计算机控制技术种子培养和生产培养的工艺技术动力学模型的建立发酵工艺的放大二、发酵工程的内容发酵的基本过程获得发酵产品的条件1、发酵工业的生产过程空气保藏菌种斜面活化扩大培养生物反应器灭菌产物分离纯化成品机械能原料培养基预处理种子副产品废物除菌啤酒发酵好氧发酵2、获得发酵产品的条件有适宜的微生物；保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成、温度、溶解氧浓度、酸碱度等）；有进行微生物发酵的设备；有将菌体或代谢产物提取出来，精制成产品的方法和设备。现代发酵工程的核心获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞（或酶）；选择最精良设备，开发最优技术操作，创造充分发挥生物细胞（或酶）作用的最佳环境。微生物细胞可控系统或反应器三、发酵工业的历史渊源天然发酵阶段纯培养技术的建立通气搅拌发酵技术的建立代谢控制发酵和现代发酵工程技术的发展1、天然发酵阶段史前到19世纪，人们不了解发酵的本质，仅利用自然发酵现象制成各种饮料酒和食品。主要产品：各种饮料酒、酒精、酱、酱油、醋、干酪、酸乳等。生产特点：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。2、纯培养技术的建立19世纪末到20世纪30年代。单种微生物的分离和纯培养技术的确立，使发酵技术从天然发酵转变为纯培养发酵，实现了第一个转折。1872年，英国Bredfeld创建了霉菌纯培养法。1881年，德国Koch完成了细菌纯培养技术。1878年，丹麦Hansen建立了啤酒酵母的纯培养方法。纯培养技术的建立1897年，法国Buchner证明了任何生物都有引起发酵的物质（酶），开始了发酵机理的研究。第一次世界大战中，英国Weizman发明丙酮-丁醇发酵。第二次世界大战中，日本藤牟三郎发明了用砂糖发酵制取正丁醇，最终制成异辛烷。自丙酮酸出发的发酵途径及其产物日本人肠内酵母感染导致醉酒第一次世界大战丁醇：生产无烟火药丙酮：生产炸药纯培养技术的建立主要产品：厌氧：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮-丁醇等；好氧：柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶等。特点：表面培养，生产过程较简单，对生产设备要求不高，规模不大。3、通气搅拌发酵技术的建立1929年，英国A.Fleming发现青霉素；1940年，英国HawardFlorey和E.B.Chain分离出青霉素，并确认其卓越疗效和低毒性；1941年，美英合作研究、开发，1942年实现青霉素工业化发酵生产。庞大的抗生素工业兴起，并建立了深层培养法。通气搅拌液体深层发酵技术的建立，实现了第二个转折。大型发酵罐搅拌装置180m3发酵罐车间大型空气压缩机发酵车间的空气过滤器通气搅拌发酵技术时期主要产品：初级代谢产物：氨基酸、酶制剂、有机酸等；次级代谢产物：抗生素、多糖等；生物转化产物：甾体化合物等；酶反应产物：6-氨基青霉烷酸等。特点：产品类型多，技术要求高，规模大，技术发展迅速。4、代谢控制发酵和现代发酵工程技术的发展1956年，日本木下祝郎发明了代谢控制发酵技术，使谷氨酸发酵生产实现产业化。1950~1960年，发酵工业的两个显著进步：采用微生物进行甾体化合物的转化；代谢控制发酵技术的出现。1960~1970年，许多氨基酸和核苷酸均可发酵生产；开展发酵原料多样化的开发；出现单细胞蛋白的研究和生产。1970年以来，DNA重组、细胞融合等现代生物技术的运用，固定化技术的应用，新型生物反应器的研究与设计，特殊环境微生物的研究，动植物细胞的培养，发酵工业清洁生产技术等。主要产品：核苷酸类物质、有机酸、氨基酸、部分抗生素等。代谢控制发酵技术应用动态生物化学和遗传学的理论选育微生物突变株，从DNA分子水平上，控制微生物的代谢途径，进行最合理的代谢，积累大量有用发酵产物的技术。BiostatBplusBiostatED10PilotBiostatUD50DCUMFCSFermentorDisplayHistoryPlot四、发酵工程技术的发展趋势和服务领域发酵工程技术的发展发酵工程的应用领域发酵工程产业带动的关联产业/领域BCDAE发酵产物的分离提取和制剂制作节能降耗技术以及循环经济代谢组学和在线控制发酵工业微生物功能基因分析及改造发酵过程和产物分离偶联技术1、发酵工程技术的发展2、发酵工程的应用领域发酵食品生物化工生物医药发酵工程主要支柱产业各种酒类酱油、醋、腐乳、泡菜等传统发酵食品淀粉糖生物防腐剂等有机酸生物能源烃类化合物氨基酸工业酶及应用生物环境工程等抗生素、益生素维生素甾体激素转化医药酶不饱和脂肪酸、酵母等3.发酵工程产业带动的关联产业/领域发酵工程农业化工机械环保包装印刷材料加工文化教育商业贸易交通运输原料种植市场流通啤酒发酵水泥发酵罐大工业化啤酒发酵罐现代黄酒酿造工艺流程手工酿造黄酒工业化生产黄酒浸米蒸饭前酵榨酒后酵黄酒发酵生物技术提升传统发酵工业采用基因工程技术，改变大麦醇溶蛋白基因或控制其表达，便可相应的降低大麦原料中的醇溶蛋白含量，以适应生产的要求；把S.occidentalis或S.diastaticus的糖化酶基因引入啤酒酵母中表达和分泌，改良了菌种，便可以直接发酵生产干啤酒和淡色啤酒了。酵母菌大麦生物芯片在固态发酵机理研究应用通过基因芯片技术，直接对菌群中的多菌种同时进行检测，鉴定出菌群的消长情况五、生物工程与发酵工程生物工程生物工程研究的领域生物工程与发酵工程1、生物工程生物学工程学化学生物技术生物化学生物工程化学工程不涉及化学，仅是物理过程和生物学的结合。是医学工程、环境工程、卫生工程、农业工程、仿生工程、人体功能工程等的总称。涉及生物催化剂，与化学反应有关。生物工程（bioengineering）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，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。狭义：指以基因工程技术为核心的现代生物技术的总称。广义：指运用生物科学知识及工程学的原理，开发利用生物材料为人类社会提供产品和服务的工程技术。2、生物工程研究的领域基因工程(geneengineering)细胞工程(cellengineering)酶工程(enzymeengineering)发酵工程(f