发酵工程1第一章绪论

第一章概论一、微生物工程的概念和特点2、微生物工程的定义1）传统发酵果汁、麦芽汁及谷类发酵果酒、啤酒、黄酒时产生的二氧化碳气泡引起的。，2）生化和生理学意义的发酵（狭义发酵）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。如:葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。3）工业上的发酵（广义发酵）包括：厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。通气培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动，来制备微生物菌体本身或代谢产物的过程.2、微生物工程的概念及特点

是指利用生物细胞的特定性状，通过现代化工程技术手段，在反应器中生产各种特定有用物质，或者把生物细胞直接用于工业化生产的一种工程技术系统。1）微生物工程的定义微生物工程涉及微生物学、生物化学、化学工程技术、机械工程、计算机工程等基本原理和技术，并将它们有机地结合起来,是一门利用微生物的生命活动来生产人们所需的有用物质的工程技术.FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSESFermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程Fermentationengineering原料来源广，价格低；微生物种类多，分布广，具有易变异性；反应条件温和，能耗少，生物转化反应专一性强，产品的转化率高，生产过程安全；微生物发酵代谢途径多样化，产品多样化；微生物生长繁殖速度快，发酵时间短，可以缩短生产周期，提高设备利用率，降低生产成本;微生物发酵是一个纯培养过程，发酵过程需防止杂菌污染。2）微生物工程的技术特点（与化学工程相比）

发酵过程中尚存在的问题：1、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。3、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率低。5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。6、发酵废水常具有较高的BOD和COD，需处理后排放。3）微生物工程的基本过程3）微生物工程的基本过程（斜面）（摇瓶）菌种活化扩大培养进一步扩大培养发酵原料预处理发酵培养基的配制灭菌大型发酵代谢产物和细胞分离代谢产物的分离副产品或废物处理细胞的加工代谢产物的分纯或加工产品产品菌种微生物工程的基本过程发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→抗菌素发酵工业→氨基酸、核酸发酵→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物二、微生物工程的发展历史第一个转折点：非食品工业第二个转折点：深层通气搅拌培养第三个转折点：代谢控制发酵近代转折点：基因、动物、海洋微生物工程的发展阶段自然发酵时期纯培养时期通气搅拌和代谢控制时期基因工程时期1.自然发酵时期我国约8000－4500年前，发明了制曲酿酒工艺。埃及人在4000多年前学会了酿酒技术。我国在2500年前已知道制酱和醋。这一时期是不自觉地利用空气中的微生物进行混合发酵，所以称为自然发酵期。2.纯培养时期——发酵工程的近代时期1676年列文虎克首先观察到微生物的存在.1857年LouisPasteur发现发酵是由微生物的活动引起的。RobertKoch发明了固体培养基；建立了纯培养技术。人为控制发酵过程酒精、丙酮、丁醇、有机酸等

（主厌氧发酵；初级代谢产物）3.深层培养（通气搅拌）和代谢控制发酵——发酵工程的发展时期出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志青霉素的发现与大量需求深层培养技术（submergedfermentation)——机械搅拌通气发酵链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业好氧发酵，初级、次级代谢产物代谢控制发酵技术随着对微生物生理和遗传机制的深入了解，建立了氨基酸和核苷酸工业，促进了代谢控制发酵技术，使代谢朝有利于产品合成的方向发展。1953年，沃森和克里克通过对DNA的X射线衍射图片的分析，提出了DNA双螺旋结构模型。不久又提出了DNA半保留复制原则。

4.基因工程时期——发酵工程的现代时期细胞融合技术、基因操作技术等生物技术，打破了生物种间障碍，定向地制造出新的有用的微生物;增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量;将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物;将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护.高通量蛋白生产三、微生物工程的发展趋势发酵工业是一种以高科技含量为特征的新型工业，目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。一）、微生物工程的现状发酵食品（FermentedFoods）有机酸（OrganicAcids）氨基酸（AminoAcids）核酸类物质（Nucleotides）酶制剂（Enzymes）医药工业（Pharmaceutical）饲料工业（Feedstuff）环境工程（EnvironmentalApplication）其它（冶金工业…）发酵工业简介（FermentationIndustry）食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）含醇饮料：葡萄酒、白酒、啤酒、白兰地、发酵乳制品：奶酪、酸奶调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等发酵技术最早开发应用的领域，至今产量和产值仍占发酵工程的首位1、在食品工业的应用2、在医药卫生中的应用抗生素：12000余种青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）维生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等酶抑制剂：棒酸（可抑制-内酰胺酶对青霉素的破坏）-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂3、在轻工业中的应用糖酶：-淀粉酶、-淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油凝乳酶：制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等4、在化工能源中的应用醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等5、在农业中的应用生物农药：杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）防治植物病害（假单孢菌、木霉、庆丰霉素）生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等6、发酵工程在环境保护中的应用厌气发酵法：沼气发酵、饲料发酵、肥料发酵。好气发酵法：废水、废气的处理。7、发酵工程在细菌冶金中的应用

利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌把亚铁氧化为高铁，把硫或低价硫化物氧化为硫酸的能力，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。用此法浸出的金属有铜、锌、铅、金等。8、发酵工程在高技术研究中的应用

为基因工程提供质粒、病毒载体，限制性内切酶、连接酶、磷酸酶等；为医学诊断提供生物传感器等。1、开发利用微生物资源1）极端微生物的筛选，利用特殊的PCR技术建立未培养微生物基因库从而实现对未培养微生物的利用；2）利用基因重组、基因改组、定点突变等技术改造生产菌种；3）发酵过程系统生物学的研究{把生物反应器作为相对封闭的生态系统，用系统生物学的方法来研究微生物内在的生理活动、微生物之间相互作用、微生物与外在环境相互作用关系。）可以发掘微生物生物合成调控基因，为代谢工程改造菌种、重构微生物基因组及表达调控系统提供理论依据，发掘发酵过程参数优化的分子机制，为进一步优化发酵过程参数提供理论依据。2、改进和完善发酵工程技术生态发酵技术（混合培养工艺）——一种不需要进行体外DNA重组也能获得类似效果的新型培养技术。主要有混合发酵、顺序发酵、共固定化细胞混合发酵、混合固定化细胞发酵。参考书参考书《发酵设备》，高孔荣，轻工业出版社《发酵工程》，韦革红、杨祥，科学出版社《微生物工程》，曹军卫，科学出版社《发酵工程关键技术及其应用》，欧阳平凯，化学工业出版社《微生物工程工艺原理》，姚汝华，华南理工大学出版社《发酵工程》，蒋新龙，浙江大学出版社二）、发