发酵工程第一章绪论课件

发酵工程主讲人：王君Tel：E-mail：fermentionengineering考核方式闭卷考试占70％平时课堂提问、作业、笔记、课堂论文与考勤占30％

CONTENTS

一、发酵工程的概念二、发酵工程的开展简史三、发酵工程的根本内容＊四、发酵过程的主要发酵类型五、发酵工程的后处理＊＊第一章发酵工程概述第一节发酵工程的概念微生物的发酵现象－－请看下面现象酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2 ferver：发泡、沸腾fermentation一.对发酵现象的不同理解

－两种角度〔能量、产物〕生物化学家侧重能量代谢：1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸〔兼性微生物〕〔1〕有氧呼吸〔氧供给充分、有机物氧化彻底、产生大量能量〕〔2〕糖酵解〔暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量〕2、无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物(个别是有机氧化物)并释放较少能量。

根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。发酵是微生物在无氧条件下分解代谢有机物释放能量的过程。

发酵是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或其代谢产物的过程。现代生物化学家生物化学家看待微生物发酵过程：代谢产物的生物合成与分离纯化菌种扩大生产菌种选育与保藏

完整发酵工程：投入原料获得最终产品发酵和提取主要研究解决工艺和设备问题实验室和中试成果迅速扩大到工业生产中2.发酵工业的根本生产过程菌种活化扩大培养代谢产物的分离测量和控制发酵温度、PH、溶解氧细胞的加工副产品或废物处理粗选、除杂、粉碎加工等产品代谢产物分纯或加工预处理灭菌代谢产物和细胞分离发酵培养基的配制发酵原料大型发酵过滤、离心、沉淀进一步扩大培养微生物工业发酵根本过程发酵工业的典型过程

－－深层发酵过程主体微生物的特点用简易设备生产多种多样的产品能利用无机物、有机物等各种营养物质酶种类繁多催化各种生化反应种类繁多繁殖速度快代谢能力强易通过人工诱变获得有益菌株不受气候、季节的限制能高度选择在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、功能团引入或去除原料来源丰富、微生物有选择的的吸收反应条件温和、耗能少、设备较简单以生命体的自动调节方式进行过程需要除菌、防止杂菌污染传统发酵工业：酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等现代发酵工业：基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。三.发酵过程的产品类型

传统大型发酵工业的中央控制

现代发酵工业的中央控制

发酵工业的其他产品微生物菌体酶制剂代谢产物生物转化微生物特殊机能的利用

利用微生物消除环境污染

利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域微生物菌体传统菌体发酵工业现代菌体发酵工业酵母发酵菌体蛋白〔单细胞蛋白〕发酵杀虫剂：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、香菇类虫草头孢菌密环菌微生物菌体

面包酵母

藻类芽孢杆菌和伴孢晶体

虫草头孢菌发酵生产虫草

酶制剂从初生代谢到次生代谢微生物转化

在用维生素C一步和二步发酵法生产中,起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子结构进行特异性改变。

分离和纯化产品。包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和包装技术等下游技术发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分析和控制等

中游技术广义发酵工程对生物学和工程学的要求

优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等），上游技术上中下游相互关联！生化工程酶工程细胞工程发酵工程

产物

产品

产品基因工程

产品强调过程优化与控制第二节、发酵工程开展简史1.传统发酵阶段主要是酿造工业主要产品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等17世纪，能在容量为1500桶〔一桶约136升〕的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造1757年应用温度计；1801使用原始热交换器主要特点：嫌气发酵，非纯种培养，产品质量不稳定Koch首先创造固体培养基，建立细菌的纯粹培养Petri创造一种培养皿(petridish)用于微生物平板别离Winograsky和Beijerink创造富集培养法，别离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等开拓新的发酵原料时期特点：解决发酵原料及人畜争粮问题；规模和自动化程度显著提高，能耗过大。开拓新的发酵原料时期3.基因工程阶段〔现代发酵工业新阶段〕基因工程阶段〔现代发酵工业新阶段〕

人胰岛素

人生长激素(GH)

表皮生长因子(EGF)

肿瘤坏死因子

白细胞介素-2(IL-2)

尿激酶原

猪生长激素(PGH)

牛生长激素(BGH)纤维素酶

,

-干扰素

乙型肝炎疫苗

集落刺激因子(CSF)

促红细胞生成素(EPO)

抗血友病因子

组织溶纤原激活剂(t-PA)第三节、发酵工程根本内容〔一〕发酵工程的一般特征1、发酵工业一般是在常温常压下进行的生物化学反响，反响条件比较温和。2、可用较廉价的原料生产较高价值的产品。3、发酵过程是通过生物体自适应调节来完成的，反响的专一性强，因而可以得到单一性的代谢产物。4、易产生复杂高分子化合物。5、高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、复原、官能团导入。6、生产发酵产物的生物物质菌体本身也是发酵产物。7、发酵生产需要注意防止染菌。8、发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件的限制，可改进菌种。存在问题1、底物不可能完全转化为产物，副产物的产生不可防止；2、产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，菌体易变异；3、原料是农副产品，虽廉价，但质量价格波动大准备工作量大，花费高，反响器效率低；4、过高的底物产物或产物浓度常导致酶的抑制或细胞不能耐受过高的渗透压而失活；5、COD、BOD在发酵过程中常需要调控。〔二〕发酵工程菌的特点1、在廉价培养基上生长迅速2、易于控制选育抗噬菌体能力强的菌株4、菌种纯粹，不易变异5、菌种不是病原体，不产生任何有害的生物活性物质〔三〕工业发酵的类型〔四〕发酵过程的优化发酵过程优化的定义：最正确控制发酵过程的方案或发酵过程中主要控制的工程和方法。发酵过程优化的目的：使细胞调节、细胞环境、反响器特性、工艺条件等之间的关系简化。发酵过程优化的研究内容：微生物细胞生长过程、微生物反响化学计量、微生物反响动力学、为生物反响器工程〔五〕发酵工业的逐级扩大逐级扩大定义：实验室小型设备到实验工厂小规模设备的实验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产。逐级扩大阶段：小试、中试、大试见第一章种子扩大培养

固体发酵

厌氧发酵需氧发酵兼性厌氧发酵

液体发酵（包括液体深层发酵）按培养基的物理性状浅盘固体发酵深层固体发酵（机械通风制曲）

按微生物对氧的不同需求1、发酵类型第四节、发酵工程常见主要发酵类型按发酵工艺流程分批发酵补料分批发酵连续发酵单级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵按菌的种类单菌种发酵多菌种混合发酵〔混合菌发酵〕3.厌氧发酵也称静止培养，是利用一些厌氧微生物进行的发酵，如丙酮、丁醇、乳酸、乙醇的生产。好氧发酵是利用需氧的微生物进行的发酵。特点：是在发酵过程中需要不断的供给微生物氧气〔或空气〕，以满足微生物呼吸代谢。与分批培养方式比较与连续培养方式比较1、可以解除培养过程中的底物抑制、产物反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应1、不需严格的无菌条件2、对于好氧过程，可以避免在分批培养过程中，因一次性投糖过多造成细胞大量生长、好氧过多以致通风搅拌设备不能匹配的状况2、不会产生微生物菌种的老化和变异3、微生物细胞可以被控制住一系列的过滤态阶段，可用来控制细胞的质量，并可重复某个时期细胞培养的过滤态，可用于理论的研究。3、最终产物浓度较高，有利于产物的分离4、使用范围广泛5、混合发酵应用：传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉有机废弃物〔工业、城市和农业〕的发酵处理与转化：生物能源：生物制氢、生物制沼气生物饲料生物肥料混合发酵：混合培养物发酵。多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵，也称混合培养。特点：生产人员少、原材料和能源消耗少、设备和器材少、生产效益高或产品的种类多；能够获得一些独特的产品；混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂的代谢作用，可以提高代谢效率。6.发酵工业开展趋向及应用前景强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。生态型发酵工业的兴起：清洁生产。再生资源的利用。混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率。

武汉市武汉市中东化工公司污染状况一墙之隔的铁四局宿舍饱受废气困扰铁四局宿舍里锈断的铁护栏

阳逻汽渡职工戴口罩上班

发酵工程的主要前沿进展

高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素

高转化率：微生物代谢途径和过程条件高效率：微生物反响动力学和系统优化条件确定过程优化初始条件过程分析过程强