发酵工程第一章绪论

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1、教材教材 余龙江主编余龙江主编.发酵工程原理与技术应用发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，化学工业出版社，2006-2008参考书籍参考书籍 俞俊棠等主编俞俊棠等主编.生物工艺学生物工艺学(上下册上下册).华东理工大学出版社华东理工大学出版社 梅乐和等主编梅乐和等主编.生化生产工艺学生化生产工艺学.科学出版社科学出版社 姚汝华主编姚汝华主编.微生物工程工艺原理微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社华南理工大学出版社 Peter F.Stanbury,Allan Whitaker,Stephen J.Hall.Principles of Fermentation Technology.(2n

2、d Edition)http:/ 核核 方方 式式n闭卷考试占闭卷考试占70n高水平科技文献阅读翻译占高水平科技文献阅读翻译占15n平时课堂提问、作业与考勤占平时课堂提问、作业与考勤占15http:/ 本章内容本章内容 一、一、发酵工程定义及在生物技术中的地位发酵工程定义及在生物技术中的地位二、二、发酵工程发展简史发酵工程发展简史三、三、发酵工业的特点及其应用范围发酵工业的特点及其应用范围四、四、工业发酵的类型与典型过程工业发酵的类型与典型过程五、五、发酵工程前沿及应用前景发酵工程前沿及应用前景http:/ fermentation微生物的发酵现象http:/ 两种角度（能量、产物）生生物物化

3、化学学家家http:/ 两种角度（能量、产物）发酵是指有机化合物进行无氧代谢发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量释放能量 的过程的过程 厌氧发酵是厌氧菌借助氧化厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应还原反应释放能量释放能量的过程的过程 发酵是酵母无氧呼吸发酵是酵母无氧呼吸产生能量产生能量的过程的过程 需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不 完全氧化完全氧化释放能量释放能量的过程的过程 生生物物化化学学家家http:/ n传统发酵工程传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的动来大量生产人们所需产

4、品的过程理论与工过程理论与工程技术体系程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。成与分离纯化制备等技术集成。http:/ 现代发酵工程现代发酵工程：是将：是将DNA重组及细胞融合技重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代

5、工业传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系（新一代工业生物技术）。生物技术体系（新一代工业生物技术）。强调现代生物技术、控制技术和装备技术强调现代生物技术、控制技术和装备技术在在传统与现代传统与现代发酵工业领域的集成应用。发酵工业领域的集成应用。http:/ 现代发酵工业现代发酵工业的中央控制的中央控制 3.发酵工程在生物技术中的地位发酵工程在生物技术中的地位 生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。供产品或为社会服务的技术。发

6、酵工程是生物技术的应用基发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。础，是生物技术产业的核心。http:/ 分离和纯化产品。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和技术，以及产品检验和包装技术等包装技术等 下游技术发酵过程控制，主要包发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分菌环境的控制，过程分析和控制等析和控制等 中游技术广义发酵工程对生物广义发酵工程对生物学和工程学的要求学和工程学的要求 优良种株的选育和保优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，藏（包括菌种筛选、改

7、造，菌种代谢路径改造等），菌种代谢路径改造等），上游技术上中下游相互关联！上中下游相互关联！生物技术体系生物技术体系生化工程生化工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程 产物 产品产品 产品产品基因工程基因工程 产品产品强调过程优强调过程优化与控制化与控制http:/ 1900以前以前 自然发酵阶段自然发酵阶段 19001940 纯培养技术的建立纯培养技术的建立 19401950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立通气搅拌纯培养发酵技术的建立 19501960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 19601970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）开拓发酵原料时期

8、（石油发酵时期）1970年以后年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。大规模培养技术的全面发展。近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的 现代发酵工业突飞猛进。现代发酵工业突飞猛进。http:/ 木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 n1757年应用温度计；年应用温度计；1801 使用原始热交换器使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养主要特点：嫌气发酵，非纯种培养，产品质，产品质 量不稳定量不稳定http:/ 的纯粹培养的纯粹培养nPetri

9、创造一种培养皿创造一种培养皿(petri dish)用于用于 微生物平板分离微生物平板分离nWinograsky和和 Beijerink发明富集培发明富集培 养法，分离特定的微生物养法，分离特定的微生物n主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等http:/ ABS0基质浓度对基质浓度对A、B两种菌的比生长速率（两种菌的比生长速率（）的影响）的影响 当当SS0时，富集时，富集什么什么菌株？菌株？http:/ 发明了丙酮丁发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵无杂菌发酵。n在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养在面包酵母的生产中首先采用

10、了分批补料培养技术技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量 质量控制水平大大提高质量控制水平大大提高http:/ n主要技术进展：主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。发酵中的杂菌污染问题。http:/ 酵，一系列过程工程技术创新酵，一系列过程工程技术创新n意义：意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展推动抗生素工业乃至整个发

11、酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础奠定了现代发酵工业的理论和实践基础http:/ 的发酵生产，以及有机酸的发酵生产，以及有机酸、抗生素等抗生素等 http:/ 料蛋白质的来源料蛋白质的来源 n技术进步技术进步：n发展了高压喷射式、强制循环式等多种发发展了高压喷射式、强制循环式等多种发 酵罐及其发酵技术酵罐及其发酵技术 n计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发 酵过程自动控制，促进发酵工业朝酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、连续化、自动化方向自动化方向发展发展 http:/ 基

12、因工程产品生产以及基因工程产品生产以及基因工程技术应用基因工程技术应用n世界上已批准上市的世界上已批准上市的基因工程药物有几十基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人种，如：胰岛素、人生长激素等。生长激素等。http:/ n高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产基因工程菌构建及产品的发酵生产n主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起炼制技术的兴起http:/ 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选基于组学技术的高通量菌种改造和筛选2 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化基于组学和生物信

13、息学代谢途径分析优化菌种菌种改造改造3 基于实时代谢流分析、代谢途径模型基于实时代谢流分析、代谢途径模型 与自动控制技术的发酵过程优化控制与自动控制技术的发酵过程优化控制发酵发酵工艺工艺优化优化4 基于发酵液及产品特性的高收率、低基于发酵液及产品特性的高收率、低 成本、高质量和环境友好的提取精制成本、高质量和环境友好的提取精制 技术集成技术集成发酵发酵产物产物分离分离纯化纯化5 基于源头防治与过程监控的资源节约基于源头防治与过程监控的资源节约 与废物资源化清洁生产技术集成与废物资源化清洁生产技术集成综合综合治理治理技术技术优化优化细胞代谢网络示意图细胞代谢网络示意图 多层次复杂系统多尺度优化

14、控制技术生生 物物 炼炼 制制 石石 油油 炼炼 制制（一）发酵工业的特点（一）发酵工业的特点 发酵过程发酵过程一般是一般是在在常温常压常温常压下进行的生化反应，下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。反应安全，要求条件较简单。可用较廉价原料生产较高价值产品。可用较廉价原料生产较高价值产品。反应专一性强。反应专一性强。能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的能够专一性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的生物转化修饰。化合物进行特定部位的生物转化修饰。http:/ 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。菌种是关键。菌种是关键。发酵生产不受

15、地理、气候、季节等自然发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。条件限制。（一）发酵工业的特点（一）发酵工业的特点http:/ 微生物菌体微生物菌体 酶制剂酶制剂 代谢产物代谢产物 生物转化生物转化 微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用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n 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域http:/ 疫苗疫苗http:/ 茯苓菌茯苓菌茯苓茯苓 担子真菌担子真菌灵芝、香菇类灵芝、香菇类 虫草头孢菌虫草头孢菌 密环菌密环菌 微生物菌体微生

16、物菌体http:/ 面包酵母面包酵母 藻类藻类芽孢杆菌和伴孢晶体芽孢杆菌和伴孢晶体 http:/ http:/ http:/ 亮氨酸脯氨酸精氨酸（C6N4)蛋氨酸（C5N5)天门冬氨酸（C4N)苏氨酸（C9N)异亮氨酸（C6N)赖氨酸（C6N2)ADP(C7N2)色氨酸酪氨酸（C9N)(C11N2)苯丙氨酸（C9N)组氨酸（C6N3)各种氨基酸的生物合成途径葡萄糖丙糖丙酮酸乙酸草酰乙酸柠檬酸酮戊二酸谷氨酸次生代谢产物CO2(C4)(C6)(C5)氨基糖苷类抗生素（糖苷部分）次生代谢产物丝氨酸甘氨酸（C3N)(C2N)缬氨酸（C5N)次生代谢产物生物甲基化甲羟戊酸（C4)IPP（C5)萜类甾体天

17、冬氨酸（C4N)次生代谢产物丙氨酸（C3N)丙二酸（C3)脂肪酸聚酮莽草酸（C7)丁糖戊糖核糖次生代谢产物次生代谢产物核苷类抗生素初生代谢的合成过程从初生代谢从初生代谢到次生代谢到次生代谢微生物转化微生物转化 http:/ 固体发酵固体发酵 厌氧发酵厌氧发酵 需氧发酵需氧发酵 兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵 液体发酵（包括液体深层发酵）液体发酵（包括液体深层发酵）按培养基的物理性状按培养基的物理性状 浅盘固体发酵浅盘固体发酵 深层固体发酵（机械通风制曲）深层固体发酵（机械通风制曲）按微生物对氧的不同需求按微生物对氧的不同需求http:/ 养基的配制；养基的配制；2.培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭

18、菌；培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；3.扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比 例接种入发酵罐中；例接种入发酵罐中；http:/ 不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，n 计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。http:/ 铁四局宿舍里锈断的铁护栏铁四局宿舍里锈断的铁护栏 阳逻汽渡职工戴口罩上班阳逻汽渡职工戴口罩上班 清洁生产清洁生产n按照联合国环境规划署按照联合国环境规划署（UNEP）的定义：的定义：“清洁生产清洁生产是一种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境是

19、一种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。”http:/ 生物

20、饲料生物饲料 生物肥料生物肥料 http:/ 课课 程程 内内 容容n第一章第一章 绪论绪论n第二章第二章 发酵工业菌种发酵工业菌种n第三章第三章 发酵工业培养基设计（讨论课）发酵工业培养基设计（讨论课）n第四章第四章 发酵工业的无菌技术发酵工业的无菌技术n第五章第五章 发酵工业的种子制备（讨论课）发酵工业的种子制备（讨论课）n第六章第六章 发酵动力学发酵动力学n第七章第七章 发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需n第八章第八章 发酵罐放大与设计发酵罐放大与设计n第九章第九章 发酵过程优化与控制发酵过程优化与控制n第十章第十章 发酵经济学（讨论课）发酵经济学（讨论课）结合实践自学：发酵产物分离纯

21、化以及产品制备结合实践自学：发酵产物分离纯化以及产品制备 发酵工业的洁净生产技术发酵工业的洁净生产技术 http:/ 生物工程的桥梁，生物科学与技术生物工程的桥梁，生物科学与技术 成果的推广应用离不开发酵工程！成果的推广应用离不开发酵工程！Thank you for your attention !过量运动后肌肉会有酸痛感，运动后肌肉会有酸痛感，就是因为肌体在缺氧状态下进就是因为肌体在缺氧状态下进行糖酵解产生了乳酸等行糖酵解产生了乳酸等n高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大：n由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭n产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等n甚至导致局部细胞坏死或整体死亡 人类脑缺氧非常危险、长期剧烈运动有损健康、提倡有氧运动