发酵工程课件第一章

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1、1郭丹钊郭丹钊 河南科技学院河南科技学院 生命科技学院生命科技学院 发发 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 2学时：学时：48（讲授（讲授38，实验，实验10）联系方式：联系方式：15252901969（M）3第一章绪第一章绪 论论一、发酵的定义一、发酵的定义二、发酵工程二、发酵工程三、发酵工程的范围（发酵产品类型）三、发酵工程的范围（发酵产品类型）四、发酵过程的特点四、发酵过程的特点五、发酵工程的发展史五、发酵工程的发展史六、发酵方法的类别与流程六、发酵方法的类别与流程七、发酵工程的意义与展望七、发酵工程的意义与展望4本章要求本章要求 理解并掌握发酵、发酵工程

2、、上游工程和下理解并掌握发酵、发酵工程、上游工程和下游工程的概念；游工程的概念；了解发酵工程的发展历程；了解发酵工程的发展历程；熟悉发酵工程的特点、应用及内容熟悉发酵工程的特点、应用及内容 5一、发酵的定义1 1、传统发酵、传统发酵2 2、生化和生理学意义的发酵、生化和生理学意义的发酵3 3、工业上的发酵、工业上的发酵61 1、传统发酵、传统发酵 来源于拉丁文来源于拉丁文“fervere（发泡）发泡）”描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象（沸腾现象）的现象（沸腾现象）酵母在厌氧条件下分解糖酵母在厌氧条件下分解糖产生产生72 2、生化和生理学意义的发酵、

3、生化和生理学意义的发酵(狭义的发酵狭义的发酵)指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产指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，或者更严格地说，发酵是生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出并放出COCO2 2。83 3、工业上的发酵、工业上的发酵（广义的发酵）（广义的发酵）泛指通过大规模培养微生物来制造或生产某些产泛指通过大规模培养微生物来制造或生产某些产品的过程品的过程 包括：包括：(1)厌氧培养的生产过程，如

4、酒精，乳酸等。厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。(2)通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等9二、发酵工程 1 1、定义、定义 采用现代化工程技术手段，利用微生物的某采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。微生物应用于工业生产过程的一种新技术。10 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵发酵已经从过去简单的生产

5、酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生现代发酵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、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥

6、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、香料、生物高农用生产资料，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蛋白等。分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。11 适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 进行微生物发酵的设备 精制成产品的方法的设备2 2、获得发酵产品的条件、获得发酵产品的条件12 发酵工程发酵工程 发酵工艺控制、发酵工艺控制、产生大量代谢产物（或菌体）产生大量代谢产物（或菌体）上游工程上游工程菌种选育、菌种选育、扩大培养等扩大培养等下游工程下游工程发酵产物的分离、发酵产物的分离、提取、精制提取、精制（或者菌体的收集）（或者菌体的收集）3

7、3、发酵工程组成、发酵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、发酵工程、下游工程13三、发酵工程的范围（发酵产品类型）三、发酵工程的范围（发酵产品类型）1 1、发酵食品发酵食品2 2、以微生物细胞为产物以微生物细胞为产物3 3、以微生物酶为产品以微生物酶为产品4 4、以微生物代谢产物为产品以微生物代谢产物为产品5 5、生物转化或修饰化合物生物转化或修饰化合物6 6、微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用14 包括发酵主食品：面包，馒头包括发酵主食品：面包，馒头 发酵副食品：豆腐乳，泡菜发酵副食品：豆腐乳，泡菜 发酵调味品：醋，酱油发酵调味品：醋，酱油 发酵乳制品

8、：酸奶、奶酪发酵乳制品：酸奶、奶酪1 1、发酵食品、发酵食品Cheese，芝士，芝士152 2、生产微生物细胞物质、生产微生物细胞物质 定义：定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。等。特点：特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最大时期也是产物合成速率最

9、高阶段，生长稳定期产量最高。高。163 3、微生物酶发酵、微生物酶发酵 酶的特点：酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：分类：胞内酶胞内酶 和胞外酶和胞外酶 生物合成特点：生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。等方面需给予注意。例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、糖化酶等。例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、糖化酶等。174 4、微生物代谢产物发酵、微生物代谢产物发酵 包括包括初级

10、代谢产物初级代谢产物、中间代谢产物中间代谢产物和和次级代谢产物次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。如初级代谢产物或中间代谢产物。如氨基酸氨基酸、核苷酸核苷酸、蛋蛋白质白质、核酸核酸等。等。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。如产物。如抗生素抗生素、生物碱生物碱、细菌素细菌素、植物生长因子植物生长因子等。等。185 5、微生物的生物转化

11、、微生物的生物转化 定义定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更高经济价团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更高经济价值的化合物。值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部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。包括脱氢、氧化、羟基化、位进行化学反应而形成的。包括脱氢、氧化、羟基化、脱水、缩合、脱碳、氨基化、脱氨和异构化。脱水、缩合、脱碳、氨基化、脱氨和异构化。196 6、微生物特殊机能的利用、微生物特殊机能的利用 利用微生物消除环境污染（农药残留降解

12、、海面利用微生物消除环境污染（农药残留降解、海面石油清理等）石油清理等）利用微生物发酵保持生态平衡（秸秆还田）利用微生物发酵保持生态平衡（秸秆还田）微生物湿法冶金微生物湿法冶金 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20金属的细菌沥滤金属的细菌沥滤低品位铜矿低品位铜矿矿渣矿渣再生浸矿剂再生浸矿剂细菌细菌+O2CuSO4Cu溶矿溶矿置换置换H2SO4+Fe2(SO4)3Fe SO4+S铁屑铁屑Fe SO4氧化亚铁硫杆菌：将氧化亚铁硫杆菌：将Fe2+氧化成氧化成Fe3+，硫和低价硫化物氧化成硫酸，硫和低价硫化物氧化成硫酸1 1、发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副

13、产品、发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。物资源的改造和更新。2 2、微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和、微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。产的产品。四、发酵过程的特点四、发酵过程的特点3 3、

14、发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物、发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。化学反应，反应安全，要求条件简单。4 4、发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在、发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。无菌条件下进行。5 5、由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地、由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。较复杂的高分子化合物。6 6

15、、发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成、发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。7 7、除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，、除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。24发酵的不足发酵的不足A.产物浓度不是很高，需提纯；产物浓度不是很高，需提纯；B.产物与副产物混杂在一起，需精制；产物与副产物混杂在一起，需精制；C.微生物原料多为碳水化合物，与人类争夺粮食；微生物原料多为碳水化合物，与人类争夺粮食；D.反应过程比化学反应缓慢。反应过程比化学反应缓慢。25

16、第一阶段第一阶段（19001900年前）年前）五、发酵工程的发展史五、发酵工程的发展史主要产品：主要产品：、酒精、酒精、醋、醋18世纪早期开始第一次大规模酿酒世纪早期开始第一次大规模酿酒19世纪中期世纪中期asteur证实了酵母菌在酒精发酵过程中证实了酵母菌在酒精发酵过程中的必要作用，由此建立了纯培养技术的必要作用，由此建立了纯培养技术19世纪后期，德国人世纪后期，德国人Buchner进一步发现磨碎的酵母进一步发现磨碎的酵母仍能使糖发酵，并将此具有发酵能力的物质称为仍能使糖发酵，并将此具有发酵能力的物质称为“酶酶”，至此，发酵现象的真相才被人们了解，至此，发酵现象的真相才被人们了解19世纪后期

17、有人开始尝试纯培养方法在发酵中的应用世纪后期有人开始尝试纯培养方法在发酵中的应用最初由天然微生物菌群缓慢氧化而生成，最初由天然微生物菌群缓慢氧化而生成，19世纪世纪后期人们尝试用巴斯德法灭菌，然后以后期人们尝试用巴斯德法灭菌，然后以10优质优质醋作为接种剂，还能起到抗污染的作用醋作为接种剂，还能起到抗污染的作用26 第二阶段（第二阶段（1900年年1940年）年）主要产品（大多是微生物的初级代谢产物）：主要产品（大多是微生物的初级代谢产物）：、酵母细胞：面包酵母作为战争期间的食品、酵母细胞：面包酵母作为战争期间的食品供给供给、丙酮、丙酮-丁醇：第一个真正意义上的无菌发酵丁醇：第一个真正意义上的

18、无菌发酵、淀粉酶、淀粉酶、柠檬酸、柠檬酸、乳酸、乳酸27 第三阶段（第三阶段（1940年至今）年至今）主要产品（大多是微生物的次级代谢产物）：主要产品（大多是微生物的次级代谢产物）：青霉素：青霉素：新技术带动其他次级代谢产物（如抗生素、维生素、新技术带动其他次级代谢产物（如抗生素、维生素、赤霉素、氨基酸）及初级代谢产物（酶和类固醇）赤霉素、氨基酸）及初级代谢产物（酶和类固醇）行业的迅猛发展行业的迅猛发展1928年，年，leming发现了青霉素，但由于产量低，发现了青霉素，但由于产量低，结构复杂，性能不稳定，未投入生产；结构复杂，性能不稳定，未投入生产；随着二战爆发，对抗感染药物需求量增大，青霉

19、随着二战爆发，对抗感染药物需求量增大，青霉素生产研究重新提上日程；素生产研究重新提上日程；通过改造菌种、改良通气液体发酵设备、改进产通过改造菌种、改良通气液体发酵设备、改进产品提取方法等新型发酵技术使青霉素产量大大提品提取方法等新型发酵技术使青霉素产量大大提高。高。28 第四阶段（第四阶段（1960年至今）年至今）生产微生物细胞用作饲料蛋白生产微生物细胞用作饲料蛋白价格低廉价格低廉提高产量提高产量连续培养大量空气连续培养大量空气高质量发酵罐和高质量发酵罐和流加培养基的连流加培养基的连续灭菌技术续灭菌技术压力喷射和压力压力喷射和压力循环罐的发展循环罐的发展29 第五阶段（第五阶段（1979年至今

20、）年至今）体外遗传操作技术出现体外遗传操作技术出现改造微生物基因组改造微生物基因组提高传统发酵产提高传统发酵产品的产量品的产量产生通常由高等产生通常由高等生物细胞产生的生物细胞产生的化合物化合物人胰岛素人胰岛素下表为一些正在开发或已开始生产的下表为一些正在开发或已开始生产的DNA重组技术产品重组技术产品30医药产品（包括医药产品（包括畜用产品）畜用产品）干扰素（干扰素（IFN）包括白细胞干扰素，成纤维细胞干扰素和免疫干扰素）包括白细胞干扰素，成纤维细胞干扰素和免疫干扰素胰岛素胰岛素生长激素及其相关因子生长激素及其相关因子淋巴细胞活素淋巴细胞活素血纤维蛋白溶解剂血纤维蛋白溶解剂疫苗，包括腺病毒、

21、霍乱、脑炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰质炎、狂疫苗，包括腺病毒、霍乱、脑炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰质炎、狂犬、疟疾等犬、疟疾等胸腺素胸腺素白蛋白白蛋白血因子血因子促红细胞生长素促红细胞生长素促血小板生长素促血小板生长素降血钙素降血钙素绒毛促性腺激素绒毛促性腺激素绝经期促性腺激素绝经期促性腺激素表皮生长因子表皮生长因子-1-1胰蛋白酶抑制剂胰蛋白酶抑制剂肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子集落刺激因子集落刺激因子心钠素心钠素单克隆抗体（供诊断和治疗用）单克隆抗体（供诊断和治疗用）DNADNA探针（供诊断和治疗用）探针（供诊断和治疗用）利用重组菌生产的抗生素、氨基酸、甾体激素、维生素利用重组菌生产的抗生素、氨基酸

22、、甾体激素、维生素六、发酵方法的类别与流程六、发酵方法的类别与流程1 1、类别：、类别：根据对氧的需要区分：根据对氧的需要区分：厌氧和好氧发酵厌氧和好氧发酵 根据培养基物理性状区分：根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵液体和固体发酵 根据从微生物生长特性区分：根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵分批发酵和连续发酵32空气加热器空气加热器油水分离器油水分离器冷却器冷却器贮气罐贮气罐空气压缩机空气压缩机空气空气总过滤器总过滤器分过滤器分过滤器发酵液预处理发酵液预处理发酵罐发酵罐 种子罐种子罐三角瓶或茄子瓶三角瓶或茄子瓶生产用斜面（多管）生产用斜面（多管）纯化复壮纯化复壮保存菌种（砂土管、

23、冻干、液氮、斜面）保存菌种（砂土管、冻干、液氮、斜面）菌种菌种预处理预处理原料原料过滤、离心、提取、精制、干燥过滤、离心、提取、精制、干燥包装包装补料补料调节剂调节剂消泡剂消泡剂冷却冷却灭菌灭菌配料、调浆配料、调浆 灭菌灭菌2 2、液态好氧发酵的流程、液态好氧发酵的流程废水处理废水处理七、发酵工业的意义与展望七、发酵工业的意义与展望 利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种 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 固定化技术广泛应用固定化技术广泛应用 开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制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将成为发酵生产控制的主要手段 应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸 将生物技术理论广泛地用于环境工程将生物技术理论广泛地用于环境工程