最新发酵原理第一章精品课件.ppt

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1、发酵过程控制发酵过程控制发酵罐放大与设计发酵罐放大与设计基因工程菌发酵基因工程菌发酵发酵产物的提取与精制发酵产物的提取与精制发酵工业清洁生产技术发酵工业清洁生产技术发酵经济学发酵经济学发酵产品生产原理与技术应用发酵产品生产原理与技术应用发酵工程在现代生物化工中的应发酵工程在现代生物化工中的应用用 从从外外界界分分离离菌菌种种细胞工程细胞工程基因工程基因工程诱变育种诱变育种生生产产菌菌种种发发酵酵罐罐灭菌的灭菌的培养基培养基分离、提纯分离、提纯菌体菌体代谢物代谢物 基因工程和细胞工程（上游生物技术） 源头上改变遗传特性来获得具有优良加工和转化能力的新品种 发酵工程 生物的优良遗传性状通过微生物生

2、长繁殖得以表达，生产目的产物 酶工程 基因工程是指在体外将目的基基因工程是指在体外将目的基因插入载体的遗传物质中，并因插入载体的遗传物质中，并将其导入原来没有此基因的受将其导入原来没有此基因的受体细胞内，使目的基因在受体体细胞内，使目的基因在受体细胞内得以表达，进而得到人细胞内得以表达，进而得到人类需要的基因产物。类需要的基因产物。细胞工程是采用类似工程设计细胞工程是采用类似工程设计的方法，运用细胞学技术、有的方法，运用细胞学技术、有计划的改造细胞遗传特性，从计划的改造细胞遗传特性，从而培养出人们所需要的动植物而培养出人们所需要的动植物品种或有具有某些新性状的细品种或有具有某些新性状的细胞群体

3、胞群体。 酶工程是研究酶的生产和应用酶工程是研究酶的生产和应用的技术学科，包括酶制剂的制的技术学科，包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰和备、酶的固定化、酶的修饰和改造以及酶反应器等内容改造以及酶反应器等内容 。 生化工程生化工程是实验室成果实是实验室成果实现产业化的技术支撑。包现产业化的技术支撑。包括生物反应和分离纯化过括生物反应和分离纯化过程的放大技术及其装备。程的放大技术及其装备。中中下下游游生生物物技技术术发酵工程发酵工程 发酵的本质发酵的本质 酿酒、制醋、生产酱油酿酒、制醋、生产酱油 1680年，荷兰的列文虎克制成显微镜年，荷兰的列文虎克制成显微镜 1897年，德国毕希纳提出酶催化

4、理论年，德国毕希纳提出酶催化理论 自然发生说自然发生说酶学理论酶学理论亚里士多德亚里士多德尼达姆尼达姆生命是生命是 自然自然发生的发生的弗郎希斯科弗郎希斯科施罗德施罗德PasteurBuchner发酵的本质发酵的本质 路易斯路易斯巴斯德（巴斯德（LouisPasteur），），法国法国微生微生物学家、化学家，开辟了微生物领域，近代微生物学家、化学家，开辟了微生物领域，近代微生物学的奠基人。物学的奠基人。 巴斯德证明了三个科学问题：巴斯德证明了三个科学问题：（1）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。“巴氏杀菌法巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。便应用

5、在各种食物和饮料上。（2）每一传染病都是一种微菌在生物体内的发展。）每一传染病都是一种微菌在生物体内的发展。（3）传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻）传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，使他们从病菌变成防病的药苗。毒力，使他们从病菌变成防病的药苗。 巴氏灭菌法又称低温灭菌法，先将要求灭巴氏灭菌法又称低温灭菌法，先将要求灭菌的物质加热到菌的物质加热到6530分钟或分钟或7215分分钟，随后迅速冷却到钟，随后迅速冷却到10以下。既不破以下。既不破坏营养成分，又能杀死细菌的营养体，巴坏营养成分，又能杀死细菌的营养体，巴斯德发明的这种方法解决了酒质变酸的问斯德发明的这种方法解决了酒质变酸的

6、问题，拯救了法国酿酒业。题，拯救了法国酿酒业。 1900年前，自然发酵阶段。年前，自然发酵阶段。 1900-1940年，年，纯培养技术的建立纯培养技术的建立第一转折点第一转折点 1940年后，年后，深层液体通气搅拌纯种培养深层液体通气搅拌纯种培养第二转第二转折点折点 代谢控制发酵工程技术的建立代谢控制发酵工程技术的建立第三转折点第三转折点 开拓发酵原料开拓发酵原料,发展发酵放大技术发展发酵放大技术 采用基因工程菌生产新产物采用基因工程菌生产新产物 20世纪世纪60年代，粮食紧张和饲年代，粮食紧张和饲料需求的增加料需求的增加 开发微生物细胞为饲料蛋开发微生物细胞为饲料蛋白白 石油产品作为发酵原料

7、石油产品作为发酵原料 推动了发酵生产的连续化和自推动了发酵生产的连续化和自动化发展动化发展开始人为控制微生物的发酵进开始人为控制微生物的发酵进程，发酵效率逐步提高；生产程，发酵效率逐步提高；生产规模扩大，产量提高，对发酵规模扩大，产量提高，对发酵工业起了巨大的推动作用。工业起了巨大的推动作用。主要产物：甘油、柠檬酸、乳主要产物：甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮等酸、丁醇和丙酮等 青霉素是指从青霉菌培养液中提取的，能青霉素是指从青霉菌培养液中提取的，能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗

8、人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是是-内酰胺类中一大类抗生素的总称。主内酰胺类中一大类抗生素的总称。主要对革兰氏阳性菌有效，过敏反应强。要对革兰氏阳性菌有效，过敏反应强。 基因工程可以在基因工程可以在不相关不相关的生物间转移基的生物间转移基因，还可精确的对一个因，还可精确的对一个基因组基因组进行交换，进行交换，定向定向改变生物性状与功能，创造新物种。改变生物性状与功能，创造新物种。大大丰富了发酵工业的内容，使发酵工大大丰富了发酵工业的内容，使发酵工业发生业发生革命性革命性的变化的变化 发酵工业：利用微生物具发酵工业：利用微生物具有的加工和生物转化能力，有的加

9、工和生物转化能力，将廉价的发酵原料转化为将廉价的发酵原料转化为高附加值产物的产业高附加值产物的产业廉价原料生产廉价原料生产高价值产品高价值产品专一性强专一性强常温、常压、常温、常压、反应条件温和反应条件温和生物转化修饰生物转化修饰不受自然不受自然条件的限制条件的限制发酵工业的特点发酵工业的特点发酵工业的研究范畴发酵工业的研究范畴微生物菌体微生物菌体生物转化生物转化酶制剂酶制剂代谢产物代谢产物微生物菌体微生物菌体酵母酵母SCPSCP、药用真菌（冬虫夏、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金生物防治制剂（如苏云金杆菌）杆菌）活性乳制剂活性乳制剂酶制剂：酶制剂：糖化酶、氨基酰

10、化酶（糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等分）、蛋白酶、脂肪酶等 酶可用于淀粉糖、酒类、果蔬、奶制品和肉酶可用于淀粉糖、酒类、果蔬、奶制品和肉类制品等的加工生产；酶作为添加剂应用于洗涤类制品等的加工生产；酶作为添加剂应用于洗涤剂、饲料、纺织和皮革等行业中；酶用于疾病诊剂、饲料、纺织和皮革等行业中；酶用于疾病诊断和治疗、药物生产等医学领域中；用于可再生断和治疗、药物生产等医学领域中；用于可再生能源的生产以及环境污染的治理等领域能源的生产以及环境污染的治理等领域 代谢产物代谢产物 初级代谢产物：对数生长期产生的代谢产初级代谢产物：对数生长期产生的代谢产物，是细胞生

11、长和繁殖所必需的物质。具有重物，是细胞生长和繁殖所必需的物质。具有重要的应用价值，供商业开发。要的应用价值，供商业开发。 次级代谢产物：微生物进入缓慢生长期或次级代谢产物：微生物进入缓慢生长期或者停止生长时期即稳定期所产生的物质。药物者停止生长时期即稳定期所产生的物质。药物筛选和开发的重要资源。筛选和开发的重要资源。初级代谢产物：初级代谢产物： 与菌体生长相伴随的产物，与菌体生长相伴随的产物， 氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累次级代谢产物：次级代谢产物： 与菌体生长不相伴随

12、，以初级代谢产物为原料而合成与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原料而合成 抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感结构常较复杂对环境条件敏感生物转化生物转化概念概念 利用微生物细胞利用微生物细胞或酶对某些化合物或酶对某些化合物的特定部位进行催的特定部位进行催化修饰，使之转化化修饰，使之转化为结构相似具有更为结构相似具有更大经济价值的化合大经济价值的化合物物范畴范畴脱氢，氧化，脱氢，氧化，羟化，缩合，还羟化，缩合，还原，脱羧，氨化原，脱羧，氨化以及异构作用等以及异构作用等优点优点效率高效率高专一性强专一性强条件温和条件温和 含环戊烷多氢菲核的

13、化合物含环戊烷多氢菲核的化合物； 甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的；物而获得的； 可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，位上导入一氧原子，最大的最大的困难也正在此困难也正在此如：如： 甾体

14、转化甾体转化 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett, 576kg脱氧胆酸，脱氧胆酸，30多步反应，两多步反应，两年年938mg醋酸可的松）醋酸可的松） 生物法：高效、收率高生物法：高效、收率高 （1952年，年，Munrry等，黑根霉，仅等，黑根霉，仅1步就将孕酮步就将孕酮11位上位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，步，这样才使可的松问世）这样才使可的松问世）四四 工业发酵的类型与工艺流程工业发酵的类型与工艺流程对氧的需求对氧的需求培养基物理性状培养基物理性状发酵的工艺流程发酵的工艺流程需氧发酵需氧

15、发酵厌氧发酵厌氧发酵兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵液体发酵液体发酵固体发酵（浅盘固固体发酵（浅盘固体发酵和深层固体体发酵和深层固体发酵）发酵）工业发酵的类型工业发酵的类型分批发酵分批发酵连续发酵连续发酵补料分批连续发酵补料分批连续发酵发酵生产的工艺流程发酵生产的工艺流程发酵的工艺过程发酵的工艺过程培养基的制备培养基的制备灭菌灭菌接种接种控制发酵条件控制发酵条件产物的提取与精制产物的提取与精制回收处理三废物质回收处理三废物质 医药工业医药工业 药物：能药物：能影响影响机体机体生理生理、生化生化和和病理病理过程，用以过程，用以调节身体机能或抵御病调节身体机能或抵御病原微生物的化学物质。原微生物的化学物质

16、。 抗生素：抗生素：12 000余种余种青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、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、头孢霉素等新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等 氨基酸氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、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（国内苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发亿元，占发酵业产值酵业产值12%） 维生素：维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等等 生物制品生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等疫苗等 酶抑制剂：酶抑制剂： 棒酸（可

17、抑制棒酸（可抑制 -内酰胺酶对青霉素的破坏）内酰胺酶对青霉素的破坏） -淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病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胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂药物药物化学合成药物化学合成药物工艺复杂工艺复杂条件苛刻条件苛刻污染严重污染严重毒副作用大毒副作用大生化药物和天然药物生化药物和天然药物生产受到资源的限制，生产受到资源的限制，价格偏高价格偏高 微生物发酵药物微生物发酵药物抗生素、维生素抗生素、维生素、氨基酸氨基酸 应用微生物技术研究应用微生物技术研究开发新药和替代传统开发新药和替代传统制药工业技术，加快制药工业技术，加快医药生物技术产品的医药生物技术产品的产业

18、化规模和速度产业化规模和速度 食品工业食品工业发酵工程贡献的食品占食品工发酵工程贡献的食品占食品工业的业的15%以上以上农产品经过微生物处理，可农产品经过微生物处理，可得到风味各异的食品得到风味各异的食品与化学法相比，发酵法生产在与化学法相比，发酵法生产在毒理学和微生物学方面更安全毒理学和微生物学方面更安全123 酵母酵母 有机酸谷氨酸有机酸谷氨酸 调味料调味料 红茶和乌龙茶红茶和乌龙茶 酒类酒类 酒精酒精 发酵乳制品发酵乳制品 酸奶：牛奶在厌氧条件下，由酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌乳酸菌发酵，发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些

19、芳香物质和维生素等；他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。乳糖不适应症者的优良食品。 原料乳原料乳杀菌杀菌冷却冷却接种接种乳酸菌纯培乳酸菌纯培养物养物母发酵剂母发酵剂生产发酵生产发酵剂剂灌装灌装发酵发酵冷藏冷藏检验出厂检验出厂乳酸菌是一类可利用碳水化合物产生大量乳酸的细菌乳酸菌是一类可利用碳水化合物产生大量乳酸的细菌 乳酸菌乳酸菌嗜热链球菌嗜热链球菌嗜酸乳杆菌嗜酸乳杆菌乳酸链球菌乳酸链球菌双歧杆菌双歧杆菌促进乳中酪蛋白的吸收促

20、进乳中酪蛋白的吸收防止有机体大量积累吲防止有机体大量积累吲哚和酚等有害物质哚和酚等有害物质抑制肠道内腐败细抑制肠道内腐败细菌的生长和繁殖菌的生长和繁殖乳酸菌产生的有机酸促乳酸菌产生的有机酸促进胃肠蠕动，利于消化进胃肠蠕动，利于消化乳酸菌乳酸菌的作用的作用 醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产解成葡萄糖，同时利用

21、部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。醪糟。 能源工业能源工业生生物物乙乙醇醇沼沼气气微微生生物物采采油油生生物物电电池池 优势优势 减少了对常规能源的依赖，节约常规能源，有利减少了对常规能源的依赖，节约常规能源，有利于国家安全于国家安全 促进了废弃物的资源化利用促进了废弃物的资源化利用 环境友好环境友好 带动相关产业的发展，增加就业机会，增加收入带动相关产业的发展，增加就业机会，增加收入和推动当地经济的发展和推动当地经济的发展 改变农村的面貌，有利于社会主义新农村建

22、设改变农村的面貌，有利于社会主义新农村建设在化工中的应用在化工中的应用醇及溶剂：醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等酮、丁醇、丁二醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等苹果酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等多糖：黄原胶、海藻糖等 冶金工业冶金工业细细 菌菌 冶冶 金金概念概念应用应用将微生物及其代将微生物及其代谢产物作为浸矿谢产物作为浸矿剂，喷在矿石上，剂，喷在矿石上，从浸取液中得到从浸取液中得到有用金属有用金属金、银、铜、金、银、铜、锰、钴等锰、钴等生生 物物 肥肥 料料发酵工程发酵工程在农

23、业中在农业中的应用的应用生生 物物 农农 药药抗抗 生生 素素添添 加加 剂剂 酶酶 制制 剂剂生生 长长 调调 节节 剂剂SCP 饲饲 料料生物农药：生物农药： 杀虫剂（杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）、白僵菌、病毒、微孢子虫） 防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）毒、庆丰霉素）生物除草剂生物除草剂：利用杂草的病原微生物利用杂草的病原微生物生物增产剂：生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等 实现生产过程的自动化实现生产过程的自动化 不与农作物竞争耕地不与农作物竞争耕地 不依赖季节和气候条件不依赖季节和气候条件 生产原料广泛生产原料广泛 营养价值高营养价值高 环境友好环境友好 微生物生长速率高微生物生长速率高 蛋白质食物和饲料匮乏的途径蛋白质食物和饲料匮乏的途径环境保护环境保护工业三废工业三废生活垃圾生活垃圾农业废弃物农业废弃物变废为宝变废为宝净化环境净化环境 基因工程的发展基因工程的发展 新型发酵设备的研制新型发酵设备的研制 大型化、连续化、自动化控制技术的应用大型化、连续化、自动化控制技术的应用 代谢机理与调控的研究代谢机理与调控的研究 生态型发酵工业的兴起生态型发酵工业的兴起 可再生资源的利用可再生资源的利用