发酵工程第一章_绪论.pptx

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1、教材教材余龙江主编.发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，2006-2008参考书籍参考书籍俞俊棠等主编.生物工艺学(上下册).华东理工大学出版社梅乐和等主编.生化生产工艺学.科学出版社姚汝华主编.微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社PeterF.Stanbury,AllanWhitaker,StephenJ.Hall.PrinciplesofFermentationTechnology.(2ndEdition)第1页/共60页考 核 方 式闭卷考试占70高水平科技文献阅读翻译占15平时课堂提问、作业与考勤占15第2页/共60页第3页/共60页 本章内容 一、发酵工程定义及在生物技术中的地

2、位二、发酵工程发展简史三、发酵工业的特点及其应用范围四、工业发酵的类型与典型过程五、发酵工程前沿及应用前景第4页/共60页1.何谓发酵？ferver：发泡、沸腾fermentation微生物的发酵现象请看下面现象请看下面现象第5页/共60页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（氧供应充分、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

3、，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。第6页/共60页对发酵现象的不同理解两种角度（能量、产物）发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量的过程厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程 发酵是酵母无氧呼吸产生能量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完全氧化释放能量的过程生物化学家生物化学家看待微生物发酵过程：第7页/共60页工业微生物学家利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）发酵是利用微生物培养来生产

4、产物的无氧或需氧的任何过程侧重产品的生产：第8页/共60页发酵现象的本质显微镜观察：微生物著名的巴斯德实验：微生物作用著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用第9页/共60页2.发酵工程概念？微生物细胞加工技术过程优化与放大传统发酵工程：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过程理论与工程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。第10页/共60页 现代发酵工程：是将DNA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、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，拓展传统发酵应用领域和产品

5、范围的一种现代工业生物技术体系（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在传统与现代发酵工业领域的集成应用。第11页/共60页传统发酵工业：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。第12页/共60页 传统大型发酵工业的中央控制现代发酵工业的中央控制第13页/共60页3.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。发酵工程是生物技

6、术的应用基础，是生物技术产业的核心。第14页/共60页 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 中游技术广广义义发发酵酵工工程程对对生生物物学学和和工工程程学学的的要要求求 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

7、游相互关联！第15页/共60页生物技术体系生物技术体系生化工程酶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产品产品强调过程优强调过程优化与控制化与控制第16页/共60页（一）发酵工程发展简史1900以前 自然发酵阶段19001940 纯培养技术的建立19401950 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19601970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后 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。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。第17页/共60页自然发酵阶段主要是酿造工业

8、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 量不稳定第18页/共60页纯培养技术的建立Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养Petri创造一种培养皿(petridish)用于微生物平板分离Winograsky和Beijerink发明富集培养法，分离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等第19页/共60页第一次世界大战，Weizmann 发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。在面包酵母的生产中首

9、先采用了分批补料培养技术 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纯培养技术的建立第20页/共60页通气搅拌发酵技术的建立标志：纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：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 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。第21页/共60页主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发 酵，一系列过程工程技术创新意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展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通气搅拌发酵技术的建立第22页/共60页代谢控制发酵技术的建立基于代谢途径及其

10、调控实现微生物菌种选育和控制发酵。代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。主要应用：氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸、抗生素等 第23页/共60页开拓新的发酵原料时期目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲 料蛋白质的来源 技术进步：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 计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发 酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、自动化方向发展 第24页/共60页特点：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第25页/共6

11、0页基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）主要标志 基因工程产品生产以及基因工程技术应用世界上已批准上市的基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人生长激素等。第26页/共60页主要特点基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 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基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）第27页/共60页 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

12、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)部分利用基因工程技术研制的产品第28页/共60页发酵工程的主要前沿进展原料拓展：可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）过程优化技术多尺度生物反应器优化控制技术生物炼制第29页/共60页 高产量高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素高转化率高转化率：微生物代谢途径和过程条件高效率高效率：微生物反应动力学和系统优化以高产量、高转化率和高效率及低成本为目标的发酵过程优化技术低成本低成本低成本低成本：技术综合及产业化技术集成 环境友好环境友好环境友好环境友好：开发清洁生产技术第30页/共60页发酵过程优化技术条件确定过程

13、优化初始条件过程分析过程强化1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菌种改造3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发酵工艺优化4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技术集成发酵产物分离纯化5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综合治理技术优化第31页/共60页（一）发酵工业的特点 发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，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。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 化合物进行特定部位的生物转化修饰。第32页/共

14、60页发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。菌种是关键。发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。（一）发酵工业的特点第33页/共60页（二）发酵工业的范围微生物菌体 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第34页/共60页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酵母发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵杀虫剂杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌绿僵菌 疫苗疫苗第35页/共60页新

15、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 微生物菌体第36页/共60页 面包酵母藻类第37页/共60页芽孢杆菌和伴孢晶体 第38页/共60页虫草头孢菌发酵生产虫草 第39页/共60页酶制剂广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等 第40页/共60页微生物转化 在用维生素C一步

16、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。第41页/共60页第42页/共60页（一）工业发酵的类型固体发酵 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第43页/共60页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（一）工业发酵的类型按菌的种类单菌种发酵多菌种混合发酵（混合菌发酵）第44页/共60页新发展的微生物培养方法载体培养 微载体以细小的颗粒作为细胞载体，通过搅拌

17、悬浮在培养液内，使细胞在载体表面繁殖成单层的一种细胞培养技术。两步法液体深层培养 菌体生长和产酶条件不同，先提供合适的生长条件，收集到大量菌体，再移入发酵 培养基中进行产物发酵。第45页/共60页（二）发酵工业的基本生产过程1.用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；2.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 例接种入发酵罐中；第46页/共60页4.控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；5.将产物提取并精制，以得到合格的产品；6.回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。（二）发酵工业的基本生产过程第47页/共60页（二）发酵工业的典型过程

18、深层发酵过程第48页/共60页第49页/共60页发酵工业发展趋向及应用前景n基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。n采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。n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。第50页/共60页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。发酵工业发展趋向及应用前景第51页/共60页清洁生产按照联合国环境规划署（UNEP）的定义：“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战略持续应用于生产过程、产品和

19、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。”第52页/共60页混合菌发酵的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 第53页/共60页 课 程 内 容第一章 绪论第二章 发酵工业菌种第三章 发酵工业培养基设计（讨论课）第四章 发酵工业的无菌技术第五章 发酵工业的种子制备（讨论课）第六章 发酵动力学

20、第七章 发酵工业中氧的供需第八章 发酵罐放大与设计第九章 发酵过程优化与控制第十章 发酵经济学（讨论课）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第54页/共60页学习重点基本过程过程优化过程控制过程放大一条主线、两个重点、三个层次、四个目标发酵工艺过程过程优化放大反应器细胞、分子高转化率高产量高效率低成本第55页/共60页发酵工程是连接生物科学、生物技术和 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！第56页/共60页Thank you Thank you for your attention !for your attention !第57页/共60页 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第58页/共60页高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大：由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等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、提倡有氧运动第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页