发酵工程(1)第一章-绪论课件.ppt

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1、第一章 概 论一、微生物工程的概念和特点2 2、微生物工程的定义、微生物工程的定义1）传统发酵果汁、麦芽汁果汁、麦芽汁及谷类发酵果及谷类发酵果酒、啤酒、黄酒、啤酒、黄酒时产生的二酒时产生的二氧化碳气泡引氧化碳气泡引起的。，起的。，2）生化和生理学意义的发酵（狭义发酵）微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产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。生能量的一种方式。如如:葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出COCO2 2。2、微生物工程的概念及特点 是指利用生物细胞的特定性状，是指利用生物细胞的特定性状，通过现代化工程技术手段，在

2、反应通过现代化工程技术手段，在反应器中生产各种特定有用物质，或者器中生产各种特定有用物质，或者把生物细胞直接用于工业化生产的把生物细胞直接用于工业化生产的一种工程技术系统。一种工程技术系统。1 1）微生物工程的定义）微生物工程的定义微生物工程涉及微生物学、生物化学、化学工程技术、微生物工程涉及微生物学、生物化学、化学工程技术、机械工程、计算机工程等基本原理和技术，并将它们有机械工程、计算机工程等基本原理和技术，并将它们有机地结合起来机地结合起来,是一门利用微生物的生命活动来生产人们是一门利用微生物的生命活动来生产人们所需的有用物质的工程技术所需的有用物质的工程技术.FERMENTATIONPr

3、ocess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSESFermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES-genetics,cell-inoculum development-media formulation-sterilization-inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程原料来源广，价格低；原料来源广，价格低；微生物种类多，分布广，具有易变异性；微生物种类多，分布广，具有易变异性；反应条件温和，能耗

4、少，生物转化反应专一性强，产品的转化率高，反应条件温和，能耗少，生物转化反应专一性强，产品的转化率高，生产过程安全；生产过程安全；微生物发酵代谢途径多样化，产品多样化；微生物发酵代谢途径多样化，产品多样化；微生物生长繁殖速度快，发酵时间短，可以缩短生产周期，提高设备微生物生长繁殖速度快，发酵时间短，可以缩短生产周期，提高设备利用率，降低生产成本利用率，降低生产成本;微生物发酵是一个纯培养过程，发酵过程需防止杂菌污染。微生物发酵是一个纯培养过程，发酵过程需防止杂菌污染。2）微生物工程的技术特点（与化学工程相比）发酵过程中尚存在的问题发酵过程中尚存在的问题：1 1、底物不能完全转化成目的产物，副产

5、物的产生不可避免，因而造成、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。2 2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。3 3、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。4 4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应

6、而言，反应器效率低。低。5 5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。6 6、发酵废水常具有较高的、发酵废水常具有较高的BOD BOD 和和CODCOD，需处理后排放。，需处理后排放。3）微生物工程的基本过程（斜面）（斜面）（摇瓶）（摇瓶）菌菌 种种活活 化化扩大培养扩大培养进一步扩大培养进一步扩大培养发酵原料发酵原料预处理预处理发酵培养基的配制发酵培养基的配制灭灭 菌菌大型发酵大型发酵代谢产物和细胞分离代谢产物和细胞分离代谢产物的分离代谢产物的分离副产品或废物处理副产品或废物处理细胞的加工细胞的加工代谢产物的分纯或加工代谢产物的

7、分纯或加工产产 品品产产 品品菌菌 种种微生物工程的基本过程微生物工程的基本过程发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业抗菌素发酵抗菌素发酵工业工业氨基酸、核酸发酵氨基酸、核酸发酵基因工程菌基因工程菌动物细胞大动物细胞大规模培养规模培养植物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培藻类细胞大规模培养养转基因动物转基因动物二、微生物工程的发展历史微生物工程的发展阶段自然发酵时期自然发酵时期纯培养时期纯培养时期通气搅拌和代谢控制时期通气搅拌和代谢控制时期基因工程时期基因工程时期1.自然发酵时期我国约我国约8000800045004500年前，发明了制曲酿酒工艺。年前，发明

8、了制曲酿酒工艺。埃及人在埃及人在40004000多年前学会了酿酒技术。多年前学会了酿酒技术。我国在我国在25002500年前已知道制酱和醋。年前已知道制酱和醋。这这一一时时期期是是不不自自觉觉地地利利用用空空气气中中的的微微生生物物进进行行混混合发酵合发酵，所以称为自然发酵期。，所以称为自然发酵期。2.纯培养时期发酵工程的近代时期16761676年年列列文文虎虎克克首首先先观观察察到到微微生生物物的存在的存在.18571857年年Louis Pasteur发现发酵是由发现发酵是由微生物的活动引起的。微生物的活动引起的。Robert Koch Robert Koch 发明了固体培养基；发明了固体

9、培养基；建立了纯培养技术。建立了纯培养技术。人为控制发酵过程人为控制发酵过程 酒精、丙酮、丁醇、有机酸等酒精、丙酮、丁醇、有机酸等 （主厌氧发酵；初级代谢产物）（主厌氧发酵；初级代谢产物）3.深层培养（通气搅拌）和代谢控制发酵发酵工程的发展时期 出现于出现于2020世纪世纪4040年代，以抗生素的生产为标志年代，以抗生素的生产为标志 青霉素的发现与大量需求青霉素的发现与大量需求 深层培养技术（深层培养技术（submerged fermentation)submerged fermentation)机械搅拌通气发酵机械搅拌通气发酵 链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等链霉素、氯霉素、金霉素、

10、土霉素、四环素等 抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业 好氧发酵，初级、次级代谢产物好氧发酵，初级、次级代谢产物19531953年，沃森和克里年，沃森和克里克通过对克通过对DNADNA的的X X射线射线衍射图片的分析，提衍射图片的分析，提出了出了DNADNA双螺旋结构模双螺旋结构模型。不久又提出了型。不久又提出了DNADNA半保留复制原则。半保留复制原则。4.4.基因工程时期基因工程时期发酵工程的现代时期发酵工程的现代时期细胞融合技术、基因操作技术等生物技术，打破了生物细胞融合技术、基因操作技术等生物技术，打破了生

11、物种间障碍，定向地制造出新的有用的微生物种间障碍，定向地制造出新的有用的微生物;增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量大幅度地提高目标产物的产量;将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物中，快速经济地大量生产这些产物;将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护.三、微生物工程的发展趋势发酵工

12、业是一种以高科技含量为特征发酵工业是一种以高科技含量为特征的新型工业，目前，全球发酵产品的的新型工业，目前，全球发酵产品的年销售额在年销售额在400400亿美元左右，并以每亿美元左右，并以每年约年约7 78 8的速率增长。的速率增长。我国发酵行业生产企业有我国发酵行业生产企业有50005000多家，多家，主要发酵产品的年产值高达主要发酵产品的年产值高达13001300亿元。亿元。一）、微生物工程的现状一）、微生物工程的现状发酵食品（发酵食品（Fermented Foods）有机酸（有机酸（Organic Acids）氨基酸（氨基酸（Amino Acids）核酸类物质（核酸类物质（Nucleot

13、ides）酶制剂（酶制剂（Enzymes）医药工业（医药工业（Pharmaceutical）饲料工业（饲料工业（Feedstuff）环环境境工工程程（Environmental Application）其它其它 （冶金工业（冶金工业）发酵工业简介（发酵工业简介（Fermentation Industry Fermentation Industry）2 2、在医药卫生中的应用、在医药卫生中的应用 抗生素：抗生素：12 00012 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、新霉素、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、头孢霉素等螺旋霉素、头孢

14、霉素等 氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、氨基酸：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（国内脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内4040亿元，占发酵业产亿元，占发酵业产值值12%12%）维生素：维生素：V VB2 B2、V VB12B12、VcVc、V VA A、V VD D等等 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNADNA疫苗等疫苗等 酶抑制剂：酶抑制剂：棒酸（可抑制棒酸（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

15、高血压高血脂胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂3 3、在轻工业中的应用、在轻工业中的应用糖酶：糖酶：-淀粉酶、淀粉酶、-淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油脂肪酶：分解脂肪为脂肪

16、酸和甘油凝乳酶：制干酪凝乳酶：制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等氨基酰化酶、甘露聚糖酶等4 4、在化工能源中的应用、在化工能源中的应用醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等醇、丁二醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等多糖：黄原胶、海藻糖等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等5 5、在农业中的应用、在农业中的应用生物农药：生物农药：杀虫剂（杀虫剂（BtBt、白僵菌、病毒、微孢子虫）、白僵菌、病毒、微孢子虫）防治植物病害

17、（防治植物病害（假单孢菌、木霉、庆丰霉素假单孢菌、木霉、庆丰霉素）生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等6、发酵工程在环境保护中的应用厌气发酵法：沼气发酵、饲料发酵、肥料发酵。厌气发酵法：沼气发酵、饲料发酵、肥料发酵。好气发酵法：废水、废气的处理。好气发酵法：废水、废气的处理。7、发酵工程在细菌冶金中的应用 利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌把亚利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌把亚铁氧化为高铁，把硫或低价硫化物氧化铁氧化为高铁，把硫或低价硫化物氧化为硫酸的能力，将含硫金属矿石中的金为硫酸的能

18、力，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。用此法属离子形成硫酸盐而释放出来。用此法浸出的金属有铜、锌、铅、金等。浸出的金属有铜、锌、铅、金等。8、发酵工程在高技术研究中的应用 为基因工程提供质粒、病毒载体，为基因工程提供质粒、病毒载体，限制性内切酶、连接酶、磷酸酶等；限制性内切酶、连接酶、磷酸酶等；为医学诊断提供生为医学诊断提供生物传感器等。物传感器等。1、开发利用微生物资源1 1）极端微生物的筛选，利用特殊的）极端微生物的筛选，利用特殊的PCRPCR技术建立未培养微生物基技术建立未培养微生物基因库从而实现对未培养微生物的利用；因库从而实现对未培养微生物的利用；2 2）利用基因重组、

19、基因改组、定点突变等技术改造生产菌种；）利用基因重组、基因改组、定点突变等技术改造生产菌种；3 3）发酵过程系统生物学的研究）发酵过程系统生物学的研究 把生物反应器作为相对封闭的把生物反应器作为相对封闭的生态系统，用系统生物学的方法来研究微生物内在的生理活动、生态系统，用系统生物学的方法来研究微生物内在的生理活动、微生物之间相互作用、微生物与外在环境相互作用关系。）微生物之间相互作用、微生物与外在环境相互作用关系。）可可以发掘微生物生物合成调控基因，为代谢工程改造菌种、重构以发掘微生物生物合成调控基因，为代谢工程改造菌种、重构微生物基因组及表达调控系统提供理论依据，发掘发酵过程参微生物基因组及

20、表达调控系统提供理论依据，发掘发酵过程参数优化的分子机制，为进一步优化发酵过程参数提供理论依据。数优化的分子机制，为进一步优化发酵过程参数提供理论依据。2、改进和完善发酵工程技术生态发酵技术（混合培养工艺）生态发酵技术（混合培养工艺）一种不需要进行一种不需要进行体外体外DNADNA重组也能获得类似效果的新型培养技术。主重组也能获得类似效果的新型培养技术。主要有混合发酵、顺序发酵、共固定化细胞混合发酵、要有混合发酵、顺序发酵、共固定化细胞混合发酵、混合固定化细胞发酵。混合固定化细胞发酵。参 考 书参考书参考书发酵设备发酵设备，高孔荣，轻，高孔荣，轻工业出版社工业出版社发酵工程发酵工程 ，韦革红、

21、，韦革红、杨祥，科学出版社杨祥，科学出版社微生物工程微生物工程，曹军卫，科学出版曹军卫，科学出版社社发酵工程关键技术及其发酵工程关键技术及其应用应用，欧阳平凯，化学，欧阳平凯，化学工业出版社工业出版社微生物工程工艺原微生物工程工艺原理理，姚汝华，华南，姚汝华，华南理工大学出版社理工大学出版社发酵工程发酵工程，蒋，蒋新龙，浙江大学出新龙，浙江大学出版社版社二）、发酵工程的发展趋势 1.1.开发和利用微生物资源开发和利用微生物资源开发和利用微生物资源开发和利用微生物资源 2.2.改进和完善发酵工程技术改进和完善发酵工程技术改进和完善发酵工程技术改进和完善发酵工程技术 3.3.研制和开发新型发酵设备研制和开发新型发酵设备研制和开发新型发酵设备研制和开发新型发酵设备 4.4.重视中、下游工程的研究重视中、下游工程的研究重视中、下游工程的研究重视中、下游工程的研究主 要 专 业 期 刊期刊微生物学报微生物学报微生物学通报微生物学通报食品与发酵工业食品与发酵工业生物工程学报生物工程学报生物技术通报生物技术通报工业微生物工业微生物小 结思考题1发酵及微生物发酵及微生物工程的定义，工程的定义，微生物工程的微生物工程的技术特点。技术特点。2微生物工程的微生物工程的基本流程。基本流程。3微生物工程的微生物工程的发展分为哪几发展分为哪几个阶段，经历个阶段，经历了哪几个转折了哪几个转折点？点？