發(fā)酵工藝原理何為發(fā)酵？狹義定義廣義定義來源拉丁語“Fervere”“Fermentation”

用于描述果汁或麥芽浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生二氧化碳所引起的“沸騰”現(xiàn)象。生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。工業(yè)上發(fā)酵泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程。厭氧培養(yǎng)有氧培養(yǎng)是利用微生物或其他生物細(xì)胞（動(dòng)、植物細(xì)胞）的培養(yǎng)，產(chǎn)生和積累人們所需產(chǎn)品的過程。發(fā)酵定義發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用遍及輕工、食品、化工、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域發(fā)酵工程：利用微生物特定性狀和功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系，也稱微生物工程。FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程組成

從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、發(fā)酵工程、下游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程FermentationengineeringDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程Fermentationengineering課程介紹《發(fā)酵工藝原理》課程旨在讓學(xué)生熟悉發(fā)酵過程的工藝流程及相關(guān)的原理，對(duì)發(fā)酵工業(yè)控制的特點(diǎn)和共性有初步認(rèn)識(shí)，同時(shí)掌握發(fā)酵過程中過程優(yōu)化與放大的基本知識(shí)，為以后從事相關(guān)方面的生產(chǎn)和研究打下基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容

第1章緒論2第2章工業(yè)微生物的菌種選育5第3章培養(yǎng)基1第4章滅菌4第5章

生產(chǎn)菌種的培養(yǎng)與保藏2發(fā)酵工藝原理第6章通氣與攪拌4第7章發(fā)酵工藝的控制8第8章發(fā)酵過程檢測(cè)與自控1第9章發(fā)酵工程的實(shí)驗(yàn)室研究、中試和放大1第10章個(gè)論舉例

4考核方式作業(yè)10%出勤和課堂表現(xiàn)20%期末考試70%基本要求1.保持好的課堂紀(jì)律2.認(rèn)真聽課3.認(rèn)真做好課后作業(yè)第一章緒論本章主要內(nèi)容一、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展簡史二、發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)三、發(fā)酵工業(yè)的研究范疇四、發(fā)酵工業(yè)的類型及工藝流程五、發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展前景一、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史1.天然發(fā)酵階段2.純培養(yǎng)階段3.深層發(fā)酵階段4.開拓發(fā)酵原料階段5.基因工程階段產(chǎn)品西方：啤酒、葡萄酒、面包、干酪東方：醬油、清酒、醋中東：乳酸特點(diǎn)1.手工作坊或家庭式生產(chǎn)2.非純種培養(yǎng)3.產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定4.憑經(jīng)驗(yàn)傳授技術(shù)5.一般為嫌氣發(fā)酵1.天然發(fā)酵階段（19世紀(jì)以前）17世紀(jì)后葉，列文虎克發(fā)明顯微鏡首次觀察到大量的微生物19世紀(jì)中葉，巴斯德發(fā)酵是微生物作用的結(jié)果認(rèn)識(shí)了發(fā)酵的生理學(xué)意義19世紀(jì)后期，柯赫建立了單種微生物分離和純培養(yǎng)技術(shù)利用控制特定微生物發(fā)酵生產(chǎn)特定產(chǎn)品法國微生物學(xué)家、化學(xué)家，近代微生物學(xué)的奠基人微生物學(xué)之父提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！卑退沟抡J(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。

同時(shí)，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。發(fā)明了巴氏滅菌法LouisPasteur

德國人，發(fā)現(xiàn)了炭疽桿菌、結(jié)核桿菌、霍亂弧菌，于1905年獲得諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)被視為細(xì)菌學(xué)之父。世界上第一次發(fā)明了蒸汽殺菌法設(shè)計(jì)了細(xì)菌培養(yǎng)用的肉汁胨培養(yǎng)液和營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基；創(chuàng)立了固體培養(yǎng)基劃線分離純種法。建立了細(xì)菌涂片染色的基本方法。RobertKoch

2.純培養(yǎng)技術(shù)的建立（1905-1940年）在一次大戰(zhàn)時(shí)，魏茲曼開拓了丁醇丙酮發(fā)酵，并建立了真正的無雜菌發(fā)酵。酵母、甘油、檸檬酸、乳酸、丁醇和丙酮特點(diǎn)表面培養(yǎng)生產(chǎn)過程簡單，對(duì)設(shè)備要求不高生產(chǎn)規(guī)模不大嫌氣或好氣發(fā)酵俄國-英國-以色列化學(xué)家1911年，Weizmann利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮。1932年擔(dān)任耶路撒冷的希伯來大學(xué)校長。1948年擔(dān)任以色列第一任總統(tǒng)Weizmann,Chaim1928年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素1939年弗洛里和錢恩精制分離出青霉素1941年美國進(jìn)行了青霉素工業(yè)化生產(chǎn)1945年，三人分獲諾貝爾獎(jiǎng)3.深層發(fā)酵階段（1940年以后）初期，在培養(yǎng)瓶中進(jìn)行表面培養(yǎng)，濃度僅能達(dá)到每毫升8～12單位。幾百個(gè)瓶子生產(chǎn)的青霉素只夠一個(gè)病人使用。1943年，在發(fā)酵罐中采用通氣攪拌的深層培養(yǎng)法生產(chǎn)青霉素。目前，生產(chǎn)青霉素的發(fā)酵罐體積已擴(kuò)大到百噸以上，發(fā)酵液濃度已達(dá)每毫升80000單位左右。產(chǎn)品主要有抗生素、赤霉素、氨基酸、酶和甾體的轉(zhuǎn)化

青霉素發(fā)酵技術(shù)成功地建立起深層通氣培養(yǎng)法和一套培養(yǎng)技術(shù)（包括通無菌空氣，攪拌，培養(yǎng)基滅菌和無菌接種等）使微生物在培養(yǎng)過程中的溫度、pH、通氣量、營養(yǎng)物的供給都受到了嚴(yán)格的控制，厭氧—→好氧，導(dǎo)致一大批新產(chǎn)品的開發(fā)這些都為以后的發(fā)酵工業(yè)提供了新的概念和模型，成為當(dāng)代發(fā)酵工業(yè)興旺發(fā)達(dá)的開端抗生素的問世，不僅迎來了化學(xué)醫(yī)療的黃金時(shí)期，挽救了千千萬萬的生命，而且對(duì)發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響發(fā)酵車間的空氣過濾器大型發(fā)酵罐攪拌裝置特點(diǎn)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的容積已經(jīng)從第三階段時(shí)的80M3擴(kuò)大到150M3。以烴為碳源生產(chǎn)微生物細(xì)胞作為飼料蛋白質(zhì)的來源。4.開拓發(fā)酵原料（1960年以后）60年代，為了解決由于人迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵主要產(chǎn)品為微生物蛋白質(zhì)（單細(xì)胞蛋白SCP）標(biāo)志：基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)。1972，博耶和科恩建立了基因工程的基本方法。1976年，斯旺森投資，與博耶共同成立Genentech公司，生產(chǎn)重組胰島素1980年，公司上市，市值達(dá)到38.5million美元。5.基因工程階段（1979年以后）基本方法定向的改變生物性狀和功能，生產(chǎn)原來微生物不能生產(chǎn)的產(chǎn)物。發(fā)酵產(chǎn)品增多，應(yīng)用范圍廣泛。哺乳動(dòng)物的活性蛋白基因在微生物細(xì)胞中得到克隆和表達(dá)發(fā)酵工業(yè)已經(jīng)擴(kuò)展到動(dòng)物和植物細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域，使過去只能在動(dòng)植物中提取的一些產(chǎn)品，現(xiàn)在也能成為發(fā)酵產(chǎn)品目前，世界上已經(jīng)批準(zhǔn)上市的基因工程藥物就有幾十種，如：胰島素、人生長激素、,-干擾素、乙型肝炎疫苗等等。生產(chǎn)效率高10L工程菌=50萬只羊腦—→5mg激素釋放抑制因子2000L基因工程菌=720kg豬胰—→100g胰島素自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用更普遍特點(diǎn)二、發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)酶工程在分子水平的催化發(fā)酵工程在細(xì)胞水平進(jìn)行的催化反應(yīng)1、具有易變異性，導(dǎo)致代謝途徑多樣化2.原料簡單粗放，來源廣泛，價(jià)格低廉3.反應(yīng)條件溫和，生產(chǎn)過程安全4.效率高、效益高1.微生物菌體細(xì)胞2.微生物代謝產(chǎn)物3.酶制劑4.微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵5.微生物廢水處理和其他三、發(fā)酵工業(yè)的研究范疇傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)面包酵母菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌疫苗芽孢桿菌伴孢晶體1.微生物菌體細(xì)胞發(fā)酵新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品---藥用功能菌體茯苓菌→茯苓擔(dān)子真菌→靈芝、香菇類蟲草頭孢菌2.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵初級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物通過代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的、自身生長和繁殖所必需的物質(zhì)。氨基酸、核苷酸、蛋白、多糖次級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物生長到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對(duì)該生物無明顯生理功能，或并非是微生物生長和繁殖所必需的物質(zhì)?？股亍⒍舅?、色素酒食品：醬油、醋、腐乳、面包、酸乳等?？股兀呵嗝顾?、頭孢霉素、鏈霉素等。氨基酸：谷氨酸、賴氨酸等。有機(jī)溶劑：酒精、丙酮、丁醇等。3.酶制劑酶普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物中。微生物發(fā)酵法制備酶的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量大、種類多、生產(chǎn)條件易改進(jìn)。特點(diǎn)：酶生產(chǎn)受微生物嚴(yán)格調(diào)節(jié)控制，解除調(diào)節(jié)控制，提高產(chǎn)量。廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工

酶試劑盒：醫(yī)用診斷試劑盒、工業(yè)分析試劑盒等

藥用酶制劑：膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等

食品工業(yè)用酶制劑：果膠酶，淀粉酶等

基因重組技術(shù)用酶制劑：核酸酶（nuclease），包括

DNA、RNA的內(nèi)切酶、外切酶，DNA限制性內(nèi)切酶、

DNA連接酶等。

飼料酶制劑：木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶等4.微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵定義：是利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物的某一特定部位（基團(tuán)）修飾作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)但更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物的過程。醋酸發(fā)酵脫氫、氧化、脫水、脫羧、縮合或同分異構(gòu)等

特點(diǎn)：特異性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和、無污染。5.微生物特殊機(jī)能的利用利用微生物消除環(huán)境污染基因工程菌株發(fā)酵。四、發(fā)酵工業(yè)的類型及其工藝流程1.發(fā)酵工業(yè)的類型2.典型的發(fā)酵過程示意圖發(fā)酵食品抗生素、維生素和激素四、發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展前景（一）發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用能源環(huán)境1.醫(yī)藥工業(yè)抗生素發(fā)酵工業(yè)(青霉素、鏈霉素、土霉素等)有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè)(檸檬酸、葡萄糖酸等)酶制劑發(fā)酵工業(yè)(淀粉酶、蛋白酶等)氨基酸發(fā)酵工業(yè)(谷氨酸，賴氨酸等)核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工業(yè)(肌苷酸、肌苷等)維生素發(fā)酵工業(yè)(維生素C、維生素B等)2.食品工業(yè)(酒、醬、醬油、醋、腐乳、面包、酸乳等)3.有機(jī)溶劑發(fā)酵工業(yè)(酒精、丙酮、丁醇等)4.農(nóng)牧業(yè)微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè)(酵母、單細(xì)胞蛋白等)生物農(nóng)藥（蘇云金桿菌的伴胞晶體）細(xì)菌肥料（固氮菌）5.微生物環(huán)境凈化工業(yè)(利用微生物處理廢水、污水等)6.生物能工業(yè)(沼氣、纖維素等天然原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等，能源物質(zhì))（二）發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展前景1.利用基因工程技術(shù)，人工選育和改良菌種2.結(jié)合細(xì)胞工程技術(shù)，用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)3.應(yīng)用酶工程技術(shù)，將固定化酶或細(xì)胞廣泛應(yīng)用于發(fā)酵與釀造工業(yè)4.改進(jìn)發(fā)酵設(shè)備5.發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白6.加強(qiáng)代謝研究，進(jìn)一步搞好代謝控制，開發(fā)更多代謝產(chǎn)品1.利用基因工程技術(shù)，人工選育和改良菌種

通過基因工程技術(shù)可產(chǎn)生帶有目的基因的受體細(xì)胞，具有我們所希望的新的遺傳性能和生產(chǎn)性能，這是常規(guī)育種方法無法做到的。許多傳統(tǒng)的發(fā)酵工程產(chǎn)品如檸檬酸、青霉素等都已開始采用基因工程手段進(jìn)行菌種改造，大大地提高了產(chǎn)量。在以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品中，醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品占75％左右2.結(jié)合細(xì)胞工程技術(shù)，用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞原生質(zhì)體融合技術(shù)使動(dòng)植物細(xì)胞的人工培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。動(dòng)植物細(xì)胞有產(chǎn)生很多微生物細(xì)胞所不具備的特有的代謝產(chǎn)物，進(jìn)行動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)，就能生產(chǎn)這些特有物質(zhì)。紫草、三七等等植物細(xì)胞已可在發(fā)酵罐種大規(guī)模培養(yǎng)。我國的傳統(tǒng)中藥涉及5000種左右植物，細(xì)胞培養(yǎng)是中藥資源開發(fā)的一個(gè)重要方面。3.應(yīng)用酶工程技術(shù)，將固定化酶或細(xì)胞廣泛應(yīng)用于發(fā)酵與釀造工業(yè)可大大簡化提取純化工藝；固定后穩(wěn)定性得以提高；作為生物催化劑使用。4.改進(jìn)發(fā)酵設(shè)備

生化反應(yīng)器生物傳感器5.發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

由于微生物的代謝方式各種各樣，各種資源都可以利用，而且微生物繁殖速度驚人，比動(dòng)物要快上百倍。因此，發(fā)展單細(xì)胞蛋白不失為一種解決廢水廢料、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約糧食資源的好方法。6.加強(qiáng)代謝研究，進(jìn)一步搞好代謝控制，開發(fā)更多代謝產(chǎn)品由于生物代謝的多樣性，至今研究透徹的僅為代謝途徑中的一小部分，搞清更多的代謝途徑，搞清