1、1,發(fā) 酵 工 程,緒 論,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,2,本章內(nèi)容,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型 第三節(jié) 發(fā)酵工程的地位 第四節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史,3,第一節(jié) 概述,4,“發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。,基本概念,5,狹義 “發(fā)酵”的定義：在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是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，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用

2、產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時(shí)獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。,基本概念,6,廣義 “發(fā)酵”的定義：工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。,基本概念,7,“發(fā)酵工程”的定義：應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會性服務(wù)的一門科學(xué)。,基本概念,8,發(fā)酵工程的特點(diǎn),發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下

3、： 發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡單。 發(fā)酵所用的原料簡單粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養(yǎng)?；谶@一特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。,9,發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。 發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過濾外，反應(yīng)必須在無菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對發(fā)酵就會造成

4、更大的危害。因而維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。,發(fā)酵工程的特點(diǎn),10,由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。 微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。 工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。,發(fā)酵工程的特點(diǎn),11,按發(fā)酵原料來區(qū)分 糖類物質(zhì)發(fā)酵 石油發(fā)酵 廢水發(fā)酵,發(fā)酵的類型,12,按發(fā)酵形式來區(qū)分 固態(tài)發(fā)酵 深層液體發(fā)酵,發(fā)酵的類型,13,按發(fā)酵產(chǎn)物

5、區(qū)分 氨基酸發(fā)酵 有機(jī)酸發(fā)酵 抗生素發(fā)酵 酒精發(fā)酵 維生素發(fā)酵 酶制劑發(fā)酵,發(fā)酵的類型,14,按發(fā)酵工藝流程區(qū)分 分批發(fā)酵 分批補(bǔ)料發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵,發(fā)酵的類型,15,按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分 好氧發(fā)酵 厭氧發(fā)酵,發(fā)酵的類型,16,繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定； 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌； 培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中； 微生物在最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中生長； 產(chǎn)物提取和精制； 過程中排出的廢棄物的處理。,發(fā)酵過程的組成,17,典型的發(fā)酵過程示意圖,18,某種適宜的微生物 保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧，pH等） 進(jìn)行

6、微生物發(fā)酵的設(shè)備 提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備,發(fā)酵生產(chǎn)的條件,19,發(fā)酵工業(yè)范圍,傳統(tǒng)發(fā)酵(生物食品)產(chǎn)業(yè),生物健康食品業(yè),食用菌業(yè),乳酸菌飲料,泡 菜 業(yè),微 藻 業(yè),生物保健食品,生物食品添加劑及配料業(yè),酒 精 業(yè),維生素業(yè),酵 母 業(yè),藥膳真菌,生物釀造食品業(yè),啤 酒 業(yè),醬 油 業(yè),白 酒 業(yè),葡萄酒業(yè),黃 酒 業(yè),果露酒業(yè),食 醋 業(yè),醬 行 業(yè),腐 乳 業(yè),其 他,氨基酸業(yè),淀粉糖業(yè),有機(jī)酸業(yè),酶制劑業(yè),生物防腐劑,其 他,功能糖業(yè),功能肽業(yè),功能脂肪酸,生物色素,生物增稠劑,其 他,20,第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型,21,發(fā)酵產(chǎn)品的類型,22,工業(yè)生產(chǎn)的微生物體，可分

7、為二種： 供制備面包用的酵母； 作為人類或動物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞蛋白質(zhì)）。,菌體,23,工業(yè)上，曾由植物、動物和微生物生產(chǎn)酶。微生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而且與植物或動物相比，改進(jìn)微生物的生產(chǎn)能力也方便得多。酶的生產(chǎn)是受到微生物本身嚴(yán)格控制。為改進(jìn)酶的生產(chǎn)能力可以改變這些控制，如在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物和采用菌株的誘變和篩選技術(shù)，以消除反饋?zhàn)瓒糇饔谩?微生物的酶,24,微生物代謝產(chǎn)物-代謝產(chǎn)物的類別,初級代謝產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類和碳水化合物等。 次級代謝產(chǎn)物：有些微生物的穩(wěn)定期培養(yǎng)物中所含有的化合物，并不在營養(yǎng)期時(shí)出現(xiàn)，而且未見到對細(xì)胞代謝功能有明

8、顯的影響。例如，抗生素。,25,微生物代謝產(chǎn)物-初級代謝產(chǎn)物及其在工業(yè)上的用途舉例,26,微生物代謝產(chǎn)物-初級代謝和次級代謝間的關(guān)系,27,生物轉(zhuǎn)化過程-定義,生物細(xì)胞或其產(chǎn)生的酶能將一種化合物轉(zhuǎn)化成化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，但在經(jīng)濟(jì)上更有價(jià)值的化合物。 轉(zhuǎn)化反應(yīng)是催化脫氫、氧化、羥化、縮合、脫羧、氨化、脫氨化或同分異構(gòu)作用。,28,生物轉(zhuǎn)化過程-特點(diǎn),反應(yīng)條件溫和 (30-40，常壓，水相反應(yīng)) 反應(yīng)選擇性高 反應(yīng)產(chǎn)物純度高（包括光學(xué)純） 反應(yīng)底物簡單便宜（一般無毒、不易燃） 反應(yīng)收率主要取決于菌種的性能 設(shè)備簡單,29,第三節(jié) 發(fā)酵工程的地位,30,生物工程重要的組成部分,發(fā)酵工程( Fermenta

9、tion ) 酶工程 (蛋白質(zhì)工程) (Enzyme engineering & Protein engineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 細(xì)胞工程 ( Cell engineering ),31,生物質(zhì)原料,化學(xué)品 精細(xì)化學(xué)品 大宗化學(xué)品 食品添加劑 生物塑料 溶劑 酚類 粘合劑 脂肪酸 碳黑、顏料 燃料、香料、墨水 洗滌劑,生物能源 生物酒精 生物柴油 甲醇 氫氣 沼氣,發(fā)酵工程的地位-工業(yè)生物技術(shù)主要部分,32,第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史,33,發(fā)酵工程的過去發(fā)酵工業(yè)發(fā)展年鑒,由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展,抗菌素發(fā)酵工業(yè),34,代謝控制發(fā)酵技術(shù),組學(xué)技術(shù)

10、與發(fā)酵工程,發(fā)酵工程的過去發(fā)酵工業(yè)發(fā)展年鑒,35,1980-1990,1991-2000,2001-,生物醫(yī)藥,公 司 數(shù) 量,第一 次浪潮,第二 次浪潮,第三 次浪潮,轉(zhuǎn)基因植物,工業(yè)生物技術(shù),發(fā)酵工程的現(xiàn)在生物技術(shù)的三次浪潮,36,SG,C2,C3,C5,C6,C4,淀粉,半纖維素,纖維素,木質(zhì)素,油脂,蛋白質(zhì),碳水化合物,糖平臺 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖,熱化學(xué)平臺 生物合成氣,生 物 質(zhì),H2、甲烷 混合醇,衣康酸 乙酰丙酸,富馬酸 丁二酸 天冬氨酸 蘋果酸,檸檬酸 葡萄糖酸 山梨醇,乳酸、甘油 丙烯酸 3-羥基丙酸,乙醇、乙烯,資源問題：生活資料和生產(chǎn)資料生產(chǎn),發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決

11、的問題,37,Biodiesel cruise boat (Amsterdam, The Netherlands),Ethanol powered car (Sweden),Royal Nedalco truck at ethanol loading point (The Netherlands),Biodiesel filling station,Biodiesel-truck-loading (Germany),能源問題：大力開發(fā)生物能源,發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決的問題,38,Oil Consumption and Production in China,2009年進(jìn)口依存度已超過50%,我國石

12、油儲量只有全球的2%,Oil Reserves in China,舉例：開發(fā)生物能源,39,車用燃油占我國石油消費(fèi)總量的三分之一 車用燃油消耗每年遞增15-16% 2015年車用燃油消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到全國石油消費(fèi)量的65%,尋找性能相近、廉價(jià)、清潔、可再生的車用替代燃料,用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇、丁醇等！,舉例：開發(fā)生物能源,40,環(huán)境問題：解決復(fù)雜環(huán)境問題的最經(jīng)濟(jì)有效手段,異位生物修復(fù),原位生物修復(fù) 土著原位 工程原位,廢水生物處理工程,生物修復(fù),發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決的問題,41,1 微生物菌株選育 微生物菌株選育、改造與功能優(yōu)化技術(shù),工業(yè)環(huán)境與自然環(huán)境的巨大差異,微生物長期進(jìn)化的經(jīng)濟(jì)型生存本能

13、,發(fā)酵工程的障礙,微生物及其分子的適應(yīng)能力,微生物效率與產(chǎn)率,技術(shù)手段： 代謝組學(xué) 流量組學(xué) 代謝工程 生物信息學(xué) 高通量篩選,發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容,42,2 發(fā)酵工藝 發(fā)酵過程優(yōu)化、控制與反應(yīng)器技術(shù),優(yōu)化的目標(biāo)是創(chuàng)造最適合微生物或酶工作的環(huán)境 需要發(fā)展過程環(huán)境參數(shù)和微生物生理參數(shù)的在線監(jiān)測技術(shù),基于工業(yè)微生物生理的發(fā)酵過程模型化、預(yù)測和控制技術(shù) 基于人工智能的生物轉(zhuǎn)化過程精細(xì)控制技術(shù),發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容,43,3 單元操作 發(fā)酵工程過程工程技術(shù),細(xì)胞群體效應(yīng)及過程放大原理,多相復(fù)雜體系物質(zhì)和能量傳遞與生物轉(zhuǎn)化規(guī)律,生物過程單元耦合與過程優(yōu)化原理,1 大規(guī)模細(xì)胞群體行為及過程放大原理

14、,3 多相生化特性分析及生物過程模型化,2 生化反應(yīng)過程放大原理與方法,4 生物/化學(xué)方法耦聯(lián)設(shè)計(jì)與調(diào)控,5 工業(yè)生物過程單元耦合與集成,6 工業(yè)生物過程的系統(tǒng)控制與優(yōu)化,發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容,44,4 發(fā)酵產(chǎn)品分離提取工藝發(fā)酵產(chǎn)品高效提取技術(shù)與裝備,發(fā)酵罐,1、 提高產(chǎn)品收率 2、 降低生產(chǎn)成本,目標(biāo),生物反應(yīng)與產(chǎn)物分離的耦合技術(shù) 新型分離介質(zhì)和新型分離方法,發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容,45,利用微生物細(xì)胞或酶的生物催化功能，進(jìn)行大規(guī)模的物質(zhì)加工與轉(zhuǎn)化的先進(jìn)生產(chǎn)方式 針對高污染、高能耗的化學(xué)工業(yè)過程，以生物加工取代化學(xué)加工,5 廢物處理綠色制造工藝的開發(fā),采用酶技術(shù)等方法，改造造紙、皮革、

15、紡織、醫(yī)藥、食品等行業(yè),節(jié)約能耗、降低水資源消耗、降低污染物排放、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好過程,發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容,46,發(fā)酵工程的現(xiàn)在關(guān)鍵技術(shù)問題,1 微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物(產(chǎn)量)的條件是什么？,高產(chǎn)量 便于產(chǎn)品分離提取,關(guān)鍵問題,工程意義,2 底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(轉(zhuǎn)化率)的條件是什么？,糧食原料為底物 高轉(zhuǎn)化率 降低原料成本,3 微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的條件是什么？,分批操作為主 高生產(chǎn)強(qiáng)度 縮短生產(chǎn)周期,47,發(fā)酵工程的現(xiàn)在關(guān)鍵技術(shù)問題,基于細(xì)胞表觀特性進(jìn)行優(yōu)化,基于細(xì)胞內(nèi)部分析進(jìn)行優(yōu)化,高產(chǎn)量,高底物轉(zhuǎn)化率,高生產(chǎn)強(qiáng)度,優(yōu)化策略,在理論和技術(shù)上有突破,在工業(yè)生產(chǎn)中能廣泛

16、應(yīng)用 顯著提高發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性,48,舉例：丙酮酸發(fā)酵,Glucose,Pyruvate,Alanine,Acetaldehyde,Ethanol,Citrate,OAA,-KG,AcCoA,Pyruvate,OAA,B1： 硫胺素 NA： 煙酸 Bio：生物素 B6： 吡哆醛,光滑球擬酵母中丙酮酸代謝途徑,如何得到丙酮酸高產(chǎn)量發(fā)酵？-菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化,選育自身不能合成維生素的酵母(維生素缺陷型) 控制培養(yǎng)基中維生素濃度,Li Y ，Chen J ， Lun S. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001, 55:680-685, 57:471-479.

17、 Li Y, Chen J, Liang D, Lun S-Y. J. Biotechnol. 2000, 81:27-34,49,動力學(xué)分析,如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度？-分階段溶氧控制,50,高產(chǎn)量(89.4 g/L) 高產(chǎn)率(0.636 g/g) 高生產(chǎn)強(qiáng)度(1.95 g/(Lh),碳平衡分析,前16 h較高溶氧有利于碳流合成細(xì)胞；,采用單一高或低供氧模式，不能同時(shí)達(dá)到高轉(zhuǎn)化率和高生產(chǎn)強(qiáng)度！,16 h后耗氧速率恒定，碳流轉(zhuǎn)向合成丙酮酸,結(jié)果,如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度?-分階段溶氧控制,分階段溶氧控制！如何分階段？,Liming Liu,*Jian Chen. Bio

18、technology and Bioengineering, 2007, 97(4):825-832,Liming Liu, *Jian Chen. Journal of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185,51,發(fā)酵工程的現(xiàn)在,1 發(fā)酵工程是工業(yè)生物技術(shù)的主要部分，由于國家需求和社會發(fā)展，主要目標(biāo)已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題,2 發(fā)酵工程的技術(shù)內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展為緊密依靠生物學(xué)、工程學(xué)基礎(chǔ)研究的工程技術(shù),3 發(fā)酵工業(yè)與其它學(xué)科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué),52,生產(chǎn)規(guī)模大 醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一 抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一 維生素C、氨基酸(味精) 、有機(jī)酸(如檸檬酸）等產(chǎn)量世界第一 產(chǎn)品種類多 5000多家, 相關(guān)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值