1、第一節(jié) 發(fā)酵工程的特征,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)化的重要環(huán)節(jié)。它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機地結(jié)合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。又稱為微生物工程。 目前，人們把利用生物細胞的生命活動來制備目的產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。,發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容,（一）發(fā)酵工程的概念 采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或者直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種新技術(shù)。,發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容,（二）發(fā)酵工程的內(nèi)容 菌種的選育 培養(yǎng)基的配制 滅菌 擴大培養(yǎng)和接種 發(fā)酵過程 產(chǎn)品的分離提純等,菌種的選育,要想通過發(fā)酵

2、工程獲得在種類、產(chǎn)量和質(zhì)量等方面符合人們要求的產(chǎn)品，最重要的是要有優(yōu)良的菌種。,怎樣才能得到優(yōu)良的菌種呢？,如果生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物,可以從自然界中先分離出相應(yīng)的菌種，再用物理或化學(xué)的方法使菌種產(chǎn)生突變，從突變個體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。,如果生產(chǎn)的是一般微生物不能合成的產(chǎn)品,可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構(gòu)建工程細胞或工程菌，從而達到生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的,培養(yǎng)基的配制,要進行發(fā)酵生產(chǎn)，有了優(yōu)良的菌種還需要有與菌種相適應(yīng)的培養(yǎng)基。在配制培養(yǎng)基時應(yīng)該注意哪些事情呢？ （1）根據(jù)不同的菌種，應(yīng)選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。配制的培養(yǎng)基應(yīng)滿足微生物在碳源、氮源

3、、生長因子、水、無機鹽等方面的營養(yǎng)要求，并為微生物提供適宜的pH。 （2）培養(yǎng)基的營養(yǎng)要協(xié)調(diào)，以利于產(chǎn)物的合成。 （3）培養(yǎng)基在滿足微生物的營養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量降低生產(chǎn)成本，以得到更高的經(jīng)濟效益。,滅菌,發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發(fā)酵過程中不能混入雜菌。這是為什么呢？ 在發(fā)酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關(guān)系，對發(fā)酵過程造成不良影響。 例如：如果在谷氨酸發(fā)酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。如果在青霉素生產(chǎn)過程中污染了雜菌，這些雜菌則會分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。,滅菌,那如何防止雜菌的污染呢？ 要在發(fā)酵前對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)施

4、進行嚴(yán)格的滅菌處理。 怎樣才算滅菌徹底呢？ 用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢和孢子。,擴大培養(yǎng)和接種,如何得到發(fā)酵生產(chǎn)所需要的大量菌體來縮短生產(chǎn)周期呢？ 經(jīng)過多次的擴大培養(yǎng)。 如何對菌種進行擴大培養(yǎng)呢？ 擴大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對數(shù)期的菌體分開，分頭進行培養(yǎng)，以促使菌體數(shù)量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。,擴大培養(yǎng)和接種,擴大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)有何不同呢？ 擴大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時期內(nèi)快速增殖，而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。 例如：在酒精發(fā)酵過程中，擴大培養(yǎng)是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發(fā)酵產(chǎn)生酒精的過程

5、中則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精 有了用于生產(chǎn)的充足的菌體，在接種時要注意什么事項呢？ 接種過程中要注意防止雜菌污染。,發(fā)酵過程,將菌體接種到裝有培養(yǎng)液的發(fā)酵罐中，還需要對發(fā)酵過程進行檢測和對發(fā)酵條件進行控制。這是為什么呢？ 發(fā)酵產(chǎn)物主要在菌體生長的穩(wěn)定期產(chǎn)生。因此，要在發(fā)酵過程中隨時取樣檢測培養(yǎng)液中細菌數(shù)目、產(chǎn)物濃度以了解發(fā)酵進程，及時添加必需的培養(yǎng)基成分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物。同時，還應(yīng)對發(fā)酵條件進行嚴(yán)格控制。,發(fā)酵過程,哪些條件能影響菌體的發(fā)酵呢？ 發(fā)酵生產(chǎn)中溫度、pH、溶氧量、轉(zhuǎn)速等對發(fā)酵過程有重大影響。,分離、提純,代謝產(chǎn)物 采用過濾、沉淀等方法將菌

6、體從培養(yǎng)液中分離出來 菌體本身，如酵母菌和細菌等 采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行提取。,二、發(fā)酵技術(shù)的特點,1.多個反應(yīng)過程可在發(fā)酵過程中一次完成； 2.反應(yīng)通產(chǎn)在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設(shè)備很簡單； 3.原料來源廣泛，可再生； 4.可特異性地進行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)； 5.要求無菌操作。,第二節(jié) 發(fā)酵工程的發(fā)酵簡史,天然發(fā)酵時期 純培養(yǎng)技術(shù)的建立 深層培養(yǎng)技術(shù)的建立 代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立 發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)變 基因工程引入發(fā)酵工程,2020/8/4,16,第一階段,傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術(shù)天然發(fā)酵階段(natural fermentation stage),特點：1.靠自然發(fā)酵 2.歷史悠久 3

7、.經(jīng)驗豐富 4.工藝獨特,2020/8/4,17,谷物淀粉,曲水解,糖液,酵母,各類風(fēng)味特殊的曲釀酒,釀酒制醋是人類最早掌握的發(fā)酵技術(shù)之一,2020/8/4,18,第二階段,純種培養(yǎng)技術(shù)的成熟初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段(production stage of primary metabolites),1680年，荷蘭人Leeuwenkoek首次在雨水和醋中觀察到大量活著的微動體，宣告微生物的存在。,1857年，發(fā)酵學(xué)之父法國人Pasteur首次證明酒精發(fā)酵是由酵母菌引起，發(fā)酵現(xiàn)象是微生物所進行的化學(xué)反應(yīng)。,德國人Koch首先應(yīng)用固體培養(yǎng)基（先是明膠，后改后瓊脂），以后Petri又創(chuàng)造了培養(yǎng)皿。這一階

8、段，發(fā)明了單種微生物的純培養(yǎng)技術(shù)，使得微生物也可按林奈生物分類法進行分類。,2020/8/4,19,同時，Bunchner證明了酒精發(fā)酵過程是由酶催化的一系列化學(xué)反應(yīng)，從此近代微生物學(xué)和生物化學(xué)應(yīng)運而生了。,酵母汁,蔗糖,CO2,乙醇,20世紀(jì)初，人們認識到，生物化學(xué)領(lǐng)域中研究過的肌肉糖酵解作用，與微生物引起的乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵，在本質(zhì)上是相似的，于是將生物化學(xué)和微生物學(xué)彼此溝通起來。,2020/8/4,20,厭氧發(fā)酵產(chǎn)品：乳酸、酒精、丙酮-丁醇,好氧發(fā)酵產(chǎn)品：檸檬酸、面包酵母、淀粉酶、蛋白酶,1.生產(chǎn)過程簡單，對發(fā)酵設(shè)備的要求不高； 2.生產(chǎn)規(guī)模不大； 3.發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比原料簡單，屬于初級

9、代謝產(chǎn)物。,該階段特點：,2020/8/4,21,第三階段,通氣攪拌技術(shù)的成熟好氧培養(yǎng)階段(aerobic culture stage),1928年：英國Flemming首先發(fā)現(xiàn)青霉素,1941年：英國和美國合作開發(fā)青霉素,表面培養(yǎng)(surface culture)：1L的錐形瓶裝200ml培養(yǎng)液，發(fā)酵效價約40U/ml，提取純度20，收率約35，生產(chǎn)1kg 20純度(purity)的青霉素要用8萬個培養(yǎng)瓶。,2020/8/4,22,通氣攪拌發(fā)酵(agitated-aerated fermentation)：1943年研制出青霉素深層液體發(fā)酵(submerged fermentation)工藝

10、，包括5m3機械攪拌發(fā)酵罐(mechanical agitating fermenter)，通入無菌空氣和離心萃取(centrifugal extraction)、冷凍干燥(freeze drier)等，當(dāng)時發(fā)酵效價200U/ml，目前發(fā)酵效價已達到65000U/ml，提取純度為60，收率約75%。每5m3的發(fā)酵罐可生產(chǎn)60的青霉素0.75kg。,2020/8/4,23,在理論和實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，反映生物和化工交叉的學(xué)科生化工程(biochemical engineering)誕生。,至此，發(fā)酵工程在微生物學(xué)、生物化學(xué)和生化工程的三大學(xué)科基礎(chǔ)上迅速形成為一個完整的體系，進而促進了抗生素工業(yè)、

11、酶制劑工業(yè)和有機酸工業(yè)的大力發(fā)展。,2020/8/4,24,第四階段,代謝控制發(fā)酵技術(shù)的成熟,20世紀(jì)40年代以前，微生物學(xué)與孟德爾遺傳學(xué)完全無關(guān),紅色糖多孢菌、大腸桿菌和酵母菌易形成所需的生化缺陷型，不僅促進了遺傳學(xué)的發(fā)展，而且形成微生物遺傳學(xué)(microbial genetics)。,20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了以微生物的突變株發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸、核酸，通過遺傳突變有目的地控制微生物所具有的一系列代謝反應(yīng)途徑，即建立了代謝控制發(fā)酵技術(shù)。,對通氣攪拌生物反應(yīng)器改良，發(fā)展氣升式生物反應(yīng)器以便降低能耗，提高供氧，并減少染菌死角；研制出多種新型分離介質(zhì)，如新型樹脂材料、超濾等。,2020/8/4,25,本階

12、段特點：,1.對純種發(fā)酵和無菌操作要求嚴(yán)格； 2.規(guī)模巨大，攪拌發(fā)酵罐已達500m3，氣升式發(fā)酵罐為2000m3； 3.產(chǎn)品種類多，從初級代謝產(chǎn)物到次級代謝產(chǎn)物； 4.配套技術(shù)發(fā)展快速。,糧食 烷烴 農(nóng)副產(chǎn)品 天然氣 石油,第五階段,發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)變,2020/8/4,27,第六階段,基因重組技術(shù)的成熟現(xiàn)代生物技術(shù)階段,由于分子生物學(xué)的發(fā)展，建立了基因操作技術(shù)，打破了生物的壁壘，可人為地把特定的有用基因進行重組（微生物之間轉(zhuǎn)移基因，改造微生物基因）使微生物細胞合成由高等生物細胞才能生產(chǎn)的有關(guān)化合物，為新的發(fā)酵工藝打下基礎(chǔ)，如胰島素和干擾素的生產(chǎn)。,20世紀(jì)70年代細胞融合技術(shù)和固定化技術(shù)的發(fā)展為

13、發(fā)酵過程賦予新的生命力，新形成許多新的發(fā)酵過程，生物技術(shù)過程中的設(shè)備也得到提高和發(fā)展。,2020/8/4,28,本階段特點：,1.可生產(chǎn)動、植物和人類的多種生理活性蛋白，如胰島素、生長激素、細胞因子和多種單克隆抗體； 2.生物技術(shù)與其它學(xué)科交叉研究，如信息技術(shù)與生物技術(shù)的交叉，推動形成了生物信息學(xué)(biological information)的建立和生物芯片技術(shù)的發(fā)展； 3.生物技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、輕工食品、化工、能源和環(huán)境等領(lǐng)域。,第三節(jié) 發(fā)酵工程的應(yīng)用,在發(fā)達國家，發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的5%。在醫(yī)藥產(chǎn)品中，發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)值占20%。在醫(yī)藥、食品、化工、冶金、資源、能源

14、、環(huán)境等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。,發(fā)酵工程的應(yīng)用,（一）在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用 1.生產(chǎn)出了種類繁多的藥品 2.發(fā)酵工程對醫(yī)藥工業(yè)的一個重大貢獻 應(yīng)用發(fā)酵工程大量生產(chǎn)的基因工程藥品，有人生長激素、重組乙肝疫苗、某些種類的單克隆抗體、白細胞介素2、抗血友病因子等。,發(fā)酵工程的應(yīng)用,（二）在食品工業(yè)上的應(yīng)用 主要包括以下三方面。 第一，生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如啤酒、果酒、食醋等，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量得到明顯的提高。 第二，生產(chǎn)各種食品的添加劑。 第三，幫助解決糧食問題。,（三）發(fā)酵工程在能源工業(yè)中的應(yīng)用,1. 新型能源 2 石油開采 3.微生物電池 4.沼氣,（四）發(fā)酵工程在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用,化工原料（乙

15、醇、丙酮、丁醇） 生物表面活性劑；,（六）發(fā)酵工程在其他方面的應(yīng)用,農(nóng)牧業(yè)：生物固氮、生物殺蟲劑、微 生物飼料； 冶金工業(yè)和環(huán)境保護。,第三節(jié) 發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品類型,一、發(fā)酵生產(chǎn)類型 1.微生物菌體發(fā)酵（酵母、單細胞蛋白、藥用真菌、殺蟲劑等）； 2.微生物酶發(fā)酵（淀粉酶、糖化酶、氨基酰化酶、青霉素?；傅龋?； 3.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵（初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物）；,4.微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵：微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成更有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物。 5.生物工程細胞的發(fā)酵，是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細胞進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。,思考題,1. 什么是發(fā)酵工程？發(fā)酵工程

16、有哪些特征？ 2. 簡要說明發(fā)酵工程的應(yīng)用 3. 發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品類型？,初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物,在菌體對數(shù)生長期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級代謝產(chǎn)物。 在菌體生長靜止期，某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、植物生長因子等，這些產(chǎn)物與菌體的生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級代謝產(chǎn)物。,微生物發(fā)酵過程,根據(jù)微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼性厭氧），可以分為好氧性發(fā)酵、厭氧性發(fā)酵和兼性發(fā)酵三大類： （1）好氧性發(fā)酵，如檸檬酸發(fā)酵，谷氨酸發(fā)酵。 （2）厭氧性發(fā)酵，如乳酸發(fā)酵，丙酮、丁醇發(fā)酵。 （3）兼性發(fā)酵，如酵母菌卻氧

17、條件下發(fā)酵生產(chǎn)酒精，有氧條件下繁殖菌體。,一、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物,當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢：從野生菌轉(zhuǎn)向變異菌；從自然選育轉(zhuǎn)向代謝控制育種；從誘發(fā)基因突變轉(zhuǎn)向基因工程的定向育種。工業(yè)上常用的微生物是： （1）細菌 （2）放線菌 （3）酵母菌 （4）霉菌 （5）其他微生物 a 擔(dān)子菌 b 藻類,二、培養(yǎng)基,培養(yǎng)基是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基的成分和配比，對微生物的生長、繁育、代謝及產(chǎn)物的積累，甚至對發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)工藝都有很大的影響。,1、培養(yǎng)集的種類，依據(jù)其在生長中的用途，可將培養(yǎng)基分成： （1）孢子培養(yǎng)基，是供制備孢子用的 。 （2）種子培養(yǎng)

18、基，是供孢子發(fā)芽和菌體生長繁殖用的。 （3）發(fā)酵培養(yǎng)基，是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的。 2、發(fā)酵培養(yǎng)基的組成 （1）碳源 （2）氮源 （3）水 （4）生長因子 （5）無機鹽和微量元素 （6）產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進劑,三、發(fā)酵的一般過程,發(fā)酵工藝多種多樣，但基本上包括以下幾個過程： 1、菌種制備 2、種子擴大培養(yǎng) 是指將保存的生產(chǎn)菌種逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程。 3、發(fā)酵，是微生物合成大量產(chǎn)物的過程。 4、下游處理 發(fā)酵結(jié)束后，要對發(fā)酵液和生物細胞進行分離和提純精制，將發(fā)酵產(chǎn)物制成合乎要求的產(chǎn)品。,第三節(jié) 發(fā)酵操作方式及工藝控制,1、發(fā)酵的操作方式 （1）分批發(fā)酵，營養(yǎng)和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出。 （2）連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持穩(wěn)定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。其反應(yīng)器有攪拌罐式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器兩種。 （3）補料分批發(fā)酵，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方