微生物与发酵工程经典知识荟萃.

微生物本章内容一、发酵工程定义及在生物技术中的地位二、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何谓发酵？ferver：发泡、沸腾fermentation微生物的发酵现象－－请看下面现象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，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。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：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产物的无氧或需氧的任何过程侧重产品的生产：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。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。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。传统大型发酵工业的中央控制现代发酵工业的中央控制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。发酵工程是生物技术的应用基础，是生物技术产业的核心。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和包装技术等下游技术发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分析和控制等中游技术广义发酵工程对生物学和工程学的要求优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等），上游技术上中下游相互关联！生物技术体系生化工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品基因工程产品强调过程优化与控制（一）发酵工程发展简史1900以前自然发酵阶段1900—1940纯培养技术的建立1940—1950通气搅拌纯培养发酵技术的建立1950—1960诱变技术与代谢控制发酵技术的建立1960—1970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。自然发酵阶段主要是酿造工业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μABS0基质浓度对A、B两种菌的比生长速率（μ）的影响当SS0时，富集什么菌株？当SS0时，富集什么菌株？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。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代谢控制发酵技术的建立基于代谢途径及其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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。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）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生物炼制高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素高转化率：微生物代谢途径和过程条件高效率：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：技术综合及产业化技术集成环境友好：开发清洁生产技术发酵过程优化技术条件确定过程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发酵工程的基本过程1、菌种的选育要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。怎样才能得到优良的菌种呢？•如果生产的是微生物直接合成的产物可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。•如果生产的是一般微生物不能合成的产品可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的培养基的配制原则（1）目的要明确。（2）培养基的营养要协调（3）pH要适宜。2、培养基的配制成分酸碱度豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素PH为7—8谷氨酸发酵的培养基（液体、天然）2、培养基的配制密闭式发酵罐发酵罐3、灭菌竞争关系例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。3、灭菌用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。怎样才算灭菌彻底呢？将培养液投放到发酵罐中，98kPa的蒸汽进行灭菌4、扩大培养和接种扩大培养和连续培养有何区别？5、发酵过程（中心阶段）下图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响，其中不正确的是5、发酵过程（中心阶段）控制因素作用机理控制方法温度①影响酶的活性②影响生物合成途径③影响培养基的理化性质以及菌种对营养物质的分解吸收④影响微生物生长通过控制产热与散热的平衡来控制培养基的温度控制因素作用机理控制方法pH①影响酶的活性②影响细胞膜的带电情况，导致细胞膜通透性改变从而影响对营养物质的吸收和产物的排出③影响培养基营养物质的分解加入缓冲溶液，补加氨水、尿素、CaCO3、NH4HCO3等来控制pH控制因素作用机理控制方法溶解氧①促进需氧型微生物的呼吸②抑制厌氧型微生物代谢通过无菌空气的通气量和搅拌速度来控制控制因素作用机理控制方法泡沫①占据发酵罐的空间②影响通气、搅拌③导致代谢异常安装消泡沫挡板或用消泡沫剂营养浓度直接影响菌体的生长、影响代谢产物的积累、影响代谢途径根据具体情况及时控制6、分离提纯温度30-37◦C，pH7-8，经过28-32h，培养液中就会产生大量的谷氨酸——50-100g/L提取出谷氨酸用适量的Na2CO3溶液中和过滤浓缩离心→味精6、分离、提纯菌体本身，如酵母菌和细菌等采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来代谢产物采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。（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