发酵工艺学讲稿2015.

《发酵工艺学》倪孟祥张艳锋生命科学与技术学院微生物制药教研室Email:[e-mail]2015.3一、教材：何建勇主编《发酵工艺学》二、参考书以及文献：生物工艺学：储炬主编。生物工程学报食品与发酵工业中国抗生素杂志微生物学学报应用微生物学杂志BioengineeringandBiotechnology第一章绪论一、生物技术与生物工程1生物技术（Biotechnology）------是应用自然科学以及工程学的原理，依靠生物作用剂（biologicalagents）的作用将物料进行加工，以提供产品或为社会服务的技术。------是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程（包括医药卫生、能源及农业的产品）以及环境保护的技术。------是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术。------是生物系统或生物过程的工业利用。特点：（1）多学科、综合性的科学技术（2）有生物催化剂的参与目的：是建立工业生产过程或进行社会服务。生物技术的多学科性生物学、化学、工程学、医学、药学、农学等。化学生物学生化生物工程生物技术化学工程工程学2生物工程（bioengineering）一般是指医学工程、环境工程、卫生工程、农业工程、仿生工程、人体功能工程等的总称。物理过程与生物学的结合。3生物化学工程（biochemicalengineering）运用化学工程的原理和方法，对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科。生物技术工程基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品发酵工程──利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品化学工程生物化工生物加工行业传统生物技术现代生物技术基因工程菌发酵二、生物反应过程的特点生物反应过程：（1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备(3)生物反应器及反应条件的选择（4）产物的分离纯化特点（1）常温、常压（2）原料来源丰富、价廉（3)生产设备简单(4)酶反应过程和发酵过程各具特点。三、生物技术的发展简史1传统（古老）的生物技术2第一代（初期）生物技术产品的出现：19世纪末--------20世纪30年代3第二代（近代）生物技术产品的发展：20世纪40年代4第三代（现代）生物技术产品的出现发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用,前体、终产物、副产物等近代转折点：基因、动物、海洋发酵工程的重大转折点二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml1943年沉浸培养：5m3───200u/ml当今：100m3─200m3───5-10万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：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制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础大型发酵罐搅拌装置180M3发酵罐车间大型空气压缩机发酵车间的空气过滤器20世纪70年代细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能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或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护动物细胞反应器细胞大规模培养技术细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题21世纪是生物技术世纪未来学家说：21世纪是生物技术世纪；科学家预言：21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。现代生物技术：以基因工程为主导，发酵工程为中心，加上酶工程、细胞工程、蛋白质工程等的一个综合体系。主要包括：重组DNA技术、原生质体技术、突变生物合成、组合生物合成、单克隆抗体、组织培养技术。具体：开发新产品、改造现有生产菌种、代谢途径工程、生物转化、诊断药物的研制及治疗药物的研制、基因治疗、转基因动物和转基因植物等。四、发酵以及发酵工业的范畴1.发酵（fermentation）原始定义现代含义：是指利用培养微生物来制得产物的需氧或厌氧的任何过程。2.发酵工业的范畴（1）微生物菌体发酵（2）微生物酶的生产（3）微生物代谢产物发酵：初级代谢产物和次级代谢产物（4）微生物转化发酵（5）工程菌发酵（6）动植物细胞发酵五、发酵工艺的培养方法和过程（一）培养方法：1.表面培养法2.深层培养法（二）生产过程1.菌种制备2.种子制备3.发酵4.下游处理六、发酵工业的现状及发展趋向发酵工程在生物技术产业发展中的地位21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么样的格局？作为工业生物技术核心的发酵工程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状态？能起何种作用？又面临那些课题？这是人们所关注的问题！小结1.发酵的定义，发酵工业的范畴2.生物工程和生物技术的特点3.生物反应过程的一般特点4.发酵工程的发展简史5.发酵过程的一般方法本课程的学习内容通过《发酵工艺学》的学习，将技术基础课和专业课与发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物技术的有关科研和生产打下良好的基础。•此外，发酵工程的最基本问题是过程优化与放大，通过本课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解。第八、九章微生物代谢产物的生物合成与调控微生物的3个重要特点：1.比表面积大2.及其多样化的代谢反应3.容易适应多种环境条件两类代谢产物：初级代谢产物次级代谢产物初级代谢和次级代谢的关系：1.生化代谢（1）具有一个共同的中间体（2）次级代谢产物很多是以初级代谢产物为母体衍生来的葡萄糖碳架掺入途径：链霉素、卡那霉素莽草酸途径：氯霉素、新生霉素与核苷有关的途径：杀结核菌素聚酮体和聚丙酸途径：四环素、制霉菌素、灰黄霉素由氨基酸衍生的途径：青霉素、头孢菌素甲羟戊酸途径：赤霉素其他复合途径：博雷霉素、大环内酯类（3）两个代谢途径中所涉及的酶不完全相同（4）都受到菌体代谢的调节，相互交错。2.遗传代谢（1）都受到核内遗传物质DNA的调节控制（2）次级代谢产物还受到与初级代谢产物合成无关的遗传物质的控制。第一节微生物初级代谢产物的生物合成与调控一、微生物生物合成的初级代谢产物二、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制代谢调控的类型主要有：酶活性的调节，酶合成的调节。（一）酶合成的调节1.酶合成的诱导调节组成酶和诱导酶底物的结构类似物诱导顺序诱导2.酶合成的阻遏降解酶：诱导和分解代谢产物调节合成酶：反馈调节（1）分解代谢物调节：葡萄糖效应（2）反馈阻遏：单一终产物阻遏、多价阻遏、累加阻遏3.酶合成诱导及阻遏的调节机制：操纵子学说4.分解代谢产物阻遏机制（二）酶活性的调节1.酶活性的激活2.酶活性的抑制包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈抑制：（1）协同反馈抑制（2）累积反馈抑制（3）增效反馈抑制（4）顺序反馈抑制（5）同功酶调节3.酶活性的调节的机制：调节酶学说（变构酶学说/别构酶学说）（三）能荷调节能荷（%）=×100%三、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制的实际应用][][][][2/1][AMPADPATPADPATP第二节微生物次级代谢产物的生物合成与调控一、微生物合成的次级代谢产物的基本特征1.次级代谢产物具有种的特异性2.产生菌生长周期可分为三个时期3.次级代谢产物大多是结构相似的混合物4.次级代谢产物的合成受多基因控制二、次级代谢产物的构建单位前体1.短链脂肪酸与聚酮体内酯环（大环内酯类）、四环类、蒽醌环2.甲羟戊酸赤霉素、生物碱等3.糖类和氨基酸大环内酯4.非蛋白氨基酸D-氨基酸、N-甲基氨基酸、脱氢的和B-氨基酸5.环多醇和氨基环多醇氨基糖苷类三、次级代谢产物生物合成的主要调控机制（一）酶合成的诱导调节（二）反馈调节1.自身反馈调节抑制抗生素自身合成需要的抗生素浓度与产生菌的生产能力成正比关系。2.前体物质的自身反馈抑制缬氨酸的反馈作用3.支路产物的反馈抑制赖氨酸和青霉素的合成4.次级代谢产物的自身反馈调节（三）磷酸盐的调节0.3~300mmol/L生长10mmol/L表现出抑制1.促进初级代谢，抑制菌体的次级代谢2.抑制次级代谢产物前体的生物合成3.阻抑次级代谢中的磷酸酯酶4.ATP的调节5.对次级代谢产物生物合成的调节机制（四）碳分解产物的调节作用及机理（五）氮分解产物的调控1.次级代谢产物生物合成酶的合成2.铵能调节糖代谢中的某些酶的活性3.铵能调节某些氨基酸的合成4.铵能调节产生菌的淀粉酶和蛋白酶的活性（六）产生菌生长速率的调节（七）溶解氧的调节作用小结1.基本概念2.酶调节的机制3.次级代谢产物调节的特点。第二章菌种选育理论与技术利用工业微生物发酵生产的过程中，决定生产水平高低最主要的有三个方面的因素：生产菌种，发酵工艺和后提取工艺。其中最重要的是生产菌种。菌种选育的最初目的是改良菌种的特性，使其符合工业生产的要求。菌种选育的目的提供分子遗传学研究材料研究抗生素生物合成调控的机理科研分析抗生素生物合成途径获得带遗传标记的菌株了解菌种遗传背景菌种选育的目的产生新的生物活性物质改变产品组分、改进质量抵抗不良环境生产简化生产工艺条件，缩短生产周期适应新的原材料提高产量菌种选育的基本内容根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及用人工方法引起菌种变异或形成新的杂种，再按照工业生产的要求进行筛选来获得新的变种或杂种。菌种选育技术自然选育、诱变育种等方法属于经验育种的范畴；原生质体技术、杂交育种、分子生物学方法等现代菌种选育技术。第一节自然选育自然选育是一种纯种选育的方法。它利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过分离，筛选排除衰退型菌株，从中选择维持原有生产水平的菌株。一、自然选育的目的1.纯化菌种2.防止菌种衰退3.稳定生产4.提高产量一、菌种退化与变异原因1．菌种遗传特性的改变（1）遗传