《发酵工程》总体介绍

一、《发酵工程》总体介绍二、本课程拟讲述内容三、本课程第一讲一、《发酵工程》总体介绍发酵原理第一章绪论第二章发酵过程的生物学基础：细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等第三章发酵过程的生物化学基础：糖代谢，脂肪代谢，蛋白质代谢、氨基酸代谢等。发酵工程技术第四章培养基及其设计、制备、优化第五章培养基的灭菌及设备第六章空气除菌的工艺及设备第七章生产菌种的扩大培养及保藏第八章发酵过程的工艺控制及有关参数的检测第九章发酵设备第十章发酵动力学第十一章工业发酵的染菌及防治第十二章发酵产品的提取、精制工艺及设备生产实例第十三章传统发酵第十四章基因工程菌发酵第十五章固态发酵第十六章固定化细胞发酵上游原料原料处理培养基的配制、设计与灭菌菌种的选育保藏菌种种子制备发酵培养空气空气除菌无菌空气下游发酵液预处理初步纯化精制加工成品工艺、设备、传统、现代菌种筛选摇瓶种子种子罐种子发酵罐生产有关参考书发酵工程原理（肖冬光）中国轻工业出版社2004.7发酵工程原理与技术（李艳）高教出版社2007.1曹军卫主编微生物工程科学出版社2002.8生物工艺学（俞俊棠唐孝宣）华东理工大学出版社发酵工艺原理（熊宗贵）中国药科大学出版社发酵工程与设备轻工出版社生物工程设备（梁世中）轻工出版社微生物工程（焦瑞身）化学工业出版社PrinciplesofFermentationTechnology(StephenJ.Hall,PeterF.Stanbury&AllanWhitaker)二、本课程拟讲授的内容第一章绪论：基本概念，有关背景。第二章工业微生物：工业微生物的特点和要求，分离、选育、保藏方法。第三章微生物发酵培养基：发酵培养基的组成，常用的原料，发酵培养基优化与设计的思路。第四章培养基的灭菌：大生产发酵培养基灭菌的方法、原理，灭菌的影响因素。第五章空气除菌：空气除菌的原理、方法、设备，空气除菌介质。第六章种子的制备：实验室（菌种室）、生产种子的制备，种子的影响因素、质量控制。第七章发酵设备介绍：好氧、厌氧等发酵罐介绍第八章发酵过程的工艺控制：控制的目的、方法，温度等参数对发酵的影响及调控。第九章发酵生产染菌的防治：染菌的危害，防治方法。第十章微生物培养过程的参数检测：发酵参数的类型，各类参数的检测方法第十一章发酵工程下游技术：基本情况介绍第十二章发酵生产实例：多种类型发酵产品的生产机制，工艺流程。第一讲（2011.9.7）第一章绪论第一节发酵工程的定义、特点第二节发酵工程的发展历史第三节发酵工业的应用第四节发酵工程的发展趋势第一章绪论第一节发酵工程的定义、特点1、定义：1.1何为发酵？狭义定义广义定义来源拉丁语“Fervere”“Fermentation”用于描述果汁或谷物中的糖在缺氧条件下降解而产生二氧化碳所引起的“发泡”现象。生物化学或生理学上发酵是以有机物作为电子受体的生物氧化产能反应。工业上发酵泛指利用微生物细胞代谢生产某些产品或微生物细胞的过程。1.2发酵工程:利用微生物的性状和机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品或为人类服务的过程。如抗生素、酒类、有机酸、基因工程药物等的生产。发酵过程是以微生物反应为核心的，因此，发酵工程又被称为微生物工程。1.3生物工程：生命科学应用于产业方面，称为生物工程学。也就是利用生物体（生物作用剂：微生物、动物细胞、植物细胞等）的机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。生物工程包括：发酵工程、酶工程、基因工程、细胞工程。发酵工程与生物工程的关系发酵工程是生物工程的重要组成部分，在生物工程中处于中心地位。无论是从微生物得到酶或用基因工程菌获得产品都必须依赖发酵工程技术。发酵工程的发展直接影响生物工程的进一步发展。2、发酵工业的一般特点：2.1生产所用原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物（可再生资源）为主，辅料包括一定的无机或有机氮源和少量无机盐。2.2微生物生化反应过程能通过微生物代谢活动完成，因而产品在发酵设备中一次合成,从而获得某些具有一定经济价值的物质。2.3微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。2.4微生物能进行氧化、还原、官能团导入等转化反应。从而获得更大经济价值的物质。发酵工程与化学工程、生化工程的比较工业发酵的过程是依靠微生物细胞生命活动获得目的产物的过程，从根本上区别于化学合成工业和生化工业。在工业化学过程中没有生物活性物质参与催化。工业生化过程属于由酶催化的体外酶反应过程，酶具有生物活性。当酶失活、辅酶耗尽，过程就停止了。第二节发酵工程的发展历史1、自然发酵时期（传统发酵技术，从史前到19世纪）人类利用微生物的代谢产物已经有几千年的历史了。5,000-6,000BC，古埃及人熟悉酒、醋、奶酪的生产方法。2000BC，古希腊人、古罗马人已会酿造葡萄酒。4,000-5000BC，中国制曲酿酒。2,000BC酿制出葡萄酒，1,000BC中国开始制醋。人们对发酵的认识及发酵的发展只有200多年的历史！从史前到19世纪，人们对发酵的本质不了解，“自然发生说”盛及一时，此阶段一般都是手工作坊，谈不上发酵工业。产品简单，质量不稳定。国外：啤酒、葡萄酒等国内：酱油，米酒，醋等。2、纯种培养技术的建立（1872年—）虽然17世纪就发现了微生物的存在，但是没有把微生物与发酵联系起来。Leeuwenhoek在1683年寄给英国皇家协会信的部分内容。（A和B代表杆菌，C和D表示菌体运动的轨迹，E代表球菌F代表长杆菌，G代表螺旋菌，H代表一簇球菌）直到1859年Pasteur以著名的Pasteur实验，证明发酵是由于微生物的作用，揭开了发酵的秘密，彻底否定自然发生说。巴斯德的雁颈瓶实验在此基础上，以Koch为杰出代表科学家们创立了加热灭菌和纯培养技术，在微生物的发酵史上产生突破性的进展。1881年RobertKoch提出科赫定律，并完成了细菌的纯培养法（获1905年诺贝尔奖）1878年HanSen建立酵母的纯培养法1872年Brefeld创立了霉菌的纯培养法1897年Buchner(德国人)发现了酶（Enzyme酵母中）(a)伟大的微生物学家科赫(RobertKoch)；(b)科赫的研究工具。钟罩(A)用来培养微生物，照相设备(B)、显微镜(C)、染料和其它化学试剂(D)。划线法获得单菌落此阶段人类开始开始对发酵有所认识，发酵技术从天然发酵转变为纯培养发酵，控制微生物发酵的过程。提高发酵的质量和水平，提高产品的稳定性和纯度。主要产品：一些厌氧发酵和表面固体发酵产生的初级代谢产物。酒精、丙酮丁醇、有机酸、酶制剂等3、通风搅拌发酵技术的建立（1943年—）1928年Fleming(英国人)发现了——青霉素（Penicillin）1940年Florey,Chain两博士分离得到青霉素二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，急需药品青霉素的发现，迅速形成工业大规模生产。1941年美国和英国科学家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，收率：35%，1kg20%纯度的青霉素需8000个培养瓶。1943年由科学家和化学工程工作者参与开创深层发酵（Submergedfermentation）（5m3发酵罐，200u/ml）。同时，反映生物与化工两大学科相交叉的新学科：生物化学工程诞生了。从而推动抗生素工业及整个发酵工业的发展，随后链霉素、金霉素、新霉索、红霉素等好氧发酵相继投产。（当今：青霉素100m3─200m3，5-7万u/ml）此阶段：建立以青霉素为先锋的抗生素发酵工业，建立了一套完整的深层好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法，使好氧发酵走上大规模、工业化的道路。我国1953年在上海（现在为上海三药厂）开始生产抗生素。4、代谢控制发酵技术（1950年—1960年）抗生素工业的迅速发展促进了其他发酵产品的生产，20世纪50年代氨基酸发酵工业引进了“代谢控制发酵技术”即将微生物通过人工诱变，获得代谢发生改变的突变株，在控制条件下，有选择性地大量生产某种人们需要的产品。这项技术也被用于核苷酸、有机酸和抗生素的生产中。代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。5、现代生物技术的发展（1970年—）1953年，沃森和克里克通过对DNA的X射线衍射图片的分析，提出了DNA双螺旋结构模型。不久又提出了DNA半保留复制原则沃森和克里克与DNA双螺旋模型1974年Boyer和Cohen：实现了基因转移，启开了基因工程技术的大门。1977年Boyer：基因操作与克隆技术，构建出高表达的基因工程菌，使微生物产生自身不能产生的外源蛋白。很快形成了产品，如：胰岛素、生长激素、细胞因子等众多基因工程药物。基因工程菌的发酵产物层出不穷，发酵技术有了突飞猛进的发展。一大批自然微生物不能生产的生物制品问世。第三节发酵工业的应用：发酵工程技术已给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力，解决了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。1.酿酒工业：啤酒、葡萄酒、白酒等2.食品工业：主食品，副食品，调味品，乳制品。面包、腐乳、酱、酱油、醋、酸乳、色素等3.有机溶剂发酵工业：酒精、丙酮、丁醇、甘油等4.抗生素发酵工业：青霉素、链霉素、土霉素等5.有机酸发酵工业：柠檬酸、葡萄糖酸、乳酸等6.酶制剂发酵工业：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等7.氨基酸发酵工业：谷氨酸、赖氨酸、精氨酸等8.核苷酸类物质发酵工业：肌苷酸、肌苷、鸟苷酸等9.生理活性物质发酵工业：维生素、激素、免疫抑制剂等10.微生物菌体蛋白发酵工业：活性干酵母（ADY）、单细胞蛋白（SCP）、活性乳酸菌等11.微生物农药与微生物肥料：细菌杀虫剂、生物除草剂、钾细菌等12.微生物环境净化工业：利用微生物处理废水、污水等13.生物能工业：沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等，能源物质14.微生物冶金工业：利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等15.转基因产品:利用基因重组技术将动、植物细胞的基因转入微生物，通过微生物生产动、植物细胞的产品。产品有胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗、单克隆抗体等。第四节发酵工程的发展趋势1、基因工程技术：改造传统的微生物工业，对生产菌进行基因重组、转殖，使其高产。生产转基因产品。2、微生物资源的开发：制药微生物的开发，环境生物工程微生物的开发，新能源微生物的开拓。3、发酵过程优化与控制：微生物生长、反应的计量、反应动力学、生物反应器工程。4、生物分离新技术：新设备、新材料、新技术。第二章：生产菌种的来源、选育、保藏一、工业生产菌种的要求及其特性二、自然界中生产菌种的来源三、菌种的选育、分子育种四、菌种的保藏与复壮第一节工业上生产菌种的要求及种类1、工业化菌种的要求：发酵工程的目的产物有多种类型，所使用的微生物菌种是多种多样的，但用于大规模发酵生产的菌种，不论是野生菌种，还是突变株，或是基因工程菌株，应该具备如下基本特性：1.1能够利用廉价的原料，简单的培养基大量高效地合成产物。1.2遗传性能要相对稳定，不易变异退化，保证发酵生产和产品质量的稳定性。1.3不易感染它种微生物或噬菌体1.5在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近的副产物及其他产物。1.6生长繁殖能力强，有较高的生长速率，发酵生产的周期较短。1.4产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）2、工业上常用微生物的种类及功能2.1细菌(Bacteria)2.1.1醋酸菌(Acetobacter)：醋单胞菌:发酵产物为乙醇→醋酸，葡萄糖→葡萄糖酸醋酸杆菌:发酵产物醋酸→水+二氧化碳2.1.2乳酸菌(Lactobacteriaceae):乳球菌:发酵产物为酸奶、泡菜、调味品等乳杆菌:发酵产物为酸奶、乳酸等2.1.3大肠杆菌(Escherichiacoli.)基因工程重要的宿主菌，食品及公共卫生的指标菌，发酵产物为谷氨酸脱羧酶、天冬酰氨酶2.1.4芽孢杆菌(Bacillus)枯草芽孢杆菌：发酵产物为淀粉酶、中