发酵工程-第一章-总论.ppt

发酵工程发酵工程 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。发酵在人类生活中的作用？发酵在人类生活中的作用？食品工业食品工业 丰富饮食文化，提高生活质量。如调料、酒、多种保健丰富饮食文化，提高生活质量。如调料、酒、多种保健品。品。医药工业医药工业 抗生素、维生素、氨基酸、葡萄糖、胰岛素。抗生素、维生素、氨基酸、葡萄糖、胰岛素。化学工业化学工业 丙烯酰胺作为絮凝剂、土壤调节剂的配料，纸浆胶料；丙烯酰胺作为絮凝剂、土壤调节剂的配料，纸浆胶料；各种香料和长链脂肪酸等。各种香料和长链脂肪酸等。能源开发的新途径能源开发的新途径 纤维素纤维素 乙醇；废弃物乙醇；废弃物 沼气。沼气。第一章 总论 一、发酵的基本概念 二、发酵工业的沿革 三、发酵工业的特点与分类 四、发酵工业的生产流程2、发酵工程？、发酵工程？生物工程：以生物科学和生物技术为基础，结合化学工程、机械工程、控制工程、环境工程等工程科学，研究和发展利用生物体系或其中的一部分生产有益于社会的产品或达到一定社会目标的过程工程科学。生物工程的主要任务：促进和实现生命科学实验室成果向应用领域转化。生物工程的基础知识 基因工程基因工程 发酵工程发酵工程 酶工程酶工程 细胞工程细胞工程1、基因工程 利用基因体外重组技术，构建出新型的微生物菌株、培育出新的动植物品种或是使其具有优良性状。生物工程的研究领域 2、酶工程研究酶的分离、提纯，以及利用酶作为生物催化剂，实现化学转化，合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学。酶工程技术范围：自然酶的开发和生产、酶的分离纯化技术、酶的修饰改造技术、酶的固定化技术、酶反应器的开发。3、细胞工程以细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖，或通过人为改变，获得新个体或有用物质的过程（包含细胞融合、核移植、试管动物等技术）。发酵工程 发酵工程是利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在人工生物反应器人工生物反应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。产品 蛋白质、初级代谢产物、次级代谢产物 发酵工程？发酵工程？发酵工程发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1)有严格的无菌生长环境：包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程 酶酶 工工 程程发酵工程发酵工程 产产 品品生物工程各研究领域相互关系发酵工程是生物工程的重要组成部分发酵工程是生物工程的重要组成部分生物反应器生物反应器生物分离工程生物分离工程新性状菌株或细胞新性状菌株或细胞生物反应器 生物化学反应进行的场所，提供微生物最优生长、最优形成产物的可控系统和环境。生物分离工程 将生化反应与化学工程相结合，采用适当的分离纯化技术，使产品达到一定的纯度。3 3、发酵工程的组成、发酵工程的组成FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES从广义上的组成：上游工程、发酵、下游工程Fermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES-优良菌种的选育优良菌种的选育-最适发酵条件的确定最适发酵条件的确定-营养物的准备营养物的准备上游工程FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES-genetics,cell-inoculum development-media formulation-sterilization-inoculation上游工程FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。-无菌生长环境无菌生长环境-控制加料控制加料-种子培养和生产培养的工艺技术种子培养和生产培养的工艺技术 FERMENTATION Process Control发酵Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES-固液分离技术固液分离技术 -细胞破壁技术细胞破壁技术-蛋白质纯化技术蛋白质纯化技术-包装处理技术包装处理技术 下游工程 FERMENTATIONProcess Control从发酵液中分离纯化产品的技术Fermentation engineering-product extraction,purification&assay-waste treatment-by product recovery 下游工程 FERMENTATIONProcess Control从发酵液中分离纯化产品的技术二、发酵工业的历史沿革（了解）1天然发酵阶段 2纯培养技术的建立 3通气搅拌发酵技术的建立 4代谢控制发酵技术 5.基因工程阶段 6现代发酵工程技术1、天然发酵阶段 主要产品有各种饮料酒、酒精、酱、酱油、醋、干酪、酸乳及酵母等。特点：手工作坊或家庭式生产；非纯种培养；凭经验传授技术；产品质量不稳定；产品为厌氧发酵产品。二、发酵工业的沿革古罗马人搬运葡萄酒的情景（上）古罗马人搬运葡萄酒的情景（上）汉代砖刻上的酿酒图（汉代砖刻上的酿酒图（右上右上 ）战国时期的盛酒铜器和其中的酒战国时期的盛酒铜器和其中的酒（右）（右）2、纯培养技术的建立19世纪末到20世纪30年代 安东尼列文.虎克 路易巴斯德 柯赫 布赫纳(Buchner)汉逊(Hansen)l1680年，荷兰博物学家安东尼列文虎克发明显微镜（放大倍数170倍），人类历史上第一次看到大量活的微生物。安东尼列文虎克路易巴斯德l法国,路易巴斯德1822-1895年l彻底否定“自生说”学说l免疫学预防接种l证实发酵是由微生物引起的l提出巴斯德消毒法等l巴斯德也因此被人们誉之为“发酵之父”。利斯特柯赫l德国柯赫 1843-1910年l提出了柯赫法则l配制培养基技术l第一次分离得到微生物纯种单种微生物（细菌）的分离和纯培养技术单种微生物（细菌）的分离和纯培养技术 l1872年，英国的布雷菲尔德创建了霉菌纯培养技术；l丹麦的汉逊(Hansen)建立了啤酒酵母的纯种培 养方法。因此，人类开始了人为地控制微生物的发酵进程，从而使发酵的生产技术得到巨大的改良，提高了产品的稳定性。l l18971897年法国的年法国的布赫纳布赫纳l1907年获诺贝尔化学奖。l l发酵过程是由酶催化发酵过程是由酶催化的一系列化学反应。的一系列化学反应。布赫纳3、通气搅拌发酵技术的建立l 1928年英国细菌 学家弗莱明发现 青霉素。3、通气搅拌发酵技术的建立上世纪40年代初二战爆发的迫切需要，青霉素迅速形成工业大规摸生产。主要的技术进展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；通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题；严格控制培养温度、pH、通气量、营养物的供 给。大型发酵罐搅拌装置深层培养法和操作技术，除青霉素外，以后微生物各种酶制剂、柠檬酸、维生素、氨基酸和甾类化合物的发酵转化，都采用这种方法。4、代谢控制发酵技术代谢控制发酵代谢控制发酵 应用动态生物化学知识和遗传学理论选育微生物突变株，从DAN分子水平上，控制微生物的代谢途径，进行最合理的代谢，积累 大量的有用发酵产物的技术。目前比较成熟的技术：氨基酸的代谢控制发酵。天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸中间产物中间产物中间产物中间产物 中间产物中间产物中间产物中间产物甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸赖赖赖赖 氨氨氨氨 酸酸酸酸可以大可以大量积累量积累不能合成不能合成人工诱变的人工诱变的人工诱变的人工诱变的 菌种不能产生菌种不能产生菌种不能产生菌种不能产生人工控制黄色短杆菌生产赖氨酸人工控制黄色短杆菌生产赖氨酸5、基因工程阶段采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如胰岛素、干扰素等。发酵工程已经扩展到动植物细胞领域。传统发酵技术传统发酵技术传统发酵技术传统发酵技术 现代发酵技术现代发酵技术现代发酵技术现代发酵技术抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、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、生物肥饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料、基因工程菌发酵、基因工程药物、疫苗及料、基因工程菌发酵、基因工程药物、疫苗及料、基因工程菌发酵、基因工程药物、疫苗及料、基因工程菌发酵、基因工程药物、疫苗及抗体产品等抗体产品等抗体产品等抗体产品等酒、醋的酿造酒、醋的酿造酒、醋的酿造酒、醋的酿造发酵工业现代发酵工程现代发酵工程是以天然生物体和人工修饰的生物体为加工对象，集现代化高新技术为一体，生产产品或服务于人类社会的一种工程技术。现代发酵工业现代发酵工业发酵工程发酵工程现代发酵工程现代发酵工程操作对象操作对象微生物微生物天然微生物菌株、变异微生物菌株、基天然微生物菌株、变异微生物菌株、基因工程菌、动植物细胞株、细胞融合体因工程菌、动植物细胞株、细胞融合体无菌概念无菌概念排杂菌（单向）排杂菌（单向）生物体不逸出（双向）生物体不逸出（双向）培养装置培养装置发酵罐发酵罐新型生物反应器新型生物反应器思考题思考题1.什么是发酵?什么是发酵工程，发酵工业？2.生物工程都有哪些研究领域？他们的关系是 怎样的？2.现代发酵技术与传统发酵技术的区别是什么？发酵：发酵：利用生物细胞（含动物、植物和微生物），在合适的条件 下，经特定的代谢途径转变成所需产物或菌体的过程。发酵工程：发酵工程：利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在人工生物反 应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。发酵工业：利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工（生物化学反应过程），获得产品的工业。41History of applied microbiologyAncient timesfood preservation(vinegar,cheese)flavour(bread,soy sauce)brewing(beer,wine)1861 Louis Pasteurfirst phase industrial biotechnology1940 penicillin(Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicals42History of applied microbiology1973 rec DNA technology(Boyer&Cohen)1982 rec human insulin（胰岛素）胰岛素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）治疗剂）1990 rec bakers yeast1992 rec chymosine（凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)1、特点：、特点：l在常温常压下进行，操作条件温和，设备要求较低。l原料广泛，基本属于可再生生物资源。发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。三、发酵工业的特点与分类（熟悉）l反应以生命体的自动调节方式进行。由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。l投资少，见效快，具有经济和效能的统一性。l除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。l按获取能量能量：好氧发酵和厌氧发酵；l按发酵原料原料：糖质原料发酵和烃类原料发酵；l按产物产物类型：初级和次级代谢产物发酵，或为食品 发酵、有机酸发酵、氨基酸发酵、维生素发酵等；l按发酵状态状态：固态、液态、液体表面和液体深层发 酵；l按工艺类型工艺类型：批式发酵、半连续发酵和连续发酵等。2 2、发酵工业的分类、发酵工业的分类（了解）发酵工业简介发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白）环境工程（废物处理）其它（冶金工业）Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical(Antibiotics)Feedstuff(eg.SCP)Environmental Application (Waste Treatment)Others(eg.Metallurgical industry)1、原料预处理 2、培养基配制 3、发酵设备和培养基灭菌 4、无菌空气的制备 5、微生物菌种制备和扩大培养 6、发酵 7、发酵产品的分离和纯化四、发酵工业的生产流程发酵工业的生产流程空气空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化斜面活化扩大培养扩大培养种子罐种子罐主发酵主发酵碳源、氮源、无机碳源、氮源、无机盐等营养物质盐等营养物质灭菌灭菌产物分离纯化产物分离纯化成品成品菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验发酵工业的意义与展望发酵工业的意义与展望利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养固定化技术广泛应用开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸课后思考题课后思考题1.发酵工业的未来？2.发酵，发酵工业，代谢控制发酵技术？3.阐述完整的发酵工艺流程及发酵工业的范围？