发酵工程原理绪论课件.ppt

1、1.什么是发酵？什么是发酵？ferver：发泡、沸腾发泡、沸腾 fermentation微生物的发酵现象发酵现象的本质是什么？发酵现象的本质是什么？两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物）生生物物化化学学家家侧重能量代谢：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、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：进行：有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）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）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）能量）（2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能）

2、糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）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、无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。谢。指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传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给外源的无机氧化物(个别是有机氧化物个别是有机氧化物)并释放较少能量。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、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。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对发酵现象的不同理解 两

3、种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物）发酵是指有机化合物进行无氧代谢发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量释放能量 的过程的过程厌氧发酵厌氧发酵是厌氧菌借助氧化是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过还原反应释放能量的过程程 发酵是酵母无氧呼吸发酵是酵母无氧呼吸产生能量产生能量的过程的过程 是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不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完全氧化释放能量的过程 生生物物化化学学家家生物化学家看待微生物发酵过程：生物化学家看待微生物发酵过程：工业工业微生微生物学物学家家利用生物细胞（包括动、植物细胞）利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来生产

4、产物的所有过程？（需氧过程、培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）细胞工程）发酵是利用微生物培养来生产产物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的无氧或需氧的任何过程侧重产品的生产：侧重产品的生产：发酵现象的本质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2.发酵工程概念？发酵工程概念？微生物细胞加工技术过程优化与放大微生物细胞加工技术过程优化与放大 传统发酵工程：传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产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人们所需产品的过程理论与工程技术体系过程理论与工程技术体系

5、。该技术体系主。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。合成与分离纯化制备等技术集成。发酵工程：利用微生物、植物、动物，在合适的条件下，发酵工程：利用微生物、植物、动物，在合适的条件下，经特定的代谢途径生产所需产品的过程。经特定的代谢途径生产所需产品的过程。现代发酵工程现代发酵工程：是将：是将DNA重组及细胞融合技术、酶工程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、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

6、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）。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强调现代生物技术、控制技术和装备技术在传统与传统与现代现代发酵工业领域的集成应用。发酵工业领域的集成应用。传统发酵工业传统发酵工业：酿造及食品酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生微生态制剂、生物农药、生物肥料等物肥料等现代发酵工业现代发酵工业

7、：基因工基因工程药物、细胞工程药物、程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。以及传统发酵工业升级。传统大型发酵工传统大型发酵工业的中央控制业的中央控制 现代发酵工业现代发酵工业的中央控制的中央控制 3.发酵工程在生物技术中的地位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。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发酵工

8、程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。础，是生物技术产业的核心。分离和纯化产品。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和技术，以及产品检验和包装技术等包装技术等 下游技术发酵过程控制，主要包发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分菌环境的控制，过程分析和控制等析和控制等 中游技术广义发酵工程对生物广义发酵工程对生物学和工程学的要求学和工程学的要求 优良种株的选育和保优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等），菌种代谢路径改造等

9、），上游技术上中下游相互关联！上中下游相互关联！生化工程生化工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程 产物 产品产品 产品产品基因工程基因工程 产品产品强调过程优强调过程优化与控制化与控制4 发酵工业发展简史发酵工业发展简史 19001900以前以前 自然发酵阶段自然发酵阶段 190019001940 1940 纯培养技术的建立纯培养技术的建立 194019401950 1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立通气搅拌纯培养发酵技术的建立 195019501960 1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 196019601970 1970 开拓发酵原料

10、时期（石油发酵时期）开拓发酵原料时期（石油发酵时期）19701970年以后年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞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。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。酵工业突飞猛进。自然发酵阶段自然发酵阶段主要是酿造工业主要是酿造工业主要产品：酒、酒精、醋、主要产品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等啤酒、干酪、酸乳等1717世纪，能在容量为世纪，能在容量为15001500桶（一桶约桶（一桶约136136升）的升）的 木质大桶中进行第一次真正的大规

11、模酿造木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 17571757年应用温度计；年应用温度计；1801 1801 使用原始热交换器使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质，产品质 量不稳定量不稳定纯培养技术的建立纯培养技术的建立Koch首先发明固体培养基，建立细菌首先发明固体培养基，建立细菌 的纯粹培养的纯粹培养Petri创造一种培养皿创造一种培养皿(petri dish)用于用于 微生物平板分离微生物平板分离Winograsky和和 Beijerink发明富集培发明富集培 养法，分离特定的微生物养法，分离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁

12、醇等主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等第一次世界大战，第一次世界大战，Weizmann Weizmann 发明了丙酮丁醇发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。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在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量质量控制水平大大提高量质量控制水平大大提高纯培养技术的建立纯培养技术的建立通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立标志标志：纯种培养深层发酵生产青霉素：纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层

13、培养的供氧问题。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。发酵中的杂菌污染问题。主要特点主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发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酵，一系列过程工程技术创新意义：意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展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奠定了现代发酵工业的理论和实践基础通气搅

14、拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立代谢控制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基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。制发酵。代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和代谢控制发酵技术：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。物代谢，大量积累目标发酵产物。主要应用：主要应用：氨基酸氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸的发酵生产，以及有机酸、抗生素等抗生素等 基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工

15、程阶段（现代发酵工业新阶段）主要标志主要标志 基因工程产品生产基因工程产品生产以及基因工程技术应用以及基因工程技术应用 世界上已批准上市的基因工程药世界上已批准上市的基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人生物有几十种，如：胰岛素、人生长激素等。长激素等。主要特点主要特点 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品的发酵生产

16、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术的兴起基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）4 工业发酵类型与工艺流程工业发酵类型与工艺流程发酵类型：培养基：固态发酵和深层液体发酵。工艺流程：分批发酵、连续发酵和流加发酵。氧气需求：厌氧发酵和通风发酵两大类型。发酵产品：1.以菌体为产品；2.以微生物的酶为产品；3.以微生物的代谢产物为产品；4.将一个化合物经过发酵改造化学结构-生物转化过程。发酵生产工艺流程发酵生产工艺流程发酵生产过程发酵生产过程5 发酵工程在各学科领域中的应用发酵工程在各学科领域中的应用发酵工程在医药工业中的应用发酵工程在医药工业中的应用是

17、发酵工程应用最广泛、成绩最显著、发展最迅速、潜力最大的领域。包括抗生素、氨基酸、维生素、甾体激素、生物制品、治疗用酶和酶抑制剂等。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在食品工业中的应用发酵工程在食品工业中的应用 u 食品加工：以各种原料生产的单细胞蛋白u 含醇饮料u 发酵乳制品u 甜味剂、食品添加剂u 食品检验 生物质原料化学品化学品精细化学品精细

18、化学品大宗化学品大宗化学品食品添加剂食品添加剂生物塑料生物塑料溶剂溶剂酚类酚类粘合剂粘合剂脂肪酸脂肪酸碳黑、颜料碳黑、颜料燃料、香料、墨水燃料、香料、墨水洗涤剂洗涤剂生物能源生物能源生物酒精生物酒精生物柴油生物柴油甲醇甲醇氢气氢气沼气沼气发酵工程技术在化工能源领域中的应用发酵工程技术在化工能源领域中的应用发酵工程技术在农业中的应用发酵工程技术在农业中的应用 生物农药：微生物杀虫剂、防止植物病害微生物生物农药：微生物杀虫剂、防止植物病害微生物 生物除草剂生物除草剂 生物增产剂生物增产剂 食用菌食用菌发酵工程在冶金中的应用发酵工程在冶金中的应用利用氧化亚铁硫杆菌等自养细菌把亚铁氧化为高铁，把硫和低

19、价硫化物氧化为硫酸的能力，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。发酵工程在环境保护中的应用发酵工程在环境保护中的应用有毒废弃物的微生物处理技术（厌气发酵法和好气发酵法)6 发酵工程的主要前沿进展发酵工程的主要前沿进展原料拓展：原料拓展：可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）过程优化技术过程优化技术多尺度生物反应器优化控制技术多尺度生物反应器优化控制技术生物炼制生物炼制：微生物生理、遗传、营养及环境因素微生物代谢途径和过程条件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成

20、本为目标的发酵过程优化技术：技术综合及产业化技术集成：开发清洁生产技术发发酵酵过过程程优优化化技技术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基于组学和生物信息学代谢途径分析优化菌种菌种改造改造3 基于实时代谢流分析、代谢途径模型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与自动控制技术的发酵过程优化控制发酵发酵工艺工艺优化优化4 基于发酵液及产品特性的高收率、低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成本、高质量和环境友好的提取精制 技术集成技术集成发酵产物发酵产物分离纯化分离纯化5 基于源头防治与过程监控的资源节约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与废物资源化清洁生产技术集成综合治理综合治理技术优化技术优化