【发酵工程】余龙江版 第1章_绪论

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第三节 发酵工业的特点及其应用范围
一、发酵工业的特点
1、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。
2、可用较廉价原料生产较高价值产品。 3、 反应专一性强，可得到较为单一产品。 4、 能够专一性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的生物转化修饰。 5、 发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。
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应注意
▪ 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。 ▪ 菌种是关键。
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二、发酵工业的范围
1、微生物菌体 2、酶制剂 3、代谢产物 4、生物转化 5、微生物特殊机能的利用
利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域
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微生物菌体
酵母发酵 • 传统菌体发酵工业
草酰乙酸 (C4)
柠檬酸 (C6)
苏氨酸（C9N)
α－酮戊二酸(C5)
异亮氨酸（C6N) 精氨酸（C6N4)
谷氨酸
脯氨酸
各种氨基酸的生物合成途径
核苷类抗生素 核糖
次生代谢产物
戊糖
葡萄糖
丁糖
莽草酸 次生代谢产物 （C7)
丙糖
聚酮
丙氨酸 （C3N)
丙酮酸
氨基糖苷类抗生素 （糖苷部分） 次生代谢产物
丝氨酸（C3N) 甘氨酸(C2N)
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纯培养技术的建立
• 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
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三、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
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 • 著名的布希纳实验：酵素（酶）的作用
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2. 发酵工程概念？
－－微生物细胞加工技术过程优化与放大
• 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。
• 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。
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基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
• 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
▪发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。
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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
中游 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
上中下游相互关联！
下游 技术
学 和 工 程 学 的 要 求
广 义 发 酵 工 程 对 生 物
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。
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一、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
带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵
4、按菌的种类
单菌种发酵 多菌种混合发酵（混合菌发酵）
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新发展的微生物培养方法
• 载体培养：以天然或人工合成的多孔材料代替麸 皮之类的固态基质作为微生物生长的载体，营养 成分可以严格控制。发酵结束后只须将菌体和培 养液挤压出来进行抽提，载体又可以重新使用。
• 两步法液体深层培养：在酶制剂生产中，由于微 生物生长与产酶的最适条件往往有很大的差异， 采取两步法培养，将菌体生长条件（营养期）与 产酶条件区分开来，因而更容易控制各个生理时 期的最适条件。
微生物的
发酵现象
最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产 生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
ferver：发泡、沸腾 fermentation
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生物化学家看待微生物发酵过程：侧重能量代谢
发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 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 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
• 广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工
– 酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等 – 药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等 – 食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等 – 基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括
DNA、RNA的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶 、DNA连接酶等。 – 饲料酶制剂：木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶等
• 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
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开拓新的发酵原料时期
• 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。
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六、基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
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组氨酸（C6N3)
核糖
苯丙氨酸（C9N)
戊糖
葡萄糖
色氨酸(C11N2) 酪氨酸（C9N)
丁糖
莽草酸 （C7)
丙糖
半胱氨酸 丝氨酸（C3N)
甘氨酸(C2N)
丙氨酸 （C3N)
赖氨酸（C6N2)
蛋氨酸（C5N5)
丙酮酸
ADP(C7N2)
乙酸 CO2
缬氨酸（C5N) 亮氨酸
天门冬氨酸（C4N)
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部分利用基因工程技术研制的产品
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)
技出版社. 1992.
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第一章 绪论
第一节 发酵工程定义及在生物技术中的地位 第二节 发酵工程发展简史 第三节 发酵工业的特点及其应用范围 第四节 工业发酵的类型与典型过程 第五节 发酵工程在国民经济中的应用 第六节 发酵工程前沿及应用前景
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第一节 发酵工程定义及在生物技术中的地 位
一、发酵工程定义 1、何为发酵？
• 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
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五、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
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
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生物技术体系
强调过程优 化与控制
基因工程 细胞工程
发酵工程
酶工程
产物
生化工程
产品
产品ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
产品
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第二节 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
发酵工程
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教材及主要参考书
教材：余龙江，《发酵工程原理及技术应用》，化学工 业出版社，2006.
参考书： 1.酶工程（第二版）.郭勇. 科学出版社,2004年 2.俞俊棠《新编生物工艺学》化学工业出版社，2003. 3.曹军卫《微生物工程》 科学出版社，2002. 4.贺小贤《生物工艺原理》 化学工业出版社. 2003. 5.尹光琳,战立克, 赵根楠《发酵工业全书》中国医药科
主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质 量不稳定
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二、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(petri dish)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
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。
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通气搅拌发酵技术的建立
• 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
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四、代谢控制发酵技术的建立
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发酵工业的典型过程－－深层发酵过程
第五节 发酵工程在国民经济中的应用
一、在医药工业中的应用
1、各种抗生素：抗细菌，抗真菌，抗原虫，抗肿瘤 天然、合成、半合成
2、各种氨基酸：在医药中主要用于生产氨基酸输液, 可用发酵获得或用酶法获得
3、维生素： 4、甾体激素：
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在医药工业中的应用
5、生物制品：生于预防、诊断或治疗传染病 6、单克隆抗体：抗体与抗原具有高度亲和性，用于
生物甲基化
缬氨酸（C5N) 次生代谢产物
脂肪酸 天冬氨酸（C4N)
丙二酸
（C3)
草酰乙酸 (C4)
乙酸 CO2
甲羟戊酸（C4) IPP（C5)
柠檬酸 (C6)
萜类 甾体
次生代谢产物
α－酮戊二酸(C5)
初生代谢的合成过程
从初生代谢 到次生代谢
谷氨酸 次生代谢产物
微生物转化
在用维生素C二步发酵法生产中,起主要氧化作用 的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的 分子结构进行特异性改变。
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工业微生物学家：侧重产品的生产
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
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）
•厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 •通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂 等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等 6
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第四节 工业发酵的类型与典型过程
一、工业发酵的类型
1、按微生物对氧的不同需求
厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
2、 按培养基的物理性状
浅盘固体发酵
固体发酵 深层固体发酵（机械通风制曲）
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工业发酵的类型
分批发酵
3、按发酵工艺流程
补料分批发酵
连续发酵
单级恒化器连续发酵 多级恒化器连续发酵
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二、发酵工业的基本生产过程
1、用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配 制；
2、培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌； 3、扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比例接种
入发酵罐中； 4、控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代
谢产物； 5、将产物提取并精制，以得到合格的产品； 6、回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。
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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
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。
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传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
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二 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。
菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵
杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢
• 现代菌体发酵工业
杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、 绿僵菌
疫苗
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微生物菌体 • 新的菌体发酵产品: 药用功能菌体
茯苓菌→茯苓 担子真菌→灵芝、香菇类
虫草头孢菌 密环菌
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面包酵母
藻类
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芽孢杆菌和伴孢晶体
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虫草头孢菌发酵生产虫草
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酶制剂
制备诊断盒、治疗疾病或作为生物 导弹药物的运载工具。纯化抗原类 物质，菌种鉴别。 7、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、制药 工业用酶、工业发酵药物
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二、在食品工业中的应用
▪ 这是发酵工程最早开发应用的领域， 1、含醇饮料：以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆
等 为主要原料酿造或经加工的有葡萄酒、果酒、 黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金 酒、香槟酒、朗姆酒等 2、传统调味品及发酵食品：以豆类、米、麦等生产的 酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。 3、发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等