微生物资源开发与利用

发酵过程控制
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发酵工程
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - 产品分离提纯 - 废物处理 - 副产物回收利用
发酵过程控制
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发酵工程技术
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。
(5)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。
养生物获得次级代谢产物的工业。
（2）获得发酵产品的条件

适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件
进行微生物发酵的设备
精制成产品的方法的设备
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3、发酵工业的范围
（1）、以微生物细胞为产物的发酵工业
（2）、以微生物代谢产物为产品的发酵工业
（3）、以微生物酶为产品的发酵工业 （4）、生物转化或修饰化合物的发酵工业 （5）、微生物废水处理和其他
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4. 新世纪的微生物学
20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学 研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到
了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科
学的发展中作出了巨大的贡献。
微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，获得了全面、 深入的发展
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1．微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用 共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、 其中： 微生物自身特性的进一步开发、利用：例如降解性塑料，分解纤维 繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组 素、生产单细胞蛋白等。 上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高 借助（利用）微生物特点的基因工程产业：利用微生物生产药物、 度的统一性。 以微生物为研究材料继续对一些基本生命现象进行研究； 疫苗等。 特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例如可在 极端环境的微生物的研究； 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其
上游工程 UPSTREAM PROCESSES
从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程
下游工程
发酵过程控制
FERMENTATION Process Control
DOWNSTREAM PROCESSES
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Fermentation engineering
上游工程
UPSTREAM PROCESSES - 菌种 - 菌种扩大培养 - 培养基配制 - 灭菌 - 接种

Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics…) Feedstuff (eg. SCP) Environmental Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry)
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柯赫
（1）微生物学基本操作技术方面的贡献 a）细菌纯培养方法的建立 土豆切面 → 营养明胶
→
营养琼脂（平皿）
b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养 c）流动蒸汽灭菌 d）染色观察和显微摄影
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（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献： a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌； b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖） c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 ——著名的柯赫原则 1、 在每一相同病例中都出现这种微生物； 2 、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来； 3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会 重复发生； 4 、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。
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3. 微生物的特点
个体小、结构简、胃口大、食谱广、 繁殖快、易培养、数量大、分布广、 种类多、变异易、抗性强
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食谱广：
微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广
是动植物完全无法相比的！
纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲 醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有
机物均可被微生物作为粮食
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1、发酵的定义
（1）、传统发酵
（2）、生化和生理学意义的发酵
（3）、工业上的发酵
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（1）、传统发酵

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。
（2）、生化和生理学意义的发酵

指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生 能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有 机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并 放出CO2。
各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长 时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级 代谢产物。

4、微生物的生物转化

定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部 位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具 有更在经济价值的化合物。 最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一 特定部位进行化学反应而形成的。
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2. 微生物的发现和微生物学的建立与发展
（1）1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微 镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。
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1676年，微生物学的先驱 荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次 观察到了细菌。他没有上 过大学，是一个只会荷兰
(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和 菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设 备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难 以生产的产品。
(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物 化学反应，反应安全，要求条件简单。 (4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在 无菌条件下进行。
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繁殖快：
大肠杆菌一个细胞重约10
–12
克，平均20分钟繁殖一代
24小时后： 4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨 48小时后：2.2 × 10
43个后代，重量达到2.2
× 10
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吨
相当于4000个地球的重量！
一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质, 而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜） 和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg优质蛋白质。
微生物“共存”。
在近代科学中，对人类福利最大 的一门科学算是微生物学了。 微生物与人类关系的重要性，你 怎么强调都不过分。但微生物是一把
是 祸？是 福？
十分锋利的双刃剑，它们在给人类带 来巨大利益的同时也带来“残忍”的 破坏。它给人类带来的利益不仅是享 受，而且实际上涉及到人类的生存。
微生物既是人类的敌人，更 是人类的朋友！

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。
发酵工业简介


Fermentation Industry



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…）
2、微生物酶发酵

酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高 产量。
分类：胞内酶 和胞外酶 生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑 制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制 以及发酵条件等方面需给予注意。

3、微生物代谢产物发酵

包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。
对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称 为初级代谢产物或中间代谢产物。
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易培养：
很多微生物都可以非常方便地进行人工培养！
数量大：
在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）
都生存有大量的微生物！
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变异易：
个体小、结构简、且多与外界环境直接接触
繁殖快、 数量多
突变率：10-5 – 10-10
短时间内产生大量的变异后代
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抗（逆）性强： 抗热：有的细菌能在265个大气压，250 ℃的条件下生长；
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微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特 殊化学物质和食品添加剂
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1、生产微生物细胞物质

定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目 的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担 子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用 的疫苗等。

特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率 最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产 量最高。
语的小商人，但却在1680
年被选为英国皇家学会的 会员。
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（2）微生物学的奠基
法国人巴斯德（Louis Pasteur） 德国人柯赫（Robert Koch） 6 （ 1843～1910） （1822～1895）
微生物学的奠基
巴斯德
(1) 发现并证实发酵是由微生物引起的；
化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕 (2) 彻底否定了“自然发生”学说； 著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物， 是它们引起有机质的腐败。 (3) 免疫学——预防接种 首次制成狂犬疫苗 (4)其他贡献 巴斯德消毒法：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物
自然界中细菌生长的最高温度可以达到113 ℃ ； 有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死
抗寒：有些微生物可以在―12℃ ~ ―30℃的低温生长
抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 ~ 13
耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中
都有微生物生长
抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长
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（3）、工业上的发酵

泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。 包括： 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2. 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。
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2、发酵工业
（1）定义：是指利用生物的生命活动产生的酶对无 机或有机原料进行生物加工获得产品；或通过培
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4、发酵工业的特征

发酵过程中离不开微生物的作用
1、发酵原料的选择及预处理
2、微生物菌种的选育及扩大培养
3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种 子扩大培养和发酵采用不同的工艺。 4、发酵产物的分离提取 5、发酵废物的回收和利用
(1)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。
微生物资源的开发利用：
（1）微生物
（2）发酵工程
（3）生物转化
（4）环境保护及清洁生产
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一、微生物及其特点
微生物是微小生物的总称，一般只有借助显微镜才能 其进行观察。 病毒 微生物 原核生物： 真细菌、古生菌 真核生物： 真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、 单细胞藻类、 原生动物等
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1. 人类时时刻刻与

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、香料、生物高分子、酶以及维生素和单
细胞蛋白等。
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Fermentation engineering
发酵工程组成
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(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。
他生物不具备的代谢途径和功能，反映了微生物极其 微生物产业的开发； 丰富的多样性。 重要致病菌的特点及其防治；
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二、发酵工程
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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工程。