發(fā)酵原理第一章

發(fā)酵原理第一章第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵過程控制發(fā)酵罐放大與設(shè)計基因工程菌發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)酵經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)原理與技術(shù)應(yīng)用發(fā)酵工程在現(xiàn)代生物化工中的應(yīng)用第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論發(fā)酵工程的概念以及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系發(fā)酵工程的發(fā)展發(fā)酵工業(yè)的特點和研究范疇工業(yè)發(fā)酵的類型和工藝流程發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展前景第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一生物技術(shù)以生命科學(xué)為基礎(chǔ)結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其他自然科學(xué)原理按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體利用微生物、植物或動物體對原料進(jìn)行加工生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的技術(shù)第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一一發(fā)酵工程的概念以及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

發(fā)酵工程的概念

發(fā)酵沸騰生物化學(xué)家工業(yè)微生物學(xué)家第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

發(fā)酵：通過微生物的生長繁殖和代謝活動，產(chǎn)生和積累人們所需產(chǎn)品的生物反應(yīng)過程

發(fā)酵工程：利用微生物的生長繁殖和代謝活動來生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的理論和工程技術(shù)體系。包括菌種的選育和保藏、菌種的擴(kuò)大生產(chǎn)、微生物代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化、微生物生理功能的工業(yè)化應(yīng)用第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一現(xiàn)代發(fā)酵工程：利用微生物工業(yè)菌種，特別是經(jīng)DNA重組技術(shù)構(gòu)建的微生物基因工程菌生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品微生物學(xué)：菌種分離鑒定改造以及基因工程菌生化工程技術(shù)：創(chuàng)造最適發(fā)酵條件，獲得最大生產(chǎn)效率第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵生產(chǎn)流程圖

從外界分離菌種細(xì)胞工程基因工程誘變育種生產(chǎn)菌種發(fā)酵罐滅菌的培養(yǎng)基分離、提純菌體代謝物第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵工程與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系基因工程和細(xì)胞工程（上游生物技術(shù)）源頭上改變遺傳特性來獲得具有優(yōu)良加工和轉(zhuǎn)化能力的新品種

發(fā)酵工程生物的優(yōu)良遺傳性狀通過微生物生長繁殖得以表達(dá)，生產(chǎn)目的產(chǎn)物

酶工程第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一基因工程基因工程是指在體外將目的基因插入載體的遺傳物質(zhì)中，并將其導(dǎo)入原來沒有此基因的受體細(xì)胞內(nèi)，使目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)得以表達(dá)，進(jìn)而得到人類需要的基因產(chǎn)物。第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一細(xì)胞工程細(xì)胞工程是采用類似工程設(shè)計的方法，運用細(xì)胞學(xué)技術(shù)、有計劃的改造細(xì)胞遺傳特性，從而培養(yǎng)出人們所需要的動植物品種或有具有某些新性狀的細(xì)胞群體。第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一酶工程酶工程是研究酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)學(xué)科，包括酶制劑的制備、酶的固定化、酶的修飾和改造以及酶反應(yīng)器等內(nèi)容。第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一生化工程生化工程是實驗室成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)支撐。包括生物反應(yīng)和分離純化過程的放大技術(shù)及其裝備。中下游生物技術(shù)生化工程發(fā)酵工程第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一二發(fā)酵工程的發(fā)展發(fā)酵的本質(zhì)

釀酒、制醋、生產(chǎn)醬油

1680年，荷蘭的列文虎克制成顯微鏡

1897年，德國畢希納提出酶催化理論第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

自然發(fā)生說酶學(xué)理論亞里士多德尼達(dá)姆生命是自然發(fā)生的弗郎希斯科施羅德PasteurBuchner發(fā)酵的本質(zhì)第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一路易斯·巴斯德（LouisPasteur），法國微生物學(xué)家、化學(xué)家，開辟了微生物領(lǐng)域，近代微生物學(xué)的奠基人。巴斯德證明了三個科學(xué)問題：（1）每一種發(fā)酵作用都是由于一種微菌的發(fā)展?！鞍褪蠚⒕ā北銘?yīng)用在各種食物和飲料上。（2）每一傳染病都是一種微菌在生物體內(nèi)的發(fā)展。（3）傳染病的微菌，在特殊的培養(yǎng)之下可以減輕毒力，使他們從病菌變成防病的藥苗。第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

巴氏滅菌法又稱低溫滅菌法，先將要求滅菌的物質(zhì)加熱到65℃30分鐘或72℃15分鐘，隨后迅速冷卻到10℃以下。既不破壞營養(yǎng)成分，又能殺死細(xì)菌的營養(yǎng)體，巴斯德發(fā)明的這種方法解決了酒質(zhì)變酸的問題，拯救了法國釀酒業(yè)。第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵工程的發(fā)展1900年前，自然發(fā)酵階段。1900-1940年，純培養(yǎng)技術(shù)的建立—第一轉(zhuǎn)折點1940年后，深層液體通氣攪拌純種培養(yǎng)—第二轉(zhuǎn)折點代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的建立—第三轉(zhuǎn)折點開拓發(fā)酵原料,發(fā)展發(fā)酵放大技術(shù)采用基因工程菌生產(chǎn)新產(chǎn)物第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一20世紀(jì)60年代，糧食緊張和飼料需求的增加

開發(fā)微生物細(xì)胞為飼料蛋白石油產(chǎn)品作為發(fā)酵原料推動了發(fā)酵生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化發(fā)展第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一開始人為控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程，發(fā)酵效率逐步提高；生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)量提高，對發(fā)酵工業(yè)起了巨大的推動作用。主要產(chǎn)物：甘油、檸檬酸、乳酸、丁醇和丙酮等第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一青霉素是指從青霉菌培養(yǎng)液中提取的，能破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁并在細(xì)菌細(xì)胞的繁殖期起殺菌作用的一類抗生素，是第一種能夠治療人類疾病的抗生素。青霉素類抗生素是β-內(nèi)酰胺類中一大類抗生素的總稱。主要對革蘭氏陽性菌有效，過敏反應(yīng)強(qiáng)。第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一基因工程可以在不相關(guān)的生物間轉(zhuǎn)移基因，還可精確的對一個基因組進(jìn)行交換，定向改變生物性狀與功能，創(chuàng)造新物種。大大豐富了發(fā)酵工業(yè)的內(nèi)容，使發(fā)酵工業(yè)發(fā)生革命性的變化第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一三發(fā)酵工業(yè)的特點和研究范疇

發(fā)酵工業(yè)：利用微生物具有的加工和生物轉(zhuǎn)化能力，將廉價的發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物的產(chǎn)業(yè)第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一廉價原料生產(chǎn)高價值產(chǎn)品專一性強(qiáng)常溫、常壓、反應(yīng)條件溫和生物轉(zhuǎn)化修飾不受自然條件的限制發(fā)酵工業(yè)的特點第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵工業(yè)的研究范疇微生物菌體生物轉(zhuǎn)化酶制劑代謝產(chǎn)物第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一微生物菌體酵母SCPSCP、藥用真菌（冬蟲夏草、茯苓等）生物防治制劑（如蘇云金桿菌）活性乳制劑第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一酶制劑：糖化酶、氨基?；福―L氨基酸光學(xué)拆分）、蛋白酶、脂肪酶等

酶可用于淀粉糖、酒類、果蔬、奶制品和肉類制品等的加工生產(chǎn)；酶作為添加劑應(yīng)用于洗滌劑、飼料、紡織和皮革等行業(yè)中；酶用于疾病診斷和治療、藥物生產(chǎn)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中；用于可再生能源的生產(chǎn)以及環(huán)境污染的治理等領(lǐng)域第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物：對數(shù)生長期產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，是細(xì)胞生長和繁殖所必需的物質(zhì)。具有重要的應(yīng)用價值，供商業(yè)開發(fā)。次級代謝產(chǎn)物：微生物進(jìn)入緩慢生長期或者停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的物質(zhì)。藥物篩選和開發(fā)的重要資源。第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一初級代謝產(chǎn)物：

與菌體生長相伴隨的產(chǎn)物，氨基酸、核苷酸、維生素、有機(jī)酸、溶劑菌體對其合成反饋控制嚴(yán)密，一般不過量積累次級代謝產(chǎn)物：

與菌體生長不相伴隨，以初級代謝產(chǎn)物為原料而合成

抗生素、生物堿、毒素、胞外多糖等結(jié)構(gòu)常較復(fù)雜對環(huán)境條件敏感第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一生物轉(zhuǎn)化概念

利用微生物細(xì)胞或酶對某些化合物的特定部位進(jìn)行催化修飾，使之轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)相似具有更大經(jīng)濟(jì)價值的化合物范疇脫氫，氧化，羥化，縮合，還原，脫羧，氨化以及異構(gòu)作用等優(yōu)點效率高專一性強(qiáng)條件溫和第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

含環(huán)戊烷多氫菲核的化合物；

甾族激素：分腎上腺皮質(zhì)激素和性激素；重要的生理調(diào)節(jié)作用，在臨床上廣泛用于治療過敏性皮炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、紅班狼瘡、支氣管哮喘等

甾體藥物的工業(yè)生產(chǎn)主要是通過改造天然的甾體產(chǎn)物而獲得的；可的松類抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾體母核11位上導(dǎo)入一氧原子，最大的困難也正在此如：甾體轉(zhuǎn)化第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一

化學(xué)轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價格昂貴（Savett,576kg脫氧膽酸，30多步反應(yīng)，兩年→938mg醋酸可的松）

生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，僅1步就將孕酮11位上導(dǎo)入一個羥基，使從孕酮合成皮質(zhì)酮只需3步，這樣才使可的松問世）第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一四工業(yè)發(fā)酵的類型與工藝流程對氧的需求培養(yǎng)基物理性狀發(fā)酵的工藝流程需氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵兼性厭氧發(fā)酵液體發(fā)酵固體發(fā)酵（淺盤固體發(fā)酵和深層固體發(fā)酵）工業(yè)發(fā)酵的類型分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵補(bǔ)料分批連續(xù)發(fā)酵第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵生產(chǎn)的工藝流程發(fā)酵的工藝過程培養(yǎng)基的制備滅菌接種控制發(fā)酵條件產(chǎn)物的提取與精制回收處理三廢物質(zhì)第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一五發(fā)酵工程的應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)

藥物：能影響機(jī)體生理、生化和病理過程，用以調(diào)節(jié)身體機(jī)能或抵御病原微生物的化學(xué)物質(zhì)。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一抗生素：12000余種青霉素、金霉素、四環(huán)素、鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、頭孢霉素等氨基酸：可發(fā)酵生產(chǎn)的有谷、賴、丙、組、異亮、亮、苯丙、脯、蘇、色、酪、纈、瓜、鳥氨酸（國內(nèi)40億元，占發(fā)酵業(yè)產(chǎn)值12%）維生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等生物制品：亞單位疫苗、重組疫苗、DNA疫苗等酶抑制劑：

棒酸（可抑制-內(nèi)酰胺酶對青霉素的破壞）-淀粉酶的抑制劑可治療糖尿病膽固醇抑制劑可治療高血壓高血脂第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一藥物化學(xué)合成藥物工藝復(fù)雜條件苛刻污染嚴(yán)重毒副作用大生化藥物和天然藥物生產(chǎn)受到資源的限制，價格偏高微生物發(fā)酵藥物抗生素、維生素、氨基酸第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展方向

應(yīng)用微生物技術(shù)研究開發(fā)新藥和替代傳統(tǒng)制藥工業(yè)技術(shù)，加快醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和速度第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一食品工業(yè)發(fā)酵工程貢獻(xiàn)的食品占食品工業(yè)的15%以上農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過微生物處理，可得到風(fēng)味各異的食品與化學(xué)法相比，發(fā)酵法生產(chǎn)在毒理學(xué)和微生物學(xué)方面更安全123第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)酵食品的種類酵母有機(jī)酸谷氨酸調(diào)味料紅茶和烏龍茶酒類酒精發(fā)酵乳制品第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一酸奶酸奶：牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發(fā)酵，將乳糖分解，并進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和其他有機(jī)酸，以及一些芳香物質(zhì)和維生素等；同時蛋白質(zhì)也部分水解。因此，酸奶是營養(yǎng)豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應(yīng)癥者的優(yōu)良食品。

第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一酸奶的生產(chǎn)原料乳殺菌冷卻接種乳酸菌純培養(yǎng)物母發(fā)酵劑生產(chǎn)發(fā)酵劑灌裝發(fā)酵冷藏檢驗出廠第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一乳酸菌的種類乳酸菌是一類可利用碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸的細(xì)菌

乳酸菌嗜熱鏈球菌嗜酸乳桿菌乳酸鏈球菌雙歧桿菌第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一促進(jìn)乳中酪蛋白的吸收防止有機(jī)體大量積累吲哚和酚等有害物質(zhì)抑制腸道內(nèi)腐敗細(xì)菌的生長和繁殖乳酸菌產(chǎn)生的有機(jī)酸促進(jìn)胃腸蠕動，利于消化乳酸菌的作用第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一醪糟醪糟：又稱酒釀，是大米經(jīng)蒸煮后，接種根霉，在好氧條件下，發(fā)酵生產(chǎn)的含低濃度酒精和不同糖分的食品。根霉在生長時會產(chǎn)生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時利用部分葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精。由于使用的根霉菌種不同，可以生產(chǎn)不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。

第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一啤酒制造工藝流程第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一啤酒制造工藝流程第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一啤

酒

的

生

產(chǎn)第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一能源工業(yè)生物乙醇沼氣微生物采油生物電池第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)勢減少了對常規(guī)能源的依賴，節(jié)約常規(guī)能源，有利于國家安全促進(jìn)了廢棄物的資源化利用環(huán)境友好帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增加就業(yè)機(jī)會，增加收入和推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展改變農(nóng)村的面貌，有利于社會主義新農(nóng)村建設(shè)第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一在化工中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有機(jī)酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、衣康酸、水楊酸等多糖：黃原膠、海藻糖等第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一冶金工業(yè)細(xì)菌冶金概念應(yīng)用將微生物及其