發(fā)酵工程第一章-緒論課件

發(fā)酵工程FermentationEngineering廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院考核方式閉卷考試占70％高水平科技文獻(xiàn)閱讀翻譯占15％平時(shí)課堂提問(wèn)、作業(yè)與考勤占15％第一章緒論本章內(nèi)容

何謂發(fā)酵？ ferver：發(fā)泡、沸騰fermentation微生物的發(fā)酵現(xiàn)象－－請(qǐng)看下面現(xiàn)象對(duì)發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解

－－兩種角度（能量、產(chǎn)物）生物化學(xué)家側(cè)重能量代謝：1、能夠在氧分子參與下進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生能量的生物可以進(jìn)行：有氧呼吸、糖酵解、厭氧呼吸（兼性微生物）（1）有氧呼吸（氧供應(yīng)充分、有機(jī)物氧化徹底、產(chǎn)生大量能量）（2）糖酵解（暫時(shí)缺氧、有機(jī)物氧化不徹底、產(chǎn)生少量能量）2、無(wú)氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所進(jìn)行的能量代謝。指有機(jī)物經(jīng)徹底或不徹底氧化，所脫下來(lái)的電子最后傳給外源的無(wú)機(jī)氧化物(個(gè)別是有機(jī)氧化物)并釋放較少能量。

根據(jù)最終電子受體不同，無(wú)氧呼吸分為：硝酸鹽呼吸、硫酸鹽呼吸、硫呼吸、碳酸鹽呼吸及延胡索酸呼吸等。對(duì)發(fā)酵現(xiàn)象的不同理解

－－兩種角度（能量、產(chǎn)物）發(fā)酵是指有機(jī)化合物進(jìn)行無(wú)氧代謝釋放能量的過(guò)程厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化-還原反應(yīng)釋放能量的過(guò)程

發(fā)酵是酵母無(wú)氧呼吸產(chǎn)生能量的過(guò)程需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時(shí)的不完全氧化釋放能量的過(guò)程生物化學(xué)家生物化學(xué)家看待微生物發(fā)酵過(guò)程：工業(yè)微生物學(xué)家利用生物細(xì)胞（包括動(dòng)、植物細(xì)胞）培養(yǎng)來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過(guò)程？（需氧過(guò)程、細(xì)胞工程）發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)物的無(wú)氧或需氧的任何過(guò)程側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)：發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)顯微鏡觀察：微生物著名的巴斯德實(shí)驗(yàn)：微生物作用著名的畢希納實(shí)驗(yàn)：酵素（酶）的作用傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)：釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有機(jī)酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)：基因工程藥物、細(xì)胞工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生物基化學(xué)品等，以及傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)升級(jí)。

傳統(tǒng)大型發(fā)酵工業(yè)的中央控制

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制

分離和純化產(chǎn)品。包括固液分離技術(shù)、細(xì)胞破壁技術(shù)、產(chǎn)物純化技術(shù)，以及產(chǎn)品檢驗(yàn)和包裝技術(shù)等下游技術(shù)發(fā)酵過(guò)程控制，主要包括發(fā)酵條件的調(diào)控，無(wú)菌環(huán)境的控制，過(guò)程分析和控制等

中游技術(shù)廣義發(fā)酵工程對(duì)生物學(xué)和工程學(xué)的要求

優(yōu)良種株的選育和保藏（包括菌種篩選、改造，菌種代謝路徑改造等），上游技術(shù)上中下游相互關(guān)聯(lián)！生化工程酶工程細(xì)胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物

產(chǎn)品

產(chǎn)品基因工程

產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)過(guò)程優(yōu)化與控制（一）發(fā)酵工程發(fā)展簡(jiǎn)史自然發(fā)酵階段主要是釀造工業(yè)主要產(chǎn)品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等17世紀(jì)，能在容量為1500桶（一桶約136升）的木質(zhì)大桶中進(jìn)行第一次真正的大規(guī)模釀造1757年應(yīng)用溫度計(jì)；1801使用原始熱交換器

主要特點(diǎn)：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細(xì)菌的純粹培養(yǎng)Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petridish)用于微生物平板分離Winograsky和Beijerink發(fā)明富集培養(yǎng)法，分離特定的微生物主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等開(kāi)拓新的發(fā)酵原料時(shí)期特點(diǎn)：解決發(fā)酵原料及人畜爭(zhēng)糧問(wèn)題；規(guī)模和自動(dòng)化程度顯著提高，能耗過(guò)大。開(kāi)拓新的發(fā)酵原料時(shí)期基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）

人胰島素

人生長(zhǎng)激素(GH)

表皮生長(zhǎng)因子(EGF)

腫瘤壞死因子

白細(xì)胞介素-2(IL-2)

尿激酶原

豬生長(zhǎng)激素(PGH)

牛生長(zhǎng)激素(BGH)纖維素酶

,

-干擾素

乙型肝炎疫苗

集落刺激因子(CSF)

促紅細(xì)胞生成素(EPO)

抗血友病因子

組織溶纖原激活劑(t-PA)發(fā)酵工程的主要前沿進(jìn)展高產(chǎn)量：微生物生理、遺傳、營(yíng)養(yǎng)及環(huán)境因素高轉(zhuǎn)化率：微生物代謝途徑和過(guò)程條件高效率：微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)優(yōu)化條件確定過(guò)程優(yōu)化初始條件過(guò)程分析過(guò)程強(qiáng)化1基于組學(xué)技術(shù)的高通量菌種改造和篩選2基于組學(xué)和生物信息學(xué)代謝途徑分析優(yōu)化菌種改造3基于實(shí)時(shí)代謝流分析、代謝途徑模型與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制發(fā)酵工藝優(yōu)化4基于發(fā)酵液及產(chǎn)品特性的高收率、低成本、高質(zhì)量和環(huán)境友好的提取精制技術(shù)集成發(fā)酵產(chǎn)物分離純化5基于源頭防治與過(guò)程監(jiān)控的資源節(jié)約與廢物資源化清潔生產(chǎn)技術(shù)集成綜合治理技術(shù)優(yōu)化（一）發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)

發(fā)酵過(guò)程一般是在常溫常壓下進(jìn)行的生化反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件較簡(jiǎn)單?？捎幂^廉價(jià)原料生產(chǎn)較高價(jià)值產(chǎn)品。反應(yīng)專一性強(qiáng)。能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。

發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。菌種是關(guān)鍵。發(fā)酵生產(chǎn)不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件限制。（一）發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)（二）發(fā)酵工業(yè)的范圍

微生物菌體酶制劑代謝產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化微生物特殊機(jī)能的利用

利用微生物消除環(huán)境污染

利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡微生物濕法冶金利用基因工程菌株開(kāi)拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域微生物菌體傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌

疫苗新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品:藥用功能菌體茯苓菌→茯苓擔(dān)子真菌→靈芝、香菇類蟲草頭孢菌密環(huán)菌微生物菌體

面包酵母

藻類芽孢桿菌和伴孢晶體

蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草

酶制劑微生物轉(zhuǎn)化

在用維生素C一步和二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化作用的葡糖酸桿菌對(duì)作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行特異性改變。（一）工業(yè)發(fā)酵的類型固體發(fā)酵

厭氧發(fā)酵需氧發(fā)酵兼性厭氧發(fā)酵

液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)酵）按培養(yǎng)基的物理性狀淺盤固體發(fā)酵深層固體發(fā)酵（機(jī)械通風(fēng)制曲）

按微生物對(duì)氧的不同需求按發(fā)酵工藝流程分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵多級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵帶有細(xì)胞再循環(huán)的單級(jí)恒化器連續(xù)發(fā)酵（一）工業(yè)發(fā)酵的類型按菌的種類單菌種發(fā)酵多菌種混合發(fā)酵（混合菌發(fā)酵）新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過(guò)程4.控制最適發(fā)酵條件使微生物生長(zhǎng)并形成大量的代謝產(chǎn)物；5.將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品；6.回收或處理發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。（二）發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過(guò)程（二）發(fā)酵工業(yè)的典型過(guò)程－－深層發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應(yīng)用前景強(qiáng)調(diào)代謝機(jī)理與調(diào)控研究，使微生物的機(jī)能得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起：清潔生產(chǎn)。再生資源的利用?；旌暇l(fā)酵強(qiáng)調(diào)微生物群落與功能研究，提高發(fā)酵效率。

發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨向及應(yīng)用前景清潔生產(chǎn)按照聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的定義：“清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品和服務(wù)中，以增加生態(tài)效益和減少人類及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程，要求節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒原材料，減降所有廢棄物的數(shù)量和毒性；對(duì)產(chǎn)品，要求減少?gòu)脑牧咸釤挼疆a(chǎn)品最終處置的全生命周期的不利影響；對(duì)服務(wù)，要求將環(huán)境因素納入設(shè)計(jì)和所提供的服務(wù)中?！被旌暇l(fā)酵的應(yīng)用傳統(tǒng)釀造和食品發(fā)酵工業(yè)：白酒，醬油、醋、豆豉有機(jī)廢棄物（工業(yè)、城市和農(nóng)業(yè)）的發(fā)酵處理與轉(zhuǎn)化：生物能源：生物制氫、生物制沼氣生物飼料生物肥料

課程內(nèi)容學(xué)習(xí)重點(diǎn)基本過(guò)程過(guò)程優(yōu)化過(guò)程控制過(guò)程放大一條主線、兩個(gè)重點(diǎn)、三個(gè)層次、四個(gè)目標(biāo)發(fā)酵工藝過(guò)程過(guò)程優(yōu)化放大反應(yīng)器細(xì)胞、分子高轉(zhuǎn)化率高產(chǎn)量高效率低成本Thankyou