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1、上海大学生命科学学院华子义生物大楼-203E-mail:E-mail:http:/,生物工艺学,参考书目,使用教材：现代食品发酵技术 主编 王复源 中国轻工业出版社参考书目：生物工艺学 作者:俞俊裳、唐孝萱,华东理工大学出版社，2004-11-02 Fundamentals of Food Biotechnology（食品生物工艺学基础）Byond H.Lee，1996，VCH Publishers,Inc.（美国）出版 微生物工程工艺原理，姚淑华：华南理工大学出版社 微生物工程概论，刘如林：南开大学出版社 氨基酸工艺学，张克旭：轻工业出版社 代谢控制发酵，陈宁:轻工业出版社 参考杂志：工业微
2、生物 食品与发酵,本课程从1983年开始，作为我校生物工程专业的主干课程开设。现在本课程一直是生物工程专业方向本科生必修的专业主干课程。近年来随着本科教学的改革，发酵技术的不断发展，课程也在不断地进行相应改革，如调整课程内容体系，采用先进的教学手段，从而使教学更有效等。,包括两个方面课堂教学部分主要讲授：（1）初级和次级代谢产物的生物合成机理与工业微生物菌种选育；（2）发酵过程的基本原理和参数控制；（3）典型发酵产品的生产工艺。,实践教学部分包括：（1）参观实习或借助一些工厂实际生产的资料（由于客观条件限制）使学生对发酵的工艺、流程、设备有一个感性认识；（2）生物工艺学实验；,发酵工艺原理,教
3、学内容组织方式与目的：在课堂教学内容上强调工业微生物菌种选育和发酵过程中各类参数的控制等一些共性技术的部分，同时辅之以有代表性的产品的发酵工艺和方法的介绍，通过点面结合促进学生理解；另外课程进一步强化实践教学，借助一些工厂实际生产的资料（由于客观条件限制）结合实验室条件开展一些实验，进一步促进学生对于课程的理解和掌握。通过课堂教学与实践教学有机结合，促使学生掌握发酵工艺的基本原理、技术和方法，为学生将来进入研究生阶段的课题研究、进入发酵及相关行业工作及新产品开发打下基础。,实践性教学的设计思想与效果实践性教学的设计主要围绕课程的核心即发酵过程中的基本原理和参数控制展开，课堂教学与发酵工艺学实验
4、穿插进行，加深学生对课堂知识的掌握；训练学生从原料到产品的完整发酵过程，对于质量和经济技术指标的控制等，培养学生利用已学的基本原理来解决实际问题的能力。通过实践性环节的实施，学生能够良好地掌握书本上的理论知识，同时将这些理论进行应用。,1.注重课程内容知识性与实践性相结合，使学生在对基本理论知识掌握的基础上提高实践动手能力和解决实际问题的能力。2.在一般微生物发酵工艺的基础上，具体介绍典型产品的发酵。,二十一世纪是生命科学时代，生物技术是一颗最耀眼的明珠。在生物技术的几大工程中，无论是基因工程，还是细胞工程、酶工程等，最终要实现产品的工业化生产，都离不开发酵工程。人们因此说：生物技术中，基因工
5、程是热点，发酵工程是根本。目前国内外的知名院校如华东理工大学、清华大学、沈阳药科大学等学校的相关专业均把生物工艺学这门课程设置为专业的必修课程，本课程在同类课程中占据相当重要的地位。,我国的发酵技术有着非常悠久的历史。近年来，在发酵生产中除采用传统的工艺外，又引进很多新的生物技术。教材中介绍发酵饮料（酸奶、酸豆奶等）、酒（黄酒、葡萄酒、啤酒）、调味剂（味精、酱油、食醋、柠檬酸、苹果酸）和黄原胶的发酵技术，以及目的产物的提取分离技术。,科学方法,绪论Introduction,工 艺?/工 艺 学?,工艺是将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等。技术是在劳动生产方面的经验、知识和技巧，也泛指其他
6、操作方面的技巧，方法是指为达到某种目的而采取的途径、步骤、手段等。工艺是生产过程中的程序、方法和技巧，它体现了生产活动中的技术等；是生产的艺术。最古老的工艺:原始的石器制作工艺。,通常工艺定义如下：劳动者利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工和处理，改变它们的几何形状、外形尺寸、表面状态、内部组织、物理和化学性能以及相互关系，最后使之成为预期产品的方法及过程。,工艺学 technology,是一门工业科学。尤其在采用先进的机器设备代替手工劳动方面发挥作用。工艺学是在解决现实难点及问题过程中，在新产品和新加工工艺的开发研制过程中，在现有技术发生重大转变过程中所使用的一门实用的科学知识。,一、生
7、命科学的研究对象与内容,生物学(Biology)是研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，即：研究自然界所有生物的起源、演化、生长发育、遗传变异等生命活动的规律和生命现象的本质，以及各种生物之间、生物与环境之间的相互联系。生物学又称生命科学(Life Science)，是自然科学的基础学科之一。广义的生命科学还包括生物技术、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。,20世纪生命科学发展的概况,1866年，孟德尔发表植物杂交实验，奠定了现代遗传学基础。第一阶段：19001953实验生物学阶段两个阶段第二阶段：1953当今 分子生物学阶段,生命现象的本质？生命活动的规律？,19世纪：细胞是生命的
8、基本单位细胞学说：细胞是动植物结构和功能的基本单位，一切生命现象都是以细胞为基础表达的,实验生物学阶段,21世纪是生物技术世纪,未来学家说：21世纪是生物技术世纪；科学家预言：21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。,21世纪生命科学发展的热点,1、基因组计划2、发育生物学3、脑科学4、生物技术5、环境生物学,生物技术作为21世纪高新技术的核心，对人类面临的食品、资源、健康、环境等重大问题发挥越来越大的
9、作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点。,二、生物技术,以现代生命科学理论为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等，并使其具有所期望的品质、特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术体系。,生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点，主要由于两方面的原因：,（1）二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；（2）建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。,生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放
10、人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身,生物技术需要 实验室大量复杂的基础研究工作 多学科交叉生物技术的显著特点 高技术（精细和 密集的复杂技术）高投入（尤其是 前期科研投入高）高利润,利用生物技术的生产线,生物技术又称生物工艺学，最初是由一位匈牙利工程师Karl.Ereky于1917年提出的。当时他提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。因此，生物技术是一门综合性多学科技术，他涉及的基础学
11、科有生物学、化学和工程学。,生物工艺学的定义和特点,生物工艺学(biotechnology)，一般称为生物技术(以下将两者视为同义词可相互通用)，是一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺。当然，现代生物技术和传统生物技术之间既有共同之处，又有很大差异和各自的特点,曾有不少学者或学术组织对生物技术赋以各种定义。目前能广泛接受的定义是由国际经济合作及发展组织在1982年提出的。生物技术是“应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂(biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。这里所谓的生物作用剂可以是酶、整体细胞或多细胞生物体,一般也称为生物催
12、化剂。,国际纯粹及应用化学联合会在1981年对生物技术作了如下定义：生物技术是“将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程(包括医药卫生、能源及农业的产品)及环境保护的技术”。由Moo-Young主编的综合生物技术(共四卷，1985出版)一书中提出：生物技术是“对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产”的技术。由Higgins等编写的生物技术的原理及应用一书中认为“生物技术是生物系统或生物过程的工业利用，它在很大程度上取决于对生物系统及其催化作用专门知识的认识”。,以上定义及其它各种有关定义的内容基本上是一致的。归纳起来可有三个特点1)生物技术是一门多学科、综合性的
13、科学技术；2)反应中需有生物催化剂的参与；3)其最终目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这一过程可称为生物反应过程(bioprocess)。,生物技术的定义,美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义：应用生物或来自生物体的物质以制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。,该定义强调了生物技术的商品属性。克隆羊“多莉”,永远的多莉,What Is Biotechnology?,Biotechnology is a branch of science where living things are used for the creation of
14、products or to perform some tasks for human beings.Plants,animals and even micro-organisms like bacteria are used to produce some benefit to mankind.In the medicine and agriculture field industry,biotechnology helps in producing foods,test for diseases and to remove waste.Biotechnology can also be u
15、sed to solve problems and to help in research.Biotechnology is generally divided into three sub fields-red,white and green biotechnology.Red biotechnology deals with genetically altered microorganisms that are used for producing products like insulin and vaccine for medical use.White biotechnology i
16、nvolves the creation of useful chemicals for the industrial sector through organisms like moulds or yeast.This form of biotechnology is also referred to as grey biotechnology.Green biotechnology,also known as agricultural biotechnology,deals with applications related to agriculture.It is through red
17、 biotechnology based research that antibiotics for different infections have been developed and vaccines for boosting the immune system against disease and to detect and treat any genetic disorders and disease have been produced.Red biotechnology also helps in reproductive technologies like invitro
18、fertilization,DNA profiling,forensics and in technologies of transplantations.It is with the help of white biotechnology that the environment is helped in the control of pest animals and plants.Biotechnology has helped in cleaning up oil spills,protecting endangered species by storing DNA samples to
19、 be used for future research and to help remove any excess nutrients there may be in the soil and water.Research in biotechnology also aims at leaching metals from the soil to provide for clean mining,in the detection of landmines and in the cleaning of arsenic and other metal contamination.Green bi
20、otechnology involves the manipulation of plants and animals to produce species that are more environment friendly and productive.Development of varieties of wheat that are disease resistant by cross breeding different types of wheat is an example of green biotechnology./,Biotechnology is generally d
21、ivided into three sub fields-red,white and green biotechnology.Red biotechnology deals with genetically altered microorganisms that are used for producing products like insulin and vaccine for medical use.White biotechnology involves the creation of useful chemicals for the industrial sector through
22、 organisms like moulds or yeast.This form of biotechnology is also referred to as grey biotechnology.Green biotechnology,also known as agricultural biotechnology,deals with applications related to agriculture.,现代生物技术,生物技术又称生物工程，是利用生物有机体（从微生物到高等动物）或其组成部分（包含器官、组织、细胞和细胞器等）开发新产品或新工艺的一种技术体系。生物技术主要包括基因工程、
23、细胞工程、酶工程、发酵工程和生化工程五大组成部分。,生物工程,基因工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,生化工程,生物工程,商品生产,改造物种,常规菌(或常规细胞株)遗传工程 细胞工程“工程菌”（或“工程细胞株”）,微生物工程 酶工程 生物反应器工程 经济效益 大量产品 社会效益 生态效益,三、微生物工程（发酵工程）,现代发酵工程主要指利用微生物、包括利用DNA重组技术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种商品的技术。现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。,一般发酵工程包括以下基本步骤：（1）菌种选育；（通
24、过细胞诱变或基因工程技术改造等）（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）生产活性的诱导；（在发酵特定阶段，用化学或物理法）（4）菌体及产物的收获（利用浓缩、吸附、过滤、离心、萃取、干燥、重结晶等手段）,发酵工程,发酵工程的产品范围非常广泛。从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料等，还有生物可降解塑料PHB（聚羟基丁酸脂Biopol)等,发 酵 工 程 利用微生物进行产品生产,抗生素、生物制药、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,医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业,基因工程药物、疫苗及抗体产品,化学工程 生物化工 生物加工行业,传统生物技术,现代生物技术
25、基因工程菌发酵,随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和代谢工程等学科的发展，以及分析、检测技术的成熟，工业发酵正在从技艺走向科学，我国大学的发酵工程专业正在融入生物工程专业。发酵工程作为生物工程的最贴近生产的组成部分愈来愈受到科学界和工程技术界的广泛重视。,百思不解：1.为什么同样的设备可以生 产不同的产品？2.为什么有些发酵食品也可 在家里制作？,四、细胞机器,现代发酵工厂，最引人注目的是，在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，一排排银灰色的庞然大物，它们的名字叫发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快地忙碌着。面对此情此景人们不禁要问，工
26、业发酵生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微生物？,“机器”最初定义为由电或蒸汽甚至人力推动的、由各具一定功能的几个部分组成的用于生产的装置，如纺纱机、织布机、缝纫机等。因此“机器”应该是属于工程学的概念。“动物、植物、微生物”是属于生物学的概念，它们的生命活动是由代谢能来驱动的。在人的组织下，如果动物、植物、微生物作为生产的“装置”使用，就可纳入“机器”的范畴，这就是生物机器。,生物机器是从机器衍生的新概念，生物机器是指由代谢能驱动的机器。在这个意义上牛奶工厂的奶牛，水果原料基地的果树，发酵工厂的菌种微生物分别称作为动物生物机器、植物生物机器和微生物生物机器。微生物细胞能自主生活和独立存在，
27、因此微生物生物机器也就是微生物细胞机器，简称细胞机器。,现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产线上不可缺少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物活细胞就是工业发酵生产线上不可缺少的微生物生物机器（或称细胞机器），是发酵工厂里关键的生产机器。,微生物细胞是发酵工厂最重要的机器,细胞机器与普通意义上的机器不同，细胞机器必须由代谢能直接驱动。发酵工厂的生产线上，微生物细胞机器必须完成“在线制造”和“生产运行”的双重任务。,“微生物细胞”是生物学的概念；“微生物细胞机器”是工程学的概念。菌种是有工业生产个性的微生物细胞。微生物细胞机器是从天然的微生物细胞改造成的，因此天然的微生物具有成为微
28、生物细胞机器的潜在能力。,微生物细胞在发酵工业上以细胞机器的身份出现时，必须体现人的意志。然而，“微生物细胞机器”的微生物属性决定了它必须按微生物细胞固有的经济管理原则运行。如果两者不一致怎么办？,人和微生物同是地球上的居民，在理论上处于平等的地位，微生物没有为人类服务的义务。人贵有自知之明，因为人有思想。,千千万万年的物竞天择早已决定了微生物的价值取向；在工业发酵中，人控制下的微生物细胞机器与微生物自身的价值取向不一定一致，为了引导微生物为人类服务，人必须发挥主观能动作用，遵循并灵活应用这些原则，正确处理工业发酵生产中人与微生物的对立统一关系，促成微生物与人的合作。,百思不解：1.为什么同样
29、的设备可以生 产不同的产品？2.为什么有些发酵食品也可 在家里制作？,微生物的发酵途径，因不同的微生物物种、不同的能源化合物、不同的环境条件而五花八门，体现了微生物生命活动的多样性。,五、微生物的营养类型,按同化作用（生物合成）方式的不同，可以把微生物分为自养型和异养型；按异化作用（生物氧化）方式的不同，可把微生物分为需氧型和厌氧型。,微生物的营养类型，是按微生物对其从环境中吸收的营养进行不同方式的代谢而划分的代谢类型。根据微生物代谢中使用的能源和碳源可将微生物原则地划为 4 个营养类型。,营养类型,化能异养型微生物可以广泛地利用各种各样的有机物进行生长和繁殖。在发酵工业上发酵生产的原料大多是
30、农副产品。微生物必须能合成并分泌能分解这些原料的酶，把原料转化成可以进入细胞的有机营养物质。化能异养型微生物，目前已被广泛地用作工业发酵的生产菌种，其它营养类型的微生物也正在环保、食品、化工等领域得到开发和应用。,根据工业发酵的历史，把依靠化能异养型微生物合成某最终被分泌到胞外的初级代谢产物（目的产物）的过程，作为工业发酵的典型过程来研究。如果要在发酵液中获得大量的目的产物，先决条件是必须有一定量的细胞存在，而且细胞的生命活动必须得到维持。,Industrial Microbiology and Fermentation Technology,Industrial Microbiology i
31、s the discipline that uses microorganisms,usually grown on a large scale,to produce valuable commercial products or carry out important chemical transformations.Fermentation Technology is the technology to grow cells in a large scale with high efficiency,it also includes product recovery processes.,
32、日常生活中的生物技术 源远流长的发酵技术,Use of yeast in a brewery,典型户外工厂示意图,本课程主要学习内容:,第一篇 发酵工程第1章 发酵工程介绍第2章 发酵工艺条件的确定第3章 发酵过程用微生物,第二篇食品制造中的细菌及其应用第4章 食醋第5章 发酵乳制品的生产第6章 发酵豆奶第7章 谷氨酸发酵第8章 黄原胶,第三篇食品制造中的酵母及其应用第9章 面包第10章 酿酒(啤酒、葡萄酒）,第四篇食品制造中的霉菌及其应用第11章 酱类第12章 酱油第13章 柠檬酸第14章 苹果酸,人类活在世上并不自由。科学是人类解放自己最有效、最理想的的途径。尽管金钱可以增大人类活动的自由度，但金钱买不到的，通过科学的途径总有一天可以得到。,
