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1、发酵原理,绪论发酵工业菌种发酵工业培养基设计发酵工业的无菌技术发酵工业的种子制备发酵动力学发酵工业中氧的供需,发酵过程控制发酵罐放大与设计基因工程菌发酵发酵产物的提取与精制发酵工业清洁生产技术发酵经济学发酵产品生产原理与技术应用发酵工程在现代生物化工中的应用,第一章 绪论,发酵工程的概念以及与相关学科的关系发酵工程的发展发酵工业的特点和研究范畴工业发酵的类型和工艺流程发酵工程的应用发酵工业的发展前景,生物技术,以生命科学为基础结合先进的工程技术手段和其他自然科学原理按照预先的设计改造生物体利用微生物、植物或动物体对原料进行加工生产出人类所需要的产品或达到某种目的的技术,一 发酵工程的概念以及与
2、相关学科的关系,发酵工程的概念,发酵,沸腾,生物化学家工业微生物学家,发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程 发酵工程：利用微生物的生长繁殖和代谢活动来生产人们所需产品的理论和工程技术体系。包括菌种的选育和保藏、菌种的扩大生产、微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化、微生物生理功能的工业化应用,现代发酵工程：利用微生物工业菌种，特别是经DNA重组技术构建的微生物基因工程菌生产商业产品,微生物学：菌种分离鉴定改造以及基因工程菌生化工程技术：创造最适发酵条件，获得最大生产效率,发酵生产流程图,从外界分离菌种,细胞工程,基因工程,诱变育种,生产菌种,发酵罐,灭菌的培养
3、基,分离、提纯,菌体,代谢物,发酵工程与相关学科的关系,基因工程和细胞工程（上游生物技术）源头上改变遗传特性来获得具有优良加工和转化能力的新品种 发酵工程 生物的优良遗传性状通过微生物生长繁殖得以表达，生产目的产物 酶工程,基因工程,基因工程是指在体外将目的基因插入载体的遗传物质中，并将其导入原来没有此基因的受体细胞内，使目的基因在受体细胞内得以表达，进而得到人类需要的基因产物。,细胞工程,细胞工程是采用类似工程设计的方法，运用细胞学技术、有计划的改造细胞遗传特性，从而培养出人们所需要的动植物品种或有具有某些新性状的细胞群体。,酶工程,酶工程是研究酶的生产和应用的技术学科，包括酶制剂的制备、酶
4、的固定化、酶的修饰和改造以及酶反应器等内容。,生化工程,生化工程是实验室成果实现产业化的技术支撑。包括生物反应和分离纯化过程的放大技术及其装备。,中下游生物技术,生化工程,发酵工程,二 发酵工程的发展,发酵的本质 酿酒、制醋、生产酱油 1680年，荷兰的列文虎克制成显微镜 1897年，德国毕希纳提出酶催化理论,自然发生说,酶学理论,亚里士多德尼达姆生命是 自然发生的,弗郎希斯科施罗德PasteurBuchner发酵的本质,路易斯巴斯德（LouisPasteur），法国微生物学家、化学家，开辟了微生物领域，近代微生物学的奠基人。巴斯德证明了三个科学问题：（1）每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展
5、。“巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。（2）每一传染病都是一种微菌在生物体内的发展。（3）传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，使他们从病菌变成防病的药苗。,巴氏灭菌法又称低温灭菌法，先将要求灭菌的物质加热到6530分钟或7215分钟，随后迅速冷却到10以下。既不破坏营养成分，又能杀死细菌的营养体，巴斯德发明的这种方法解决了酒质变酸的问题，拯救了法国酿酒业。,发酵工程的发展,1900年前，自然发酵阶段。1900-1940年，纯培养技术的建立第一转折点1940年后，深层液体通气搅拌纯种培养第二转折点代谢控制发酵工程技术的建立第三转折点开拓发酵原料,发展发酵放大技术采用基因工程菌生产新产
6、物,20世纪60年代，粮食紧张和饲料需求的增加 开发微生物细胞为饲料蛋白 石油产品作为发酵原料 推动了发酵生产的连续化和自动化发展,开始人为控制微生物的发酵进程，发酵效率逐步提高；生产规模扩大，产量提高，对发酵工业起了巨大的推动作用。主要产物：甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮等,青霉素是指从青霉菌培养液中提取的，能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。青霉素类抗生素是-内酰胺类中一大类抗生素的总称。主要对革兰氏阳性菌有效，过敏反应强。,基因工程可以在不相关的生物间转移基因，还可精确的对一个基因组进行交换，定向改变生物性状与功能，创造新物种。
7、大大丰富了发酵工业的内容，使发酵工业发生革命性的变化,三 发酵工业的特点和研究范畴,发酵工业：利用微生物具有的加工和生物转化能力，将廉价的发酵原料转化为高附加值产物的产业,廉价原料生产高价值产品,专一性强,常温、常压、反应条件温和,生物转化修饰,不受自然条件的限制,发酵工业的特点,发酵工业的研究范畴,微生物菌体,生物转化,酶制剂,代谢产物,微生物菌体,酵母,SCP,SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金杆菌）活性乳制剂,酶制剂：糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等 酶可用于淀粉糖、酒类、果蔬、奶制品和肉类制品等的加工生产；酶作为添加剂应用于洗涤剂、饲料
8、、纺织和皮革等行业中；酶用于疾病诊断和治疗、药物生产等医学领域中；用于可再生能源的生产以及环境污染的治理等领域,代谢产物 初级代谢产物：对数生长期产生的代谢产物，是细胞生长和繁殖所必需的物质。具有重要的应用价值，供商业开发。次级代谢产物：微生物进入缓慢生长期或者停止生长时期即稳定期所产生的物质。药物筛选和开发的重要资源。,初级代谢产物：与菌体生长相伴随的产物，氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累,次级代谢产物：与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原料而合成 抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感,生物转化,概念,利用微生物细胞或酶
9、对某些化合物的特定部位进行催化修饰，使之转化为结构相似具有更大经济价值的化合物,范畴,脱氢，氧化，羟化，缩合，还原，脱羧，氨化以及异构作用等,优点,效率高专一性强条件温和,含环戊烷多氢菲核的化合物；甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的；可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此,如：甾体转化,化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett,576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年938mg醋酸可的
10、松）生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世）,四 工业发酵的类型与工艺流程,对氧的需求,培养基物理性状,发酵的工艺流程,需氧发酵厌氧发酵兼性厌氧发酵,液体发酵固体发酵（浅盘固体发酵和深层固体发酵）,工业发酵的类型,分批发酵连续发酵补料分批连续发酵,发酵生产的工艺流程,发酵的工艺过程,培养基的制备灭菌接种控制发酵条件产物的提取与精制回收处理三废物质,五 发酵工程的应用,医药工业,药物：能影响机体生理、生化和病理过程，用以调节身体机能或抵御病原微生物的化学物质。,抗生素：12 000余种青霉素、金
11、霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等,氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）,维生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等,生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等,酶抑制剂：棒酸（可抑制-内酰胺酶对青霉素的破坏）-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病 胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂,药物,化学合成药物工艺复杂条件苛刻污染严重毒副作用大,生化药物和天然药物生产受到资源的限制，价格偏高,微生物发酵药物抗生素、维生素、氨基酸,医药工业的发展方向,应用微生物技术研究开发新药和替代传统制药工业
12、技术，加快医药生物技术产品的产业化规模和速度,食品工业,发酵工程贡献的食品占食品工业的15%以上,农产品经过微生物处理，可得到风味各异的食品,与化学法相比，发酵法生产在毒理学和微生物学方面更安全,1,2,3,发酵食品的种类,酵母有机酸谷氨酸调味料红茶和乌龙茶酒类酒精发酵乳制品,酸奶,酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。,酸奶的生产,原料乳,杀菌,冷却,接种,乳酸菌纯培养物,母发酵剂,生产发酵剂,灌装,发酵,冷藏,检验出厂,
13、乳酸菌的种类,乳酸菌是一类可利用碳水化合物产生大量乳酸的细菌,嗜热链球菌,嗜酸乳杆菌,乳酸链球菌,双歧杆菌,促进乳中酪蛋白的吸收,防止有机体大量积累吲哚和酚等有害物质,抑制肠道内腐败细菌的生长和繁殖,乳酸菌产生的有机酸促进胃肠蠕动，利于消化,乳酸菌的作用,醪糟,醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。,啤酒制造工艺流程,啤酒制造工艺流程,啤酒的生产,能源工业,生物乙醇,沼气,微生
14、物采油,生物电池,优势减少了对常规能源的依赖，节约常规能源，有利于国家安全促进了废弃物的资源化利用环境友好带动相关产业的发展，增加就业机会，增加收入和推动当地经济的发展改变农村的面貌，有利于社会主义新农村建设,在化工中的应用,醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等,冶金工业,细 菌 冶 金,概念,应用,将微生物及其代谢产物作为浸矿剂，喷在矿石上，从浸取液中得到有用金属,金、银、铜、锰、钴等,生 物 肥 料,发酵工程在农业中的应用,生 物 农 药,抗 生 素,添 加 剂,酶 制 剂,生 长 调 节 剂,SCP 饲 料,生物农药：杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）,生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等,SCP是指通过大规模培养方式获得微生物菌体蛋白,实现生产过程的自动化不与农作物竞争耕地不依赖季节和气候条件生产原料广泛营养价值高环境友好微生物生长速率高蛋白质食物和饲料匮乏的途径,环境保护,工业三废生活垃圾农业废弃物,变废为宝净化环境,六 发酵工程的发展前景,基因工程的发展新型发酵设备的研制大型化、连续化、自动化控制技术的应用代谢机理与调控的研究生态型发酵工业的兴起可再生资源的利用,
