发酵工程 Fermentation Engineering1酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。采用现代工程技术手段，利用微生物的某些 特定功能为人类生产有用的产品，或直接把微生 物应用于工业生产过程的一种新技术。传统定 义现代工业 定义生理和生 化定义发酵的定义以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。2基因工程机械工程计算机工程细胞工程化学工程酶工程3菌种培养 食品工业 医药工业 污水处理 4目前全球发酵产品的年销售额 400 亿美元左右，并以每年 7-8% 的速度增长，我国发酵行业 5000 多家，主要发酵产品的年产值 1400 亿元。发酵工程在国民经济中占据了重要的地位！5v发酵工程概 况发 酵 工 程v微生物发酵过程v液体深层发酵v固体发酵v典型产品的发酵生产6发酵工程概况发酵工业的发展史发酵工业的发展史发酵类型发酵类型发酵技术的特点发酵技术的特点发酵技术的应用发酵技术的应用71.传统的微生物发酵技术天然发酵 (距今8000年17世纪50年代)发酵工业的发展史开创者：各国劳动人民，其中尤以我国 的制曲、酿酒、制醋技术著称。特点：未见也未知细菌等微生物个体,利 用微生物自然发酵制造产品,生产是作坊式, 产品粗放,质量不稳定。82.第一代微生物发酵技术纯培养技术 （1665年-20世纪初）1665年: A Leeuwenhoek1905年: Christian Hansen 1857年: Pasteur and Koch 9v自制的单式显 微镜观察到细 菌的个体；v 对某些微生 物形态进行了 描述。为微生物的研究提供了有力的工具! 1011巴斯德（Louis Pasteur） （18221895年）柯赫（Robert Koch） （ 18431910年） 12巴斯德 (1) 发现并证实发酵是由活的小生物微生物 引起的(2) 彻底否定了“自然发生”学说(3) 巴氏杀菌法(4) 免疫学预防接种131415（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b）流动蒸汽灭菌c）染色观察和显微摄影柯 赫 16（2）为病原细菌的研究作出了突出贡献：a）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；c）建立著名的柯赫原则1905年获诺贝尔奖17证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则18汉森 Christian Hansen (1842 - 1909)成功地分离了 单个酵母细胞, 发明了啤酒酵母 的纯培养方法, 实现了大规模工 业化生产。人类从自然发酵到纯培养人工控 制发酵的转折点！19特 点：建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；开创了寻找病原微生物的“黄金时期”；把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究 的新水平；微生物学以独立的学科形式开始形成。201928年 青霉素的发现; 20世纪40年代 青霉素开始产业化生产，建立深 层液体通风培养技术;20世纪50年代 抗生素、有机酸、酶制剂和氨基 酸等相继进入工业化生产。2.第二代微生物发酵技术深层培养技术 （1928年-20世纪50年代）通风搅拌发酵时期1945年获诺贝尔奖2120世纪50年代，第一株谷氨酸棒杆菌分离。微生物通过人工诱变，获得代谢改变的突变 株，在控制条件下，选择性大量生产目的产物 。代谢控制发酵时期22特 点：进入微生物生化水平的研究；应用微生物的分支学科扩大,出现了抗生素等学科；开始寻找各种有益微生物代谢产物；普通微生物学开始形成；各学科技术相互渗透促进，加速了微生物学的发展。232.第三代微生物发酵技术基因工程技术 （1953年至今）开创者：Watson 和CrickDNA体外重组，转入受体细胞 中，进行繁殖和遗传下去，从而 达到定向地改变生物性状与功能 创新的物种。24特 点:微生物学从较为孤立的以应用为主的学科， 成为一门十分热门的前沿基础学科；在基础学理论的研究方面，逐步进入到分子 水平的研究，并成为最主要的研究对象；在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可 人控制的方向发展。2526微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵生物工程细胞发酵发酵类型27、微生物菌体发酵杀虫剂杀虫剂菌体蛋白 发酵生物生物 防治剂防治剂药用真菌药用真菌酵母发酵菌体发酵目的：以获得具有某种用途的微生物菌体目的：以获得具有某种用途的微生物菌体28特点：微生物种类多、产酶品种多、生产容 易、成本低、易于工业化生产，便于改善工艺 提高产量。应用：多用于食品和轻工业，医药生产和医 疗检测中。 、微生物酶发酵29初级代谢产物：菌体对数生长期形成的产物，是细胞自身生长所必 需的。有氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸和糖类等。次级代谢产物：在菌体生长缓慢或停止生长时即稳定期所合成的一 些具有特定功能的产物。种类包括抗生素、生物碱、 细菌毒素、植物生长因子等。、微生物代谢产物发酵30应用：醋酸发酵和抗生素的生物转化 、微生物的转化发酵定义：利用微生物细胞的一种或多种酶，把 一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的 产物。脱氢反应、氧化反应、脱水反应、脱羧 反应、脱氨反应和异构化反应等。31利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA 重组的“工程菌”以及细胞融合所得的杂交细 胞等进行培养的新型发酵。产物：胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶以及单克隆抗体等。、生物工程细胞的发酵32v在发酵设备中一次完成。v反应条件温和,能耗少,设备简单。v原料来源广泛。v易产生高分子化合物，并能进行特定修饰。v严格注意防止杂菌污染。发酵技术的特点33发酵技术的应用发 酵 技 术医药 工业食品 工业能源 工业化学 工业冶金 工业农业34发酵过程类别微生物发酵过程工业上常用的微生物菌种微生物培养基微生物发酵的一般过程35发酵过程类别厌氧发酵和好氧发酵根据对氧的需要：根据培养基物理性状：液体发酵和固体发酵 根据发酵设备：敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵36好氧发酵：在发酵过程中不断地通入一定量的无 菌空气。 应用：柠檬酸、谷氨酸以及多糖的发酵。厌氧发酵：在发酵过程中不需要供给空气。 应用：乳酸、丙酮和丁醇发酵等。37敞口发酵：设备要求简单、应用于繁殖快并进行 好 氧发酵的类型。如酵母生产。密闭发酵：是在密闭的设备内进行，设备要求严 格，工艺也较复杂。浅盘发酵：在浅盘培养液中接入菌种，形成一层 菌膜。在缺乏通气设备时，应用于一些繁殖快 的好氧性微生物。深层发酵：是指在液体培养基内部进行的微生物 培养过程。 38v遗传特性稳定，不易变异退化。v生长繁殖能力强，有较高的生长速率。v不(少)产生与目标产品性质相近的副产物。v有利用广泛来源原材料的能力，对发酵原料成 分的波动敏感性小。v发酵条件易于控制。工业生产对菌种的要求39发酵工业中常用微生物霉 菌酵母菌放线菌细 菌40细 菌（bacteria） 球状杆状螺旋状基本形态41（1）球状细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。42（2）杆状细胞呈杆状或圆柱状，一般其粗细和两端形状比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。43发酵工业中常用的有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌等，产物 包括淀粉酶、乳酸、醋酸以及氨基酸等。44（3）螺旋状弧菌螺旋菌螺旋体菌45根据革兰染色法分类：革兰阳性菌(G)：细胞壁化学成分以肽 聚糖为主,其次是磷壁酸。包括金黄色葡萄 球菌、芽孢杆菌和双歧杆菌等。革兰阴性菌(G)：细胞壁中肽聚糖含量 较低，不含磷壁酸，脂类和蛋白质含量较高 。包括大肠杆菌、醋酸杆菌和假单胞菌等。4647v初染：结晶紫染色滴加结晶紫染液于涂片上，染1分钟，水洗，甩干。v 媒染：碘液媒染碘液，1分钟后水洗，甩干。v 脱色：乙醇脱色加95酒精数滴于涂片上，约30秒钟，水洗，甩干。v 复染：番红复染复染1分钟后，水洗，待干油镜镜检。 革兰氏染色法（Gram Stain）4849细胞保留初染剂蓝紫色的细菌为革兰氏阳性菌； 细胞中初染剂被脱色剂洗脱而染上复染剂的颜色的 细菌为革兰氏阴性菌。Gram - Gram +50放线菌是具有菌丝、以孢子进行繁殖、 革兰氏染色阳性的一类原核微生物，属于真 细菌范畴。在形态上具有分枝状菌丝、菌落 形态与霉菌有些相似。放线菌（Actinomyces）51放线菌的结构气生菌丝气生菌丝孢子丝孢子丝孢子孢子基内基内菌丝菌丝培养基培养基52抗生素中70以上由放线菌生产，产物 有链霉素、金霉素、红霉素和庆大霉素等。有的放线菌可用于生产维生素、酶制剂； 此外，在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、 污水处理等方面也有应用。53定义: 泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌。一般以单细胞状态存在出芽繁殖是主要的生殖方式发酵糖类产能适宜多糖偏酸性的生态环境细胞含有丰富的营养成分酵母菌（Yeast）54v酵母有56属，500多种，与人类的关系极其密切 ，成为 “基因工程菌”。 包括有啤酒酵母、 假丝酵母、类酵母等。v产物：酿酒、制造面包、脂肪酶生产、酵母菌 体蛋白等。5556也称丝状真菌，指那些菌丝体较为发达又不 产生大型肉质子实体结构的真菌。霉菌的繁殖能力极强，可进行无性繁殖和有性 繁殖，通过产生无性孢子或有性孢子来实现。霉菌（Mould）57无横隔膜，整个菌丝就是一个 单细胞，根霉、毛霉等有横膈膜，整个菌丝体由许多细 胞构成，如青霉、曲霉等58工业上有机酸、酶制剂、抗生素、维生素等生产食品酿造如酿酒、酱油、食醋和干酪的制造等在基础理论研究方面，霉菌是良好的实验材料大量真菌可引起产品的霉变、植物病害和传染病59v担子菌称菇类微生物，应用于多糖、橡胶物质和抗 癌药物等方面的研究开发。如香菇中的1,- -葡萄糖苷酶具有抗癌作用。其他微生物60v藻类是自然界分布及广的一大群自养微生物资源。培养螺旋藻按干重计算，每公顷可收获60t，而 种植大豆才收获t；从蛋白产率看，螺旋藻是大 豆的28倍，珊列藻是小麦的2035倍。单胞藻可将 CO2转变为石油，培养单胞藻可获得占细胞干重的 35%50%石油，提炼为汽油、煤油和其他产品； 每年每公顷地培植的单胞藻按35%干物质为碳氢化 合物计算，可得到60t石油燃料。61定义：在微生物体外对DNA分子进行重新 组合，然后克隆到适合的宿生细胞中进行增 殖和表达所得重组体菌株。v基因工程菌应用：在制药工业中广泛应用，如胰岛素、 干扰素、生长激素和乙型肝炎疫苗等。62理想工程菌株的条件：v性能稳定,重组的DNA片段不易脱落；v菌株是分泌型菌株，发酵产品具有高转化率、高 产量和高产率的特点；v菌株能利用常用的碳源进行连续培养；v菌株是不致病的，也不产生内毒素；v发酵所产热和需氧量低，发酵温度适当，容易进 行操作控制。63