【發(fā)酵工程】余龍江版 第1章_緒論

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1、1發(fā)酵工程發(fā)酵工程2教材及主要參考書教材及主要參考書教材：教材：余龍江，余龍江，發(fā)酵工程原理及技術(shù)應(yīng)用發(fā)酵工程原理及技術(shù)應(yīng)用，化學(xué)工，化學(xué)工 業(yè)出版社，業(yè)出版社，2006.2006. 參考書：參考書：1.1.酶工程（第二版）酶工程（第二版）. .郭勇郭勇. . 科學(xué)出版社科學(xué)出版社,2004,2004年年2.2.俞俊棠新編生物工藝學(xué)化學(xué)工業(yè)出版社，俞俊棠新編生物工藝學(xué)化學(xué)工業(yè)出版社，2003.2003.3.3.曹軍衛(wèi)微生物工程曹軍衛(wèi)微生物工程 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2002.2002.4.4.賀小賢生物工藝原理賀小賢生物工藝原理 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社. 2003. 2003.5.5.

2、尹光琳尹光琳, ,戰(zhàn)立克戰(zhàn)立克, , 趙根楠發(fā)酵工業(yè)全書中國醫(yī)藥趙根楠發(fā)酵工業(yè)全書中國醫(yī)藥科技出版社科技出版社. 1992. 1992.3第一章第一章 緒論緒論第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工程發(fā)展簡史發(fā)酵工程發(fā)展簡史第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)用范圍發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)用范圍第四節(jié)第四節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)酵工程前沿及應(yīng)用前景發(fā)酵工程前沿及應(yīng)用前景41 1、何為發(fā)酵？、何為發(fā)酵？n最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于

3、果汁或麥芽汁產(chǎn)最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。 ferverferver：發(fā)泡、沸騰發(fā)泡、沸騰 fermentationfermentation微生物的微生物的發(fā)酵現(xiàn)象發(fā)酵現(xiàn)象一、發(fā)酵工程定義一、發(fā)酵工程定義第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的發(fā)酵工程定義及在生物技術(shù)中的地位地位5 發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝發(fā)酵是指有機化合物進行無氧代謝釋放能量釋放能量 的過程的過程 厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化厭氧發(fā)酵是厭氧菌借助氧化-還原反應(yīng)還原反應(yīng)釋放能量釋放能量的過程的過程 發(fā)酵是酵母無氧呼吸發(fā)酵是酵母無氧呼吸產(chǎn)

4、生能量產(chǎn)生能量的過程的過程 需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時的不需氧發(fā)酵是好氧生物在受到分子態(tài)氧短缺限制時的不 完全氧化完全氧化釋放能量釋放能量的過程的過程 n生物化學(xué)家看待微生物發(fā)酵過程：生物化學(xué)家看待微生物發(fā)酵過程：側(cè)重能量代謝側(cè)重能量代謝6利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來利用生物細胞（包括動、植物細胞）培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物生產(chǎn)產(chǎn)物的所有過程（需氧過程、的所有過程（需氧過程、 細胞工程）細胞工程）發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來發(fā)酵是利用微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)產(chǎn)物生產(chǎn)產(chǎn)物的無氧或需氧的任何的無氧或需氧的任何過程過程n工業(yè)微生物學(xué)家：工業(yè)微生物學(xué)家：側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)側(cè)重產(chǎn)品的生產(chǎn)厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，

5、如酒精，乳酸等。厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑 等。等。 產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等7發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì) 顯微鏡觀察：微生物顯微鏡觀察：微生物 著名的巴斯德實驗：微生物作用著名的巴斯德實驗：微生物作用 著名的布希納實驗：酵素（酶）的作用著名的布希納實驗：酵素（酶）的作用82. 發(fā)酵工程概念？發(fā)酵工程概念？ 微生物細胞加工技術(shù)過程優(yōu)化與放大微生物細胞加工技術(shù)過程優(yōu)化與放大 發(fā)酵工程發(fā)酵工程：利用微生物的生長和代謝活動來大量生

6、：利用微生物的生長和代謝活動來大量生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的過程理論與工程技術(shù)體系過程理論與工程技術(shù)體系。 該技術(shù)體系主要包括菌種選育與保藏、菌種擴大生該技術(shù)體系主要包括菌種選育與保藏、菌種擴大生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的生物合成與分離純化制備等技術(shù)集產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的生物合成與分離純化制備等技術(shù)集成。成。9 釀造及食品業(yè)、抗生釀造及食品業(yè)、抗生素、氨基酸、核苷酸、有素、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等肥料等 基因工程藥物、細胞基因工程藥物、細胞工程藥物、疫苗；替代工程藥物、疫苗；替代石油工業(yè)的大宗量的生石油工業(yè)的大宗量的

7、生物基化學(xué)品等。物基化學(xué)品等。10 傳統(tǒng)大型發(fā)酵工傳統(tǒng)大型發(fā)酵工業(yè)的中央控制業(yè)的中央控制現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的中央控制的中央控制11二 發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位發(fā)酵工程在生物技術(shù)中的地位 生物技術(shù)：應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生生物技術(shù)：應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生物及其細胞的催化作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)物及其細胞的催化作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務(wù)的技術(shù)。品或為社會服務(wù)的技術(shù)。發(fā)酵工程是生物技術(shù)的應(yīng)用基發(fā)酵工程是生物技術(shù)的應(yīng)用基 礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。12 分離和純化產(chǎn)品。分離和純化產(chǎn)品。包括固液分離技術(shù)、細包括固液分離技術(shù)、細胞

8、破壁技術(shù)、產(chǎn)物純化胞破壁技術(shù)、產(chǎn)物純化技術(shù)，以及產(chǎn)品檢驗和技術(shù)，以及產(chǎn)品檢驗和包裝技術(shù)等包裝技術(shù)等 下游技術(shù)發(fā)酵過程控制，主要包發(fā)酵過程控制，主要包括發(fā)酵條件的調(diào)控，無括發(fā)酵條件的調(diào)控，無菌環(huán)境的控制，過程分菌環(huán)境的控制，過程分析和控制等析和控制等 中游技術(shù)廣義發(fā)酵工程對生物廣義發(fā)酵工程對生物學(xué)和工程學(xué)的要求學(xué)和工程學(xué)的要求 優(yōu)良種株的選育和保優(yōu)良種株的選育和保藏（包括菌種篩選、改造，藏（包括菌種篩選、改造，菌種代謝路徑改造等），菌種代謝路徑改造等），上游技術(shù)上中下游相互關(guān)聯(lián)！上中下游相互關(guān)聯(lián)！13生物技術(shù)體系生物技術(shù)體系生化工程生化工程酶工程酶工程細胞工程細胞工程發(fā)酵工程發(fā)酵工程 產(chǎn)物產(chǎn)物

9、產(chǎn)品產(chǎn)品 產(chǎn)品產(chǎn)品基因工程基因工程 產(chǎn)品產(chǎn)品強調(diào)過程優(yōu)強調(diào)過程優(yōu)化與控制化與控制14第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工程發(fā)展簡史發(fā)酵工程發(fā)展簡史 1900以前以前 自然發(fā)酵階段自然發(fā)酵階段 19001940 純培養(yǎng)技術(shù)的建立純培養(yǎng)技術(shù)的建立 19401950 通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立通氣攪拌純培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)的建立 19501960 誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立誘變技術(shù)與代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立 19601970 開拓發(fā)酵原料時期（石油發(fā)酵時期）開拓發(fā)酵原料時期（石油發(fā)酵時期） 1970年以后年以后 進入基因工程菌發(fā)酵時期，以及細胞進入基因工程菌發(fā)酵時期，以及細胞 大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的全面發(fā)展。大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)

10、的全面發(fā)展。 近年來，以現(xiàn)代生物技術(shù)和過程工程技術(shù)為基礎(chǔ)近年來，以現(xiàn)代生物技術(shù)和過程工程技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)突飛猛進。的現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)突飛猛進。15一、自然發(fā)酵階段一、自然發(fā)酵階段 主要是釀造工業(yè)主要是釀造工業(yè) 主要產(chǎn)品：酒、酒精、醋、主要產(chǎn)品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等啤酒、干酪、酸乳等 17世紀，能在容量為世紀，能在容量為1500桶（一桶約桶（一桶約136升）的升）的 木質(zhì)大桶中進行第一次真正的大規(guī)模釀造木質(zhì)大桶中進行第一次真正的大規(guī)模釀造 1757年應(yīng)用溫度計；年應(yīng)用溫度計；1801 使用原始熱交換器使用原始熱交換器 主要特點：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng)主要特點：嫌氣發(fā)酵，非純種培養(yǎng)

11、 ，產(chǎn)品質(zhì)，產(chǎn)品質(zhì) 量不穩(wěn)定量不穩(wěn)定16二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立二、純培養(yǎng)技術(shù)的建立 Koch首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純粹培首先發(fā)明固體培養(yǎng)基，建立細菌的純粹培養(yǎng)養(yǎng) Petri創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿創(chuàng)造一種培養(yǎng)皿(petri dish)用于微生物平用于微生物平板分離板分離 Winograsky和和 Beijerink發(fā)明富集培養(yǎng)法，分離發(fā)明富集培養(yǎng)法，分離特定的微生物特定的微生物 主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等主要產(chǎn)品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等17 第一次世界大戰(zhàn)，第一次世界大戰(zhàn)， Weizmann 發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)發(fā)明了丙酮丁醇發(fā)酵，建立了真正的酵，建立了真正的無雜菌發(fā)酵無雜菌發(fā)酵。

12、在面包酵母的生產(chǎn)中首先采用了分批補料培養(yǎng)技在面包酵母的生產(chǎn)中首先采用了分批補料培養(yǎng)技術(shù)。術(shù)。 主要特點：純培養(yǎng)為主、嫌氧發(fā)酵，產(chǎn)品產(chǎn)量主要特點：純培養(yǎng)為主、嫌氧發(fā)酵，產(chǎn)品產(chǎn)量 質(zhì)量控制水平大大提高質(zhì)量控制水平大大提高純培養(yǎng)技術(shù)的建立純培養(yǎng)技術(shù)的建立18三、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立三、通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立標志：標志：純種培養(yǎng)深層發(fā)酵生產(chǎn)青霉素純種培養(yǎng)深層發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 主要技術(shù)進展：主要技術(shù)進展：通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問題。通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)的供氧問題。無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計解決了耗氧發(fā)酵中的雜菌

13、罐的密封與抗污染設(shè)計解決了耗氧發(fā)酵中的雜菌污染問題。污染問題。19主要特點：主要特點：耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)模化純培養(yǎng)發(fā)耗氧發(fā)酵實現(xiàn)規(guī)?；兣囵B(yǎng)發(fā) 酵，一系列過程工程技術(shù)創(chuàng)新酵，一系列過程工程技術(shù)創(chuàng)新意義：意義：推動抗生素工業(yè)乃至整個發(fā)酵工業(yè)快速發(fā)展推動抗生素工業(yè)乃至整個發(fā)酵工業(yè)快速發(fā)展建立了完整的好氧發(fā)酵放大技術(shù)及裝備建立了完整的好氧發(fā)酵放大技術(shù)及裝備奠定了現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的理論和實踐基礎(chǔ)奠定了現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的理論和實踐基礎(chǔ)通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立20四、代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立四、代謝控制發(fā)酵技術(shù)的建立 基于代謝途徑及其調(diào)控實現(xiàn)微生物菌種選育和控基于代謝途徑及其調(diào)控實現(xiàn)微生物菌種選育和

14、控制發(fā)酵。制發(fā)酵。 代謝控制發(fā)酵技術(shù)：應(yīng)用生物化學(xué)的代謝知識和代謝控制發(fā)酵技術(shù)：應(yīng)用生物化學(xué)的代謝知識和遺傳學(xué)理論，選育微生物突變株，從而調(diào)控微生遺傳學(xué)理論，選育微生物突變株，從而調(diào)控微生物代謝，大量積累目標發(fā)酵產(chǎn)物。物代謝，大量積累目標發(fā)酵產(chǎn)物。 主要應(yīng)用：主要應(yīng)用：氨基酸氨基酸及核苷酸等基于初生代謝產(chǎn)物及核苷酸等基于初生代謝產(chǎn)物 的發(fā)酵生產(chǎn)，以及有機酸的發(fā)酵生產(chǎn)，以及有機酸 、抗生素等抗生素等 21五、開拓新的發(fā)酵原料時期五、開拓新的發(fā)酵原料時期 目的目的：以烴類為碳源生產(chǎn)微生物細胞作為飼：以烴類為碳源生產(chǎn)微生物細胞作為飼 料蛋白質(zhì)的來源料蛋白質(zhì)的來源 技術(shù)進步技術(shù)進步： 發(fā)展了高壓噴射式

15、、強制循環(huán)式等多種發(fā)發(fā)展了高壓噴射式、強制循環(huán)式等多種發(fā) 酵罐及其發(fā)酵技術(shù)酵罐及其發(fā)酵技術(shù) 計算機和自動控制技術(shù)的運用：滅菌和發(fā)計算機和自動控制技術(shù)的運用：滅菌和發(fā) 酵過程自動控制，促進發(fā)酵工業(yè)朝酵過程自動控制，促進發(fā)酵工業(yè)朝連續(xù)化、連續(xù)化、 自動化方向自動化方向發(fā)展發(fā)展 22 特點特點： 解決發(fā)酵原料及人畜爭糧問題；解決發(fā)酵原料及人畜爭糧問題； 規(guī)模和自動化程度顯著提高，能耗過大。規(guī)模和自動化程度顯著提高，能耗過大。開拓新的發(fā)酵原料時期開拓新的發(fā)酵原料時期23六、基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段）六、基因工程階段（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新階段） 主要標志主要標志 基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)以及基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)以

16、及基因工程技術(shù)應(yīng)用基因工程技術(shù)應(yīng)用世界上已批準上市的世界上已批準上市的基因工程藥物有幾十基因工程藥物有幾十種，如：胰島素、人種，如：胰島素、人生長激素等。生長激素等。24 主要特點主要特點 基因工程技術(shù)、細胞工程技術(shù)、酶工程技術(shù)基因工程技術(shù)、細胞工程技術(shù)、酶工程技術(shù)以及發(fā)酵過程優(yōu)化及放大技術(shù)的全面進步以及發(fā)酵過程優(yōu)化及放大技術(shù)的全面進步 高產(chǎn)微生物代謝產(chǎn)物及非微生物代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)微生物代謝產(chǎn)物及非微生物代謝產(chǎn)物的基因工程菌構(gòu)建及產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)基因工程菌構(gòu)建及產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn) 主導(dǎo)碳氧經(jīng)濟發(fā)展，碳氫經(jīng)濟的替代及生物主導(dǎo)碳氧經(jīng)濟發(fā)展，碳氫經(jīng)濟的替代及生物煉制技術(shù)的興起煉制技術(shù)的興起基因工程階段（現(xiàn)代

17、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）25人胰島素人生長激素(GH)表皮生長因子(EGF)腫瘤壞死因子白細胞介素-2(IL-2)尿激酶原豬生長激素(PGH) 牛生長激素(BGH纖維素酶, -干擾素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促紅細胞生成素(EPO)抗血友病因子組織溶纖原激活劑(t-PA)部分利用基因工程技術(shù)研制的產(chǎn)品26第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)用范圍發(fā)酵工業(yè)的特點及其應(yīng)用范圍 1、發(fā)酵過程發(fā)酵過程一般是一般是在在常溫常壓常溫常壓下進行的生化反應(yīng)，下進行的生化反應(yīng)， 反應(yīng)安全，要求條件較簡單。反應(yīng)安全，要求條件較簡單。 2、可用較廉價原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。、可用較廉價

18、原料生產(chǎn)較高價值產(chǎn)品。 3、 反應(yīng)專一性強，可得到較為單一產(chǎn)品。反應(yīng)專一性強，可得到較為單一產(chǎn)品。 4、 能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的 化合物進行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾?；衔镞M行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾。 5、 發(fā)酵生產(chǎn)不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件限制。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)的特點一、發(fā)酵工業(yè)的特點27 發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。 菌種是關(guān)鍵。菌種是關(guān)鍵。應(yīng)注意應(yīng)注意28二、發(fā)酵工業(yè)的范圍二、發(fā)酵工業(yè)的范圍1、微生物菌體微生物菌體 2、酶制劑酶制劑 3、代

19、謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物 4、生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化5、微生物特殊機能的利用、微生物特殊機能的利用 利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物消除環(huán)境污染 利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡 微生物濕法冶金微生物濕法冶金 利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域29微生物菌體微生物菌體 傳統(tǒng)菌體發(fā)酵傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)工業(yè) 現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)酵母發(fā)酵酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細胞蛋白）發(fā)酵菌體蛋白（單細胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌綠僵菌 疫苗疫苗30 新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品新

20、的菌體發(fā)酵產(chǎn)品: 藥用功能菌體藥用功能菌體 茯苓菌茯苓菌茯苓茯苓 擔子真菌擔子真菌靈芝、香菇類靈芝、香菇類 蟲草頭孢菌蟲草頭孢菌 密環(huán)菌密環(huán)菌 微生物菌體微生物菌體31 面包酵母面包酵母 藻類藻類32芽孢桿菌和伴孢晶體芽孢桿菌和伴孢晶體 33蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草蟲草頭孢菌發(fā)酵生產(chǎn)蟲草 34酶制劑酶制劑廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)、食品和輕工業(yè)、石油化工酶試劑盒：醫(yī)用診斷試劑盒、工業(yè)分析試劑盒等酶試劑盒：醫(yī)用診斷試劑盒、工業(yè)分析試劑盒等藥用酶制劑：膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等藥用酶制劑：膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工業(yè)用酶制劑：果膠酶，淀粉酶等食品工業(yè)用酶制劑：

21、果膠酶，淀粉酶等基因重組技術(shù)用酶制劑：核酸酶（基因重組技術(shù)用酶制劑：核酸酶（nuclease），），包括包括DNA、RNA的內(nèi)切酶、外切酶，的內(nèi)切酶、外切酶，DNA限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶、DNA連接酶等。連接酶等。飼料酶制劑：木聚糖酶、飼料酶制劑：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纖維素酶等葡聚糖酶、纖維素酶等 35葡萄糖丙糖丙酮酸乙酸草酰乙酸檸檬酸酮戊二酸谷氨酸CO2(C4)(C6)(C5)絲氨酸甘氨酸（C3N)(C2N)纈氨酸（C5N)丙丙氨氨酸酸（C3N)莽草酸（C7)丁糖戊糖核糖半胱氨酸 亮氨酸脯氨酸精氨酸（C6N4)蛋氨酸（C5N5)天門冬氨酸（C4N)蘇氨酸（C9N)異亮氨酸（C6N)賴氨酸

22、（C6N2)ADP(C7N2)色氨酸酪氨酸（C9N)(C11N2)苯丙氨酸（C9N)組氨酸（C6N3)各種氨基酸的生物合成途徑葡萄糖丙糖丙酮酸乙酸草酰乙酸檸檬酸酮戊二酸谷氨酸次生代謝產(chǎn)物CO2(C4)(C6)(C5)氨基糖苷類抗生素（糖苷部分）次生代謝產(chǎn)物絲氨酸甘氨酸（C3N)(C2N)纈氨酸（C5N)次生代謝產(chǎn)物生物甲基化甲羥戊酸（C4)IPP（C5)萜類甾體天冬氨酸（C4N)次生代謝產(chǎn)物丙氨酸（C3N)丙二酸（C3)脂肪酸聚酮莽草酸（C7)丁糖戊糖核糖次生代謝產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物核苷類抗生素初生代謝的合成過程從初生代謝從初生代謝到次生代謝到次生代謝38微生物轉(zhuǎn)化微生物轉(zhuǎn)化 在用維生素在用維生素

23、C二步發(fā)酵法生產(chǎn)中二步發(fā)酵法生產(chǎn)中,起主要氧化作用起主要氧化作用的葡糖酸桿菌對作用底物的葡糖酸桿菌對作用底物(D-山梨醇或山梨醇或L-山梨糖山梨糖)的的分子結(jié)構(gòu)進行特異性改變。分子結(jié)構(gòu)進行特異性改變。3940一、工業(yè)發(fā)酵的類型一、工業(yè)發(fā)酵的類型 固體發(fā)酵固體發(fā)酵 厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵 需氧發(fā)酵需氧發(fā)酵 兼性厭氧發(fā)酵兼性厭氧發(fā)酵 液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)酵）液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)酵） 2、 按培養(yǎng)基的物理性狀按培養(yǎng)基的物理性狀 淺盤固體發(fā)酵淺盤固體發(fā)酵 深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）深層固體發(fā)酵（機械通風制曲） 1、按微生物對氧的不同需求、按微生物對氧的不同需求第四節(jié)第四節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程

24、工業(yè)發(fā)酵的類型與典型過程41按發(fā)酵工藝流程按發(fā)酵工藝流程分批發(fā)酵分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵單級恒化器連續(xù)發(fā)酵單級恒化器連續(xù)發(fā)酵多級恒化器連續(xù)發(fā)酵多級恒化器連續(xù)發(fā)酵帶有細胞再循環(huán)的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵帶有細胞再循環(huán)的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵的類型工業(yè)發(fā)酵的類型4、按菌的種類、按菌的種類單菌種發(fā)酵單菌種發(fā)酵多菌種混合發(fā)酵（混合菌發(fā)酵）多菌種混合發(fā)酵（混合菌發(fā)酵）3、42新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法新發(fā)展的微生物培養(yǎng)方法 載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代替麩載體培養(yǎng)：以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態(tài)基質(zhì)作為微生物生長的載體，營養(yǎng)皮之類的固態(tài)基質(zhì)作為微生物生長的載體，

25、營養(yǎng)成分可以嚴格控制。發(fā)酵結(jié)束后只須將菌體和培成分可以嚴格控制。發(fā)酵結(jié)束后只須將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。養(yǎng)液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。 兩步法液體深層培養(yǎng)：在酶制劑生產(chǎn)中，由于微兩步法液體深層培養(yǎng)：在酶制劑生產(chǎn)中，由于微生物生長與產(chǎn)酶的最適條件往往有很大的差異，生物生長與產(chǎn)酶的最適條件往往有很大的差異，采取兩步法培養(yǎng)，將菌體生長條件（營養(yǎng)期）與采取兩步法培養(yǎng)，將菌體生長條件（營養(yǎng)期）與產(chǎn)酶條件區(qū)分開來，因而更容易控制各個生理時產(chǎn)酶條件區(qū)分開來，因而更容易控制各個生理時期的最適條件。期的最適條件。43二、發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過程二、發(fā)酵工業(yè)的基本生產(chǎn)過程1、用

26、作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基的配、用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基的配制；制；2、培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的消毒滅菌；、培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的消毒滅菌；3、擴大培養(yǎng)出有活性的適量純種，以一定比例接種、擴大培養(yǎng)出有活性的適量純種，以一定比例接種入發(fā)酵罐中；入發(fā)酵罐中；4、控制最適發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代、控制最適發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產(chǎn)物；謝產(chǎn)物；5、將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品；、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)酵過程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。、回收或處理發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。發(fā)酵工業(yè)的典型過程發(fā)酵工業(yè)的典型過程深層發(fā)酵過

27、程深層發(fā)酵過程451、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤、各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤 天然、合成、半合成天然、合成、半合成2、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液, 可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得3、維生素：、維生素：4、甾體激素：、甾體激素：一、在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用一、在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用465、生物制品：生于預(yù)防、診斷或治療傳染病、生物制品：生于預(yù)防、診斷或治療傳染病6、單克隆抗體：抗體與抗原具有高度親和性，用于、單克隆抗體：抗體與抗原具

28、有高度親和性，用于 制備診斷盒、治療疾病或作為生物制備診斷盒、治療疾病或作為生物 導(dǎo)彈藥物的運載工具。純化抗原類導(dǎo)彈藥物的運載工具。純化抗原類 物質(zhì)，菌種鑒別。物質(zhì)，菌種鑒別。7、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥、其它：治療用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥 工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用47二、在食品工業(yè)中的應(yīng)用二、在食品工業(yè)中的應(yīng)用 這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域，這是發(fā)酵工程最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域， 1、含醇飲料：含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆 等等 為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、

29、為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、 黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金 酒、香檳酒、朗姆酒等酒、香檳酒、朗姆酒等2、傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產(chǎn)的以豆類、米、麥等生產(chǎn)的 醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。3、發(fā)酵乳制品：發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等奶酒、干酪、酸奶等 483、用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等4、食品添加劑：食品添加劑：

30、面包酵母、味精面包酵母、味精(谷氨酸單納谷氨酸單納)、賴、賴氨酸、檸檬酸、紅曲氨酸、檸檬酸、紅曲(色素色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸苷酸(均為增鮮劑均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖 (均為增稠劑均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食均為食品保鮮劑品保鮮劑)、乳鏈菌肽、乳鏈菌肽(食用防腐劉食用防腐劉)。5、新型發(fā)酵飲料新型發(fā)酵飲料 ： 活性乳酸飲料?；钚匀樗犸嬃稀?9三、應(yīng)用于能源工業(yè)三、應(yīng)用于能源工業(yè) 據(jù)預(yù)測，未來酒精發(fā)酵原料主要是纖維素據(jù)預(yù)測，未來酒精發(fā)酵原料主要是纖維素、木質(zhì)質(zhì)等，并大量用于燃料消耗。、木質(zhì)

31、質(zhì)等，并大量用于燃料消耗。 美國計劃在美國計劃在21世紀能源結(jié)構(gòu)中，煤和石油世紀能源結(jié)構(gòu)中，煤和石油將從目前的將從目前的95下降到下降到50，酒精將在新，酒精將在新能源中占重要地位。能源中占重要地位。501、酵母生產(chǎn)燃料乙醇酵母生產(chǎn)燃料乙醇512、沼氣：沼氣： 在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機物廢料，將它們發(fā)在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料酵制取燃料(沼氣沼氣)氣體方面，美國計劃解決全國氣體方面，美國計劃解決全國能源需要量的能源需要量的10，工業(yè)有機廢水，工業(yè)有機廢水(渣渣)的利用在的利用在西歐轉(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建西歐轉(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建成了許多大

32、型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收成了許多大型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收沼氣沼氣8800萬立方米。萬立方米。3、氫能：氫能：生物電池生物電池4、生物柴油：生物柴油：藻類中提取藻類中提取52 一個一個2020米直徑的水米直徑的水池年產(chǎn)池年產(chǎn)4 4噸噸藻類藻類，加工，加工后可得相當于后可得相當于30003000升升柴油的燃料。柴油的燃料。 一英畝一英畝三角大戟三角大戟可生產(chǎn)相當于可生產(chǎn)相當于5050噸石噸石油的燃料。油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻53四、應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)四、應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)1、利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)：烷烴、醇及、利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶

33、法生產(chǎn)：烷烴、醇及 溶劑、有機酸、多糖等溶劑、有機酸、多糖等2、與化學(xué)法相結(jié)合，選育相應(yīng)的優(yōu)良菌種，以乙、與化學(xué)法相結(jié)合，選育相應(yīng)的優(yōu)良菌種，以乙 烯和丙烯腈為原料，分別生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙二烯和丙烯腈為原料，分別生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙二 醇等醇等54五、冶金工業(yè)方面五、冶金工業(yè)方面 細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或礦石細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。中有用的金屬浸出回收的過程。 細菌浸出的金屬也涉及到細菌浸出的金屬也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等等10余種，但大規(guī)模生產(chǎn)的只有銅和鈾余種，但大規(guī)模生產(chǎn)的只有銅和鈾(批量批量)。 目前

34、，美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在積極開展此項研究和生產(chǎn)。積極開展此項研究和生產(chǎn)。 美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的10以上，加拿大以上，加拿大用細菌浸出的鈾用細菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達年產(chǎn)量達230噸。據(jù)世界噸。據(jù)世界20個礦山個礦山資料表明，每年用細菌浸出約銅達資料表明，每年用細菌浸出約銅達20萬噸。萬噸。 551、抗病、殺蟲抗生素、抗病、殺蟲抗生素2、單細胞蛋白、單細胞蛋白3、食用和藥用真菌、食用和藥用真菌4、生物農(nóng)藥、生物農(nóng)藥5、生物肥料、生物肥料六、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用六、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

35、56飼料方面飼料方面 隨著世界人口的不斷增加，人民生隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益減少，活的逐步提高可耕地的日益減少，動、植物蛋白的來源受到了限制，動、植物蛋白的來源受到了限制，高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個十分突出的問題。十分突出的問題。 微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占4555(干物質(zhì)干物質(zhì))、所以用發(fā)酵工業(yè)生、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)產(chǎn)單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)的重要來源。的重要來源。57另外，藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西另外，藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公頃所得蛋

36、白比德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公頃所得蛋白比小麥多小麥多20一一35倍。倍。581、微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要、微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。的作用。 嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機廢棄物分解為可溶性蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細菌的作用再分解為甲物質(zhì)，進而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細菌的作用再分解為甲烷和烷和CO2。 好氣發(fā)酵（活性污泥）法：指在曝氣情況下，用某些好氣發(fā)酵（活性污泥）法：指在曝氣情況下，用某些能降解有機物質(zhì)的產(chǎn)菌膠

37、的細菌和某些原蟲的混合物能降解有機物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細菌和某些原蟲的混合物(活性污泥活性污泥)對工業(yè)或生活污水進行處理。對工業(yè)或生活污水進行處理。 2、利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構(gòu)建超、利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構(gòu)建超級細菌，處理大面積的海面石油污染等。級細菌，處理大面積的海面石油污染等。七、在環(huán)境保護中的應(yīng)用七、在環(huán)境保護中的應(yīng)用59噴灑工程菌清除石油污染噴灑工程菌清除石油污染60微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池微生物處理腈綸廢水的塔式濾池6162第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)酵工程前沿及應(yīng)用前景發(fā)酵工程前沿及應(yīng)用前景一、基因工程的發(fā)展為發(fā)酵工程帶來新的活力。一、基因工程的發(fā)展為發(fā)酵工程帶來新的活力。 二、新型發(fā)酵設(shè)備的研制為發(fā)酵工程提供先進工具。二、新型發(fā)酵設(shè)備的研制為發(fā)酵工程提供先進工具。三、大型化、連續(xù)化、自動化控制技術(shù)的應(yīng)用為發(fā)酵工程的發(fā)三、大型化、連續(xù)化、自動化控制技術(shù)的應(yīng)用為發(fā)酵工程的發(fā) 展展 拓展了新空間拓展了新空間 。四、強調(diào)代謝機理與調(diào)控研究，使微生物的發(fā)酵機能得到進一四、強調(diào)代謝機理與調(diào)控研究，使微生物的發(fā)酵機能得到進一 步開發(fā)。步開發(fā)。五、生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起開拓了發(fā)酵新的領(lǐng)域。五、生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起開拓了發(fā)酵新的領(lǐng)域。六、再生資源的利用給人們帶來了希望六、再生資源的利用給人們帶來了希望 。