发酵工程
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发酵工程. Fermentation Engineering. 主讲:陈 军 Tel: 13651692254 [email protected] 生环学院 . 生物技术专业. 青霉素发酵生产. ①. ⑥. ②. ⑤. ⑦. ③. ④. 2014/11/29. 2. 发酵产品. 2014/11/29. 3. 2014/11/29. 4. 2014/11/29. 5. 2014/11/29. 6. 2014/11/29. 7. 课程教学目标. 1 、熟悉发酵一般过程,解说常见生产工艺流程; (知其然)

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发酵工程

Fermentation Engineering

主讲:陈 军

Tel: 13651692254 [email protected]

生环学院 . 生物技术专业


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青霉素发酵生产

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发酵产品

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课程教学目标

1、熟悉发酵一般过程,解说常见生产工艺流程;

(知其然)

2、理解发酵原理,解析工艺过程;

(知其所以然)

3、知晓代谢途径,分析发酵调控方式;

(运筹帷幄)

4、判断动力学规律,掌控发酵进程。

(决胜千里)

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学习形式

教学:

共54学时。每周3学时,计18周)

考核:

考勤提问(40%):缺勤1次总分扣去4分(请假扣除2分)。

期终考试(60%)

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绪 论

本章要点:

一、发酵与发酵工程

1、发酵

2、发酵工程

3、发酵工程的学科意义

二、发酵工程基本概况

1、形成发酵工业的必要条件

2、发酵工程的特点

3、发酵工业的发展简史

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一、发酵与发酵工程

1、发酵

  • “发酵”(fermentation,源自拉丁语“fervere”)

  • 本义:描述果汁或麦芽汁在微生物的作用下冒泡的现象。

生化意义:微生物在厌氧条件下,氧化能源基质获得能量,产生代谢物质的形式。是生物的一种获能形式。

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生产意义:利用微生物(甚至是生物细胞)在有氧或无氧条件下制备菌体或其代谢产物的过程。

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2、发酵工程

在最适条件下,生物反应器中高效率培养特定细胞和生产目标代谢产物的工艺技术体系。

该体系主要包括:菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。

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该体系技术要求:

明确的代谢路线:代谢途径优化,代谢调节条件明确,产物代谢流通畅。

严格的生长条件:温度、pH、DO、营养等条件适宜、基质成分及反应器结构配置合理;

纯种培养条件:规程操作、纯种状态;

恰当的控制条件:灵巧的参数调节、合理的时段设置、经济的成本消耗;

合理的操作方式(条件):种子培养方式(营养细胞/ 孢子)、发酵操作方式(分批、补料or连续)。


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  • 发酵工程是连接生物技术上下游过程的重要枢纽

  • 发酵工程是生物技术产业化的一个主要途径。

3、 发酵工程在生物技术(工程)中的地位

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二、发酵工程基本概况

1、形成发酵过程的3个条件

(1)要有具备产物代谢特征的微生物;

(2)要有适应主代谢流运行的环境(培养基组成、温度、溶氧浓度、酸碱度等);

(3)要有满足菌体生化反应的设备。

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  • 2、发酵过程的3个阶段

(1)上游技术

优良菌株的筛选、代谢

  • 路径的改造和保藏。

(2)中游技术

发酵条件的调控,无

菌环境的控制,过程分

析和控制等

(3)下游技术

发酵液固液分离、细胞

  • 破壁、产物纯化、产品

  • 精制、包装和检验等


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3、发酵过程的特点

(1)常温、常压,操作条件温和;

(2)原料粗放,以碳水化合物为主;

(3)产物合成反应过程自动调节;

(4)易完成复杂产物的加工合成;

(5)设备单一可进行序列反应过程;

(6)反应特异性强,副产物少;

(7)菌种生产性能提高潜能大;

(8)过程易污染杂菌或噬菌体。

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4、发酵工业的发展简史

(1) 自然发酵时期:至1910年

以食品生产为主。发酵技术研究十分有限。

技术状况:17世纪,能在容量为1500桶(一桶约136升)的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造;1757年应用温度计;1801 使用原始热交换器。嫌气发酵,非纯种培养 ,产品质 量不稳定。

代表产品:酱、酱油、黄酒;啤酒、葡萄酒、面包、干酪

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(2)纯种发酵时期:1910—1940年。

技术状况:酵母菌的控制发酵技术(补料培养);纯种发酵技术(丙酮、丁醇发酵);反应动力学;发酵工业从实验操作扩大到工厂生产规模。

代表产品:甘油、丙酮、丁醇等。

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A

B

μ

S

S0

基质浓度对A、B两种菌的比生长速率(μ)的影响

当S<S0时,富集什么菌株?

当S>S0时,富集什么菌株?


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(3)通气发酵时期:1940年—1960。

技术状况:建立起深层通气培养技术;形成以青霉素为先锋的庞大的抗菌素发酵工业,推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展。建立了完整的好氧发酵放大技术及装备。奠定了现代发酵工业的理论和实践基础。

代表产品:青霉素。

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(4)代谢控制发酵时期:1960—1970年。

技术状况:引入人工诱变育种和代谢控制发酵技术;开拓发酵原料技术;发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术;计算机和自动控制技术的运用,促进发酵工业朝连续化、自动化方向发展 。

代表产品:谷氨酸、赖氨酸、土霉素、四环素、谷氨酸、赖氨酸、土霉素、四环素、新生霉素、红霉素、制霉菌素、卡那霉素、环丝霉素、庆黄霉素、曲酸、柠檬素、葡萄糖酸、 过氧化氢酶、甾体氧化产物、赤霉素、葡聚糖、单细胞蛋白、水杨酸。

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(5)现代发酵工业的建立:1970年以来。

技术状况:高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产;主导碳氧经济发展,碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起;基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 。

代表产品:工程菌生产的胰岛素、干扰素或生长激素。葡萄糖异构酶、糖化酶、氨基酰化酶、脂肪酶、乳糖酶、头孢霉素、庆大霉素、林可霉素、利福霉素、万古霉素、核糖霉素、杀稻瘟菌素S、多氧霉素、泰勒霉素、缬氨酸、甾体生物转化物、5’-核苷酸、生物杀虫剂、黄原胶。

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细胞代谢网络调控


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多层次多尺度优化控制技术


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5、发酵工业涉及的领域

(1)优先发展的领域

医药和健康保健品

  • 常规发酵产品:抗生素、维生素、激素的生产;

  • 基因工程菌发酵产品:免疫调节剂和保健品、新型药物(人干扰素、胰岛素、生长激素、乙肝疫苗等);

  • 代谢工程和蛋白质工程的应用。

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资源和能源

  • 微生物可再生的生物质资源转化。

  • 微生物提供精细化工和高分子聚合物的原料。

  • 微生物富集贫矿和微量金属元素;

    精细化学品

  • 微生物发酵生产精细化学品

  • 微生物生物转化生产精细化学品

  • 手性合成和手性拆分生产精细化工产品。

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农业和畜牧业

  • 饲用微生物生态制剂、激素及疫苗生产;

  • 环境友好型微生物农药、除草剂、植物生长调节剂生产;

  • 担子菌的大规模培养(液体深层培养)

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环境保护

  • 微生物降解有机物、参与元素循环、保持生态平衡;

  • 微生物处理污水、废气和固体废弃物;

  • 微生物对有毒、有害化合物的降解;

  • 污染环境的生物修复。

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(2)传统领域

酿酒行业

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酿造行业

酱油、面包、乳酪、酸乳、腐乳等。

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有机溶剂行业

乙醇、丙酮、丁醇;

中国发酵酒精产量分月度统计表(2010年)

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酶制剂行业

淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶……。

目前,我国酶制剂的生产能力为40-50万吨。

酶试剂盒:医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等

药用酶制剂:胆固醇氧化酶,葡萄糖氧化酶等

食品工业用酶制剂:果胶酶,淀粉酶等

基因重组技术用酶制剂:核酸酶(nuclease),包括DNA、RNA的内切酶、外切酶,DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。

饲料酶制剂:木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶等

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氨基酸行业

谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸

味精年产量(万吨)

56.4(1997年,中国);

150(全球,2000);

126(亚洲,2000);

71.4(2001中国)

国家或地区人均消费量

(克/年•人)

中国大陆 300

中国台湾省 1500

韩国 1500

日本 1160

印度尼西亚 930

泰国 1360

美国 180

意大利 268

中国香港 1340

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四、《发酵工程》课程学习内容

  • 7、发酵动力学

  • 8、发酵过程控制及优化

  • 9、发酵染菌的防治

  • 10、生物反应器

  • 11、发酵过程经济学

  • 12、发酵过程的实验室研究

1、工业微生物菌种

2、发酵培养基

3、灭菌、除菌工程

4、通气与搅拌

5、种子培养

6、发酵操作方式

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参考教材


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下一讲:发酵菌种的选育

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