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1、微生物工程微生物工程 1. 1. 绪论绪论 思考题：思考题： 1. 1.发酵及发酵工程的定义发酵及发酵工程的定义 2. 2.发酵工程的特点发酵工程的特点 3. 3.发酵工程的类型发酵工程的类型 4. 4.发酵过程的组成发酵过程的组成 5. 5.发酵工业发展的阶段及大致年代发酵工业发展的阶段及大致年代 6. 6.和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之 处主要表现在哪些方面处主要表现在哪些方面 1.1 1.1 发酵工程发展史和相关学科发酵工程发展史和相关学科 1.1.11.1.1发酵及发酵工程的定义发酵及发酵工程的定义 发酵（狭义）：微生物细胞将有机物
2、氧化释发酵（狭义）：微生物细胞将有机物氧化释 放的电子直接交给本身未完全氧化的某种放的电子直接交给本身未完全氧化的某种 中间产物，同时释放能量并产生各种不同中间产物，同时释放能量并产生各种不同 的代谢产物。的代谢产物。 发酵（广义）：通过对微生物（或动植物细发酵（广义）：通过对微生物（或动植物细 胞）的进行大规模的生长培养，使之发生胞）的进行大规模的生长培养，使之发生 化学变化和生理变化，从而产生和积累大化学变化和生理变化，从而产生和积累大 量人们发酵所需要的代谢产物的过程。量人们发酵所需要的代谢产物的过程。 发酵工程：采用工程技术手段，利用生物（发酵工程：采用工程技术手段，利用生物（ 主要是
3、微生物主要是微生物）或有活性的离体酶的某些）或有活性的离体酶的某些 功能，为人类生产有用的生物产品，或直功能，为人类生产有用的生物产品，或直 接把生物体应用于工业生产的过程。接把生物体应用于工业生产的过程。 微生物工程：指采用现代工程技术手段，利微生物工程：指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用的产品，或直接把微生物应用于工业生 产过程的一种技术。产过程的一种技术。 第一阶段第一阶段 19001900年前年前 酒精、醋酒精、醋 使用温度计，使用温度计， 比重计和热交换比重计和热交换 器器 分批
4、培养分批培养 使用纯酵母培使用纯酵母培 养物养物(1896), (1896), 用优用优 质醋接种发酵质醋接种发酵 第二阶段第二阶段 1900190019401940 面包酵母，甘面包酵母，甘 油，柠檬酸和丙油，柠檬酸和丙 酮丁醇酮丁醇 pHpH离线控制，离线控制， 温度控制温度控制 分批和补料培分批和补料培 养养 应用纯培养技应用纯培养技 术术 第三阶段第三阶段 1940194019601960 青霉素，氨基酸青霉素，氨基酸 ，核苷酸，酶，核苷酸，酶 可灭菌的可灭菌的pHpH和和 溶氧电极，计算溶氧电极，计算 机控制机控制 分批和补料，连分批和补料，连 续培养开始续培养开始 菌种筛选程序重菌
5、种筛选程序重 要要 1.1.21.1.2发酵工程发展史及相关学科发酵工程发展史及相关学科 由食品工业向非 食品工业发展 抗菌素发酵工业 第四阶段第四阶段 1960196019791979 用烃和别的贮用烃和别的贮 存物生产单细胞存物生产单细胞 蛋白蛋白 计算机控制计算机控制 连续培养连续培养+ +培养培养 基再循环基再循环 生产菌株的遗生产菌株的遗 传工程技术传工程技术 第五阶段第五阶段 19791979目前目前 通常微生物不产通常微生物不产 生的异质化合物，生的异质化合物， 如胰岛素，干扰素如胰岛素，干扰素 更先进的控制手更先进的控制手 段和传感器段和传感器 分批，补料分批，补料- -分批分
6、批 或连续或连续 用基因工程技术用基因工程技术 将外源基因引入微将外源基因引入微 生物宿主生物宿主 第六阶段第六阶段 解决能源、资源解决能源、资源 、环境等问题的工、环境等问题的工 业应用业应用 基因组学、蛋白基因组学、蛋白 组学、代谢组学等组学、代谢组学等 技术紧密结合技术紧密结合 代谢控制发酵技术 组学技术与发酵工程 1.2 1.2 发酵工程类型与发酵过程特点发酵工程类型与发酵过程特点 1.2.1 1.2.1 发酵工程类型：发酵工程类型： n n 好氧好氧/ /厌氧厌氧 n n 固态固态/ /液态液态 n n 纯化纯化/ /混菌混菌 n n 研究研究/ /中试中试/ /生产生产 1.2.2
7、 1.2.2 发酵过程特点发酵过程特点 n n 反应条件温和；反应条件温和； n n 周期短，不受气候、场地制约；周期短，不受气候、场地制约； n n 多利用生物质为原料；多利用生物质为原料； n n 自发的生物过程；自发的生物过程； 1.3 1.3 发酵工艺过程和关键技术发酵工艺过程和关键技术 1.3.1 1.3.1 发酵工艺过程发酵工艺过程 n n 菌种菌种 n n 原料、设备的灭菌原料、设备的灭菌 n n 种子培养物的生产种子培养物的生产 n n 最优化条件下的大规模生产；最优化条件下的大规模生产； n n 产物的提取和纯化；产物的提取和纯化； n n 发酵废液的处理；发酵废液的处理；
8、空气加热器 油水分离器 冷却器 贮气罐 空气压缩机 空气 总过滤器 分过滤器 发酵液预处理 发酵罐 种子罐 三角瓶或茄子瓶 生产用斜面（多管） 纯化复壮 保存菌种（砂土管、冻干、液氮、斜面） 菌种 预处理 原料 过滤、离心、提取、精制、干燥 包装 补料 调节剂 消泡剂 冷却 灭菌 配料、调浆 灭菌 废水处理 1.3.2 1.3.2 发酵工程关键技术发酵工程关键技术 n n 菌种选育菌种选育 n n 纯培养技术纯培养技术 n n 发酵过程优化发酵过程优化 n n 发酵过程放大发酵过程放大 n n 发酵工程下游分离纯化技术发酵工程下游分离纯化技术 n n 发酵过程自动监测控制技术发酵过程自动监测控
9、制技术 1.4 1.4 发酵工业产品和现状发酵工业产品和现状 1.4.1 1.4.1 发酵工业产品发酵工业产品 食品、化工、能源、酶制剂、医药、材料等食品、化工、能源、酶制剂、医药、材料等 1.4.2 1.4.2 发酵工业现状发酵工业现状 n n 美国、日本、欧洲的雄厚实力；美国、日本、欧洲的雄厚实力； （生物技术、工程技术）（生物技术、工程技术） 我国的发酵工业现状我国的发酵工业现状 生产规模大 n醋、酱油、啤酒等产量世界第一 n抗生素，如青霉素等产量世界第一 n维生素C、氨基酸(味精) 、有机酸(如柠檬酸） 等产量世界第一 产品种类多 n 5000多家企业，相关产业年产值超过2万亿元 ，占
10、国民经济的20% 我国的发酵工业现状我国的发酵工业现状 n n 菌种生产能力不高菌种生产能力不高 n n 工艺落后工艺落后 n n 产品科技含量低，浓度低、能耗大、污染产品科技含量低，浓度低、能耗大、污染 大大 n n 装备水平落后装备水平落后 产产 品品国内水平国内水平国际水平国际水平 谷氨酸谷氨酸 产酸产酸12-13%12-13%，转化，转化 率率45-55%45-55% 15-18%15-18%，60-60- 65%65% 柠檬酸柠檬酸 产酸产酸14-1614-16 2525 头孢菌头孢菌 素素 30000-35000 u/ml 30000-35000 u/ml 40000 u/ml40
11、000 u/ml以以 上上 维生素维生素 C C 糖酸转化率糖酸转化率 9494 糖酸转化率糖酸转化率9797 生产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55% 环境污染严重 每年废水达每年废水达8080亿亿mm 3 3 ( (工业排放总量工业排放总量10%)10%) 产产 品品 每吨排放废水每吨排放废水 硫氰酸红硫氰酸红 霉素霉素 500500吨，吨，COD10COD10万万mg/L mg/L 味精味精 COD6-7COD6-7万万mg/Lmg/L，废母液近，废母液近2020 吨，总排吨，总排400400吨吨 柠檬酸柠檬酸 COD1-4COD1-4万万 mg/Lmg/L，中和废水，中和废
12、水1010 吨，总排吨，总排300300吨吨 1.5 1.5 发酵工程发展趋势发酵工程发展趋势 1.5.1 1.5.1 技术领域的发展趋势技术领域的发展趋势 n n 系统生物学、合成生物学与细胞工厂系统生物学、合成生物学与细胞工厂 n n 发酵过程的细胞群体效应解析发酵过程的细胞群体效应解析 n n 发酵过程的复杂多相体系放大发酵过程的复杂多相体系放大 n n 基于多产物联产目标的全局调控基于多产物联产目标的全局调控 n n 发酵过程集成和系统优化发酵过程集成和系统优化 1.5.2 1.5.2 应用领域的发展趋势应用领域的发展趋势 n n “ “绿色制造绿色制造” ”； n n 生物能源制造；生物能源制造； n n 食品药品资源的深度开发；食品药品资源的深度开发；
