发酵工程--绪论1已

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1、微生物工程,主讲：郝志敏 生命科学学院制药工程系 联系方式：18903325667,教材及主要参考书,教材： 发酵工艺原理 熊宗贵主编 中国医药科技出版社 参考书： 1.微生物工程 曹军卫,马辉文 2.生物工艺学 俞俊棠主编 3.生物工艺原理 贺小贤 4.发酵工程 李玉英 中国农业大学出版社,学习微生物工程的重要性 微生物工程是生物技术产业化的基础和关键技术，是生物技术四大支柱的核心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产。,1944年，Waksman发现由链霉菌产生的链霉素用于治疗细菌特别是结核杆菌引起的感染有特效，此后陆续发

2、现了氯霉素、金霉素、制霉菌素等，由此造就了抗生素发展的黄金时代。,经验 科学 理性 发酵工业历史渊远，近代发酵工业的大发展的开始,数十年来，微生物来源的酶制剂、氨基酸、有机酸、维生素、核苷酸、激素、色素、生物碱以及其他生理活性物质等发酵产品的生产，已经对人类的经济发展作出了巨大的贡献。,第一章 绪论,一、发酵的定义及微生物工程简介 二、发酵工业的定义与特点 三、发酵工业的范围（产品类型为分类依据）四、发酵工业的发展历程 五、发酵工业的培养方法和基本过程 六、发酵工业的发展趋势 七、当前微生物工业面临的问题 八、微生物发酵工业的比拟放大问题,现代微生物工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产

3、胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。,BT杀虫剂,BT杀虫剂，即苏云金杆菌微生物杀虫剂，含有毒杀害虫的伴孢晶体和芽孢毒素，杀灭害虫效果良好，且对人畜安全，对天敌无伤害，较难产生抗药性，已被广泛应用于防治农作物害虫。 目前市售比双灵、绿杀螟、特杀螟、必杀螟等农药，均为BT粉剂或乳剂,2.微生物工程（组成）,微生物工程组成 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、微生物工程、下游工程,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTR

4、EAM PROCESSES,2.微生物工程（定义）,主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术，包括： (1)有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。,(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。 (5

5、)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是微生物工程工艺放大问题。,二、发酵工业的定义与特点 发酵工业定义： 又称微生物工业，是利用微生物具有的生物活性（酶）进行物质转换，从事各种发酵产品生产的工业。 微生物工业的特点： 原料广泛，产品丰富 (病毒、细菌、放线菌、真菌、藻类等) 在常温、常压下完成，设备简单，通用性好,三发酵工业的范围 （以产品的类型为分类依据：6类） （一） 微生物菌体发酵 1. 生产面包酵母和单细胞蛋白(single-cell protein, SCP)的传统菌体发酵工业； 2. 生产药用功能菌体的发酵工业； 3. 生产微生物杀

6、虫剂的菌体发酵工业。,（二）微生物酶发酵 1.广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工等行业中； 2.现在发展的很多高灵敏度、特异性强的检测手段都有酶参与，在医疗检测、卫生安全、发酵工业，以及多种科研工作中大量应用，具有准确度高、速度快、操作简便等特点； 3.用于基因重组技术的核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。,（三）微生物代谢产物发酵 生产初级代谢产物发酵：在对数生长期大量产生的，是菌体生长繁殖所必须的，如酶、有机酸、维生素、多糖、氨基酸、核酸类等物质的发酵； 次级代谢产物发酵：在菌体生长的稳定期，菌体产生的一些在生长期中不能

7、合成的、具有一些特性的、与菌体生长无明确关系的产物，如抗生素、生物碱、毒素、激素类物质(生长因子等)等的代谢产物发酵。,（四）微生物转化发酵,微生物转化指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具有更大经济价值的产物的生化反应。 最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。 生物转化具有反应特异性、结构位置特异性、立体特异性强的特点。（脂肪酸的氧化）,优点,生产过程中所进行的酶反应不需要把酶从微生物中提取出来，而是直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞或固定化酶的柱中进行酶促反应。除了可以

8、省去提取酶的复杂过程，还十分适合于多酶反应或需要辅酶、辅因子参与的催化过程。,（五）微生物废水处理和其他,利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金,微生物治理电镀废水 微生物治理电镀废水技术从电镀污泥、废水及下水道内，分离、筛选、驯化获得高效去除重金属的复和功能菌，对电镀废水中铬、镉、锌、铜、镍和铅等金属进行净化，净化去除率达99%以上，回收率达80%以上，排放水中各种金属离子的浓度和其它常规指标均低于国家标准。 该方法具有不使用化学药剂，污泥少，无二次污染，对废水的pH、组分和水量的变化适应性强，处理后出水可回用，金属可回收，工艺流程简单、易操作，运行费用低等特点。

9、,微生物治理水华 因生活污水导致淡水湖泊水质恶化而产生的蓝藻水华现象，是一直以来困扰全球的问题。 蓝藻是淡水水域生长着的一种藻类植物。蓝藻水华是因生活垃圾中富含有适宜蓝藻疯狂生长的营养物质，从而引发的水污染现象。 目前世界各地的淡水水域均受到不同程度的影响。我国受这方面污染的主要有云南滇池、太湖、巢湖、淮河等。 传统的治理主要是采取引水冲淡富养或填埋、化学处理等，但一般成本过高，而化学剂对水域有轻微污染且效果不太明显。 微生物治理方法运用微生物来控制和杀死蓝藻，从而可以达到生态平衡的目的。,（六）生物技术的生物细胞发酵,利用DNA重组、细胞融合等生物技术获得的生物细胞，以及动植物细胞或固定化活

10、细胞等，进行培养来发酵生产获得产物。 1、通过重组DNA技术、诱变、杂交、细胞融合等技术改变菌种遗传特性，成为“工程菌”，在工业发酵条件下能够大量产生所需要的产物 2、对动物细胞进行培养获得产物 3、对植物细胞进行培养获得产物 4、固定化细胞发酵,目前临床上应用的乙肝疫苗： (1)血源性乙肝疫苗：此疫苗是用无症状的乙肝表面抗原 HBsAg携带者的血液制成，故称血源性乙肝疫苗。 (2)基因工程疫苗：利用基因工程研制重组DNA乙肝疫苗，曾先后研制过大肠杆菌系统、啤酒酵母细胞系统、哺乳动物细胞系统和牛痘病毒系统的重组乙肝疫苗。目前多用酵母基因的重组疫苗。 (3)含前S蛋白的乙肝疫苗：目前临床上应用的

11、血源性疫苗与基因工程疫苗，均只含HBsAg蛋白，当证实S蛋白能增强HBsAg的免疫应答后，又注意到单纯只含HBsAg蛋白的疫苗对血液透析病人与新生儿免疫效果较差时，遂生产出添加前S蛋白的酵母源性重组乙肝疫苗，它确能明显地增强免疫应答。,四. 发酵工业的发展历程, 经验的发酵技术时期 近代发酵工业的建立时期 近代发酵工业的全盛时期 现代发酵工业的建立和发展,（一）经验的发酵技术时期 （自然发酵时期【酿酒、酿醋、制酱等】） 几千年来，东西方文明都有多种发酵食品的制作。在我国古代，约4000年前的夏初，开始用黏高粱造酒，大豆制酱大约也始于这时；约3500年前的商代，开始用人畜的粪便和秸秆杂草沤制堆肥

12、；约3000年前的商后期，发现发霉的豆腐可以治疗外伤和皮肤病。在中东和西方，有从金字塔中发现的公元前40世纪的用发酵面团制作的面包；古巴尔干人公元前25世纪开始制作酸奶；古亚述人公元前20世纪用葡萄酿酒。由于没有对发酵的本质认识，这些发酵生产都处于原始的阶段。,（二）近代发酵工业的建立时期 （第一代微生物发酵技术，纯培养技术的建立）,近代发酵工业的建立与微生物学的诞生密不可分， 从19世纪50年代微生物学的诞生到20世纪40年代。 理论上，逐渐对微生物及生理特性有了认识，对发酵的本质开始了解。 技术上，1881年德国人柯赫（R. Koch）和助手建立单种微生物的分离和纯培养技术，为大规模的发酵

13、生产提供了可能。 发酵产品主要有有机溶剂、有机酸、甘油、酶制品、疫苗等，但这时的发酵方式多还是固体发酵方式。（需氧、散热、营养分布限制）,（三）近代发酵工业的全盛时期 （第二代微生物发酵技术，深层培养技术）,从20世纪40年代初到70年代末，以青霉素的工业开发成功为起始标志。 1941年由于第二次世界大战，对抗感染药物有了迫切需要，英美才开始对青霉素的工业发酵进行研究。最初的青霉素发酵采用湿麦麸为主要培养基的固体发酵方式，后来才开发出液体培养方式，采用发酵罐来生产青霉素。青霉素的投产，开辟了一个新的以生产上百种新的抗生素和其他次级代谢产物的工业微生物产品道路，同时也对原有的和新的初级代谢产品的

14、生产方式起了很大启示作用，原来采用固体发酵为主的有机酸和酶制剂生产大多都改为液体发酵生产。,这一时期的主要工业微生物产品： 1.抗生素 大量的抗生素被开发出来，有人估计各种由微生物产生的医药用抗生素超过了1,000个，其中包括我们熟悉的青霉素(1928)、链霉素(1944)、螺旋霉素(1952)、万古霉素(1956)、头孢霉素(1956)等等。,2. 用于农业和畜牧的生物活性物质 乳链菌肽(1944，保鲜杀菌)，放线菌酮(1953,抗植物霉菌)，杀稻瘟菌素(1958,抗真菌)，井岗霉素(1971，抗水稻纹枯病)等等。 3. 氨基酸 氨基酸虽然是一类初级代谢产物，但它充分利用青霉素等开发的经验和

15、成果，获得很快地发展，从1955年发酵获得谷氨酸，目前几乎所有的氨基酸还包括L-多巴(二羟基苯丙氨酸等)都可用发酵法生产。 （营养药） 4. 核苷酸 始于20世纪60年代，最早的产品是肌苷酸和鸟苷酸。此后又开发出三磷酸腺苷(ATP)，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)等产品。（营养药、能量药）,5. 多糖 主要用于食品和其他用途的增稠剂，有葡聚糖、黄原胶、糊精、微生物海藻酸、微生物几丁质等等。 6. 新的有机酸 己酸、水杨酸、苹果酸、赤藓酸等等。 7. 新的酶制剂 出现了多种用于工业生产和食品医药的酶。在20世纪70年代初，发现一系列核酸酶，为基因重组技术的发展奠定了基础。 这一时期一些新技术如连

16、续培养、循环操作、补料系统等在发酵罐设计和培养方式上的使用，使发酵工业取得了许多进展。,（四）现代发酵工业的建立和发展 （第三代微生物发酵技术，微生物工程）,20世纪70年代末开始，以基因工程技术应用作为特点。 基因工程的基本步骤是： 目的基因的获得； 将目的基因导入载体以获得重组体DNA (recombinant DNA)； 将重组体DNA导入受体细胞； 对上述细胞进一步筛选和鉴定； 克隆基因表达条件的确定。,基因工程的应用首先集中在许多多肽或蛋白质的生化药物中，如胰岛素、干扰素等，疫苗如腺病毒、流感、脊髓灰质炎等，还有激素、淋巴细胞活素、凝血因子等等。 除了基因工程的应用，这一时期还有单克隆抗体的发现和应用，以及动、植物细胞培养技术，固定化细胞发酵技术的应用。与这些技术相适应的各种生物反应器也被开发出来并不断发展完善，计算机辅助的发酵过程自动化，共同推动了现代发酵工业的飞速发展。,五. 发酵工业的培养方法和基本过程,（一）培养方法 表面培养法：微生物在基质表面上进行培养，分固体和液体表面发酵两种（赤霉素、糖化酶及农抗）。