山東師范大學(xué)-發(fā)酵工藝學(xué)-緒論

1、1 趙趙 蕾蕾 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 Zhaolei, PhD College of Life Science Shandong Normal University E-mail: 發(fā)發(fā) 酵酵 工工 程程Fermentation Engineering 2發(fā)酵工程（發(fā)酵工程（fermentation engineeringfermentation engineering） 直接利用微生物的機(jī)能將物料加工以直接利用微生物的機(jī)能將物料加工以提供產(chǎn)品的過(guò)程，又稱微生物工程。提供產(chǎn)品的過(guò)程，又稱微生物工程。 在最適發(fā)酵條件下，大量培養(yǎng)細(xì)胞和在最適發(fā)酵條件下，大量培養(yǎng)細(xì)胞和生

2、產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。3發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介 發(fā)酵食品發(fā)酵食品 有機(jī)酸有機(jī)酸 氨基酸氨基酸 核酸類物質(zhì)核酸類物質(zhì) 酶制劑酶制劑 醫(yī)藥工業(yè)（抗生素醫(yī)藥工業(yè)（抗生素） 飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白) 環(huán)境工程（廢物處理）環(huán)境工程（廢物處理） 其它其它 （冶金工業(yè)（冶金工業(yè)） Fermentation Industry Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP) Environment

3、al Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry)4 抗生素、氨基酸、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過(guò)抗生素、氨基酸、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過(guò)微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)？這與微生物的生長(zhǎng)和代謝微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)？這與微生物的生長(zhǎng)和代謝特點(diǎn)有什么關(guān)系？特點(diǎn)有什么關(guān)系？1 1、某些微生物因爭(zhēng)奪生存環(huán)境或營(yíng)養(yǎng)物，會(huì)產(chǎn)生抗生素、某些微生物因爭(zhēng)奪生存環(huán)境或營(yíng)養(yǎng)物，會(huì)產(chǎn)生抗生素將其他種類的微生物殺死。將其他種類的微生物殺死。2 2、微生物會(huì)產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營(yíng)養(yǎng)物、微生物會(huì)產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水解成可吸收的

4、小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖質(zhì)水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。3 3、微生物細(xì)胞會(huì)通過(guò)合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些、微生物細(xì)胞會(huì)通過(guò)合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些物質(zhì)，包括氨基酸、核苷酸等。物質(zhì)，包括氨基酸、核苷酸等。5 微生物繁殖非常迅速微生物繁殖非常迅速 微生物培養(yǎng)易于控制微生物培養(yǎng)易于控制 微生物本身也容易改造微生物本身也容易改造6FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組

5、成：從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)酵工程、下游工程7UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineering8DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMEN

6、TATIONProcess Control下游工程 Fermentation engineering9 適宜的微生物適宜的微生物 保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件 進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件10Use of Microorganisms Positive（益處）益處） Biomass Production Conversion Negative（危害）危害） Pathogens Spoilage11發(fā)酵的定義 傳統(tǒng)發(fā)酵傳統(tǒng)發(fā)酵 生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 工業(yè)上的

7、發(fā)酵工業(yè)上的發(fā)酵12傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。的生產(chǎn)過(guò)程。 FermentationFermentation最初來(lái)自拉丁語(yǔ)最初來(lái)自拉丁語(yǔ)“發(fā)泡發(fā)泡”（ferverefervere）1314生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。 如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出生酒精并放出COCO2 2。15工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生

8、物生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過(guò)程。泛指利用微生物生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過(guò)程。 包括：包括：1. 1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。2. 2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。、氨基酸、酶制劑等。16一、發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)史一、發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)史 時(shí)間時(shí)間 發(fā)酵階段發(fā)酵階段 主要產(chǎn)品主要產(chǎn)品 主要技術(shù)主要技術(shù) -1900 -1900 天然發(fā)酵天然發(fā)酵 酒酒 醋醋 干酪干酪 酵母酵母 天然分批天然分批 1905- 1905- 純培養(yǎng)純培養(yǎng) 酒精酒精 丙酮丁醇丙酮丁醇 密閉純培養(yǎng)密閉純培養(yǎng) 1940- 1940- 通氣攪拌通氣攪拌

9、 抗生素抗生素 有機(jī)酸有機(jī)酸 通氣攪拌通氣攪拌 酶酶 維生素維生素 分批或連續(xù)分批或連續(xù) 1957- 1957- 代謝控制代謝控制 氨基酸氨基酸 核苷酸核苷酸 選育缺陷菌株選育缺陷菌株 1960- 1960- 開(kāi)拓原料開(kāi)拓原料 單細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白 連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 1979- 1979- 基因工程菌基因工程菌 胰島素胰島素 干擾素干擾素 DNA DNA 重組重組純培養(yǎng)純培養(yǎng): :第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 通氣攪拌通氣攪拌: :第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 代謝控制：第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)代謝控制：第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 基因工程菌：第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)基因工程菌：第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 17History of applied mi

10、crobiology Ancient times flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals18n原始發(fā)展階段原始發(fā)展階段（發(fā)酵技術(shù)開(kāi)始于家庭小制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完（發(fā)酵技術(shù)開(kāi)始于家庭小制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完 全是經(jīng)驗(yàn)式的，并不知道其中的原理。）全是經(jīng)驗(yàn)式的，并不知道其中的原理。）

11、n傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段（人們開(kāi)始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)，采用開(kāi)放式（人們開(kāi)始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)，采用開(kāi)放式 的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備較為簡(jiǎn)單，規(guī)模一般不大的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備較為簡(jiǎn)單，規(guī)模一般不大。）n現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段（技術(shù)要求高、發(fā)展速度快；生產(chǎn)規(guī)模大；菌（技術(shù)要求高、發(fā)展速度快；生產(chǎn)規(guī)模大；菌 種生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用達(dá)到前種生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用達(dá)到前 所未有的程度。）所未有的程度。）n生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段 （利用構(gòu)建的基因工程菌生產(chǎn)。）（利用構(gòu)建的基因工程菌生產(chǎn)。）19二、生物反應(yīng)的過(guò)程二、

12、生物反應(yīng)的過(guò)程 cell enzyme biocatalyst monitor sterlized air product bioreactor by product residue sterilizing mediumextract20空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品21菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗(yàn)搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)23 菌種選育自然界篩選、誘變育種、自然界篩選、誘變育種、基因工程、細(xì)胞工程基因工程、細(xì)胞工程培養(yǎng)基配制根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則制備，根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則制備，實(shí)踐中需多次試驗(yàn)配方實(shí)踐中需多次試驗(yàn)配方滅菌殺滅雜

13、菌殺滅雜菌擴(kuò)大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過(guò)程（中心階段）檢測(cè)進(jìn)程，滿足營(yíng)養(yǎng)需要；嚴(yán)格檢測(cè)進(jìn)程，滿足營(yíng)養(yǎng)需要；嚴(yán)格控制溫度、控制溫度、pHpH、溶氧、轉(zhuǎn)速等溶氧、轉(zhuǎn)速等分離純化菌體：過(guò)濾、沉淀菌體：過(guò)濾、沉淀代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換24 四部分組成四部分組成 菌種選育及擴(kuò)大培養(yǎng)菌種選育及擴(kuò)大培養(yǎng) 原料預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備原料預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備 發(fā)酵設(shè)備及反應(yīng)條件的選擇發(fā)酵設(shè)備及反應(yīng)條件的選擇4.4.產(chǎn)品的分離與純化產(chǎn)品的分離與純化25三、三、 微生物工業(yè)產(chǎn)品的類型微生物工業(yè)產(chǎn)品的類型 微生物菌體的發(fā)酵微生物菌體的發(fā)酵 以獲得具有某種用途的菌體為目的以獲得具有某種用途的菌

14、體為目的的發(fā)酵工業(yè)。的發(fā)酵工業(yè)。2. 2. 微生物酶發(fā)酵微生物酶發(fā)酵 目前應(yīng)用的酶大多來(lái)自微生物發(fā)酵。目前應(yīng)用的酶大多來(lái)自微生物發(fā)酵。26 3. 3. 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵(1)(1)初級(jí)代謝產(chǎn)物初級(jí)代謝產(chǎn)物( (primary metabolite)primary metabolite) 菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)生的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)等。生的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)等。(2)(2)次級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物( (secondary metabolite)secondary metabolite) 與菌體生長(zhǎng)繁殖無(wú)明顯關(guān)系，是在菌體生與菌體生長(zhǎng)繁殖無(wú)明顯關(guān)系，是在菌體生長(zhǎng)的穩(wěn)定期（靜止期）合成的具有特定功能的長(zhǎng)的穩(wěn)定期（靜止期）合成的具有特定功能的產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生產(chǎn)物。如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、