第一章 发酵工程总论.ppt

1,发 酵 工 程Fermentation Engineering,2,主讲人简介,刘萍：发酵工程专业博士，研究方向为生物制药，主讲课程发酵工程、生物制药概论、生物工艺学，参讲课程细胞工程、生物学基础、生物工程概论、发酵工程专题等发酵工程被评为校级精品课程和北京市精品课程建设课程联系方式：7671、7697(6273),3,需要注意的问题,认识发酵工程的重要性 如何学习这门课 如何去看书 重视科技文献 尤其要重视实验课 有关考试,4,教材及主要参考书,教材：生物工艺学 俞俊棠主编 华东理工大学出版社，1991.参考书：1.曹军卫,马辉文.微生物工程.科学出版社，2002.2.P.F.斯坦伯里,A 惠特克.发酵工艺学原理.中国医药科技出版社.1992.3.贺小贤.生物工艺原理.化学工业出版社.2003.4.尹光琳,战立克,赵根楠.发酵工业全书.中国医药科技出版社.1992.,5,主要介绍内容,第一章 绪论（2学时）本章要点：掌握发酵工程的基本知识；了解发酵工程的一般工艺过程和工艺发展趋势。,6,第二章 工业微生物菌种的选育与保藏（4学时）,1、工业菌种筛选2、培养分离3、工业菌种的育种方针4、工业微生物菌种保藏技术,7,第三章 发酵工艺条件的优化（4学时）,1、培养基2、菌种生长条件3、种子扩大培养,8,第四章 发酵机制（4学时）,第一节 微生物代谢机理 第二节 微生物的代谢调节调控与发酵生产,9,第五章 发酵工程动力学（4学时）,第一节 微生物反应过程概论第二节 微生物发酵动力学分类第三节 工业微生物培养方法,10,第六章 发酵工艺控制（4学时）,第一节 灭菌及空气除菌第二节 氧的供给第三节 发酵单元操作,11,第七章 发酵生产的设备（6学时）,第一节 介绍常用发酵罐的组成、工作原理及操作、控制第二节 发酵反应器的设计和自动控制,12,第九章 发酵工程各论 12学时,第一节 氨基酸生产工艺学 2第二节 抗生素生产工艺学 2第三节 微生物酶制剂生产工艺 2第四节 污水生化处理技术 2第五节 甾体激素的微生物转化工艺 2第六节 活性物质生产技术 2,13,发酵工程实验 16学时,1、特定产物工业生产菌种的筛选 4学时2、摇床培养确定菌体培养和营养条件 4学时3、小型发酵罐中进行产品的分批发酵 4学时4、流加发酵动力学研究 4学时,14,第一章 绪论,第一节 发酵的定义及应用范围第二节 发酵工程组成及研究内容第三节 发酵工业第四节 发酵方法的类别与流程第五节 我国发酵工业的科技进步,15,提问：什么是发酵,16,微生物发酵技术,1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。,17,一、发酵的定义,1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵,18,1、传统发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,19,2、生化和生理学意义的发酵,指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,20,3、工业上的发酵,泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括：1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,21,提问：发酵工程的应用领域,22,发酵工程应用范围,食 品 工 程酶 工 业 氨基酸工业 有机酸工业 饲 料 工 业新材料开发 生 物 化 工 环 境 保 护,23,在食品工业中的应用,这是生物技术最早开发应用的领域，含醇饮料：以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆等为主要原料酿造或经加工的有葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、朗姆酒等 传统调味品及发酵食品：以豆类、米、麦等生产的酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等,24,饮料酒类产量大、产值高、影响面广，许多国家利用生物工程的技术改革旧工艺已取得明显效果，收到显著的经济效益。,25,用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料：葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇、脂肪等 食品添加剂：面包酵母、味精(谷氨酸单纳)、赖氨酸、柠檬酸、红曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鸟苷酸(均为增鲜剂)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖(均为增稠剂)、葡萄糖氧化酶和异维生素C(均为食品保鲜剂)、乳链菌肽(食用防腐刘)。新型发酵饮料 活性乳酸饮料。,26,微生物与饮食、调味品,青 红 方,酱，酱油，豆,食 用 醋,发酵饮料,味 精,发酵面食,食用药用菌,食用色素,食品添加剂,淹渍蔬菜,27,发酵食品市场,主要原料：橄榄、卷心菜和腌黄瓜。1999年韩国国内泡菜市场产值约为16.7亿美元。1998年日本泡菜生产量达18万吨，市场为13亿美元，在国际市场上日韩两国占据了95%以上的份额。2000年，中国泡菜工业的市场销售额约为10亿元，中国泡菜的代表之一-四川泡菜企业出口总额约500万美元，仅占国际泡菜市场总量的3%。,28,A 各种抗生素：抗细菌，抗真菌，抗原虫，抗肿瘤 天然、合成、半合成B、各种氨基酸：在医药中主要用于生产氨基酸输液 可用发酵获得或用酶法获得C、维生素：D、甾体激素,3.2 生物技术在医药工业中的应用,29,E、生物制品：生于预防、诊断或治疗传染病F、单克隆抗体、抗体与抗原具有高度亲和性，用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物导弹药物的运载工具。纯化抗原类物质，菌种鉴别。G、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、制药工业用酶、工业发酵药物,3.2 生物技术在医药工业中的应用,30,抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发酵罐为400立方米。进入90年代后，全球生产与销售的各类抗生素原料药平均每年约在3万吨以上，总价值约为250一300亿美元，1992一1993年度实际增长率为4%。美国抗感染药物市场销售额1992年达60.71美元。,生物技术生产医药市场,31,维生素,发酵生产的维生素，1982年世界产量为6万吨左右，六种维生累的总销额为6.7亿美元。在19691980年间，每年销售量递增10，19811991年间仍以7一8的速率递增。目前，全球范围内使用最为普遍的是VA、VC 和VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有0.5-1.5亿美元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料的市场正以每年2-3速度增长，在药用和食品领域都以4-5的速度增长。,32,甾体激素,目前世界市场的年销售额为67亿元，今后仍将以610的速率递增。最近正在兴起用固定化细胞进行甾体转化，将是一个有发展前途的新工艺，目前国际上正在研究中的除干扰素以外、还有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余种。今后几年内，在重组DNA的工作逐步深入当中，定会对人类和牲畜健康引起实质性的改善。,33,糖酶：a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支链淀粉酶、转化酶、异构酶、半乳糖酶、纤维素酶。蛋白酶：碱性、酸性、中性蛋白酶果胶酶脂肪酶凝乳酶过氧化氢酶。,3、生物技术应用于轻工、食品用酶的生产,34,4、生物技术应用于化工能源产品的生产,利用发酵、生物转化或酶法生产：烷烃、醇及溶剂、有机酸、多糖等据预测，2000年酒精发酵原料主要是纤维素、木质质等，并大量用于燃料消耗。美国计划在90年代能源结构中，煤和石油将从目前的95下降到50，酒精将在新能源中占重要地位。,35,酵母生产燃料乙醇,36,沼气 在利用工农业生产中的有机物废料，将它们发酵制取燃料(沼气)气体方面，美国计划解决全国能源需要量的10，工业有机废水(渣)的利用在西欧转向甲烷发酵，英、美、德、日、俄都已建成了许多大型沼气发酵厂，如伦敦，每年可回收沼气8800万立方米。氢能生物柴油,37,5、饲料工业方面,随着世界人口的不断增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益减少，动、植物蛋白的来源受到了限制，高质量蛋白质的不足已经成为一个十分突出的问题。微生物菌体中，蛋白质含量占4555(干物质)、所以用发酵工业生产单细胞蛋白是食品和饲料蛋白质的重要来源。,38,另外，藻类蛋白饲料也不可忽视，如前西德培养的珊列藻，每年每公顷所得蛋白比小麦多20一35倍。,39,一个 20 米直径的水池年产 4 吨藻类，加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。一英亩三角大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。,图为生长在淡水和海水中的一种硅藻,40,6、冶金工业方面,细菌浸矿，即利用细菌的直接和间接作用对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有铜和铀(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等许多国家都在积极开展此项研究和生产。美国用这种办法得到的铜占铜产量的10以上，加拿大用细菌浸出的铀(U308)年产量达230吨。据世界20个矿山资料表明，每年用细菌浸出约铜达20万吨。,41,抗病、杀虫抗生素单细胞蛋白食用和药用真菌生物农药生物肥料,7、生物技术在农业生产中的应用,42,什么是有机食品,43,微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。嫌气发酵法：指在嫌气情况下利用分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2。好气发酵（活性污泥）法：指在曝气情况下，用某些能降解有机物质的产菌胶的细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对工业或生活污水进行处理。,8、生物技术在环境保护中的应用,44,在化学工业和环境保护等方面，微生物工程也同样能发挥独持的作用，如：与化学法相结合，选育相应的优良菌种，以乙烯和丙烯腈为原料，分别生产环氧乙烷、乙二醇等，利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大面积的海面石油污染等。,45,喷洒工程菌清除石油污染,46,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,47,48,9、生物技术应用于高技术研究开发,基因工程中酶、DNA探针等医药中诊断用酶,49,第二节 发酵工程组成及研究内容,50,发酵工程定义,发酵工程是渗透有工程学的微生物学。是利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术产生有用物质或直接应用于工业化生产、以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全球性课题联系起来的一种技术体系。是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。,51,利用微生物的特点,发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌。利用微生物的特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。(2)有极强的消化能力。(3)有极强的繁殖能力。,52,发酵工程组成,从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程,53,Fermentation engineering,