第1章绪论.pptx

主讲：王航,发酵工程,Fermentation Engineering,2,第一章,绪论,3,本章内容,第一节 发酵及其应用第二节 发酵的工程化 第三节 发酵工程的未来,一、何谓发酵（fermentation）？,微生物的发酵现象,在西方，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。Ferment,from fervere to boil,发泡、沸腾,第一节 发酵及其应用,在东方，酵，形声，从酉，表示与酒有关，孝声。本义:酒母。正字通以酒母起麪曰發酵。发面与发泡是一回事吗？,5,1857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。,6,生物氧化,有氧呼吸,生物化学家眼中的发酵,生理学意义发酵：在生物氧化或能量代谢中，发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。这是生物化学家从能量代谢角度对发酵的观点。,无氧呼吸，又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。,工业微生物学家,利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）,发酵是利用微生物培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程,侧重产品的生产：,工业上的发酵泛指利用微生物（广义上包括动、植物细胞）制造或生产某些产品的过程。,二、发酵的应用（以行业划分举例）,食 品 工 业酶 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,传统发酵(生物食品)产业,生物健康食品业,食用菌业,乳酸菌饮料,泡 菜 业,微 藻 业,生物保健食品,生物食品添加剂及配料业,酒 精 业,维生素业,酵 母 业,药膳真菌,生物酿造食品业,啤 酒 业,酱 油 业,白 酒 业,葡萄酒业,黄 酒 业,果露酒业,食 醋 业,酱 行 业,腐 乳 业,其 他,氨基酸业,淀粉糖业,有机酸业,酶制剂业,生物防腐剂,其他,功能糖业,功能肽业,功能脂肪酸,生物色素,生物增稠剂,其 他,中国生物食品产业总规模(2004年)：2810亿元(6300万吨),生物食品酿造业 1580亿(4300万吨)，56%,生物健康食品业 670亿(1000万吨)，24%,生物食品添加剂及配料业 560亿(1000万吨)，20%,1、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,用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料：葡萄糖、麦芽糖、异麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇等食品添加剂：面包酵母、味精(谷氨酸单钠)、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。,生产规模大醋、酱油、啤酒等产量世界第一抗生素，如青霉素等产量世界第一维生素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 5000多家,相关产业年产值超过2万亿元，占国民经济的20%,中国是发酵工业大国,工艺技术落后,环境污染严重,每年废水达80亿m3(工业排放总量10%)，COD排放500万吨(20),生产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%,创新品种较少，部分产品长期依赖进口,中国不是发酵工业强国,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,2、在医药工业中的应用,E、生物制品：用于预防、诊断或治疗传染病，如疫苗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(手性拆分)、工业发酵药物,糖酶：-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最大酶制剂厂家：诺维信(Novoenzyme)、杰能科(Genencor),3、应用于轻工、食品用酶的生产,4、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,SG,C2,C3,C5,C6,C4,淀粉,半纤维素,纤维素,木质素,油脂,蛋白质,碳水化合物,糖平台 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖,热化学平台生物合成气,生 物 质,H2、甲烷混合醇,衣康酸 乙酰丙酸,富马酸丁二酸天冬氨酸苹果酸,柠檬酸葡萄糖酸山梨醇,乳酸、甘油丙烯酸3-羟基丙酸,乙醇、乙烯,资源问题：生活资料和生产资料生产,25,Biodiesel cruise boat(Amsterdam,The Netherlands),Ethanol powered car(Sweden),Royal Nedalco truck at ethanol loading point(The Netherlands),Biodiesel filling station,Biodiesel-truck-loading(Germany),能源问题：大力开发生物能源,酵母生产燃料乙醇,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：光合微生物、非光合微生物生物柴油,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,5、养殖业方面,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。,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。有益菌可作为饲料添加剂(微生物态制剂)。发酵床养殖。,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。,33,微生物勘探石油：某些菌在土壤中的含量与底土中石油烃的浓度存在对应关系，可以作为地下油田的指示菌微生物三次采油：构建产生CO2和CH4的工程菌，把菌和培养基一起注入到油层中，让工程菌不但在油层中产气增加井压，还分泌高聚物等表面活性剂降低油层压力，利于开采。,7、在石油工业中的应用,抗病、杀虫抗生素单细胞蛋白食用和药用真菌生物农药，如苏云金杆菌(德国人贝尔奈(Berliner)从德国苏云金省这个地方的一家面粉厂里的地中海粉螟上又重新分离到一种有很强杀虫力的细菌,并正式定名为苏云金芽胞杆菌)生物肥料,8、在农业生产中的应用,微生物在对生物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。,9、在环境保护中的应用,36,环境问题：解决复杂环境问题的最经济有效手段,异位生物修复,原位生物修复土著原位工程原位,废水生物处理工程,生物修复,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。,喷洒工程菌清除石油污染,微生物与环保,微生物处理腈纶废水的塔式滤池,10、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、抗体,41,发酵的工业化应用形成了发酵工业，从产品的角度看，发酵工业可分为1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物酶为产品的发酵工业3、以微生物代谢产物为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物废水处理和其他,微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。,4、微生物的生物转化,