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1、1,赵 蕾 山东师范大学生命科学学院 Zhaolei, PhD College of Life Science Shandong Normal University E-mail:,发 酵 工 程 Fermentation Engineering,2,发酵工程（fermentation engineering） 直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品的过程，又称微生物工程。 在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。,3,发酵工业简介 发酵食品 有机酸 氨基酸 核酸类物质 酶制剂 医药工业（抗生素） 饲料工业（单细胞蛋白) 环境工程（废物处理） 其它 （冶金工业）,Fermen
2、tation Industry Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP) Environmental Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry),4,为什么要利用微生物？,抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？ 1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的
3、微生物杀死。 2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。 3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。,5,为什么要利用微生物？,微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造,6,Fermentation engineering,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES,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,7,UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell - inocul
4、um development media formulation sterilization - inoculation,上游工程,Fermentation engineering,8,DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment by product recovery,下游工程,Fermentation engineering,9,适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 进行微生物发酵的设备 精制成产品的方法和设备,获得发酵产品的条件,10,Use of Micro
5、organisms,Positive（益处） Biomass Production Conversion Negative（危害） Pathogens Spoilage,11,发酵的定义,传统发酵 生化和生理学意义的发酵 工业上的发酵,12,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。 Fermentation最初来自拉丁语“发泡”（fervere）,13,14,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。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,15,工业上的发酵,泛指利用微生物生产某些产品的
6、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。,16,一、发酵工业简史 时间 发酵阶段 主要产品 主要技术 -1900 天然发酵 酒 醋 干酪 酵母 天然分批 1905- 纯培养 酒精 丙酮丁醇 密闭纯培养 1940- 通气搅拌 抗生素 有机酸 通气搅拌 酶 维生素 分批或连续 1957- 代谢控制 氨基酸 核苷酸 选育缺陷菌株 1960- 开拓原料 单细胞蛋白 连续发酵 1979- 基因工程菌 胰岛素 干扰素 DNA 重组,纯培养:第一个转折点 通气搅拌:第二个转折点 代谢控制：第三个转折点 基因工程菌：第四个转折点
7、,17,History of applied microbiology,Ancient times flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals,18,原始发展阶段（发酵技术开始于家庭小制作，技术进步缓慢，完 全是经验式的，并不知道其中的原理。） 传统发酵工业阶段（人们开始了解发酵现象的
8、本质，采用开放式 的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模一般不大。） 现代发酵工业阶段（技术要求高、发展速度快；生产规模大；菌 种生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前 所未有的程度。） 生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产。）,19,二、生物反应的过程 cell enzyme biocatalyst monitor sterlized air product bioreactor by product residue sterilizing medium,extract,20,空气,空气净化处理,保藏菌种,斜面活化,扩大培养,种子罐,主发酵,碳源、氮源、无机盐等营养
9、物质,灭菌,产物分离纯化,成品,21,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,23,发酵工程的概念和内容,菌种选育,自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程,培养基配制,根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方,灭菌,杀灭杂菌,扩大培养和接种,发酵过程（中心阶段）,检测进程，满足营养需要；严格控制温度、pH、溶氧、转速等,分离纯化,菌 体：过滤、沉淀 代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换,24,四部分组成 菌种选育及扩大培养 原料预处理及培养基的制备 发酵设备及反应条件的选择 4.产品的分离与纯化,25,三、 微生物工业产品的类型 微生物菌体的发酵 以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵工业。 2. 微
10、生物酶发酵 目前应用的酶大多来自微生物发酵。,26,3. 微生物代谢产物发酵 (1)初级代谢产物(primary metabolite) 菌体生长繁殖所必需的，在对数生长期产生的物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白质等。 (2)次级代谢产物(secondary metabolite) 与菌体生长繁殖无明显关系，是在菌体生长的稳定期（静止期）合成的具有特定功能的产物。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素等。,27,初级代谢产物和次级代谢产物的异同,28,4. 微生物的生物转化 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更有价值的产物。 5. 微生物特殊机能的利用 利用微生物消除环境污染、保持生态平衡等。,