[农学]发酵工程讲义。.doc

第一章 绪论 教学目的：了解发酵工程的意义及组成，我国发酵工程的发展现状； 掌握微生物发酵的纯培养技术和深层培养技术的相关内容及发酵工程发展历史上的五个转折点；掌握发酵工程的产业化及其发展前景。 教学重点、难点：微生物发酵的纯培养技术和深层培养技术；发酵工程的产业化及其发展前景。 发酵工程的意义及组成 传统生物技术：抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等。 现代生物技术：基因工程菌发酵，基因工程药物、疫苗及抗体生产。 发酵工业范围：了解 发酵工程与现代生物技术的关系 发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。 由于它以培养微生物为主，故又称为微生物工程。 发酵工程的组成：从广义上讲，由三部分组成，上游工程、发酵工程、下游工程 上游工程：- genetics, cell …（遗传学、细胞学） - inoculum development（菌种培养） -media formulation（载体表达） -sterilization（灭菌技术） - inoculation（接种技术） 下游工程：- product extraction, purification assay（产品分离、纯化及检验） - waste treatment（废物处理） - by product recovery（产物回收） 发酵的定义： 1.传统发酵 发酵（fermentation）最初是来自于拉丁语“发泡”（ferver）这个词，是指酵母作用于果汁或发芽的谷物时产生二氧化碳的现象。 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，如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。 3.工业上的发酵 泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。 发酵过程的组成部分： 典型的发酵过程可划分成六个基本组成部分： （1）繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定； （2）培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌； （3）培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中； （4）微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长； （5）产物分离和精制； （6）过程中排出的废弃物的处理。 1.2 发酵工程的发展历史 发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素发酵→抗生素工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌发酵→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物 （1）传统的微生物发酵技术——天然发酵 （2）第一代微生物技术—纯培养技术的建立 1675年荷兰Anthony Leeuwenhoek(列文虎克1632~1723)用自制的显微镜，观察到了微生物，包括细菌和酵母。 1857年法国的Louis Pasteur(巴斯德1822~1895)第一次证明酒精发酵是由活酵母引起的，各种不同的发酵产物是由不同的微生物产生的。被誉为微生物学的鼻祖，发酵学之父。 1897年德国Eduard Buchner(毕希纳1860~1917)将酵母细胞磨碎，得到的酵母汁加糖（蔗糖）能产生二氧化碳和酒精，从而阐明了微生物发酵的化学反应本质——酶催化。 1905年德国Rober Koch(柯赫1843~1910) 首先发明了固体培养基，得到了细菌纯培养物，建立了微生物纯培养技术，为发酵工程的建立起了关键作用。 纯培养技术的建立，开创了人为控制发酵过程的时期。这一时期的产品有：酵母、酒精、丁醇、有机酸、酶制剂等，主要是一些厌氧发酵和表面固体发酵产生的初级代谢产物。 （3）第二代微生物发酵技术—深层培养技术 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基。 ─── 40u/ml 1943年深层培养：5m3 ─── 200u/ml 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml 青霉素发酵能成功的原因，主要是解决了两大技术问题： 通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。 抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。 ●随后链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等抗生素相继问世，形成了抗生素工业。伴随其兴起诞生的大型发酵罐，为发酵工程的发展提供了关键设备。 ●20世纪50年代，日本人最早引进“代谢控制发酵技术”用于氨基酸发酵，氨基酸发酵工业得到快速发展； ●20世纪60年代，出现了石油发酵，如以石油为原料生产饲料酵母、柠檬酸、水杨酸等