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《发酵工程》 张嗣良 华东理工大学 生物工程学院 2005.2 1. 绪论 1.1发酵过程的意义及组成 1.2 发酵工程的发展历史 1.3 发酵工程的生物学与工程学基础 1 .4 本课程的学习内容 发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产 生物工程 1.2 发酵工程的发展历史 发酵现象的早期认识 1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶 发酵工程的早期阶段 人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。 20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）──由食品工业向非食品工业发展 好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。 1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。 发酵工程的重大转折点 二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。 1928年由 Fleming发现青霉素 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年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素 主要的技术进展： 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。 意义： 抗生素工业的发展 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法 推动了整个发酵工业的深入发展 为现代发酵工程奠定了基础 大型发酵罐搅拌装置 180M3发酵罐车间 发酵车间的空气过滤器 现代生物技术──分子生物学与发酵工程 氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸 核酸发酵工业──肌苷酸、乌苷酸 微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点: 酶的活力调控, 酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏) →解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等 20世纪70年代 细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物： 增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量 将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物 将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护 动物细胞反应器 人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变 ── 功能基因及其表达产物的获得。 基因组与基因组功能 基因组完成后，获得三套完整的数据：遗传图、物理图、全序列图。 功能性蛋白是基因功能的执行体。 在ORF确定前，很难在一个基因从分子水平上进行实质性的功能分析 基因与其编码产物蛋白的对应关系只存在于新生肽链而不是最终的功能蛋白，新生肽链合成存在多种加工。 大规模基因测序 高通量蛋白生产 细胞大规模培养技术 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细胞、藻类细胞等 细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等 占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。 发酵工程产业化发展 目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力 人类社会经济发展的危机 随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。 基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。 21世纪是生物技术世纪 未来学家说：21世纪是生物技术世纪； 科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方