01 第一章 发酵工艺原理绪论.pptx

第1页：发酵工艺原理封面

《发酵工艺原理》课程封面。课程系统讲授生物工程与发酵工程概述、菌种的来源与选育、灭菌与空气除菌、种子制备与菌种保藏、发酵过程动力学、发酵工艺控制以及染菌的防治等内容。

第2页：第一章绪论目录

第一章 绪论，下设两节：

• 第一节 生物工程概述
• 第二节 发酵工程概述

第3页：第一节生物工程概述

第一节 生物工程概述，本节讲授要点：

• 一、生物工程概念
• 二、生物工程的研究内容
• 三、生物操作的一般过程

第4页：基因工程的概念与应用

基因工程

通过DNA重组技术对生物材料进行改良，构建新型微生物菌株、培育新的动植物品种，使其具有符合人们意愿的优良性状，或获得所需要的产物。

第5页：基因工程蛋白质药物

1982年美国食品与药物管理局批准首例基因工程产品——人胰岛素投放市场，标志基因工程产品正式进入商业化阶段。

代表性产品：

• 人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、α-干扰素
• 纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原
• 白细胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等

第6页：基因工程在畜牧业中的应用

基因工程在畜牧业中的应用：

• 动物疫苗、生长激素等
• 典型实例：动物乳腺反应器

第7页：基因工程在种植业中的应用

用携带外源基因的农杆菌Ti质粒转化植物原生质体，使外源DNA与植物染色体DNA整合，通过原生质体培养分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株，即转基因植物。

第8页：

第9页：蛋白质工程的主要步骤

蛋白质工程：通过对蛋白质分子结构的合理设计，利用基因工程手段生产出具有更高生物活性或独特性质的蛋白质。

主要步骤：

1. 从生物体中分离纯化目的蛋白
2. 测定其氨基酸序列
3. 借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构
4. 设计各种处理条件，了解蛋白质结构变化（折叠与去折叠）对其活性与功能的影响
5. 设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变
6. 分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用

第10页：

第11页：高等植物细胞培养

高等植物细胞具有全能性。从幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官组织中分离的单个细胞，经特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株。

第12页：高等植物细胞培养过程

图示高等植物细胞培养过程：由外植体组织分离单个细胞，经培养形成愈伤组织，再诱导分化形成完整植株。

第13页：动物细胞培养

动物细胞培养：将动物细胞在体外适宜条件下进行培养，使其生长、增殖并表达目标产物，是细胞工程的重要组成部分。

第14页：细胞重构技术

细胞重组是把不同种类的细胞的部件重新组合装配。

第15页：细胞融合与原生质体融合

• 细胞融合：将不同种类的两种细胞经特殊处理后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合，形成杂种细胞。
• 原生质体融合：去除细胞壁后的原生质体进行融合，是细胞工程常用手段。

第16页：现代发酵工程的概念

现代发酵工程主要指利用微生物、动植物细胞和基因工程菌，在人工生物反应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。

它是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。

第17页：

第18页：

第19页：离子交换的应用

离子交换技术在发酵产物分离提取中的应用，相关内容以原课件图示为准。

第20页：生物技术的基本内容

生物技术的基本内容（几大领域）：

基因工程

用"剪刀+糨糊"创造新物种的工程

细胞工程

微观水平的嫁接技术

酶工程

让工厂高效、安静、美丽如画的工程

发酵工程

把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁

蛋白质工程

巧夺天工的技术

第21页：

第22页：第二节发酵工程概述

第二节 发酵工程概述，本节讲授要点：

• 一、什么叫发酵
• 二、发酵工程的发展史
• 三、发酵工业的特点
• 四、发酵工业的范围

第23页：发酵的三种定义

发酵的定义（fermentation）分为三种口径：

1. 传统发酵
2. 生化和生理学意义的发酵
3. 工业上的发酵

第24页：传统发酵的定义

传统发酵：fervere，意为发泡。最初用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者指酒的生产过程。

第25页：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；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。

例如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO₂。

第26页：工业上的发酵

工业上的发酵：利用微生物、植物、动物，在合适的条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过程，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

第27页：发酵的分类

发酵的分类：

• 按获取能量的方式：好氧发酵、厌氧发酵
• 按产物类型：初级代谢物发酵、次级代谢物发酵；食品发酵、有机酸发酵、氨基酸发酵、维生素发酵、抗生素发酵等
• 按操作类型：自然发酵、纯种发酵、混种发酵；分批发酵、半连续发酵、连续发酵；固态发酵、液态发酵
• 按发酵生物类型：细菌发酵、真菌发酵、基因工程菌发酵、动植物细胞发酵

第28页：固态发酵生产

SOLID-STATE FERMENTATION PRODUCTION：固态发酵生产，以固体基质进行微生物培养的发酵方式，具体工艺与设备以原课件图示为准。

第29页：发酵工程的发展史

发酵工程的发展史：

1. 发酵现象的发现与利用
2. 小生命体的发现
3. 发酵本质的阐明
4. 纯粹培养技术的开发
5. 发酵中酶催化反应的发现
6. 大规模液体沉没发酵技术的开发
7. 现代生物技术的应用

第30页：发酵工业的特点

优点：

1. 产物结构复杂性和特异性：手性或光学活性
2. 过程安全性：水相、常温、常压、中性、不燃不爆
3. 主要原料可再生性：阳光和土地
4. 原料可替换性
5. 反应自控性
6. 设备通用性
7. 副产物可综合利用性
8. 生产能力可提高性：突变与基因扩增
9. 产物类型可塑性：突变与转基因

缺点：

1. 副产物多，分离精制困难
2. 反应速度慢
3. 原料转化率低
4. 反应浓度低
5. 生产稳定性差
6. 设备庞大，辅助设备多，投资大
7. 废水、废渣排放量大，处理费用高
8. 生产过程容易受到其他微生物的污染
9. 通气、搅拌、冷却等能耗大

第31页：发酵工业的范围：食品、有机酸与氨基酸

发酵工业的范围：

1. 发酵食品工业（Fermented Foods）：酱油、食醋、豆瓣酱、酸菜、活性酵母、活性乳酸菌、面包、酸奶、奶酪、酱豆腐、纳豆、白酒、黄酒、米酒、葡萄酒、啤酒、果酒
2. 有机酸发酵工业（Organic Acids）：醋酸、乳酸、柠檬酸、葡萄糖酸、苹果酸、衣康酸、琥珀酸、丙酮酸、反丁烯二酸等
3. 氨基酸发酵工业（Amino Acids）：谷氨酸、赖氨酸、色氨酸、苏氨酸、精氨酸、酪氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸等

第32页：发酵工业的范围：低聚糖多糖与核苷酸

发酵工业的范围（续）：

4. 低聚糖与多糖发酵工业：低聚果糖、香菇多糖、云芝多糖、葡聚糖、黄原胶等
5. 核苷酸发酵工业（Nucleotides）：肌苷酸（IMP）、鸟苷酸（GMP）、黄苷酸（XMP）

第33页：发酵工业的范围：药物发酵

6．药物发酵工业（Pharmaceutical）：

• 抗生素：青霉素、头孢菌素、链霉素、红霉素、四环素、制霉菌素、丝裂霉素等
• 基因工程制药工业：促红细胞生成素（EPO）、集落刺激因子（CSF）、表皮生长因子（EGF）、人生长激素、干扰素、白介素、各种疫苗、单克隆抗体等
• 药理活性物质发酵工业：免疫抑制剂、免疫激活剂、糖苷酶抑制剂、脂酶抑制剂、类固醇激素等

第34页：发酵工业的范围：维生素、酶制剂与饲料

发酵工业的范围（续）：

7. 维生素发酵工业：维生素C、维生素B₂、维生素B₁₂等
8. 酶制剂发酵工业（Enzymes）：淀粉酶、蛋白酶、脂酶、青霉素酰化酶、葡萄糖氧化酶、海因酶等
9. 发酵饲料工业（Feedstuff）：干酵母、单细胞蛋白、酵素菌、益生菌、青贮饲料、抗生素和维生素饲料添加剂等

第35页：发酵工业的范围：肥料农药、溶剂与环保

发酵工业的范围（续）：

10. 生物肥料与农药工业：细菌肥料、赤霉素、除草菌素、苏云金杆菌、白僵菌、绿僵菌、杀稻瘟菌素、有效霉素、春日霉素等
11. 溶剂发酵工业（Solvent）：酒精、甘油、乙醇、丙酮、丁醇溶剂等
12. 水的生物处理工业及环保：活性污泥、沼气发酵、有毒物质降解等

第36页：WTO带来的机遇和挑战

发酵工业的产业特点：

1. 技术中等复杂而又相对成熟（不属于高端技术）
2. 劳动中等密集、资源消耗较大，污染大

从国际产业分工格局的趋势看，理应由发达国家转移到优秀的发展中国家。中国是发展最快的发展中国家，有很好的产业基础和人力资源，进入WTO之后可以更直接地参与国际产业分工，应当成为世界发酵第一大国和第一强国。

第37页：发酵产业在我省区域经济中的地位

发酵产业在区域经济中最具特色，石家庄是全国发酵工业的中心，是医药原料抗生素、维生素的生产基地。

"药都"的提出意味着石家庄市可能成为中国发酵产业的第一大市和第一强市，天时和地利都已齐备。

第38页：由实验室研究到产业化的过程

由实验室研究到产业化的过程：

菌种筛选 → 摇瓶试验 → 发酵罐中试 → 发酵生产

第39页：发酵工程的基本技术过程

发酵工程的基本技术过程：以原课件流程图为准，覆盖菌种、培养基、灭菌、种子制备、发酵与产物提取等环节。

第40页：发酵罐的基本组成

The essential components of a fermentor：发酵罐的基本组成，包括罐体、搅拌与通气系统、传热装置、检测与控制接口等，具体部件以原课件图标注为准。

第41页：发酵的主体设备

发酵的主体设备：发酵罐及其配套管路、阀门与检测装置，具体结构以原课件图示为准。

第42页：发酵工程生产产品的流程图

发酵工程生产产品的流程图：涵盖原料处理、培养基配制、灭菌、种子扩大培养、发酵、产物分离提取与精制等工序，以原课件图示为准。

第43页：《发酵工程工艺原理》课程的内容

《发酵工程工艺原理》课程的内容：

• 绪论
• 培养基
• 生产菌种的选育
• 灭菌与无菌空气的制备
• 生产菌种的制备
• 发酵动力学
• 发酵工艺过程控制
• 染菌的防治

第44页：主要参考书

主要参考书：

• 《发酵工艺原理》中国医药科技出版社
• 《新编生物工艺学》华东化工大学出版社
• 《生物化学工程》上海科学技术出版社
• 《微生物工程工艺原理》华南理工大学出版社
• 《现代生物技术概论》北京师范大学出版社
• 《微生物工程》科学出版社
• 《发酵工业概论》中国轻工业出版社

第45页：主要专业期刊

主要专业期刊：微生物学报、微生物学通报、食品与发酵工业、工业微生物、生物工程学报、生物工程进展、食品与生物技术、生物技术通报、医药生物技术。

第46页：专业站点

专业站点：

• 生物引擎：www.bio-engine.com
• 美国化学网数据库群：www.chemweb.com/databases
• 美国国立医学图书馆Pubmed数据库：www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed
• 中国生物工程网、生物桥、生物论坛
• 中国发明专利技术信息网、欧洲专利条约组织：ep.espacenet.com、中国数字图书馆

第47页：

第48页：

第49页：