第1页：发酵工程与设备课程封面
发酵工程与设备课程封面：发酵工程与设备Fermentation Engineeringand Equipment
第2页：发酵工程的定义与生物技术范畴
- 生物技术的定义
- 应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。第一章绪论
第3页：发酵工程的多学科构成
发酵工程的多学科构成：发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。
第4页：发酵工程的工艺技术与无菌环境
发酵工程的工艺技术与无菌环境：要点如下。
- 在发酵过程中不断向发酵罐中通入无菌空气的空气过滤技术；
- 在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；
- 种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
第5页：发酵工艺放大与小试中试验证
发酵工艺放大与小试中试验证：(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。 (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。
第6页：发酵技术的研究内容
发酵技术的研究内容：在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。 主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。 如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。
第7页：发酵工程的发展历史
发酵工程的发展历史：要点如下。
- 发酵工程的发展历史
- 我国的传统发酵产品酱油、醋、腐乳等享誉世界
- 我国的酿酒已经有4000多年的历史
- 我国的酱油距今已有3000年的历史
- 57年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用
第8页：巴斯德的发酵理论
巴斯德的发酵理论：1857年法国化学家、微生物学的奠基人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。 ”微生物学的奠基人——伟大的巴斯德
第9页：巴斯德对酒变质的解释
巴斯德对酒变质的解释：要点如下。
- 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。
- 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。
第10页：青霉素发现与抗生素工业
青霉素发现与抗生素工业：要点如下。
- 29年Flemming爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品—抗生素
- 世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物—抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业
- 世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。
- 实现了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步
- 世纪60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员
第11页：七十至八十年代的新方向
七十至八十年代的新方向：70年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等 80年代以来，随着重组DNA技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段
第12页：发酵工程史（古代至抗生素）
发酵工程史（古代至抗生素）：要点如下。
- History of Fermentation engineering
- 61 Louis Pasteur–first phase industrial biotechnology
第13页：发酵工程史（重组DNA以来）
发酵工程史（重组DNA以来）：要点如下。
- History of Fermentation engineering
- 73 rec DNA technology (Boyer & Cohen)
- 82 rec human insulin（胰岛素）–post recombinant DNA area
- since 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）
- 90 rec bakers yeast
- 92 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast)
第14页：发酵工程的两个研究层次
发酵工程的两个研究层次：要点如下。
- 三、发酵工程的特点
- 酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应，即小规模的研究形式。
- 如大量摇瓶在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法。
- 过程放大，即大规模的研究形式。
第15页：发酵的一般流程图
发酵的一般流程图：发酵的流程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、无机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品
第16页：发酵工程利用的微生物特点
发酵工程利用的微生物特点：利用微生物的特点 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌利用微生物的特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力(2)有极强的消化能力(3)有极强的繁殖能力
第17页：生物反应过程的四个组成部分
生物反应过程的四个组成部分：生物反应过程的组成部分（1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备（3）生物反应器及反应条件的选择与监控（4）产品的分离纯化
第18页：原材料的预处理
原材料的预处理：（1）原材料的预处理包括原材料的选择，采用必要的物理和化学方法加工，此过程是为提供微生物细胞可以生长和产物形成的基本原料，即培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等。
第19页：生物催化剂的制备
生物催化剂的制备：（2）生物催化剂的制备生物反应的催化剂—酶基本上是由微生物产生的。 因此，要选择高产、稳定、高效、容易培养的菌株，并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量并具有理想质量的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。 也可以利用固定化酶或固定化细胞，这就要通过一定的固定化技术来制备。
第20页：生物反应器与反应条件监控
生物反应器与反应条件监控：要点如下。
- 反应器的结构、操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品成本有着密切关系。
- 根据发酵周期长短、培养条件等，可采取间歇式操作、多级反应器串联的连续操作等。
- 同时反应参数的检测与控制对生物反应过程的顺利进行也是十分重要的。
第21页：产品的分离纯化
产品的分离纯化：（4）产品的分离纯化这一工序也叫下游加工程序，其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细胞中（指胞内产物）提取出来，并加以精制以达到规定的质量要求。 包括物理方法、化学方法、生物方法等。
第22页：生物反应过程的特点（一）
生物反应过程的特点（一）：生物反应过程的特点a．采用可再生资源作为主要原料，因而来源丰富，价格低廉，过程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响。 b.由于采用的是生物催化剂，反应过程一般在常温常压下进行。 但生物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用。
第23页：生物反应过程的特点（二）
生物反应过程的特点（二）：要点如下。
- 与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。
- 尽管生物反应过程成本低，应用广。
- 但反应极力复杂，较难检测与控制。
- 反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。
第24页：生物反应过程的分类
生物反应过程的分类：要点如下。
- 四、生物反应过程分类
- 酶催化反应过程
- 微生物反应过程
- 废水的生物处理过程
第25页：酶催化反应过程
酶催化反应过程：要点如下。
- 酶催化反应过程
- 采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。
- 生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。
- 工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶。
第26页：微生物反应过程
微生物反应过程：要点如下。
- 微生物反应过程
- 采用活细胞为催化剂时的反应过程。
- 这既包括一般的微生物发酵反应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。
第27页：废水的生物处理过程
废水的生物处理过程：3.废水的生物处理过程 它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程。
第28页：废水生物处理过程的特点
废水生物处理过程的特点：要点如下。
- 废水的生物处理过程特点
- 由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养系统
- 几乎全部采用连续操作系统
- 微生物所处的环境条件波动大
- 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身
第29页：发酵工业的定义
- 五、发酵工业 发酵工业的定义
- 指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。
第30页：工业发酵的两类培养过程
工业发酵的两类培养过程：要点如下。
- 工业上的发酵
- 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。
- 包括：1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。
- 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。
- 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
第31页：开拓发酵原料与基因工程
开拓发酵原料与基因工程：开拓发酵原料时期：石油发酵，醋酸生产谷氨酸 基因工程阶段：采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。 人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。
第32页：发酵工业的产品种类
发酵工业的产品种类：要点如下。
- 发酵工业产品种类
- 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…）Fermentation Industry
- Fermented Foods
- Organic Acids
- Amino Acids
- Nucleotides
- Enzymes
- Pharmaceutical (Antibiotics…)
- Feedstuff (eg. SCP)
- Environmental Application (Waste Treatment)
- Others (eg. Metallurgical industry)
第33页：获得发酵产品的四个条件
获得发酵产品的四个条件：要点如下。
- 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
- 精制成产品的方法的设备获得发酵产品的条件
第34页：菌种的选育
菌种的选育：要点如下。
- 菌种的选育
- 要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。
- 怎样才能得到优良的菌种呢？
第35页：培养基的配制
培养基的配制：要点如下。
- 培养基的配制
- 要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。
- 在配制培养基时应该注意哪些事情呢？
- 目的要明确。
- 根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。
- 配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求。
- 培养基的营养要协调，以利于产物的合成。
- pH要适宜。
第36页：灭菌的必要性
灭菌的必要性：要点如下。
- 灭菌
- 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。
- 这是为什么呢？
- –在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。
- –例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。
- 如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。
第37页：灭菌彻底的标准
灭菌彻底的标准：要点如下。
- 灭菌要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。
- 怎样才算灭菌彻底呢？
- –用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。
第38页：扩大培养和接种
扩大培养和接种：扩大培养和接种在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让他们达到一定数量以后，再进行接种。 接种过程防止杂菌污染。
第39页：发酵过程的检测与控制
发酵过程的检测与控制：要点如下。
- 发酵过程
- 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。
- 同时，还应对发酵条件进行严格控制。
第40页：影响发酵的条件因素
影响发酵的条件因素：要点如下。
- 发酵过程
- 哪些条件能影响菌体的发酵呢？
- –发酵生产中温度、pH、溶氧量、转速等对发酵过程有重大影响。
- （哪些影响？
- ）想一想：发酵过程中温度升高的热量来源？
- 哪些因素会影响pH值？
- 溶氧量的控制？
第41页：分离与提纯
分离与提纯：要点如下。
- 分离、提纯
- 菌体本身，如酵母菌和细菌等–采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来
- 代谢产物–采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
第42页：
第43页：发酵工业的范围
发酵工业的范围：发酵工业的范围1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业3、以微生物酶为产品的发酵工业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
第44页：发酵工业的意义与展望
发酵工业的意义与展望：要点如下。
- 发酵工业的意义与展望
- 利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种
- 采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养
- 固定化技术广泛应用
- 开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段
- 应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸
- 将生物技术广泛地用于环境工程
第45页：基因操作技术与生物制药
基因操作技术与生物制药：要点如下。
- 基因操作技术日新月异，不断完善。
- 新技术、新方法一经产生就迅速的通过商业渠道出售此项技术并在市场上加以应用。
- 基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。
- 新的生物治疗制剂的产业化前景十分光明，21世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造。
- 转基因动物和植物取得重大突破。
- 现代生物技术在农业上的广泛应用作为生物技术的“第二次浪潮”在21世纪将全面展开，给农业畜牧业生产带了新的飞跃。
- 生物技术对农业的总贡献率大于70%，功能性食品在营养学上起着革命性的变化。
第46页：基因组与功能基因研究
基因组与功能基因研究：要点如下。
- 阐明生物体（目前主要有人类、水稻、拟南芥等）基因组及其编码蛋白质的结构和功能是当今生命科学的一个主流方向。
- 目前已有多个原核生物及一个真核生物（酵母）的基因组序列被全部测定。
- 与人类重大疾病相关的基因和与农作物产量、质量、抗性等有关基因的结构与功能及其应用研究是今后一个时期研究的热点和重点。
- 基因治疗取得重大进展，有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。
- 估计在本世纪初，恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。
- （基因治疗对象：遗传病、恶性肿瘤、艾滋病、乙肝、代谢性病、心血管病等）。
第47页：蛋白质工程与生物信息学
蛋白质工程与生物信息学：要点如下。
- 蛋白质工程是基因工程的发展，它将分子生物学、结构生物学、计算机技术结合起来，形成一门高度综合的学科。
- 国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域，形成了引人注目、用途广泛的生物信息学。
- 全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术的研究、应用和开发。
第48页：复习与思考
复习与思考：要点如下。
