宋存江生物技术概论4发酵工程
发酵工程讲义
发酵工程讲义长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义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。
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，三部分组成，上游工程、发酵工程、下游工程上游工程：- genetics, cell ? - inoculum development -media formulation -sterilization - inoculation 下游工程：- product extraction, purification & assay - waste treatment - by product recovery 发酵的定义： 1.传统发酵发酵最初是来自于拉丁语“发泡”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：繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；产物分离和精制；过程中排出的废弃物的处理。
2024年《发酵技术》精品课件
2024年《发酵技术》精品课件一、教学内容本节课将围绕《发酵技术》教材第4章“微生物发酵与工业应用”展开，详细内容包括微生物发酵的基本原理、发酵过程中关键因素的影响、常见发酵产品的制备工艺及其在现代工业中的应用。
二、教学目标1. 理解微生物发酵的基本原理，掌握发酵过程中的关键因素。
2. 学习常见发酵产品的制备工艺，了解发酵技术在现代工业中的应用。
3. 培养学生的实践操作能力，提高分析问题和解决问题的能力。
三、教学难点与重点教学难点：发酵过程中关键因素的控制，发酵产品制备工艺的学习。
教学重点：微生物发酵的基本原理，发酵技术在现代工业中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实验操作视频、发酵实验装置。
五、教学过程1. 实践情景引入（10分钟）通过展示发酵技术在食品、药品、环保等领域的应用实例，引起学生对发酵技术的兴趣。
2. 理论知识讲解（15分钟）介绍微生物发酵的基本原理，分析发酵过程中的关键因素。
3. 例题讲解（10分钟）以制备酸奶为例，讲解发酵产品的制备工艺。
4. 随堂练习（15分钟）学生根据所学知识，设计并实施简单的发酵实验。
5. 实验操作演示（10分钟）教师演示发酵实验操作，学生观看并学习。
6. 学生实验操作（15分钟）学生分组进行发酵实验，观察发酵过程，记录实验数据。
7. 结果分析与讨论（10分钟）学生汇报实验结果，教师点评并引导学生分析实验中的问题。
六、板书设计1. 《发酵技术》2. 主要内容：微生物发酵基本原理发酵过程中的关键因素发酵产品制备工艺发酵技术在现代工业中的应用七、作业设计1. 作业题目：结合实验内容，分析发酵过程中关键因素对发酵效果的影响。
设计一个发酵实验，用于制备某种发酵产品。
2. 答案：关键因素对发酵效果的影响：温度、pH、氧气、微生物种类等。
发酵实验设计：如制备纳豆、腐乳等。
八、课后反思及拓展延伸1. 课后反思：本节课学生掌握微生物发酵的基本原理和发酵技术在现代工业中的应用，培养实践操作能力。
第1章 绪论 南开大学微生物发酵工程
1.微生物发酵工程:
(1)生物技术: 从广义上说，生物技术是利用有机体的操作技术。现代生物技术是以
DNA重组技术的建立为标志，已成为一们多学科纵横交叉的新兴和综合性技术。
农业生物技术
分子生物学
医药生物技术
微生物学
生物技术疫苗
生物化学 ｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡ 现代生物技术 ｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡ 生物技术诊断
理论教学、讨论等；教材说明；（宋存江） 实验教学（48课时，1.5学分）第11周至16周，共六周
综合性研究型实验；（李国强、马挺、邓飞老师） 实践教学（18课时，1学分）3月 – 5月 3 – 4 家关联企业、
公司或研究院、所等；（王淑芳、蔡峻老师）
理论课 :2学分
考核内容 1. 期末考试：60％ （闭卷） 2. 平时成绩：10% （互动、作业、出勤） 3. 案例教学成绩: 30%
(4) 发酵工程的前提条件
*具有合适的生产菌种 *具备控制微生物生长代谢的工艺条件
2 微生物发酵工程的内容和发展史
(1) 发酵产物的类型: a. 产物是微生物菌体本身, SCP 菌体蛋白､PHB､趋磁细菌； b. 产品是微生物的初级代谢产物或次级代谢产物； c. 产品是微生物代谢的转化产物； d. 微生物作用下完成一个生物过程。
微生物发酵工程
Microbial Fermentation Technology
南开大学生命科学学院微生物学系
第一章 绪 论
一. 课程介绍 二. 概念 三. 发酵工程内容和发展史 四. 微生物发酵工程的特点 五. 发酵工程的任务 六. 发酵工程的发展方向 七. 参考资料（图书、刊物）
微生物发酵工程课程体系 理论教学(32课时，2学分): 期初至期末
生物技术概论--第1章--总论
利用微生物在生长过程中积累的代谢产物, 生产食品工业原料,种类繁多。
生产贵重金属
利用微生物的浸矿技术对废渣矿、贫矿、尾 矿、废矿进行提炼。
1.5.5 生物技术的安全及其对伦理、道德、 法律的影响
基因工程对微生物的改造是否会产生某种有致 病性的微生物，这些微生物都带有特殊的致病 基因，如果它们从实验室逸出并且扩散，有可 能造成类似鼠疫那样的可怕疾病的流行。 转基因作物及食品的生产和销售，是否对人类和 环境造成长期的影响，擅自改变植物基因是否 可能引起一些难以预料的危险。
化学工程学
微电子技术 数学
基因工程是维系现代 生物技术各个研究领
域的桥梁和纽带
生物技术所涉及的行业种类
1.3 生物技术发展简史
传统生物技术 现代生物技术
1.3.1 传统生物技术的产生
从史前时代起，传统生物技术就一直为人 们所开发和利用，以造福人类。在石器时 代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这 是最早的发酵技术。
利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能, 或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工 艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包 括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的 修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。
1.2.1.4 发酵工程(fermentation engineering)
利用微生物生长速度快、 生长条件简单以及代 谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代 化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生 产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生 物工程。
现代生物技术概论
Introduction to Modern Biotechnology
讲授：明东风
课程信息
课程名称：《现代生物技术》 英文名称：Introduction to Modern Biotechnology 课程性质：学科教育选修课程 课程编号：G122005 院系专业：生命科学学院生物技术/生物科学专业 周 学 时：2学时（第1—16周/双周） 总 学 时：16学时（讲授） 学 分：1学分
生物技术专业微生物发酵工程.pdf
生物技术专业《微生物发酵工程》实践教学指导书南开大学生命科学学院指导教师：王淑芳 宋存江编制说明及实践教学要求发酵工程实践教学是微生物发酵工程教学的必要环节，可以弥补理论教学与实验教学中的不足。
在实践教学大纲中明确规定了学生实践教学的内容。
重点掌握和熟悉那些在理论和实验教学中所缺失，但又是微生物发酵工程体系所必需掌握的知识内容：如：工业规模发酵工程生产的特点、工业规模的发酵与产物分离纯化、工业规模发酵与分离装置、污水处理工程的状况等。
（一）为了强化实践教学课程的教学效果，课程组编写了《实践教学指导书》。
内容包括：实践教学的意义和实施方法、实习基地及实践内容、实践教学成绩评定方法以及实习报告要求等部分。
（二）实践教学的意义、实施方法介绍了实践教学的重要意义，实践教学的实施方法及注意事项。
（三）主要实习基地及实践内容：介绍了主要实践教学基地的基本情况和主要实践内容。
实习基地包括：石家庄华北制药集团有限公司（国家微生物药物工程研究中心）、天津金耀集团（天津药业股份有限公司）、华立达制药有限公司、天津生物芯片技术有限责任公司、诺维信生物技术公司、天津工业微生物研究所（天津实发中科百奥工业生物技术有限公司）、天津天士力制药公司、河北制药厂(核黄素发酵)、天津新星兽药厂、天津经济技术开发区污水处理中心、纪庄子污水处理厂、大港污水处理厂、东丽区污水处理厂、天津市氨基酸公司制造车间、中美史克制药有限公司、天津大冢制药有限公司等企业、研究院、所等。
本指导书介绍了其中主要实习地基概况。
（三） 实践教学成绩评定方法：包括：学生的实践教学态度（20分），学生在实践教学中提出学术或技术问题及解决问题的建议（20分）；学生实践教学实习报告（60），其中，实践教学的体会（12分），观察到的某一单元生产操作（如：干燥、提取等）的理论方法与实际运行情况介绍或比较（12分），产品生产流程图（12分），工业规模仪器、设备照片（12分），实习报告格式（6分）和参考文献的查阅（6分）等（四）实习报告要求：回顾参观、考察、认识实习的过程；得到的信息、收获、体会；学到什么东西；发现什么问题，有什么合理化建议；实践教学对你产生了什么影响（如深化课堂教学理解、理论联系实际的重要性等）。
发酵工程余龙江版 第章_绪论
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酿造及食品业、抗生素、
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
基因工程药物、细胞工
程药物、疫苗；替代石 油工业的大宗量的生物 基化学品等。
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传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
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二 发酵工程在生物技术中的地位
▪ 生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生 物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。
主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质 量不稳定
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二、纯培养技术的建立
• Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培 养
• Petri创造一种培养皿(petri dish)用于微生物平 板分离
• Winograsky和 Beijerink发明富集培养法，分离 特定的微生物
• 主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等
带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵
4、按菌的种类
单菌种发酵 多菌种混合发酵（混合菌发酵）
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新发展的微生物培养方法
• 载体培养：以天然或人工合成的多孔材料代替麸 皮之类的固态基质作为微生物生长的载体，营养 成分可以严格控制。发酵结束后只须将菌体和培 养液挤压出来进行抽提，载体又可以重新使用。
• 两步法液体深层培养：在酶制剂生产中，由于微 生物生长与产酶的最适条件往往有很大的差异， 采取两步法培养，将菌体生长条件（营养期）与 产酶条件区分开来，因而更容易控制各个生理时 期的最适条件。
▪发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。
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优良种株的选育和保 藏（包括菌种筛选、改造， 菌种代谢路径改造等），
【发酵工艺学总论】第一章_绪论
各种氨基酸的生物合成途径
核苷类抗生素 次生代谢产物 莽草酸 次生代谢产物 （C7) 聚酮
戊糖 丁糖
核糖
葡萄糖 丙糖
氨基糖苷类抗生素 （糖苷部分） 次生代谢产物 丝氨酸 （C3N) 甘氨酸(C2N) 生物甲基化 缬氨酸（C5N) 甲羟戊酸（C4) 次生代谢产物 IPP（C5) 萜类 甾体
丙氨酸 （C3N)
现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技
术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、 过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵 工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展 传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业 生物技术体系（新一代工业生物技术）。
强调现代生物技术、控制技术和装备技术在 传统与现代发酵工业领域的集成应用。
田洪涛主编，高年发主审. 现代发酵工艺原理与技术. 北京-化学工业出版社.
《发酵工艺学总论》教材
课程概况
课程性质：学位课程 课 程 号：2313309 班 级：食工1301食工1302 听课人数：46 总 学 时：32学时 学 分：2 课程考查：考试课程
教学目的与要求
葡萄糖在无氧条件下被微生物利用 产生酒精、释放能量，并放出CO2
工业上的发酵
泛指利用微生物制造或生产产品的过程 厌氧培养过程：酒精，乳酸等 通气(有氧)培养过程：抗生素、AA、E等 产品有：细胞代谢产物(初级、次级) 产品还有：菌体细胞、细胞物质、酶等
现代意义中的发酵
生物反应过程
将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发 ，成为可提供工业生产的工艺过程，统称为 生物反应过程
现代发酵概念
生物反应过程中采用（游离）整个微生物活 细胞为生物催化剂时，称为发酵
2024年高考生物复习重点、难点、热点专项解析—发酵工程
2024年高考生物复习重点、难点、热点专项解析—发酵工程高考感知课标要求——明考向近年考情——知规律11.1阐明在发酵工程中灭菌是获得纯净的微生物培养物的前提。
11.2阐明无菌技术是在操作过程中，保持无菌物品与无菌区域不被微生物污染的技术。
11.3举例说明通过调整培养基的配方可有目的地培养某种微生物。
11.4概述平板划线法和稀释涂布平板法是实验室中进行微生物分离和纯化的常用方法。
11.5概述稀释涂布平板法和显微镜计数法是测定微生物数量的常用方法。
11.6举例说明日常生活中的某些食品是运用传统发酵技术生产的。
11.7阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。
11.8举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。
2023·山东培养基的成分及其功能、无菌技术、土壤中分解尿素的细菌的分离与计数2023·山东泡菜的腌制、亚硝酸盐含量的测定2023·广东培养基的类型及其应用、其他微生物的分离与计数2023·浙江培养基的类型及其应用、微生物的接种方法、解读泡菜的腌制2023·山东果酒和果醋的制作原理2023·北京培养基的成分及其功能、微生物的接种方法、微生物的培养与菌种保藏2023·全国培养基的类型及其应用、无菌技术、果酒和果醋的制作原理2023·全国蛋白质的结构及多样性、蛋白质分离的原理及方法蛋白质的提取和分离的实验操作2023·湖南基因突变、培养基的成分及其功能、动物细胞培养技术2023·浙江果酒和果醋的制作原理、有氧呼吸和无氧呼吸的异同命题趋势1.该部分内容的命题以选择题为主，属于年年必考的内容。
2.试题情境以下列两种居多：(1)以实际发酵的过程为情境考查传统发酵食品制作。
(2)以来自生产生活实际、与现实联系密切的实例为情境考查微生物的培养及应用。
知识必备一、传统发酵技术的应用1．千百年来，腐乳一直受到人们的喜爱。
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粘细菌 Soarngium cellulosum 产生的埃博霉素类化学结构
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢食品工业
• 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮 料、酒类
• 食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然 色素等）
发酵法生产的一些氨基酸及其用途
4.1.3 发酵技术的应用
➢能源工业 • 酒精 • 沼气 • 氢能
4.1.1 发酵类型
微生物代谢产物类型
发酵工程
产业 医药 食品 农业 轻工
其他
微生物代谢产物
抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因工程 药物、疫苗等
氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖类， 发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、饮料等
动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害剂， 驱虫剂，杀虫剂等
4 发酵工程
学习目的 掌握发酵工程的基本类型和基本原理， 了解典型发酵产品的生产工艺，认识发 酵的基本过程及常用的发酵设备。
4 发酵工程
发酵工程
发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化学工 程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长 和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。
➢ 发酵过程中需要防止杂菌污染， 大多情况下设备需要进行严格的 冲洗、灭菌，空气需要过滤等。
发酵工程
4.1 发酵工程概况
4.1.3 发酵技术的应用 ➢医药工业 • 抗生素、维生素、激素 • 疫苗和菌苗等
发酵工程
粘细菌产生的生理活性物质
粘细菌（Myxobacteria）是一类能够产生多种生理活性物质的微生物 。近10年的研究已经昭示出粘细菌具有广阔的开发利用空间。在20世纪70年 代，首次报道粘细菌产生的活性次级代谢产物是三烯吡喃菌素（ambruticin ）。目前已从粘细菌中发现了大约600多种生理活性物质。与其它的药源菌 相比，粘细菌具有独特的优势和巨大的潜力。
发酵工程
4.1.1 发酵类型
微生物代谢产物
发酵工程
➢ 在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、 核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长 繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。
➢ 在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有 特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒 素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁 殖无明显关系，叫做次级代谢产物。
埃博霉素产生菌-纤维堆囊菌营养细胞
（山东大学李越中教授提供）
埃博霉素类抗肿瘤物质
是一种新的16元环多酮大环内酯，含有一个噻唑基和环上的一个环氧结构。该菌 产生A和B两种主要组分,C-F四种次要组分以及36种极微量成分。这类物质的作用机制 与紫杉醇类相似，它与微管蛋白结合，干扰细胞骨架的形成，起到抗肿瘤作用。近年 来，对这类物质的化学合成，构效关系以及药效学等的研究进展很快，有望成为比紫 杉醇更好的临床抗肿瘤药物。图15-20所示为从纤维堆囊菌发酵液中分离到的埃博霉素 A，B，C，D和F的化学结构。
微生物发酵工程: 是利用微生物的生长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过 现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系。是将传 统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展 起来的现代发酵技术。
4 发酵工程
4.1 发酵工程概况
4.1.1 发酵类型
➢ 微生物菌体发酵 ➢ 微生物酶发酵 ➢ 微生物代谢产物发酵 ➢ 微生物的转化发酵 ➢ 生物工程细胞的发酵
酸味剂，生物碱，酶抑制剂，酶，溶媒，辅酶，表面活 性剂，转化甾醇和甾体，有机酸，乳化剂，色素，抗氧 化剂，石油等
离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等
微 生 物 工 业 的 一 些 轻 化 工 产 品
微生物的转化发酵
4.1 发酵工程概况
发酵工程
4.1.2 发酵技术的特点
➢ 发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应 过程能够在发酵设备中一次完成。
Pseudomonas mendocina NK-01 Pseudomonas mendocina NK-01 PHA
从门多萨假单胞菌NK-01基因组中获得的中长链PHA合成酶 phaC1基因构建重组载体pBSphaC1，在E.coli JM109 中进行表 达，以所构建的工程菌株进行PHA的发酵量重组大肠杆菌合成 的PHA结构分析表明，工程菌合成的PHA中含有六碳和八碳单 体
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢冶金工业 • 黄金开采和铜、铀等金属的浸提
发酵过程的场所 微生物冶金------冶金装置
氧化亚铁硫杆菌 和
氧化硫硫杆菌
CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 +2H2O + 3O2 CuSO4 + 5FeSO4 + 2 H2SO4
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢化学工业
• 可降解的生物塑料 • 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等） • 生物表面活性剂及生物凝集剂
利用微生物合成生物降解材料 ----聚羟基脂肪酸脂 (Polyhydroxyalkanoate､PHA)
众所周知，微生物的营养因素包括：碳源、氮源、无机盐、 微量元素、水和生长因子（氨基酸、维生素和嘌呤或嘧啶）｡当 环境中，缺少氮源而碳源浓度又比较高时、一部分微生物体内就 积累一些颗粒、被分离纯化后即为具有热塑性的生物降解高分子 材料。现已知有300余种细菌可以积累单体在90种以上的 PHA｡
引言
发酵的定义
4 发酵工程
➢ 发酵（fermentation）最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指 酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。
➢ 生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。 ➢ 目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备
微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。
➢ 反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设 备较简单。
➢ 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农 副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑 等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。
4.1.2 发酵技术的特点
➢ 容易生产复杂的高分子化合物， 能高度选择地在复杂化合物的特 定部位进行氧化、还原、官能团 引入或去除等反应。