发酵工程的概念和内容
发酵工程
发酵工程孙再桥生技31101•传统发酵已有相当长的历史，春秋时代的孔子已经借酒助兴了。
传统发酵技术工业化不过是发酵使用的设备的更新带来了规模的扩大。
只有在生物工程到来之后，发酵工业开始采用工程菌，使得通过发酵获得的产品一改过去以酒和调味品为代表的旧貌，开始了以生物制药为代表的大飞跃。
•1857年，法国微生物学家巴斯德发现了发酵原理，人们才认识到发酵是微生物活动的结果。
此后，随着纯种微生物的分离及培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，使人们能够利用某种类型的微生物，在人工控制的环境条件下，进行大规模的生产，逐步形成了发酵工程。
•生物工程的最终阶段是发酵。
不仅是来自微生物，而且来自动物和植物细胞合成的物质都可以通过发酵来生产。
农牧业工厂化的趋势之一是逐步转向发酵。
•发酵生产周期短，容易调控。
•发酵技术的发展经历了如下几个阶段：•(1)自然发酵阶段：这个阶段为从史前到19世纪末，主要特征为人类利用自然接种的方法进行传统酿造食品的生产。
•(2)纯培养厌氧发酵技术的建立：这个阶段始于19世纪末，20世纪初，主要特征为人类在显微镜的帮助下，把单一的微生物进行纯培养，在密闭容器中进行厌氧发酵生产酒精等工业产品。
•(3)通气搅拌发酵技术的建立：这个阶段始于20世纪40年代，其技术特征为，成功地建立起深层通气进行微生物发酵的一整套技术，有效地控制了微生物有氧发酵的通气量、温度、pH和营养物质的供给，使得抗生素、柠檬酸、酶制剂等好氧发酵产品的生产成为可能，是现代发酵工业的开端。
•(4)代谢调控发酵技术的建立：这个阶段始于20世纪60年代，其技术特征为，以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制，选择巧妙的技术路线，人为地控制目的代谢产物的大量合成，从而得到所需产品。
•(5)现代发酵工程技术的建立：这个阶段始于20世纪70年代，其主要技术特征表现在如下几个方面：•①原生质体融合技术、基因工程技术的发展和在微生物菌种选育方面的应用，为发酵工程技术带来了方法上、手段上的重大变化和革命。
发酵工程原理与技术
第一节
发酵工业微生物菌种的选育
一、工业微生物的特点 工业微生物是指在发酵工业上已经应用的或
具有潜在应用价值的微生物，其范围随科学
技术的发展而不断扩展。
工业微生物的特点：个体小、种类多、繁殖
快、分布广、代谢能力强、易变异改造。
二、发酵工业常用微生物菌种及要求
（一）发酵工业对菌种的要求
1、能在廉价原料制备的培养基上迅速生长并生 成所需的代谢产物，且产量高； 2、培养条件易于控制；
原理二：
生物体中都存在两个以上的DNA修复基因，如果一 个DNA修复基因损伤或变异，通常仍能存活，但对能引 起DNA损伤的化合物十分敏感，易发生死亡，所以可以
利用DNA修复能力突变株筛选抗肿瘤药物。
实践中常使用大肠杆菌或枯草芽孢杆菌的重组缺
失DNA修复基因突变株和亲株作为测试菌来筛选抗肿瘤
三、发酵工业微生物菌种的分离和选育
（一）微生物菌种的分离
1、施加选择压力分离法 施加选择压力分离法是利用不同种类的微生物的
生长繁殖对环境和营养（如温度、pH、渗透压、氧气、
碳源、氮源等）的要求不同，人为控制这些条件，使
之利于某类或某种微生物生长，而不利于其它种类微
生物的生存，以达到使目的菌种占优势，而得以快速 分离纯化的目的。
放线菌是介于细菌与丝状真菌之间而又 接近于细菌的一类丝状单细胞原核生物。 因菌落呈放射状而得名
抗生素有60％以上是放线菌产生的 工业生产常用的放线菌主要来自以下 几个属：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡菌属
3、酵母菌（Yeast） 酵母菌是单细胞真核生物，
常以出芽方式进行无性繁殖。 根据产生孢子的能力，可将酵母分成三类： a 、形成子囊孢子的株系属于子囊菌门
发酵原料的预处理
发酵工程原理的概念
发酵工程原理的概念
发酵工程原理是指利用微生物进行发酵过程中的基本原理和规律。
发酵是利用微生物（如细菌、酵母、真菌等）在合适的环境条件下，通过代谢产生酶、酸、酒精、有机酸、氨基酸、酶解等多种化合物的过程。
发酵工程原理主要包括以下几个方面的内容：
1. 微生物的选择与培养：根据所需产物的特性，选择合适的微生物种类，并进行优化培养，保证微生物的生长和代谢能力。
2. 发酵底物的选择与加工：根据微生物的代谢途径和能源需求，选择合适的发酵底物，并对底物进行预处理，提高底物利用效率。
3. 发酵过程控制与调节：通过对发酵条件的控制和调节，如温度、pH值、氧气供应、营养物质浓度等参数的优化，保证发酵过程的顺利进行，提高产物的产量和品质。
4. 发酵产物的分离与提取：选择合适的分离技术，对发酵产物进行分离、提纯和浓缩，得到所需的纯净产品。
通过对发酵工程原理的研究和应用，可以实现高效、可控和可持续的生物生产过程，广泛应用于食品、医药、环保等领域。
发酵工程发酵工程概述
第二节
微生物发酵过程
（三）发酵
所用的培养基和培养设备都必须经过灭菌，通 入的空气或中途的补料都是无菌的，转移种子 也要采用无菌接种技术。通常利用饱和蒸汽对 培养基进行灭菌，灭菌条件是在120℃（约 0.1MPa表压）维持20~30min。 （四）下游处理
第三节 液体深层发酵
一、深层发酵的操作方式
第二节
微生物发酵过程
二、培养基
（二）发酵培养基的组成 1.碳源 2.氮源 3.无机盐和微量元素 4.生长因子 5.水 6.产物形成的诱导物、前体和促进剂许多胞外 酶的合成需要适当的诱导物存在。
第二节
微生物发酵过程
三、发酵的一般过程
（一）菌种 （二）种子扩大培养
第一节 发酵工程概述
一、发酵工程的概念
现代的发酵工程不仅包括包括菌体生产和代谢 产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。 其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的 优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提 取与精制等。
第一节 发酵工程概述
二、发酵类型
（一）微生物菌体发酵
是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。 传统的菌体发酵工业：有用于面包制作的酵母 发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白 （单细胞蛋白）发酵两种类型。新的菌体发酵 可用来生产一些药用真菌药用真菌可以通过发 酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗 效的产物。有的微生物菌体还可用作生物防治 剂
第三章 发酵工程
第一节 发酵工程概述
一、发酵工程的概念
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，是一门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。由于 它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。 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。
发酵工程全部知识点总结
发酵工程全部知识点总结一、发酵工程的基本概念1. 发酵的定义发酵是指利用微生物或其代谢物来改变物质的过程。
主要包括酵母、细菌、真菌等微生物。
2. 发酵工程的定义发酵工程是指利用发酵微生物代谢特性，通过合理调控环境条件，进行微生物发酵过程中的相关技术。
二、发酵微生物1. 酵母酵母是发酵工程中最常用的微生物，广泛应用于酒类、面包、啤酒等食品工业中。
2. 细菌细菌在发酵工程中也有重要的应用，如益生菌、酸奶中的乳酸菌等。
3. 真菌真菌发酵应用广泛，包括酵素生产、抗生素生产、食品添加剂等。
三、发酵工程的基本过程1. 液体发酵液体发酵是将发酵微生物培养在液体培养基中，通过控制培养基成分、通气、温度等条件来进行微生物代谢产物的生产。
2. 固体发酵固体发酵是将发酵微生物培养在固体底物中，通过控制底物成分、湿度、通气等条件来进行微生物代谢产物的生产。
3. 半固体发酵半固体发酵是将发酵微生物培养在半固体底物中，采用液态和固态发酵的优点来进行微生物代谢产物的生产。
四、发酵工程的主要设备和工艺1. 发酵罐发酵罐是发酵工程的主要设备之一，根据不同的发酵工艺和需求，可以采用不同类型的发酵罐。
2. 发酵工艺发酵工艺是指在发酵过程中，针对不同的微生物和产物特性，进行合理的发酵条件控制和操作流程。
3. 发酵控制系统发酵控制系统是指在发酵工程中，通过自动化设备和仪器，实现对发酵条件如温度、pH 值、通气、搅拌等的精确控制。
五、发酵工程的应用范围1. 食品工业发酵工程在食品工业中应用广泛，如酿造啤酒、制作酸奶、发酵面包、制作酱油等。
2. 医药工业发酵工程在医药工业中应用广泛，如生产抗生素、激素、酶制剂等。
3. 燃料工业发酵工程在燃料工业中也有应用，如生物乙醇、生物柴油等。
4. 化学工业发酵工程在化学工业中也有应用，如生产乳酸、丙酮、丙二醇等。
六、发酵工程的发展趋势1. 发酵工程技术的进步随着科技的不断进步，发酵工程的技术也在不断提高，发酵设备和工艺不断更新。
第一节发酵工程的特征
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谷物淀粉
曲水解 糖液
酵 母 各类风味特殊的曲酿酒
酿酒制醋是人类最早掌握的发酵技术之一
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第二阶段
纯种培养技术的成熟－初级代谢产物生 产阶段(production stage of primary
metabolites)
1680年，荷兰人Leeuwenkoek首次在雨水和醋中观察到大 量活着的微动体，宣告微生物的存在。
第一节 发酵工程的特征
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 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，是一门利用 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。又称为微生物工程。
目前，人们把利用生物细胞的生命 活动来制备目的产物的过程统称为发酵。
扩大培养和接种
如何得到发酵生产所需要的大量菌体来 缩短生产周期呢？
经过多次的扩大培养。
如何对菌种进行扩大培养呢？
扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分 头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能 在短时间里得到大量的菌体。
扩大扩培养大与培发酵养生和产接过程种中的培养有何不同呢？
扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵 过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的 培养条件就有可能不同。
（2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。 （3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应
尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
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。
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、植物生长因子等，这些产物与菌体 的生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产 物。
发酵应掌握的知识
第一章绪论1、发酵的概念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。
2、发酵工程的概念发酵工程是利用微生物生长与代谢活动，通过现代工程技术手段进行工业规模生产的技术。
由于它以培养微生物（发酵）为主，所以习惯上也称为微生物工程。
3、发酵工程研究的内容1、工业生产菌种的选育。
2、最佳发酵条件的选择和控制。
3、生化反应器（发酵罐）的设计。
4、产品的分离、提取及精制等过程。
4、获得一种发酵产品应具备的条件适宜的微生物;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;精制成产品的方法和设备第二章菌种选育及种子扩培1、工业微生物菌种的分离筛选方法分离：①平板划线分离法②稀释分离法③简单平板分离法④涂布分离法⑤毛细管分离法⑥小滴分离法筛选：①平板筛选：用水解圈、变色圈、抑菌圈、透明圈等方法②药瓶发酵筛选2、几种鉴别圈的概念和鉴别的原理1. 变色圈：直接用显色剂或指示剂。
在菌体筛选中直接用显色剂或指示剂掺入培养基中或喷洒已生长的菌落的培养基表面，由于培养基中所筛选出的微生物产生酸或碱性物质从而使培养基的pH值降低或升高，由于显色剂在不同pH值条件下显色不同，从而形成围绕菌落周围的变了颜色的圈叫变色圈。
2.透明圈：混浊底物被分解后形成透明圈。
如可溶性淀粉、碳酸钙等。
在固体培养基中加入酶作用的底物或其他物质（都能使培养基产生浑浊）培养微生物，能够利用此底物的酶的产生菌得以生长或微生物能利用此种物质，则在其菌落周围形成一个透明的圈，叫透明圈，也叫水解圈。
3.生长圈：利用某些具有特殊营养要求的微生物为工具菌（如营养缺陷型菌株）若分离的微生物能在一般的培养条件下（缺乏上述营养要求的物质）生长而合成该物质，则能使工具菌生长，则在分离的微生物的菌落周围形成工具菌的生长圈，这种圈叫生长圈。
4.抑菌圈：有害菌与能够产生抑菌物质的微生物菌种一起在固体培养基上进行培养时，则在产生抑菌物质的微生物菌落周围产生一个透明的圈（即有害微生物不能生长的形成的圈）叫抑菌圈。
发酵工程复习
1. 发酵工程概念：发酵工程是生物技术的重要组成和基础，是生物技术产业化的重要环节。
它将微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机结合起来，广泛而深入地揭示了发酵过程的本质。
狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程。
广义的概念：生物学( ( 微生物学、生物化学) ) 和工程学( ( 化学工程) ) 结合。
2.发酵工程的应用：在食品工业中的应用：食品加工、发酵乳制品、调味品、食品添加剂、检验在医药卫生中的应用：抗生素、氨基酸、维生素、甾体激素、生物制品、治疗用酶在轻工业中的应用：各类酶（糖酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶等、酶抑制剂）在化工能源中的应用：醇及溶剂，有机酸，多糖，清洁能源在农业中的应用：生物农药，生物除草剂、增产剂，食用菌在环境保护中的作用在细菌冶金中的应用在高技术研究中的应用3.微生物代谢产物类型：包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。
4.发酵方法的类别：根据对氧的需要区分：厌氧和有氧发酵根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵、补料分批发酵按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵、废水发酵5. 发酵生产的条件：•某种适宜的微生物•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•提取菌体或代谢产物并精制成产品的方法和设备6.组成典型的发酵过程可以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，接种入生产的容器中；（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）产物萃取和精制；（6）过程中排出的废弃物的处理。
7.决定微生物工程工业生产水平的三个要素：生产菌种的性能、发酵及提纯工艺条件、生产设备。
8.工业微生物菌种的基本要求：1. 菌种生长繁殖能力强，能够在较短的发酵周期内产生大量有价值的发酵产物，因为高产菌株的运用可以在不增加投资的情况下大幅度提高生产能力。
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灭菌
为什么要灭菌？
例子：青霉素生产过程中如果污染了杂菌， 这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素 分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经 过严格的灭菌。
请你归纳总结需要灭菌的原因。
发酵过程（一）
这是产品的产出阶段，你认为在这一阶段 该如何做呢？
提示： 1.影响微生物生长的因素。 2.如何延长微生物生长的稳定期。
发酵工程 的概念和内容
第五章第三节发酵工程简介
发酵工程的概念
请你从手段、原理、目的和过程来描述 “发酵工程”的概念。
采用现代工程技术手段，利用微生物的某 些特定功能，为人类生产有用的产品，或 者直接把微生物的某些特定功能，为人类 生产有用的产品。
发酵工程的内容
菌种的选育 培养基的配制 灭菌 扩大培养和接种 发酵过程 分离提纯
菌种的选育
如何获得优良的性状的菌种？
最初，在自然界中寻找菌种。 20世纪，紫外线、激光、化学诱变剂等
处理菌种 。 近几十年，应用细胞工程、基因工程等
方法，构建工程细胞或者工程菌 。
培养基的配制
请你回忆我们以前所学的培养剂的配 制原则。
值得注意的是：培养基的配方要经过 反复的实验才能确定。
发酵过程（二）
（1）要及时添加必需的培养基组分，以满 足菌种的营养需要，
（2）要严格控制温度、pH、溶氧、通气量 与转速等发酵条件。
例如，在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性 时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰 胺；当溶氧不足时，生成的代谢产物就会 是乳酸或琥珀酸。
分离和提纯
产品不同，分离提纯的方法不同。
产品一类是代谢产物，采用过滤、沉 淀等方法将菌体从培养液中分离出来
产品一类是菌体本身，如酵母菌和细 菌等，采用蒸馏、萃取、离子交换等 方法进行提取。
小结
要请 步你 骤看 。图
回 忆 发 酵 工 程 的 重