生物技术 发酵工程
10 现代生物技术_发酵工程
1.2.2基因组学的应用 基因诊断 基因治疗 新药开发 农业育种 1.3生物芯片技术 定义：生物芯片的概念源于计算机芯片。是 指包被在固相载体如硅片、玻璃、塑料和尼 龙膜上的DNA微阵列、寡核苷酸微阵列和蛋 白质微阵列。 1.4 胚胎干细胞
cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons
• 2.4 生物技术制药
2.4.1 利用发酵工程制药 2.4.2 基因工程药物 2.4.3 细胞工程制药
• 2.5 基因治疗疾病 • 2.6 生物技术与疾病诊断
3.生物技术与农林业
3.1植物生物技术
3.1.1植物育种 3.1.2植物的抗逆性研究 3.1.3生物农药及生物控制 3.1.4植物再生（快繁）、人造种子 利用组织培养将植物组织培养成有生根发 芽的胚状体，然后再用一种聚合物包裹作为人 造种皮，制成像小鱼肝油一样的人造种子。 3.1.5生物固氮
3.2 微生物发酵过程
根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、 兼性厌氧），可以分为好氧性发酵、厌氧性 发酵和兼性发酵三大类： （1）好氧性发酵，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵。 （2）厌氧性发酵，如乳酸发酵，丙酮、丁醇发 酵。 （3）兼性发酵，如酵母菌却氧条件下发酵生产 酒精，有氧条件下繁殖菌体。
工业生产常用微生物
发酵的一般过程
发酵工艺多种多样，但基本上包括以下几个过 程： 1、菌种制备 2、种子扩大培养
是指将保存的生产菌种逐级扩大培养而获得一定数 量和质量的纯种的过程。
3、发酵，是微生物合成大量产物的过程。 4、下游处理
发酵结束后，要对发酵液和生物细胞进行分离和 提纯精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。
生物发酵工程与酶工程的研究进展
生物发酵工程与酶工程的研究进展生物发酵工程和酶工程是生物技术领域中的两个重要分支，它们在工业生产、医药研发、环境治理等方面发挥着重要作用。
本文将分析近年来这两个领域的研究进展。
一、生物发酵工程的研究进展生物发酵工程是指将微生物、细胞或其代谢产物应用于工业、农业、环保等领域的生产过程。
其主要研究内容包括发酵微生物的筛选、培养和代谢调控等方面。
近年来，生物发酵工程在产业升级、绿色化生产等方面取得了许多进展。
1. 发酵菌株的筛选和基因改造发酵菌株的选择是发酵工程成功的关键之一。
近年来，基于高通量筛选技术的发酵菌株选择方法得到了广泛应用。
同时，通过基因工程技术对微生物代谢通路进行调控，提高产物水平，同时减少废物排放，实现了绿色化生产。
例如，人工合成新酶、构建复合菌群等技术手段已经成为生物发酵工程研究的新热点。
2. 发酵条件的优化和控制发酵条件的优化和控制是提高发酵产物水平和改善发酵过程稳定性的关键措施。
近年来，基于机器学习、人工智能的优化算法得到了广泛应用。
同时，利用传感器和自动控制技术，可以实现对发酵过程的实时监测和控制，提高发酵的产出率和产品质量。
3. 应用范围的拓展生物发酵工程在食品、饮料、医药等领域的应用已经非常广泛，但这些领域的发酵产物不可避免会涉及到一些争议，如转基因食品的安全性等。
因此，近年来研究人员还在考虑如何将发酵工艺应用于化妆品、纺织品和生物燃料等领域，以拓展其应用范围。
二、酶工程的研究进展酶工程是指利用酶催化剂的特异性和高效性进行生物反应，以解决工业、医药等领域中的问题。
酶催化反应本身是非常简单高效的，近年来，研究人员通过基因工程和生物化学手段进一步提高了酶的活性、特异性和稳定性。
1. 酶催化反应的优化酶催化反应通常是以环境温和、反应速度快、副反应少等优势著称的。
近年来，研究人员通过基因工程和蛋白工程技术，对酶的催化活性和特异性进行了进一步提高。
同时，通过对酶结构的解析和模拟，也能够更好地预测反应产物的结构和性质。
生物发酵工程技术在产业和生活中的应用研究
生物发酵工程技术在产业和生活中的应用研究随着人们对生活质量的要求越来越高，生物制品的需求量也越来越大。
生物发酵工程技术是一种利用微生物进行大规模生产的技术，在医药、食品、能源等众多领域与生活息息相关。
本文将从生物发酵工程技术的基础原理、应用研究以及未来发展方向三个方面探讨其在产业和生活中的应用。
一、生物发酵工程技术的基础原理生物发酵工程技术是通过选择并利用微生物、发酵工艺和设备等手段，使原料在微生物的作用下转化为所需的产品。
微生物是生物发酵的关键，微生物在发酵过程中通过代谢作用将原料转化为目标产物，同时释放相应的能量。
发酵的基础原理主要是利用微生物在生长和繁殖中产生的代谢产物，生成所需的目标产物。
其中微生物的产生和培养、培养基的选择和设计、代谢产物的识别和分离纯化等技术都是发酵工艺中关键的环节。
二、生物发酵工程技术的应用研究1.医药制造医药制造是生物发酵工程技术较为重要的应用领域之一。
在医药制造中，生物发酵工程技术主要用于制备抗生素、激素、酶及多肽类等重要药物。
通过选择适宜的微生物及培养条件，生产出高质量的药品，满足人们对药品的需求。
2.食品加工食品加工业中有很多产品都需要生物发酵技术来生产，如酸奶、酱油、味精、酒类等。
生物发酵技术能够发挥微生物转化和代谢特性，使这些食品呈现出特有的香味和口感。
3.能源生产生物发酵工程技术在能源领域有广泛的应用，如生物燃料、发酵氢气等。
微生物可以将生物质转化为燃料，生产出高质量的生物燃料，提供清洁且可再生的能源。
三、生物发酵工程技术的未来发展方向未来，生物发酵工程技术的发展方向主要是技术先进化，产品多样化和工业化生产。
一方面，随着技术的不断提高，会有更多更好的微生物被开发，为工艺提供更多的选择；另一方面，也要将已有的生物发酵产品从实验室转移到实际工业化生产中。
总之，生物发酵工程技术已经成为了生产生物产品中的一个重要工具。
在未来，生物发酵技术将持续发展，围绕着工业化高效生产、能源领域开发新型生物燃料等方向不断探索，使人们的生活更加美好。
模块五生物技术与工程01 发酵工程-2023年高考生物二轮复习课件
2) 步骤①中，在资源和空间不受限制的阶段，若最初接种N0个A细菌，繁殖n
N0·2n
代后细菌的数量是________。
3) 为了比较A、B降解石油的能力，某同学利用步骤②所得到的平板Ⅰ、Ⅱ进
行实验，结果如表所示(“＋”表示有透明圈，“＋”越多表示透明圈越大，“－”
好氧菌
发酵效果比底层的好，说明该发酵菌是___________。从大豆到豆豉，大豆中
氨基酸和肽
的成分会发生一定的变化，其中，蛋白质转变为________________，脂肪转变
脂肪酸和甘油
为________________________。
例2.[2022湖北] 黄酒源于中国，与啤酒、葡萄酒并称世界三大发酵酒。发酵
空气中的毛霉孢子
无菌
现代的腐乳生产是在严格_____的条件下，将优良的毛霉菌种直接接种在豆
腐上，这样可以避免其他菌种的污染。
2) 在泡菜腌制的过程中，最后要向坛盖边沿的水槽中注满水，这一操作的
保证坛内乳酸菌发酵所需的无氧环境
目的是_________________________________________。在泡菜的腌制过程中，要
① 将A、B菌株分别接种在两瓶液体培养基Ⅰ中培养，得到A、B菌液；
② 液体培养基Ⅰ、Ⅱ中添加琼脂，分别制成平板Ⅰ、Ⅱ，并按图中所示在
平板上打甲、乙两孔。
1) 实验所用培养基中作为碳源的成分是______。培养基中NH4NO3的作用是
石油
为菌株的生长提供氮源，氮源在菌体内可以参与合成
DNA、RNA、蛋白质
培养条件无法达到低温、高压、无氧
发酵工程在现代生物技术中的应用
四、目的基因导入受体细胞
取决于是否用合适的受体细胞、合适的克隆载体和合适的基因转移方法
干热灭菌法
进行干热灭菌时，微生物细胞发生氧化，微生物体内蛋白质变性和电解质浓缩引起中毒等作用，其中氧化作用导致微生物死亡是主要依据。由于微生物对干热的耐受力比对湿热强得多，故干热灭菌所需的温度要高，时间要长，一般160～170℃，1～1.5h。 实际应用时，对一些要求保持干燥的实验器具和材料可以采用干热灭菌法。
培养基的灭菌方法
分批灭菌 分批灭菌是在每批培养基全部流入发酵罐后，就在罐内通入蒸汽加热至灭菌温度，维持一定时间，再冷却到接种温度。实罐灭菌时，发酵罐与培养基一起灭菌。 不需要附属设备，操作简便，常用的灭菌方法 加热和冷却时间较长，营养随时间降低，罐利用率低；不能采用高温快速灭菌工艺。
发酵罐溶积越大，加热冷却时间越长 T总=t1+t2+t3 式中t1、t2、t3分别为加热、维持、冷却所需要的时间 其他灭菌设备一般采用蒸汽灭菌，如设备十分耐压，则可采用较高的温度，但必须注意设备内部的凹处及露出的小配管等蒸汽不能到达的部位。
应用范围 培养基，水，发酵罐等其他不适合干热灭菌的物品。 高压蒸汽灭菌法的注意事项： 完全排除锅内冷空气 灭菌完毕后要缓慢减压 压力降为零后打开盖子
辐射灭菌法 利用高能量的电磁辐射和微粒辐射来杀死微生物 以紫外线最常用。紫外线对芽孢和营养细胞都能起作用，但细菌芽孢和霉菌孢子对紫外线的抵抗力强。紫外线的穿透力低，仅适用于表面灭菌和无菌室、培养间等空间的灭菌，且距照射物不超过1.2 m；对固体物料灭菌不彻底，也不能用于液体物料的灭菌。
高锰酸钾溶液的灭菌作用是使蛋白质、氨基酸氧化，使微生物死亡，一般用0.1％～0.25％的溶液。
⑵漂白粉
生物发酵和发酵工程技术的研究进展及应用
生物发酵和发酵工程技术的研究进展及应用生物发酵技术作为一种传统的养殖方式，在不断地发展和创新中，被人们广泛应用于食品加工、医药、化工以及环保等领域。
而发酵工程技术作为生物发酵产业链的重要组成部分，也随着市场需求的变化而发生着快速的变革和创新，为生物发酵产业的发展添砖加瓦。
一、生物发酵的概念和发展历程生物发酵是指利用微生物代谢产生的酶和代谢产物在一定条件下合成化合物或物质的过程。
它是日常生活中常见的一种传统发酵技术，如酸奶、酒酿、豆腐等均使用了发酵技术。
而现代生物技术的发展和成熟，也为生物发酵技术的创新和进步提供了更多的手段和途径。
生物发酵技术的历程可以追溯到远古时代。
早期人们通过使用天然的微生物群落来实现发酵的过程，这种方法虽然效率较低，但却被广泛应用于食品加工和药物研发等领域。
随着人们对微生物的深入研究和对发酵过程的更深刻理解，一些基本的微生物学原理和技术被逐渐确立和发展。
在此基础上，发酵工程技术逐渐成为一门独立的学科，为生物发酵技术的创新与发展提供了坚实的技术基础和支柱。
二、基于微生物的生物发酵技术生物发酵技术主要是基于微生物的代谢特性进行设计和调控的。
生物发酵技术的核心在于微生物的生长过程，其基本内容包括微生物分离和筛选、称量和混合培养基、pH控制、氧气供应和控制、发酵时间以及产品分离和纯化等方面。
微生物的分离和筛选是保证发酵效率和质量的基础。
在此基础上，混合培养基的配方和添加量则会直接影响到微生物的生长和代谢过程。
为了保证培养基的适宜性和稳定性，必须掌握微生物的真实生长特性以及微生物与培养基之间相互作用的影响机制。
pH的控制是发酵工程中一个最关键的参数之一。
在发酵过程中，细胞的代谢过程会引起pH的变化，从而影响细胞的生长和代谢活性。
因此，pH的调节必须精准并稳定，这样才能保证发酵过程的稳健和高效。
氧气的供应和控制同样是生物发酵过程中一个重要的参数。
细胞的生长和代谢都需要氧气参与，因此对于不同的微生物种类，需要设计相应的氧气供应策略和调控方案，以实现发酵过程中细胞活性的最大化。
生物技术制药第七章发酵工程技术ppt课件
第四节 发酵方式
第六节 发酵产物的提取
吸附法、沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法
第七章 发酵工程技术
第一节 概 述
一、发酵工程 的概念
发酵工程又成为微生物工程，是利用微生物制造工业原料与工业产品
并提供服务的技术 微生物发酵工程是一个十分复杂的自催化工程，是生物技术的基础工程，用
于:如基因工程、细胞工程、酶工程都与发酵工程相关
二、发酵工程的发展历程
第一阶段 20C以前时期，利用传统的微生物发酵技术（酿造技术）生产酒、 醋、酱、奶酪等食品
制造原料）等
第三阶段 第二次世界大战爆发至1953年，本阶段是发酵工业的大发 展时期，青霉素实现工业化生产推动了发酵工业的发展；特点是： 纯菌培养、大规模、产品多为抗生素、氨基酸、核酸、甾体等次级 代谢产物
第四阶段 1953年至今，基因工程等高新技术应用阶段；如DNA双螺 旋结构模型的提出、质粒载体的发现及成功应用、分子杂交、克隆 技术等
并置于0-4℃冰箱（库）中
二、种子的制备
种子制备在在摇瓶或小罐内进行，种子要经过两次扩大培养才能进入 发酵罐
三、发酵
注意：通气（一般0.3-1m3/m3）、搅拌（一般搅拌消耗功率12KW/m3）、温度（26-37℃）、罐压（一般0.3-0.5kg/cm3）；发酵 时间因不同品种而异，大多数微生物的发酵周期为2-8d
1675年，荷兰人列文虎克发明了显微镜，并首次观察到了微生物体， 为人类对微生物的深入研究提供了可能
19C中叶，法国葡萄酒的酿造工艺出现问题，巴斯德经研究发现时由 于传统“酿造”技术环境中的杂菌（乳酸杆菌）干扰了酿酒的正常生化反应 过程；指出对酿造原料进行灭菌，可解决问题
第二阶段 1900—1940年，准“纯菌培养”阶段，规模增大，产品主要 有酵母、甘油、乳酸、柠檬酸、丁醇、丙酮（第一次世界大战弹药
生物选修三发酵工程知识点知乎
生物选修三发酵工程知识点知乎发酵工程是一门研究利用微生物进行发酵生产的学科，涉及到微生物学、化学、生物工程等多个学科领域。
以下是发酵工程的一些重要知识点：1.发酵过程及其条件：发酵是一种利用微生物或酶催化剂进行有机物转化的生物过程。
发酵过程通常需要一些基本条件，如适宜的温度、pH值、氧气供应、营养物质等。
2.微生物的选择：发酵过程中，选择适宜的微生物对于产品的质量和产量起到至关重要的作用。
常见的发酵微生物包括酵母菌、乳酸菌、大肠杆菌等。
3.发酵基质：发酵基质是微生物生长和代谢所必需的营养物质，它包括碳源、氮源、矿物质、维生素等。
发酵过程中需要根据不同微生物的需求来设计合适的发酵基质。
4.发酵过程的控制：发酵过程是一个相对复杂的过程，需要通过控制发酵温度、pH值、氧气供应、基质浓度等参数来实现最佳的发酵效果。
5.发酵设备及操作：发酵工程中使用的设备包括发酵罐、搅拌器、气体供应系统、温控系统等。
发酵操作需要严格控制发酵过程中的各个参数，并采取相应的措施来确保发酵过程的成功进行。
6.剪切力与氧气传递：在发酵过程中，剪切力的作用可以促使混合物更加均匀地分布在发酵液中，从而提高氧气传递效率，有效促进微生物的生长和代谢。
7.发酵产物的分离与纯化：发酵产物的分离与纯化是发酵工程中的关键步骤之一、常用的分离技术包括离心、滤过、透析、薄层层析、凝胶层析等。
8.发酵中的计量和控制：发酵过程的计量和控制是发酵工程中的重要内容之一、通过监测和调控发酵过程中的各个参数，可以实现发酵过程的优化和控制。
9.发酵工程的应用：发酵工程在食品工业、医药工业、化工工业等领域有广泛的应用。
例如，酿酒、饮料、乳制品、药物、酶制剂等都是通过发酵工艺生产的。
10.发酵工程的发展：随着生物技术的迅猛发展，发酵工程的研究和应用也得到了广泛的推广。
发酵工程的发展方向包括发酵过程优化、新型发酵设备开发、生物传感器等。
总结起来，发酵工程是研究利用微生物进行发酵生产的学科，涉及到微生物学、化学、生物工程等多个学科领域。
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三、发酵技术的应用
1.医药工业：抗生素、维生素、胰岛素、乙肝疫苗、 干扰素等； 2.食品工业：微生物蛋白、氨基酸、饮料、酒类和一 些食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）； 3.能源工业：酒精、沼气、微生物采油； 4.化学工业：化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物 表面活性剂； 5.农牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生物饲料； 6.冶金工业和环境保护。
➢ 19世纪末：厌氧发酵(酒精、乳酸、发酵食品) ➢ 1945年：通气搅拌发酵罐--好氧发酵(青霉素等
抗生素) ➢ 20世纪50年代：代谢控制发酵(氨基酸、核酸
等) ➢ 20世纪70年代：固定化酶连续发酵 ➢ 20世纪80年代：现代发酵工程技术(与基因操
作、细胞工程技术相结合)
发酵工程的内容
1、微生物的菌体发酵(酵母、单细胞蛋白、药 用真菌、杀虫剂等)
有氧条件下繁殖菌体。
二、微生物发酵过程的类型
根据培养基状态分：
生物反应器在生物产品生产过程中，具有中心纽 带作用，是实现生物技术产品产业化的关键设 备，是连接原料和产物的桥梁。
因此，生物反应器的设计和操作与生物技术产品 的质量、转化率和能耗关系紧密，直接影响到 生产效益
发酵罐的特点
1、为细胞代谢提供一个适宜的物理及化 学环境，使细胞能更快更好的生长
2、具有严密的结构 3、良好的液体混合性能 4、高的传质和传热速率 5、灵敏的检测和控制仪表
更加重视
第三节 发酵工程工艺
一、微生物发酵过程的类型
定义：指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化 反应的过程。
根据微生物的种类（好氧、厌氧、兼性厌氧）分 （1）好氧性发酵，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵。 （2）厌氧性发酵，如乳酸发酵，丙酮、丁醇发酵。 （3）兼性发酵，如酵母菌缺氧条件下发酵生产酒精，
2、微生物酶发酵(淀粉酶、糖化酶、氨基酰化 酶、青霉素酰化酶等)；
3、微生物代谢产物发酵(初级代谢产物、次级 代谢产物)
4、微生物的转化发酵：微生物转化是利用微 生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变 成更有经济价值的产物（抗生素转化）
5、生物工程细胞的发酵：是指利用生物工程 技术所获得的细胞进行培养的新型发酵，其产 物多种多样。（胰岛素、干扰素、青霉素、酚 化酶）
非机械搅拌发酵罐---依靠通入的空气或液体产生 动力，带动发酵液循环、混合，包括喷射自吸式 发酵罐、气升式发酵罐
三、根据容积分类 实验室发酵罐：500L以下 中试发酵罐：500-5000L 生产规模发酵罐：5000L以上
好氧发酵罐
1、机械搅拌通风发酵罐 搅拌的作用是增加拱氧量 2、自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐：文氏管自吸式发酵罐
和溢流喷射自吸式发酵罐 3、气升式发酵罐
厌氧发酵罐
酒精发酵罐 锥底立氏发酵罐
生物反应器工程前景
1、开发活性高，选择性好及寿命长的生物 催化剂
2、改进生物反应器的传质、传热的方法 3、生物反应器向大型化和自动化方向发展 4、特殊要求的新型生物反应器的研制开发 5、降低设备投资，对连续生物反应器研究
发酵罐的类型
一、根据微生物生长代谢需要来分 好氧发酵罐：用于抗生素、酶制剂、酵母、氨基
酸、维生素等产品的发酵，发酵过程需要氧气 厌氧发酵罐：丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸等
产品的发酵，发酵过程不需要氧气
二、根据发酵罐的质量传递特点进行分类
机械搅拌发酵罐---依靠搅拌器提供能量使发酵液 循环、混合、包括机械搅拌通风发酵罐和机械搅 拌自吸式发酵罐
初级代谢产物和次级代谢产物
❖ 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、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。
发酵罐的设计要求
1、节能 2、操作与控制方便 3、无菌条件好 4、尽量减少法兰连接 5、结构坚固、安全 6、防止死角、裂缝 7、易维修
法兰连接
连接就是把法兰盘放在固定在 两处管口上的一对法兰的中间， 然后用螺栓拉紧使其接合起来， 成为一种可拆卸的。这种连接 主要用于铸铁管、衬胶管、非 铁金属管和法兰阀门等的连接， 工艺设备与法兰的连接也都采 用法兰连接。法兰连接的主要 特点是拆卸方便、强度高、密 封性能好。安装法兰时要求两 个法兰保持平行、法兰的密封 面不能碰伤，并且要清理干净。
第四章 发 酵 工 程
发酵工程的定义
发酵工程（微生物工程，发酵技术）， 是指在最适发酵条件下，发酵罐中大量 培养细胞和生产代谢产物的工艺技术， 根据各种微生物的特性，在有养或无养 条件下利用生物催化（酶）的作用，将 多种低值原料转化成不同的产品的过程。
广义上的发酵工程由三部分组成：
上游工程、发酵工程和下游工程，其中上 游工程包括优良菌株的选育，最适发酵 条件（营养组成、pH、温度）的确定， 营养物的准备等；下游工程指从发酵液 中分离和纯化产品的技术
发酵工业必须具备的条件
1、某种适宜的微生物 2、要保证或控制微生物进行代谢的各种
条件，即培养基的组成、温度、溶氧浓 度、pH等 3、微生物发酵需要的设备 4、提取菌体或代谢产物或精致产品的方 法和设备
发酵工程的特点
➢ 投资少 ➢ 见效快 ➢ 污染小 ➢ 外源目的基因易高效表达
发酵工程的历史发展
发酵工程在现代生物技术中的
地位和作用
发酵工程是生物技术产业化的基础和 关键技术， 是生物技术四大支柱(基因工 程、细胞工程、酶工程和发酵工程)的核 心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基 酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、 人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产。
第二节微生物反应器及发酵系统
生物反应器（发酵罐）：是为微生物、酶或动 植物细胞（或组织）作为生物催化剂的生物反 应过程提供良好环境的核心设备。根据生物催 化剂的不同，生物反应过程分为：发酵过程、 细胞培养过程和酶反应过程等，与生物反应过 程相应的反应器的为发酵罐、动植物细胞反应 器和酶反应器。