发酵工程发展的新趋势
认识发酵工程 发酵工程技术的发展简史
利用液体深层通气培养技术大规模发酵 生产抗生素以及各种有机酸、酶制剂、 维生素、激素等产品
该阶段的特点是：微生物发酵的代谢 从分解代谢转变为合成代谢；真正无杂 菌发酵的机械搅拌液体深层发酵罐诞生； 微生物学、生物化学、生化工程三大学 科形成了完整的体系
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发酵阶段 的特点
希望的各种产品，如胰岛素、干扰素等基因工程产品 该阶段的特点是：按照人们的意愿改造物种、发酵
生产人们所希望的各种产品；生物反应器也不再是传 统意义上的钢铁设备，昆虫躯体、动物细胞乳腺、植 物细胞的根茎果实都可以看作是一种生物反应器；基 因工程技术使发酵工业发生了革命性变化
基因工程阶段 (1979～)
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纯培养发酵阶段(1900～1940)
利用微生物纯培养技术发酵生产面包酵母、甘 油、酒精、乳酸、丙酮、丁醇等厌氧发酵产品 和柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶等好氧发酵产品
该阶段的特点是：生产过程简单，对发酵设 备要求不高，生产规模不大，发酵产品的结构 比原料简单，属于初级代谢产物
代谢调控发酵阶段(1957～1960)
技术转折点
第一个转折点： 纯培养。
第三个转折点：
代谢控制。 包括：酶的活力调控，酶的合 成调控(反馈控制和反馈阻遏)， 解除菌体自身的反馈调节, 突 变株的应用，前体、终产物、 副产物等。
技术转 折点
第二个转折点：
通气搅拌。 青霉素→抗菌素发酵工业。二十世纪四 十年代初，第二次世界大战爆发，青霉 素的发现，迅速形成工业大规摸生产； 1928年由Fleming发现青霉素；1941 年美国和英国合作对青霉素进行生产研 究；1943年沉浸培养体积5m3，产量 为200u/ml；而现在液体培养，培养体 积达100m3─200m3，产量为5-7万 u/ml；链霉素、金霉素、新霉索、红 霉素。
发酵工程原理PPT课件
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发酵工程
一、微生物发酵工程
微生物工程：利用微生物的活动来进行物质 转化的理论与工程技术体系。是将化学工程 有关理论和单元操作应用于微生物的工业发 绪 酵生产，进而发展起来的具有新的特点的一 论 门学科。
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发酵工程
生物学
绪
论
发酵工程
工程学
化学
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发酵工程
1.是应用微生物为工业规模生产服务的一门 工程技术，是直接建立在微生物学基础上的， 随微生物工业的发展而发展，同时也是与化 学工业相结合的一个新发展。 绪 论
目前，发酵工程的全部基本参数：如温度、pH 值等均能自动记录并能自动控制。
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发酵工程
6.微生物酶反应生物合成和化学合成反应结 合工程技术的建立；
混合法（可先发酵后合成，亦可颠倒） 大规模生产 ：维生素C、激素、核酸； 新
绪 的抗生素； 某些氨基酸
论
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发酵工程
三、微生物工业的特点及范围
微生物工业（发酵工业）：利用微生物具有 的化学活性进行物质转换，从事各种发酵产 品生产的工业。 绪 论
①从糖分解产生简单化合物→复杂物质的生
物合成；
绪 论
②发酵方法代替化学合成方法较多；
③向大型发酵发展（常用20～120吨发酵罐， 最大500～1000吨）
④人工诱变菌种和代谢控制，新产品、新用
途层出不穷；
⑤开辟新原料；
⑥环境友好型生产；
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发酵工程
七、《发酵工程原理与技术》的任务和内容
任务：从微生物工程范畴出发来阐明厌氧性 发酵与好气性发酵过程及产品提纯的工艺原 理； 绪 用这些基本理论去分析、解决微生物工业中 论 存在的具体问题，提高产品质量和数量；
发酵工业的发展史
发酵工业的发展史一、国外发酵工业的发展概况1，发酵工业发展的阶段：天然发酵阶段(古代~1900年)纯培养技术的建立（1905年～）微生物工程发酵技术发展的第一个转折时期。
通气搅拌发酵技术的建立（1940年～)第二个转折时期代谢控制发酵时期（1960年～)第三个转折时期基因工程阶段（1979~)（1）第一个阶段（1900年以前)产品只限于含酒精和醋古埃及已经能酿造啤酒17世纪能在容量为1500桶(一桶相当于110升)的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造在1757年已应用温度计1801年就有了原始的热交换器18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律18世纪后期,Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术（2）第二个阶段（1900年~1940年）主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇丙酮发酵,并建立了真正的无杂菌发酵技术.(3)第三个阶段（1940年以后)这以阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题早期青霉素生产与溶剂发酵的不同点还在于青霉素生产能力极低，因而促进了菌株改良的进程，并对以后的工业起着重要的作用.（4）第四个阶段（1960年以后)(5)第五个阶段(1979年以后）二、国外发酵工业的发展趋势1，生物转化(或生物合成)技术成为国外著名化学公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一利用生物催化合成化学品不但具有条件温和、转化率高的优点,而且可以合成手性化合物及高分子。
手性化合物是国外目前生物技术的主要生产产品。
3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要趋势.4,传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良.许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造，大大地提高了产量。
培养基的影响及其控制
二、自然选育
1．自然选育的概念：
不经人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程称 为自然选育。
2. 正变菌株： 由于微生物可以发生自发突变，所以菌种在群体培养过程
中会产生变异个体。变异个体生长良好，生产水平提高，对生 产有利，这类菌株称为正变菌株； 负变菌株：
变异个体生产能力下降，形态出现异型，生产水平下降，导 致菌种退化，这类菌株称为负变菌株。
第七章 发酵工程制药
第七章 发酵工程制药
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
概述 优良菌种的选育 发酵的基本过程 发酵方式 发酵工艺控制 发酵产物的提取 发酵设备 基因工程菌生长代谢的特点 基因工程在发酵工程中的应用 发酵工程的发展展望
第一节 概 述
一、发酵工程 二、发酵工程发展的4个阶段 三、发酵工程的研究内容
四、产物提取
发酵完成后得到的发酵液是一种混合物，其中除了含有表达的目的产 物外，还有残余的培养基、微生物代谢产生的各种杂质和微生物的菌体等。
提取过程包括以下三个方面： ①发酵液的预处理和过滤。 ②提取。 ③精制。
第四节 发酵的方式
在制备大量微生物菌体或其代谢产物时，可采用不同的发酵方式。 微生物的发酵方式可分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵。
二、发酵工程发展的4个阶段
第一阶段：
20世纪以前时期，人类利用传统的微生物发酵过程来生产葡萄 酒、酒、醋、酱、奶酪等食品。
巴斯德关于发酵作用的研究，从 1857年到1876年前后持续了近 20 年 。 巴 斯 德 以 自 己 研 究 实 践 的 科 学 结 论 说 服程都是微生物作用的结果。 发 酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。
生物制药-发酵工程
采用物理或化学方法破碎细胞，释放细胞内含物。
分离纯化
利用各种分离纯化技术，如离心、过滤、萃取、层析等，将目标产物从细胞破碎 液中分离出来并进行纯化。
04
生物制药的未来发展
新药研发与临床试验
创新药物研发
利用基因组学、蛋白质组学等技术， 发现和验证新药靶点，开发出针对特 定疾病的新药物。
临床试验
生物制药-发酵工程
• 生物制药概述 • 发酵工程在生物制药中的应用 • 发酵工程的关键技术 • 生物制药的未来发展 • 案例分析
01
生物制药概述
生物制药的定义与特点
生物制药的定义
生物制药是指利用生物技术手段，通过微生物发酵、细胞培 养、酶反应等过程，从生物体中提取、分离、纯化出具有药 用价值的生物活性物质或其衍生物，用于预防、诊断和治疗 人类疾病的一类药品。
02
发酵工程在生物制药中的应用
微生物发酵
微生物发酵是生物制药中常用的技术 手段，通过微生物发酵生产各种药物， 如抗生素、疫苗、生长因子等。
微生物发酵的过程需要经过菌种筛选、 培养基配制、发酵过程控制等环节， 这些环节都对最终产品的质量和产量 有着至关重要的影响。
微生物发酵具有高效率、低成本、大 规模生产等优点，能够满足市场需求， 同时也有利于提高药品质量和安全性。
详细描述
重组蛋白药物的生产涉及基因克隆、载体构 建、转化、表达及纯化等多个环节。目前市 场上已有多种重组蛋白药物，如胰岛素、人 生长激素、干扰素等。
案例三：基因工程疫苗的研发与生产
总结词
基因工程疫苗是利用基因工程技术制备的疫苗，通过将病原体的抗原基因导入微生物或 细胞中，实现病原体的抗原表达，从而激发人体免疫反应，达到预防和治疗疾病的目的。
发酵工程的发展史
发酵工程的发展史如下是有关发酵工程的发展史：发酵的定义是通过微生物(或动植物细胞)的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。
近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发配产品的新阶段。
现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成酒精饮料。
一、传统(古老)发酵技术的追溯在几千年前，人们就开始从事酿洒、酱、醋，奶酪的发酵生产，并积累了许多有关发酵的经验，但当时人们是知其然而不知所以然。
据考古发掘证我国在龙山文化(跟今4000-4200年)已有酒器出现先秦的《周礼天宫》一书中记载有主管王室、官用造酒事的“酒正”、“酒人”等官职说明酿酒已成为专门的职业。
3000年前，中国已有用长霉的豆腐治疗皮肤病的记载，我们今天知道，这可能是抗生素的缘故。
国外酿酒的传说则可推溯到更早，相传埃及和中亚两河流域在公元前40-30世纪就已开始酿酒，烘制面包。
二、纯培养技术的建立1857年，巴斯德通过著名的曲颈瓶试验，彻底否定了生命的自然发生说。
在此基础上，他提出了加热灭菌法，后来被人们称为巴氏消毒法成功地解决了当时困扰人们的牛奶、酒类变质问题。
巴斯德还研究了酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等，并发现这些发酵过程都是由不同的发酵菌引起的，从而奠定了初步的发酵理论。
1897年德国的毕希纳进一步发现腐碎了的酵母仍能使精发酵而形成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶，揭开了发酵现象的本质。
1905年德国的罗伯特·柯赫等首先应用固体培养基分离培养出炭疽芽孢杆菌、结核芽孢杆菌、霍乱芽孢杆菌等病原细菌，建立。
一套研究微生物纯培养的技术方法此后，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。
发酵工艺学
• 2.2纯培养技术的建立
• 1800－1840年间，由巴斯德（Pasteur）和 科赫（Koch）建立了微生物分离纯化和纯培 养技术，人类才开始了人为地控制微生物的 发酵进程，从而使发酵的生产技术得到巨大 的改良，提高了产品的稳定性。由于采用纯 种培养于无菌操作技术，包括灭菌和使用密 闭式发酵罐，使发酵过程避免了杂菌污染， 使生产规模扩大了，使产品质量提高，从而 建立了真正的发酵工业并逐渐成为化学工业 的一部分。纯培养技术的建立是发酵技术发 展的第一个转折时期。
• 2.8与基因操作技术相结合的现代发酵工程技术阶段
3.发酵工业的特点和范围
• 3.1 发酵工业的特点 • （1）原料广
• （2） 微生物主体
• （3） 反应条件温和，易控制 • （4）产物单一，纯度高
• （5）产物无毒无害
• （6）投资少，效益好
• 3.2 发酵工业的范围 • （1） 以微生物菌体细胞为产品的发酵工业
•
• （2） 以微生物酶为产品的发酵工业
• （3）以微生物代谢产物为产品的发酵工业
• （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
• 概括起来，微生物工业所涉及 的范围大致可分为14类： • 酿酒工业、食品工业、有机溶 剂、抗生素、有机酸、酶制剂、 氨基酸、核苷酸、维生素、生 理活性物质、微生物菌体蛋白、 环境、生物能、生物冶金
• 在医药工业方面： • 发酵工程在医药工业上的应用，成效十分显著，发酵工程 能生产人们所需的常用药品和基因药品。如抗生素、胰岛 素、干扰素、生长激素、疫苗等多种医疗保健药物。其中， 抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业利润最高的 产品。 2009年，我国抗生素产值超过4000亿元。目前， 常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢菌素类、 红霉素类和四环素类。
发酵工程第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液
初步分离纯化技术：沉淀、离子交换、萃取、超 滤等技术；
高度分离纯化技术：离子交换、脱色、结晶、重 结晶、色谱技术
其他新型分离技术：超临界CO2萃取技术、纳米
李 滤技术、渗透蒸发技术、液膜技术等等。
先 磊
新技术发展体现在那里
化学化工系
新技术发展的体现
发
酵
工 程
① 传统分离技术的提高和完善，集中在节能和提高
⑤ 发酵液中常有代谢副产物；
李 ⑥ 发酵液中含有色素、热原质等有机杂质，对提炼
先 磊
影响相当大，必须除去。
化学化工系
4、发酵产物后处理过程的分离纯化
必须的注意事项
发
酵
工 程
① 条件温和，必须保持产物生理活性；
② 能够达到要求的纯度，要选择合适的分离技术；
Fermentation Engineering
程产生的废水以及操作方式。
下游工程技术单元操作的原理和特点见P263，表 11-1。
Fermentation Engineering
李 先 磊
化学化工系
第二节 发酵液的预处理
发
酵
工 程
一． 发酵液预处理的目的
二． 发酵液过滤特性的改变
三． 发酵液的相对纯化
四． 固液分离工程及设备
Fermentation Engineering
③ 高度纯化（产物精炼）：采用有限的单元操作， 去除与目标产物类似的杂质；
李 ④ 成品加工：产物的最终用途和要求，决定了最终
先 磊
加工方法，浓缩、结晶和干燥是主要过程。
Fermentation Engineering
化学化工系 发酵工程下游技术一般工艺流程
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发酵工程发展的新趋势
发酵工程发展的新趋势包括：
1. 生物多样性的应用：随着对生物多样性的深入研究，越来越多的微生物被发现，这些微生物可以用于发酵工程中。
利用新发现的微生物可以改善发酵过程，提高产量和质量。
2. 基于合成生物学的设计：合成生物学的快速发展使得人们能够通过重新设计和改造生物体的基因组，实现对发酵过程的精确控制和优化。
这种基于合成生物学的设计方法可以提高发酵工程的效率和可持续性。
3. 应用于生物医药领域：发酵工程在生物医药领域的应用越来越广泛。
通过发酵工程可以生产生物药物、疫苗和其他生物医药产品。
随着人们对个体化医疗的需求增加，发酵工程将发展出更多定制化的生物医药产品。
4. 进一步提高发酵过程的可持续性：发酵工程的可持续性将是未来的关键发展方向。
通过减少能源和原材料的消耗，降低废物和污染物的产生，以及改善废物处理和回收利用的方法，可以实现发酵工程的可持续发展。
5. 自动化和数字化技术的应用：自动化和数字化技术的发展将在发酵工程中发挥越来越重要的作用。
通过自动化和数字化的监控和控制系统，可以实现发酵过程的实时监测和调整，提高生产效率和产品质量。
总之，发酵工程的发展将越来越注重生物多样性的应用、合成生物学的设计、生物医药领域的应用、可持续发展和自动化、数字化技术的应用。
这些新趋势将带来更高效、环保和可持续的发酵工程技术。