1、第七章第七章 发酵工程技术发酵工程技术 第一节第一节 概概 述述 一、发酵工程一、发酵工程 的概念的概念 发酵工程又成为微生物工程，是利用微生物制造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工业原料与工业产品并提供服务的技术并提供服务的技术 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，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，用于用于:如基因工程、细胞工程、酶工程都与发酵工程相关如基因工程、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二、发酵工程的发展历程 第一阶段第一阶段 20C20C以前时期，利用以前时期，利用传统的微生
2、物发酵技术（酿造技术）传统的微生物发酵技术（酿造技术）生产酒、生产酒、醋、酱、奶酪等食品醋、酱、奶酪等食品 1675 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，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为人类对微生物的深入研究提供了可能 19C 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于传统“酿造酿造”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
3、应过程；指出对酿造原料进行灭菌，可解决问题第二阶段第二阶段 1900194019001940年，准年，准“纯菌培养纯菌培养”阶段，规模增大，产品主阶段，规模增大，产品主要有酵母、甘油、乳酸、柠檬酸、要有酵母、甘油、乳酸、柠檬酸、丁醇、丙酮丁醇、丙酮（第一次世界大战弹（第一次世界大战弹药制造原料）等药制造原料）等 第三阶段第三阶段 第二次世界大战爆发至第二次世界大战爆发至19531953年，本阶段是发酵工业的大发年，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：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
4、酸、甾体等次级纯菌培养、大规模、产品多为抗生素、氨基酸、核酸、甾体等次级代谢产物代谢产物第四阶段第四阶段 19531953年至今，基因工程等高新技术应用阶段；如年至今，基因工程等高新技术应用阶段；如DNADNA双螺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、克隆技术等技术等三、发酵工程的研究内容三、发酵工程的研究内容 菌种的培养和选育、菌的代替与调节、培养基的灭菌、通气搅拌、菌种的培养和选育、菌的代替与调节、培养基的灭菌、通气搅拌、溶氧、发酵条件的优化、发酵过程各参数与动力学、发酵反应器的设计溶氧、发酵条件的优化、发酵过程
5、各参数与动力学、发酵反应器的设计和自动控制、产品的分离纯化与精制等和自动控制、产品的分离纯化与精制等 决定发酵工业生产水平的三要素：决定发酵工业生产水平的三要素：生产菌种、发酵工艺和发酵设备生产菌种、发酵工艺和发酵设备第二节第二节 优良菌种的选育优良菌种的选育 发酵工程产品开发的关键是筛选新的有用物质的产生菌发酵工程产品开发的关键是筛选新的有用物质的产生菌 从自然界分离得到的野生菌种均不符合工业生产要求，必须通过从自然界分离得到的野生菌种均不符合工业生产要求，必须通过人工选育；优良菌种的选育，可为发酵工业提供高产菌株和各种类型人工选育；优良菌种的选育，可为发酵工业提供高产菌株和各种类型的突变菌
6、株的突变菌株菌种选育方法菌种选育方法 经验育种法：自然选育、诱变育种、杂交育种等经验育种法：自然选育、诱变育种、杂交育种等 定向育种法：控制杂交育种、原生质体融合、基因工程等定向育种法：控制杂交育种、原生质体融合、基因工程等 1.自然选育自然选育 概念：概念：即不经人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程即不经人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为称为 特点特点：可纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产量；：可纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产量；但效率低、进展慢（若能将此法于诱变育种交替使用，则效果较好）但效率低、进展慢（若能将此法于诱变育种交替
7、使用，则效果较好）2.诱变育种诱变育种 即用人工方法诱发突变；突变发生部位一般是在遗传物质即用人工方法诱发突变；突变发生部位一般是在遗传物质DNA上，并可上，并可稳定遗传稳定遗传（1）诱变机制）诱变机制微小损伤突变微小损伤突变 包括点突变（转换和颠换）和密码组移位包括点突变（转换和颠换）和密码组移位染色体畸变染色体畸变 包括移位（非同源连接）、倒位（同一染色体某一部位染色体以包括移位（非同源连接）、倒位（同一染色体某一部位染色体以颠倒的顺序出现在原来的位置）、缺失和重复（增加了原本存在的基颠倒的顺序出现在原来的位置）、缺失和重复（增加了原本存在的基因（如因（如控制目的物产量的基因控制目的物产量
8、的基因）出现的频率）出现的频率）染色体组突变染色体组突变 指由有丝分裂或减数分裂异常导致染色体数目或组数的变化；如指由有丝分裂或减数分裂异常导致染色体数目或组数的变化；如由单被体突变成二倍体或多倍体等由单被体突变成二倍体或多倍体等（2）诱变剂及作用方式）诱变剂及作用方式物理诱变剂：如物理诱变剂：如200-300nm紫外线紫外线化学诱变剂：化学诱变剂：P2653.原生质体融合原生质体融合 是将两个亲株分别通过去除细胞壁，使菌体细胞在是将两个亲株分别通过去除细胞壁，使菌体细胞在高渗高渗环境中释环境中释放出由原生质体包被着的球状体，在高渗条件下混合两个亲株的原生放出由原生质体包被着的球状体，在高渗条
9、件下混合两个亲株的原生质体，由质体，由 PEG作促融剂作促融剂使它们相互凝集发生细胞融合，接着两细胞基使它们相互凝集发生细胞融合，接着两细胞基因组由接触到交换，从而实现因组由接触到交换，从而实现遗传物质重组遗传物质重组，在再生细胞中就有可能，在再生细胞中就有可能挑选出较理想的重组子挑选出较理想的重组子原生质体融合的一半程序原生质体融合的一半程序溶壁溶壁 促融促融 培养培养 挑选融合重组子挑选融合重组子溶壁：细菌用溶菌酶；酵母用蜗牛酶；霉菌用纤维素酶和蜗牛酶溶壁：细菌用溶菌酶；酵母用蜗牛酶；霉菌用纤维素酶和蜗牛酶第三节第三节 发酵的基本过程发酵的基本过程 菌种菌种 种子制备种子制备 发酵发酵 发
10、酵液预处理发酵液预处理 提取精制提取精制发酵的基本过程发酵的基本过程一、菌种一、菌种 1.1.要求要求 产量高、生长快、性能稳定、容易培养产量高、生长快、性能稳定、容易培养2.2.储存储存 为防止菌种衰退，菌种必须以休眠状态保存于砂土管或为防止菌种衰退，菌种必须以休眠状态保存于砂土管或 冷冻干燥管中，冷冻干燥管中，并置于并置于0-40-4冰箱（库）中冰箱（库）中 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发酵罐二、种子的制备二、种子的制备三、发酵三、发酵注意：注意：通气（一般通气（一般0.3-1m3/m30.3-1m3/m3）、搅拌（一般搅拌消耗功率）、搅拌（一般搅拌消耗功率1-1-2KW/m2KW/m3 3）、温度（）、温度（26-3726-37）、罐压（一般）、罐压（一般0.3-0.5kg/cm0.3-0.5kg/cm3 3）；发酵）；发酵时间因不同品种而异，大多数微生物的发酵周期为时间因不同品种而异，大多数微生物的发酵周期为2-8d2-8d四、产物提取四、产物提取提取过程：发酵液预处理提取过程：发酵液预处理 提取提取 精制精制第四节第四节 发酵方式发酵方式 第六节第六节 发酵产物的提取发酵产物的提取 吸附法、沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法吸附法、沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法
