1、第三章 环境生物工程发酵工程第三章环境生物工程第三章环境生物工程-发酵工程发酵工程一、概述二、发酵工程的内容三、发酵工程在环境方面的应用一、概述一、概述（一）发酵工程相关名词1、发酵：借助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直接产生代谢产物或次级代谢产物的过程。现已扩展到培养生物细胞来制得产物的所有过程。2、发酵工程：也叫微生物工程，现代的发酵工程，就是采用现代工程技术手段，利用生物，主要是微生物的某些生理功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接利用微生物参与控制某些工业生产过程的一种新技术。3、发酵工业：就是利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行加工（生化反应），获
2、得产品的工业，它既包括传统发酵，也包括现代发酵。4、初级代谢产物：在微生物对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的。5、次级代谢产物：在菌体生长静止期，某些菌体能全成在生长期中不能合成的、具有一些特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等，它们与菌体生长繁殖无明显关系。6、微生物转化：就是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。7、自然选育：不经人工诱变，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程。一、概述一、概述8、诱变育种：是人为地利用物理、化学等因素，使诱变的细胞内遗传物质染色全或DNA的片段发生缺失
3、、易位、倒位、重复等畸变，或DNA的某一部位发生改变（又称点突变），从而使微生物的遗传物质DNA或RNA的化学结构发生变化，引起微生物的遗传变异。9、前突变：诱变剂所造成的DNA分子的某一位置的结构改变，它可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以经过修复重新回到原来的结构，即不发生突变。10、损伤：DNA序列可修复的变化。11、突变：是可以通过复制而遗传给子代的永久性DNA序列变化。一、概述一、概述12、分批发酵：在灭菌的培养基上接种相应的微生物，然后不再加入新的培养基，经过若干时间发酵后再将发酵液一次放出。13、连续发酵：是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液
4、，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。14、补料分批发酵：又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。15、分解代谢：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分解成简单化合物的过程。一、概述一、概述16、合成代谢：又称同化作用，是指由简单化合物合成复杂的细胞物质的过程。17、代谢控制发酵：是利用遗传学的方法或其他生物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成和积累的发酵。18、代谢工程：是指利用基因重组技术有目的地对细胞代谢途径进行修饰、改造，改变细胞特性，并与细
5、胞基因调控、代谢调控及生化工程相结合，为实现构建新的代谢途径，生产特定目的产物而发愜起来的一个新的学科领域。19、代谢网络：分解代谢途径、合成代谢途径和膜输送体系的有序组合构成代谢网络。一、概述一、概述（二）发酵工业的发展历史大规模利用微生物的工业是在20世纪20年代才真正开始的。当时主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为主。20世纪40年代，弗莱明发现了青霉素，开始采用深层发酵法大量生产。此后，链霉素等几十种重要的抗菌素相继问世，带动了抗菌素工业的诞生。发酵工业由无氧条件下的发酵发展到了有氧发酵。70年代，基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展，为人类定向培育微生物开辟了新途径，微
6、生物工程应运而生。通过DNA的组装或细胞工程手段，能按照人类设计的蓝图创造出新的“工程菌”和超级菌，然后通过微生物的发酵生产出对人有益的物质产品。传统的发酵技术，与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质和酶工程等相结合，使发酵工业进入到现代生物工程的阶段。一、概述一、概述天然发酵时代 纯培养技术 通气搅拌技术 代谢控制发酵技术 现代生物工程（三）实例：国内最大的VB2糖化发酵工程投产中创网信息：近日，全国最大的维生素B2糖化发酵工程竣工，并在湖北省武穴市广济药业公司正式投产。据悉，广济药业为应对入世的挑战，先后投资1.8亿元自主开发了大米替代糖蜜生产维生素B2技术，首开维生素B2发酵新技术
7、的先河，既解决了糖蜜原料供应的难题，降低了生产成本，又扩大了维生素B2生产规模，使维生素B2生产规模由原来的年产300吨，提高到现在的2000吨，同时也为解决粮食加工转化难找到了一条出路。据测算，这一工程的使用，每年至少可消化稻谷5000万吨。一、概述一、概述发酵工程控制上游工程下游工程二、发酵工程的内容二、发酵工程的内容（一）发酵类型标准：产品的类型 1、微生物菌体发酵：获得具有某种用途的菌体的为目的的发酵。2、微生物酶发酵：酶工程 3、微生物代谢产物发酵：初级代谢产物、次级代谢产物 4、微生物转化发酵：维生素C两步发酵法；最突出：甾类转化 5、生物工程细胞的发酵（现代发酵）二、发酵工程的内
8、容二、发酵工程的内容（二）发酵方法培养方式：表面培养、深层培养培养基形态：固体发酵、液体发酵1、表面培养法：是将微生物在基质表面上进行培养的方法。2、深层培养：是以微生物细胞生长于液体培养基深层（好氧或厌氧）中进行培养的方法。（三）发酵过程具体过程：菌体（或生物细胞）种子制备 发酵 发酵液预处理 提取精制 成品检测 成品包装1、菌种优良菌种的选育（1）目的提高其生产能力选育能适应工艺条件的菌种（2）微生物分离及筛选步骤：采样：土壤是微生物聚集的最主要场所二、发酵工程的内容二、发酵工程的内容选育a 自然选育b 诱变育种诱变育种方案设计：制定筛选目标 制定方案二、发酵工程的内容二、发酵工程的内容D
9、NA损伤修复对突变的影响：光修复、切补修复复制前修复：校正差 错，不利于突变的发生；重组修复(复制后修复）、SOS修复（复制前 修复）：引起差错，利于突变c 基因工程育种)(OTRLccak 氧的传递速率：用kLa的大小衡量发酵设备的通气效率，实验室用摇瓶，其kLa值约为10100h-1；带搅拌的发酵罐，其kLa值为200 1000h-1。SSSCKCmaxMonod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为：(1)细胞的生长为均衡式生长；(2)培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；(3)细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。Monod方程仅适用于细胞
10、生长较慢和细胞密度较低的环境下。式中为比生长速率;max为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数,当 max/2时的限制性基质浓度。ISSSSKCCKC/2max抑制常数2XSSSXICCCK)()(222111maxSSSSSSCKCCKCPSSSCKKCKCIImaxPICKSSSeCKCmaxnPPSSSCCCKCmaxmax1SxSCXKCmaxKx为常数)1(SdSdmCKCd式中，d为细胞比死亡速率;dm为细胞最大比死亡速率，Kd为细胞常数二、发酵工程的内容二、发酵工程的内容2、发酵（2）发酵生物反应器 类型：搅拌式生物反应器、鼓泡式反应器、气升式反应器 优点：染菌
11、率极低、发酵设备大型化、利用生物技术提高了产量和降低了成本、提高了产品的回收率和质量 要求：内壁与管道焊接部位都要求平整光滑、无裂缝、无塌陷，便于测量器内的温度、pH值和氧气含量典型的分批发酵工艺流程图菌种提纯琼脂斜面接种摇瓶蒸汽锅炉空气压缩机种子培养种子罐无菌空气空气过滤器通气生物反应主要发酵罐pH调节液蒸汽灭菌连消装置培养基配料罐培养基原料培养基配料去菌体分离及后处理检测控制成品？3、下游处理（1）发酵液预处理（2）固液分离 (3)提取（4）精制（5）成品加工二、发酵工程的内容二、发酵工程的内容（四）发酵工业及其发展趋势1、微生物资源的进一步开发和利用2、现代生物技术所发酵工业推向新水平三、发酵工程在环境方面的应用三、发酵工程在环境方面的应用 生物质转化生物质转化三、发酵工程在环境方面的应用三、发酵工程在环境方面的应用废水处理废水处理三、发酵工程在环境方面的应用三、发酵工程在环境方面的应用固废处理（污泥与城市垃圾的混合发酵）固废处理（污泥与城市垃圾的混合发酵）三、发酵工程在环境方面的应用三、发酵工程在环境方面的应用沼气发酵沼气发酵
