第1章 绪论 南开大学微生物发酵工程

发酵⼯程章节复习资料第⼀章绪论1、发酵及发酵⼯程的概念1、传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。

2、⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。

如葡萄糖在⽆氧条件下被微⽣物利⽤产⽣酒精并放出CO2。

3、⼯业上的发酵泛指利⽤微⽣物制造或⽣产某些产品的过程包括：1. 厌氧培养的⽣产过程，如酒精，乳酸等。

2. 通⽓（有氧）培养的⽣产过程，如抗⽣素、氨基酸、酶制剂等。

产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

发酵⼯程（Fermentation Biotechnology）: 应⽤微⽣物学等相关的⾃然科学以及⼯程学原理，利⽤微⽣物等⽣物细胞进⾏酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的⼀门科学。

2、发酵⼯程技术的发展⼤致可分为哪⼏个阶段，每段的技术特点是什么？1. ⾃然发酵时期:嫌⽓性发酵⽤于酒类酿造，好⽓性发酵⽤于酿醋、制曲。

2. 纯培养技术的建⽴：⼈⼯控制环境条件使发酵效率迅速提⾼。

3.通⽓搅拌好⽓发酵过程技术的建⽴：从分解代谢转为⽣物合成代谢，可以利⽤微⽣物合成积累⼤量有⽤的代谢产物。

4.⼈⼯诱变育种与代谢控制发酵⼯程技术的建⽴：遗传⽔平上控制微⽣物代谢。

5. 发酵动⼒学、发酵⼯程连续化、⾃动化⼯程：以数学、动⼒学、化⼯原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的⾃动化控制的研究，使发酵过程的⼯艺控制更为合理。

6. 微⽣物酶反应⽣物合成与化学合成反应结合⼯程技术：可⽣产许多过去不能⽣产的有⽤物质。

3、发酵⼯业的应⽤范围1. 酿酒⼯业（啤酒、葡萄酒、⽩酒）2. ⾷品⼯业（酱、酱油、⾷醋、腐乳、⾯包、乳酸）3. 抗⽣素⼯业（青霉素、链霉素、⼟霉素）4. 有机酸⼯业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂⼯业（淀粉酶、蛋⽩酶）6. 氨基酸⼯业（⾕氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵⼯业(肌苷酸、肌苷)8. 有机溶剂⼯业（酒精、丙酮）9. 维⽣素⼯业(VB2、VB12)10.⽣物能源⼯业（沼⽓、⽣物柴油）11.环境保护产业（废⽔⽣物处理）12.⽣理活性物质发酵⼯业（激素）13. 冶⾦⼯业(微⽣物探矿、⽯油脱硫)14.微⽣物菌体蛋⽩发酵⼯业（酵母、单细胞蛋⽩）4、发酵⼯业的特点与化学⼯程相⽐，发酵⼯程具有以下特点：1、发酵过程是极其复杂的⽣物化学反应，与微⽣物细胞息息相关2、通常在常温常压下进⾏，反应安全，需求条件也⽐较简单3、发酵醪（包括固相、液相、⽓相，还含有活细胞体或菌丝体），属⾮⽜顿流体，其特性影响因素很多，对发酵⼯程都有关联4、具有严格的灭菌系统，以防⽌杂菌污染如空⽓除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等5、反应以⽣命体的⾃动调节⽅式进⾏，因此数⼗个反应过程能够像单⼀反应⼀样，在同⼀发酵罐内进⾏6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取⼀些特殊的⼯艺措施并选⽤合适的设备。

第1章绪论填空题：1．微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来____的同时也带来______。

2．1347年的一场由________引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1／3的人(约2 500万人)死于这场灾难。

3．2003年SARS在我国一些地区迅速蔓延，正常的生活和工作节奏严重地被打乱，这是因为SARS有很强的传染性，它是由一种新型的________所引起。

4，微生物包括：_______细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒(类病毒、拟病毒、朊病毒)；具细胞结构的真细菌、古生菌；具_____ 细胞结构的真菌(酵母、霉菌、蕈菌等)、单细胞藻类、原生动物等。

5．著名的微生物学家Roger Stanier提出，确定微生物学领域不应只是根据微生物的大小，而且也应该根据有别于动、植物的____。

6．重点研究微生物与寄主细胞相互关系的新型学科领域，称为____。

7．公元6世纪(北魏时期)，我国贾思勰的巨著“____”详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。

8．19世纪中期，以法国的____和德国的_____为代表的科学家，揭露了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了医学和工业微生物学等分支学科。

_____和____是微生物学的奠基人。

9．20世纪中后期，由于微生物学的____、_____等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动、植物细胞也可以像微生物一样在平板或三角瓶中分离、培养和在发酵罐中进行生产。

10．目前已经完成基因组测序的3大类微生物主要是____、_____及____。

而随着基因组作图测序方法的不断进步与完善，基因组研究将成为一种常规的研究方法，为从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物将产生质的飞跃。

11．微生物从发现到现在的短短的300年间，特别是20世纪中期以后，已在人类的生活和生产实践中得到广泛的应用，并形成了继动、植物两大生物产业后的____。

第一章 绪论发酵工程 ：发酵工程是指采用现代工程技术手段， 利用微生物的某些特定功能， 有用的产品的一种新技术。

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技术基础。

应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域 发酵工程组成 从广义上讲，由三部分组成： 一、何为发酵？是利用微生物或其他生物细胞 （动、植物细胞） 的培养， 产生和积累人们所需产品的过程。

二、发酵工业的发展史1. 天然发酵阶段（ 19 世纪以前） 特点 1. 手工作坊或家庭式生产2. 非纯种培养3. 产品质量不稳定4. 凭经验传授技术5.一般为嫌气发酵 17 世纪后叶，列文虎克发明显微镜，首次观察到大量的微生物 19 世纪中叶，巴斯德（微生物学之父 提出了著名的发酵理论： “一切发酵过程都是微生物 作用的结果。

”），发酵是微生物作用的结果，认识了发酵的生理学意义19 世纪后期，柯赫（细菌学之父） ，建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用控制特定 微生物发酵生产特定产品2.纯培养技术的建立（ 1905-1940 年 ） 在一次大战时，魏兹曼开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。

特点表面培养 生产过程简单，对设备要求不高 生产规模不大 嫌气或好气发酵 3.深层发酵阶段（ 1940 年以后）1943 年，在发酵罐中采用通气搅拌的深层培养法生产青霉素。

青霉素发酵技术成功地建立起深层通气培养法和一套培养技术（包括通无菌空气，搅拌，培养基灭菌和无 菌接种等） 使微生物在培养过程中的温度、pH 、通气量、营养物的供给都受到了严格的控制，厌氧一-好氧，导致一大批新产品的开发这些都为以后的发酵工业提供了新的概念和模型，成为当代发酵工业兴旺发达的开端 4. 开拓发酵原料（1960年以后）60年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水 化合物的发酵 主要产品为微生物蛋白质（单细胞蛋白 SCP ）特点机械搅拌发酵罐的容积已经从第三阶段时的 80M 3扩大到150M 3 o以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 5. 基因工程阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品的生产为标志。

微生物工程课后复习思考题第一章绪论1、什么是发酵工程？定义1：发酵工程是指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，或直接把微生物细胞作为产品的工业生产过程。

定义2 ：发酵工程是指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。

2、讨论为什么能利用微生物进行发酵生产？a微生物繁殖速度快b代谢能力强c易培养d容易改造e代谢产物多样f 能利用廉价的有机物、无机物3、发酵工程的特点1 原料广泛2 生产安全、设备简单3 反应专一性强、副产物少4 代谢多样、应用广泛5 易受污染、无菌要求严格6 菌种的优劣影响较大第二章工业用微生物菌种1、工业用菌种的特点及要求1.具有稳定的遗传学特性2.能利用低价的原材料3. 生长条件易于满足4.对于细菌，具有抗Phage的能力5.发酵周期短，降低生产成本6.代谢产物无毒无害2、发酵工业常用微生物从遗传学特征上可以把菌种分为：野生型和改良型从微生物分类学的角度分为：1. 细菌类(Bacteria)2. 酵母菌(Yeast)3. 霉菌(Mould)4. 放线菌(Actinomyces)3、菌种选育的目的1、防止菌种退化2、提高生产能力3、简化生产工艺4、开发新产品4、菌种选育方法自然选育诱变育种杂交育种（原生质体融合）基因工程5、自然选育的目的、方法和步骤自然选育的目的：纯化菌种、复壮菌种、稳定生产、提高产量自然选育的步骤1. 通过表观形态来淘汰不良菌株（初筛）2. 通过目的代谢物产量考察（复筛）3. 菌种纯度试验（纯度验证）4. 传代稳定性试验（传代试验）6、什么是菌种的退化生产菌株遗传标记的丢失，导致生产能力下降，即负突变,称为菌种的退化7、防治菌种退化的措施1、从菌种选育方面考虑（单核菌、高剂量、加强分纯）2、创造良好培养条件（培养基、温度等）3、控制传代次数，合理传代4、采用不易衰退细胞传代5、采用有效的保藏方法8、菌种衰退时应采取的提纯复壮措施：（1）分离纯化（2）通过寄主体进行复壮（3）淘汰衰退的个体9、种子扩大培养指将保存的处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量纯种的过程。

（来自讲义）1、致死温度杀死微生物的极限温度致死时间在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间2、微生物的热阻微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间3、实罐灭菌培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一段时间，再冷却道发酵温度，然后接种发酵。

4、微生物的特点体积小、面积大，吸收快、转化快，生长旺、繁殖快，易变异、适应性强，种类多、分布广等五大特性。

5、菌种分离的一般过程土样的采取→预处理→培养→菌落的选择→产品的鉴定目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物6、生物热（Q生物）在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。

（来自PPT）第一章绪论1、发酵工程：利用微生物的生命活动进行物质加工的过程。

第二章生产菌种的筛选1、新种分离筛选的步骤1)定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。

2)采样：有针对性地采集样品，以采集土壤为主。

3)增殖：人为地通过控制养分或培养条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势。

4)分离：利用分离技术得到纯种。

5)发酵性能测定：进行生产性能测定。

这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。

2、采土方式：在选好适当地点后，用小铲子除去表土，取离地面5-15cm处的土约10g，盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中，扎好，标记，记录采样时间、地点、环境条件等，以备查考。

为了使土样中微生物的数量和类型尽少变化，宜将样品逐步分批寄回，以便及时分离。

3、采样注意事项1)采样时应尽可能保持相对无菌；2)所采集的样本必须具有某种代表性；3)采好的样必须完整地标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等；4)应充分考虑采样的季节性和时间因素，因为真正的原地菌群的出现可能是短暂的5)采好的样应及时处理，暂不能处理的也应贮存于4℃下，但贮存时间不宜过长。

微生物工程：发酵工程、生物冶金、环境保护、微生物勘探、能源开发等。

概念：利用微生物生长代谢活动产生的各种生理活性物质来生产商业产品。

6狭义“发酵”的定义：在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。

如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。

同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。

7广义“发酵”的定义：工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。

产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

8“发酵工程”的定义：应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。

基本概念8发酵工程的特点发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。

其主要特点如下：1·发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。

2·发酵所用的原料简单粗放。

通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。

微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。

基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。

3·发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。

4·发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。

除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。

如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。

因而维持无菌条件是发酵成败的关键。

5·由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。

《发酵工程》Fermentation engineering 授课教师：张书祥（Email：zhangshux578@）第一章绪论第一节发酵工程的定义、特点、内容第二节发酵工程的发展历史第三节发酵工业的应用第四节发酵工程的发展趋势第一节发酵工程的定义、特点、内容1、定义1.1发酵工程：利用微生物的性状和机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。

如抗生素、酒类、有机酸、基因工程药物等的生产。

发酵过程是以微生物反应为核心的，因此，发酵工程又被称为微生物工程。

1.2生物工程：生命科学应用于产业方面，称为生物工程学。

也就是利用生物体（生物作用剂：微生物、动物细胞、植物细胞等）的机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。

生物工程包括：发酵工程、酶工程、基因工程、细胞工程。

发酵工程与生物工程的关系发酵工程是生物工程的重要组成部分，在生物工程中处于中心地位。

无论是从微生物得到酶或用基因工程菌获得产品都必须依赖发酵工程技术。

发酵工程的发展直接影响生物工程的进一步发展。

2、发酵工业的一般特点：2.1生产所用原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物（可再生资源）为主，辅料包括一定的无机或有机氮源和少量无机盐。

2.2微生物生化反应过程能通过单一微生物代谢活动完成，因而产品在发酵设备中一次合成。

2.3微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。

2.4由于生命体特有的反应机制，微生物能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等转化反应，从而获得某些具有一定经济价值的物质。

发酵工程与化学工程、生化工程的比较工业发酵的过程是依靠微生物细胞生命活动获得目的产物的过程，从根本上区别于化学合成工业和生化工业。

在工业化学过程中没有生物活性物质参与催化。

工业生化过程属于由酶催化的体外酶反应过程，酶具有生物活性。

当酶失活、辅酶耗尽，过程就停止了。

第三节、发酵工业的应用：发酵工程技术已给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力，解决了人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题。