生物工程概论 生物工程：也叫生物技术，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。
先进的工程技术：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程
发酵工程部分
第一节 发酵工程概况（绪论） 第二节 微生物发酵过程 第三节 液体深层发酵 第四节 固体发酵
第五节 典型实例（啤酒的发酵、青霉素发酵） 第一节 绪 论 一、基本概念
（一）发酵工程的定义 是利用微生物某种功能，通过现代工程技术手段，生产有用物质并直接将微生物应用于工业生产的一种生物技术。又称微生物工程
? 讨论各单元操作中的工艺和设备的一门科学。
? 微生物学、生物化学、和化学工程学的基本原理有机结合起来的科学。
微生物(microorganism)：形体微小具有单细胞或简单的多细胞结构，或没有专一细胞结构的一群最低等生物。
特点：体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。 微生物的种类 三型九大类
? 真核细胞型微生物——细胞核分化程度高，有核膜和核仁，细胞器完整。如酵母菌、
霉菌。
? 原核细胞型微生物——细胞核的分化较低，仅有原始核，无核膜、核仁。细胞器很
不完善。DNA和RNA同时存在。这类微生物众多，有细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体。
? 非细胞型微生物——是最小的一类微生物。无典型的细胞结构，只能在活细胞内生
长繁殖。核酸类型为DNA或RNA。病毒属之。
在自然界分布的特征
? 种类多 10万多种，目前人类认识的不足10%，开发利用不足1%； ? 分布广 空气，土壤，水及极端环境中；
? 繁殖快 世代时间短，几十分钟至一百多分钟。对发酵工业有重要的意义； ? 代谢强 吸收多，转化快，效率高，消耗自重几百至上千倍食物； ? 易变异 单细胞或结构简单易受到外界影响，有好有坏。（可以利用此特征将产量提
高或增强菌体的抗药性）
微生物与人类的关系
绝大多数微生物对人类和动、植物是有益的，而且有些是必需的。
1.在自然界中元素的循环2.在工业方面的作用3.在农业方面的作用4.在医药方面的作用 只有少数的微生物对人类和动、植物是有害的。
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（二）发酵的概念
? 传统概念：指酵母作用于果汁或发芽谷物，进行酒精发酵时产生CO2的现象。 ? 生物学概念：发酵是指微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程。（生
化）
? 工业生物学家概念：利用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
或其代谢产物的过程
? 现代概念：培养生物细胞（含动植物和微生物）来制取产物的所有过程 （三）发酵工业的概念
发酵工业（Fermentation Industry）是利用微生物生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工而获得各种发酵产品的工业。其主体是利用微生物进行生物化学反应的工业。 二、发酵工业分类、条件及特点
主体是利用微生物进行生物化学反应的工业 分类：
食品发酵工业（food fermentation industry）
非食品发酵工业（non-food fermentation industry）
我国，通常把由复杂成分构成的，并有较高风味要求的发酵食品，如啤酒、白酒、酱、醋、腐乳、腌菜等副食调味品的生产过程称为酿造工业（brewing industry）
把经过纯种培养，提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的酒精、抗生素、柠檬酸、谷氨酸、酶制剂、单细胞蛋白等的生产叫做发酵工业（fermentation industry） 发酵过程应具备的条件
从发酵和发酵工业的定义可知，要实现发酵过程并得到发酵产品必须具备以下条件：
? 具有某种适宜的微生物
? 要保证控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成、温度、溶氧浓度、酸碱度等） ? 要有进行微生物发酵的设备
? 要有将菌株或代谢产物提取，精制成产品的方法和设备 三、发酵工业的发展历史（History of applied microbiology）（四次转折） 1.（Ancient times）天然发酵阶段
– food preservation (vinegar, cheese) – flavour (bread, soy sauce) – brewing (beer, wine)
特点：
? 多数产品为嫌气性发酵 ? 非纯种培养
? 单凭经验传授技术，使产品质量不稳定
（不了解微生物与发酵的关系）
2、近代发酵工程时期——纯培养技术
1665 英国物理学家 Robert Hooke（罗伯特·胡克）细胞壁 1680 荷兰列文·虎克(Antonie vanLeeuwenhoek) 活细胞 人类认识到微生物的存在
1850-1880 法国科学家Louis Pasteur 揭示了发酵的秘密，确定了微生物与发酵的关系否定―微生物的自生说‖，发明了一种有效的灭菌法---巴斯德灭菌法
(a)无菌营养液通向空气，则出现微生物。巴斯德认为是空气中微生物进入烧瓶，而反对者认为是空气中生命力进入烧瓶；
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(b)烧瓶被加热和密封后，无生命出现。巴斯德认为是热杀死了微生物，而反对者认为是热破坏了生命力，且生命的产生需空气；
(c)烧瓶开口，通入的空气被加热，无生命出现。巴斯德认为是热杀死了空气中微生物，而反对者认为生命力被破坏；
(d)雁颈使空气自由进入烧瓶，但微生物被截留，无生命出现。巴斯德观点被证实。 19世纪70-80年代，微生物纯种培养技术取得了很大的进步 1872年 Brefeld（布雷菲尔德）进行了霉菌纯种分离和培养 1878年 Lister（李斯特）纯培养乳酸菌并测定了菌数
1881年 德国Robert Koch（科赫）发明用明胶斜面分离和坚
定菌种的纯培养技术，并发现了多种致病菌，还提 出科赫条件，证明了特定的微生物引起特定的疾病 Koch’ postulate
1. 在患病的动物体内总能发现特定微生物，而健康的动物体内则没有 2. 在动物体外可以纯培养此微生物
3. 将该培养物接种到易感动物体内会引起同样的疾病
4. 从试验动物及实验室培养物种重新分离得到的微生物应该是同种微生物
1887年 Petri （皮特里）改用玻璃平皿取代试管进行分离培 养单菌落，Petri皿（皮式培养皿）（一直使用）
上述研究成果使发酵技术的最基本手段——微生物的分离和纯种培养方法建立起来。 使发酵技术由天然发酵阶段转向纯培养发酵（ 第一次转折） 此阶段特点：
产品的生产过程较为简单，对生产要求不高，规模不大 产品：
乳酸、酒精、面包酵母、丙酮酸、柠檬酸、淀粉酶、 蛋白酶
3、近代发酵工程时期——深层培养技术
? 出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志 ? 青霉素的发现与大量需求
表面培养法(surface culture) 效价40U/mL，纯度20%，收率30% ? 二战期间，青霉素发酵生产成功
青霉素发酵生产的成功，给发酵工业带来两大功绩： ? 开拓了以青霉素为先锋的庞大抗生素发酵工业 ? 建立深层培养法（submerged fermentation），把通气搅拌技术引入发酵工业。它使得需氧菌的发酵生产从此走上了大规模工业化生产途径。通气搅拌液体深层发酵技术是现代发酵工业最主要的生产方式
深层培养技术的意义
——机械搅拌通气发酵
? 40-50年代，链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等相继问世，使这一时期成为抗生素工业的黄金时代
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? 促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业 ? 好氧发酵，初级、次级代谢产物
机械搅拌通气发酵技术的建立是第二次转折 4、近代发酵工程时期——代谢控制发酵技术
?定义：以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，即能选择性地大量生产人们所需要的物质。
? 1956 日本人Kinoshita（木下祝郎） 谷氨酸发酵
? 已有22种氨基酸用发酵法生产，其中18种直接发酵，4种酶法转化 ? 已用于氨基酸、核苷酸、有机酸以及一部分抗生素的发酵 ? 代谢控制发酵技术的建立是第三次转折 5、近代发酵工程时期——连续化、自动化发酵技术
? 学科交叉之间的应用：数学、动力学、化学工程原理、电子计算机技术、自动化控
制
? 新设备层出不穷 -----大大提高生产效率 6、近代发酵工程时期——开拓发酵原料时期
? 1960-1970期间，为解决粮食危机，出现了以正烷烃为原料生产单细胞蛋白即石油蛋
白的研究和生产 ? 石油代粮发酵
? ＞ 粮食生产工业化 ? 纤维素代粮发酵
7、现代发酵工程时期——现代分子生物学技术
? （1972）DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用
? 1982，第一个基因工程产品——利用工程菌生产的人胰岛素问世 ? 现有许多种类的产品:
红细胞生成素 ( 治疗贫血) 生长激素 ( 促进生长)
胰岛素 (治疗糖尿病) 干扰素 (抗病毒、抗肿瘤) ?定义：应用分子生物学和分子遗传学的方法，人为的将任意生物的特定又有用的遗传基因组合到特定微生物的基因中去，在分子水平上选育新的物种，创造新的微生物，从而达到定向改变自然界微生物所不能合成的产物。（基因工程阶段） ?现代分子生物学技术的应用是第四次转折 四、微生物工程的应用 （一）微生物工程应用领域 1、在食品工业的应用
微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值仍占微生物工程的首位微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值仍占微生物工程的首位 食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）
含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌 发酵乳制品：奶酪、酸奶
调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等 2、在医药卫生中的应用 ? 抗生素：12 000余种
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青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等 ? 氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%） 维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等
? 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等 ? 酶抑制剂：
棒酸（可抑制?-内酰胺酶对青霉素的破坏） ?-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病 胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂 3、在轻工业中的应用
糖酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、甘露聚糖酶等 4、在化工能源中的应用
醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等
有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等 多糖：黄原胶、海藻糖等
清洁能源：氢气、微生物燃料电池等 5、在农业中的应用 生物农药：
杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）
防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素） 生物除草剂：利用杂草的病原微生物
生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等 6、在环境保护中的作用
污水处理（厌气法、好气法） 7、在高技术领域中的应用 基因工程的各种工具酶等 （二）微生物工程产品类型 1、微生物菌体的发酵
SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等） 生物防治制剂（如苏云金杆菌） 活性乳制剂
细胞的生长与产物的积累成平行关系， 生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段 2、微生物酶发酵
1894 日本高峰 米曲霉→高峰淀粉酶 各种酶制剂
糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等 与动植物酶相比： 易于进行大规模生产 易于改善工艺
3、微生物代谢产物发酵 初级代谢产物：
? 指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质，如氨基酸、核苷酸、脂类、有机酸、糖等，即为初级代谢产物
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