发酵工程发展概述

发酵工程发展概述生工学院生工092班090302222内容•一、发酵工程•二、现况•三、发展历程1、发展阶段2、发展时期•四、发酵工业的特点•五、发酵工业的范围•六、发酵工程的发展趋势一、发酵工程•发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。•随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。返回二、现况•如今，发酵工程已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。返回三、发展历程：1、发展阶段•发酵工程共经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。•农产手工加工•发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。•近代发酵工程•原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，以机器生产代替了人工，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。•现代发酵工程•通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核，返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。返回三、发展历程：2、发展时期•1、自然发酵时期•从史前到19世纪末，在微生物的性质尚未被人们所认识时，人类已经利用自然接种方法进行发酵制品的生产。主要产品有酒、酒精、醋、酵母、干酪、酸乳等。多数产品为厌氧发酵，非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。•2、纯培养技术的建立•1900－1940年间，由巴斯德和科赫建立了微生物分离纯化和纯培养技术，人类开始了人为地控制微生物的发酵进程，使发酵的生产技术得到了巨大的改良。由于采用纯种培养于无菌操作技术，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。因此，可以认为，纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。•3、通气搅拌发酵技术的建立•20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌和一整套无菌技术。它大大促进了发酵工业的发展，并且逐渐形成和建立起生物工程学科。通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业发展史上的第二个转折点。•4、人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术的建立•20世纪60年代，随着生物化学、微生物生理学和遗传学的深入发展，科学家在深入研究的基础上，通过对微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变类型，再人工培养，即利用调控代谢的手段选育菌种和控制发酵条件，大量生产出人们所需要的产品。1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。目前，代谢控制发酵技术已用于核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。三、发展历程：2、发展时期•5、发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立•20世纪80年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化学工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更为合理，新工艺、新设备层出不穷。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部基本参数，明显提高了生产效率。•6、微生物酶反应生物合成和化学合成反应相结合工程技术的建立•微生物酶反应生物合成和化学合成反应两种工程技术各有一定的局限性，若二者配合起来使用，就可以生产过去未能生产的有用物质，从而开辟一个新领域。返回四、发酵工业的特点•1、原料广•发酵所用的原料通常以淀粉质、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。此外，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。•2、以微生物为主体•微生物菌种是进行发酵的根本因素，可以通过筛选、诱变或基因工程手段获得高产优良的菌株。发酵对杂菌污染的防治至关重要，除了必须对设备进行严格灭菌和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行，维持无菌条件是发酵成败的关键。•3、反应条件温和，易控制•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，要求条件简单。四、发酵工业的特点•4、产物单一，纯度高•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。微生物能够专一性地和高度选择地对某些复杂的化合物进行特定部位的转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。•5、投资少，效益好•工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。返回五、发酵工业的范围•1、以微生物菌体细胞为产品的发酵工业•如供制备面包用的酵母；作为人类或动物的食物的微生物细胞；作为生物防治的苏云金杆菌以及各种人、畜疾病防治用的疫苗等。•2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业•是发酵工业中数量最多、产量最大、也是最重要的部分，包括初级代谢产物和次级代谢产物。•3、以微生物酶为产品的发酵工业•目前工业化生产的酶主要是各种水解酶类，如淀粉水解酶、蛋白水解酶、乳糖酶、青霉素酰化酶等，而非水解酶类除葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等少数酶已工业化生产外，多数尚未工业化生产。五、发酵工业的范围•4、生物转化或修饰化合物的发酵工业•生物转化是指利用生物细胞对一些化合物某一特定部位的作用，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物。生物转化的最终产物并不是由于营养物质经微生物细胞的代谢后产生的，而是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。生物转化可以理解为，将一个化合物经过发酵改造其化学结构。在这里微生物细胞的作用仅仅相当于一种特殊的化学催化剂引起特定部位的反应。•5、微生物废水处理•利用微生物净化三废物质：主要是分解各种有毒有害物质，或者利用废物作为营养物生产单细胞蛋白或沼气，或者直接降解含氰、含酚以及农药等有毒物质。返回六、发酵工程的发展趋势•1、利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的需要合成某些产品；•2、采用发酵技术进行高等动植物细胞培养；•3、按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控；•4、在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向前进；•5、固定化技术广泛应用；•6、将生物技术理论广泛地用于环境工程。返回谢谢收看再见！