Fermentation Technology 醱酵技術

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1 Fermentation Technology 醱酵技術
Hong, Tang-Yao assistant professor 洪堂耀 助理教授 任課時間： ~

2 課程大綱 本課程內容包括發酵菌種的篩選、馴化與保藏；微生物工業菌種與菌種的擴大培養、培養基的特性與配製、培養基和空氣的滅菌或除菌、氧的供需、培養液的流變特性、生化過程的模型化與優化控制、生物回應動力學、生物回應器及培養裝置等主要內容。本課程是應用微生物為工業大規模生產服務的一門綜合性工程技術，對傳統產業的改造和新興產業的形成將發揮重要作用，並對人類社會產生深遠的影響。

3 參考書目錄 教科書： 黨建章, 賴錫淮. 2008. 發酵技術概論. 新文京圖書出版社. 台北市. 參考書：
黨建章, 賴錫淮 發酵技術概論. 新文京圖書出版社. 台北市. 參考書： 李敏雄. 黃健雄. 鍾玉明. 賴喜美. 蘇南維. 邱淑媛. 徐岩 發酵食品微生物學. 藝軒圖書出版社. 台北市. 傅俊中, 陳志義 生物化學工程─發酵與分離純化.新文京圖書出版社. 台北市.

4 評量比例 平常成績 20 % 心得報告 30 ％ 期中報告 20 ％ 期 末 考 30 ％

5 每週授課時間規劃1 週 授課內容 教學活動(學習評量) 1 課程介紹、醱酵工業發展史 傳統、初期、近代、現代醱酵發展 2
醱酵工業的範圍、特點與發展趨勢 3 醱酵培養基的組成與選擇 培養基種類、組成、功能 4 滅菌技術 化學方法、物理方法 5 空氣中微生物去除方法 實驗室、工業化過濾除菌方法 6 菌種的製備與保存 微生物生長、繁殖、保存方法 7 菌種培養異常的防治 菌種異常現象分析

6 每週授課時間規劃2 週 授課內容 教學活動（學習評量） 8 優良菌種的選育I 微生物的遺傳與變異、菌種的自然選育 9 期中考 10
優良菌種的選育II 誘變育種、基因重組育種 11 通風醱酵設備 機械式、自吸式、氣升式設備 12 動植物細胞培養反應器 動物細胞反應器、植物細胞反應器 13 通氣與攪拌 微生物對養的需求、影響氧的傳遞的因素

7 每週授課時間規劃3 週 授課內容 教學活動（學習評量） 14 醱酵產程的控制 醱酵產程中代謝變化參數、溫度、pH的控制、泡沫的控制 15
固定化酵素及其應用 固定化細胞的方法、特性、反應器、應用 16 基因工程藥物的生產 基因工程菌醱酵、動物細胞製藥 17 醱酵場的廢水、廢棄物處理 廢水的生物處理、廢渣的處理 18 期末考

8 醱酵技術緒論 發酵工程 過去 生產酒精類飲料、生產醋酸和發酵麵包、各類發酵傳統食品 今日
以生物工程為核心，包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和電腦軟硬體工程 現代發酵工程

9 現代發酵工程 生產酒精類飲料、醋酸和麵包 胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物
生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料 化學工業上生產氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等

10 發酵技術群組成 上游工程、發酵工程、下游工程 上游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 DOWNSTREAM
FERMENTATION Process Control

11 UPSTREAM PROCESSES genetics, cell … inoculum development media formulation sterilization Inoculation DOWNSTREAM PROCESSES product extraction, purification and assay waste treatment product recovery

12 發酵工程 在最適發酵條件下，於發酵槽中大量培養細胞和生產代謝產物的技術 需嚴格的無菌生長環境
包括發酵開始前採用高溫高壓對發酵原料和發酵槽以及各種連接管路進行滅菌的技術 在發酵過程中不斷向發酵槽中通入乾燥無菌空氣的空氣過濾技術 在發酵過程中細胞生長的原物料、通氣、攪拌的速度由電腦控制 菌種放大培養和產品生產培養有不同的技術

13 在進行任何大規模工業發酵前﹐必須在實驗室規模的小發酵槽進行實驗
得到產物形成的動力學模型 根據這個模型設計中型的發酵槽 最後從中型數據再設計更大規模生產的動力學模型 由於生物反應的複雜性，在從實驗室到中型的發酵槽到大規模生產過程中會出現許多問題，這就是發酵技術的奧秘所在

14 微生物發酵技術 1857年法國微生物家巴斯德提出『發酵理論』一切發酵過程都是微生物作用的結果 釀酒是發酵，微生物在作用
酒變質也是發酵，是另一類微生物在作祟 科學技術的發展以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物防止酒發生質變 也可以把發酵的微生物分離出來，透過人工培養，根據不同的要求去誘發各種型式的發酵獲得所需的發酵產品

15 利用微生物的特點 發酵工程所利用的微生物主要是細菌、放線菌、酵母菌和黴菌 微生物的特點
對周圍環境的溫度﹑壓強﹑滲透壓﹑酸堿度等條件有極大的適應能力 有極強的消化能力 有極強的繁殖能力

16 發酵的定義 傳統發酵 最初發酵是用來描述酵母菌作用於果汁或麥芽汁產生氣泡的現象﹐或者是指酒的生產過程。 生化和生理學意義的發酵
指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產生能量的一種方式 發酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產能反應 如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精並放出CO2 工業上的發酵

17 工業上的發酵 泛指利用微生物製造或生產某些產品的過程 厭氧培養的生產過程如酒精、乳酸等 有氧培養的生產過程如抗生素、氨基酸、酶等。
產品有細胞代謝產物、菌體細胞（乳酸菌）、限制酶、蛋白酶、胜肽酶等 發酵工業 定義：指利用生物的生命活動產生的酶、無機或有機原料進行加工獲得產品的工業

18 獲得發酵產品的條件 適宜的微生物 保證或控制微生物進行代謝的各種條件 進行微生物發酵的設備 精製成產品的方法的設備

19 發酵工業的發展歷史 天然發酵階段 純培養技術的建立：巴斯德等人控制微生物的發酵進程 通氣攪拌發酵技術的建立 青黴素的生產-深層培養
代謝控制發酵技術 微生物進行化合物的轉化 麩胺酸和離胺酸發酵生產 微生物高度專一性反應進行高產量的代謝產物生產

20 開拓發酵原料時期： 醋酸 基因工程階段﹕ 將不同來源的DNA進行體外重組 再把重組DNA轉入宿主細胞內，並進行繁殖表現所設計產品 根據自己的意願將微生物以外的基因件導入微生物細胞中 達到改變生物性狀與功能 使發酵工業能夠生產出自然界微生物所不能合成的產物

21 發酵工業的範圍 以微生物細胞為產物的發酵工業 以微生物代謝產物為產品的發酵工業 以微生物酶為產品的發酵工業 生物轉化或修飾化合物的發酵工業
微生物廢水處理和其他

22 生產微生物細胞物質 獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的的產品的發酵工業
包括單細胞的酵母和藻類、擔子菌、生物防治及人、畜防治疾病用的疫苗等 特點： 細胞的生長與產物積累成正相關，生長速率最大時期也是產物合成速率最高階段，生長穩定期產量最高。

23 微生物酶發酵 酶的特點： 易於工業化生產，便於改善製程提高產量。 分類 胞內酶和胞外酶 生物合成特點： 需誘導作用或抑制作用等調控作用的影響
菌種選育、培養基配制以及發酵條件等方面需找出最適條件

24 微生物代謝產物發酵 包括初級代謝產物、中間代謝產物和次級代謝產物 對數生長期形成的產物是細胞自身生長所必需的稱為初級代謝產物或中間代謝產物。
各種次級代謝產物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩定期所產生的，來自於中間代謝產物和初級代謝產物。

25 微生物的生物轉化 利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基團）的作用，使它轉變成結構相類似但具有更在經濟價值的化合物
最終產物是由微生物細胞的酶對某一特定部位進行化學反應而形成的 微生物特殊機能的利用 利用微生物消除環境污染 利用微生物發酵保持生態平衡 微生物冶金 利用基因工程菌株開拓發酵工程新領域

26 發酵工業的特徵 發酵過程中離不開微生物的作用 發酵原料的選擇及預處理 微生物菌種的選育及擴大培養 發酵設備選擇及條件控制：常溫、常壓
菌種擴大培養和發酵採用不同的製程 發酵產物的分離純化 發酵廢物的回收和利用

27 發酵所用的原料通常以澱粉、糖蜜或其他農副產品為主
只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應 利用廢水和廢物等作為發酵的原料進行生物資源的改造和更新 微生物菌種是進行發酵的根本因素 通過變異和菌種選育獲得高產的優良菌株 使生產設備得到充分利用，也可以獲得難以傳統方法生產的產品

28 發酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應
反應安全、要求條件簡單 發酵對雜菌的污染的防治相當重要 反應必需在無污染菌條件下進行 生物體本身的反應機制能夠專一地和高度選擇性地對某些較為複雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉化反應，也可以產生比較複雜的高分子化合物。

29 發酵過程是通過生物體的自動調節方式來完成的
反應的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產物 工業發酵與其他工業相比 投資少、效益快並可以取得較顯著的經濟效益 除利用微生物外﹐還可以用動植物細胞和酶 人工構建的遺傳工程菌進行反應

30 發酵方法的類別與流程 類別： 根據對氧的需要區分 厭氧和有氧發酵 根據培養基物理性狀區分 液體和固體發酵 根據從微生物生長特性區分
分批發酵和連續發酵

31 發酵的流程 空氣 空氣淨化處理 保存菌種 斜面活化 擴大培養 菌種 主發酵 碳源﹑氮源﹑無機鹽等營養物質 滅菌 產物分離純化 成品

32 工業發酵步驟和流程 培養菌種及擴大生產的發酵槽的培養基的配製 培養基、發酵槽以及輔助設備的消毒滅菌
將已培養好的有活性的純菌株以一定量轉接到發 酵槽中 將接種到發酵槽中的菌株控制在最適條件下生長並形成代謝產物 將產物分離並進行精製 回收或處理發酵過程中產生的廢物和廢水

33 發酵槽試驗 菌種篩選 搖瓶試驗

34 發酵原料的預處理 原料不同處理方法也有所差異 澱粉 利用前需變成糊精或葡萄糖 方法：酸水解、酶水解法 糖蜜 加熱殺菌 酸處理後再補充無機鹽
碳氫化合物 石油脫蠟一定餾分的石油經冷卻脫蠟而獲得的凝固點在-10℃的油，加入適量無機鹽進行接種發酵

35 菌種斜面培養 菌種： 已有的優良生產菌種和選育的新菌種 方法： 一般都是由儲存於冷凍管、甘油管或冰箱中的斜面菌種開始
在正式使用前要先轉接到新鮮斜面培養基上活化後，再接種擴大培養

36 菌種擴大培養 擴大培養的方法 根據需要採用固體培養或液體培養兩種不同方式 固體菌種擴大培養
利用三角搖瓶50 ml → 200 ml → 1000 ml逐漸擴大培養體積 需氧微生物：震盪培養提供容氧以利生長 厭氧微生物：將有菌種的試管斜面或三角瓶液體培養基中靜置培養

37 微生物發酵和控制 發酵方式可分為固體發酵和液體發酵兩種 固體發酵： 適合於傳統發酵 生產比較簡單的產品 液體深層發酵：
適合於大規模工業化生產 影響發酵的因素很多 如溫度、pH、通氣、攪拌、壓力等等 須適當地控制影響發酵的各種條件，掌握發酵的動態，進行雜菌的檢查和產物測定，使整個發酵過程順利進行

38 發酵產物的分離純化 菌體收集 離心、沈澱、過濾法使菌體與培養液分開 噴霧乾燥法直接做成粉劑 酒精 發酵液利用蒸餾塔蒸餾 抗菌素及有機酸
根據產物的不同特性採用離子交換樹脂吸附處理、脫色過濾、減壓濃縮等方法純化 獲得的產物都要按照國家標準進行品質檢驗和特性測定

39 發酵工業的意義與展望 利用遺傳工程等先進技術、人工選育和改良菌種 採用發酵技術進行高等動動植物細胞培養 固定化技術廣泛應用
開發和採用大型節能高效的發酵裝置、自動控制將成為發酵生產控制的主要手段 應用代謝控制技術發酵生產氨基酸 將發酵產物廣泛地用於環境工程