发酵工艺学讲稿2016

三、生物技术的发展简史
1 传统（古老）的生物技术 2 第一代（初期）生物技术产品的出现：19世纪 末--------20世纪30年代 3 第二代（近代）生物技术产品的发展：20世纪 40年代 4 第三代（现代）生物技术产品的出现
简历 亚历山大· 弗莱明（Alexander Fleming，1881.8.6 - 1955.3.11），英国微生物学家。 1881年8月6日出生于苏格兰基马尔诺克附近的洛克菲尔德。 13岁时随其兄（开业医师）去伦敦做工，由于意外地得到姑父的一笔遗产，进 入伦敦大学圣玛丽医学院学习，1906年毕业后留在母校的研究室，帮助其师赖 特博士进行免疫学研究。 1918年弗莱明返回圣玛丽医学院，加紧进行细菌的研究工作。1922年他发现了 一种叫“溶菌酶”的物质，发表了《皮肤组织和分泌物中所发现的奇特细菌》 的报告。 1929年弗莱明在《不列颠实验病理学杂志》上，发表了《关于霉菌培养的杀菌 作用》的研究论文，但未被人们引起注意。弗莱明指出，青霉素将会有重要的 用途，但他自己无法发明一种提纯青霉素的技术，致使此药十几年一直未得以 使用。 1939年，在英国的澳大利亚人瓦尔特· 弗洛里（1898—1968）和德国出生的鲍利 斯· 钱恩（1906—1979），重复了弗莱明的工作，证实了他的结果，然后提纯了 青霉素，1941年给病人使用成功。在英美政府的鼓励下，很快找到大规模生产 青霉素的方法，1944年英美公开在医疗中使用，1945年以后，青霉素遍及全世 界。1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩共获诺贝尔生理学及医学奖。 签名 签名 1943年弗莱明成为英国皇家学会院士，1944年被赐于爵士。1915年弗莱明结婚， 儿子是个普通的医生，夫人于1949年去世。1953年再次结婚。1955年3月11日与 世长逝，安葬在圣保罗大教堂。匈牙利1981年发行了弗莱明诞生100周年的纪念 邮票。

两类代谢产物： 初级代谢产物 次级代谢产物


初级代谢和次级代谢的关系： 1.生化代谢 （1）具有一个共同的中间体


（2）次级代谢产物很多是以初级代谢产物为 母体衍生来的

葡萄糖碳架掺入途径：链霉素、卡那 霉素 莽草酸途 径： 氯霉素、新生霉素 与核苷有关的途 径： 杀结核菌素 聚酮体和聚丙酸途径：四环素、制霉 菌素、灰黄霉素 由氨基酸衍生的途径：青霉素、头孢 菌素 甲羟戊酸途 径：赤霉素 其他复合途 径：博雷霉素、大环内酯类

3 生物化学工程（biochemical engineering） 运用化学工程的原理和方法，对实 验室所取得的生物技术成果加以开 发，使之成为生物反应过程的一门 学科。

生物技术工程
基因工程
细胞工程
酶工程
发酵工程
产物 产品
产品
发 酵 工 程 ──
利用微生物进行产品生产
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、 有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、 生物农药、生物肥料等
涉及到解决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
21世纪是生物技术世纪
未来学家说：21世纪是生物技术世纪； 科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得 重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物 学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保 护上有所突破；
经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目 前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开 发阶段。


四、发酵以及发酵工业的范畴

1.发酵（fermentation） 原始定义
现代含义： 是指利用培养微生物来制得产物的需氧 或厌氧的任何过程。

2.发酵工业的范畴 （1）微生物菌体发酵 （2）微生物酶的生产 （3）微生物代谢产物发酵：初级代谢产物 和次级代谢产物 （4）微生物转化发酵 （5）工程菌发酵 （6）动植物细胞发酵


五、发酵工艺的培养方法和过程
（一） 培养方法： 1.表面培养法 2.深层培养法 （二） 生产过程 1.菌种制备 2.种子制备 3.发 酵 4.下游处理


六、发酵工业的现状及发展趋向
发酵工程在生物技术产业 发展中的地位
21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什 么样的格局？作为工业生物技术核心的发酵工 程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种
什么状态？能起何种作用？又面临那些课题？
这是人们所关注的问题！
小结
1.发酵的定义，发酵工业的范畴 2.生物工程和生物技术的特点 3.生物反应过程的 一般特点 4.发酵工程的 发展简史 5.发酵过程的一般方法

本课程的学习内容
通过《发酵工艺学》的学习，将技术基础课和专业课与
发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性 及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今


第一章 绪论 一、生物技术与生物工程





1 生物技术（Biotechnology） ------是应用自然科学以及工程学的原理，依靠生物 作用剂（biological agents） 的作用将物料进行加工， 以提供产品或为社会服务的技术。 ------是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程 应用于工业生产过程（包括医药卫生、能源及农业 的产品）以及环境保护的技术。 ------是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并 进行工业产品生产的技术。 ------是生物系统或生物过程的工业利用。
弗莱明的发现，至少需有下述三方面的条件作保障。
1、来源不明的青霉菌孢子落入葡萄球菌培养基中。 2、弗莱明未将培养基放在37摄氏度的温箱中，也未清洗， 而是放置在室温下。
3、天气的配合。当年的气温记录显示，恰好在7月28至8月 10，伦敦有一段十分难得的凉爽天气，极其适合青霉菌先 行生长成熟，并产生了青霉素。而8月10号以后，气温则明 显升高有利于葡萄球菌快速生长，以至于发生了溶菌现象。
4、或许还要加上，在弗莱明刚进实验室，尚未着手清洗培 养皿时，其前任助手恰好到来叙旧。
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素 →抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控 制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→ 植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转 基因动物 第一个转折点：非食品工业 第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业 第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控, 酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体 自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、 副产物等 近代转折点：基因、动物、海洋
后从事生物技术的有关科研和生产打下良好的基础。
•此外，发酵工程的最基本问题是过程优化与放大，通过本
课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入
的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用 有一定的了解。

第二章 微生物药物生物合成与调控
微生物的3个重要特点： 1. 比表面积大 2. 及其多样化的代谢反应 3. 容易适应多种环境条件


当今：100m3─200m3 ─── 5-10万u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素


主要的技术进展：
通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污 染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。


意义：
抗生素工业的发展
建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法
《发酵工艺学》
倪孟祥 张艳锋
生命科学与技术学院 微生物制药教研室 Email:nimx_2000@aliyun.com wechat：xiangm2013 2016.2
一、教材： 夏焕章 主编 《发酵工 艺学》
二、参考书以及文献： 生物工艺学：储炬主编。 生物工程学报 食品与发酵工业 中国抗生素杂志 微生物学学报 应用微生物学杂志 Bioengineering and Biotechnology
（1）分解代谢物调节：葡萄糖效应 （2）反馈阻遏： 单一终产物阻遏、多价阻 遏、累加阻遏


3.酶合成诱导及阻遏的调节机制： 操纵子学说 4.分解代谢产物阻遏机制


（二）酶活性的调节 1.酶活性的激活
2.酶活性的抑制 包括：竞争性抑制和反馈抑制。




反馈抑制：
（1）协同反馈抑制 （2）累积反馈抑制 （3）增效反馈抑制 （4）顺序反馈抑制 （5）同功酶调节

发酵工程的重大转折点

二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成 工业大规摸生产。

1928年由 Fleming发现青霉素


1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─── 40u/ml 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml
（3）两个代谢途径中所涉及的酶不完全相同 （4）都受到菌体代谢的调节，相互交错。


2.遗传代谢 （1）都受到核内遗传物质DNA 的调节控制

（2）次级代谢产物还受到与初级代谢产物合 成无关的遗传物质的控制。

第一节 微生物初级代谢产物的 生物合成与调控

一、 微生物生物合成的初级代谢产物
特点：
（1）多学科、综合性的科学技术
（2）有生物催化剂的参与

目的：是建立工业生产过程或进行社会服务。
生物技术的多学科性 生物学、化学、工程学、医学、药学、农 学等。
生物学
生化 生物工程
化 学
源自文库
生物技术
化 学 工 程
工程学

2 生物工程（bioengineering）
一般是指医学工程、环境工程、卫生 工程、农业工程、仿生工程、人体功 能工程等的总称。 物理过程与生物学的结合。
细胞大规模培养技术

细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细 胞、藻类细胞等 细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达 产物和基因质粒等
占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。


发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每 年约7％～8％的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产 值高达1300亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力
二、 初级代谢产物生物合成中的主要调控机 制 代谢调控的类型主要有：酶活性的调节，酶 合成的调节。 （一）酶合成的调节 1. 酶合成的诱导调节 组成酶和诱导酶
底物的结构类似物诱导 顺序诱导

2. 酶合成的阻遏 降解酶：诱导和分解代谢产物调节 合成酶：反馈调节
现代生物技术： 以基因工程为主导，发酵工程为中心，
加上酶工程、细胞工程、蛋白质工程 等的一个综合体系。
主要包括：重组DNA
技术、原生质体 技术、突变生物合成、组合生物合成、 单克隆抗体、组织培养技术。
具体： 开发新产品、 改造现有生产菌种、 代谢途径工程、 生物转化、 诊断药物的研制及治疗药物的研制、 基因治疗、 转基因动物和转基因植物等。
推动了整个发酵工业的深入发展 为现代发酵工程奠定了基础
大型发酵罐 搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
动物细胞反应器
20世纪70年代
细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展， 打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用 的微生物：
增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大 幅度地提高目标产物的产量 将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中， 快速经济地大量生产这些产物 将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或 以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、疫苗及抗体产品
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
化学工程
生物化工
生物加工行业




二、生物反应过程的特点 生物反应过程：（1）原材料的预处理 （2）生物催化剂的制备 (3 ) 生物反应器及反应条件 的选择 （4） 产物的分离纯化 特点 （1）常温、常压 （2）原料来源丰富、价廉 （3) 生产设备简单 (4) 酶反应过程和发酵过程各具特 点。