工业发酵的特征资料
认识发酵工程 发酵工业的特点与范围
1.3发酵工业的特点与范围
2、发酵工程的应用范围 2.1根据产品类型划分 （1）微生物菌体的培养与发酵生产： 属于食品发酵产品范围的有酵母菌、单 细胞蛋白、螺旋藻、食用菌、活性乳酸 菌和双歧杆菌等益生菌；涉及其他发酵 产品范围的还有人畜用活菌疫苗、
应用范围
生物杀虫剂(杀鳞翅目、双翅 目昆虫的苏云金芽孢杆菌、蜡样 芽孢杆菌菌剂；防治松毛虫的白 僵菌、绿僵菌菌剂)。特点：细胞 的生长与产物积累成平行关系， 生长速率最大时期也是产物合成 速率最高阶段，生长稳定期产量 最高。
1.3发酵工业的特点与范围
（2）微生物酶的发酵生产：目前工业用酶大多来自微生物发酵 产生的胞外酶或胞内酶，再经分离、提取、精制得到酶制剂，酶制 剂的种类主要有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、 蔗糖酶、乳糖酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、酸性蛋 白酶、中性蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、过氧化氢酶；还有 某些用于医药生产和医疗检测的药用酶，如青霉素酰化酶、胆固醇 氧化酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰化酶；用于传统酿酒工业的各种酒 曲的生产可看成是复合酶制剂的生产。现在已有很多酶制剂加工成 固定化酶，使发酵工业和酶制剂的应用范围发生重大变化。生物合 成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在 菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。
微生物基因工程菌发 酵的新型医药产品，如乙 肝疫苗、干扰素
（12） 医药工业
（13） 微生物性功能 食品发酵工业
黄原胶、海 藻糖、食用色 素、Nisin
（14） 食品添加剂 发酵工业
低聚糖、真菌多 糖、活性肽、活性微 量元素、功能性不饱 和脂肪酸
（15） 环境净化 发酵工业
微生物探矿、 采油和石油发酵 脱硫
工业发酵
工业发酵简介工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为发酵。
这样定义的发酵就是“工业发酵”。
微生物是工业发酵的灵魂，没有微生物就没有工业发酵。
工业发酵就是通过微生物的生命活动，把发酵原料转化为人类所需要的微生物产品的工业过程。
工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。
发展近百年来，随着科学技术的进步，工业发酵发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。
工业发酵的研究从典型的工业发酵开始最常见的工业发酵一般符合以下三个条件：① 使用的菌种属于化能异养型微生物，② 目的产物属于初级代谢产物或能量代谢副产物，③ 目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。
符合以上条件的工业发酵叫做典型的工业发酵。
对工业发酵理论的研究从典型的工业发酵开始。
第一个台阶，系统地研究化能异养型微生物的工业发酵的理论第二个台阶，系统地研究其他营养类型微生物的工业发酵的理论第三个台阶，系统地研究微生物利用碳以外元素工业发酵的理论工业发酵理论第一个台阶的研究建立了微生物生命活动的三个基本假设（发酵学三假说）。
它们是我们改造和利用微生物的理论基础。
用这三个基本假设来分析典型的工业发酵，出现了：① 工业发酵的微生物生物机器的新思路，② 为工业生产服务的工业发酵若干推理，③ 工业微生物育种和发酵工艺控制的“五字策略”。
研究工业发酵的思路工业发酵→【从一般到特殊】→典型的工业发酵→【从特殊到一般】→细胞机器的概念模式→【深入研究以发现自然规律】→自然规律（微生物生命活动的三个基本假说）→【从一般到特殊：将自然规律运用到典型的工业发酵】→细胞机器亚稳态物流模式→载流路径→五段式→五字策略→【从特殊到一般】→对未来发酵工业生产的预测发酵工程（1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发酵”应该是“工业发酵”。
发酵工业简介
发酵工业简介发酵工业是生物工程的重要组成部分，是生物工程产业化的基础。
发酵工业指人们利用微生物的发酵作用，运用一些技术手段控制发酵过程，大规模生产发酵产品的一门传统工业。
至今，我国已形成了一个品种繁多，门类齐全，具有相当规模的独立工业体系，在国民经济中占有重要地位，其产品应用覆盖医药、卫生、轻工、农业、能源、环保等诸多行业，某些产品如味精、柠檬酸年产量已跃居世界首位。
如今，人们把利用生物细胞（指微生物细胞、动物细胞、植物细胞、微藻）在有氧或无氧条件下的生命来大量生产或积累生物细胞、酶类和代谢产物的过程成为发酵。
关键词：发酵工业、历史、现状、展望很早以前，人们就利用发酵技术来生产产品，直到近代才发现发酵时由微生物一引起的。
发酵工业自20世纪60年代以来迅猛发展，所涵盖的产品呢也从原来的抗生素、食品等几个方面渗透到人们生活的各个方面如医药、保健、农业、环境、能源、材料等。
发酵工业是一种以高科技含量为特征的新兴工业，近年来特别是20世纪90年代以来，行业的迅速发展已经使其在食品工业中占有重要地位。
发酵工业的迅速发展不仅带动了相关行业的发展，而且对节约粮食、增加食品花色品种、提高产品质量及改善环境等发挥了重要作用。
1、发酵工程发展简史1、1传统发酵技术人类利用自然发酵现象生产食品已有几千年的历史。
你爱过就是最传统的发酵技术之一。
大约在9000年前，具有人们用谷物酿造啤酒。
在4000年前的龙山文化时期，我国就出现了黄酒酿造技术。
都将、醋、豆腐乳、泡菜、奶酪等传统食品的生产也均在2000年以上。
这些产品都是数千年来人们凭借智慧和经验，在没有亲眼见到微生物的情况下巧妙地利用微生物所获得的。
当时，人们不知道发酵的本质，也就不会人为地控制发酵过程，生产职能凭经验，因此这个时期也成为天然发酵时期。
现在，传统发酵技术仍然广泛应用于食品生产。
1、2近代发酵技术1、2、1微生物纯培养技术期间1680年，荷兰商人、博物学家列文虎克用自己发明创造的显微镜发现了微生物世界，这是人类第一次看到了微生物。
工业发酵主要类型及主要控制参数(精)
工业发酵主要类型及主要控制参数工业发酵是指利用微生物在一定条件下进行代谢反应，从而合成生物大分子，以达到工业生产目的的过程。
目前，工业发酵已经广泛应用于食品、医药、化工等领域。
发酵类型根据发酵生产的目的、生物种类和发酵的过程条件不同，可将工业发酵分为以下类型：食品发酵主要应用于食品加工领域。
其生物种类多为乳酸菌、酵母菌、霉菌等，包括酸奶、豆腐、酱油、味噌等。
医药发酵主要应用于药物、生物制品等的生产。
其生物种类多为细菌、真菌等微生物，包括青霉素、链霉素、胰岛素等。
纤维素酶生产发酵主要应用于制浆造纸、纤维素制品等领域。
其生物种类多为产纤维素酶的微生物，包括三级结构的真菌和细菌。
主要控制参数在工业发酵过程中，为确保发酵过程高效、稳定，需要对发酵过程中的主要参数进行精确控制。
主要参数包括：温度温度对于微生物的生长和代谢有着十分重要的影响。
在不同的发酵过程中，需要控制的最佳温度略有区别，一般在 25-45℃之间。
pH 值不同的微生物要求不同的pH 值范围，有些是弱酸耐受菌，有些是弱碱耐受菌，pH 对于发酵菌株的代谢产物的调节、酶活性等也有着重要的影响。
氧气气体浓度氧气是微生物生长和代谢过程中必须的成分，但不同的微生物对氧气的需求是不同的。
有些是厌氧生长菌，有些是需氧生长菌，而有些微生物在低氧或高氧浓度下生长更快。
因此，控制好氧气气体浓度对于发酵过程的效率和生产质量也有着重要的影响。
搅拌速度搅拌速度对于微生物的生长和代谢也有着重要的影响。
不同的发酵过程要求不同的搅拌速度，有的要求慢速、均匀搅拌，有的要求高速、强烈搅拌。
工业发酵主要类型及主要控制参数是工业发酵生产中的重要内容。
精确定义好发酵类型和控制参数，能够大幅提高生产效率，保证生产质量。
工业发酵主要类型及主要控制参数
工业发酵主要类型及主要控制参数工业发酵是利用微生物在适宜条件下生长和代谢产物的过程。
它是一种常见的生物技术方法，广泛应用于食品、药品、饲料和化妆品等行业。
工业发酵可以分为多种类型，每种类型都有其特定的控制参数。
1.醇类发酵：醇类发酵是指利用微生物将可溶性糖转化为醇类化合物的过程。
常见的醇类发酵包括乙醇发酵和丙酮发酵。
乙醇发酵主要利用酵母菌将葡萄糖转化为乙醇，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
丙酮发酵主要利用丙酮菌将二糖转化为丙酮，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
2.酸类发酵：酸类发酵是指利用微生物将可溶性糖转化为有机酸的过程。
常见的酸类发酵包括乳酸发酵、醋酸发酵和柠檬酸发酵。
乳酸发酵主要利用乳酸菌将葡萄糖转化为乳酸，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
醋酸发酵主要利用醋酸菌将酒精转化为醋酸，主要控制参数包括温度、氧供给和培养基成分。
柠檬酸发酵主要利用柠檬酸菌将糖转化为柠檬酸，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
3.氨基酸发酵：氨基酸发酵是指利用微生物将有机物质转化为氨基酸的过程。
常见的氨基酸发酵包括谷氨酸发酵、赖氨酸发酵和组氨酸发酵。
谷氨酸发酵主要利用谷氨酸菌将有机物质转化为谷氨酸，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
赖氨酸发酵主要利用赖氨酸菌将有机物质转化为赖氨酸，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
组氨酸发酵主要利用组氨酸菌将有机物质转化为组氨酸，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
4.抗生素发酵：抗生素发酵是指利用微生物产生抗生素的过程。
常见的抗生素发酵包括青霉素发酵、链霉素发酵和红霉素发酵。
青霉素发酵主要利用青霉菌将有机物质转化为青霉素，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
链霉素发酵主要利用链霉菌将有机物质转化为链霉素，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
红霉素发酵主要利用红霉菌将有机物质转化为红霉素，主要控制参数包括温度、pH值、氧供给和培养基成分。
发酵复习资料 -
☆要实现发酵过程并得到发酵产品，必须具备的条件：①要有某种适宜的微生物；②要保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成、温度、溶解氧浓度、碱度等）；③要有进行微生物发酵的设备；④要有将菌体或代谢产物提取出来，精制成产品的方法和设备。
发酵生产过程是利用生物体的生命活动来获取产品的，与化学生产过程相比其特点为：1、生产过程通常都是在常温下进行，一般操作条件比较温和，各种设备不必考虑防爆问题，可能使一种设备有多种用途。
2、生产所用的原料常以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主，并加入少量的有机和无机氮源，原料只要不含对生物有害的物质，一般不需对原料进行预处理。
3、生产过程中的反应是以生命体的自动调节方式进行的，因此数十个反应过程能够像单一的反应一样，在单一的生物反应器中进行。
4、能够很容易地生产复杂的高分子化合物，其中酶、光学活性体等的生产是发酵生产过程中最有特色的领域。
5、利用生命体特有的反应机制，能够高选择性地进行复杂化合物在特定部位上的氧化、还原、官能团导入等反应。
6、生产产品的生物体有时也是产物，其富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，生物体的培养液一般不会对人和动物造成危害。
7、发酵生产过程中最需要注意的是防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入危害很大，有时甚至是致命的，因此，生产过程的灭菌十分重要，它决定着生产的成败。
8、通过改良生物体的生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力上升。
发酵工业的优缺点：优点：1.产物结构复杂性和特异性： 2. 过程安全性：水相、常温、常压、中性、不燃不爆3.主要原料可再生性：阳光和土地4.原料可替换性5.反应自控性6.设备通用性7.副产物可综合利用性8.生产能力可提高性：突变与基因扩增9.产物类型可塑性：突变与转基因缺点：1.副产物多，分离精制困难2.反应速度慢3.原料转化率低4.反应浓度低5.生产稳定性差6.设备庞大，辅助设备多，投资大7.废水、废渣排放量大，处理费用高8.生产过程容易受到其他微生物的污染9.通气、搅拌、冷却等能耗大☆发酵工业对微生物菌种的要求1.能在廉价原料制成的培养基上迅速生长和生成所需的代谢产物,产量高的菌种。
发酵类型及其各自的特点
发酵类型及其各自的特点发酵类型及其各自的特点？★固态表面发酵：是在固体培养基表面生长，是最早的工业发酵形式如白酒、酱油生产等。
这种方法麻烦并效率低需大量底物用于生产，但它仍用于少量液态发酵不能完成的产品生产。
固态发酵的优点:◇原料来源广，价格低廉；◇在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌；◇能耗低；◇固体发酵的产物回收—般步骤少，费用也省。
固态发酵的缺点:◇大规模生产时的散热比较困难，◇参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。
★液态发酵：容量大，生产效率高，适于机械化，便于工艺条件的控制，产品质量高。
根据液态发酵中对氧气的需求分为：好氧发酵：如谷氨酸、柠檬酸、青霉素生产厌氧发酵：如乳酸、丙酮丁醇生产兼性厌氧发酵：如酒精生产时，前期通入一定量空气供酵母生长，后期形成缺氧环境，使乙醇大量积累发酵类型根据生产情况可分为：（1）分批发酵：分批发酵: 最简单的发酵形式。
优点：操作简单周期短染菌的机会减少生产过程、产品质量容易掌握（2）批补料发酵：fed-batch：分批补料发酵的优点：系统中能维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件能减缓代谢有害物的不利影响（3）分批补料发酵分批补料发酵较单一的分批发酵中对废物浓度的升高会有积极影响是不断的稀释。
罐的利用率升高。
罐内装液量加大就可获得更高的产率。
另外，选择性的补料可用于保持发酵适当的pH 以利产物的形成。
分批补料发酵的操作控制方式：反馈补料：控制基质浓度流加、恒pH流加、恒溶氧流加、控制比生长速率的流加；非反馈补料：恒速流加、线性速率流加、指数流加（4）连续发酵⑴在分批发酵和分批补料发酵中均存在微生物生长环境变化较大的缺点。
而在连续发酵中控制的原则是保持条件始终一致。
同时保证这些条件始终最适合产物的形成这一点在分批发酵中是不可能的。
⑵最佳的连续发酵将使产物形成数量始终保持近似相同这种发酵形式的优点为产物的质量始终一致这一点对药物等代谢产物的生产是很重要的。
工业发酵的特征
2020/3/3
张星元：发酵原理
21
微生物的生存利益与人类的
经济利益，也就是微生物的生命 活动规律和人的意志，这两者既 是对立的，又是统一的。研究发 酵原理的目的就在于为促使对立 向统一的转化提供理论依据。
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张星元：发酵原理
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人和微生物同是地 球上的居民，在理论上 处于平等的地位。人贵 有自知之明，因为人有 思想。
此基础上做出的关于发酵工程 的八个应用性推理，揭示了工 业发酵的生物学属性、工业发 酵的代谢本质，以及工业发酵 过程中微生物细胞生命活动的 规律。从而形成了发酵原理的 理论框架。
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发酵原理是工业发酵的生
物学原理的简称。它研究工业 微生物在生长、繁殖与发酵过 程中的正常代谢与异常代谢规 律，探索提高现有的工业发酵 产品的发酵法生产能力，以及 开发工业发酵新产品和新原料 的理论根据及应用原理。
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工业发酵的特征
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1、菌种是发酵成功的内因。若设备条件 已确定， 可通过改良菌种挖掘生产潜力； 在设备、菌种确定的情况下， 可通过优 化发酵工艺条件发挥菌种潜力。 优良菌
种可大幅度增加生产，提高产品质量， 简化操作，提高经济效益。 2、维持正常的发酵条件和防止杂菌污染 至关重要。 3、生产设备单一（这里是指发酵罐，实 际上工业发酵生产中 起关键做用的是发 酵罐中培养的微生物细胞 —— 微生物生 物机器）。
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工业发酵过程属于由活细 胞参与的生命活动过程。具有 代谢的自动调节、辅酶再生、 生物能转换等机制；这个过程 原则上可以进行到基质原料耗 尽，或因代谢产物在细胞外累 积造成环境极度恶化而影响元：发酵原理
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3、生产次级代谢产物： ①色素； ②生物碱 ； ③抗生素； ④萜类； ⑤毒素 ( 有的与①②③交叉 )； ⑥生物活性物质，包括：a.酶抑 制剂；b.免疫调节剂；c. 受体 拮抗剂、激动剂；d.离子载体； e.类激素；f. 抗氧剂；g. 生物 表面活性剂；h.抗辐射药物等。
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微生物是工业发酵的 “灵 魂”，这句话强调微生物在近、现 代工业发酵中的关键作用, 以及工 业发酵与工业化学过程、工业生物 化学过程的不同属性。在工业化学 过程中没有生物活性物质参与催化， 所用催化剂也是无机物。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。
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发酵原理是工业发酵的生 物学原理的简称。它研究工业 微生物在生长、繁殖与发酵过 程中的正常代谢与异常代谢规 律，探索提高现有的工业发酵 产品的发酵法生产能力，以及 开发工业发酵新产品和新原料 的理论根据及应用原理。
2019/3/4 张星元：发酵原理 21
微生物的生存利益与人类的 经济利益，也就是微生物的生命 活动规律和人的意志，这两者既 是对立的，又是统一的。研究发 酵原理的目的就在于为促使对立 向统一的转化提供理论依据。
工业发酵的特征
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张星元：发酵原理
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绪
论
随着生物化学、细胞生物学、应用 分子生物学、遗传工程和代谢工程等学 科和分析、检测技术的发展，工业发酵 正在发生一个从技艺走向科学的重大变 化，我国大学的发酵工程专业正在融入 生物工程专业。在生物工程受到广泛重 视的今天，有必要把工业发酵生产中的 菌种选育、发酵工艺和微生物的培养设 备作为一个整体，在科学的水平上对工 业发酵进行重新审视。
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4、与化学工业相比较，对设备材料 的要求不高。 5、 发酵原料一般比较粗放。 6、 发酵液一般无化学毒性。 7、 可进行复杂化合物分子的特定部 位的氧化、还原反应，以及导入 官能团等反应。 8、 可生产复杂的有机化合物和特定 光学活性的有机化合物。
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半个世纪以来，工业发酵领 域许多另星的的客观事实，特别 是二十多年来国内外在代谢控制 发酵、设计育种、代谢工程方面 的许多研究（包括本文作者的研 究）所反映的客观事实，已为上 述三个基本假说提供了充足的论 据。
2019/3/4 张星元：发酵原理 19
这三个基本假设，以及在 此基础上做出的关于发酵工程 的八个应用性推理，揭示了工 业发酵的生物学属性、工业发 酵的代谢本质，以及工业发酵 过程中微生物细胞生命活动的 规律。从而形成了发酵原理的 理论框架。
2019/3/4 张星元：发酵原理 3
工业发酵过程属于由活细 胞参与的生命活动过程。具有 代谢的自动调节、辅酶再生、 生物能转换等机制；这个过程 原则上可以进行到基质原料耗 尽，或因代谢产物在细胞外累 积造成环境极度恶化而影响微 生物生存之时。
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一、工业发酵的特征 二、工业发酵的范畴 三、发酵原理及其重要性
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人和微生物同是地 球上的居民，在理论上 处于平等的地位。人贵 有自知之明，因为人有 思想。
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2019/3/4 张星元：发酵原理 11
2、生产初级代谢产物 （进入细胞结构或参与细胞生长的 代谢中间产物）： ① 酵解或TCA环中间代谢产物： 糖的磷酸酯，有机酸； ② 氨基酸，氨基酰胺； ③ 核苷及核苷酸； ④ 饱和和不饱和脂肪酸； ⑤ 多元醇； ⑥ 维生素； ⑦ 辅酶
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4、其它发酵产品 ① 微生物菌体（白色食品和 蓝色食品）； ② 微生物酶制剂； ③ 微生物多糖和寡糖； ④ 微生物可降解的多聚物； ⑤ 微生物农药； ⑥ 用工业发酵的方法生产的 动、植物基因产物。
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5、其它用途： ① ② ③ ④ ⑤ 微生物冶金； 微生物降解； 甾体转化； 动植物细胞培养； 固定化细胞和固定化酶…
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对这个模式进行深入的研究，发现工 业发酵过程靠如下三种流动来维系：即伴 随能量形式的转换而发生的电子流动、伴 随异化和同化作用而发生的物质流动，以 及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信 息流动。在分析以上三种流动的运行规律, 以及归纳工业发酵和生物制药的大量信息 的基础上，提出了关于微生物生命活动的 三个基本假说：①代谢能支撑假说，②代 谢网络假说，③ 细胞经济假说。
二、工业发酵的范畴
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1、生产能量代谢的副产物 2、生产初级代谢产物 3、生产次生代谢产物 4、生产其它发酵产品 5、其它用途
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1、能量代谢的副产物 （能量代谢的副产物的生成和 分泌关系到能量代谢的持续进 行问题，能量代谢的副产物并 不参与细胞组成）： 乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等
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三、发酵原理及其重要性
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张星元：发酵原理
Байду номын сангаас16
工业发酵过程是微生物群体生 命活动的动态过程。从工业发酵的 现状出发，把依靠化能异养型微生 物来合成某代谢中间产物作为目的 产物，而且目的产物最终被分泌到 细胞外的过程，作为工业发酵的典 型过程来研究。建立了工业发酵过 程的工作模式。
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张星元：发酵原理
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工业发酵的特征
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1、菌种是发酵成功的内因。若设备条件 已确定， 可通过改良菌种挖掘生产潜力； 在设备、菌种确定的情况下， 可通过优 化发酵工艺条件发挥菌种潜力。 优良菌 种可大幅度增加生产，提高产品质量， 简化操作，提高经济效益。 2、维持正常的发酵条件和防止杂菌污染 至关重要。 3、生产设备单一（这里是指发酵罐，实 际上工业发酵生产中 起关键做用的是发 酵罐中培养的微生物细胞 —— 微生物生 物机器）。