华中科技大学发酵工程 第一章 绪论
发酵工程第一章 绪论
缬 氨 酸 （ C5N) 次 生 代 谢 产 物
脂肪酸 天 冬 氨 酸 （ C4N)
丙二酸
（ C3)
草酰乙酸 (C4)
乙酸 CO2
甲 羟 戊 酸 （ C4) IPP（ C5)
柠檬酸 (C6)
萜类 甾体
次生代谢产物
α － 酮 戊 二 酸(C5)
初生代谢的合成过程
从初生代谢 到次生代谢
谷氨酸 次生代谢产物
杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、 绿僵菌
疫苗
微生物菌体
新的菌体发酵产品: 药用功能菌体 茯苓菌→茯苓 担子真菌→灵芝、香菇类
虫草头孢菌 密环菌
面包酵母 藻类
芽孢杆菌和伴孢晶体
虫草头孢菌发酵生产虫草
酶制剂
广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工
酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等 药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等 食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等 基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括
－两种角度（能量、产物）
侧重能量代谢：
1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：
有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）
生
（1）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）
物
（2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）
化
学
2、无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。 指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外
主要标志 基因工程产品生产以及 基因工程技术应用
世界上已批准上市的基 因工程药物有几十种， 如：胰岛素、人生长激 素等。
基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
发酵工程章节复习资料
发酵⼯程章节复习资料第⼀章绪论1、发酵及发酵⼯程的概念1、传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。
2、⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在⽆氧条件下被微⽣物利⽤产⽣酒精并放出CO2。
3、⼯业上的发酵泛指利⽤微⽣物制造或⽣产某些产品的过程包括：1. 厌氧培养的⽣产过程，如酒精，乳酸等。
2. 通⽓（有氧）培养的⽣产过程，如抗⽣素、氨基酸、酶制剂等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
发酵⼯程（Fermentation Biotechnology）: 应⽤微⽣物学等相关的⾃然科学以及⼯程学原理，利⽤微⽣物等⽣物细胞进⾏酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的⼀门科学。
2、发酵⼯程技术的发展⼤致可分为哪⼏个阶段，每段的技术特点是什么？1. ⾃然发酵时期:嫌⽓性发酵⽤于酒类酿造，好⽓性发酵⽤于酿醋、制曲。
2. 纯培养技术的建⽴：⼈⼯控制环境条件使发酵效率迅速提⾼。
3.通⽓搅拌好⽓发酵过程技术的建⽴：从分解代谢转为⽣物合成代谢，可以利⽤微⽣物合成积累⼤量有⽤的代谢产物。
4.⼈⼯诱变育种与代谢控制发酵⼯程技术的建⽴：遗传⽔平上控制微⽣物代谢。
5. 发酵动⼒学、发酵⼯程连续化、⾃动化⼯程：以数学、动⼒学、化⼯原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的⾃动化控制的研究，使发酵过程的⼯艺控制更为合理。
6. 微⽣物酶反应⽣物合成与化学合成反应结合⼯程技术：可⽣产许多过去不能⽣产的有⽤物质。
3、发酵⼯业的应⽤范围1. 酿酒⼯业（啤酒、葡萄酒、⽩酒）2. ⾷品⼯业（酱、酱油、⾷醋、腐乳、⾯包、乳酸）3. 抗⽣素⼯业（青霉素、链霉素、⼟霉素）4. 有机酸⼯业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂⼯业（淀粉酶、蛋⽩酶）6. 氨基酸⼯业（⾕氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵⼯业(肌苷酸、肌苷)8. 有机溶剂⼯业（酒精、丙酮）9. 维⽣素⼯业(VB2、VB12)10.⽣物能源⼯业（沼⽓、⽣物柴油）11.环境保护产业（废⽔⽣物处理）12.⽣理活性物质发酵⼯业（激素）13. 冶⾦⼯业(微⽣物探矿、⽯油脱硫)14.微⽣物菌体蛋⽩发酵⼯业（酵母、单细胞蛋⽩）4、发酵⼯业的特点与化学⼯程相⽐，发酵⼯程具有以下特点：1、发酵过程是极其复杂的⽣物化学反应，与微⽣物细胞息息相关2、通常在常温常压下进⾏，反应安全，需求条件也⽐较简单3、发酵醪（包括固相、液相、⽓相，还含有活细胞体或菌丝体），属⾮⽜顿流体，其特性影响因素很多，对发酵⼯程都有关联4、具有严格的灭菌系统，以防⽌杂菌污染如空⽓除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等5、反应以⽣命体的⾃动调节⽅式进⾏，因此数⼗个反应过程能够像单⼀反应⼀样，在同⼀发酵罐内进⾏6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取⼀些特殊的⼯艺措施并选⽤合适的设备。
发酵工程-各章重点ppt课件
第九章 发酵供养 一、呼吸强度、耗氧速率概念及其相互关系 二、临界氧浓度概念 三、氧的传送阻力 四、根据传质方程式分析影响氧传送的要素 五、溶氧系数的测定方法
第十念及其组成 2、温度对发酵的影响 3、最适温度控制 二、pH的控制 1、pH对菌体生长和代谢产物合成的影响 2、pH的调理控制 三、泡沫的控制 1、消泡方法 2、化学消泡剂的特点及类型 3、机械消泡类型
各章重点
绪论 一、发酵、发酵工程概念 二、新产品、新种类投入消费的必经之路 三、发酵工业的开展历史
第一章 菌种与菌种扩展培育 一、微生物工业对菌种的要求 二、菌种保藏方法及其特点 三、工业微生物的培育类型 四、影响种子质量的主要要素
第二章 培育基的制备与灭菌 一、培育基的组成成分及培育基的类型 二、淀粉水解糖的制备方法及其特点 三、糖蜜前处置的方法及其特点 四、灭菌与消毒的区别 五、灭菌方法类型、微生物热阻、致死时间、致 死
四、补料的控制 1、补料的作用 2、补料内容 3、补料原那么 五、发酵终点判别的要素 六、染菌控制 1、染菌时间对发酵的影响 2、发酵总染菌率概念 3、染菌缘由分析及其防止 4、染菌后的处置方法
一、考核方式：闭卷考试 二、试题类型 1、填空题〔30空，每空0.5分，共15分〕 2、选择题〔10题，每题2分，共20分〕 3、名词解释〔5题，每题3分，共15分〕 4、简答题〔5题，共40分〕 5、论述题〔1题，共10分〕 三、平常成果20％＋卷面成果80％
温度概念 六、湿热灭菌优缺陷 七、分批灭菌的优缺陷 八、空气除菌的方法 九、介质过滤机理
发酵机制 一、发酵机制概念 二、巴斯德效应及其机制 三、乳酸发酵类型 四、氨基酸发酵代谢调控方法 五、抗生素类型
第八章 发酵动力学 一、微生物培育方式及其特点 二、补料培育的类型 三、延续培育的类型 四、延续培育的优缺陷
最新发酵工程精品课件(1)第一章 绪论
2.纯培养时期——发酵工程的近代时期
1676 年列文 虎克首先观 察到微生物
的存在.
1857年Louis Pasteur发现发酵是由 微生物的活动引起的。
Robert Koch 发明了固体培养基； 建立了纯培养技术。
人为控制发酵过程 酒精、丙酮、丁醇、有机酸等 （主厌氧发酵；初级代谢产物）
6、发酵废水常具有较高的BOD 和COD，需处理后排放。
3） 微 生 物 工 程 的 基 本 过 程
3）微生物工程的基本过程
菌种 （斜面） 活化 扩大培养 （摇瓶） 进一步扩大培养 菌 种 代谢产物和细胞分离 预处理 发酵培养基的配制 灭菌 大型发酵 发酵原料
代谢产物的分离
副产品或废物处理
细胞的加工 产品
2）微生物工程的技术特点（与化学工程相比）
• • •
原料来源广，价格低；
微生物种类多，分布广，具有易变异性； 反应条件温和，能耗少，生物转化反应专一性强，产品的转化率高，
生产过程安全；
• •
微生物发酵代谢途径多样化，产品多样化； 利用率，降低生产成本;
细胞融合技术、基因操作技术等生物技术，打破了生 物种间障碍，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.
•
微生物发酵是一个纯培养过程，发酵过程需防止杂菌污染。
发酵过程中尚存在的问题：
1、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成 提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。 2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外， 也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。 3、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。 4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率 低。 5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。
【课堂笔记】《发酵工程》
【课堂笔记】《发酵⼯程》《发酵⼯程笔记》笔者：赵可⽬录第⼀章绪论（p1） (1)1.1概念 (1)1.2发酵⼯程的研究内容 (1)1.3发酵过程的特点 (2)1.4发酵过程的问题 (2)1.5发酵⼯程的发展简史 (2)1.6发酵⼯程⼯程的任务 (2)1.7发展⽅向 (3)第⼆章⽣物发酵的基本过程（p36） (3)2.1发酵的基本过程 (3)2.2发酵过程的⼀般过程和操作⽅式 (3)2.3微⽣物的发酵类型 (4)2.3.1液体发酵 (4)2.3.2固体发酵 (4)2.3.3好氧发酵 (5)2.3.4厌氧发酵 (5)第三章种⼦扩⼤配培养（p44） (5)3.1概念 (5)3.2种⼦扩⼤培养⼯艺 (6)3.2.1制备流程 (6)3.2.2优良种⼦具备的条件 (6)3.2.3影响种⼦的质量因素 (6)3.2.4种⼦质量控制措施 (6)第四章发酵培养基（p48） (6)4.1⼀般特点 (6)4.2发酵培养基的组成与制备 (6)4.2.1发酵培养基的组成 (6)4.2.2发酵培养基的制备要点 (7)4.3发酵培养基的设计和优化 (8)4.3.1设计发酵培养基要考虑的因素： (8)4.3.2摇瓶实验： (8)4.3.3正交实验：多因素多⽔平 (8)第五章发酵过程产物分析（p53） (8)5.1分析项⽬按性质分可分三类： (8)5.2发酵终点的判断 (8)第六章发酵动⼒学（p59） (8)6.1发酵动⼒学概念 (8)6.2研究发酵动⼒学的⽬的 (9)6.3动⼒学 (9)6.3.1课程重点 (9)6.4⽣物反应类型 (9)6.5发酵的⽬的 (9)6.6发酵研究的关键问题 (9)6.7优化发酵过程达到⾼产⽬标的⽅法 (10)6.8发酵动⼒学研究的基本过程 (10)6.9分批发酵动⼒学 (10)6.9.1菌龄 (10)6.9.2分类 (10)6.9.3细胞⽣长动⼒学 (10)6.9.4分批发酵基质消耗动⼒学 (11)6.9.5分批发酵产物形成动⼒学 (11)6.9.6分批发酵的优缺点 (12)6.9.7重要截图（来⾃中国MOOC余龙江教授） (12)6.10讨论与问题 (13)第七章分批发酵、补料分批发酵和⾼密度发酵（p81） (14)7.1分批发酵 (14)7.1.1分批发酵的操作⼯艺 (15)7.1.2菌体⽣长规律 (15)7.1.3代谢变化 (15)7.2补料分批发酵 (16)7.2.1适⽤范围： (16)7.2.2物料流加⽅式 (16)7.2.3补料分批动⼒学 (16)7.3⾼密度发酵 (16)7.3.1影响⾼密度发酵⽣产的因素 (16)7.3.2⾼密度发酵存在的问题 (17)7.4讨论与问题 (17)7.4.1分批发酵和补料分批发酵有哪些联系和区别？ (17)7.4.2分批发酵的流程 (17)7.4.3分批发酵包括哪些时期 (17)7.5课堂问题 (17)第⼋章连续发酵（p105） (19)8.1基本概念 (19)8.2连续发酵的优缺点 (19)8.3连续发酵的类型 (19)8.4连续发酵操作⽅式 (20)8.4.1开放式连续发酵 (20)8.4.2封闭式连续发酵 (20)8.5膜连续发酵 (21)8.6连续发酵的控制⽅式 (21)8.7连续发酵的实际应⽤ (22)8.7.1连续发酵 (22)8.7.2分批发酵 (22)8.7.3补料分批发酵 (22)8.7.4连续发酵在⼯业上的应⽤ (23)第九章微⽣物的现代固态发酵（p121） (23)9.1固态发酵 (23)9.1.1固态发酵的特点 (23)9.1.2固体培养的优点 (23)9.1.3固液发酵的⽐较 (23)9.1.4传统固态发酵与现代固态发酵 (24)9.1.5固态发酵分类 (25)9.1.6适合固态发酵的微⽣物 (25)9.1.7固态发酵的界⾯作⽤ (25)9.2固态发酵反应器 (25)9.2.1静态固态发酵反应器 (25)9.2.2动态固态发酵反应器 (26)9.2.3固态发酵反应器 (26)9.3固态发酵的应⽤ (26)第⼗章基因⼯程菌株发酵（p154） (27)10.1⼯业化⽣产的基因⼯程菌应具备的条件 (27)10.2基因⼯程菌的发酵 (27)10.2.1培养操作和发酵设备 (27)10.3讨论与问题 (27)10.3.1基因⼯程菌的不稳定性 (27)10.3.2改善措施： (27)10.3.3⽣产过程: (27)第⼗⼀章发酵过程中氧的溶解、传递、测定及其影响因素（p167） (28)第⼗⼆章发酵控制⼯程（p183） (28)12.1讨论与问题 (28)第⼗三章空⽓除菌（p250） (29)13.1⼏个基本概念 (29)13.2染菌的危害 (29)13.3树⽴⽆菌概念，强调⽆菌操作 (29)13.4灭菌和除菌的基本原理 (30)13.5发酵⼯程的灭菌⼯程（p228） (30)13.5.1化学物质灭菌 (30)13.5.2⼲热灭菌法 (30)13.5.3湿热灭菌法 (31)13.5.4射线灭菌 (31)13.5.5过滤介质除菌 (31)13.5.6静电除菌 (31)13.5.7臭氧灭菌 (31)13.6名词概念 (32)13.7培养基和发酵设备的灭菌 (32)13.7.1温度和时间对培养基的影响 (32)13.7.2影响培养基灭菌的其他因素 (33)13.7.3培养基分批灭菌 (33)13.7.4发酵设备的灭菌 (34)13.8空⽓除菌 (34)13.8.1发酵⽤⽆菌空⽓的概念和质量标准 (34)第⼗四章发酵⼯程设备（p265） (35)14.1通⽓发酵罐 (35)14.1.1机械搅拌通⽓发酵罐 (35)14.1.2⾃吸式发酵罐 (35)14.2嫌⽓发酵罐 (36)14.2.1基本要求 (36)《发酵⼯程》1-14章节笔记第⼀章绪论（p1）1.1概念发酵⼯程利⽤微⽣物或动植细胞的⽣长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过现代化⼯程技术⽣产有⽤物质或直接应⽤于⼯业化⽣产的技术体系；是将传统发酵与现代的DNA重组，细胞融合，分⼦修饰，和改造新技术结合并发展起来的现代发酵技术；它是渗透有⼯程学的微⽣物学和细胞⽣物学，是现代⽣物技术产业的基础与核⼼。
第一章绪论
第一章 绪论发酵工程 ：发酵工程是指采用现代工程技术手段， 利用微生物的某些特定功能， 有用的产品的一种新技术。
发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要技术基础。
应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域 发酵工程组成 从广义上讲，由三部分组成： 一、何为发酵？是利用微生物或其他生物细胞 （动、植物细胞） 的培养， 产生和积累人们所需产品的过程。
二、发酵工业的发展史1. 天然发酵阶段（ 19 世纪以前） 特点 1. 手工作坊或家庭式生产2. 非纯种培养3. 产品质量不稳定4. 凭经验传授技术5.一般为嫌气发酵 17 世纪后叶，列文虎克发明显微镜，首次观察到大量的微生物 19 世纪中叶，巴斯德（微生物学之父 提出了著名的发酵理论： “一切发酵过程都是微生物 作用的结果。
”），发酵是微生物作用的结果，认识了发酵的生理学意义19 世纪后期，柯赫（细菌学之父） ，建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用控制特定 微生物发酵生产特定产品2.纯培养技术的建立（ 1905-1940 年 ） 在一次大战时，魏兹曼开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。
特点表面培养 生产过程简单，对设备要求不高 生产规模不大 嫌气或好气发酵 3.深层发酵阶段（ 1940 年以后）1943 年，在发酵罐中采用通气搅拌的深层培养法生产青霉素。
青霉素发酵技术成功地建立起深层通气培养法和一套培养技术（包括通无菌空气，搅拌，培养基灭菌和无 菌接种等） 使微生物在培养过程中的温度、pH 、通气量、营养物的供给都受到了严格的控制，厌氧一-好氧，导致一大批新产品的开发这些都为以后的发酵工业提供了新的概念和模型，成为当代发酵工业兴旺发达的开端 4. 开拓发酵原料（1960年以后）60年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水 化合物的发酵 主要产品为微生物蛋白质（单细胞蛋白 SCP ）特点机械搅拌发酵罐的容积已经从第三阶段时的 80M 3扩大到150M 3 o以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 5. 基因工程阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品的生产为标志。
发酵工程电子版
发酵工程电子版(总53页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--发酵工艺原理（发酵工程）讲义适用生物工程、生物技术、制药工程及生物科学专业用王莘第一章绪论发酵工业应用：生物生物学一、发酵定义：从工业微生物角度的发酵：利用培养微生物来获得产物的有氧或厌氧的任何过程，现在有扩大到培养生物细胞（含有动物、植物和微生物）获得产物的所有过程。
从发酵工业角度的发酵：借助微生物在有氧和无氧条件下的生命活动来制备微生物体本身，或共同直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。
传统发酵：酱油、醋、酒、长毛豆腐。
新兴发酵：有机酸、酶制剂、抗生素。
发酵工业的划分：食品工业（酿造工业）和非食品工业（发酵工业）发酵工业：利用生物的生命活动生产的酶对无机或有机原料进行酶加工获得产品的工业。
二、发酵工业具备的条件：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，溶氧浓度，酸碱度等）。
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。
三、发酵工业的改革1．天然发酵阶段特点：1）家庭作坊式生产；2）容易感染细菌； 3）厌氧发酵；4）非纯种培养；5）凭经验传授技术； 6）产品质量不稳定。
2．纯培养技术的建立阶段纯培养阶段特点：（1）．多为好氧产品；（2）、均为表面培养；（3）、产品生产过程简单；（4）、设备要求不高；（5）、生产规模不大。
3．通气搅拌发酵技术的建立阶段第二次世界大战爆发，1929年英国人费莱明发现青霉素，迅速形成工业大规摸生产。
1940年英国人费洛里精制分离青霉素医治战伤药物。
发酵工业新篇章：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。
发酵工程产业化发展：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，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。
第一章 绪论
➢ 抗生素，如青霉素等产量世界第一
➢ 维生素C、氨基酸(味精) 、有机酸(如柠檬酸）等 ➢ 产量世界第一
➢ 产品种类多
➢ 5000多家, 相关产业年产值超过2万亿元
发酵工业的现在 中国是发酵工业大国
3
一、发酵的基本概念
(一)、发酵一词的来源 (二) 、发酵的定义
4
(一) 、发酵一词的来源
• 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽 汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
• 发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即 “翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来；因为发 酵有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。
丙烯酸
C3
3-羟基丙酸
富马酸
C4
丁二酸
天冬氨酸
苹果酸
C5
衣康酸
乙酰丙酸
C6
柠檬酸
葡萄糖酸 山梨1醇8
发酵工程的现在－－解决的问题
能源问题：大力开发生物能源
Biodiesel cruise boat (Amsterdam, The Netherlands)
Ethanol powered car (Sweden)
产物提取、纯化和评价、 产物精制、废物处理、 发酵副产品的回收等
11
菌种筛选
发酵罐试验
摇瓶试验
Hale Waihona Puke 12（四）发酵工程的范畴
微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂
13
三、发酵工业的发展历史
• 天然发酵阶段 • 纯培养技术的建立
巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。
• 通气搅拌发酵技术的建立
6
2 、广义的发酵
• 泛指利用生物体制造或生产某些产品或净化环境的过 程的过程包括 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等 2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基 酸、酶制剂等
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传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
3. 发酵工程在生物技术中的地位
生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠 生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提 供产品或为社会服务的技术。 发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。
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高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素 高转化率：微生物代谢途径和过程条件 高效率：微生物反应动力学和系统优化 低成本：技术综合及产业化技术集成 环境友好：开发清洁生产技术
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发酵过程优化技术
条件 确定
菌种 改造 发酵 工艺 优化
发酵 产物 分离 纯化 综合 治理 技术 优化
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本章内容
一、发酵工程定义及在生物技术中的地位 二、发酵工程发展简史 三、发酵工业的特点及其应用范围 四、工业发酵的类型与典型过程 五、发酵工程前沿及应用前景
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现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技
术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、 过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵 工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展 传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业 生物技术体系（新一代工业生物技术）。
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部分利用基因工程技术研制的产品
人胰岛素 人生长激素(GH) 纤维素酶 , -干扰素 乙型肝炎疫苗
表皮生长因子(EGF)
肿瘤坏死因子 白细胞介素-2(IL-2) 尿激酶原 猪生长激素(PGH)
集落刺激因子(CSF)
促红细胞生成素(EPO)
抗血友病因子
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侧重产品的生产：
发酵是利用微生物培养来生产产物
工业 微生 物学 家
的无氧或需氧的任何过程
利用生物细胞（包括动、植物细胞）
培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）
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发酵现象的本质
教材
余龙江主编. 发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，2006-2008
参考书籍
俞俊棠等主编. 生物工艺学(上下册). 华东理工大学出版社 梅乐和等主编. 生化生产工艺学. 科学出版社
姚汝华主编. 微生物工程工艺原理. 华南理工大学出版社
Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles
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基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
主要特点 基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术 以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的 基因工程菌构建及产品的发酵生产 主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物 炼制技术的兴起
下游 技术
上中下游相互关联！
生物技术体系
强调过程优 化与控制
基因工程 细胞工程 酶工程
发酵工程
产物 产品
生化工程
产品
产品
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（一）发酵工程发展简史
1900以前 1900—1940 1940—1950 1950—1960 1960—1970 1970年以后 自然发酵阶段 纯培养技术的建立 通气搅拌纯培养发酵技术的建立 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 开拓发酵原料时期（石油发酵时期） 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。
组织溶纤原激活剂(t-PA)
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牛生长激素(Biblioteka GH)发酵工程的主要前沿进展
原料拓展： 可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料） 过程优化技术 多尺度生物反应器优化控制技术
生物炼制
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以高产量、高转化率和高效率及低 成本为目标的发酵过程优化技术
初始 条件
过程 分析
过程 强化
过程 优化
1 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选 2 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化
3 基于实时代谢流分析、代谢途径模型 与自动控制技术的发酵过程优化控制
4 基于发酵液及产品特性的高收率、低
成本、高质量和环境友好的提取精制 技术集成 5 基于源头防治与过程监控的资源节约 与废物资源化清洁生产技术集成
优良种株的选育和保 藏（包括菌种筛选、改造， 菌种代谢路径改造等），
上游 技术
中游 技术
发酵过程控制，主要包 括发酵条件的调控，无 菌环境的控制，过程分 析和控制等
广 学 义 和 发 工 酵 程 工 学 程 的 对 要 生 求 物
分离和纯化产品。 包括固液分离技术、细 胞破壁技术、产物纯化 技术，以及产品检验和 包装技术等
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A
μ
B
S0
S
基质浓度对A、B两种菌的比生长速率（μ）的影响
当S<S0时，富集什么菌株？
当S>S0时，富集什么菌株？
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纯培养技术的建立
第一次世界大战， Weizmann 发明了丙酮丁 醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养 技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量 质量控制水平大大提高
细胞代谢网络示意图
多层次复杂系 统多尺度优化 控制技术
生 物 炼 制
石 油 炼 制
（一）发酵工业的特点
发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应， 反应安全，要求条件较简单。
可用较廉价原料生产较高价值产品。
反应专一性强。 能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的 化合物进行特定部位的生物转化修饰。
of Fermentation Technology. (2nd Edition)
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《发酵工程》教材
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考 核方式
闭卷考试占70％
高水平科技文献阅读翻译占15％
平时课堂提问、作业与考勤占15％
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（一）发酵工业的特点
发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
菌种是关键。 发酵生产不受地理、气候、季节等自然 条件限制。
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（二）发酵工业的范围
微生物菌体 酶制剂 代谢产物 生物转化 微生物特殊机能的利用 利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域
1.
何谓发酵？
－－请看下面现象
微生物的
发酵现象
ferver：发泡、沸腾
fermentation
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对发酵现象的不同理解
－－两种角度（能量、产物）
侧重能量代谢： 1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行： 有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物） （1）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量） （2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量） 2、无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。 指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外 源的无机氧化物(个别是有机氧化物)并释放较少能量。 根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：硝酸盐呼吸、硫酸 盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。
强调现代生物技术、控制技术和装备技术 在传统与现代发酵工业领域的集成应用。
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传统发酵工业：酿造及食品 业、抗生素、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
现代发酵工业：基因工 程药物、细胞工程药物、 疫苗；替代石油工业的 大宗量的生物基化学品等， 以及传统发酵工业升级。
的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等
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开拓新的发酵原料时期
目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲 料蛋白质的来源 技术进步： 发展了高压喷射式、强制循环式等多种发 酵罐及其发酵技术 计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发 酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、 自动化方向发展
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纯培养技术的建立
Koch首先发明固体培养基，建立细菌 的纯粹培养 Petri创造一种培养皿(petri dish)用于 微生物平板分离 Winograsky和 Beijerink发明富集培 养法，分离特定的微生物 主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等
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通气搅拌发酵技术的建立
标志：纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：
通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。 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解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。
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开拓新的发酵原料时期
特点：
解决发酵原料及人畜争粮问题； 规模和自动化程度显著提高，能耗过大。
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基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
主要标志 基因工程产品生产以及 基因工程技术应用 世界上已批准上市的 基因工程药物有几十 种，如：胰岛素、人 生长激素等。
生 物 化 学 家
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对发酵现象的不同理解
－－两种角度（能量、产物）
生物化学家看待微生物发酵过程：
发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 生 物 化 学 家 发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量 的过程
厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程 需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不 完全氧化释放能量的过程
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微生物菌体
传统菌体发酵工业
酵母发酵 菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵
杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢 杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、 现代菌体发酵工业 绿僵菌 疫苗
显微镜观察：微生物
著名的巴斯德实验：微生物作用 著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用