发 酵 工 程 Engineering) 授课教师：李学如 联系电话：87600990（0） E-mail:xueruli@sina.com 发 酵 工 程 (Fermentation Engineering) 授课教师：李学如 联系电话：87600990（0） E-mail:xueruli@sina.com

学习参考数目： 1.熊宗贵 发酵工艺原理 中国医药科技出版社 2.俞俊棠 生物工艺学 华东化工学院出版社 1.熊宗贵 发酵工艺原理 中国医药科技出版社 2.俞俊棠 生物工艺学 华东化工学院出版社 3.Harvey W. Biochemical Engineering Marcel Dekker, Inc, USA

关于成绩和考试 1、平时作业: 15分 2、出勤率： 15分（扣2分/缺勤１次) 3、期末在考试周闭卷考试: 70分 4、60分及格。

ferver：发泡、沸腾 fermentation －－请看下面现象 微生物的 发酵现象 ferver：发泡、沸腾 fermentation

第一章 绪 言 1.1 发酵与发酵工程（微生物工程）概念 1.1.1 发酵(fermentation)： 第一章 绪 言 1.1 发酵与发酵工程（微生物工程）概念 1.1.1 发酵(fermentation)： 狭义：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动，来制备微生物菌体或其代谢产物的过程。 广义：凡是培养细胞（动、植物和微生物细胞）来制得产品的过程。

1.1.2 发酵工业(fermentation industry)： 1）定义：利用微生物(动、植物细胞)生长和 代谢活动，生产各种有用物质的工业。 2）发酵工业生产过程的特点 发酵工业生产过程是利用生物体生命活动来 获得产品，与化学生产过程相比，它主要具有 以下几方面的特点：

1）生产过程在常温下进行，操作条件 比较温和，各种设备不必考虑防爆问题， 因此，一种设备可具有多种用途； 2）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 产设备使生产能力飞跃上升；

3）生产过程的反应是以生命体自动调 节方式进行，因此数十个反应过程能够像 单一反应一样，在同一生物反应器中进行； 4）生产所用原料以淀粉等碳水化合物 为主，并加入少量有机和无机氮源，原料 不含对生物有害的物质，可减少预处理；

5）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最 有特色的领域； 6）能利用生命体特有的反应机制，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；

7）生产产品的生物体本身有时也是产 物, 其富含维生素、蛋白质、酶等; 除特 殊情况外, 培养液一般不会对人和动物造 成危害; 8）生化生产过程中最需要注意的是防 止杂菌污染。因此, 生产过程的灭菌十分 重要, 它决定着生产的成败。

1.1.3 发酵工程(fermentation engineering) 1）定义：研究发酵工业生产过程中， 各个单元操作的工艺和设备的一门科学。

2）发酵工业生产过程：

Fermentation engineering 发酵工程组成： 上游工程、下游工程 发酵工程组成： 上游工程、下游工程 上游工程 UPSTREAM PROCESSES FERMENTATION Process Control 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES

inoculum development - sterilization 上游工程 UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - media formulation inoculum development - sterilization - inoculation FERMENTATION Process Control AND

菌种筛选 发酵罐试验 摇瓶发酵 摇瓶试验

下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES - purification & assay - waste treatment - broth treatment - product extraction, - purification & assay - waste treatment by product recovery

3）发酵工程研究的内容 ※发酵工业用生产菌种的选育 ◆自然选育 ◆诱变育种 ◆基因工程育种 ※发酵条件的优化与控制 ※生物反应器的设计 ※发酵产物的分离、提取和精制

1.2 发酵工业范围（以发酵产品划分） 1.2.1 单细胞生产： 1.2 发酵工业范围（以发酵产品划分） 1.2.1 单细胞生产： ※以获得多种用途的微生物菌体细胞为目的的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗、微生态剂等。 ※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。

虫草头孢菌发酵生产虫草

1.2.2 酶类生产： ※胞内酶和胞外酶 ※生物酶合成特点：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。 ※应用：医药、工业用酶制剂，各类种曲等

酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒 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：DNA内切酶、RNA内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。 饲料酶制剂：木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶

1.3.3 代谢产物生产 ※初级代谢产物：对数生长期形成的产物,是细胞自身生长所必需的产物称为初级代谢产物或中间代谢产物。 ※次级代谢产物：在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。

产品包括 ※工业溶剂(酒精、丙酮丁醇等) ※有机政(醋酸、乳酸、柠檬酸、反丁烯二酸、衣康酸，苹果酸等) ※氨基酸(谷氨酸、赖氨酸、丙氨酸） ※维生索(B族维生索、维生素C等) ※抗生索(青霉素、链霉素，头孢霉素等) ※多糖类(葡聚糖、细菌多糖和真菌多糖等) ※核苷及核苷酸(ATP、5’－肌苷酸、肌苷等)，

1.3.4 微生物生物转化产物： ※利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。 ※最终产物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。 ※甾体激素如可的松、黄体酮等的生物转化以及手性拆分。

1.3.5 基因工程药物： ※免疫性蛋白，如各种抗原和单克隆抗体； 通过基因工程技术生产的药物和制剂包括： ※免疫性蛋白，如各种抗原和单克隆抗体； ※细胞因子，如各种干扰素、白细胞介素、集落刺激生长因子、表皮生长因子、凝血因子； ※激素，如胰岛素、生长激素、心素纳； ※酶类，如尿激酶、链激酶、葡激酶、组织型纤维蛋白溶酶原激活剂、超氧化物歧化酶。

基因工程方法生产蛋白质药物的优势

基因工程乙肝疫苗 进口100元/10微克/支，100克产值10亿 国产10元/10微克/支， 100克产值1亿 基因工程乙肝疫苗 进口100元/10微克/支，100克产值10亿 国产10元/10微克/支， 100克产值1亿 表面抗原多肽（HBsAg或Ｓ多肽)为乙肝疫苗生产成分 7 0年代末开始，在大肠杆菌等原核细菌中表达水平低, 目前国内在巴斯德毕赤工程酵母中表达。

1.3.6 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

1.3 发酵类型 1.3.1 按发酵产品的类型划分 1.3.2 按发酵工艺是否需氧划分 ※厌氧发酵： 如酒类发酵、酒精发酵、丙酮丁醇发酵、 乳酸发酵和甲烷发酵 ※通风发酵： 如酵母菌生产、抗生素发酵、有机酸发酵、 氨基酸发酵和酶制剂生产等

1.3.3 按发酵工艺培养基的状态划分 ※固态发酵： 发酵是在固体状态下进行。主要应用于传 统酿造业。 ※液态发酵： 发酵是在液体状态下进行，是目前发酵工 业所采用的主要工艺。

1.4 发酵工艺培养方法 发酵工艺培养方法有： 固态发酵工艺和液态发酵工艺 1.4.1 固态发酵工艺： ※固态薄层发酵 ※固态厚层（通风）发酵

1.4.2 液态发酵工艺 ※ 液态表面发酵（浅盘发酵）工艺 ※液态深层通风发酵(Submerged fermentation) 液态深层通风发酵是指在无菌条件下，在 液体培养基内部进行微生物培养，获得产品 的过程。 它包括向发酵罐中通入大量无菌空气、搅 拌使空气均匀、培养基灭菌和无菌接种。液 态深层通风发酵是发酵工业使用的主要工艺。

1.4.3 液态深层发酵的特点： ※液态深层发酵的优点： 1) 液体悬浮状态是许多微生物的最适生长环 境在液体中，发酵可在均质的条件下进行， 便于控制，易于扩大生产规模； 2) 输送方便，易于机械化操作； 3) 占地面积小，生产效率高，易于进行自动 化控制，产品质量稳定；

4)产品易于提取、精制。 ※不足在于： 液态深层发酵消耗动力较多，设备 较为复杂，需要大量投资。

1.4.4 液态深层发酵的类型 液态深层发酵主要有三种类型： ※分批发酵(batch-process)： 在生物反应器内投入限量培养基后， 1.4.4 液态深层发酵的类型 液态深层发酵主要有三种类型： ※分批发酵(batch-process)： 在生物反应器内投入限量培养基后， 接入微生物菌种进行培养，完成一个生长 周期，获得产品的微生物培养方法。 是目前传统发酵工业所采用的主要 发酵形式。

Fermentor（Bioreactor)

Laboratory scale fermentor experiments

机械搅拌不锈钢发酵罐

Industrial Fermentor: sizes range from 100 L to 500,000 L, depending on products

※补料分批发酵(fed-batch process) 在发酵的开始投入一定量的培养基，在发 酵过程的适当时期，开始连续补加碳或（和） 氮源或（和）其他必需基质，直至发酵液体积 达到发酵罐最大操作容积后，将发酵液一次放 出，这种操作方式称为补料分批发酵。 这种发酵方式能保持较高的活菌体浓度，目 前，基因工程菌发酵常采用此方法。

※连续发酵工艺（continuous process) 在向反应器中添加培养基的同时，从容器中放出等体积的培养液，就可以形成一个生产细胞的连续过程，即在培养器中所形成的新细胞数量与从容器中流失的细胞数目相等，这种发酵工艺称为连续发酵。

1.5 分批发酵(batch-process)一般步骤： 包括培养基制作、发酵过程和产品分离 1.5.1 发酵培养基制作： ※原料处理 ※培养基的配制 ※培养基的灭菌

1.5.2 发酵过程 包括：种子培养、发酵过程 ※生产种子培养 ◆保存菌种活化（斜面） ◆孢子种子（斜面、茄子瓶或三角瓶） ◆摇瓶培养种子（摇瓶） ◆种子罐培养种子

※发酵（发酵罐） 发酵最佳条件的控制 1.5.3 产品的分离 ※ 发酵液预处理 ※ 产品分离、提取 ※ 精制

1.6 发酵工业的现状和今后发展的趋向 1.6.1 生物技术进步与发酵技术发展的关系： ※ 天然发酵与传统酿造业（史前～现在） 酿酒、制酱、制醋、奶酪 由于传统酿造业是和当地的风土相适应而 常年累月慢慢发展起来的，此领域对技术进步 有顽固拒绝的倾向。

※微生物发现、无菌操作技术发明与纯培养 技术（Leewenhok\Pasteur\Koch) 厌氧发酵(一次世界大战）： 甘油、酒精、丙酮-丁醇发酵生产 ※化学工程进步与深层培养发酵技术 液态深层发酵（二次世界大战）： 抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂 的生产

※生物化学、微生物生理学和遗传学的发展与代谢调控发酵技术 代谢调控发酵（50～60年代）： 氨基酸、核苷酸生产 ※ 酶化学进步与微生物转换技术 微生物转换（60～80年代）： 可的松、黄体酮等甾体类激素的生产

※ 基因工程、细胞工程、酶工程的发展 与现代发酵工程技术 基因工程菌发酵及动植物细胞的培养： （90年代～现在） 人生长激素、干扰素、细胞因子、抗体、疫苗

※代谢途径工程（Metabolic pathway engineering，第三代基因工程） 利用分子生物学原理，系统分析代谢途径， 设计合理的遗传修饰战略，通过改变生物体的 细胞生物学特性，提高特定代谢产物产量。

1.6.2 经典发酵工业特点 ※产品种类众多 ※生产技术要求高 ※生产规模大 ※技术发展快

1.6.3 现代发酵技术特点 ※基因工程菌、动植物细胞发酵 ※产品含量低 ※发酵规模相对较小 ※生产技术难度大

1.6.4 发酵工程今后研究和发展方向 ※选育高产菌株 ※利用基因组序列测序成果，定向诱变菌株 ※发酵过程的自动化 ※新型生物反应器的研制,开发和采用大型节能高效的发酵装置 ※下游工程的优化 ※采用发酵技术进行高等动植物细胞培养  ※计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段

第一章 作 业 1、发酵和发酵工程的概念 2、发酵工程研究的内容 3、发酵类型 4、发酵工艺培养方法