发酵工程原理

教材 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 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 of Fermentation Technology. (2nd Edition)

《发酵工程》教材

考 核 方 式 闭卷考试占70％ 实验占20％ 平时课堂提问、作业与考勤占10％

第一章 绪 论

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

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

对发酵现象的不同理解 －－两种角度（能量、产物） 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。 生 物 化 学 家 生物化学： 侧重能量代谢： 1、能够在氧分子参与的情况下进行有氧呼吸的生物（动物、植物和微生物） 可以进行： 有氧呼吸（氧分子供应充分、有机物氧化分解代谢彻底、产生大量能量） 糖酵解（缺氧呼吸或暂时无氧情况下的呼吸作用、有机物氧化分解不彻底、产生少量能量），高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大（由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭、产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等），甚至导致局部细胞坏死或整体死亡（脑缺氧非常危险、长期剧烈运动有损健康、提倡有氧运动）。 2、无氧呼吸：特指那些只能在无氧（准确地讲，不需要氧）的情况下进行能量代谢的生物进行的能量代谢。指有机碳化合物经彻底或者不彻底氧化,所脱下来的电子经部分电子传递链,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，可把无氧呼吸分成：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。其中最典型的是硝酸盐呼吸。

对发酵现象的不同理解 －－两种角度（能量、产物） 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 生物化学： 侧重能量代谢： 1、能够在氧分子参与的情况下进行有氧呼吸的生物（动物、植物和微生物） 可以进行： 有氧呼吸（氧分子供应充分、有机物氧化分解代谢彻底、产生大量能量） 糖酵解（缺氧呼吸或暂时无氧情况下的呼吸作用、有机物氧化分解不彻底、产生少量能量），高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大（由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭、产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等），甚至导致局部细胞坏死或整体死亡（脑缺氧非常危险、长期剧烈运动有损健康、提倡有氧运动）。 2、无氧呼吸：特指那些只能在无氧（准确地讲，不需要氧）的情况下进行能量代谢的生物进行的能量代谢。指有机碳化合物经彻底或者不彻底氧化,所脱下来的电子经部分电子传递链,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，可把无氧呼吸分成：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。其中最典型的是硝酸盐呼吸。 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

侧重产品的生产： 工业 微生 物学 家 发酵是利用微生物培养来生产产物 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）

发酵现象的本质 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

2. 发酵工程概念？ －－微生物细胞加工技术过程优化与放大 2. 发酵工程概念？ －－微生物细胞加工技术过程优化与放大 传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。

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）。 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。

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。 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

传统大型发酵工 业的中央控制  青霉素发酵控制室 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。

上游 技术 中游技术 下游 技术 广义发酵工程对生物学和工程学的要求 上中下游相互关联！ 藏（包括菌种筛选、改造， 菌种代谢路径改造等）， 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 广义发酵工程对生物学和工程学的要求 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 中游技术 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 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 发酵工程 生化工程 细胞工程 产物 酶工程 产品 产品 产品

发酵工程发展简史 1900以前 自然发酵阶段 1900—1940 纯培养技术的建立 1940—1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立 1900以前 自然发酵阶段 1900—1940 纯培养技术的建立 1940—1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立 1950—1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 1960—1970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期） 1970年以后 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。 近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的 现代发酵工业突飞猛进。

自然发酵阶段 主要是酿造工业 主要产品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等 17世纪，能在容量为1500桶（一桶约136升）的 木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 1757年应用温度计；1801 使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质 量不稳定

纯培养技术的建立 Koch首先发明固体培养基，建立细菌 的纯培养 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

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 纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。

通气搅拌发酵技术的建立 固体发酵缺点 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。

通气搅拌发酵技术的建立 主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发酵，一系列过程工程技术创新。 意义： 推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展 建立了完整的好氧发酵放大技术及装备 奠定了现代发酵工业的理论和实践基础 通气搅拌大规模发酵技术的建立时发酵工业发展史上的第二个转折点。

代谢控制发酵技术的建立 基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。 代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。 主要应用：氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等 代谢控制发酵工程技术的建立，是发酵技术发展的第三个转折点。

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

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。

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。 发酵工业发展史中的第五阶段，是以在体外完成微生物基因操作，即通常称为基因工程而开始的。基因工程不仅能在不相关的生物间转移基因，而且还可以很精确地对一个生物的基因组进行交换。因而可以赋予微生物细胞具有生产较高等生物细胞所产生的化合物的能力。由此形成新型的发酵过程，如胰岛素和干扰素的生产，使工业微生物所产生的化合物超出了原有微生物的范围。为了进一步提高工业微生物常规产品的生产能力，也可采用基因操作技术。确信基因操作技术将引起发酵工业的革命，并出现大量新型过程。但是要开拓新的过程，还是要依靠大量细胞培养技术，它曾经从酵母和熔剂发酵开始，经由抗生素发酵，而到大规模连续菌体培养。

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

部分利用基因工程技术研制的产品 纤维素酶 , -干扰素 乙型肝炎疫苗 集落刺激因子(CSF) 促红细胞生成素(EPO) 抗血友病因子 组织溶纤原激活剂(t-PA) 人胰岛素 人生长激素(GH) 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) 牛生长激素(BGH)

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

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 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  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

发酵过程优化技术 条件确定 过程优化 初始条件 过程分析 过程强化 菌种改造 1 基于组学技术的高产量菌种改造和筛选 2 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化 菌种改造 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 发酵工艺优化 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 发酵产物分离纯化 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 综合治理技术优化

三、发酵工业的特点及其应用范围 （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，可以得到较为专一的代谢产物。 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。

（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。

（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

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

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

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DNA、RNA的内切酶、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、纤维素酶等

从初生代谢到次生代谢

微生物转化 在用维生素C一步和二步发酵法生产中,起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子结构进行特异性改变。

四、工业发酵的类型与典型过程 （一）工业发酵的类型 厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵 液体发酵（包括液体深层发酵） 按培养基的物理性状 浅盘固体发酵（厚度2-3cm） 深层固体发酵（机械通风制曲） 按微生物对氧的不同需求 固体发酵

（一）工业发酵的类型 按发酵工艺流程 分批发酵 补料分批发酵 连续发酵 单级恒化器连续发酵 多级恒化器连续发酵 带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵 单菌种发酵 按菌的种类 多菌种混合发酵（混合菌发酵）

新发展的微生物培养方法 载体培养 以天然或人工合成的多孔材料的固态基质作为载体 两步法液体深层培养

（二）发酵工业的基本生产过程 1. 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培 养基的配制； 2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌； 1. 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培 养基的配制； 2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌； 3. 扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比 例接种入发酵罐中；

（二）发酵工业的基本生产过程 4. 控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物； 5. 将产物提取并精制，以得到合格的产品； 6. 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。

（二）发酵工业的典型过程－－深层发酵过程

五、发酵工业发展趋向及应用前景 基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。 不断开发和采用大型节能高效的发酵装置， 计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。

发酵工业发展趋向及应用前景 强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。 生态型发酵工业的兴起：清洁生产。 再生资源的利用。 混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率。

清洁生产 按照联合国环境规划署（UNEP）的定义：“清洁生产是一种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。”

混合菌发酵的应用 传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉 有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转化： 生物能源：生物制氢、生物制沼气 生物饲料 生物肥料

课 程 内 容 结合实践自学：发酵产物分离纯化以及产品制备 发酵工业的洁净生产技术 第一章 绪论 第二章 发酵工业菌种 第一章    绪论 第二章    发酵工业菌种 第三章    发酵工业培养基设计 第四章    发酵工业的无菌技术 第五章    发酵工业的种子制备 第六章    发酵动力学 第七章    发酵工业中氧的供需 第八章    发酵罐放大与设计 第九章    发酵过程优化与控制 第十章    发酵经济学 结合实践自学：发酵产物分离纯化以及产品制备 发酵工业的洁净生产技术

发酵工程是连接生物科学、生物技术和 生物工程的桥梁，生物科学与技术 成果的推广应用离不开发酵工程！

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过量运动后肌肉会有酸痛感，就是因为肌体在缺氧状态下进行糖酵解产生了乳酸等 指生活细胞对有机物进行的不完全的氧化。这个过程没有分子氧参与，其氧化后的不完全氧化产物主要是酒精。总反应式：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+226千焦耳(54千卡)在高等植物中常将无氧呼吸称为发酵。其不完全氧化产物为酒精时，称为酒精发酵；为乳酸则称为乳酸发酵。在缺氧条件下，只能进行无氧呼吸，暂时维持其生命活动。无氧呼吸最终会使植物受到危害，其原因，一方面可能是由于有机物进行不完全氧化、产生的能量较少。于是，由于巴斯德效应，加速糖酵解速率，以补偿低的ATP产额。随之又会造成不完全氧化产物的积累，对细胞产生毒性；此外，也加速了对糖的消耗，有耗尽呼吸底物的危险。 过量运动后肌肉会有酸痛感，就是因为肌体在缺氧状态下进行糖酵解产生了乳酸等

高等生物（动物、植物和好气性微生物）长期进行糖酵解（发酵）危害很大： 由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭 产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体：酒精、乳酸等 甚至导致局部细胞坏死或整体死亡 人类脑缺氧非常危险、长期剧烈运动有损健康、提倡有氧运动