第1章 绪论 南开大学微生物发酵工程
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 第一章绪论
生物酶是生化工程的灵魂
Maintain NAD+ / NADH ratio ( redox balance ) . 糖酵解途径积累生成的NADH不能积存，必须重新氧化为NAD+后，
才能继续反应。同时,细胞的氧化还原状态，特别是NAD+/NADH的水 平直接影响着细胞的节律、衰老、癌变和死亡等重大生命过程。
如酒精发酵：
Concepts》 ，3rd Edition， Prentice Hall，2017。 Pauline M. Doran主编。《Bioprocess engineering principles》 ， 2nd Edition ，Academic Press，
2012。
绪论
第一节 发酵及发酵工程概念 第二节 发酵过程组成（课程体系） 第三节 发酵产品类型 第四节 发酵工程发展简史及发展趋势
Products of microbes under aerobic conditions
有机酸
氨基酸
核苷酸 抗生素
韩国希杰集团
中国英轩集团
荷兰皇家帝斯曼集团
维生素 酶制剂
日本味之素公司
丹麦诺维信公司
美国辉瑞公司
二、什么是发酵工程？
现代意义上的发酵工程：利用微生物的特定性状和机能，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一种技术体 系；是将传统的发酵技术与现代的基因工程、蛋白质工程、细胞工 程、代谢工程、化学工程、生物信息工程和计算机控制等新技术结 合并迅速发展的现代发酵技术。
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。
南开大学微生物学习题库
第1章绪论填空题：1．微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来____的同时也带来______。
2．1347年的一场由________引起的瘟疫几乎摧毁了整个欧洲，有1／3的人(约2 500万人)死于这场灾难。
3．2003年SARS在我国一些地区迅速蔓延，正常的生活和工作节奏严重地被打乱，这是因为SARS有很强的传染性，它是由一种新型的________所引起。
4，微生物包括：_______细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒(类病毒、拟病毒、朊病毒)；具细胞结构的真细菌、古生菌；具_____ 细胞结构的真菌(酵母、霉菌、蕈菌等)、单细胞藻类、原生动物等。
5．著名的微生物学家Roger Stanier提出，确定微生物学领域不应只是根据微生物的大小，而且也应该根据有别于动、植物的____。
6．重点研究微生物与寄主细胞相互关系的新型学科领域，称为____。
7．公元6世纪(北魏时期)，我国贾思勰的巨著“____”详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。
8．19世纪中期，以法国的____和德国的_____为代表的科学家，揭露了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了医学和工业微生物学等分支学科。
_____和____是微生物学的奠基人。
9．20世纪中后期，由于微生物学的____、_____等技术的渗透和应用的拓宽及发展，动、植物细胞也可以像微生物一样在平板或三角瓶中分离、培养和在发酵罐中进行生产。
10．目前已经完成基因组测序的3大类微生物主要是____、_____及____。
而随着基因组作图测序方法的不断进步与完善，基因组研究将成为一种常规的研究方法，为从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物将产生质的飞跃。
11．微生物从发现到现在的短短的300年间，特别是20世纪中期以后，已在人类的生活和生产实践中得到广泛的应用，并形成了继动、植物两大生物产业后的____。
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。
微生物工程课后复习思考题
微生物工程课后复习思考题第一章绪论1、什么是发酵工程？定义1：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，为人类生产有用的产品，或直接把微生物细胞作为产品的工业生产过程。
定义2 ：发酵工程是指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。
2、讨论为什么能利用微生物进行发酵生产？a微生物繁殖速度快b代谢能力强c易培养d容易改造e代谢产物多样f 能利用廉价的有机物、无机物3、发酵工程的特点1 原料广泛2 生产安全、设备简单3 反应专一性强、副产物少4 代谢多样、应用广泛5 易受污染、无菌要求严格6 菌种的优劣影响较大第二章工业用微生物菌种1、工业用菌种的特点及要求1.具有稳定的遗传学特性2.能利用低价的原材料3. 生长条件易于满足4.对于细菌，具有抗Phage的能力5.发酵周期短，降低生产成本6.代谢产物无毒无害2、发酵工业常用微生物从遗传学特征上可以把菌种分为：野生型和改良型从微生物分类学的角度分为：1. 细菌类(Bacteria)2. 酵母菌(Yeast)3. 霉菌(Mould)4. 放线菌(Actinomyces)3、菌种选育的目的1、防止菌种退化2、提高生产能力3、简化生产工艺4、开发新产品4、菌种选育方法自然选育诱变育种杂交育种（原生质体融合）基因工程5、自然选育的目的、方法和步骤自然选育的目的：纯化菌种、复壮菌种、稳定生产、提高产量自然选育的步骤1. 通过表观形态来淘汰不良菌株（初筛）2. 通过目的代谢物产量考察（复筛）3. 菌种纯度试验（纯度验证）4. 传代稳定性试验（传代试验）6、什么是菌种的退化生产菌株遗传标记的丢失，导致生产能力下降，即负突变,称为菌种的退化7、防治菌种退化的措施1、从菌种选育方面考虑（单核菌、高剂量、加强分纯）2、创造良好培养条件（培养基、温度等）3、控制传代次数，合理传代4、采用不易衰退细胞传代5、采用有效的保藏方法8、菌种衰退时应采取的提纯复壮措施：（1）分离纯化（2）通过寄主体进行复壮（3）淘汰衰退的个体9、种子扩大培养指将保存的处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量纯种的过程。
发酵工程笔记
（来自讲义）1、致死温度杀死微生物的极限温度致死时间在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间2、微生物的热阻微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间3、实罐灭菌培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一段时间，再冷却道发酵温度，然后接种发酵。
4、微生物的特点体积小、面积大，吸收快、转化快，生长旺、繁殖快，易变异、适应性强，种类多、分布广等五大特性。
5、菌种分离的一般过程土样的采取→预处理→培养→菌落的选择→产品的鉴定目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物6、生物热（Q生物）在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。
（来自PPT）第一章绪论1、发酵工程：利用微生物的生命活动进行物质加工的过程。
第二章生产菌种的筛选1、新种分离筛选的步骤1)定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。
2)采样：有针对性地采集样品，以采集土壤为主。
3)增殖：人为地通过控制养分或培养条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势。
4)分离：利用分离技术得到纯种。
5)发酵性能测定：进行生产性能测定。
这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。
2、采土方式：在选好适当地点后，用小铲子除去表土，取离地面5-15cm处的土约10g，盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中，扎好，标记，记录采样时间、地点、环境条件等，以备查考。
为了使土样中微生物的数量和类型尽少变化，宜将样品逐步分批寄回，以便及时分离。
3、采样注意事项1)采样时应尽可能保持相对无菌；2)所采集的样本必须具有某种代表性；3)采好的样必须完整地标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等；4)应充分考虑采样的季节性和时间因素，因为真正的原地菌群的出现可能是短暂的5)采好的样应及时处理，暂不能处理的也应贮存于4℃下，但贮存时间不宜过长。
微生物工程 第一章 绪论
微生物工程：发酵工程、生物冶金、环境保护、微生物勘探、能源开发等。
概念：利用微生物生长代谢活动产生的各种生理活性物质来生产商业产品。
6狭义“发酵”的定义：在生物化学或生理学上发酵是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二氧化碳。
同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。
7广义“发酵”的定义：工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。
产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
8“发酵工程”的定义：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。
基本概念8发酵工程的特点发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。
其主要特点如下：1·发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。
2·发酵所用的原料简单粗放。
通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。
微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。
基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。
3·发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。
4·发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。
如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。
因而维持无菌条件是发酵成败的关键。
5·由于生物体本身所具有的反应机制，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地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。
发酵工程 第1章 绪论
O
O
棒状杆菌 雄烯二酮
HO
O
脱氢表雄甾酮
OH
酵母
O
睾酮
代谢产物
初级代谢产物：氨基酸、有机酸、核苷酸 次级代谢产物：抗生素、毒素、色素
初级代谢与次级代谢
两类产物的主要区别
1、功能
初级代谢产物通常是生长、繁殖必须的 物质，如：氨基酸、有机酸、核苷酸等。 次级代谢产物一般不是微生物生长、繁 殖所必须的物质，如：抗生素、毒素、色素 等。
细胞分离(过滤、离心)
细胞破碎(匀化、碾摩) 细胞碎片分离(过滤、离心) (沉淀、吸附、萃取等)初步纯化 (色谱、结晶、超滤等)高度纯化
成品加工 (无菌过滤、干燥、分装等)
种子制备
发酵工程
发酵
后处理
化工
四、发酵产物的类型
微生物菌体
作为动物饲料添加剂：单细胞蛋白 微生物杀虫剂：苏云金芽孢杆菌、白僵菌 用于特异性生物转化的微生物菌体 食用和药用真菌
第一章 绪论
一、发酵与发酵工程
二、发酵工业的发展
三、发酵的生产方式
四、发酵产物的类型 五、发酵工程的范畴
一、发酵与发酵工程
发酵：
有机物既是被氧化的基质，又
是氧化还原反应过程中电子的最终
受体。
C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2H3PO4
EMP 2CH3COCOOH + 2NADH2 + 2ATP + 2H2O
连续培养设备
(二)工艺流程
种子制备
发酵
后处理
实验室操作
处于休眠状态的保存菌种 （砂土管、冷冻干燥管、-80℃甘油管等）
斜面试管
茄子瓶培养、摇瓶种子培养、固体种子培养等
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
第一章 发酵工程 绪论
发酵工程的产品
微生物菌体细胞 如酵母、食用菌
微生物酶类 各种酶种、酶制剂、曲霉 微生物代谢产物 初级有氨基酸等，次级有抗
生素 微生物转化产物 工程菌发酵产物 动植物细胞大规模培养产物 利用细胞培养生 产木瓜蛋白酶
发酵工程的应用范围
发酵工程在食品工业上的应用 发酵工程在医药卫生中的应用 发酵工程在化工、能源产品中的应用 发酵工程发展
用植物细胞反应器工厂化生产紫杉醇，紫草宁，
麻黄素等。 用动物细胞反应器生产单克隆抗体，干扰素，生 长激素，生长因子和酶等药物。
（三）化工和能源产品中的应用
利用微生物可以生产乙醇，甘油等一些化
工原料，表面活性剂，有机酸和多糖等。 重组微生物对土壤，水和空气中的多种污 染物具有生物降解作用。 生物催化过程简单，成本低，效益高为精 细化工企业带来了丰厚的经济效益。
发酵工程在环境保护中的应用
（一）在食品工业上的应用
主要包括以下三方面。 第一，生产传统的发酵产品，如啤酒、 果酒、食醋等，使产品的产量和质量得 到明显的提高。 第二，生产各种食品的添加剂。 第三，帮助解决粮食问题。
（二）在医药卫生上的应用
1.生产出了种类繁多的药品
如抗生素，半合成抗生素衍生物及盐，氨基酸， 维生素和干扰素等。
发酵工程生产产品的流程图＊
生产的是微生物直接 合成的产物，通过诱 变改良菌种
自然界分 离的菌种
菌种的选育 根据培养基配 制原则配制成 原料 液体培养基 培养基配制
灭菌
诱变育种 基因工程 细胞工程 生产用菌种 扩大培养
菌种的遗传特性进行定向改 造，从而生产出一般微生物 不能合成的产品 将菌种的数量扩大 检测：细菌数目、产物浓度 添加：必需的培养基组分
发酵工程(1-13章)
《发酵工程》Fermentation engineering 授课教师：张书祥（Email：zhangshux578@）第一章绪论第一节发酵工程的定义、特点、内容第二节发酵工程的发展历史第三节发酵工业的应用第四节发酵工程的发展趋势第一节发酵工程的定义、特点、内容1、定义1.1发酵工程：利用微生物的性状和机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。
如抗生素、酒类、有机酸、基因工程药物等的生产。
发酵过程是以微生物反应为核心的，因此，发酵工程又被称为微生物工程。
1.2生物工程：生命科学应用于产业方面，称为生物工程学。
也就是利用生物体（生物作用剂：微生物、动物细胞、植物细胞等）的机能，通过现代化工程技术，生产人们所需要产品的过程。
生物工程包括：发酵工程、酶工程、基因工程、细胞工程。
发酵工程与生物工程的关系发酵工程是生物工程的重要组成部分，在生物工程中处于中心地位。
无论是从微生物得到酶或用基因工程菌获得产品都必须依赖发酵工程技术。
发酵工程的发展直接影响生物工程的进一步发展。
2、发酵工业的一般特点：2.1生产所用原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物（可再生资源）为主，辅料包括一定的无机或有机氮源和少量无机盐。
2.2微生物生化反应过程能通过单一微生物代谢活动完成，因而产品在发酵设备中一次合成。
2.3微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。
2.4由于生命体特有的反应机制，微生物能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等转化反应，从而获得某些具有一定经济价值的物质。
发酵工程与化学工程、生化工程的比较工业发酵的过程是依靠微生物细胞生命活动获得目的产物的过程，从根本上区别于化学合成工业和生化工业。
在工业化学过程中没有生物活性物质参与催化。
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。
第三节、发酵工业的应用：发酵工程技术已给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力，解决了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。
微生物工程(发酵)第一章 绪论
菌种选育 纯培养技术 发酵过程优化 发酵过程放大 发酵工程下游分离纯化技术 发酵过程自动监测控制技术
1.4 发酵工业产品和现状
1.4.1 发酵工业产品
食品、化工、能源、酶制剂、医药、材料等
1.4.2 发酵工业现状
美国、日本、欧洲的雄厚实力； （生物技术、工程技术）
我国的发酵工业现状
生产规模大
醋、酱油、啤酒等产量世界第一 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多家企业，相关产业年产值超过2万亿元， 占国民经济的20%
我国的发酵工业现状
菌种生产能力不高 工艺落后
产品科技含量低，浓度低、能耗大、污染 大 装备水平落后
第一阶段
1900年前 ●酒精、醋 ●使用温度计， 比重计和热交换 器 ●分批培养 ●使用纯酵母培 养物(1896), 用优 质醋接种发酵
第二阶段
1900－1940
第三阶段
1940－1960
●青霉素，氨基 酸，核苷酸，酶 ●可灭菌的pH和 溶氧电极，计算 机控制 ●分批和补料， 连续培养开始 ●菌种筛选程序 重要
微生物工程
1. 绪论
思考题： 1.发酵及发酵工程的定义 2.发酵工程的特点 3.发酵工程的类型 4.发酵过程的组成 5.发酵工业发展的阶段及大致年代 6.和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之 处主要表现在哪些方面
1.1 发酵工程发展史和相关学科
1.1.1发酵及发酵工程的定义 发酵（狭义）：微生物细胞将有机物氧化释 放的电子直接交给本身未完全氧化的某种 中间产物，同时释放能量并产生各种不同 的代谢产物。 发酵（广义）：通过对微生物（或动植物细 胞）的进行大规模的生长培养，使之发生 化学变化和生理变化，从而产生和积累大 量人们发酵所需要的代谢产物的过程。
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1.微生物发酵工程:
(1)生物技术: 从广义上说，生物技术是利用有机体的操作技术。现代生物技术是以
DNA重组技术的建立为标志，已成为一们多学科纵横交叉的新兴和综合性技术。
农业生物技术
分子生物学
医药生物技术
微生物学
生物技术疫苗
生物化学 ｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡ 现代生物技术 ｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡｡ 生物技术诊断
理论教学、讨论等；教材说明；（宋存江） 实验教学（48课时，1.5学分）第11周至16周，共六周
综合性研究型实验；（李国强、马挺、邓飞老师） 实践教学（18课时，1学分）3月 – 5月 3 – 4 家关联企业、
公司或研究院、所等；（王淑芳、蔡峻老师）
理论课 :2学分
考核内容 1. 期末考试：60％ （闭卷） 2. 平时成绩：10% （互动、作业、出勤） 3. 案例教学成绩: 30%
(4) 发酵工程的前提条件
*具有合适的生产菌种 *具备控制微生物生长代谢的工艺条件
2 微生物发酵工程的内容和发展史
(1) 发酵产物的类型: a. 产物是微生物菌体本身, SCP 菌体蛋白､PHB､趋磁细菌； b. 产品是微生物的初级代谢产物或次级代谢产物； c. 产品是微生物代谢的转化产物； d. 微生物作用下完成一个生物过程。
微生物发酵工程
Microbial Fermentation Technology
南开大学生命科学学院微生物学系
第一章 绪 论
一. 课程介绍 二. 概念 三. 发酵工程内容和发展史 四. 微生物发酵工程的特点 五. 发酵工程的任务 六. 发酵工程的发展方向 七. 参考资料（图书、刊物）
微生物发酵工程课程体系 理论教学(32课时，2学分): 期初至期末
预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。
先进的工程技术指：基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质工程
(2) 发酵工程 ( Fermentation Technology )
发酵 (fermentation)来自拉丁语“Байду номын сангаас泡” (fervere) 是指酵母作用于果汁或发芽古物 产生CO2的现象。巴斯德研究了酒精发酵的生理意义、认为发酵是酵母在无氧状态下的 呼吸过程、是“生物获得能量的一种形式”。即：发酵是在厌氧条件下、糖在酵母等生 物细胞的作用下进行分解代谢、向菌体提供能量、从而得到产物酒精和CO2的过程。
对于生物化学家来说，它是指有机物分解代谢释放能量的过程。 对工业微生物学家来说，把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统称为发酵。 现在又扩展到培养生物细胞（动植物细胞）来制得产物的所有过程。
(3) 微生物发酵工程的概念
是利用微生物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 、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。
细胞生物学
家畜生物技术
化学工程
海洋生物技术
环境生物技术
“高技术研究发展计划纲要”中将生物技术列于航天技术，信息技术，激光技术、自
动化技术、新能源技术和新材料技术等高技术之首。国家科委制订“中国生物技术政策纲
要”给出的生物技术的定义：
以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照
一条主线，两大主题和两类对象，三大基础，四项工程，五种方式 发酵工程原理与技术
一条主线 为菌种/细胞——发酵——分离纯化——产物。 两大主题 是以微生物菌种和动植物细胞的分子改造与构建为代表的生物学主题，以发酵工艺设计
与中试放大为代表的涉及发酵反应器和发酵动力学的工程学主题；两类对象是传统的微 生物发酵与动、植物细胞发酵。 三大基础 包括发酵过程的过量生产、生物反应质能平衡和发酵中氧气的溶解、传递与测定以及对 发酵过程的影响。 四项工程 包括灭菌工程、空气除菌工程、发酵控制工程和产物分离工程。 五种方式 包括分批发酵与补料分批发酵、连续发酵、高密度发酵、工程菌发酵和现代固态发酵
@ 初级代谢产物: ：将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成 维持生命活动的物质和能量的工程，称为初级代谢｡这一过程的产物 如：氨基酸等。
微生物发酵工程的教学内容
1. 绪论 2. 工业上常用的微生物 3. 生产菌株的选育 4. 微生物发酵过程 5. 发酵工艺控制 6. 发酵动力学 7. 发酵方式（一）
分批、补料、高密度、工程菌
8. 发酵方式（二）连续 9. 灭菌工程 10.发酵设备 11.固体发酵特征及其设备 12.生物分离纯化工程 13.空气除菌 14. 代谢产物的过量生产 15. 发酵过程的实验室研究、中试
和放大
1986年3月，面对世界高技术蓬勃发展、国际竞争日趋激烈的严峻挑战，邓小平同志在王大珩、王淦昌、 杨嘉墀和陈芳允四位科学家提出的“关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议”上，做出“此事宜速作
决断，不可拖延”的重要批示，于1986年11月启动实施了“高技术研究发展计划（863计划）”
生物技术领域 优质、高产、抗逆的动植物新品种主题、基因工程药物、疫苗和基因治疗主题、蛋白质工 程主题、糖生物工程主题 航天技术领域 航天技术研究发展性能先进的大型运载火箭 信息技术领域 智能计算机系统主题、光电子器件和光电子、微电子系统集成技术主题、信息获取与处理 技术主题、通信技术主题 激光技术领域 激光技术 自动化技术领域 计算机集成制造系统主题、智能机器人主题 能源技术领域 燃煤磁流体发电技术主题、先 进核反应堆技术 主题 新材料领域 高技术新材料和现代科学技术主题 海洋技术领域 海洋探测与监视技术主题、海洋生物技术主题、海洋资源开发技术主题、海洋高技术主题 专项
案例教学涉及的文献查阅
中文文f Knowledge. Science Direct ( Elsevier). SpringerLink 专利查询： 中华人民共和国国家知识产权局
课后利用业余时间给大家介绍查阅方法
发酵工程的内容