发酵工程 1绪论

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
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。
（四）发酵工业的典型过程－－深层发酵过程
第一章 绪论
（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
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
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
芽孢杆菌和伴孢晶体
虫草头孢菌发酵生产虫草
第一章 绪论
（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
工业发酵的类型
厌氧发酵 需氧发酵
按微生物对氧的不同需求
兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
第一章 绪论
（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
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。

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。
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
主讲人： 朱 莉 Tel: 13476670671 E-mail： zhuli_225@
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，2006-2014
第一章 绪论
（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
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。
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。
发酵工业的范围（按其产品分类）
微生物菌体 酵母片，SCP，苏云金杆菌，虫 草 酶制剂：果胶酶，淀粉酶，各种核酸酶 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
生 物 化 学 家
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
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

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
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。
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
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。
传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
发酵工程在各领域的应用
按培养基的物理性状
固体发酵
浅盘固体发酵
深层固体发酵（机械通风制曲）
分批发酵 按发酵工艺流程 补料分批发酵 单级恒化器连续发酵 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）
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； 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；
何谓发酵？
－－请看下面现象
微生物的
发酵现象
ferver：发泡、沸腾
fermentation
发酵现象的本质

显微镜观察：微生物 著名的巴斯德(Pasteur) 实验：微生物作用 著名的毕希纳(Buchner) 实验：酵素（酶）的作用


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。

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。
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
第一章 绪论
（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
（二）发酵工程发展简史
发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。
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



医药：抗生素、维生素、DHA、胰岛素、乙肝 疫苗等 食品：氨基酸、酸奶、增稠剂 能源：燃料乙醇、生物柴油、沼气等。 微生物采油：提高了采油率 冶金：细菌冶金 农业：生物农药 环保：石油微生物 、可降解塑料（聚乳酸）
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。
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）
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。


的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等