发酵工程 第1章 绪论

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
生产车间操作
一级种子罐
生产车间操作
一级种子罐
无 菌 空 气
二级种子罐
培 养
三级种子罐
基
发酵罐
后处理
发酵液
预处理(加热、调pH等)
通气搅拌技术是发酵工业 发展过程中的第二个转折点。
(四)代谢控制发酵技术建立
由于生物化学和微生物遗传学的发展， 1957年，日本科学家将微生物进行诱变， 获得了一些营养缺陷型，某些营养缺陷型 在有控制的条件下，能够选择性地大量产 生某种代谢产物，建立了代谢控制发酵技 术。
代谢控制发酵技术是发酵工
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。
广义的发酵概念可定义为：借 助微生物大量生成并积累特定产物
的过程。
发酵工程：
研究利用微生物大量生产各种有用物 质的一门现代工业学科，它即研究生产过
程与微生物的关系，也研究工程学的问题，
包括研究改造或构建适合于工业生产的微
生物菌种，研究创造合适的环境条件以使
微生物积累某种产物和相关的工业设备。
发酵(微生物)工业： 借助微生物大量生产各种有用物质的现 代工业，它必须具备三个条件： 优良的菌种 合适的环境条件(指使微生物大量积累某 种特定产物的环境条件) 先进的工艺设备
在第一次世界大战期间，由于丙酮被用于 制造炸药而大量生产。一次世界大战后，由于 丁醇适合于汽车涂料，丙酮-丁醇仍然被大量 生产。
上世纪30年代是丙酮-丁醇生产的鼎盛时 期，一些发酵厂装备有100多个200吨的发酵罐。 上世纪50年代以后，由于以石油为原料化 学合成丙酮-丁醇更为经济，发达国家停止了 发酵法生产，但发展中国家仍然采用发酵法。
在这些发酵产品中，重要的有 2-酮基-L-古龙酸(维生素C的前体)、
维生素B12、维生素B2(核黄素)、赤
霉素、麦角碱等。
维生素B12结构复杂，化学合 成需70多个步骤，应用于生产根 本不可能，采用微生物发酵生产 最为合理。
核苷类物质的生产
核苷类物质可广泛用于医药，一些 核苷类物质是强力的助鲜剂，如肌苷酸。 用发酵法或酶法生产的有肌苷和肌 苷酸、鸟苷和鸟苷酸、腺苷和腺苷酸等。
2、合成途径 初级代谢途径在各类生物中基本相同。 次级代谢来之多种合成途径，次级代谢 产物往往以初级代谢形成的前体经聚合、修 饰而成。
3、合成时期 初级代谢产物在营养期已开始合成。 次级代谢产物往往在菌体生长达最高值 时才开始合成。
4、遗传控制 初级代谢产物主要受核DNA的控制。 次级代谢产物除受核DNA的控制外，往 往还受质粒的控制。
该时期重要的产品有：酵母、酒精、丙 酮-丁醇等。
微生物纯培养技术的建立 是发酵工业发展过程中的第一
个转折点。
(三)通气搅拌技术建立
20世纪中叶，随着青霉素的发现，抗生 素工业逐渐兴起，由于青霉素大量生产的需 要，建立了通气搅拌技术(深层培养技术)， 这一技术的建立，使许多产品都可以用好气 性发酵进行大规模生产。 可用通气搅拌技术生产的产品有：抗 生素、维生素、氨基酸、有机酸等。
业发展过程中的第三个转折点。
(五)石油发酵时期
上世纪60年代，在发酵工业中发生了一 件有意义的事件，人们发现，除糖质原料外， 石蜡、天然气等一些原料也可以作为发酵工 业的原料，由于这些原料可以从石油中获得， 即开始了“石油发酵”时期。 如：用石蜡发酵生产柠檬酸，石油蛋白 等。
(六)基因工程菌的应用
分批发酵中产物的形成
（1）生长连动型产物形成
比生长速率 碳源消耗比速率 产物形成比速率
分批发酵中产物的形成：
（2）部分生长连动型产物形成
比生长速率 碳源消耗比速率 产物形成比速率
分批发酵中产物的形成：
（3）非生长连动型产物形成
比生长速率 碳源消耗比速率 产物形成比速率
连续培养设备
连续培养设备
发酵食品工业
包括酒类发酵、乳类制品和乳 酸菌类的发酵饮料、酱油、酱类、 食用醋、豆腐乳和腌菜类。
抗生素类的发酵生产
有机酸的发酵生产
氨基酸的发酵生产 酶制剂的生产
有专门的章节介绍
生理活性物质的发酵生产
这是一大类对生物具有特殊生
理功能物质的笼统的总称，包括维
生素、动植物的生长激素和具有特
殊药理功能的物质，如：麦角碱、 麻黄素等。
CH3COCOOH + NADH2
乳酸脱氢酶
CH3CHOHCOOH + NAD
发酵是微生物在厌氧条件下， 分解有机物产生酒精、乳酸、CO2 等的过程。
酒精发酵
乳酸发酵
丙酮-丁醇发酵
2,3-丁二醇发酵
抗生素发酵：
青霉素发酵、链霉素发酵
氨基酸发酵：
谷氨酸发酵、赖氨酸发酵
有机酸发酵：
柠檬酸发酵、苹果酸发酵
发酵技术已经走出发酵罐时
期，广泛应用于发酵罐以外的环
境保护等，因此用“微生物工程”
一词更准确。
二、发酵工业的发展
(一)天然发酵时期
17世纪以前，主要是酒类、酱、酱油、 醋和干酪等的生产。如我国在夏禹时代就有 酿酒的记载，古埃及和古巴比伦关于啤酒的 酿造的记载大约有6000年的历史。
该时期的特点是：处于自然和手工操作 状态，不知道微生物的存在。
固体发酵(solid state fermentation)
固态(基质)发酵
(solid substrate fermentation)
根据微生物对氧的需要
静置发酵
通气发酵
浅盘液体发酵
浅盘固体发酵
深层固体发酵
深层液体发酵
根据物料和产物的进出方式
分wk.baidu.com发酵
补料分批发酵
连续发酵
半连续发酵
分批发酵中菌体的生长
至上世纪70年代，由于分子生物学的发
展，人们开始用“基因工程菌”来生产某些
产品，如：胰岛素、干扰素、人或动物的激
素等。
当前发酵工业的发展：主要是在工
艺设备方面，通过监控技术的提高，使
整个生产设备、工艺过程不断向电脑化、
自动化的方向发展。
三、发酵的生产方式
(一)生产方式
根据发酵物的状态
液体发酵(liquid state fermentation)
酒类、醇类和溶剂类的制造
食用酒和酒精的生产有专门的 章节介绍。 发酵生产的醇类和溶剂主要有： 甘油、丙酮-丁醇、异丙醇、核糖醇 等。
丙酮-丁醇发酵
丙酮是良好的溶剂，也是国防工 业、有机合成重要的原料，丁醇适合 于汽车涂料。
丙酮-丁醇的产生菌是：丙酮丁 醇梭菌(C.acetobutylicum)。
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
酶
微生物能合成种类繁多的酶，有相 当多的酶适合于工业化生产，如：淀粉 酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶等。
五、发酵工程的范畴
1、酒类、醇类及溶剂类的制造 2、发酵食品工业 3、抗生素类的发酵生产 4、有机酸的发酵生产 5、氨基酸的发酵生产 6、酶制剂生产 7、生理活性物质的发酵生产 8、核苷酸类物质的发酵生产 9、微生物菌体的生产 10、其它：生物能源，微生物净化环境，微生物 在矿业中的应用等
发 酵 工 程
课程介绍：
发酵工程是一门应用课，是将微生 物学知识应用于生产实际的一门重要课 程，发酵工程在食品、医药、化工原料、 饲料、生物能源、环境净化等行业都具 有广泛的应用。
讲课：24学时
实验：24学时
使用教材和主要参考书：
1.《发酵微生物学》(1993)颜方贵主编，中国农 业大学出版社 2.《微生物工程》(2002)曹军卫、马辉文主编， 科学出版社 3.《发酵工艺原理》(2000)熊宗贵主编，中国医 药科技出版社 4.《分离纯化工艺原理》(2000)顾觉奋主编，中 国医药科技出版社 5.《微生物工程》(2003)焦瑞身主编，化学工业 出版社
1680年：显微镜发明，Leeuwenhoch 发现 了微生物 1857年：Louis Pasteur 证明发酵是微生物 的作用 1897年：Edward Buchner 兄弟证明发酵是 酶的作用
(二)纯培养技术建立
19世纪初，R.Koch 应用固体培养基分离 微生物，纯培养技术建立。由于该技术的应 用，发酵生产技术得到改进，发明了简便的 密闭式发酵罐，采用了灭菌技术，发酵工业 逐渐进入现代工业行列。
微生物菌体 单细胞蛋白
面包酵母
微生物杀虫剂 大型真菌的培养
其它
动植物细胞培养
冶金工业中的脱硫 生物能源－沼气
污水处理
5、合成的专一性 初级代谢产物是普遍存在的，各类微生 物都能合成，但其酶反应有高度专一性，一 般只与一种底物反应生成一种产物。
次级代谢产物的合成有明显的种、属特 异性，往往只局限于某些种内，产物往往以 一族化合物的形式出现。
6、合成条件 初级代谢产物的形成一般只需简单的营 养条件，并在各种生长条件下都能形成。 次级代谢产物形成则需复杂营养条件， 并且在特定的培养条件下形成，尤其是过量 生产。
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