生物甲基化
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）
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
CONTENTS
一、发酵工程的概念 二、发酵工程的发展简史 三、发酵工程的基本内容＊ 四、发酵过程的主要发酵类型 五、发酵工程的后处理＊＊
第一节 发酵工程的概念
发酵 芽母 谷作 物用 产于 生果
汁 或
－－请看下面现象
微生物的
发酵现象
ferver：发泡、沸腾 fermentation
CO2
一.对发酵现象的不同理解
部分利用基因工程技术研制的产品
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)
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)
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
组 氨 酸 （ C 6N 3)
核糖
苯 丙 氨 酸 （ C 9N )
戊糖
葡萄糖
色 氨 酸 (C 11N 2)
丁糖
莽草酸
丙糖
酪 氨 酸 （ C 9N )
（ C7)
半胱氨酸 丝 氨 酸（ C 3 N )
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
2.纯培养技术的建立（近代发酵时期）
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
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
发酵工业的其他产品
工
业 发
代谢产物和细胞分离 过滤、离心、沉淀
酵
基
本
代谢产物的分离 副产品或废物处理
细胞的加工
过
程
代谢产物分纯或加工
产品
发酵工业的典型过程 －－深层发酵过程
3. 发酵工程技术特点
主体微生物的特点
种类繁多 繁殖速度快 代谢能力强 易通过人工 诱变获得有 益菌株
酶种类繁 多
催化各种 生化反应
能利用无机 物、有机物 等各种营养 物质
家
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。
生物化学家看待微生物发酵过程：
生
发酵是微生物在无氧条件下分解代谢有机 物释放能量的过程。
物
化
学
发酵是微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制
家
备微生物菌体或其代谢产物的过程。现代
§第三节、发酵工程基本内容
（一）发酵工程的一般特征
1、发酵工业一般是在常温常压下进行的生物化学反应，反应条件 比较温和。 2、可用较廉价的原料生产较高价值的产品。 3、发酵过程是通过生物体自适应调节来完成的，反应的专一性强， 因而可以得到单一性的代谢产物。 4、易产生复杂高分子化合物。 5、高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原、官能 团导入。 6、生产发酵产物的生物物质菌体本身也是发酵产物。 7、发酵生产需要注意防止染菌。 8、发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件的限制，可改良菌 种。
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
上中下游相互关联！
下游 技术
和程广
要 求
工 程 学
对 生 物
义 发 酵
的学工
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
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。
3.基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）
▪ 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
酵母发酵 传统菌体发酵工业
菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵
杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢
现代菌体发酵工业
▪ Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of
Fermentation Technology. (2nd Edition)
考 核方式
闭卷考试占70％ 平时课堂提问、作业、笔记、课堂论文
与考勤占30％
第一章 发酵工程概述
二.发酵工程概念？ －微生物细胞加工技术过程优化与放大
1.现代发酵工程：利用微生物特定性状和功能，将 DNA重组及细胞融合技术、分子修饰和改造等新技 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。
主要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
代谢控制发酵技术的建立
例接种入发酵罐中； 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。
菌种 活化 扩大培养
发酵原料
预处理
粗选、除杂、粉 碎加工等
发酵培养基的配制
灭菌
微
生
物 进一步扩大培养
大型发酵 测量和控制发酵温度、PH、溶解氧
甘 氨 酸(C2N)
丙氨酸 （ C3N)
赖 氨 酸 （ C 6N 2)
蛋 氨 酸 （ C 5N 5)
丙酮酸
A D P(C 7N 2)
乙酸 CO2
缬 氨 酸 （ C5N) 亮氨酸
天 门 冬 氨 酸 （ C 4N )
草酰乙酸 (C4)
柠檬酸 (C6)
苏 氨 酸 （ C 9N )
α － 酮 戊 二 酸(C5)
代谢产物的生物 合成与分离纯化
完整发酵工程：投入原料获得最终产品 发酵和提取
主要研究 解决工艺和设备问题 实验室和中试成果迅速扩大到工业生产中
2. 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
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