Fermentation engineering
发酵工程组成
上游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES
FERMENTATION Process Control
从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程
Fermentation engineering
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（3）第三个阶段（1940年以后）
这以阶段的标志是，在纯种培养
技术下，以深层培养生产青霉素 解决向培养基中通入大量无菌空 气和高粘度培养液的搅拌问题
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（4）第四个阶段（1960年以后）
以烃为碳源生产微生物细胞作为
饲料蛋白质的来源 出现了不需要机械搅拌的高压喷 射和强制循环的发酵罐 工业上普遍采用分批培养和分批 补料培养法
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2，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。
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3，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。
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(5)按发酵过程中对氧的不同需求 来分
• 厌氧发酵 • 通风发酵
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4、发酵工业范围
（1）酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等) （2）食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳 等) （3）有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等) （4）抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等) （5）有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等) （6）酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)
过 程 催化用酶
淀粉葡萄糖苷酶 腈水化酶
产
品
葡萄糖
全球产量(吨)
10~2000万 30000
水解作用
尿激酶原
猪生长激素(PGH)
牛生长激素(BGH)
组织溶纤原激活剂(t-PA)
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2，重要发酵产品投入生产的年代
年 代 1880~1920 产 品
乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁醇 淀粉酶*、转化酶*
1920~1940
柠檬酸*、葡萄糖酸*、蛋白酶*、核黄素、
山梨糖
1940~1950 青霉素、短杆菌肽、链霉素、金霉素、新 霉素、两性霉素、衣康酸、纤维素酶*、 果胶酶*、淀粉酶
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1950~1960 谷氨酸、赖氨酸、土霉素、四环素、 新生霉素、红霉素、制霉菌素、卡那霉素、环 丝霉素、庆黄霉素、曲酸、柠檬素、葡萄糖酸、 过氧化氢酶、甾体氧化产物、赤霉素、葡聚糖、 单细胞蛋白、水杨酸
1960~1970 葡萄糖异构酶、糖化酶、氨基酰化酶、 脂肪酶、乳糖酶、头孢霉素、庆大霉素、林可 霉素、利福霉素、万古霉素、核糖霉素、杀稻 瘟菌素S、多氧霉素、泰勒霉素、缬氨酸、甾 体生物转化物、5’-核苷酸、生物杀虫剂、黄原 胶
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（5）第五个阶 段（1979年以后）
这个阶段以基因 工程产品的生产 为标志。 目前，世界上已 经批准上市的基 因工程药物就有 几十种，如：胰 岛素、人生长激 素等等。

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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) 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
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4，发酵工程（Fermentation Engineering）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。
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二、发酵工程概述


发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生 产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的 一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物 学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工 程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和 面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、 抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然 杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产 资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物 高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。
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。
发酵罐试验 菌种筛选
摇瓶试验
典型的发酵过程示意图
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发酵的流程
空气
空气净化处理
保藏菌种
斜面活化
碳源、氮源、 无机盐等营养 物质
扩大培养
种子罐 灭菌
主发酵
产物分离纯化
成品Βιβλιοθήκη 生物反应过程的组成部分原材料的预处理
生物催化剂的制备
生物反应器及反应条件的选择与监控 产品的分离纯化
（2）发酵生产的条件
某种适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 （培养基组成，温度，溶氧pH等） 进行微生物发酵的设备 提取菌体或代谢产物，精制成产品的方 法和设备
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（1）第一个阶段（1900年以前）
产品只限于含酒精饮料和醋
古埃及已经能酿造啤酒
17世纪能在容量为1500桶（一桶
相当于110升）的木质大桶中进 行第一次真正的大规模酿造 在1757年已应用温度计
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1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中
的酵母活动规律 Paster最终使科学界信服在发酵 过程中酵母所遵循的规律 18世纪后期，Hansen在Calsberg 酿造厂建立了酵母纯种培养技术
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（7） 氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等) （8） 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等) （9） 维生素发酵工业(维生素C、维生素B等) （10）生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等) （11）微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋 白等) （12）微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、 污水等) （13）生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵 生产酒精、乙烯等，能源物质) （14）微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、 石油脱硫等)
上游工程
UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation
FERMENTATION Process Control
Fermentation engineering
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3，发酵过程的组成部分
（1）发酵过程的组成
繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份 确定； 培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌； 培养出有活性、适量的纯种，接种入生 产容器中； 微生物在最适合于产物生长的条件下， 在发酵罐中生长； 产物提取和精制； 过程中排出的废弃物的处理。

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2，发酵工程的特点
（ 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。
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery
FERMENTATION Process Control
The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16
发酵工程 Fermentation Engineering
制药工程专业
第一章 绪论
第一节发酵工业概述 一、基本概念 1，发酵一词的来源 “发酵”（ Fermentation ）一词是拉丁语 “沸腾”（ fervere ）的派生词，它描述 酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气 泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液 中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧 化碳所引起的。
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5、发酵工程的地位

基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程
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第二节 发酵工业的发展史
一、国外发酵工业的发展概况 1，发酵工业发展的阶段： 天然发酵阶段（古代~1900年） 纯培养技术的建立（1905年~） 通气搅拌发酵技术的建立（1940年~） 开拓发酵原料时期（1960年~） 基因工程阶段（1979~）
在发酵技术中一般包括微生物细胞或 动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶， 固定化细胞所做的反应器加工底物（即有 生化催化剂参加），以及培养加工后产物 大规模的分离提取等工艺。主要是在生物 反应过程中提供各种所需的最适环境条件。 如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及 保证无菌状态。
1，发酵工程主要研究的内容 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵罐和 发酵原料以及各种连接管道进行灭菌的技 术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入无菌空 气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加 料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。