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。
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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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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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“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
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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。
6·微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。
7·工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。
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发酵的类型按发酵原料来区分
糖类物质发酵
石油发酵
废水发酵
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按发酵形式来区分
固态发酵
深层液体发酵
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按发酵产物区分
氨基酸发酵
有机酸发酵
抗生素发酵
酒精发酵
维生素发酵
酶制剂发酵
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按发酵工艺流程区分
分批发酵
分批补料发酵
连续发酵
发酵的类型
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按发酵过程中对氧的不同需求来分
好氧发酵
厌氧发酵
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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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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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菌体
工业生产的微生物体，可分为二种：
供制备面包用的酵母；
作为人类或动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白质）。
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微生物的酶
工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。
微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。
而且与植物或动物相比，改进微生物的生产能力也方便得多。
酶的生产是受到微生物本身严格控制。
为改进酶的生产能力可以改变这些控制，如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。
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微生物代谢产物---代谢产物的类别
初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等。
次级代谢产物：有些微生物的稳定期培养物中所含有的化合物，并不在营养期时出现，而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响。
例如，抗生素。
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微生物代谢产物---初级代谢产物及其在工业上的用途举例
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生物转化过程---定义
生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合物。
转化反应是催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。
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生物转化过程---特点
反应条件温和(30-40℃，常压，水相反应)
反应选择性高
反应产物纯度高（包括光学纯）
反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）
反应收率主要取决于菌种的性能
设备简单
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生物工程重要的组成部分
发酵工程( Fermentation )
酶工程(蛋白质工程) (Enzyme engineering & Protein engineering)
基因工程( Genetic engineering)
细胞工程( Cell engineering )
发酵工程的过去－－发酵工业发展年鉴
由食品工业向非食品工业发展
抗菌素发酵工业
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异位生物修复
原位生物修复
◆土著原位
◆工程原位
废水生物处理工程
生物修复
发酵工程的现在－－解决的问题
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1 微生物菌株选育→→微生物菌株选育、改造与功能优化技术工业环境与自然环境的巨大差异
微生物长期进化的经济型生存本能
发酵工程的障碍
微生物及其分子的适应能力
微生物效率与产率
技术手段：
代谢组学
流量组学
代谢工程
生物信息学
高通量筛选
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2 发酵工艺→→发酵过程优化、控制与反应器技术
优化的目标是创造最适合微生物或酶工作的环境
需要发展过程环境参数和微生物生理参数的在线监测技术
基于工业微生物生理的发酵过程模型化、预测和控制技术
基于人工智能的生物转化过程精细控制技术
发酵工程的现在－－研究的内容
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3 单元操作→→发酵工程过程工程技术
细胞群体效应及过程放大原理
1 大规模细胞群体行为及过程放大原理
多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律
2 生化反应过程放大原理与方法
3 多相生化特性分析及生物过程模型化
4 生物/化学方法耦联设计与调控
生物过程单元耦合与过程优化原理
5 工业生物过程单元耦合与集成
6 工业生物过程的系统控制与优化
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4 发酵产品分离提取工艺→→发酵产品高效提取技术与装备
发酵罐
1、提高产品收率
2、降低生产成本
目标
生物反应与产物分离的耦合技术
新型分离介质和新型分离方法
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5废物处理→→绿色制造工艺的开发
1·利用微生物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与转化的先进生产方式
2·针对高污染、高能耗的化学工业过程，以生物加工取代化学加工
3·采用酶技术等方法，改造造纸、皮革、纺织、医药、食品等行业
节约能耗、降低水资源消耗、降低污染物排放、实现环境友好过程
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发酵工程的现在－－关键技术问题
1 微生物能够积累最大目的产物(产量)的条件是什么？
高产量便于产品分离提取
2 底物最多被微生物转化为产物(转化率)的条件是什么？
粮食原料为底物高转化率降低原料成本
3 微生物最快速度发酵生产目的产物的条件是什么？
分批操作为主高生产强度缩短生产周期
高产量
高底物转化率
高生产强度
优化策略
在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用
显著提高发酵过程的经济性和科学性
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发酵工程的现在
1 发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求和社会发展，主要目标已从生活资料的生产转向解决资源、能源和环境问题
2 发酵工程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的工程技术
3 发酵工业与其它学科的交叉，已经从产品生产过程拓展到关键技术、方法学
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发酵工业的现在
4 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
5 产品种类多
5000多家, 相关产业年产值超过2万亿元，占国民经济的20%
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6 工艺技术落后
7 环境污染严重
每年废水达80亿m3(工业排放总量10%)，COD排放500万吨(20％)
生产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%
8 创新品种较少部分产品长期依赖进口
中国不是发酵工业强国
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1 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选平台
2 基于组学和生物信息学的代谢途径分析与优化
3 基于实时代谢流分析、代谢途径模型和智控工程的集约型发酵过程控制与优化技术
4 基于发酵液及产品特性的高收率、低成本、高质量和环境友好的集成型提取精制技术
5 基于源头防治与过程监控的资源节约与废物资源化清洁生产技术。