一、绪论1、发酵工程（Fermentation Engineering）：指在最适发酵条件下，在发酵罐中大大量培养细胞和生产代谢产物的技术。
2、发酵工程研究内容：发酵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等研究内容。
3、发酵工程的特点：一个完整的发酵工程包括：（1）材料的预处理（即培养基的制备过程）；（2）生物催化剂的制备（要选高产、稳定、高效、容易培养的菌株作种子或利用固定化酶或固定化细胞）;（3）生化反应器及发酵条件的选择和监控（生物反应器是进行生物反应的核心设备）；4、细胞融合技术：基因操作技术能定向的制造出新的有用的微生物。
5、发酵工程的最基本的问题是过程优化与放大。
二、菌种的选育1、代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。
3、自然界中有目的微生物分离的一般过程：土样的采取→预处理→培养→菌落的选择→产品的鉴定目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物采样时要注意的问题：气候、水分、空气，来源要广结合产品的特点，标签：地点、时间、气候等3、目的微生物富集的一些基本方法富集的目的：让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。
富集的三种方案：（1）定向培养:采用特定的有利于目的微生物富集的条件，进行培养；（2）当不可能采用定向培养时，则可设计在一个分类学中考虑；（3）不能提供任何有助于筛选产生菌的信息，这时只能通过随机分离的办法；定向培养的方法：物理方法：加热、膜过滤等，但主要是通过培养的方法4、菌落的选出（1）从产物角度出发：在培养时以产物的形成有目的的设计培养基，利用简单、快速的鉴定方法，如抗生素；（2）从形态的角度：菌落的外观形态，是微生物的一个重要表征。
如多糖产生菌在适当的培养基上生长，从具有粘液性的菌落外观上就可以初步识别；5、菌种选育分子改造目的：（1）防止菌种退化；（2）解决生产实际问题；（3）提高生产能力；（4）提高产品质量；（5）开发新产品；方法：（1）基因突变：自然选育、诱变育种；（2）基因重组：杂交、原生质体融合、基因工程；（3）基因的直接进化：点突变、易错PCR、同序法shuffling;三、微生物培养基1、培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。
同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。
发酵培养基的作用：满足菌体的生长，促进产物的形成2、发酵培养基的要求：（1）培养基能够满足产物最经济的合成；（2）发酵后所形成的副产物尽可能的少；（3）培养基原料因地制宜、价格低廉、且性能稳定、资源丰富、便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应；（4）所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等；3、培养基类型按培养基组成物质的纯度分类：合成培养基、天然培养基；按状态分类：固体培养基、半固体培养基、液体培养基；按用途分类:孢子培养基、种子培养基、培养基；4、发酵培养基的成分和来源（1）碳源［糖类（葡萄糖、糖蜜、淀粉湖精等）、油脂（豆油、菜油、棉籽油、猪油等）、有机酸（乳酸、醋酸等）、正烷烃（乙醇）］作用：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分;提供合成目的产物所必须的碳成分（2）氮源［有机氮源（花生饼粉、黄豆饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、鱼粉、尿素、菌丝体、酒糟等）、无机氮源（铵盐、硝酸盐、氨水）］作用：构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。
（3）无机盐及微量元素（来源：C、N源，以盐的形式补充）（4）生长因子、前体和产物促进剂1）生长因子：凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。
有机氮源是这些生长因子的重要来源，最有代表的是玉米浆；2）前体：前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产量和组分却因加入前体而有较大的提高。
在生产中为了减少毒性和增加前体的利用率常采用少量多次的流加工艺；3）产物促进剂:指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。
(5)水5、培养基的设计与优化培养基设计的步骤：①根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；③当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法；培养基的优化正交设计确定优化的配方：1、根据问题的要求和客观的条件确定因子和水平，列出因子水平表；2、根据因子和水平数选用合适的正交表，设计正交表头，并安排进行实验；3、对实验结果进行分析，选出较优的“实验条件”以及对结果有显著影响的因子。
对于分批发酵的优化控制分两个阶段：第一阶段：控制菌体的生长。
第二阶段：控制产物的合成。
培养基优化设计时，还需注意一些问题：（1）原料及设备的预处理；（2）、原材料的质量；（3）、发酵特性的影响；（4）、灭菌（湿热蒸汽灭菌法）；摇瓶——培养基设计的第一步反应器——最终优化的基础配方发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题四、种子扩大培养1、种子的扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。
这些纯种培养物称为种子。
2、种子扩大培养的目的：接种量的需要、菌种的驯化、缩短发酵时间、保证生产水平。
3、作为种子的准则：（1）菌种细胞的生长活力强，移种至发酵罐后迅速生长，迟缓期短；（2）生理性状稳定；（3）菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；（4）无杂菌污染；（5）保持稳定的生产能力；3、种子制备的阶段：（1）实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此现象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养；（2）生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归为发酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段；4、培养基选择的原则（1）培养基的选择应该是有利于菌体的生长，对孢子培养基应该是有利于孢子的生长。
（2）在原料方面，实验室种子培养阶段，规模一般比较小，因此为了保证培养基的质量，培养基的原料一般都比较精细。
5、培养基（1）斜面培养基培养基特点：有利于菌体的生长，原料比较精细。
生长斜面要求：生长良好，所使用斜面连续传代不超过3次。
（2）一级种子（摇瓶）培养基特点：有利于菌体的生长，所使用的原料已经基本接近于发酵培养基。
（3）二级种子（种子罐）培养基特点：长菌体，更接近于发酵培养基。
五、发酵过程动力学1、发酵过程的反应描述及速度概念比速：单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念比生长速率，单位为时间的倒数，有一个精确的生物学含义：它表示在固定的生长时间内由已有的数量确定的个体产生的新个体数。
数值越大，群体中产生新个体的速率也越大。
2、单一基质存在下，微生物发酵满足方程Monod方程U=Umax ·S/ (Ks+S)μ：菌体的生长比速；S：限制性基质浓度；Ks：半饱和常数；μmax: 最大比生长速度S单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。
半饱和常数Ks：通常是用来衡量生物物种对营养物质的亲和性，K S值小，表示亲和性好，只要很低的营养物浓度就使种群增值率达到最大生长率的一半即μmax/2。
3、连续发酵使其处于稳定状态的要求：在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。
即D=F/V=μ。
六、氧的供需及对发酵的影响1、溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。
在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。
2、比耗氧速度或呼吸强度（Qo2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，m mol O2·g菌-1·h-1摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。
m mol O2·L-1·h-1 。
3、C cr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
一般对于微生物： C Cr: ＝1～15%饱和浓度氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1。
4、反应器中氧的传递发酵液中氧的传递方程：N=Kg（P-Pi）=Kl（Ci-C）（N：传氧速率kmol/m2.h；Kg: 气膜传质系数kmol/m2.h.atm；K l: 液膜传质系数m/h）N=Kl（C*-C）（C*＝P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度；K L: 以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)；）再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)Nv=Kla（C*-C）（v：体积传氧速率kmol/m3.h；K la: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1）调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。
影响Kla的因素：n (转速)、d（挡板直径）、q（通气量）及空气分布器、液体的粘度。
Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。
5、发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成6、不同发酵设备对传氧的不同点：发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐1、摇瓶：1）、摇瓶机种类：往复，频率80-120分/次，振幅8cm；旋转，偏心距25、12,转速250rpm。
2）、装液量：一般取1/10左右。
2、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点：1）、小型发酵罐，转速可调2）、大型发酵罐，转速往往不可调，对大型反应器的合理设计，注意工艺配套。
7、发酵过程中溶氧浓度监控的意义（1）考察工艺控制是否满足要求；（2）其它异常情况的表征染菌、噬菌体、设备和操作故障；（3）间接控制的措施；七、发酵过程的代谢控制1、发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：过程的不确定性和参数的非线性2、分批发酵：简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。
整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。
补料分批培养：在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。
在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。