传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
3. 发酵工程在生物技术中的地位
生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠 生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提 供产品或为社会服务的技术。 发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。
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高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素 高转化率：微生物代谢途径和过程条件 高效率：微生物反应动力学和系统优化 低成本：技术综合及产业化技术集成 环境友好：开发清洁生产技术
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发酵过程优化技术
条件 确定
菌种 改造 发酵 工艺 优化
发酵 产物 分离 纯化 综合 治理 技术 优化
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本章内容
一、发酵工程定义及在生物技术中的地位 二、发酵工程发展简史 三、发酵工业的特点及其应用范围 四、工业发酵的类型与典型过程 五、发酵工程前沿及应用前景
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现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技
术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、 过程工程优化与放大技术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（新一代工业生物技术）。
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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) 纤维素酶 , -干扰素 乙型肝炎疫苗
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)
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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侧重产品的生产：
发酵是利用微生物培养来生产产物
工业 微生 物学 家
的无氧或需氧的任何过程
利用生物细胞（包括动、植物细胞）
培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）
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发酵现象的本质

教材
余龙江主编. 发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，2006-2008
参考书籍
俞俊棠等主编. 生物工艺学(上下册). 华东理工大学出版社 梅乐和等主编. 生化生产工艺学. 科学出版社
姚汝华主编. 微生物工程工艺原理. 华南理工大学出版社
Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles
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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
下游 技术
上中下游相互关联！
生物技术体系
强调过程优 化与控制
基因工程 细胞工程 酶工程
发酵工程
产物 产品
生化工程
产品
产品
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（一）发酵工程发展简史
1900以前 1900—1940 1940—1950 1950—1960 1960—1970 1970年以后 自然发酵阶段 纯培养技术的建立 通气搅拌纯培养发酵技术的建立 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 开拓发酵原料时期（石油发酵时期） 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。
组织溶纤原激活剂(t-PA)
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牛生长激素(Biblioteka GH)发酵工程的主要前沿进展

原料拓展： 可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料） 过程优化技术 多尺度生物反应器优化控制技术



生物炼制
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以高产量、高转化率和高效率及低 成本为目标的发酵过程优化技术
初始 条件
过程 分析
过程 强化
过程 优化
1 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选 2 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化
3 基于实时代谢流分析、代谢途径模型 与自动控制技术的发酵过程优化控制
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提取精制 技术集成 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集成
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
广 学 义 和 发 工 酵 程 工 学 程 的 对 要 生 求 物
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

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A
μ
B
S0
S
基质浓度对A、B两种菌的比生长速率（μ）的影响
当S<S0时，富集什么菌株？
当S>S0时，富集什么菌株？
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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
细胞代谢网络示意图
多层次复杂系 统多尺度优化 控制技术
生 物 炼 制
石 油 炼 制
（一）发酵工业的特点
发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应， 反应安全，要求条件较简单。
可用较廉价原料生产较高价值产品。
反应专一性强。 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的生物转化修饰。
of Fermentation Technology. (2nd Edition)
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《发酵工程》教材
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考 核方式

闭卷考试占70％
高水平科技文献阅读翻译占15％
平时课堂提问、作业与考勤占15％
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（一）发酵工业的特点
发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
菌种是关键。 发酵生产不受地理、气候、季节等自然 条件限制。
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（二）发酵工业的范围
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
1.
何谓发酵？
－－请看下面现象
微生物的
发酵现象
ferver：发泡、沸腾
fermentation
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对发酵现象的不同理解
－－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） （1）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量） （2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量） 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 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。
强调现代生物技术、控制技术和装备技术 在传统与现代发酵工业领域的集成应用。
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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。


的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等
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开拓新的发酵原料时期


目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲 料蛋白质的来源 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
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纯培养技术的建立
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 主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等
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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 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。
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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。

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基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）

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。
生 物 化 学 家
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对发酵现象的不同理解
－－两种角度（能量、产物）
生物化学家看待微生物发酵过程：
发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 生 物 化 学 家 发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量 的过程
厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程 需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不 完全氧化释放能量的过程
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微生物菌体

传统菌体发酵工业
酵母发酵 菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵

杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢 杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、 现代菌体发酵工业 绿僵菌 疫苗
显微镜观察：微生物
著名的巴斯德实验：微生物作用 著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用