发酵工程 第1章 绪论

1、 本章内容本章内容 一、发酵工程的定义及在生物技术中的地位一、发酵工程的定义及在生物技术中的地位二、发酵工程发展简史二、发酵工程发展简史三、发酵工业的特点及其应用范围三、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五、发酵工程前沿及应用前景一、发酵工程定义及在生物技术中的地位一、发酵工程定义及在生物技术中的地位n1.1.何谓发酵？何谓发酵？n2.2.发酵工程概念？发酵工程概念？n3.3.发酵工程在生物技术中的地位发酵工程在生物技术中的地位 何谓发酵？何谓发酵？ ferver：发泡、沸腾：发泡、沸腾 fermentation微生物的

2、发酵现象发酵现象请看下面现象请看下面现象对发酵现象的不同理解对发酵现象的不同理解 两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物） 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能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。为电子受体的氧化还原产能反应。生化和生理学意义上（侧重能量代谢）生化和生理学意义上（侧重能量代谢）如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精, ,同时释同时释放出放出COCO2 2。 6对发酵现象的不同理解对发酵现象的不同理

3、解 两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物） 发酵是指有机化合物进行无氧代谢发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量释放能量的过程的过程厌氧发酵是厌氧菌借助氧化厌氧发酵是厌氧菌借助氧化- -还原反应释放能量还原反应释放能量的过程的过程 发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不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完全氧化释放能量的过程 生生物物化化学学家家生物化学家看待微生物发酵过程：生物化学家看待微生物发酵过程：7工业工业微生微生物学物学家家通过培养生物细胞（包括动、植物细通过培养生物细胞（包括

4、动、植物细胞）来合成产物的过程。胞）来合成产物的过程。通过微生物的生长繁殖和代谢活动来通过微生物的生长繁殖和代谢活动来大量积累生产人们所需产品过程的理大量积累生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系。（论和工程技术体系。（P P1 1) )侧重产品的生产：侧重产品的生产：2. 2. 发酵工程概念？发酵工程概念？ 微生物细胞加工技术过程优化与放大微生物细胞加工技术过程优化与放大 传统发酵工程：传统发酵工程：利用利用微生物微生物的生长和代谢活动的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的来大量生产人们所需产品的过程理论与工程过程理论与工程技术体系技术体系。（。（p1)该技术体系主要包括菌种选育与保藏、

5、菌种扩该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。备等技术集成。现代发酵工程：是将是将DNADNA重组及细胞融合技术、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）。技术体系（新一代工业生物

6、技术）。 强调现代生物技术、控制技术和装备技术在强调现代生物技术、控制技术和装备技术在传统与现代传统与现代发酵工业领域的集成应用。发酵工业领域的集成应用。传统发酵工业：传统发酵工业：酿造及食品酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生微生态制剂、生物农药、生物肥料等物肥料等现代发酵工业：现代发酵工业：基因工程药物、基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工化学品等，以及传统发酵工业升级。业升级。 传统大型发酵工传统大

7、型发酵工业的中央控制业的中央控制 现代发酵工业现代发酵工业的中央控制的中央控制 123. 3. 发酵工程在生物技术中的地位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。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发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。础，是生物技术产业的核心。生物技术体系生物技术体系酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程 产物产物 产品产品 产品产品基因工程基因工程强调过程优

8、强调过程优化与控制化与控制 分离和纯化产品。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和技术，以及产品检验和包装技术等包装技术等 下游技术发酵过程控制，主要包发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分菌环境的控制，过程分析和控制等析和控制等 中游技术 优良菌株的选育和保藏优良菌株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造菌种代谢路径改造等）等）上游技术上中下游相互关联！上中下游相互关联！二、发酵工程发展简史二、发酵工程发展简史19001900以前以前 自然

9、发酵阶段自然发酵阶段190019001940 1940 纯培养技术的建立纯培养技术的建立194019401950 1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立通气搅拌纯培养发酵技术的建立195019501960 1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立诱变技术与代谢控制发酵技术的建立196019601970 1970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）开拓发酵原料时期（石油发酵时期）19701970年以后年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞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。大规模培养技术的全面发展。 近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的近年来，以现代生物技术和过

10、程工程技术为基础的 现代发酵工业突飞猛进。现代发酵工业突飞猛进。自然发酵阶段自然发酵阶段主要是酿造工业主要是酿造工业主要产品主要产品：酒、酒精、醋、啤酒、：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等干酪、酸乳等1717世纪，能在容量为世纪，能在容量为15001500桶（一桶约桶（一桶约136136升）的升）的 木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 17571757年应用温度计年应用温度计主要特点：嫌气发酵，非纯种培养主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质，产品质 量不稳定量不稳定纯培养技术的建立纯培养技术的建立KochKoch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养首

11、先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养PetriPetri创造一种培养皿创造一种培养皿( (petri dish) )用于微生物平板分用于微生物平板分离离主要产品主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等第一次世界大战，第一次世界大战， Weizmann 发明了丙酮丁醇发发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的酵，建立了真正的无杂菌发酵无杂菌发酵。在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术。术。主要特点主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品质量控：纯培养为主、嫌氧发酵，产品质量控制水平大大提高。制水平大大提高。纯培养技术的建立纯培养技术

12、的建立l二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。素的发现，迅速形成工业大规摸生产。l19281928年由年由 Fleming发现青霉素发现青霉素 l19411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1 1升扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥形瓶，内装200mL200mL麦麸培养麦麸培养基基 40u/ml40u/mll19431943年沉浸培养：年沉浸培养： 5m5m3 3 200u/ml 200u/mll当今：当今：100m100m3 3200m200m3 3

13、 5-7 5-7万万u/mlu/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立标志：标志：纯种培养深层发酵生产青霉素纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。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的密封与抗污染设计解决了耗氧发酵中的杂菌污染问题。问题。主要特点：主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发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

14、。酵，一系列过程工程技术创新。意义：意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展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奠定了现代发酵工业的理论和实践基础通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立 大型发酵罐搅拌装置大型发酵罐搅拌装置1.2 1.2 发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史n180M3发酵罐车间发酵罐车间大型空气压缩机大型空气压缩机n1.2 1.2 发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史 发酵车间的空气过滤器代谢控制发酵技术的建立代谢控制发酵技术的建立基于代谢途径及其调控实现微生物菌

15、种选育和控制发酵。基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。 代谢控制发酵技术：代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。累目标发酵产物。主要应用主要应用：氨基酸氨基酸、有机酸及核苷酸等基于初级代谢产物有机酸及核苷酸等基于初级代谢产物的发酵生产，以及抗生素等的发酵生产，以及抗生素等 开拓新的发酵原料时期开拓新的发酵原料时期目的目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源源 技术进步技

16、术进步：n发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术发酵技术 n计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发酵过程自计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发酵过程自动控制，促进发酵工业朝动控制，促进发酵工业朝连续化、自动化方向连续化、自动化方向发展发展 特点特点：n解决发酵原料及人畜争粮问题；解决发酵原料及人畜争粮问题；n规模和自动化程度显著提高，能耗过大。规模和自动化程度显著提高，能耗过大。开拓新的发酵原料时期开拓新的发酵原料时期基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）n主要标志主要标志 基因工程产品生产以及基因工程产品生

17、产以及基因工程技术应用基因工程技术应用n世界上已批准上市的世界上已批准上市的基因工程药物有几十基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人种，如：胰岛素、人生长激素等。生长激素等。29主要特点主要特点n基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及基因工程技术、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发酵过程优化及放大技术的全面进步 n高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因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工程菌构建及产品的发酵生产n主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起技术的兴起基因工程阶段

18、（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段） 人胰岛素人胰岛素人生长激素人生长激素(GH)(GH)表皮生长因子表皮生长因子(EGF)(EGF)肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子白细胞介素白细胞介素-2(IL-2)-2(IL-2)尿激酶原尿激酶原猪生长激素猪生长激素(PGH)(PGH) 牛生长激素牛生长激素(BGH)(BGH)纤维素酶纤维素酶, , - -干扰素干扰素乙型肝炎疫苗乙型肝炎疫苗集落刺激因子集落刺激因子(CSF)(CSF)促红细胞生成素促红细胞生成素(EPO)(EPO)抗血友病因子抗血友病因子组织溶纤原激活剂组织溶纤原激活剂(t-PA)(t-PA)部分利用基因工程技术研制的产品部分

19、利用基因工程技术研制的产品发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素抗菌素发酵抗菌素发酵工业工业氨基酸氨基酸, ,核酸发酵（代谢控制发酵）核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌基因工程菌动动物细胞大规模培养物细胞大规模培养植物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培藻类细胞大规模培养养转基因动物转基因动物第一个转折点：非食品工业第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢第三个转折点：切断支路代谢: :酶的活力调控酶的活力调控, ,酶的合成调酶的合成调 控控( (反馈控制和反馈阻遏反馈控

20、制和反馈阻遏),),解除菌体自身的反解除菌体自身的反馈调节馈调节, , 突变株的应用突变株的应用, ,前体、终产物、副产前体、终产物、副产物等物等近代转折点：基因、动物、海洋近代转折点：基因、动物、海洋发酵工程发展简史发酵工程发展简史三、发酵工业的特点三、发酵工业的特点 发酵过程一般是在发酵过程一般是在常温常压常温常压下进行的生化反应，反应下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。安全，要求条件较简单。 可用较廉价原料生产较高价值产品。可用较廉价原料生产较高价值产品。 反应专一性强。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

21、行特定部位的生物转化修饰。化合物进行特定部位的生物转化修饰。 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。菌种是关键。菌种是关键。发酵生产不受地理、气候、季节等自然条发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。件限制。发酵工业的特点发酵工业的特点发酵工业的范围发酵工业的范围微生物菌体微生物菌体 酶制剂酶制剂 代谢产物代谢产物 生物转化生物转化微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用n 利用微生物消除环境污染利用微生物消除环境污染n 利用微生物发酵保持生态平衡利用微生物发酵保持生态平衡n 微生物湿法冶金微生物湿法冶金n 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域利用基因工程菌

22、株开拓发酵工程新领域微生物菌体微生物菌体n传统菌体发酵传统菌体发酵工业工业n现代菌体发酵工业现代菌体发酵工业酵母发酵酵母发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵杀虫剂杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌绿僵菌 疫苗疫苗n新的菌体发酵产品新的菌体发酵产品: 药用功能菌体药用功能菌体 茯苓菌茯苓菌茯苓茯苓 担子真菌担子真菌灵芝、香菇类灵芝、香菇类 虫草头孢菌虫草头孢菌 密环菌密环菌 微生物菌体微生物菌体 面包酵母面包酵母 藻类藻类芽孢杆菌和伴孢晶体芽孢杆菌和伴孢晶体 虫草头孢菌发酵生产虫草虫草头孢菌发酵生产

23、虫草 酶制剂酶制剂n广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工n酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等n药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等n食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等n基因重组技术用酶制剂：核酸酶（基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、限制性内切酶、DNA连接酶等。连接酶等。n饲料酶制剂：木聚糖酶、饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、

24、纤维素酶等葡聚糖酶、纤维素酶等 微生物转化 在用维生素在用维生素C C一步和二步发酵法生产中一步和二步发酵法生产中, ,起主要氧起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-(D-山梨醇或山梨醇或L-L-山山梨糖梨糖) )的分子结构进行特异性改变。的分子结构进行特异性改变。 微观分类：（1 1）酿酒工业）酿酒工业 （2 2） 发酵食品工业发酵食品工业（3 3）有机溶剂发酵工业）有机溶剂发酵工业 （4 4） 抗生素发酵工业抗生素发酵工业（5 5）有机酸发酵工业）有机酸发酵工业 （6 6）酶制剂发酵工业）酶制剂发酵工业（7 7） 核甘酸类物质发酵工业核甘酸类物质发酵工业 （

25、8 8）氨基酸发酵工业）氨基酸发酵工业 （9 9）生理活性物质发酵工业）生理活性物质发酵工业 （1010） 维生素发酵工业维生素发酵工业 （1111）菌体蛋白发酵工业）菌体蛋白发酵工业 （1212）环境净化工业）环境净化工业（1313）生物能工业）生物能工业 （1414） 微生物冶金工业微生物冶金工业44发酵工业简介发酵工业简介n发酵食品发酵食品n有机酸有机酸n氨基酸氨基酸n核酸类物质核酸类物质n酶制剂酶制剂n医药工业（抗生素医药工业（抗生素）n饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白n环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）n其它其它 （冶金工业（冶金工业） Fermentation Ind

26、ustry nFermented FoodsnOrganic AcidsnAmino AcidsnNucleotidesnEnzymes nPharmaceutical (Antibiotics)nFeedstuff (eg. SCP)nEnvironmental Application (Waste Treatment)nOthers (eg. Metallurgical industry)45四、工业发酵的类型四、工业发酵的类型 固体发酵固体发酵 厌氧发酵厌氧发酵 需氧发酵需氧发酵 兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵 液体发酵（包括液体深层发酵）液体发酵（包括液体深层发酵）按培养基物理性状按培养基物

27、理性状 浅盘固体发酵浅盘固体发酵 深层固体发酵（机械通风制曲）深层固体发酵（机械通风制曲） 按微生物对氧需求按微生物对氧需求按发酵工艺流程按发酵工艺流程分批发酵分批发酵补料分批发酵补料分批发酵连续发酵连续发酵单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵四、工业发酵的类型四、工业发酵的类型按菌的种类按菌的种类单菌种发酵单菌种发酵多菌种混合发酵（混合菌发酵）多菌种混合发酵（混合菌发酵）新发展的微生物培养方法新发展的微生物培养方法n载体培养载体培养n两步法液体深层培养两步法液体深层培养发酵工业的基本生产过

28、程发酵工业的基本生产过程空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源等营养物质灭灭 菌菌产物分离纯化成品49发酵工业的基本生产过程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用作种子扩大培养及发酵生产的各种培 养基的配制；养基的配制；2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；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，以一定比扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比 例接种入发酵罐中；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控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；谢产物；5.

29、将产物提取并精制，以得到合格的产品；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。回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。发酵工业的基本生产过程发酵工业的基本生产过程发酵工业的典型过程深层发酵过程发酵工业的典型过程深层发酵过程发酵工业发展趋向及应用前景发酵工业发展趋向及应用前景n基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。 n采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。n 不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，n 计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。n强调代谢机理与调控研究，使微生物的机强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。能得到进一步开发。n生