发酵工程概述

发酵工程概述1第1页，共110页，2023年，2月20日，星期三第一章发酵工程概述

第一节发酵工艺学的定义和特点一、生物工艺学：应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务。1982年国际合作及发展组织提出的。生物作用剂（生物催化剂）不单是微生物细胞，还包括动、植物细胞、酶。二、参考书：《氨基酸发酵工业学》、《酒精与蒸馏酒工艺学》三、特点1．生物技术的多学科性2．生物催化剂的特性3．生物反应过程2第2页，共110页，2023年，2月20日，星期三1，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。3第3页，共110页，2023年，2月20日，星期三2，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。4第4页，共110页，2023年，2月20日，星期三3，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。5第5页，共110页，2023年，2月20日，星期三1．生物技术的多学科性生物学：生化、分子生物学、微生物学、细胞遗传学、生理学、分类学。化学：有机、无机、物化、分析化学。工程学：化学工程、机械工程、电子工程等。

要求知识全面。6第6页，共110页，2023年，2月20日，星期三1.1.1生物技术的多学科性7第7页，共110页，2023年，2月20日，星期三2．生物催化剂的特性生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称，它们在生物反应过程中起着催化剂的作用。生物技术：具体的技术手段及对生物技术各方面的总和。游离

细胞（动、植、微生物）活细胞（增殖细胞）

固定化生物催化剂灭活细胞（休止细胞）

游离

酶

固定化8第8页，共110页，2023年，2月20日，星期三活细胞催剂与酶催化剂的比较。

项目活细胞催化剂酶催化剂用途系列的串联反应产物可以是细胞本身或简单以至复杂的反应产物单酶—-单一反应多酶---若干串联反应物或多产物反应来源和价格少量种子液繁殖，价廉技术要求高，价格昂贵稳定性略高需不断维持较差辅酶再生新陈代谢中自行解决技术经济问题难解决原料要求粗放简单，要高纯度底物反应时间长短反应器及操作方式体积较大，较简单体积较小，但复杂过程控制复杂简单产品分离复杂简单工业应用较多较少9第9页，共110页，2023年，2月20日，星期三典型的发酵过程示意图10第10页，共110页，2023年，2月20日，星期三3．生物反应过程：将生物技术的实验结果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程统称为生物反应过程。包括：发酵过程，酶反应过程，动、植物细胞组织培养过程。11第11页，共110页，2023年，2月20日，星期三通常发酵生产过程是六部分组成原料预处理、种子培养（扩大）、空气除菌（好气性发酵）、发酵（主要阶段）、提炼、成品检验。上游技术的人一定要注意在产物提高的同时，毒素、色素等杂质不能太多，注意培养基的配比，为后面提取不产生困难。12第12页，共110页，2023年，2月20日，星期三发酵生产的条件某种适宜的生物细胞或酶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13第13页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、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。14第14页，共110页，2023年，2月20日，星期三3，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。15第15页，共110页，2023年，2月20日，星期三5，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。16第16页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、发酵工程的地位1.生物工程重要的组成部分发酵工程(Fermentation)

酶工程(蛋白质工程)(Enzymeengineering&

Proteinengineering)

基因工程(Geneticengineering)

细胞工程(Cellengineering)2.生物工程中其他技术产业化表达的重要手段基因工程菌动植物细胞培养3.生命科学研究的对象或载体17第17页，共110页，2023年，2月20日，星期三第二节发酵技术的发展简史18第18页，共110页，2023年，2月20日，星期三第一个转折点——微生物纯种分离培养技术建立自然发酵时期：知其然而不知其所以然，如厌气性——酒类，好气性——醋。微生物纯种分离培养技术，开创了人为控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。19第19页，共110页，2023年，2月20日，星期三20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接种、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模生产。第二个转折点

——通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）20第20页，共110页，2023年，2月20日，星期三以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。代谢控制发酵：利用生物化学或遗传学的方法，人为地改变或控制微生物代谢，使其有用产物大量积累的方法。第三个转折点

——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立21第21页，共110页，2023年，2月20日，星期三

发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、Ph、罐压、溶O2、Eh、空气流量、泡沫、CO2含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头等）

第四个转折点

——发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立22第22页，共110页，2023年，2月20日，星期三DNA重组技术大大推动了生物技术的发展。细胞融合技术：基因体外重组与克隆的工程菌株构建。DNA重组技术23第23页，共110页，2023年，2月20日，星期三

针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体，用化学合成法得到终产品或反之。第五个转折点

——微生物生物合成和化学反应合成相结合工程技术的建立24第24页，共110页，2023年，2月20日，星期三发酵技术的发展简史25第25页，共110页，2023年，2月20日，星期三26第26页，共110页，2023年，2月20日，星期三第三节发酵技术的应用一、发酵技术在食品工业中的应用二、发酵技术在医药工业中的应用

三、发酵技术应用于轻工、食品用酶的生产四、发酵技术应用于化工能源产品的生产

五、发酵技术在农业生产中的应用六、发酵技术在环保中的应用七、发酵技术用于金属浸取八、发酵技术应用于高技术研究开发27第27页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、发酵技术在食品工业中的应用1.含醇饮料2.传统调味品及发酵食品3.发酵乳品4.新技术生产的食品原料5.食品添加剂28第28页，共110页，2023年，2月20日，星期三

二、发酵技术在医药工业中的应用1．各种抗生素2．各种氨基酸3．维生素4．甾体激素5．生物制品6．单克隆抗体7．其它29第29页，共110页，2023年，2月20日，星期三3.1.2生物技术在医药方面的应用

基因工程药物生物工程药物就是利用生物工程技术制造的药物，是生物工程服务于社会的一类新产品。它和传统的化学药物以及从动、植物中提取药物的最大区别在于生产过程。通过基因工程或细胞工程培养出高产菌种或动、植物细胞株，称为“工程菌”或“工程细胞株”，再利用现代发酵技术大规模培养，从中提取出所需药物。30第30页，共110页，2023年，2月20日，星期三天然稀有的医用活性多肽或蛋白质：

用于抗病毒、抗肿瘤的药物干扰素和白细胞介素等；用于治疗心血管系统疾病的药物有尿激酶原及组织型溶纤蛋白酶原激活因子等；用于防治传染病的有各种疫苗，如乙型肝炎疫苗、腹泻苗等；用于体内起调节作用的激素有胰岛素和其它生长激素等。自从1982年美国首次批准基因工程胰岛素上市以来，各国已有十多种基因工程医药产品先后获准上市，有更多的基因工程产品正在进行不同阶段的临床试验。基因工程制药产业已经初步形成。31第31页，共110页，2023年，2月20日，星期三通过细胞工程可以生产医药用的单克隆抗体：

利用淋巴细胞杂交瘤株，通过大量细胞培养，可制备出高度专一和生物学结构单一的单克隆抗体。它在生物和医学的基础研究、疾病的诊断、预防和治疗中成为有力工具。32第32页，共110页，2023年，2月20日，星期三微生物催化反应：

利用微生物转化反应可以对化学方法难以合成的中间体进行合成，结合化学方法研制新的合成路线，从而生产活力更强的衍生物，例如更高效的抗肿瘤药物羟基喜树碱和前列腺素；通过基因诱变，使微生物产生新的合成途径，从而获得新的代谢产物，例如去甲基四环素等；利用微生物产生的酶，对药物进行化学修饰。33第33页，共110页，2023年，2月20日，星期三基因工程药物：

1977年美国加洲大学和国立医学中心将生长激素释放抑制因子基因与大肠杆菌pBB322质粒DNA实现了体外重组，并从10升这样大肠杆菌发酵液中提取到5mg这种激素。按常规需要50万只羊的脑才能提取。这是首次得到的基因工程药物。用于治疗心血管系统疾病的药物有尿激酶原及组织型溶纤蛋白酶原激活因子等；用于防治传染病的有各种疫苗，如乙型肝炎疫苗、腹泻苗等；用于体内起调节作用的激素有胰岛素和其它生长激素等,人生长激素、α-干扰素、人绒毛膜生长激素、促红细胞生成素、白细胞介素-2、凝血因子VII、抗胰蛋白酶、尿激酶等。有更多的基因工程产品正在进行不同阶段的临床试验。34第34页，共110页，2023年，2月20日，星期三基因诊断：

人类的遗传病有2000种左右，染色体数目异常、染色体畸变、基因结构改变都可导致先天性遗传疾病。如镰刀型红细胞贫血症就是由于血红蛋白β-亚基第6位氨基酸密码突变引起的，苯丙酮酸尿症则是由于苯丙氨酸羟化酶基因缺失引起。遗传病很难治，如果在胚胎发育早期就诊断出，则可以采用人工流产的方法预防出生，或在出生后早期治疗。一般，基因突变会导致其限制性内切酶识别位点的丢失或新生。一种称为“限制酶酶解片段长度多态性分析”方法可以检测出突变的基因。对于那些基因顺序明确，致病基因突变点已知的遗传病，可采用一种“等位特异性寡核苷酸探针检测法”进行诊断。“聚合酶链反应”技术，也常被用于诊断。35第35页，共110页，2023年，2月20日，星期三基因治疗：

基因治疗是目前医学上最热门的研究课题，1990年美国成功地为一位患重症联合免疫缺陷（腺苷脱氨酶缺陷）综合征的小女孩实施基因治疗，原来只能终生在无菌隔离条件下生存，现在回到了自然生活。近10年来，世界上已有近400基因治疗方案开始应用于临床，其中美国占了一半。由于起步时间短，基因治疗尚处于基础研究和临床试验阶段。我国转基因治疗计划已列入高科“863”计划已取得成果。复旦大学在血友病基因治疗方面取得进展。36第36页，共110页，2023年，2月20日，星期三“生物导弹”：

“生物导弹”是免疫导向药物的形象称呼，它由单克隆抗体与药物、酶或放射性同位素配合而成，因带有单克隆抗体而能自动导向，在生物体内与特定目标细胞或组织结合，并由其携带的药物产生治疗作用。生物导弹在核医学上，特别在人体扫描图技术和肿瘤定位方面已获得很大进展。例如，向病人血液中注射用示踪量放射性物质标记的单克隆抗体，抗体将携带放射活性物质通过全身血液渗透到所有组织。由于肿瘤细胞表面有特异性抗原可与单克隆抗体结合，因而这种抗体一放射性同位素结合物就不断积累在肿瘤上。应用常规核医学显示微仪器扫描病人身体，就可以在摄影底片上得到放射活性图像，放射活性密集的区域即肿瘤所在部位。37第37页，共110页，2023年，2月20日，星期三“动物药厂”：

早期的转基因药物是通过大肠杆菌生产的，分离纯化十分困难，所以极其昂贵。现在则希望从转基因动物的血液或奶中得到。1998年初，上海医学遗传研究所传出了震惊世界的消息：中国科学家已经获得5只转基因山羊。其中一只奶山羊的乳汁中，含有堪称血友病人救星的药物蛋白——有活性的人凝血因子。38第38页，共110页，2023年，2月20日，星期三

转基因动物就像一座天然原料加工厂，可以源源不断地提供人类所需要的宝贵产品。经动物体内自然加工的产品，可直接分泌到乳汁中，便于收集而不必像“杀鸡取卵”一样伤害动物本身，也不需要制造基因药物花费昂贵的投资的特殊设备。用转基因家畜生产1克药物蛋白质，所需成仅0.2-0.5美元。与传统的800-5000美元相比，相差竟有千倍万倍之大。而且，它的产量之高，也出乎意料，科学家们测算，一只转基因羊提供的活性蛋白，相当于上海全年献血总量所含同蛋白质的总和。39第39页，共110页，2023年，2月20日，星期三

巨大的经济利益“指挥”着世界各国的科学家在转基因动物研究领域内孜孜以求。目前，世界上已有数十家转基因动物公司，重点研究通过动物乳汁生产贵重的药用蛋白质和营养药物，一些走在前面的公司已获得巨大的经济效益。荷兰一家公司用转基因牛生产乳铁蛋白，每年销售额达数亿美元；英国罗斯林研究所（即第一个研究出克降羊）用转基因羊生产可治疗肺肿的一种蛋白酶，每升羊奶可售6000美元,年销售额可望达到250亿美元。那时，因为饲养转基因动物，畜牧业的面貌将大变，成为具有高额利润的新型高科技产业。到21世纪，世界将遍布“动物药厂”。40第40页，共110页，2023年，2月20日，星期三3.1.3生物技术能源与环保方面的应用

选育可大量生产能源化学物质的工程菌，开发生物来源的石油替代产品；选育可降解工业和生活废弃物的工程菌，用以处理垃圾，变废为宝；处理工业“三废”，石油泄漏等，解决环境污染问题。生物学家们正尝试运用生物技术开发出能够将植物中的纤维素降解进而转化为可以燃烧的酒精等新能源。自然界有取之不尽的植物纤维素资源，这项技术的突破有可能成为能源技术的新方向。美国科学家已用基因工程培育出了一种能同时降解四种烃类的“超级工程菌”。原先自然菌要用一年才能消化掉的海上浮油，这种细菌几个小时就能吃光，所以可以利用它来迅速消除因油轮失事造成的海洋各种污染。41第41页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、发酵技术应用于轻工、食品用酶的生产糖酶蛋白酶果胶酶脂肪酶凝乳酶过氧化氢酶42第42页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、发酵技术应用于化工能源产品的生产如在原料的变换与扩大，由以往由糖（淀粉）为原料，现可利用石油中的正烷燃、馏份油、天然气、气态烃，还可利用石油的二次制品甲醇、醋酸、乙醇为主要原料，还可用于二次采油，二次采油除可利用注水，注气外，还可利用一些产酸产气的菌，经人工培养一段时间，作为种子注入到地下油层，让微生物大量繁殖，产酸产气，产气可使油挤出，也可溶于油，使油粘度降低，脱离地下岩石，酸也可使油脱离岩石。43第43页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、发酵技术在农业生产中的应用１、无性快速繁殖２、脱毒植株的获得３、单倍体育种４、原生质体融合５、人工种子６、优良牲畜的扩大培养７、植物品种改良44第44页，共110页，2023年，2月20日，星期三生物技术在农业方面的应用

植物基因工程是指植物学领域的基因工程，其研究对象是植物。利用植物基因工程技术，改良作物蛋白质成分，提高作物中必需的氨基酸含量，培育抗病毒、抗虫害、抗除草剂的工程植株以及抗盐、抗旱等逆境植株，在当前农业生产中已显示出巨大的经济效益，并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔前景。

45第45页，共110页，2023年，2月20日，星期三品质育种

高产作物：最早运用基因克隆技术的基因是植物种子、块茎等贮藏器官中的贮藏蛋白基因。菲律宾马尼拉的国际水稻研究所已经培育出超级水稻，1.5万斤/公倾。非洲培育出超级木薯增产10倍。我国袁隆平被誉为“杂交水稻之父”现在培育出的高光效水稻2.25万公斤/公倾。高光效玉米6万公斤/公倾。

46第46页，共110页，2023年，2月20日，星期三促进健康的食品：杜邦和孟山都公司即将推出多种可榨取有益心脏的食用油的大豆。两大公司还将联手推出味道更鲜美且更容易消化的强化大豆新品种。一般情况下，玉米、小麦、水稻等谷类蛋白中缺乏赖氨酸。现在已培育出高赖氨酸的玉米、小麦和水稻。

47第47页，共110页，2023年，2月20日，星期三生物改良新饲料：

给家禽和奶牛喂食生物改良饲料，以便为人类提供更优良的蛋白质并帮助动物吸收磷。生物改良饲料可以产生两项效益，即既能降低饲料成本，又能减少动物粪便中磷含量，因而有益于保护生态环境。

48第48页，共110页，2023年，2月20日，星期三含抗疾病物质农作物：

艾尔姆公司与其它公司合作，正在研究高含量抗癌物质的西红柿，以及可用于生产血红蛋白的玉米和大豆。杜邦公司正在研究如何使大豆含有异黄酮成分，人们食用这种大豆就可以防止心脏病发作。此外，内含疫苗的香蕉和马铃薯也正在加紧研究中。49第49页，共110页，2023年，2月20日，星期三特种转基因棉花和玉米：

孟山都公司正在采用生物工程技术改良棉花，以使其出产天然蓝色和黄褐色纤维用于纺织布料。杜邦公司开发的一种微生物，有助于在棉花中产生超高弹性聚酯纤维，而卡吉尔和道化学公司则计划从玉米中提取塑料。50第50页，共110页，2023年，2月20日，星期三抗性育种

抗虫植物:

从苏云金杆菌的细菌中提出引起鳞翅目昆虫神经中毒而死亡的σ内毒素基因，转入烟草、番茄和马玲薯中，这些转基因的植物杀虫效果良好。毒素基因还能稳定遗传，而毒素对人畜无害。51第51页，共110页，2023年，2月20日，星期三抗病毒植物：

日本人从苍蝇体内分离到一种抗菌性很强的蛋白质基因，并将这种基因转移到作物细胞中培养出抗病的烟草、白菜。番茄是世界性水果和蔬菜，全球产量巨大，但最大缺陷是不耐贮运，易腐烂。现已培育出耐贮运的转基因番茄。52第52页，共110页，2023年，2月20日，星期三抗盐碱作物：

一种酵母中发现了一种抗盐碱基因。现在人们已经培育出抗盐碱的大麦、番茄和某些瓜类。

53第53页，共110页，2023年，2月20日，星期三抗旱作物：

人们发现玉米中4种抗旱基因。可望通过基因工程培育出抗旱作物。美国人声称能把仙人掌的基因转入小麦玉米大豆中。54第54页，共110页，2023年，2月20日，星期三抗寒作物：

我国科学家发现生活在寒温带的“美洲拟鲽”的冷水鱼能抗冻蛋白。把这种基因注入番茄的花粉管，得到转基因抗寒番茄。实验表明，这种番茄幼苗比对照品种致死温度下降2℃，所需积温减少125℃。并表现出很强的抗晚霜能力。55第55页，共110页，2023年，2月20日，星期三56第56页，共110页，2023年，2月20日，星期三固氮育种

19世纪末发现有些细菌具有固定游离氮的能力，特别是生长在豆科植物根部的根瘤菌能有效地将游离氮转变可被作物直接吸收利用的氮。20世纪50年代又发现了近百种固氮微生物，有蓝藻、绿藻、细菌和真菌。这些固氮生物是通过固氮酶完成的。人们正致力于把其基因转移到其它作物上去。并分离出一些有利于硝盐吸收和利用的基因，这将大大提高肥料的吸收和利用。

57第57页，共110页，2023年，2月20日，星期三六、发酵技术在环保中的应用嫌气发酵法好气发酵法58第58页，共110页，2023年，2月20日，星期三七、发酵技术用于金属浸取如浸铜，可用氧化铁硫杆菌，这类细菌都是耐酸性，可在PH1.0以下的环境下也可生产

细菌浸矿优点：1、溶浸速度快；2、细菌浓度可很高，可达106-108个/mol；3、可适合于溶浸低品位矿（尾矿）或冶炼金属中的炉渣59第59页，共110页，2023年，2月20日，星期三八、发酵技术应用于高技术研究开发如基因工程中用的限制性内切酶、连结酶DNA探针、生物传感器等。60第60页，共110页，2023年，2月20日，星期三生物技术航天技术信息技术(bioinformatics)激光技术自动化技术新材料技术新能源技术并列为七大优先发展的高技术领域61第61页，共110页，2023年，2月20日，星期三第四节生物技术发展趋势联想、理想、幻想到2015年，生物技术将开始改变生物本身。疾病、营养不良、食物生产、污染、人的寿命、生活质量、犯罪和安全等问题，将被极大地关注、处理、改善和争论。随着生态系统的变化，有些进步可能被认为是人工改良动植物的结果。

62第62页，共110页，2023年，2月20日，星期三

1.优生学。

2.人类克隆，包括道德、失误、导致医学问题、基因所有权和人类杂交。

3.基因专利，基因排序所有权及知识产权保护。

4.基因修改生物的安全性和道德规范。

5.干细胞用于细胞工程。

6.动物器官移植，及由此带来的对动物权利的保护和物种之间疾病传染的风险。

7.基因测序结果的，隐私(例如全国范围内警察局的DNA资料数据库，基于基因预测遗传性疾病造成拒绝聘用或者保险)。

8.源于基因改良品种带来的环境破坏的危险。

9.生物技术应用于军事及生物武器危险的增加。

在发达国家，生物医学的进步以及健康方面的其他改进，将继续增加人类的寿命。与此同时，将加速人口老龄化、增加退休人员的财政支出和个人医疗保险成本等问题。63第63页，共110页，2023年，2月20日，星期三

20世纪八十年代中期开始的基因组的研究，使得生物技术的研究从作坊式转而进入了大科学的运作方式。由于人类基因组计划对产业的巨大带动作用，引起实业界浓厚的投资兴趣，投资量逐年递增。

21世纪是生命科学的时代，生物技术在医疗保健、农业、环保、轻化工、食品等重要领域对改善人类健康与生存环境、提高农牧业和工业产量与质量都开始发挥越来越重要的作用。生物技术已经成为现代科技研究和开发的重点。在发达国家，生物技术已经成为一个新的经济增长点，其增长速度大致是在25%-30%，是整个经济增长平均数的8-10倍左右。

64第64页，共110页，2023年，2月20日，星期三生物技术是中国与发达国家差距相对较小的高技术领域，中国具有发展生物产业的技术基础和巨大市场需求，大力发展包括基因技术在内的现代生物产业，是培育新的经济增长点、提升中国产业国际分工地位和保障国家长远发展的需要。

中国政府高度重视生物产业发展。2009年6月，国务院常务会议讨论并原则通过《促进生物产业加快发展的若干政策》。会议认为，必须抓住世界生物科技革命和产业革命的机遇，将生物产业培育成为我国高技术领域的支柱产业。以生物医药、生物农业、生物能源、生物制造和生物环保产业为重点，大力发展现代生物产业。《促进生物产业加快发展的若干政策》的颁布，标志着我国生物产业已步入快速发展期。

65第65页，共110页，2023年，2月20日，星期三当以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术成为生物技术革命的第四个浪潮时，白色生物技术成为生物技术发展的一个节拍。白色生物技术即工业生物技术，是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。未来20年，中国将利用工业生物技术推进“绿色制造业”，发展绿色GDP，同时，利用环境生物技术再造“秀美山川”，促进循环经济的发展。据了解，随着工业生物技术的发展，未来20年，中国将在食品工业中使用新型添加剂、保鲜剂，发展功能食品，加速第四代食品的形成；饲料生物技术产品将逐步替代传统的添加剂，加速饲料工业与发达国家饲料标准的接轨；塑料工业中利用玉米和大豆等生产“绿色塑料”，减少石油用量；纺织工业中采用生物技术，减少纺织品在染色和休整过程中毒性副产品的产生。66第66页，共110页，2023年，2月20日，星期三中国生物产业规模近年来不断扩大。首先，生物医药稳步增长，经济效益大幅增加。2000-2008年全国医药工业产品销售收入年均增长达20.45%。2008年生物医药产业抗风险能力表现突出，继续保持高速发展态势，全年医药工业实现产值8666亿元，同比2007年增长25.52%。中国生物产业总规模超过万亿元，生物产业正在成为中国高技术领域新的增长点。

67第67页，共110页，2023年，2月20日，星期三部分利用基因工程技术研制的产品

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)

尿激酶原猪生长激素(PGH)

牛生长激素(BGH)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)

抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA)人胰岛素68第68页，共110页，2023年，2月20日，星期三第五个阶段（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：胰岛素、人生长激素等等。

69第69页，共110页，2023年，2月20日，星期三重要发酵产品投入生产的年代年代产品1880~1920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70第70页，共110页，2023年，2月20日，星期三1950~1960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71第71页，共110页，2023年，2月20日，星期三1970~1980博莱霉素、阿霉素、杀念珠菌素、交杀霉素、西梭霉素、有效霉素、天门冬氨酸、苏氨酸、凝乳酶、右旋糖苷酶、维生素C、木糖醇、苹果酸、长链二元酸、普鲁兰多糖、井岗霉素1980年以后阿维霉素、苯丙氨酸、环氧乙（丙）烷、丙烯酰胺、聚羟基丁酸酯（PHB）等72第72页，共110页，2023年，2月20日，星期三3，工业化成功利用生物转化生产的有机化合物过程催化用酶产品全球产量(吨)水解作用淀粉葡萄糖苷酶葡萄糖10~2000万腈水化酶丙烯酰胺30000

青霉素酰胺水解酶青霉素10000~15000拆分作用乙内酰酶D-对-羟基苯甘氨酸100~500(有旋光)拆分作用脱卤酶(s)-2-氯丙酸2000(无旋光)氧化作用山梨醇脱氢酶L-山梨糖50000还原作用β-酮还原酶L-肉碱(Carnitine)1200073第73页，共110页，2023年，2月20日，星期三过程催化用酶产品全球产量(吨)异构作用葡萄糖(木糖)异构酶异构糖800万C-C合成丙酮酸脱羧酶苯乙酰甲醇300~500

色氨酸苯基裂解酶L-dopa200非手性富马酸酶苹果酸500前驱物质天冬氨酸裂解酶天冬氨酸400肽合成嗜热菌蛋白酶Aspartame2000

胰蛋白酶胰岛素<1葡萄糖基环状糊精葡聚糖β-环状糊精800~1500转移作用转移酶低聚糖>20万74第74页，共110页，2023年，2月20日，星期三发酵罐等生物反应器规模谷氨酸100~200m3最大660m3啤酒600m3（露天）柠檬酸220m3酶制剂90m3

酵母培养罐170m3黄酒200m3酒精1500m375第75页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、国外发酵工业的发展趋势

1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要趋势。76第76页，共110页，2023年，2月20日，星期三4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75％左右。77第77页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、国内发酵工业的发展概况我国传统发酵历史悠久，在《黄帝内经素向》、《汤液醪醴论》里，已有酿酒的记载。白酒的起源，当在元朝以前，尚待考证。酱油的酿造，当始自周朝。在汉武帝时代开始有了葡萄酒，距今已有两千多年的历史。数千年来由于科学技术进步缓慢，各种微生物工业也未能充分发展。直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业。近几年来，由于生物新技术的应用，发酵工业开始进入新的发展时期。78第78页，共110页，2023年，2月20日，星期三1，白酒中国的酿酒业，距今已有数千年的历史渊源。白酒是我国特有的、具有悠久历史的传统酒种。1949年新中国成立时，我国白酒的产量只有10．8万t。1996年，我国白酒产量达到历史高峰，总量达到801．30万t。目前，我国白酒的产量为400余吨。规模较大的有五粮液、茅台、泸州老窖、剑南春、汾酒、古井。六家公司占据约10％的市场份额，销售收入占整个行业的37.9％。

79第79页，共110页，2023年，2月20日，星期三全国白酒产量（单位：万吨）80第80页，共110页，2023年，2月20日，星期三2，黄酒黄酒是我国最古老的酒种，早在夏、商、周三代就已经大量生产了，并流传至今，据史料记载已有6000年左右了。目前年产量为130万吨左右。

81第81页，共110页，2023年，2月20日，星期三3，啤酒1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成1915年国人投资的双合盛啤酒厂建成1949年啤酒产量仅七千余吨1981年啤酒产量增至91万吨2005年产量达到3000万吨左右82第82页，共110页，2023年，2月20日，星期三4，葡萄酒1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司，这是我国第一个新型的葡萄酒酿造厂目前我国葡萄酒工厂已有近八十家2003年葡萄酒年产量约34万吨。年产万吨以上的有张裕、王朝、华夏、长城、新天酒业、柳河绿源、烟台威龙、烟台中梁。八家公司占据约60％的市场份额，销售收入占整个行业的78.4％。

83第83页，共110页，2023年，2月20日，星期三5，酱油和醋早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵的技法，数千年来一直沿用自然发酵法，直到20世纪后才开始采用纯种培养培养技术生产，目前设备及酿造方法逐步实现了现代化酱油年产量约为450万吨，已居世界首位醋年产量约为250万吨84第84页，共110页，2023年，2月20日，星期三6，酒精二十世纪初期，外商在东北设立哈尔滨和阿城两个酒精厂1922年山东溥益酒精厂成立，为第一个由国人设立的酒精厂1934年华侨投资在上海浦东设立中国酒精厂，当时号称远东第一大型酒精厂酒精年产量解放前仅1万吨左右。2003年酒精产量约为250万吨左右。85第85页，共110页，2023年，2月20日，星期三7，酶制剂1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工厂目前有酶制剂生产厂家40家左右，其中万吨以上，销售额2000万以上有8家，其余均在万吨以下目前的年产量为22万吨左右86第86页，共110页，2023年，2月20日，星期三7，柠檬酸1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的中型生产。1965年前后由上海酵母厂首先采用深层发酵法，由薯干直接发酵生产柠檬酸。生产能力为56万t/a，实际产量达35万t/a左右，出口量居世界第一位。87第87页，共110页，2023年，2月20日，星期三9，微生物制药1951年在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。1958年我国最大的抗生素工厂——华北制药厂亦正式投入生产。88第88页，共110页，2023年，2月20日，星期三10，味精1964年我国谷氨酸发酵研究成功，首先在上海投入生产。味精生产万吨以上产量的工厂有17家。最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨。目前年产量130多万吨。89第89页，共110页，2023年，2月20日，星期三11，基因工程产品我国已经开发成功了２１种基因工程药物和疫苗，世界上销售额排名前１０位的基因工程药物和疫苗，我国已能生产８种。90第90页，共110页，2023年，2月20日，星期三12，细胞工程产品紫草、三七等等植物细胞已可在发酵罐种大规模培养。我国的传统中药涉及5000种左右植物，细胞培养是中药资源开发的一个重要方面。91第91页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、我国发酵工业的主要进步1.发酵产品增长快、质量明显提高，在国民经济中起重要作用新型发酵工业：年产量115万吨；产值150亿；利税50亿。酿酒工业（不包括酒精）：年产量2000万吨左右；产值450亿；利税120亿。2.科技进步，技术水平提高例如：糖化酶的发酵液酶活力由7000u／ml提高至30000-40000u／ml；味精和柠檬酸三个主要指标：产酸率、转化率和提取率提高5%左右。3.积极开发新产品特鲜味精；无水柠檬酸、柠檬酸盐；高温α-淀粉酶；纤维素酶；β-葡聚糖酶；异淀粉酶等酶制剂；L-苹果酸；L-乳酸；衣康酸；黄原胶;

功能性发酵制品:r-亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖;活性肽；红曲色素,低聚异麦芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海藻糖等等。92第92页，共110页，2023年，2月20日，星期三六、与国际先进水平的差距1，多数工厂规模小、效益低2，生产技术水平比较低味精生产水平的比较

产酸率转化率提取收率国内(平均)8．4654．1489．2国外12％以上55-60％90-95％93第93页，共110页，2023年，2月20日，星期三主要酶制剂品种发酵水平对比发酵水平μ／m1国内水平国际水平中温淀粉酶400-5001000以上2709碱性蛋白酶15000-2000030000以上糖化酶30000-4000050000以上94第94页，共110页，2023年，2月20日，星期三3，产品品种单一，结构不合理

国内外酶制剂产品结构对比国别／品种国外(占比例)％国内(占比例)％蛋白酶3721糖化酶1161淀粉酶1517凝乳酶90果胶酶9少量葡萄糖异构酶11少量其他8195第95页，共110页，2023年，2月20日，星期三4，应用的深度和广度不够5，技术装备和检测手段落后，自动化水平低6，综合利用和环境治理差96第96页，共110页，2023年，2月20日，星期三第五节微生物发酵产品的类型根据使用目的来分：菌体、酶、代谢产物一、菌体及其利用1．发酵特点：产量与消化碳源有定量关系2．利用途径（1）利用菌体为最终产物如灵芝、磨菇、酵母——食用、药用作为杀虫剂的白僵菌，苏芸金杆菌等（细菌农药）单细胞蛋白、疫苗、菌肥等。97第97页，共110页，2023年，2月20日，星期三（2）酶转化利用菌体转化某些物质（底物）生产我们所需产物，这种方法与酶促合成法不同，因它不需要把特定的酶制成粗酶或均质的酶制剂再反应，它所用的细胞是有维持其生命活动的完整的多酶系统，各酶又基本保持原有生命活动的完整的多酶系统，各酶又基本上保持原有生活细胞所处的状态和特定的位置。如用GA产生菌北京棒杆菌1299和齿棒杆菌1.542将福马酸（反丁烯二酸）生产天冬氨酸菌体可专门培养，也可利用工厂的废菌体。98第98页，共110页，2023年，2月20日，星期三（3）从菌体中提取生化药物如酵母——核酸及其降解产物，细胞色素丙，CoA、麦角固醇，凝血素等十几种生化药物。青霉素菌体——VB2、VB6、VD等，且其菌丝含丰富的C、N等必要成分。99第99页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、代谢产物（一）糖类厌气代谢物（二）糖类好气性代谢产物（三）氮代谢产物（四）次级代谢产物（五）甾体转化物（六）其它：如微生物的脂肪、多糖、色素100第100页，共110页，2023年，2月20