第1页：发酵工程课程封面
发酵工程（Fermentation Engineering）课程封面，标示课程名称与英文名称，本部分围绕发酵工程的概念、发酵工业与发酵工艺过程展开。
第2页：发酵工程的定义
- 发酵工程
- 直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品的过程，又称微生物工程。
- 在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。
第3页：发酵工业简介
发酵工业简介：发酵工业覆盖的主要产品领域如下。
- 发酵食品 Fermented Foods
- 有机酸 Organic Acids
- 氨基酸 Amino Acids
- 核酸类物质 Nucleotides
- 酶制剂 Enzymes
- 医药工业（抗生素等）Pharmaceutical
- 饲料工业（单细胞蛋白）Feedstuff
- 环境工程（废物处理）Environmental Application
- 其它（如冶金工业）Others
第4页：为什么要利用微生物
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品之所以能通过微生物发酵生产，与微生物的生长和代谢特点密切相关：
- 某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。
- 微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。
- 微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。
第5页：微生物的繁殖与改造优势
除代谢特点外，微生物被广泛用于发酵工业还因为：
- 微生物繁殖非常迅速
- 微生物培养易于控制
- 微生物本身也容易改造
第6页：发酵工程的三大组成
从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程，三部分之间通过过程控制（Process Control）衔接。
- 上游工程 Upstream Processes
- 发酵工程 Fermentation（过程控制）
- 下游工程 Downstream Processes
第7页：上游工程的内容
上游工程（UPSTREAM PROCESSES）包括：
- genetics, cell …（遗传与细胞改良）
- inoculum development（种子制备）
- media formulation（培养基配制）
- sterilization（灭菌）
- inoculation（接种）
第8页：下游工程的内容
下游工程（DOWNSTREAM PROCESSES）包括：
- product extraction, purification & assay（产物提取、纯化与检测）
- waste treatment（废物处理）
- by-product recovery（副产物回收）
第9页：获得发酵产品的条件
获得发酵产品需要具备以下条件：
- 适宜的微生物
- 保证或控制微生物进行代谢的各种条件
- 进行微生物发酵的设备
- 精制成产品的方法和设备
第10页：微生物应用的益处与危害
Positive（益处）
- Biomass（生物量）
- Production（生产）
- Conversion（转化）
Negative（危害）
- Pathogens（病原菌）
- Spoilage（腐败变质）
第11页：发酵的三种定义
发酵的定义可从三个层面理解：
第12页：传统发酵
最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
- Fermentation 最初来自拉丁语“发泡”（fervere）
第13页：
第14页：生化和生理学意义的发酵
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。
- 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出 CO2。
第15页：工业上的发酵
泛指利用微生物生产某些产品的过程，包括：
- 厌氧培养的生产过程，如酒精、乳酸等。
- 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。
第16页：发酵工业简史
一、发酵工业简史：下表按时间顺序列出各发酵阶段的主要产品与主要技术。
发酵工业简史：发酵阶段、主要产品与主要技术| 时间 | 发酵阶段 | 主要产品 | 主要技术 |
|---|
| -1900 | 天然发酵 | 酒、醋、干酪、酵母 | 天然分批 |
|---|
| 1905- | 纯培养 | 酒精、丙酮、丁醇 | 密闭纯培养 |
|---|
| 1940- | 通气搅拌 | 抗生素、有机酸、酶、维生素 | 通气搅拌，分批或连续 |
|---|
| 1957- | 代谢控制 | 氨基酸、核苷酸 | 选育缺陷菌株 |
|---|
| 1960- | 开拓原料 | 单细胞蛋白 | 连续发酵 |
|---|
| 1979- | 基因工程菌 | 胰岛素、干扰素 | DNA 重组 |
|---|
四个转折点：纯培养为第一个转折点，通气搅拌为第二个转折点，代谢控制为第三个转折点，基因工程菌为第四个转折点。
第17页：应用微生物学发展史
History of applied microbiology
- Ancient times：flavour（bread, soy sauce）；brewing（beer, wine）
- 1861 Louis Pasteur：first phase industrial biotechnology
- 1940 penicillin（Fleming）：antibiotic industry，production of fine chemicals
第18页：发酵技术的四个发展阶段
- 原始发展阶段
- 发酵技术开始于家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。
- 传统发酵工业阶段
- 人们开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模一般不大。
- 现代发酵工业阶段
- 技术要求高、发展速度快；生产规模大；菌种生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。
- 生物技术产业阶段
- 利用构建的基因工程菌生产。
第19页：生物反应的过程
二、生物反应的过程：细胞、酶等生物催化剂在生物反应器内完成转化，过程需监测控制。
- 投入：经灭菌的培养基（sterilizing medium）、无菌空气（sterilized air）
- 生物催化剂：细胞、酶（cell, enzyme, biocatalyst）
- 核心设备：生物反应器（bioreactor），并配置监测（monitor）
- 产出：产物（product）、副产物（by-product）、残渣（residue）
- 后续处理：提取（extract）
第20页：发酵生产的工艺流程
- 空气 → 空气净化处理
- 保藏菌种 → 斜面活化 → 扩大培养 → 种子罐
- 碳源、氮源、无机盐等营养物质 → 灭菌 → 主发酵
- 产物分离纯化 → 成品
第21页：
第22页：菌种筛选与发酵试验流程
- 菌种筛选
- 摇瓶试验
- 发酵罐试验
第23页：发酵工程的概念和内容
- 菌种选育
- 自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程
- 培养基配制
- 根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方
- 灭菌
- 杀灭杂菌
- 扩大培养和接种
- 为发酵提供数量充足、代谢旺盛的种子
- 发酵过程（中心阶段）
- 检测进程，满足营养需要；严格控制温度、pH、溶氧、转速等
- 分离纯化
- 菌体：过滤、沉淀；代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换
第24页：发酵工程的四部分组成
- 菌种选育及扩大培养
- 原料预处理及培养基的制备
- 发酵设备及反应条件的选择
- 产品的分离与纯化
第25页：菌体发酵与酶发酵
- 微生物菌体的发酵
- 以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵工业。
- 微生物酶发酵
- 目前应用的酶大多来自微生物发酵。
第26页：初级与次级代谢产物发酵
微生物代谢产物发酵
- 初级代谢产物（primary metabolite）
- 菌体生长繁殖所必需的，在对数生长期产生的物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白质等。
- 次级代谢产物（secondary metabolite）
- 与菌体生长繁殖无明显关系，是在菌体生长的稳定期（静止期）合成的具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素等。
第27页：初级与次级代谢产物的异同
本页以对比形式呈现初级代谢产物与次级代谢产物的异同，对照两者的产生时期、与菌体生长繁殖的关系及典型产物，具体条目建议对照原图补充。
第28页：生物转化与特殊机能的利用
- 微生物的生物转化
- 利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有价值的产物。
- 微生物特殊机能的利用
- 利用微生物消除环境污染、保持生态平衡等。
