第1页：发酵工程课程封面
发酵工程：课程全套课件，沿发酵工艺过程主线展开，涵盖过程优化、过程控制与过程放大等内容。
第2页：课程内容与章节目录
课程内容
- 第一章 绪论
- 第二章 发酵工业菌种
- 第三章 发酵工业培养基设计
- 第四章 发酵工业的无菌技术
- 第五章 发酵工业的种子制备
- 第六章 发酵动力学
- 第七章 发酵工业中氧的供需
- 第八章 发酵罐放大与设计
- 第九章 发酵过程优化与控制
- 第十章 发酵经济学
第3页：学习重点与课程主线
学习重点：基本过程、过程优化、过程控制、过程放大。
一条主线：发酵工艺过程；两个重点：过程优化、过程放大；三个层次：反应器、细胞、分子；四个目标：高转化率、高产量、高效率、低成本。
第4页：教材与参考书目
教材：俞俊棠等主编《新编生物工艺学》（上下册），化学工业出版社。
参考书籍
- 余龙江主编《发酵工程原理与技术应用》，化学工业出版社
- 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 of Fermentation Technology》（2nd Edition）
第5页：第一章 绪论
第一章 绪论
第6页：本章内容提要
本章内容
- 发酵工程定义及在生物技术中的地位
- 发酵工程发展简史
- 发酵工业的特点及其应用范围
- 工业发酵的类型与典型过程
- 发酵工程前沿及应用前景
第7页：何谓发酵
何谓发酵？ferver 意为发泡、沸腾，fermentation 即微生物的发酵现象。本节对应「一、发酵工程定义及在生物技术中的地位」。
第8页：生物化学家的发酵定义
- 有氧呼吸
- 氧供应充分，有机物氧化彻底，产生大量能量。
- 糖酵解
- 暂时缺氧，有机物氧化不彻底，产生少量能量。
- 无氧呼吸
- 不需要氧的微生物所进行的能量代谢，脱下的电子最后传给外源的无机氧化物（个别为有机氧化物）并释放较少能量；按最终电子受体分为硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。
第9页：发酵的四种能量学表述
- 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
- 发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程
- 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
第10页：工业微生物学家的发酵定义
工业微生物学家侧重产品的生产：发酵是利用微生物（包括动、植物细胞）培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程。
第11页：发酵现象的本质
发酵现象的本质
- 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
第12页：传统发酵工程概念
- 传统发酵工程
- 利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系，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备等技术集成。
第13页：现代发酵工程概念
- 现代发酵工程
- 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与传统发酵工程融合，提高传统发酵技术水平、拓展应用领域和产品范围的现代工业生物技术体系。
第14页：传统与现代发酵工业范围
- 传统发酵工业：酿造及食品工业、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生物基化学品等，以及传统发酵工业升级
第15页：发酵工业中央控制对比
传统大型发酵工业的中央控制与现代发酵工业的中央控制对比，反映发酵生产控制手段由常规仪表向计算机集散控制的演进。
第16页：发酵工程的地位
- 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。
- 发酵工程的地位
- 发酵工程是生物技术的应用基础，是生物技术产业的核心。
第17页：发酵工程上中下游技术
- 上游技术：优良种株的选育和保藏，包括菌种筛选、改造与菌种代谢路径改造
- 中游技术：发酵过程控制，包括发酵条件调控、无菌环境控制、过程分析和控制
- 下游技术：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
上、中、下游相互关联。
第18页：生物技术体系构成
生物技术体系：生化工程、酶工程、细胞工程、发酵工程与基因工程相互关联并共同产出产品，其中发酵工程强调过程优化与控制。
第19页：发酵工程发展简史
二、发酵工程发展简史
- 1900以前 自然发酵阶段
- 1900—1940 纯培养技术的建立
- 1940—1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立
- 1950—1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立
- 1960—1970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）
- 1970年以后 进入基因工程菌发酵时期，细胞大规模培养技术全面发展
第20页：自然发酵阶段
自然发酵阶段：主要是酿造工业，主要产品有酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等。
- 17世纪，能在容量为1500桶（一桶约136升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造
- 1757年应用温度计；1801年使用原始热交换器
主要特点：嫌气发酵，非纯种培养，产品质量不稳定。
第21页：纯培养技术的建立
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。
第22页：丙酮丁醇发酵与补料技术
第一次世界大战期间，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，产品产量与质量控制水平大大提高。
第23页：通气搅拌发酵技术建立
通气搅拌发酵技术的建立：标志是纯种培养深层发酵生产青霉素。
- 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
第24页：通气搅拌发酵的意义
- 主要特点：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
- 意义：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；奠定了现代发酵工业的理论和实践基础
第25页：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。
主要应用于氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物的发酵生产，以及有机酸、抗生素等。
第26页：开拓发酵原料时期
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用于灭菌与发酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、自动化方向发展。
第27页：石油发酵时期的特点
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
第28页：基因工程阶段
基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）：主要标志是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。
第29页：现代发酵工业新阶段特点
- 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
第30页：基因工程研制产品一览
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)、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、α,β-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)
第31页：发酵工程前沿：原料拓展
发酵工程的主要前沿进展
1、原料拓展：可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）。
第32页：过程优化技术目标
2、过程优化技术：以高产量、高转化率和高效率及低成本为目标。
- 高产量
- 取决于微生物生理、遗传、营养及环境因素
- 高转化率
- 取决于微生物代谢途径和过程条件
- 高效率
- 取决于微生物反应动力学和系统优化
- 低成本
- 取决于技术综合及产业化技术集成
- 环境友好
- 开发清洁生产技术
第33页：发酵过程优化技术体系
发酵过程优化技术：由条件确定、初始条件、过程分析、过程强化构成。
- 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选
- 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化菌种改造
- 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（发酵工艺优化）
- 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（发酵产物分离纯化）
- 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（综合治理技术优化）
第34页：细胞代谢网络示意图
细胞代谢网络示意图：展示细胞内多条代谢途径及其节点之间的物质流向关系。
第35页：多尺度生物反应器优化
3、多尺度生物反应器优化控制技术：面向多层次复杂系统的多尺度优化控制。
第36页：生物炼制
4、生物炼制：以可再生生物质资源为原料，炼制生产生物基产品与能源的技术体系。
第37页：石油炼制流程
石油炼制：传统石化路线的炼制流程与产品分支示意，作为生物炼制的对照。
第38页：生物炼制（续）
4、生物炼制（续）：生物炼制的产品与能源路线分支示意。
第39页：发酵工业的特点
三、发酵工业的特点及其应用范围
- 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
第40页：发酵工业特点（续）
- 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
第41页：发酵工业的范围
（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、保持生态平衡、湿法冶金、利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域
第42页：传统菌体发酵工业
传统菌体发酵工业：酵母发酵、菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵、面包酵母、藻类。
第43页：现代菌体发酵工业
现代菌体发酵工业
- 杀虫剂：苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌
- 疫苗：芽孢杆菌和伴孢晶体
第44页：药用功能菌体产品
新的菌体发酵产品：药用功能菌体
- 茯苓菌→茯苓
- 担子真菌→灵芝、香菇类
- 虫草头孢菌、密环菌→虫草头孢菌发酵生产虫草
第45页：酶制剂的应用
酶制剂广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工。
- 酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等
- 药用酶制剂：胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶等
- 食品工业用酶制剂：果胶酶、淀粉酶等
- 基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶、DNA限制性内切酶、DNA连接酶等
- 饲料酶制剂：木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶等
第46页：代谢产物
代谢产物：发酵工业的主要产品类型之一，包括初生代谢产物与次生代谢产物。
第47页：初生代谢与次生代谢
从初生代谢到次生代谢：展示微生物代谢产物由初生代谢向次生代谢延伸的分化关系。
第48页：微生物转化
微生物转化：在用维生素C一步和二步发酵法生产中，起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物（D-山梨醇或L-山梨糖）的分子结构进行特异性改变。
第49页：
第50页：工业发酵的类型
四、工业发酵的类型与典型过程
- 按培养基的物理性状：固体发酵（浅盘固体发酵、深层固体发酵即机械通风制曲）、液体发酵（包括液体深层发酵）
- 按微生物对氧的不同需求：厌氧发酵、需氧发酵、兼性厌氧发酵
第51页：发酵工艺流程与菌种类型
- 按发酵工艺流程：分批发酵、补料分批发酵、连续发酵（单级恒化器连续发酵、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）
- 按菌的种类：单菌种发酵、多菌种混合发酵（混合菌发酵）
第52页：新发展的培养方法
新发展的微生物培养方法
第53页：发酵工业基本生产过程
（二）发酵工业的基本生产过程
- 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制
- 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌
- 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
第54页：发酵控制与产物提取
- 控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物
- 将产物提取并精制，以得到合格的产品
- 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质
第55页：深层发酵典型过程
（三）发酵工业的典型过程——深层发酵过程：展示深层发酵的工艺流程与设备配置。
第56页：
第57页：发酵工业发展趋向
五、发酵工业发展趋向及应用前景
- 基因工程的发展为发酵工程带来新的活力
- 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景
- 不断开发和采用大型节能高效的发酵装置
- 计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段
第58页：发酵工业应用前景
- 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
- 生态型发酵工业的兴起：清洁生产
- 再生资源的利用
- 混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率
第59页：清洁生产定义
清洁生产：按照联合国环境规划署（UNEP）的定义，是将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类及环境的风险。
- 对生产过程：要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性
- 对产品：要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响
- 对服务：要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中
第60页：混合菌发酵的应用
混合菌发酵的应用
- 传统酿造和食品发酵工业：白酒、酱油、醋、豆豉
- 有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转化：生物能源（生物制氢、生物制沼气）、生物饲料、生物肥料
