2010-5-16 张星元：发酵原理 1
绪 论
随着生物化学、细胞生物学、应用
分子生物学、遗传工程和代谢工程等学
科和分析、检测技术的发展，工业发酵
正在发生一个从技艺走向科学的重大变
化，我国大学的发酵工程专业正在融入
生物工程专业。在生物工程受到广泛重
视的今天，有必要把工业发酵生产中的
菌种选育、发酵工艺和微生物的培养设
备作为一个整体，在科学的水平上对工
业发酵进行重新审视。
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
微生物是工业发酵的,灵
魂”，这句话强调微生物在近、现
代工业发酵中的关键作用,以及工
业发酵与工业化学过程、工业生物
化学过程的不同属性。在工业化学
过程中没有生物活性物质参与催化，
所用催化剂也是无机物。工业生化
过程属于由酶催化的体外酶反应过
程，酶具有生物活性。当酶失活、
辅酶耗尽，过程就停止了。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
工业发酵过程属于由活细
胞参与的生命活动过程。具有
代谢的自动调节、辅酶再生、
生物能转换等机制；这个过程
原则上可以进行到基质原料耗
尽，或因代谢产物在细胞外累
积造成环境极度恶化而影响微
生物生存之时。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
一、工业发酵的特征
二、工业发酵的范畴
三、发酵原理及其重要性
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
一、工业发酵的特征
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
1、菌种是发酵成功的内因。若设备条件
已确定,可通过改良菌种挖掘生产潜力；
在设备、菌种确定的情况下,可通过优
化发酵工艺条件发挥菌种潜力。 优良菌
种可大幅度增加生产，提高产品质量，
简化操作，提高经济效益。
2、维持正常的发酵条件和防止杂菌污染
至关重要。
3、生产设备单一（这里是指发酵罐，实
际上工业发酵生产中 起关键做用的是发
酵罐中培养的微生物细胞 —— 微生物生
物机器）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
4、与化学工业相比较，对设备材料
的要求不高。
5,发酵原料一般比较粗放。
6,发酵液一般无化学毒性。
7,可进行复杂化合物分子的特定部
位的氧化、还原反应，以及导入
官能团等反应。
8,可生产复杂的有机化合物和特定
光学活性的有机化合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
二、工业发酵的范畴
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
1,生产能量代谢的副产物
2、生产初级代谢产物
3、生产次生代谢产物
4、生产其它发酵产品
5、其它用途
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
1、能量代谢的副产物
（能量代谢的副产物的生成和
分泌关系到能量代谢的持续进
行问题，能量代谢的副产物并
不参与细胞组成）：
乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等
返回
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
2、生产初级代谢产物
（进入细胞结构或参与细胞生长的
代谢中间产物）：
① 酵解或 TCA环中间代谢产物：
糖的磷酸酯，有机酸；
② 氨基酸，氨基酰胺；
③ 核苷及核苷酸；
④ 饱和和不饱和脂肪酸；
⑤ 多元醇；
⑥ 维生素；
⑦ 辅酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
3、生产次级代谢产物：
①色素；
②生物碱 ；
③抗生素；
④萜类；
⑤毒素 ( 有的与①②③交叉 )；
⑥生物活性物质，包括,a.酶抑
制剂； b.免疫调节剂； c,受体
拮抗剂、激动剂； d.离子载体；
e.类激素； f,抗氧剂； g,生物
表面活性剂； h.抗辐射药物等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
4、其它发酵产品
① 微生物菌体（白色食品和
蓝色食品）；
② 微生物酶制剂；
③ 微生物多糖和寡糖；
④ 微生物可降解的多聚物；
⑤ 微生物农药；
⑥ 用工业发酵的方法生产的
动、植物基因产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
5、其它用途：
① 微生物冶金；
② 微生物降解；
③ 甾体转化；
④ 动植物细胞培养；
⑤ 固定化细胞和固定化酶 …
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
三、发酵原理及其重要性
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
工业发酵过程是微生物群体生
命活动的动态过程。从工业发酵的
现状出发，把依靠化能异养型微生
物来合成某代谢中间产物作为目的
产物，而且目的产物最终被分泌到
细胞外的过程，作为工业发酵的典
型过程来研究。建立了工业发酵过
程的工作模式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
对这个模式进行深入的研究，发现工
业发酵过程靠如下三种流动来维系：即伴
随能量形式的转换而发生的电子流动、伴
随异化和同化作用而发生的物质流动，以
及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信
息流动。在分析以上三种流动的运行规律,
以及归纳工业发酵和生物制药的大量信息
的基础上，提出了关于微生物生命活动的
三个基本假说：①代谢能支撑假说，②代
谢网络假说，③ 细胞经济假说。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
半个世纪以来，工业发酵领
域许多另星的的客观事实，特别
是二十多年来国内外在代谢控制
发酵、设计育种、代谢工程方面
的许多研究（包括本文作者的研
究）所反映的客观事实，已为上
述三个基本假说提供了充足的论
据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
这三个基本假设，以及在
此基础上做出的关于发酵工程
的八个应用性推理，揭示了工
业发酵的生物学属性、工业发
酵的代谢本质，以及工业发酵
过程中微生物细胞生命活动的
规律。从而形成了发酵原理的
理论框架。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
发酵原理是工业发酵的生
物学原理的简称 。 它研究工业
微生物在生长, 繁殖与发酵过
程中的正常代谢与异常代谢规
律, 探索提高现有的工业发酵
产品的发酵法生产能力, 以及
开发工业发酵新产品和新原料
的理论根据及应用原理 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
微生物的生存利益与人类的
经济利益，也就是微生物的生命
活动规律和人的意志，这两者既
是对立的，又是统一的。研究发
酵原理的目的就在于为促使对立
向统一的转化提供理论依据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
人和微生物同是地
球上的居民，在理论上
处于平等的地位。人贵
有自知之明，因为人有
思想。
张星元
绪 论
随着生物化学、细胞生物学、应用
分子生物学、遗传工程和代谢工程等学
科和分析、检测技术的发展，工业发酵
正在发生一个从技艺走向科学的重大变
化，我国大学的发酵工程专业正在融入
生物工程专业。在生物工程受到广泛重
视的今天，有必要把工业发酵生产中的
菌种选育、发酵工艺和微生物的培养设
备作为一个整体，在科学的水平上对工
业发酵进行重新审视。
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
微生物是工业发酵的,灵
魂”，这句话强调微生物在近、现
代工业发酵中的关键作用,以及工
业发酵与工业化学过程、工业生物
化学过程的不同属性。在工业化学
过程中没有生物活性物质参与催化，
所用催化剂也是无机物。工业生化
过程属于由酶催化的体外酶反应过
程，酶具有生物活性。当酶失活、
辅酶耗尽，过程就停止了。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
工业发酵过程属于由活细
胞参与的生命活动过程。具有
代谢的自动调节、辅酶再生、
生物能转换等机制；这个过程
原则上可以进行到基质原料耗
尽，或因代谢产物在细胞外累
积造成环境极度恶化而影响微
生物生存之时。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
一、工业发酵的特征
二、工业发酵的范畴
三、发酵原理及其重要性
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
一、工业发酵的特征
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
1、菌种是发酵成功的内因。若设备条件
已确定,可通过改良菌种挖掘生产潜力；
在设备、菌种确定的情况下,可通过优
化发酵工艺条件发挥菌种潜力。 优良菌
种可大幅度增加生产，提高产品质量，
简化操作，提高经济效益。
2、维持正常的发酵条件和防止杂菌污染
至关重要。
3、生产设备单一（这里是指发酵罐，实
际上工业发酵生产中 起关键做用的是发
酵罐中培养的微生物细胞 —— 微生物生
物机器）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
4、与化学工业相比较，对设备材料
的要求不高。
5,发酵原料一般比较粗放。
6,发酵液一般无化学毒性。
7,可进行复杂化合物分子的特定部
位的氧化、还原反应，以及导入
官能团等反应。
8,可生产复杂的有机化合物和特定
光学活性的有机化合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
二、工业发酵的范畴
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
1,生产能量代谢的副产物
2、生产初级代谢产物
3、生产次生代谢产物
4、生产其它发酵产品
5、其它用途
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
1、能量代谢的副产物
（能量代谢的副产物的生成和
分泌关系到能量代谢的持续进
行问题，能量代谢的副产物并
不参与细胞组成）：
乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等
返回
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
2、生产初级代谢产物
（进入细胞结构或参与细胞生长的
代谢中间产物）：
① 酵解或 TCA环中间代谢产物：
糖的磷酸酯，有机酸；
② 氨基酸，氨基酰胺；
③ 核苷及核苷酸；
④ 饱和和不饱和脂肪酸；
⑤ 多元醇；
⑥ 维生素；
⑦ 辅酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
3、生产次级代谢产物：
①色素；
②生物碱 ；
③抗生素；
④萜类；
⑤毒素 ( 有的与①②③交叉 )；
⑥生物活性物质，包括,a.酶抑
制剂； b.免疫调节剂； c,受体
拮抗剂、激动剂； d.离子载体；
e.类激素； f,抗氧剂； g,生物
表面活性剂； h.抗辐射药物等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
4、其它发酵产品
① 微生物菌体（白色食品和
蓝色食品）；
② 微生物酶制剂；
③ 微生物多糖和寡糖；
④ 微生物可降解的多聚物；
⑤ 微生物农药；
⑥ 用工业发酵的方法生产的
动、植物基因产物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
5、其它用途：
① 微生物冶金；
② 微生物降解；
③ 甾体转化；
④ 动植物细胞培养；
⑤ 固定化细胞和固定化酶 …
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
三、发酵原理及其重要性
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
工业发酵过程是微生物群体生
命活动的动态过程。从工业发酵的
现状出发，把依靠化能异养型微生
物来合成某代谢中间产物作为目的
产物，而且目的产物最终被分泌到
细胞外的过程，作为工业发酵的典
型过程来研究。建立了工业发酵过
程的工作模式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
对这个模式进行深入的研究，发现工
业发酵过程靠如下三种流动来维系：即伴
随能量形式的转换而发生的电子流动、伴
随异化和同化作用而发生的物质流动，以
及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信
息流动。在分析以上三种流动的运行规律,
以及归纳工业发酵和生物制药的大量信息
的基础上，提出了关于微生物生命活动的
三个基本假说：①代谢能支撑假说，②代
谢网络假说，③ 细胞经济假说。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
半个世纪以来，工业发酵领
域许多另星的的客观事实，特别
是二十多年来国内外在代谢控制
发酵、设计育种、代谢工程方面
的许多研究（包括本文作者的研
究）所反映的客观事实，已为上
述三个基本假说提供了充足的论
据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
这三个基本假设，以及在
此基础上做出的关于发酵工程
的八个应用性推理，揭示了工
业发酵的生物学属性、工业发
酵的代谢本质，以及工业发酵
过程中微生物细胞生命活动的
规律。从而形成了发酵原理的
理论框架。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
发酵原理是工业发酵的生
物学原理的简称 。 它研究工业
微生物在生长, 繁殖与发酵过
程中的正常代谢与异常代谢规
律, 探索提高现有的工业发酵
产品的发酵法生产能力, 以及
开发工业发酵新产品和新原料
的理论根据及应用原理 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
微生物的生存利益与人类的
经济利益，也就是微生物的生命
活动规律和人的意志，这两者既
是对立的，又是统一的。研究发
酵原理的目的就在于为促使对立
向统一的转化提供理论依据。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
人和微生物同是地
球上的居民，在理论上
处于平等的地位。人贵
有自知之明，因为人有
思想。
张星元
