,发酵工程,
张嗣良
华东理工大学
生物工程学院
2005.2
1,绪论
1.1发酵过程的意义及组成
1.2 发酵工程的发展历史
1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
1,4 本课程的学习内容
发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
抗生素、生物制药、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
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
基因工程药物、疫苗及抗体产品
化学工程 生物化工 生物加工行业
传统生物技术 现代生物技术
基因工程菌发酵
生物工程
基因工程
酶工程
细胞工程 发酵工程
产物
产品产品
1.2 发酵工程的发展历史
发酵现象 → 酿造食品工业 → 非食品工业 → 青霉素 → 抗
菌素发酵工业 → 氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）
→ 基因工程菌 → 动物细胞大规模培养 → 植物细胞大规
模培养 → 藻类细胞大规模培养 → 转基因动物
第一个转折点,非食品工业
第二个转折点,青霉素 → 抗菌素发酵工业
第三个转折点,切断支路代谢,酶的活力调控,酶的合成调控 (反馈控制
和反馈阻遏 ),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用
,前体、终产物、副产物等
近代转折点,基因、动物、海洋
发酵现象的早期认识
? 1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在
? 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的
? 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精
─── 酶
发酵工程的早期阶段
人们的对发酵技术的认识起始于 19世纪末，主要来自于
厌氧发酵,如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发
酵食品。
20世纪初期,1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁
醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战） ──
由食品工业向非食品工业发展
好氧发酵技术,速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵
母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小
毛霉生产干酪。
1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养
法。生长均匀，增殖时间短。
发酵工程的重大转折点
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。
? 1928年由 Fleming发现青霉素
? 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养,1升扁瓶或锥形瓶，内装 200mL麦麸培养基
─── 40u/ml
? 1943年沉浸培养,5m3 ─── 200u/ml
? 当今,100m3─200m 3 ─── 5 -7万 u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
主要的技术进展：
?通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
?抗杂菌污染的纯种培养技术：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制造。
意义：
?抗生素工业的发展
?建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法
?推动了整个发酵工业的深入发展
?为现代发酵工程奠定了基础
大型发酵罐
搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
现代生物技术 ──分子生物学
与发酵工程
氨基酸发酵工业 ── 谷氨酸、赖氨酸
核酸发酵工业 ── 肌苷酸、乌苷酸
微生物变异株通过代谢调节 ── 代谢控制发酵技术
切断支路代谢转折点, 酶的活力调控,酶的合成调控 (反
馈控制和反馈阻遏 ) → 解除菌体自身的反馈调节,特殊调节
控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等
20世纪 70年代
细胞融合技术、基因操作技术 等生物技术发展，
打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用
的微生物,
?增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以
大幅度地提高目标产物的产量
?将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞
中，快速经济地大量生产这些产物
?将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染
或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护
人类基因组测序完成的后向功能基因
组学转变 ── 功能基因及其表达
产物的获得。
基因组与基因组功能
基因组完成后，获得三套完整的数据：遗传
图、物理图、全序列图。
功能性蛋白是基因功能的执行体。
? 在 ORF确定前，很难在一个基因从分子水平上进行实质
性的功能分析
? 基因与其编码产物蛋白的对应关系只存在于新生肽链而
不是最终的功能蛋白，新生肽链合成存在多种加工。
大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行
张嗣良
华东理工大学
生物工程学院
2005.2
1,绪论
1.1发酵过程的意义及组成
1.2 发酵工程的发展历史
1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
1,4 本课程的学习内容
发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
抗生素、生物制药、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
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
基因工程药物、疫苗及抗体产品
化学工程 生物化工 生物加工行业
传统生物技术 现代生物技术
基因工程菌发酵
生物工程
基因工程
酶工程
细胞工程 发酵工程
产物
产品产品
1.2 发酵工程的发展历史
发酵现象 → 酿造食品工业 → 非食品工业 → 青霉素 → 抗
菌素发酵工业 → 氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）
→ 基因工程菌 → 动物细胞大规模培养 → 植物细胞大规
模培养 → 藻类细胞大规模培养 → 转基因动物
第一个转折点,非食品工业
第二个转折点,青霉素 → 抗菌素发酵工业
第三个转折点,切断支路代谢,酶的活力调控,酶的合成调控 (反馈控制
和反馈阻遏 ),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用
,前体、终产物、副产物等
近代转折点,基因、动物、海洋
发酵现象的早期认识
? 1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在
? 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的
? 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精
─── 酶
发酵工程的早期阶段
人们的对发酵技术的认识起始于 19世纪末，主要来自于
厌氧发酵,如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发
酵食品。
20世纪初期,1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁
醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战） ──
由食品工业向非食品工业发展
好氧发酵技术,速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵
母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小
毛霉生产干酪。
1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养
法。生长均匀，增殖时间短。
发酵工程的重大转折点
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。
? 1928年由 Fleming发现青霉素
? 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养,1升扁瓶或锥形瓶，内装 200mL麦麸培养基
─── 40u/ml
? 1943年沉浸培养,5m3 ─── 200u/ml
? 当今,100m3─200m 3 ─── 5 -7万 u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
主要的技术进展：
?通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
?抗杂菌污染的纯种培养技术：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制造。
意义：
?抗生素工业的发展
?建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法
?推动了整个发酵工业的深入发展
?为现代发酵工程奠定了基础
大型发酵罐
搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
现代生物技术 ──分子生物学
与发酵工程
氨基酸发酵工业 ── 谷氨酸、赖氨酸
核酸发酵工业 ── 肌苷酸、乌苷酸
微生物变异株通过代谢调节 ── 代谢控制发酵技术
切断支路代谢转折点, 酶的活力调控,酶的合成调控 (反
馈控制和反馈阻遏 ) → 解除菌体自身的反馈调节,特殊调节
控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等
20世纪 70年代
细胞融合技术、基因操作技术 等生物技术发展，
打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用
的微生物,
?增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以
大幅度地提高目标产物的产量
?将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞
中，快速经济地大量生产这些产物
?将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染
或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护
人类基因组测序完成的后向功能基因
组学转变 ── 功能基因及其表达
产物的获得。
基因组与基因组功能
基因组完成后，获得三套完整的数据：遗传
图、物理图、全序列图。
功能性蛋白是基因功能的执行体。
? 在 ORF确定前，很难在一个基因从分子水平上进行实质
性的功能分析
? 基因与其编码产物蛋白的对应关系只存在于新生肽链而
不是最终的功能蛋白，新生肽链合成存在多种加工。
大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行
