大规模基因
测序
高通量蛋白生产
细胞大规模培养技术
? 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细
胞、藻类细胞等
? 细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达
产物和基因质粒等
? 占生物技术产品的 40%以上，达 1OOO亿美元。
发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在 400亿美元左右，并以每
年约 7％～ 8％的速率增长。
我国发酵行业生产企业有 5000多家，主要发酵产品的年产
值高达 1300亿元。
发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力
涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、
资源与能源等重大问题
人类社会经济发展的危机
随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、
环境状态已不能支撑现有的发展模式。 特别重要的是随着
煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需,如果没有基
于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会
进一步发展的目标。
传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必
需走资源节约型、环境友好型的道路
基于碳氢化合物的经济转变为
基于碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪
只有 工业微生物 才能将来源于太阳能的可再
生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工
原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直
接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、
和国家安全。
Figure 1.Idealized biorefinery concept.
(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)
21世纪是生物技术世纪
未来学家说,21世纪是生物技术世纪；
科学家预言,21世纪世界即将在生物技术上取得
重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物
学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保
护上有所突破；
经济学家则认为,21世纪 20年代，生物经济将由目
前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开
发阶段。
1.3 发酵工程的生物学与
工程学基础
发酵工程的主要问题
过程优化与放大
? 在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培
养过程中进一步考察它的 生理生化特性,稳定或改进微
生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽
的了解，对生化反应做 定量的和动力学 方面的考察
?发酵过程是以微生物反应为核心的，有 很多过程环节参与
的综合结果,整个过程贯穿着以 "速率 "为内容的基础研究
动力学与反应器工程
?本征动力学,即没有在生物反应器中各种形式的传递过程
等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。
─── 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念
?生物反应工程,它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应
动力学和生物反应器工程。其中 反应器工程 是指包括影响
微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方
式、物料混和传递过程特性等
?宏观动力学,但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，
因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的
反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是 宏观动力学
研究。
微生物生长和反应过程研究
?必须从基质进入细胞，胞内反应,代谢产物 的胞内外分泌
等 全过程进行分析
─── 形成了经典的以化学计量学和热力学研究为
基础的发酵工程生物学
?从 工程学角度研究对生长反应的影响 。研究各类微生物代谢
平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反
应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能
量的关系。
?要经过 1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成
分，我们 不可能对这些反应进行一一定量的计算
过程工程技术的进展
发酵过程计算机控制
?传感器,DO,pH,排气成份分析系统 ……
?计算机控制系统,单片智能, 工控机, pLC, 现场总线,
DCS ……
?执行器件,杯式补料系统
?参数自动控制回路
温度 自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制 pH调节
（手控或自控）； DO与转速、通气流量程序串级调节 ……
杯式补料系统
生产车间计算机
控制室
测序
高通量蛋白生产
细胞大规模培养技术
? 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细
胞、藻类细胞等
? 细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达
产物和基因质粒等
? 占生物技术产品的 40%以上，达 1OOO亿美元。
发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在 400亿美元左右，并以每
年约 7％～ 8％的速率增长。
我国发酵行业生产企业有 5000多家，主要发酵产品的年产
值高达 1300亿元。
发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力
涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、
资源与能源等重大问题
人类社会经济发展的危机
随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、
环境状态已不能支撑现有的发展模式。 特别重要的是随着
煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需,如果没有基
于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会
进一步发展的目标。
传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必
需走资源节约型、环境友好型的道路
基于碳氢化合物的经济转变为
基于碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪
只有 工业微生物 才能将来源于太阳能的可再
生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工
原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直
接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、
和国家安全。
Figure 1.Idealized biorefinery concept.
(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)
21世纪是生物技术世纪
未来学家说,21世纪是生物技术世纪；
科学家预言,21世纪世界即将在生物技术上取得
重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物
学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保
护上有所突破；
经济学家则认为,21世纪 20年代，生物经济将由目
前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开
发阶段。
1.3 发酵工程的生物学与
工程学基础
发酵工程的主要问题
过程优化与放大
? 在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培
养过程中进一步考察它的 生理生化特性,稳定或改进微
生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽
的了解，对生化反应做 定量的和动力学 方面的考察
?发酵过程是以微生物反应为核心的，有 很多过程环节参与
的综合结果,整个过程贯穿着以 "速率 "为内容的基础研究
动力学与反应器工程
?本征动力学,即没有在生物反应器中各种形式的传递过程
等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。
─── 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念
?生物反应工程,它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应
动力学和生物反应器工程。其中 反应器工程 是指包括影响
微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方
式、物料混和传递过程特性等
?宏观动力学,但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，
因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的
反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是 宏观动力学
研究。
微生物生长和反应过程研究
?必须从基质进入细胞，胞内反应,代谢产物 的胞内外分泌
等 全过程进行分析
─── 形成了经典的以化学计量学和热力学研究为
基础的发酵工程生物学
?从 工程学角度研究对生长反应的影响 。研究各类微生物代谢
平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反
应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能
量的关系。
?要经过 1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成
分，我们 不可能对这些反应进行一一定量的计算
过程工程技术的进展
发酵过程计算机控制
?传感器,DO,pH,排气成份分析系统 ……
?计算机控制系统,单片智能, 工控机, pLC, 现场总线,
DCS ……
?执行器件,杯式补料系统
?参数自动控制回路
温度 自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制 pH调节
（手控或自控）； DO与转速、通气流量程序串级调节 ……
杯式补料系统
生产车间计算机
控制室
