发酵工程 精品课程
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华东理工大学 ·生物工程学院
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程,
张嗣良
华东理工大学
生物工程学院
2005.2
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绪论
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
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绪论
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
?1.1 发酵过程的意义及组成
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
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绪论
?1.1 发酵过程的意义及组成
基因工程
酶工程
细胞工程 发酵工程
产物
产品产品
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
?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─ 200m3 ─── 5-7万 u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大型发酵罐搅拌装置
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
发酵车间的空气过滤器
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
动物细胞反应器
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绪论
?1.2 发酵工程的历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大规模基因测序
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
高通量蛋白生产
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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Figure 1.Idealized biorefinery concept.
(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)
绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
1.3 发酵工程的生物学
与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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
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 。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
─── 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。
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。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
─── 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
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
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程工程技术的进展
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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 ……
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
生产车间计算机
控制室
杯式补料系统
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
静态和动态优化
系统识别
自适应控制
专家系统、模糊控制、神经元网络
各种混沌现象的研究
现代控制理论的应用
数学模型
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程放大技术的应用
几何相似
流体运动学相似
流体动力学相似
因次分析法
经验法则法
数学模拟法
时间常数法
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计算流体力学
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
复杂系统多尺
度理论的应用
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
装备制造与设计技术的进展
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程生物技术的进展
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生物学技术的进展
基因组学 生命网络的零件
转录组学 生命网络的零件
蛋白质组学 生命网络的零件
代谢组学 生命网络的零件
相互作用组学 生命活动的途径、网络和模块
表型组学 生命活动的表征
计算生物学 生命活动的数学模型与预测
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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技术平台的构建
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
PDQuestlinked to ProteinLynx
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
M@LDITMAutomated2D-Gel-TofMS
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自动 LC ESI-MS/MS 分析
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
1013.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
Isolated
digested
proteins Waters CapLC
ProteinLynx data processing
and database searchingProteinLynx results browser
Micromass Q-Tof
automated
ESI-MS/MSMS/MS
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
制备型 HPLC
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蛋白质－ DNA相互作用研究
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
发酵工程在生物技术产业
发展中的地位
21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么
样的格局？ 作为工业生物技术核心的发酵工程，
在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状
态？ 能起何种作用？ 又面临那些课题？ 这是人们
所关注的问题 ！
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
?此外, 发酵工程的最基本问题是过程优化与放大, 通过本课
程的学习, 对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识,
对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解 。
1.4 本课程的学习内容
?通过, 发酵工程, 的学习，将技术基础课和专业课与发酵
工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，
并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物
工程的有关科研和生产打下良好的基础。
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
教学基本要求
第一章 绪论 (2学时 )
第二章 菌种的来源 (4学时 )
第三章 微生物发酵培养基 (5学时 )
第四章 种子的扩大培养 (4学时 )
第五章 发酵过程动力学概论 (2学时 )
第六章 氧的供需及对发酵的影响 (8学时 )
第七章 发酵过程的工艺控制 (13学时 )
第八章 典型发酵过程的特性与工业控制 (6学
时 )
第九章 发酵过程的优化与放大概论 (2学时 )
第十章 展望 (2学时 )
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
参考教材：
,生物工艺学, 俞俊棠
,现代生物工艺学, 储炬
,多尺度微生物过程优化, 张嗣良
网站：
负责人：李友元
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
,发酵工程, 教育与科研主持教师
总负责人,张嗣良教授（博导）
策划,张嗣良教授（博导）、叶勤教授（博导）
主讲与组织,宫衡教授（博士）,陈长华教
代谢调控与代谢工程,储矩教授（博导）
参数相关分析,庄英萍教授（副院长）
蛋白质组学,王永红教授（博士）
基因芯片及其应用,叶帮策教授（博士）
计算流体力学,环境与 GMP标准：王斯靖教授（博士）
数学模型与控制,黄敏志教授（博士）
参数检测与计算机控制,杭海峰讲师（在读博士）
装备与设计,唐寅教授
网站与实验,李友元（在读博士）、高叔红（在读博士）
现代技术发酵装备制造,刘键（在读博士）
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华东理工大学 ·生物工程学院
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,发酵工程,
张嗣良
华东理工大学
生物工程学院
2005.2
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绪论
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
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绪论
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
?1.1 发酵过程的意义及组成
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
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?1.1 发酵过程的意义及组成
基因工程
酶工程
细胞工程 发酵工程
产物
产品产品
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
?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─ 200m3 ─── 5-7万 u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大型发酵罐搅拌装置
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
发酵车间的空气过滤器
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
动物细胞反应器
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绪论
?1.2 发酵工程的历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
大规模基因测序
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
高通量蛋白生产
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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
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。
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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Figure 1.Idealized biorefinery concept.
(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)
绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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绪论
?1.2 发酵工程的发展历史
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。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
1.3 发酵工程的生物学
与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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
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 。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
─── 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。
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。
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
─── 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
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
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程工程技术的进展
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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 ……
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
生产车间计算机
控制室
杯式补料系统
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
静态和动态优化
系统识别
自适应控制
专家系统、模糊控制、神经元网络
各种混沌现象的研究
现代控制理论的应用
数学模型
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程放大技术的应用
几何相似
流体运动学相似
流体动力学相似
因次分析法
经验法则法
数学模拟法
时间常数法
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计算流体力学
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
复杂系统多尺
度理论的应用
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
装备制造与设计技术的进展
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
过程生物技术的进展
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生物学技术的进展
基因组学 生命网络的零件
转录组学 生命网络的零件
蛋白质组学 生命网络的零件
代谢组学 生命网络的零件
相互作用组学 生命活动的途径、网络和模块
表型组学 生命活动的表征
计算生物学 生命活动的数学模型与预测
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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技术平台的构建
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
PDQuestlinked to ProteinLynx
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
M@LDITMAutomated2D-Gel-TofMS
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自动 LC ESI-MS/MS 分析
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
1013.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
Isolated
digested
proteins Waters CapLC
ProteinLynx data processing
and database searchingProteinLynx results browser
Micromass Q-Tof
automated
ESI-MS/MSMS/MS
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
制备型 HPLC
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蛋白质－ DNA相互作用研究
绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
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绪论
?1.3 发酵工程的生物学与工程学基础
发酵工程在生物技术产业
发展中的地位
21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么
样的格局？ 作为工业生物技术核心的发酵工程，
在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状
态？ 能起何种作用？ 又面临那些课题？ 这是人们
所关注的问题 ！
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
?此外, 发酵工程的最基本问题是过程优化与放大, 通过本课
程的学习, 对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识,
对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解 。
1.4 本课程的学习内容
?通过, 发酵工程, 的学习，将技术基础课和专业课与发酵
工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，
并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物
工程的有关科研和生产打下良好的基础。
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
教学基本要求
第一章 绪论 (2学时 )
第二章 菌种的来源 (4学时 )
第三章 微生物发酵培养基 (5学时 )
第四章 种子的扩大培养 (4学时 )
第五章 发酵过程动力学概论 (2学时 )
第六章 氧的供需及对发酵的影响 (8学时 )
第七章 发酵过程的工艺控制 (13学时 )
第八章 典型发酵过程的特性与工业控制 (6学
时 )
第九章 发酵过程的优化与放大概论 (2学时 )
第十章 展望 (2学时 )
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
参考教材：
,生物工艺学, 俞俊棠
,现代生物工艺学, 储炬
,多尺度微生物过程优化, 张嗣良
网站：
负责人：李友元
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绪论
?1.4 本课程的学习内容
,发酵工程, 教育与科研主持教师
总负责人,张嗣良教授（博导）
策划,张嗣良教授（博导）、叶勤教授（博导）
主讲与组织,宫衡教授（博士）,陈长华教
代谢调控与代谢工程,储矩教授（博导）
参数相关分析,庄英萍教授（副院长）
蛋白质组学,王永红教授（博士）
基因芯片及其应用,叶帮策教授（博士）
计算流体力学,环境与 GMP标准：王斯靖教授（博士）
数学模型与控制,黄敏志教授（博士）
参数检测与计算机控制,杭海峰讲师（在读博士）
装备与设计,唐寅教授
网站与实验,李友元（在读博士）、高叔红（在读博士）
现代技术发酵装备制造,刘键（在读博士）
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