绪论

发酵工程的相关概念

发酵是什么

• 传统概念：发酵（fermentation）最初来自于拉丁语“发泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生$CO_2$的现象。
• 生化和生理学意义：微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程。或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
• 现代概念：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备有用微生物菌体或其代谢产物或利用生命活动过程的统称。

发酵工程是什么

发酵工程的历史与发展

发酵的六个阶段

1. 第一阶段（1900年前
   • 酒精、醋
   • 使用温度计，比重计和热交换器
   • 分批培养
   • 使用纯酵母培养物（1896），用优质蜡接种发酵
2. 第二阶段（1900-1940（由食品工业向非食品工业发展
   • 面包酵母，甘油，柠檬酸和丙酮丁醇
   • pH离线控制，温度控制
   • 分批和补料培养
   • 应用纯培养技术
3. 第三阶段（1940-目前（抗菌素发酵工业
   • 青霉素，氨基酸，核苷酸，酶
   • 可灭菌的pH和溶氧电极，计算机控制
   • 分批和补料，连续培养开始
   • 菌种筛选程序重要
4. 第四阶段（1960-目前（代谢控制发酵技术
   • 用烃和其他贮存物生产单细胞蛋白
   • 计算机控制
   • 连续培养+培养基再循环
   • 生产菌株的遗传工程技术
5. 第五阶段（1979-目前
   • 通常微生物不产生的异质化合物，如胰岛素，干扰素
   • 更先进的控制手段和传感器
   • 分批，补料-分批或连续
   • 用基因工程技术将外院基因引入微生物宿主
6. 第六阶段（1990-目前（组学技术与发酵工程
   • 解决能源、资源、环境等问题的工业应用
   • 基因组学、蛋白组学、代谢组学等技术紧密结合

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–>藻类大规模培养

培养–>生物炼制、合成生物学

发酵工业的历史是生物技术产业化的历史

发酵工程对人类社会发展的意义

发酵工程的一般特征

与化学工程相比，发酵工程反应过程具有如下特点：

1. 通常是在温和的条件下进行，有可能使一种设备具有多种用途。
2. 用廉价原料生产出高值产品；
3. 工业菌种能够专一性的、高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的 氧化、还原、官能团导入等反应；
4. 发酵生产在操作上最需要注意的是防止杂菌污染。全过程在无菌状态 下运转，是非常重要的。
5. 通过微生物的菌种改良，能够利用原有生产设备使生产产生飞跃

现代发酵工业的三个巨大转变

1. 从传统生物技术到现代生物技术产品的实现
2. 从碳氢化合物经济到碳水化合物经济
3. 从食品、医药向能源、环境、生物基化学品领域拓展

发酵工程的发展方向

一、非粮/非糖发酵技术

二、混合菌群发酵技术

三、从基因组到大产品研究形成体系

四、发酵过程的优化与强化

五、发酵过程的生物学和工程学深度融合

发酵工程课程的学习内容

绪论

发酵工程的基本组成

• 发酵的种子
• 动力及灭菌系统
• 发酵培养基

发酵过程控制与优化

• 发酵过程的基本工艺及控制
• 经典发酵动力学
• 多尺度分析与过程优化