《发酵工艺原理》课件

发酵工艺原理欢迎学习《发酵工艺原理》课程！本课程将系统介绍发酵工艺的基本原理、操作方法以及工业应用通过对微生物生长、代谢调控、发酵设备、过程控制等内容的学习，帮助大家全面理解发酵工艺的科学基础和工程实践本课程兼顾理论与应用，将带领大家从微观的微生物代谢活动到宏观的工业发酵操作进行深入探索，为今后从事生物技术相关工作打下坚实基础课程概述课程目标学习内容掌握发酵工艺的基本原理和方课程包括发酵工艺概述、微生法，培养学生分析和解决发酵物与发酵、培养基开发、发酵工程问题的能力，为专业技术设备、过程控制、发酵动力学、和科学研究奠定基础通过本工艺过程、产物分离纯化、工课程学习，学生将了解微生物艺放大及优化等核心内容，涵发酵的科学原理，熟悉工业发盖从理论到实践的全过程酵的工艺流程和控制方法考核方式平时成绩（30%）出勤率、课堂表现和作业完成情况；期末考试（70%）闭卷笔试，考察基本概念和原理应用能力实验部分单独计分，必须全部合格才能获得课程学分第一章发酵工艺概述定义发酵工艺是利用微生物的生命活动，在可控条件下将有机物转化为目标产物的过程，是生物技术的核心内容之一历史发展从古代经验发酵到现代精准控制的生物技术产业，经历了几千年的演变，特别是在20世纪抗生素生产带动下实现了快速发展应用领域广泛应用于食品、医药、化工、能源、环保等领域，是现代工业体系中不可或缺的重要组成部分发酵的定义生物化学角度生物技术角度发酵是指在厌氧条件下，微生物不发酵是微生物在有氧或无氧条件下，完全氧化有机物产生能量的过程通过其代谢活动将底物转化为目标典型如乳酸发酵、酒精发酵等，是产物的过程这一定义扩展了传统微生物获取能量的一种方式这种发酵概念，包含了更广泛的微生物定义强调的是微生物在缺氧条件下代谢转化过程的代谢过程工业应用角度工业发酵是指利用微生物的生命活动，在人工控制的条件下，大规模生产各种有用物质的过程这种定义强调了发酵过程的可控性和产业化特点发酵工艺的历史发展古代发酵技术1早在6000年前，人类就已开始利用自然发酵酿造酒类和制作发酵食品中国的酒、酱油、醋，西方的面包、奶酪等都是古代发酵技术的代表这个阶段的发酵主要依靠经验，缺乏科学理论指导近代发酵工业219世纪巴斯德证明发酵是微生物活动的结果，为发酵工业奠定了科学基础20世纪初，酒精、有机酸等工业发酵开始规模化生产第二次世界大战期间，青霉素发酵生产的成功极大促进了发酵工业的发展现代生物技术革命320世纪70年代以来，基因工程、代谢工程等新技术与发酵工业结合，开创了发酵工艺的新纪元菌种改良、过程优化和自动化控制水平不断提高，发酵工业已成为知识密集型和技术密集型产业发酵工艺的应用领域医药工业化工行业抗生素、激素、疫苗、氨基酸、维有机酸、溶剂、生物表面活性剂和生素和酶制剂等的生产，是现代医生物高分子材料的生产，为绿色化药工业的重要组成部分发酵技术学提供了新途径生物基化学品正食品工业环境保护在新药开发和生产中发挥着不可替逐步替代传统石化产品，推动化工酒类、乳制品、酱油、醋、面包等代的作用业可持续发展废水处理、固体废物降解、生物修发酵食品生产，是人类最早且最普复和环境监测等领域的应用，为环及的发酵应用领域发酵不仅赋予境保护提供了生物技术解决方案食品独特风味，还能延长保质期，微生物发酵在污染物降解和资源回提高营养价值收方面具有独特优势第二章微生物与发酵微生物代谢代谢产物的形成及调控是发酵工艺的核心微生物生长特性生长曲线和环境因素影响微生物的类型细菌、真菌和酵母的特征及应用微生物是发酵工艺的核心执行者，其生长和代谢活动直接决定了发酵过程的效率和产物质量了解不同类型微生物的特性，掌握其生长规律和代谢特点，是开展发酵工艺研究与应用的基础本章将系统介绍工业发酵中常用微生物的分类、形态特征、生长特性以及代谢规律，为后续各章节的学习奠定生物学基础发酵微生物的类型细菌真菌酵母单细胞原核生物，结构简单，生长迅速，多细胞或单细胞真核生物，包括丝状真菌单细胞真核生物，介于细菌和真菌之间，代谢类型多样在抗生素、氨基酸、酶制和酵母菌丝状真菌形成菌丝体，分泌能具有生长迅速、易培养、抗逆性强等特点剂等生产中广泛应用代表菌种有芽孢杆力强，适合生产各类胞外酶和次级代谢产在酒精、食品和医药发酵中应用广泛代菌、链霉菌、大肠杆菌等物代表菌种有青霉菌、曲霉菌等表菌种有啤酒酵母、酿酒酵母等细菌具有快速生长和高效代谢的特点，适丝状真菌在抗生素、有机酸和酶制剂生产酵母菌是最早被工业化利用的微生物之一，合短周期发酵生产某些细菌如芽孢杆菌中占据重要地位其菌丝形态使得培养形在传统发酵食品制作和现代生物技术中均能形成芽孢，对恶劣环境有较强耐受性成高黏度，需特殊的发酵设备和控制策略有重要应用，如重组蛋白表达等微生物生长曲线延滞期微生物接种到新培养基后的适应阶段，此时细胞数量变化不明显，但细胞体积增大，酶系统激活，为快速生长做准备延滞期长短与接种量、菌龄、培养条件等因素有关接种使用生长旺盛的对数期细胞可缩短延滞期，提高发酵效率工业发酵通常通过种子培养优化来缩短此阶段对数生长期微生物以指数方式快速增殖的阶段，细胞分裂速率达到最大，代谢活跃此期微生物形态一致，活力最强，是细胞产生初级代谢产物的主要阶段对数生长期是工业发酵中最活跃的时期，许多与生长相关的产物主要在此阶段形成控制好这一阶段的环境参数对发酵结果至关重要稳定期微生物生长速率逐渐减慢直至停止增长的阶段，细胞数量达到最大值并保持相对稳定此时由于营养物质消耗和代谢产物积累，环境开始恶化稳定期是许多次级代谢产物形成的重要阶段，如抗生素、生物碱等了解微生物在此阶段的生理变化对工艺控制具有重要意义衰退期由于营养耗尽和有毒代谢物积累，微生物死亡速率超过生长速率，活细胞数量减少的阶段此时细胞自溶现象加剧，可能释放胞内产物到培养基中在某些发酵工艺中，如某些酶的生产，衰退期的自溶现象有利于产物释放而对于其他工艺，需及时结束发酵避免产物降解影响微生物生长的因素°37C最适温度大多数中温菌的最适生长温度，如大肠杆菌

6.8中性值pH多数细菌适宜的pH范围20%溶氧浓度好氧发酵中常见的溶氧饱和度天5-7发酵周期典型的抗生素发酵培养时间微生物生长和代谢对环境条件极为敏感，控制这些因素是成功进行工业发酵的关键温度影响酶活性和代谢速率；pH值影响膜转运和酶活性；氧气是好氧微生物生长和代谢的必需因素；而营养物质的种类和浓度则直接决定微生物的生长潜力和代谢方向工业发酵通常需要精确控制这些环境参数，以获得最佳的生长状态和产物产量不同微生物和不同产物形成往往需要不同的最适条件，这也是发酵工艺研究的重要内容微生物代谢初级代谢与微生物生长密切相关的基本代谢过程，包括糖酵解、三羧酸循环、电子传递链等能量代谢和合成细胞组分的代谢途径初级代谢产物如氨基酸、核苷酸、维生素等是微生物生存必需的次级代谢与微生物生长不直接相关的代谢途径，通常在生长后期产生次级代谢产物如抗生素、色素、生物碱等往往具有特殊生物活性，是许多高价值医药产品的来源代谢调控微生物通过多种机制调节代谢活动，包括酶合成的诱导与阻遏、酶活性的反馈抑制、代谢流的重分配等了解和利用这些调控机制可以指导发酵工艺的优化第三章发酵培养基培养基组成碳源、氮源、无机盐和生长因子是构成培养基的基本成分，它们共同为微生物生长和代谢提供必要的营养物质和能量培养基类型根据成分来源和确定性不同，培养基可分为合成培养基、半合成培养基和复杂培养基，它们在研究和生产中各有应用场景培养基优化通过系统的实验设计和统计分析，确定培养基各组分的最佳配比，以提高目标产物产量并降低生产成本培养基的基本组成碳源是微生物生长和能量代谢的主要物质，常用的有葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等不同碳源的利用效率和代谢调控效应存在差异，选择适当的碳源对产物形成至关重要氮源为蛋白质和核酸合成提供原料，分为无机氮源（铵盐、硝酸盐）和有机氮源（蛋白胨、酵母提取物、豆粕等）无机盐和微量元素作为酶的辅因子和细胞结构成分，对微生物代谢具有重要调节作用某些微生物还需要特定的生长因子如维生素、氨基酸等，这些物质往往通过添加复杂天然物质如酵母提取物来补充培养基类型半合成培养基部分组分使用复杂天然物质，平衡了成本和确定性的需求合成培养基全部由纯化学物质组成，各组分种类和含量确定，便于重复和对照研究复杂培养基主要由天然物质组成，成分不完全确定，但营养丰富且成本低廉合成培养基主要用于基础研究和特殊发酵过程，如代谢调控研究，其明确的成分便于分析微生物对特定营养物的反应但成本较高，且可能缺乏某些微量营养因子工业发酵多采用半合成或复杂培养基，利用农副产品、工业副产品等廉价原料降低成本常用的有麸皮、糖蜜、玉米浆、豆粕等培养基类型的选择需考虑菌种特性、产物特点、生产规模和经济因素等多方面条件培养基优化方法单因素实验每次只改变一个变量进行试验，其他因素保持不变正交实验设计利用正交表安排试验，可同时考察多个因素的影响响应面法建立数学模型描述因素与响应值的关系，寻找最优参数组合单因素实验是培养基优化的基础步骤，通过逐一考察各成分对产物形成的影响，确定关键营养因子及其大致适宜范围这种方法简单直观，但工作量大且无法评估因素间的交互作用正交实验设计是一种高效的多因素优化方法，能大幅减少实验次数，适合培养基组分的初步筛选而响应面法则在初步优化的基础上，通过建立数学模型对培养基成分进行精确优化，能预测出最优配方并反映因素间的相互作用现代培养基优化通常结合多种方法，并辅以统计分析，以实现科学合理的培养基设计第四章发酵设备发酵罐的基本结构罐体通常采用不锈钢材质，具有良好的抗腐蚀性和耐压性内表面光滑，便于清洗和灭菌罐体上设有多个接口，用于进料、排料、采样、安装传感器等根据发酵工艺需求，罐体高径比一般在2:1至3:1之间，以保证良好的混合和传质效果搅拌系统包括电机、轴封、传动装置和搅拌桨等部分搅拌桨的类型和数量根据发酵液粘度和混合需求确定，常用的有涡轮桨、桨叶桨和螺旋桨等优良的搅拌系统应能提供均匀混合，促进气液传质，同时避免剪切敏感菌体的损伤通气系统由空气过滤器、压缩机、流量计和通气装置组成通气装置通常位于搅拌桨下方，设计为环形或多孔式，以产生细小气泡增加气液接触面积大型发酵罐通常采用多点通气，以改善氧传递效率测控系统包括各种传感器和控制器，用于监测和调节温度、pH、溶氧、压力、液位等参数现代发酵罐通常配备计算机控制系统，实现数据实时监测、记录和自动控制，提高发酵过程的可控性和重现性发酵罐的类型机械搅拌发酵罐气升式发酵罐固态发酵罐最常用的发酵设备类型，通过机械搅拌实利用通入的气体上升引起液体循环，实现用于固态基质发酵的专用设备，通常采用现混合和传质特点是结构成熟，操作灵混合和传质，无机械搅拌装置结构简单，盘式、床式或转筒式结构固态发酵的特活，适应性强，但能耗较高，尤其在大规能耗低，剪切力小，适合剪切敏感的微生点是含水量低，氧传递主要通过空气流动模生产中根据搅拌方式又可分为顶部驱物如丝状真菌和动物细胞培养和基质扰动实现动和底部驱动两种气升式发酵罐的设计参数主要包括筒径比、固态发酵罐在传统发酵食品、酶制剂和某机械搅拌发酵罐适用于大多数微生物发酵通气量和循环流速等其缺点是传质效率些次级代谢产物生产中应用广泛关键设过程，特别是在液体粘度变化大、需要精受通气量限制，且混合不够均匀，不适合计因素包括通风系统、温湿度控制和基质确控制环境参数的发酵中优势明显高粘度发酵液翻动机制等发酵罐配套设施空气过滤系统温度控制系统控制系统pH由预过滤器和精密过滤器组成，用于去除空包括加热和冷却装置，通常采用夹套或内置由pH电极、控制器和加酸/碱泵组成，用于气中的灰尘、微生物和其他杂质，确保通入盘管方式实现热量交换大型发酵罐多采用实时监测和调节发酵液pH值电极需定期发酵罐的空气无菌常用的无菌过滤器有玻多点温度检测和分区温控，以应对发酵过程校准，并采取防污染和防堵塞措施大型发璃纤维、聚丙烯纤维和聚四氟乙烯膜等材质，中产热不均匀的问题温控系统的设计需考酵通常设置多个pH调节剂添加点，以避免过滤精度通常在

0.2μm左右虑发酵过程的产热规律和热交换效率局部pH剧烈变化对微生物的不利影响第五章发酵过程控制温度控制控制pH温度是影响微生物生长和代谢的关键因素，精确控制温度对发酵pH值影响酶活性、膜转运和产物稳定性，是发酵过程中需要严格效率至关重要不同微生物有不同的最适生长温度，而且发酵不监控的参数大多数发酵过程中，pH值会因微生物代谢而发生变同阶段可能需要不同的温度策略化，需要通过添加酸或碱进行调节溶氧控制泡沫控制对好氧发酵而言，维持适宜的溶氧水平是保证微生物正常代谢的发酵过程中产生的泡沫可能导致营养损失、设备堵塞和污染风险必要条件溶氧控制通常通过调节通气量和搅拌速度实现，需要增加有效的泡沫控制策略包括机械破泡、添加消泡剂和优化培平衡氧供应和能耗之间的关系养基配方等方法温度控制温度对发酵的影响温度控制方法温度控制策略温度直接影响微生物的生长速率、代谢活小型发酵器通常采用浸入式加热棒和冷却恒温策略整个发酵过程维持恒定温度，性和产物形成温度过低会减缓微生物生盘管，或将整个发酵器置于恒温水浴中进操作简单，适合需求稳定的常规发酵温长和代谢速率；温度过高则可能抑制特定行温度控制实验室发酵多采用这种简单度梯度策略根据发酵不同阶段的需求调酶的活性，甚至导致细胞损伤不同发酵直接的方式工业规模发酵罐则多采用夹整温度，如青霉素发酵初期保持较高温度阶段对温度的要求可能不同，如产物积累套式热交换，通过控制夹套中冷热媒体的促进生物量积累，后期降温促进抗生素合期可能需要与生长期不同的温度条件流量调节罐内温度成温度还影响氧溶解度、液体黏度和代谢热大型发酵罐还常设置多个温度测点，实现温度循环策略在一定范围内周期性改变产生，进而影响发酵过程中的传质效率和分区温控，解决热量分布不均的问题现温度，适用于特殊代谢产物的诱导如某热平衡因此，温度控制不仅影响微生物代发酵温控系统通常采用PID控制算法，些次级代谢物的合成可通过温度冲击诱导本身，还会通过物理化学因素间接影响发通过实时调整冷热媒体流量，保持温度稳选择合适的温度控制策略需考虑菌种特性、酵效果定在设定值附近产物形成动力学和工艺经济性等因素控制pH对发酵的影响控制方法pH pHpH值影响酶的活性和稳定性，pH控制的核心是准确测量和及大多数酶在特定pH范围内才能时调节pH测量通常采用玻璃保持最佳活性pH还影响细胞电极，需定期校准以保证测量膜的渗透性和电荷分布，进而精度pH调节可通过添加酸碱影响物质的跨膜转运此外，溶液实现，常用的有氢氧化钠、pH值会影响某些营养物质的溶氨水、硫酸、盐酸等大型发解度和离子形式，从而影响其酵通常设置多个加酸碱点，避利用效率免局部浓度过高控制策略pH不同发酵过程有不同的pH控制策略恒定pH策略，即将pH值控制在固定值，适合大多数发酵过程；pH滑变策略，允许pH在一定范围内自然变化，只在超出范围时干预，减少试剂用量；阶段性pH控制，根据发酵不同阶段的需求设定不同的pH值溶氧控制溶氧对发酵的影响溶氧测定方法对于好氧微生物，氧气是电子传递链的终末电子现代发酵罐多采用极谱式溶氧电极或荧光溶氧传受体，直接影响能量代谢效率不同微生物对氧感器测量溶氧浓度极谱式电极基于氧气扩散到气的需求量差异很大，从严格需氧到微需氧不等电极表面的电化学反应，需定期更换膜和电解质，溶氧水平还会影响代谢途径的选择，如在低氧条且受温度和压力影响较大件下，某些微生物会转向发酵代谢荧光溶氧传感器基于荧光淬灭原理，具有响应快、无氧消耗、不受气泡干扰等优点，但价格较高溶氧还影响次级代谢产物的合成，如许多抗生素无论采用哪种传感器，都需要在每次发酵前进行的生产需要特定的溶氧条件因此，根据菌种特空气饱和校准性和产物形成规律确定合适的溶氧控制方案是发酵工艺优化的关键溶氧控制策略溶氧控制主要通过调节通气量和搅拌速度实现常用的控制策略包括固定通气量和搅拌速度，简单但无法应对溶氧需求变化；固定通气量，调节搅拌速度，能耗较高；固定搅拌速度，调节通气量，控制精度有限先进的溶氧控制采用级联控制方式，同时调节通气量和搅拌速度，以优化能耗和控制精度对于大型发酵罐，还需考虑气体分布和液体混合的均匀性问题，可能需要采用多点通气和多级搅拌泡沫控制泡沫产生原因泡沫控制方法消泡剂的选择发酵液中的蛋白质、多糖等表面活性物质机械方法使用旋转式破沫器、超声波破消泡剂的选择需考虑其有效性、持久性、降低了表面张力，使气泡稳定存在形成泡沫装置或喷淋装置物理破坏泡沫这类方毒性和下游影响硅油类消泡剂效果好、沫搅拌和通气过程中产生的气泡不断累法无需添加化学物质，不影响发酵过程，持久性强，但难以去除，可能影响产物纯积，如不及时控制，可导致发酵液溢出但对稳定泡沫效果有限化；植物油类（如豆油、棉籽油）环保安泡沫产生的程度与培养基成分、微生物类全，但效力较低；脂肪醇类消泡效果居中，化学方法添加消泡剂如硅油、植物油、型、通气搅拌条件和发酵阶段有关且部分可被微生物代谢脂肪醇等消泡剂需具备低毒性、高效性某些微生物如酵母菌在对数生长期泡沫产和化学稳定性，且不应干扰下游处理添对于医药级产品，消泡剂必须符合相关法生尤为旺盛，而丝状真菌发酵中由于菌丝加方式可以是预先加入培养基或根据泡沫规要求现代发酵工艺通常通过优化培养缠绕可形成非常稳定的泡沫，难以控制生成情况自动滴加基和控制参数，结合适量消泡剂使用，实现经济有效的泡沫控制第六章发酵动力学产物形成动力学研究产物形成速率与微生物生长、环境条件关系的学科，根据产物形成与生长的关联程2微生物生长动力学度可分为三类基本模式，指导发酵过程优化描述微生物生长速率与环境因素关系的数学模型，为预测和控制发酵过程提供理论依据核心参数包括比生长速率、基质消耗动力学最大比生长速率和底物亲和常数等描述微生物对营养物质利用规律的模型，关注基质转化效率、产物得率和能量维持需求等参数，对发酵经济性评估具有重要意义微生物生长动力学模型产物形成动力学与生长相关产物形成速率与微生物生长速率成正比，表达式为dP/dt=α·dX/dt，其中P为产物浓度，X为生物量，α为比例系数典型的与生长相关产物有初级代谢产物、细胞自身成分、某些工业酶等与生长部分相关产物形成受生长和非生长因素共同影响，表达式为dP/dt=α·dX/dt+β·X，其中β为非生长相关系数这类产物在微生物生长和静止阶段都能合成，如某些有机酸、氨基酸等与生长无关产物形成与微生物生长无直接关系，通常在生长停止后才开始或显著增加，表达式为dP/dt=β·X典型的与生长无关产物包括许多次级代谢产物，如大多数抗生素、某些生物碱等基质消耗动力学基质利用率产物得率描述微生物对底物的利用效率，表示单位底物消耗量产生的产定义为单位时间内底物消耗量物量，表达式为Yp/s=与底物初始量的比值基质利ΔP/ΔS产物得率反映了底物用率受微生物种类、培养条件碳源向目标产物转化的效率，和发酵阶段等因素影响，是评是发酵生产中的核心经济指标价发酵过程经济性的重要指标理论得率可通过代谢途径和碳平衡计算，实际得率通常低于理论值维持系数表示微生物维持基本生命活动所需的底物消耗速率与生物量的比值，单位为g底物/g生物量·h维持代谢包括细胞修复、渗透压调节、pH平衡等非生长相关能量需求，在低生长率条件下占总能量消耗的比例较高第七章发酵工艺过程种子培养从保存菌种到发酵接种的过程，目的是获得足量活力强的菌体发酵培养2主体发酵过程，根据操作方式可分为分批、补料分批和连续培养发酵终点判断根据物理、化学和生物学指标确定最佳收获时间种子培养种子培养目的种子培养方法获得足量、活力强、状态稳定的种子液，为传统种子培养采用逐级扩大的方式，从试管主发酵提供良好的接种源种子培养过程中，斜面到摇瓶，再到小型种子罐，最后到大型微生物经历由少到多、由小到大的扩大培养，种子罐，接种量通常为5-10%现代生产也逐步适应发酵条件，缩短主发酵的延滞期采用冻干或冷冻菌种直接接种种子罐的方式，提高操作便利性和一致性良好的种子培养能显著提高主发酵的产量和种子培养的培养基通常与主发酵培养基相似稳定性，降低污染风险，是发酵生产成功的但更简单，重点是促进菌体生长而非产物形关键环节对于工业生产，种子的质量控制成培养条件的设定也以快速获得活力高的至关重要菌体为目标种子培养优化优化种子培养的关键因素包括接种量、培养时间、培养基成分、培养条件等接种量过大会导致营养快速耗尽，菌体提前进入衰退期；接种量过小则延长培养时间，增加污染风险种子培养时间一般控制在对数生长末期，此时菌体活力最强对于某些特殊发酵，如某些次级代谢产物的生产，可能需要特定生理状态的种子，这时需要根据产物形成特性定制种子培养方案发酵培养方式分批培养最基本的发酵方式，所有营养物质在发酵开始时一次性加入，发酵过程中除调节剂外不另加物质，发酵结束后一次性收获产物补料分批培养在分批培养基础上，根据需要在发酵过程中添加营养物质，可克服底物抑制和高初始浓度的不良影响，提高产量连续培养连续加入新鲜培养基并同时排出等量发酵液的培养方式，可建立动态平衡状态，保持微生物在特定生长阶段，提高生产效率分批培养特点操作简单污染风险低只需一次性添加培养基，控制条件相对固定密闭系统使发酵过程中外源污染几率降低周期性生产产率较低需定期清罐、灭菌和重新接种受限于底物抑制和产物抑制效应分批培养是最传统也是应用最广泛的发酵方式，它的最大特点是封闭系统，微生物处于不断变化的环境中，表现出典型的生长曲线特征在分批培养中，随着时间推移，底物浓度降低，产物浓度升高，微生物经历完整的生长周期分批培养适用于小规模生产和研究工作，也适合产物形成与生长密切相关的发酵过程然而，对于高密度培养和高产量要求，分批培养的局限性比较明显，此时需要考虑其他培养方式或优化策略补料分批培养补料策略优缺点分析应用实例恒定补料以固定速率优点克服底物抑制和补料分批培养在氨基酸、添加营养物质，操作简产物抑制，达到高细胞酶制剂、重组蛋白和某单但不能适应微生物生密度和高产量；延长微些抗生素生产中应用广长变化；指数补料补生物的生长周期，提高泛如谷氨酸发酵中，料速率随微生物预期生设备利用率；控制特定控制碳源浓度可防止副长指数增加，理论上可营养成分浓度，调控代产物形成；重组蛋白表维持恒定比生长速率；谢流向缺点操作复达中，可用诱导物分阶反馈补料根据实时监杂，需要精确的控制系段补加控制表达时机；测参数（如溶氧、pH跃统；补料不当可能导致青霉素发酵中，分阶段变、呼吸商等）调整补过量或不足；长周期发补加前体和碳源可显著料速率，能够精确满足酵增加污染风险提高产量微生物需求连续培养稀释速率稳态特性应用领域连续培养的核心参数是稀释速率D，定义连续培养的最大特点是可以建立稳态，即连续培养在单细胞蛋白、酵母生产、污水为单位时间内流入（或流出）的培养液体微生物处于动态平衡状态，生物量、底物处理等领域应用广泛它特别适合产物与积与发酵罐工作体积的比值，单位为h⁻¹浓度和产物浓度保持恒定稳态条件下，生长密切相关的过程，如酵母生物量生产、在稳态条件下，D等于微生物的比生长速微生物通常处于对数生长期，代谢活性高，某些初级代谢产物的生产等率μ且生理状态均一对于需要非生长条件的次级代谢产物生产，临界稀释速率Dc是能维持稳态的最大稀稳态特性使得连续培养成为研究微生物生可采用多级连续培养系统，前期保持高生释速率，超过此值微生物将被冲出发酵理生化特性的理想工具，可以在控制条件长率产生生物量，后期降低稀释速率促进罐连续培养通常在D略低于Dc的范围内下研究特定参数的影响工业生产中，稳产物积累连续培养也是大规模生物制氢、操作，以获得较高的生产率稀释速率的态操作也简化了过程控制和产品质量控制生物燃料生产的理想方式控制是连续培养成功的关键发酵终点判断物理指标化学指标生物学指标发酵罐出口气体组成变化，如CO2浓底物浓度降至特定水平，如糖类、氮微生物形态学变化，如细胞破裂增多、度降低、O2浓度升高，表明微生物源等主要营养物质耗尽；产物浓度达菌丝断裂、孢子形成等；细胞活力下代谢活动减弱；发酵热的产生减少，到稳定值或开始下降；pH值变化趋降，如比呼吸速率降低、特定酶活性温度控制系统加热频率增加；发酵液势发生改变；还原电位、溶氧浓度等变化；生物量不再增加或开始下降，黏度、浊度等物理性质变化也可作为参数的变化也可反映发酵状态预示发酵进入衰退期终点参考指标第八章发酵产物分离纯化固液分离从发酵液中分离出微生物细胞和其他固体颗粒，可采用离心、过滤或膜分离等方法是下游处理的第一步，对后续纯化效率有重要影响提取从澄清的发酵液或破碎的细胞中提取目标产物，常用溶剂提取、吸附、离子交换等方法提取步骤决定了产物的初步纯度和回收率浓缩通过蒸发、膜浓缩或冷冻浓缩等方法减少溶液体积，提高目标物质浓度浓缩过程需控制温度和时间，避免产物变性或降解精制通过结晶、色谱分离等方法进一步提高产物纯度，去除微量杂质精制是获得高纯度产品的关键步骤，对医药级产品尤为重要固液分离方法离心分离过滤膜分离利用发酵液组分密度差在离心力作用下实现利用多孔介质截留固体颗粒，使液体通过的利用半透膜的选择透过性分离物质的技术，分离常用设备有管式离心机、碟片式离心分离方法常见的有板框过滤、转鼓过滤和包括微滤、超滤和纳滤等微滤孔径

0.1-机和卧式螺旋卸料离心机等管式离心机适旋转真空过滤等过滤法适用于固含量高、10μm，可截留微生物细胞；超滤孔径1-用于小颗粒、低粘度发酵液；碟片式适合连颗粒较大的发酵液，如丝状真菌发酵液预100nm，可截留大分子物质；纳滤孔径1-续大规模操作；螺旋卸料型适合处理高固含处理如加入助滤剂可提高过滤效率10nm，可截留小分子有机物膜分离具有量发酵液低能耗、常温操作的优点，适合热敏性产品提取方法溶剂提取吸附离子交换利用目标物质在不同溶剂中溶解度差异实利用固体吸附剂表面对溶液中特定物质的利用带电离子与固定在不溶性基质上的相现分离的方法基本原理是物质在两相间选择性吸附实现分离吸附过程包括吸附反电荷离子基团之间的可逆交换反应分离的分配，关键参数是分配系数常用设备和洗脱两个主要步骤常用吸附剂有活性离子物质的方法离子交换剂分为阳离子有混合沉降器、喷射混合器、脉冲萃取塔炭、离子交换树脂、分子筛等，选择依据交换剂和阴离子交换剂，根据酸碱强度又等是对目标物的吸附容量和选择性可细分为强酸、弱酸、强碱、弱碱型溶剂选择需考虑分配系数、选择性、溶解吸附操作方式有搅拌吸附、固定床、流化离子交换广泛应用于氨基酸、抗生素、蛋能力、沸点、毒性、价格等因素常用的床等吸附法能高效分离低浓度物质，如白质、核酸等带电荷分子的分离纯化操有乙醇、丙酮、乙酸乙酯等多级逆流提发酵液中的抗生素、维生素等，但也存在作包括装柱、平衡、上样、洗脱和再生等取可提高提取效率，但增加设备复杂性和吸附剂再生、非特异性吸附等问题步骤现代工艺常采用连续离子交换系统能耗提高生产效率浓缩方法膜浓缩2利用压力差驱动溶剂通过半透膜的浓缩技术蒸发浓缩1通过加热使溶剂蒸发减少体积的方法冷冻浓缩通过冷冻析出溶剂结晶后分离实现浓缩3蒸发浓缩是最传统的浓缩方法，常用设备有单效蒸发器、多效蒸发器和薄膜蒸发器等为减少热敏物质降解，可采用减压蒸发降低操作温度，或使用短时高温蒸发减少热接触时间多效蒸发通过蒸汽多次利用提高能效，但增加了设备复杂性膜浓缩主要包括反渗透和纳滤技术，具有低能耗、常温操作的优点，适合热敏性产品浓缩然而，膜污染和浓差极化限制了其应用范围冷冻浓缩通过结晶分离水分，能最大程度保持产品活性和风味，但能耗高、操作复杂，主要用于高价值产品的处理浓缩方法的选择需综合考虑产品特性、能耗和经济性等因素精制方法最终产品纯化结晶、色谱分离、膜分离中间纯化溶剂处理、沉淀、离子交换初步分离3固液分离、提取、浓缩结晶法是获得高纯度结晶产品的重要方法，通过调节温度、溶剂成分或pH值使目标物从溶液中析出形成晶体结晶过程控制包括过饱和度控制、晶种添加、搅拌条件优化等，影响晶体纯度、粒度和形态结晶法广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素等产品的精制色谱分离是基于不同物质在固定相和流动相中分配系数不同而实现分离的方法，包括吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、分子排阻色谱等现代工业色谱多采用连续系统如模拟移动床技术，提高生产效率并降低溶剂消耗膜分离中的纳滤和渗透蒸发等技术也可用于产品精制，特别适合热敏性产品的处理第九章发酵工艺放大倍倍10100实验室至中试放大比例中试至工业放大比例从摇瓶到小型发酵罐的典型放大倍数从中试装置到工业生产的典型放大倍数次20-40%3-5放大后产量下降率放大优化实验次数工艺放大过程中常见的产量损失百分比达到稳定工业化生产所需的放大实验次数发酵工艺放大原则几何相似动力学相似大小尺寸发酵罐保持几何比例关系，包括罐大小尺寸发酵罐中流体运动状态相似，表现体高径比、搅拌桨位置和尺寸、通气装置布为相似的流场分布和混合特性动力学相似局等几何相似是实现流体动力学相似的基通常通过保持特定无量纲数（如雷诺数、弗础，但在超大型发酵罐中可能需要调整某些劳德数）相等来实现实践中，由于完全动比例以应对材料强度和混合效率的限制力学相似难以实现，常选择关键参数如搅拌功率等作为放大依据工业上常用的发酵罐高径比为2:1至3:1，搅拌桨直径与罐径比为

0.3-

0.4，桨叶宽高比约为评价动力学相似的指标包括混合时间、剪切

0.2-

0.25保持这些关键几何参数的相似性力分布、流体循环周期等适当的流场特性有助于维持相似的流场结构对于维持均匀的环境条件和避免微生物受损至关重要传质相似大小尺寸发酵罐中气液传质效率相似，通常以容积氧传质系数kLa作为关键参数氧传质是大多数好氧发酵的限速步骤，保持相似的kLa值对发酵性能至关重要影响kLa的因素包括通气量、搅拌功率、发酵液性质等除氧传质外，其他传质过程如营养物质向细胞的传递、热传递等也需考虑随着发酵罐尺寸增大，表面积/体积比降低，热传递效率下降，可能需要额外的冷却设施放大关键参数放大方法试验法1通过多次不同规模的试验获取放大规律，是最可靠但也最耗时耗资的方法典型步骤包括实验室研究、中试放大和工业试验每个阶段都需要系统收集数据，分析关键参数变化对发酵性能的影响，逐步优化放大条件模型法基于相似性原理和无量纲准则建立数学模型，指导放大过程常用的无量纲准则包括单位体积功率恒定、单位体积通气量恒定、搅拌雷诺数恒定、氧传质系数恒定等实际应用中需选择最适合特定发酵过程的关键准则计算机模拟利用计算流体动力学CFD等数值模拟技术，预测不同尺寸发酵罐的流场、传质特性和混合效果模拟可减少物理试验次数，加速放大进程，但依赖于模型的准确性和计算能力现代发酵工程中，计算机模拟与实验法常结合使用第十章发酵过程优化发酵过程优化是提高产品质量和生产效率的关键环节，涉及培养基配方、环境条件、操作参数和菌种性能等多个方面优化的核心目标是提高产量、缩短周期和降低成本，以增强工艺的经济性和竞争力现代发酵优化已从传统的经验法发展为结合统计方法、代谢工程和系统生物学的综合方法在线优化技术如软测量、模型预测控制和专家系统的应用，使发酵过程更加智能化和精确化深入了解微生物的代谢网络和调控机制，是实现理性优化的基础发酵过程优化目标提高产率提高目标产物的浓度和单位底物转化效率是优化的首要目标产率提高可通过菌种改良、培养基优化、过程参数调整和操作策略改进等方法实现绝对产率和相对产率底物转化效率同样重要，需兼顾提高缩短周期减少发酵总时间，提高设备利用率和生产效率周期缩短可通过优化种子培养、减少延滞期、提高产物形成速率等手段实现在保证产品质量的前提下，周期缩短能显著提高年产量和经济效益降低成本通过降低原料成本、能耗、人工成本和设备维护费用等提高经济效益成本降低措施包括使用廉价替代原料、提高能源利用效率、实现过程自动化和延长设备使用寿命等成本控制贯穿于发酵工艺的全过程优化方法统计优化代谢工程系统生物学方法利用统计学方法设计实验和分析数据，寻通过基因工程手段改变微生物的代谢途径，整合组学数据（基因组学、转录组学、蛋找最优条件组合常用方法包括单因素实提高目标产物的合成能力和抵抗力代谢白质组学、代谢组学）全面分析微生物的验、正交实验设计、响应面法和进化操作工程方法包括增强目标产物合成途径、阻生理状态和代谢网络，指导理性优化系法等统计优化特别适合多因素的培养基断副产物形成途径、改造调控系统和引入统生物学方法能提供微生物代谢和调控的优化和过程参数优化异源合成途径等全景图，有助于发现传统方法难以识别的优化靶点现代统计优化通常采用计算机辅助实验设代谢工程优化需要对微生物代谢网络有深计和数据分析，提高实验效率和准确性入了解，通常结合代谢流分析、通量平衡基于系统生物学的优化通常采用预测-验基于机器学习的数据挖掘方法也日益用于分析等方法确定关键限速步骤和干预靶点证-改进的循环迭代策略，通过计算机模复杂发酵系统的优化，可从海量数据中提近年来，CRISPR-Cas9等精准基因编辑拟预测干预效果，实验验证后再进一步改取有价值的模式和规律技术大大提高了代谢工程的效率和精度进模型和优化方案这种方法特别适合复杂发酵系统的深度优化在线优化技术软测量模型预测控制专家系统利用易测量参数通过数学模型间接估基于过程数学模型，预测系统未来行集成专家知识和经验规则，辅助或自计难以在线测量的关键参数，如生物为，优化控制序列以实现最佳性能的动进行发酵过程诊断和优化决策的智量、产物浓度和比生长速率等软测先进控制策略模型预测控制能同时能系统专家系统通常包含知识库、量技术常基于神经网络、偏最小二乘处理多变量控制问题，考虑约束条件，推理机和用户接口三部分，能处理模法等数据驱动方法，或基于机理模型适应发酵过程的非线性和时变特性糊和不确定信息，适合经验丰富但机的状态观测器理不明的复杂发酵过程第十一章无菌操作与污染控制无菌操作原则遵循严格的无菌技术规程，包括环境、设备、材料和人员的无菌管理，是污染控制的基础无菌操作要求建立完善的洁净区设计和管理体系，确保关键操作环境的洁净度和人员的专业培训灭菌方法根据对象特性选择适当的灭菌方法，确保培养基、设备和物料的无菌状态常用的灭菌方法包括热力灭菌、化学灭菌和辐射灭菌，各有适用范围和局限性，需根据具体情况合理选择污染控制策略制定系统的污染预防、检测和应急处理方案，降低污染风险并最小化污染事件的影响有效的污染控制需要多层次防护，包括预防措施的落实、早期污染迹象的监测和快速应对机制的建立无菌操作原则洁净区设计人员培训操作规程无菌操作区域需按照洁净度要求分区设计，操作人员需接受严格的无菌技术培训，掌握建立详细的标准操作规程SOP，规范各项通常采用气闸室相隔，压力梯度递增的方式无菌操作基本原理和具体操作要点培训内无菌操作流程SOP应包括环境监测、消毒防止交叉污染洁净区空气处理系统需配备容包括微生物学基础知识、消毒灭菌原理、灭菌、设备使用、物料转移、样品采集等各高效过滤器，实现空气净化和温湿度控制无菌区更衣程序、无菌操作技术和污染事故个环节的具体操作步骤和要求规程需定期设计还应考虑人流、物流动线的合理布局，处理等培训应强调实操练习，并建立定期更新，并确保所有人员严格遵守执行，保持减少交叉感染风险考核和再培训机制操作的一致性和可追溯性灭菌方法化学灭菌2使用化学药剂破坏微生物结构实现灭菌的方法热力灭菌利用高温杀灭微生物的方法，包括干热灭菌和湿热灭菌辐射灭菌利用电离辐射或紫外线破坏微生物遗传物质的灭菌方法湿热灭菌是最常用的灭菌方法，通常采用蒸汽灭菌器在121℃下保持15-30分钟蒸汽灭菌适用于耐热物品和培养基灭菌，效果可靠，成本低廉大型发酵设备通常采用原位蒸汽灭菌，保证灭菌的彻底性干热灭菌则在160-180℃下保持2-4小时，主要用于玻璃器皿、粉末等不适合湿热灭菌的物品化学灭菌使用环氧乙烷、过氧化氢、甲醛等化学物质，适用于热敏物品和大型设备表面灭菌这类方法需要严格控制接触时间和后续药剂去除过程辐射灭菌主要采用γ射线或电子束，具有穿透力强、无残留的优点，适用于包装后产品的灭菌，但设备投资大，操作有特殊要求灭菌方法的选择需综合考虑被灭菌物的特性、灭菌效果和经济性污染控制策略预防措施建立完善的环境监测系统，定期检测空气、水、表面的微生物污染情况；实施严格的人员管理制度，包括健康检查、培训和考核；加强设备维护，确保灭菌系统和密封系统的可靠性；制定科学的物料管理流程，减少交叉污染风险早期检测建立在线监测系统，及时发现发酵过程中的异常指标，如溶氧突变、pH异常波动、发酵热变化等；采用快速微生物检测技术，如PCR、流式细胞术等，缩短污染确认时间；建立定期取样分析制度，通过显微镜检查、选择性培养基培养等方法检测污染应急处理制定详细的污染应急预案，明确处理流程和责任人；分类建立处理方案，针对不同类型污染采取相应措施；发现污染后立即隔离受污染区域，防止扩散；分析污染原因，采取针对性改进措施，防止再次发生；建立污染事件记录和追踪系统，促进持续改进第十二章发酵工艺经济性分析投资回收期衡量投资回收速度的关键指标效益分析评估项目价值和投资回报率成本构成分析各类成本在总成本中的占比发酵工艺的经济性分析是项目决策和工艺优化的重要依据通过对成本结构的细致分析，可以识别主要成本驱动因素，有针对性地实施成本控制策略效益分析则从收入和利润角度评估项目的经济价值，为投资决策提供量化依据投资回收期计算则直观反映了投资回收的速度，是项目风险评估的重要指标在市场竞争日益激烈的生物产业中，经济性分析已成为工艺开发中不可或缺的环节，与技术可行性分析同等重要深入理解发酵工艺的经济特性，有助于在技术和经济之间找到最佳平衡点发酵工艺成本构成效益分析方法净现值法内部收益率法敏感性分析将项目未来各期现金流量按照一定的折现计算使项目净现值等于零时的折现率，即通过改变关键参数（如产品价格、原料成率折算为现值，并与初始投资额比较，计内部收益率IRR，并与要求的投资回报率本、产量等）的值，分析其对项目经济效算净现值NPV的方法当NPV大于零时，比较的方法当IRR大于要求的投资回报益指标影响的方法敏感性分析有助于识项目被认为是经济可行的净现值法考虑率时，项目被认为是经济可行的IRR直别项目的关键风险因素，评估项目对市场了资金的时间价值和项目的整个生命周期，观反映了项目的盈利能力，易于与其他投和技术变化的适应能力是较为全面的评价方法资机会比较常用的敏感性分析方法包括单因素敏感性计算公式NPV=-I₀+∑CF/1+rᵗ，IRR的计算需要求解方程-I₀+分析和情景分析前者考察单个参数变化ₜ其中I₀为初始投资，CF为第t期现金流量，∑CF/1+IRRᵗ=0对于现金流量分的影响，后者则分析多个参数同时变化的ₜₜr为折现率折现率的选择通常基于企业的布不规则的项目，可能存在多个IRR值，综合效果敏感性分析结果通常以图表形资本成本或投资者的预期收益率需谨慎分析内部收益率法对于投资规模式展示，直观反映各因素的影响程度不同的项目比较可能存在偏差投资回收期计算静态回收期动态回收期12不考虑资金时间价值，累计净现考虑资金时间价值，累计折现后金流量等于初始投资额所需的时的净现金流量等于初始投资额所间计算简单直观，但忽略了货需的时间计算较为复杂，但考币的时间价值和回收期后的现金虑了货币的时间价值，评估结果流量，适用于初步筛选和短期项更为准确，适用于长期项目和正目评估计算方法是累加各年净式评估阶段计算方法是累加各现金流量，直至累计值首次超过年折现后的净现金流量，直至累初始投资额计值首次超过初始投资额案例分析3以某氨基酸发酵工厂为例，初始投资2000万元，预计年净利润500万元，折现率10%静态回收期为2000÷500=4年，动态回收期约

4.8年敏感性分析显示，产品价格和原料成本是影响回收期的关键因素投资回收期分析需结合行业特点和企业战略，不能仅依靠数值判断第十三章发酵工艺新技术发酵工艺新技术的发展正引领行业进入精准化、智能化和绿色化的新阶段代谢工程通过对微生物代谢网络的有针对性改造，提高目标产物的产量和生产效率；基因工程为发酵菌种提供定向改良的工具，创造出天然界不存在的高效菌株；而合成生物学则从根本上重新设计生命系统，构建人工细胞工厂和全新代谢途径这些前沿技术与大数据、人工智能等信息技术深度融合，形成了生物制造的技术创新体系未来发酵工业将突破传统框架，向更高效、更精准、更可持续的方向发展，为人类健康、环境保护和资源利用提供全新解决方案代谢工程在发酵中的应用代谢流分析代谢调控通过同位素示踪、通量平衡等方法定量研究细胞通过基因操作改变关键酶和调控因子的表达水平，内代谢物流向和分配的技术代谢流分析可识别重塑代谢网络的技术常用策略包括增强目标途代谢网络中的瓶颈步骤和关键节点，为代谢工程径的流量（过表达关键酶、消除反馈抑制）、减改造提供精确靶点13C标记代谢流分析是目前少副产物形成（敲除分支途径）和提高前体供应最强大的工具，能够揭示复杂代谢网络中的碳流（增强供体途径）等分配模式代谢调控需考虑网络的整体性和复杂性，避免单代谢流分析结果通常以代谢通量图的形式展示，点干预导致的系统不平衡现代代谢调控综合应直观反映各代谢途径的活性强弱通过比较不同用转录组学、蛋白组学等多组学数据，采用系统条件下的代谢流分布，可深入理解微生物对环境生物学方法设计多靶点协同干预策略，以实现最变化的适应机制和产物形成的调控规律优代谢重构效果代谢重构通过引入异源途径、创建人工代谢回路或重塑现有网络，构建全新代谢能力的技术代谢重构可使微生物获得合成非天然产物的能力，或大幅提高天然产物的产量典型案例包括大肠杆菌青蒿酸合成途径的构建、酵母生产类固醇的改造等代谢重构对底盘细胞的选择至关重要，需考虑遗传背景稳定性、代谢灵活性和工业适应性等因素随着合成生物学工具的发展，代谢重构的规模和复杂度不断提高，为发酵工业开辟了广阔前景基因工程改造发酵菌种基因克隆基因表达基因编辑基因克隆是从供体生物中分离特定基因并在基因表达是指将克隆的基因导入宿主细胞并基因编辑是精确修改生物体基因组的技术，宿主细胞中扩增的技术，是基因工程的基础使其产生功能性蛋白质的过程发酵工业中，是创建高效发酵菌种的强大工具传统的基步骤现代基因克隆主要采用PCR扩增或基基因表达系统的选择直接影响产物产量和质因敲除和插入技术依赖同源重组，操作复杂因合成技术获取目标基因，再通过限制性酶量关键要素包括表达载体、启动子强度、且效率低下近年来，CRISPR-Cas9等技切、连接等分子生物学方法构建重组表达载转录终止信号、核糖体结合位点等术革命性地提高了基因编辑的精确性和效率体随着合成生物学的发展，基因合成技术日益工业发酵常用的表达系统包括大肠杆菌T7系在发酵工业中，基因编辑主要用于敲除竞争成熟，可直接合成经过密码子优化的基因序统、酵母AOX1系统、枯草芽孢杆菌P43系统代谢途径、修饰关键酶的活性位点、插入异列，提高在异源宿主中的表达效率基因片等为提高表达水平，常采用密码子优化、源合成途径和改造调控网络等多重基因编段的模块化组装技术如Golden Gate、调整启动子强度、改良信号肽、添加分子伴辑使得复杂的代谢网络重构成为可能，如将Gibson Assembly等也大大简化了克隆操侣等策略对于复杂蛋白，需特别关注翻译大肠杆菌改造为高效生产丁二酸的工厂，包作，提高了效率和准确性后修饰和正确折叠，可能需要选择真核表达含十多个基因位点的修改基因编辑与高通系统量筛选结合，可快速获得性能优异的工程菌株合成生物学与发酵工艺人工细胞工厂基于合成生物学原理构建的定制化微生物细胞，具有精简基因组、模块化代谢网络和可编程调控系统这些工程化细胞如同精密的生物化工厂，能高效将原料转化为目标产品合成代谢途径通过组装来自不同生物的功能基因模块，或设计全新的酶催化反应，构建自然界不存在的代谢途径这些人工途径可实现特殊化学品的生物合成或提供更高效的合成路线未来展望合成生物学将推动发酵工艺向更精准、高效和可持续的方向发展，为解决能源、环境和健康等全球性挑战提供创新解决方案人工细胞工厂代表了发酵工艺的未来方向，科学家已成功构建了基因组大幅精简的微生物，如大肠杆菌MDS42（减少15%基因组）和酵母Sc

2.0项目这些简化版微生物具有更稳定的遗传背景和更可预测的代谢行为，适合作为合成生物学的底盘细胞通过标准化的生物元件库和模块化设计，可以快速组装出执行特定功能的生物系统合成代谢途径的设计已取得显著突破，如非天然碳固定途径、全新辅酶再生系统和跨生物界的混合代谢网络等这些创新为生物制造开辟了全新领域，使得许多传统化学合成的产品可通过生物方法获得未来，随着生物设计软件、基因合成和高通量测试技术的发展，即设计即合成的生物制造范式将成为现实，发酵工业将迎来前所未有的变革与机遇。