《微生物与发酵技术》课件

微生物与发酵技术欢迎学习《微生物与发酵技术》课程本课程将深入探讨微生物世界的奥秘，以及它们在发酵技术中的重要应用发酵技术作为一项古老而现代的生物工艺，已经成为食品、医药、环保等众多行业的基础全球发酵产业产值已超过2000亿美元，并呈现持续增长趋势通过本课程的学习，你将掌握微生物与发酵技术的基本原理、工艺流程以及最新发展动态，为将来在相关领域的研究与实践奠定坚实基础发酵技术发展简史远古时期公元前6000年，美索不达米亚地区的人们已经开始利用自然发酵制作面包与啤酒，这是人类最早的发酵技术应用记录科学理论形成19世纪，法国科学家路易·巴斯德通过一系列实验，揭示了微生物在发酵过程中的核心作用，奠定了现代发酵理论基础工业发酵时代20世纪，随着青霉素的发现和大规模生产，工业发酵技术迅速发展，形成了完整的理论体系和工艺流程，推动了现代生物技术产业的崛起微生物与人类生活医药领域食品工业全球60%以上的抗生素依靠微生从传统的面包、酒类、奶制品到物发酵技术生产，微生物还是众现代的氨基酸、有机酸添加剂，多疫苗、酶制剂和生物活性物质微生物发酵为人类提供了丰富多的重要来源，对人类健康产生深样的食品和调味品，丰富了饮食远影响文化能源与环境微生物在生物燃料生产、污水处理、土壤修复等领域发挥着不可替代的作用，为可持续发展提供了绿色解决方案课程结构与学习要点前沿应用智能发酵技术与创新发展工业应用各类发酵产品与生产工艺发酵机制工艺参数与过程控制微生物基础分类、结构与代谢特点本课程采用由浅入深的学习路径，首先建立微生物学基础知识，然后深入理解发酵原理与机制，继而探索工业应用实例，最后展望前沿技术发展每个模块都包含理论讲解和实践案例，帮助学生全面掌握微生物与发酵技术的核心内容微生物的定义与分类真菌细菌真核生物，包括丝状真菌和酵母，在食品和原核生物，单细胞，具有细胞壁，种类繁药物生产中发挥重要作用多，在发酵工业中应用广泛酵母单细胞真菌，主要用于酒精发酵和面包制作，是最早被人类利用的微生物之一病毒放线菌非细胞形态，不能独立生长繁殖，在疫苗生产和基因工程中有特殊应用形态介于细菌和真菌之间，是抗生素生产的主要微生物来源微生物形态与结构原核生物结构真核生物结构原核微生物（如细菌）结构相对简单，没有真正的细胞核和细胞真核微生物（如酵母和丝状真菌）具有完整的细胞核和各种细胞器它们的遗传物质直接分布在细胞质中，形成称为核质区的区器，细胞结构复杂它们拥有由膜包围的细胞核、线粒体、内质域细胞壁成分主要为肽聚糖，有些还具有鞭毛、菌毛等附属结网、高尔基体等细胞器，进行分工明确的细胞活动构•有膜包围的细胞核•无膜包围的核区•具有多种细胞器•无线粒体和内质网•细胞壁成分不同•细胞壁成分特殊细菌的主要种类革兰氏阳性菌细胞壁厚，可被结晶紫染色，呈紫色代表性菌属有乳酸菌、芽孢杆菌和链球菌等，广泛应用于乳制品发酵、酶制剂生产和抗生素合成革兰氏阴性菌细胞壁薄，有外膜结构，染色后呈红色代表菌属有大肠杆菌、醋酸菌和假单胞菌等，在有机酸生产、氨基酸发酵和环境微生物领域具有重要应用产酸细菌能产生各种有机酸的细菌，如乳酸菌产生乳酸，醋酸菌产生醋酸，丙酸菌产生丙酸这些细菌在食品保藏、调味品生产和有机酸工业中扮演重要角色产酒细菌能产生酒精的细菌，主要包括一些厌氧菌如梭状芽孢杆菌虽然产酒效率不如酵母，但在某些特殊发酵工艺中具有独特价值酵母菌与真菌酵母菌特点丝状真菌应用酵母是单细胞真菌，通常呈椭圆形或球形，主要通过出芽方式繁丝状真菌又称霉菌，具有分枝的菌丝体结构，通过孢子繁殖在殖作为最早被人类利用的微生物之一，酵母在发酵产业中具有工业发酵中，丝状真菌主要用于生产各种酶制剂、有机酸和抗生不可替代的地位，特别是在酒精发酵领域素等高附加值产品酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是最常用的发酵酵母，能曲霉Aspergillus和青霉Penicillium是两类重要的工业丝状真在厌氧条件下将糖转化为乙醇和二氧化碳，广泛应用于啤酒、葡菌，前者用于生产淀粉酶、果胶酶等工业酶剂和柠檬酸，后者用萄酒、白酒和面包制作中于生产青霉素类抗生素和奶酪发酵放线菌与其他发酵微生物土壤放线菌放线菌形态介于细菌和真菌之间，具有分枝菌丝体，主要分布于土壤中它们是抗生素的主要生产者，约70%的天然抗生素来源于放线菌，特别是链霉菌属Streptomyces芽孢杆菌芽孢杆菌是一类能形成芽孢的革兰氏阳性杆菌，具有较强的环境适应能力枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis在酱油发酵中起主要作用，负责分解大豆蛋白质，产生氨基酸和肽类物质，形成酱油特有的风味混合发酵菌群许多传统发酵食品如泡菜、酸菜等依赖于复杂的微生物菌群共同作用这些混合菌群通常包含乳酸菌、酵母菌和其他微生物，通过协同代谢形成独特的风味和保藏效果微生物代谢类型营养型分类氧气需求分类•自养型能利用无机碳源CO₂合•好氧型需要氧气进行呼吸，如醋成有机物，如光合细菌酸菌、曲霉菌•异养型需要利用有机碳源，如大•厌氧型在无氧条件下生长，如梭多数工业发酵微生物菌、产甲烷菌•混合营养型兼具两种营养模式的•兼性厌氧能在有氧和无氧条件下微生物生长，如酵母•微需氧需要低浓度氧气的微生物能量获取方式•呼吸型完全氧化有机物释放能量，如好氧细菌•发酵型部分氧化有机物获取能量，如乳酸菌•光能利用型利用光能合成ATP，如蓝藻•化能利用型氧化无机物获取能量，如硫细菌微生物的生长曲线滞后期微生物接种后的适应阶段，细胞进行酶系统诱导和合成，为快速生长做准备此阶段细胞数量几乎不增加，但细胞体积可能增大，代谢活性逐渐增强滞后期长短取决于接种菌的状态和培养条件差异对数期微生物以最大速率生长繁殖的阶段，细胞数量呈指数增长，代谢活性最强此期细胞分裂速度达到最大，通常是收集细胞进行生化研究的最佳时期许多代谢产物在此阶段开始大量积累稳定期微生物生长速率与死亡速率达到平衡，总细胞数基本保持不变由于营养物消耗和代谢产物积累，环境开始恶化，细胞增殖速度减慢某些次级代谢产物（如抗生素）常在此阶段产生衰亡期死亡细胞数超过新生细胞数，总数开始下降细胞自溶释放内容物，可能成为其他存活细胞的营养部分微生物在此阶段形成休眠结构（如芽孢）以应对不良环境微生物营养需求与培养基营养物质类型主要功能常用来源碳源能量来源和细胞物质合成葡萄糖、淀粉、蔗糖、甘油氮源蛋白质、核酸、细胞壁合成蛋白胨、酵母提取物、硝酸盐、铵盐无机盐酶活性调节、渗透压平衡磷酸盐、硫酸盐、氯化物微量元素酶辅因子、电子传递铁、锌、锰、铜、钼生长因子促进特定微生物生长维生素、氨基酸、核苷酸培养基可分为合成培养基和复合培养基两大类合成培养基成分明确，便于研究特定营养需求；复合培养基含有天然物质提取物，成分复杂但营养全面，适合大多数微生物生长根据物理状态又可分为液体培养基和固体培养基（添加琼脂等凝固剂）微生物生态与发酵环境温度因素不同微生物有不同的生长温度范围和最适温度嗜热菌（45-80℃），如嗜热芽孢杆菌；中温菌（20-45℃），如大多数工业发酵菌；嗜冷菌（0-20℃），如某些酵母菌温度影响酶活性、膜流动性和代谢速率，是发酵过程中最重要的控制参数之一pH值影响大多数细菌适宜在中性pH（

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7.5）生长，酵母菌偏好弱酸环境（pH4-6），而霉菌则能在更广的pH范围内生长（pH3-8）在发酵过程中，代谢产物积累常导致pH变化，需通过添加缓冲剂或自动控制系统维持适宜pH氧气需求好氧发酵需要持续通气以提供氧气，厌氧发酵则需严格控制氧气进入溶解氧浓度直接影响微生物代谢途径选择，如酵母在有氧条件下进行呼吸作用产生更多生物量，而在厌氧条件下进行发酵产生乙醇渗透压与水分活度高糖、高盐环境会产生高渗透压，抑制敏感微生物生长某些耐渗透菌如嗜渗酵母能在高糖浓度下生长，用于特殊发酵工艺固态发酵中，水分活度是关键控制因素，影响酶活性和物质传递效率微生物遗传与变异自然突变诱变选育微生物在复制过程中自发产生的DNA变利用物理或化学诱变剂提高突变率，筛化，突变率通常很低（约选获得高产菌株10⁻⁶~10⁻⁹）工业应用基因工程改造改良菌株投入生产，实现工业化生产规利用分子生物学技术定向修改微生物基模和效益因，提高目标产物产量微生物遗传变异是工业菌种改良的基础早期主要依靠自然筛选和诱变育种，如青霉素产量从最初的几毫克/升提高到现在的5万毫克/升以上现代基因工程技术能精确修改特定基因，如利用CRISPR-Cas9系统敲除或增强目标基因，大幅提高生产效率和产品质量质粒工程、基因重组和代谢工程是当前菌种改良的主要技术路线微生物检测与鉴定方法形态学鉴定显微镜观察菌体形态、大小、排列方式生理生化鉴定培养特性、酶活性和代谢产物分析分子生物学鉴定3DNA序列分析、PCR、基因芯片技术高通量分析宏基因组学、蛋白质组学综合分析传统微生物鉴定依靠形态观察和生化反应，现代方法则更多采用分子生物学技术16S rRNA基因序列分析已成为细菌分类鉴定的标准方法，而内转录间隔区（ITS）序列分析则常用于真菌鉴定质谱技术（MALDI-TOF MS）能快速鉴定微生物，大大缩短了鉴定时间在工业发酵过程中，实时PCR和流式细胞术可用于监测菌群动态变化和及时发现污染微生物安全与生物安全等级BSL-4极高风险病原体，需最高级别防护BSL-3高风险病原体，严格隔离操作BSL-2中等风险微生物，需基本防护BSL-1低风险微生物，基础实验室条件工业发酵车间通常按照BSL-1或BSL-2标准设计，主要防护措施包括洁净区分级、气流控制、人员消毒和培训等工作人员需严格遵守无菌操作规程，定期接受安全培训对于基因工程菌株，还需遵循基因安全评估和管理规定，防止转基因生物释放到环境中中国《病原微生物实验室生物安全管理条例》和《转基因生物安全管理条例》对相关活动有明确规定发酵的基本定义广义发酵狭义发酵广义发酵是指在控制条件下，利用微生物的生命活动生产有用物狭义发酵特指微生物在厌氧条件下将有机物分解为简单化合物并质的过程这一定义包括各种微生物代谢过程，不论是否需要氧释放能量的过程典型的狭义发酵包括酒精发酵（将糖转化为乙气现代工业发酵主要采用这一广义概念，包括抗生素、酶制醇和二氧化碳）和乳酸发酵（将糖转化为乳酸）剂、氨基酸等生产过程在生物化学上，狭义发酵是指以有机物为最终电子受体的能量代广义发酵的核心是控制微生物的生长和代谢，通过优化培养条谢过程，不涉及呼吸链和氧化磷酸化这类发酵产生的ATP较件，使微生物高效合成目标产物这类发酵过程可能涉及好氧、少，但在特定条件下是微生物获取能量的重要途径厌氧或微需氧条件，取决于具体微生物和目标产物发酵过程的基本环节菌种保藏与活化工业菌种通常以冻干、超低温冷冻或斜面保存方式长期保存使用前需要将菌种在适宜培养基中活化，恢复其代谢活性活化通常在小规模摇瓶中进行，确保菌种纯净且具有良好活力种子培养与扩培活化后的菌种进入种子扩培阶段，逐级扩大培养规模通常从摇瓶（250ml-1L）开始，经小型发酵罐（5-30L）扩大到种子罐（占主发酵罐体积的5-10%）每一级扩培都需严格控制无菌条件和培养参数主发酵过程种子培养物接种到主发酵罐后，开始正式的发酵生产阶段在此阶段，通过精确控制温度、pH、溶氧、搅拌速度等参数，创造微生物生长和产物合成的最佳条件根据产物类型，主发酵可能持续数小时至数周不等产物收集与纯化发酵结束后，需要从发酵液中分离和纯化目标产物分离方法包括离心、过滤、萃取、吸附等，纯化工艺则可能涉及结晶、色谱分离、膜分离等技术最终获得符合质量标准的产品发酵罐原理与结构机械搅拌式发酵罐最常用的发酵罐类型，配备机械搅拌装置，通常采用多层涡轮搅拌器设计搅拌系统能有效混合培养基，增强物质传递效率，特别是氧气传递大型发酵罐（10m³以上）通常配备多个搅拌器，以确保均匀混合气升式发酵罐利用通入的空气或气体在内外循环管之间形成密度差，驱动液体循环流动，实现混合和传质这种发酵罐无机械搅拌装置，能耗低，剪切力小，适合剪切敏感的细胞培养，如植物细胞和动物细胞培养控制系统现代发酵罐配备完善的控制系统，包括温度控制（夹套或内盘管冷却）、pH控制（酸碱自动添加）、溶氧控制（调节通气量和搅拌速度）、泡沫控制（泡沫传感器和消泡剂添加装置）等，确保发酵过程在最佳条件下进行发酵工艺参数控制pH控制温度控制pH电极实时监测，通过酸碱泵自动调节通过夹套或内盘管循环冷却水或蒸汽自动调细菌发酵通常维持pH

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7.5，真菌发酵常在节pH

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6.0微生物发酵通常设定在25-37℃范围，温度波溶氧控制动控制在±

0.5℃内溶氧电极监测，通过调节通气量、搅拌速度或纯氧补充维持好氧发酵通常保持溶氧不低于20%饱和度通气量通过质量流量计精确控制进气量搅拌速度典型通气量为

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1.5vvm气体体积/培养液体根据培养物黏度和溶氧需求自动调节积/分钟大型发酵罐通常在60-120rpm，小型可达500rpm以上无菌操作技术工业无菌概念培养基灭菌工业无菌并非绝对无菌，而是指有害微生物被控制在不影响产品质量和大型发酵罐通常采用原位灭菌in-situ sterilization，即将培养基直接在安全的水平发酵工业通常采用概率无菌理念，通过多种方法综合降低发酵罐内灭菌常用方法是间歇灭菌121℃，15-30分钟或连续灭菌污染风险无菌操作是保证发酵过程顺利进行的关键140℃，几秒至几十秒热敏成分可单独过滤灭菌后无菌添加空气灭菌无菌取样与添加进入发酵罐的空气需经过严格过滤除菌工业上通常采用深层过滤器和发酵过程中的取样和添加是污染风险最高的环节现代发酵系统采用蒸HEPA过滤器组合，过滤精度可达

0.2μm，能截留几乎所有微生物过汽阻断阀、无菌连接器和自动取样系统，最大限度降低污染风险操作滤器需定期检测完整性，确保无菌效果人员需穿着适当防护装备，遵循严格的操作规程发酵原材料选择原材料类型主要成分适用发酵产品相对成本玉米粉淀粉70-75%氨基酸、有机酸中等糖蜜蔗糖45-55%酒精、酵母、柠低檬酸木薯淀粉淀粉85-90%酶制剂、有机酸低-中等乳清乳糖4-5%乳酸、益生菌低大豆粉蛋白质40-50%抗生素、酶制剂中-高选择合适的原材料是控制发酵成本的关键因素工业发酵通常选择当地丰富且价格相对低廉的农业或工业副产品作为碳源和氮源原材料前处理也很重要，如淀粉需液化和糖化，纤维素需预处理以提高可利用度近年来，利用农业废弃物和工业副产品开展发酵生产，既降低了成本，又实现了资源循环利用微生物接种与扩培菌种保存工业菌种通常采用冻干保存法（适合长期保存）、超低温冷冻法（-80℃，保持菌种特性）或斜面定期传代法（操作简便但易退化）保存重要菌种会建立完整的菌种保藏体系，包括原始菌种、工作菌种和生产菌种三级结构，确保菌种稳定性和生产连续性实验室扩培从保存菌种出发，首先在实验室进行小规模培养，通常从平板开始，然后转入摇瓶50-500ml这一阶段重点是恢复菌种活力，观察生长状态，检测菌种纯度和活性实验室扩培通常在无菌操作台或层流室内进行，确保无菌条件中试扩培实验室培养物转入小型发酵罐5-100L进行中试扩培这一阶段模拟工业条件，调整培养基组成和工艺参数，为大规模生产积累数据中试扩培是小试研究和工业生产之间的重要桥梁，能够及早发现潜在问题并进行工艺优化工业种子培养中试培养物最终转入工业种子罐占主发酵罐体积的5-10%进行最后一级扩培，为主发酵提供足量的活性菌种工业种子培养需严格控制污染风险，同时优化培养条件，使菌体处于最适生理状态通常种子培养的目标是获得高活性的对数生长期细胞发酵动力学基础生长动力学产物形成动力学微生物在发酵过程中的生长速率μ与底物浓度关系通常可用根据产物形成与生长的关系，可将产物分为三类Monod方程描述

1.与生长相关产物产物生成速率与生长速率成正比

2.非生长相关产物产物生成与生长无关，主要在稳定期形成μ=μmax·S/Ks+S

3.部分相关产物兼具上述两种特性式中，μ为比生长速率h⁻¹，μmax为最大比生长速率，S为限制性底物浓度，Ks为半饱和常数这一方程反映了底物浓度对了解产物形成动力学有助于确定最佳收获时间和优化发酵策略生长速率的影响，是设计发酵工艺的理论基础例如，氨基酸生产通常属于生长相关型，而抗生素生产多为非生长相关型批式、半连续与连续发酵批式发酵半连续发酵补料发酵整个发酵过程中不添加新鲜培养基，也不排出发酵液发酵开始时添加全发酵过程中分批或连续添加新鲜培养基，但不排出发酵液通过控制补料部原料，结束时一次性收获产品优点是操作简单，污染风险低；缺点是速率，可维持低底物浓度，避免底物抑制，同时实现高细胞密度培养广底物抑制和产物抑制明显，生产效率较低适用于小规模生产和高附加值泛应用于高密度培养和产物抑制明显的工艺，如酵母培养和重组蛋白生产品，如某些抗生素和特种酶制剂产补料策略（恒速、指数或反馈补料）是工艺优化的关键连续发酵灌流培养持续添加新鲜培养基，同时连续排出等量发酵液在稳定状态下，微生物一种特殊的连续培养，通过细胞保留装置（如膜过滤、离心或沉降）将细保持恒定生长速率和产物生成速率优点是生产效率高，设备利用率高；胞保留在反应器中，只排出无细胞培养液可实现极高的细胞密度和产物缺点是易发生污染和菌种变异，控制复杂适用于生长相关产物和大宗低浓度广泛应用于动物细胞培养和高价值生物制品生产，如单克隆抗体和值产品，如工业酒精和单细胞蛋白生产疫苗发酵终止与采收发酵终点判断冷却与灭活细胞分离产品精制根据产物浓度、底物消耗、溶氧变发酵终止后，通常首先降温以减缓根据产物位置不同，选择合适的分从发酵液或细胞破碎液中分离纯化化等参数确定最佳终止时间通常微生物代谢速率，防止产物降解离方法胞外产物可直接分离培养目标产物，通常涉及多个单元操通过取样分析、在线监测或经验判某些发酵过程可能需要通过加热或液和菌体，采用离心、过滤或絮凝作，如萃取、吸附、色谱分离、结断综合确定不同发酵产品有不同化学方法灭活微生物，特别是在病等方法；胞内产物则需先破碎细晶等精制过程需平衡产品纯度、的终点判断标准，如抗生素生产通原微生物或基因工程菌的发酵中胞，释放产物，再进行分离纯化收率和成本，是发酵产业的重要成常在产量达到峰值时终止灭活过程需谨慎控制，避免产物损大规模生产中，连续离心机和转鼓本中心，通常占总成本的50-80%失过滤器是常用设备发酵效率与优化策略问题识别方案设计分析工艺瓶颈和关键限制因素培养基优化、工艺参数调整或菌种改良结果评估实验验证3分析优化效果和经济效益小试-中试-工业化逐级验证效果以L-赖氨酸发酵为例，通过优化策略，产量从最初的几克/升提高到现在的100克/升以上关键优化包括1培养基优化，使用合适的碳氮比和添加微量元素；2工艺参数优化，维持最适pH和溶氧水平；3补料策略优化，采用智能反馈补料系统；4菌种改良，利用代谢工程增强关键酶活性并减弱反馈抑制发酵效率评价指标包括产量g/L、产率g产物/g底物、生产强度g/L/h、底物利用率以及综合经济效益现代发酵工业越来越注重过程强化和清洁生产技术，以提高资源能源利用效率酒精发酵亿吨195%全球年产量理论转化率2023年全球乙醇产量超过1亿吨，主要用于燃料、工业和饮料实际工业生产中转化率可达85-90%小时8-12%36-48最终浓度发酵周期传统发酵最终乙醇浓度，受酒精抑制影响现代高效工艺的典型发酵时间酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是最主要的酒精发酵微生物，能够在厌氧条件下将糖类转化为乙醇和二氧化碳工业酒精发酵主要原料包括淀粉质原料玉米、小麦、糖质原料甘蔗、甜菜和纤维素原料秸秆、木材淀粉和纤维素原料需经过水解预处理转化为可发酵糖近年来，耐热、耐酒精和同时利用五碳糖、六碳糖的工程菌株开发成为研究热点，以提高生产效率和降低成本连续发酵工艺和细胞回收技术也在燃料乙醇生产中得到广泛应用酱油与酱类发酵传统工艺现代工艺传统酱油发酵是一个两阶段过程第一阶段是制曲麴，将蒸熟现代酱油生产采用半机械化或全机械化工艺，使用温控发酵室进的大豆和炒熟的小麦接种曲霉菌Aspergillus oryzae培养数天，行曲霉培养，并采用特殊发酵罐进行液态发酵通过控制温度、产生淀粉酶和蛋白酶；第二阶段是盐水浸泡发酵，在高盐环境下通风和搅拌，可将发酵周期缩短至1-3个月部分工艺还采用酸进行长期发酵3-12个月，乳酸菌和酵母菌逐渐生长，产生丰富水解代替部分生物发酵过程，进一步缩短生产周期风味物质现代工艺具有高效、标准化和规模化的优势，但往往风味单一传统工艺生产的酱油风味浓郁复杂，但生产周期长，产能有限许多大型酱油生产企业采用传统与现代工艺相结合的方式，兼顾中国、日本等亚洲国家至今仍保留有小规模的传统酱油酿造方风味和效率此外，随着发酵技术的进步，特种酶制剂和发酵助式，形成独特的地方风味剂的应用也日益广泛醋酸发酵及食醋生产醋酸菌特性醋酸菌是一类好氧性革兰氏阴性菌，主要包括醋酸杆菌属Acetobacter和葡萄糖杆菌属Gluconobacter它们能够将乙醇氧化为醋酸，醋酸杆菌典型代表A.aceti能将乙醇氧化为醋酸的转化率可达90%以上醋酸菌对乙醇浓度、酸度和温度有特定要求，通常在5-8%乙醇浓度下生长最佳固态醋发酵固态醋发酵又称传统表面发酵，将含酒精液体放入木桶或陶缸中，醋酸菌在液面生长形成醋膜醋母，在液-气界面上进行乙醇氧化这种方式生产周期长1-6个月，但风味浓郁独特，自然老陈醋多采用此工艺中国山西老陈醋、镇江香醋等传统食醋保留了这种工艺，并形成独特的地域特色液态醋发酵现代液态醋发酵采用深层通气发酵方式，在发酵罐中进行主要有两种工艺间歇发酵和连续发酵连续发酵采用填料塔反应器，醋酸菌固定在填料上，醋液从上向下流过，空气从下向上通过，转化率高，周期短24-72小时现代白醋、米醋和果醋多采用此工艺，优点是效率高，产量大，但风味较为单一醋生产工艺流程完整的醋生产工艺包括原料预处理、酒精发酵、醋酸发酵和后处理四个主要环节不同原料谷物、水果、酒类的预处理方式不同，但都需要首先转化为含5-7%酒精的液体醋酸发酵后，还需进行澄清、过滤、杀菌和灌装等后处理，保证产品品质和稳定性乳制品发酵酸奶生产酸奶生产通常使用嗜热链球菌Streptococcus thermophilus和保加利亚乳杆菌Lactobacillus bulgaricus的混合菌种发酵温度维持在42-45℃，pH下降至

4.5-

4.6时终止发酵现代工艺中还常添加双歧杆菌等益生菌，提高产品功能性儿童益生菌酸奶市场近年增长迅速，年增长率达15%以上奶酪制作奶酪制作涉及两个主要发酵过程乳酸发酵使牛奶酸化并凝固；后续熟化过程中，各种微生物乳酸菌、丙酸菌、霉菌等参与产生特定风味不同奶酪使用不同菌种和工艺，如蓝纹奶酪使用青霉，布里奶酪表面使用白霉，瑞士奶酪使用丙酸菌产生特征性气孔其他发酵乳除传统酸奶和奶酪外，世界各地还有多种特色发酵乳制品开菲尔Kefir使用开菲尔粒乳酸菌、酵母和醋酸菌的复合体发酵，产生微量酒精和二氧化碳，形成特有的微碳酸口感酸奶油Sour cream、黄油和培养奶油等也都是通过特定乳酸菌发酵制得的传统乳制品抗生素类发酵产品氨基酸与有机酸发酵万吨万吨330250谷氨酸钠全球产能赖氨酸年产量主要生产国为中国、日本和韩国主要用于饲料添加剂，提高蛋白质利用率万吨万吨200120柠檬酸产量乳酸产量食品、医药和清洁用品行业广泛应用食品保藏和可降解塑料PLA生产氨基酸发酵主要使用棒状杆菌属Corynebacterium和大肠杆菌工程菌谷氨酸发酵使用棒状杆菌C.glutamicum，通过限制生物素、添加表面活性剂或调控细胞膜通透性促进谷氨酸分泌赖氨酸、苏氨酸等氨基酸生产则主要通过代谢工程，敲除反馈抑制途径，增强关键酶活性有机酸发酵中，柠檬酸主要使用黑曲霉Aspergillus niger生产，在低pH高糖环境下培养乳酸则使用乳酸菌或工程大肠杆菌生产，近年来L-乳酸和D-乳酸的高纯度生产成为研究热点，主要用于生物可降解塑料PLA的生产发酵产氨基酸和有机酸的工艺通常采用补料批次发酵，严格控制pH和微量元素水平酶制剂发酵维生素与核苷类产物维生素B2核黄素维生素B12钴胺素•主要生产菌种解脂假丝酵母•主要生产菌种产碱假单胞菌Ashbya gossypii和枯草芽孢杆菌Pseudomonas denitrificans和丙酸菌•全球年产量约4000吨，80%以上采用发酵法生产•全球年产量约1500吨，几乎全部采用发酵法生产•发酵工艺采用批次或补料批次方式，严格控制铁离子浓度•发酵工艺复杂，需要控制钴离子浓度和氧气水平•关键因素是菌株筛选和培养基优化，添加前体物质可提高产量•典型发酵周期长达5-7天，产量受多种因素影响核苷及相关产物•5-肌苷酸钠IMP和5-鸟苷酸钠GMP是重要调味核苷•主要通过微生物发酵生产核苷，再经化学或酶法转化•芽孢杆菌和大肠杆菌是主要生产菌种•工艺路线包括直接发酵法和RNA水解法两大类生物农药与兽药发酵苏云金芽孢杆菌生物农药新型疫苗载体菌开发苏云金芽孢杆菌Bacillus thuringiensis,Bt是最成功的微生物农以减毒沙门氏菌和结核分枝杆菌为代表的活载体疫苗是近年兽药药，能产生对特定害虫有毒性的结晶蛋白Cry蛋白Bt发酵通研发热点这类疫苗将目标抗原基因导入减毒活菌中，通过活菌常采用好氧批次发酵，控制溶氧水平和营养成分比例，促进孢子的自然侵染途径将抗原递送至免疫系统，诱导更强的免疫反应形成和结晶蛋白表达现代Bt农药主要有三种制剂形式孢子晶体混合物、活孢子制剂载体菌的发酵生产面临特殊挑战，包括遗传稳定性、表达水平一和技术浓缩液全球Bt农药市场以年均8%速度增长，特别是在致性和活菌保存等问题现代发酵技术通过精确控制生长条件和有机农业领域应用广泛中国已成为重要的Bt农药生产国，拥有代谢状态，保证载体菌的免疫原性和安全性最新研究进展包括多个自主菌株和完整产业链开发新型分泌系统和调控元件，提高抗原表达效率和免疫效果特色发酵食品举例纳豆纳豆是日本传统发酵大豆食品，由纳豆枯草芽孢杆菌Bacillus subtilisvar.natto发酵制成发酵过程中产生的纳豆激酶具有溶解血栓的功效，被视为健康食品纳豆发酵特点是短时间24-48小时高温40℃发酵，菌体产生的聚谷氨酸赋予纳豆特有的黏性泡菜韩国泡菜是以白菜和萝卜为主要原料，添加辣椒粉、大蒜等调料，经乳酸菌发酵而成的传统食品泡菜发酵是一个复杂的微生物生态过程，初期由明串珠菌属Leuconostoc主导，后期由乳杆菌属Lactobacillus占优势低温5-10℃发酵使得泡菜具有独特风味和较长保质期起酥面包起酥面包Sourdough bread是欧洲传统发酵面包，使用天然酵种发酵酵种是乳酸菌和野生酵母的共生体系，乳酸菌产生有机酸降低pH值，创造适合特定酵母生长的环境这种共生发酵赋予面包独特的酸味和复杂风味，延长保质期，并提高面包的营养价值和消化性固态发酵技术固态发酵基本原理固态发酵Solid StateFermentation,SSF指在无自由水或极少自由水条件下，微生物在固体基质表面或内部生长繁殖的过程与液体发酵相比，SSF更接近微生物在自然环境中的生长状态，特别适合丝状真菌等微生物的培养SSF的基质通常含水量为40-70%，为微生物提供足够的活动水同时保持固态结构工业应用实例传统食品工业中，酱油、酱类的曲霉培养，中国白酒大曲制作以及日本清酒米曲制作都是典型的固态发酵应用现代工业中，固态发酵主要用于特定酶制剂如蘑菇菌发酵生产纤维素酶、有机肥料和生物农药生产相比液体发酵，固态发酵在能耗、废水排放和产物浓度方面具有明显优势设备与工艺控制固态发酵设备主要有托盘式、转鼓式和搅拌床式三种传统托盘式简单但劳动强度大；转鼓式能实现部分自动化但均匀性差；搅拌床式是现代化程度最高的设备，配备温度、湿度和气体自动控制系统固态发酵的关键控制参数包括基质水分、通气量、温度和pH值，其中散热问题是大规模生产的主要技术挑战4微生物生理特点在固态发酵中，微生物直接与固体基质接触，形成特殊的生理状态丝状真菌的菌丝能够穿透基质颗粒并分泌大量胞外酶，而细菌和酵母则主要在颗粒表面生长由于基质不均匀性，微生物在固态发酵中形成微环境差异，产生独特的代谢产物谱系，这也是许多传统发酵食品风味复杂的原因液体发酵技术液体发酵基本原理大规模生产特点液体发酵Submerged Fermentation,SmF是指微生物在液体培大规模液体发酵是现代生物产业的基础啤酒发酵罐容积可达养基中悬浮生长的发酵方式微生物细胞与培养基中的营养物质10,000立方米，抗生素和有机酸发酵罐通常在100-500立方米充分接触，代谢产物直接释放到液相中液体发酵是现代工业发大规模发酵面临的主要挑战是均匀混合、有效通气和热量散发，酵的主流形式，具有易于控制、易于放大和自动化程度高的特通常通过多级搅拌系统、高效通气装置和外循环冷却系统解决点液体发酵根据通气条件可分为好氧发酵、厌氧发酵和微需氧发现代液体发酵设备自动化水平不断提升，从最初的手动控制发展酵；根据操作方式可分为批次发酵、补料批次发酵和连续发酵到如今的全自动计算机控制系统先进工厂采用分布式控制系统不同微生物和产品需要选择合适的发酵方式，如酒精常采用厌氧DCS和制造执行系统MES，实现从原料投入到产品产出的全批次发酵，抗生素常采用好氧补料批次发酵流程自动化，大幅提高生产效率和产品一致性，同时降低劳动强度和运营成本厌氧与好氧发酵特性比较厌氧发酵好氧发酵氧气需求无需氧气，甚至需排除氧气需持续供氧，维持高溶氧能量产生效率低2-4ATP/葡萄糖高30-38ATP/葡萄糖生物量产量低，有利于产物积累高，适合生物量生产热量产生少，冷却需求低多，需强冷却系统设备复杂度相对简单，无需通气复杂，需高效通气系统典型产品酒精、乳酸、丁酸抗生素、氨基酸、酶燃料乙醇生产是最大规模的厌氧发酵工艺之一酿酒酵母在无氧条件下将糖转化为乙醇和二氧化碳，产生少量ATP维持生长由于能量利用效率低，生物量产量少，大部分碳源转化为目标产物，理论上每克葡萄糖可产生

0.51克乙醇厌氧发酵设备相对简单，主要挑战是保持厌氧环境和处理发酵气体与之相比，酶制剂生产是典型的好氧发酵工艺微生物在充足氧气下进行有效的能量代谢，产生大量ATP支持生长和代谢产物合成好氧发酵设备需要高效通气系统、强冷却装置和精确溶氧控制通气是好氧发酵的核心问题，常通过机械搅拌结合鼓泡通气提高氧传递速率，大型发酵罐可配备多级搅拌系统和特殊设计的通气装置生物反应器新技术气升式反应器利用气液密度差驱动液体循环，无机械搅拌部件膜生物反应器集成膜分离技术，实现高密度细胞培养和产物分离多级反应器系统将不同发酵阶段在独立反应器中优化，提高整体效率智能控制系统采用AI算法和软传感器技术，实现精准实时控制现代生物反应器设计正朝着专业化、智能化和集成化方向发展气升式反应器因剪切力低，特别适合动植物细胞和丝状真菌培养，在多糖和单抗生产中应用广泛膜生物反应器通过集成膜分离技术，实现细胞高密度培养和产物在线分离，提高产率并简化下游处理多级反应器系统根据微生物生长和产物形成特点，将不同阶段分配到独立优化的反应器中，如用于抗生素生产的前期好氧-后期低氧两级系统智能控制系统市场占比持续提高，先进的AI算法能根据实时数据自动调整发酵参数，预测发酵趋势并提前干预异常状况，大幅提高生产稳定性和产品一致性工业发酵自动化与信息化自动化控制平台现代发酵工业广泛采用可编程逻辑控制器PLC和分布式控制系统DCSPLC系统适用于中小规模发酵设备，成本较低；DCS系统则适用于大型工厂，提供更全面的控制和监测功能这些系统能自动控制温度、pH、溶氧、搅拌、通气、补料等关键参数，减少人为干预，提高工艺一致性在线监测技术物联网IoT技术在发酵工业中迅速普及，各类智能传感器可实时监测发酵参数除传统的物理参数外，现代发酵厂还采用近红外光谱NIR、质谱MS和生物传感器等先进技术，实现对培养基成分和代谢物的实时分析某大型乳酸发酵厂通过应用IoT监控系统，实现了产率提升8%，能耗降低12%的显著效果数字孪生应用数字孪生Digital Twin技术将实体发酵系统与虚拟数字模型相结合，创建发酵过程的实时数字映射通过收集海量数据并结合机器学习算法，数字孪生系统能预测发酵趋势，辅助决策优化，甚至进行自主控制某抗生素生产企业应用数字孪生技术后，产品批次一致性提高15%，不合格率降低40%，展示了这一技术的巨大潜力菌种改良与分子育种传统诱变筛选利用物理紫外线、X射线、γ射线或化学EMS、NTG诱变剂处理微生物，增加基因突变概率，然后通过高通量筛选获得优良菌株这种随机突变+定向筛选的方法仍广泛应用于工业菌种改良，尤其是在复杂性状改良方面有独特优势重组DNA技术通过基因克隆、表达载体构建和转化等技术，将目标基因导入微生物中，提高特定蛋白表达水平例如，将人胰岛素基因导入大肠杆菌，建立高效表达系统；或通过启动子优化和基因拷贝数增加，提高产物产量基因工程菌产酶/抗生素效率通常比原始菌株提高3-7倍基因组编辑基于CRISPR-Cas9系统的基因组编辑技术实现了对微生物基因组的精确修改这一技术可靶向敲除代谢副途径、失活抑制因子或强化关键酶表达，提高目标产物产量在氨基酸和有机酸生产中，CRISPR定向改良已从实验室推广到工业应用，成为现代菌种改良的重要工具代谢工程通过系统生物学方法全面分析微生物代谢网络，然后有针对性地重构代谢途径，优化碳流和能量流向目标产物现代代谢工程结合多组学数据分析和计算机模拟，能预测改造效果并指导实验设计，大幅提高研发效率某柠檬酸生产菌通过代谢工程改造，产量提高45%，发酵周期缩短30%合成生物学与发酵人工基因线路合成酵母非天然代谢途径自动化设计平台设计并构建自然界不存在的国际Sc

2.0计划旨在从头合设计并构建自然界不存在的结合人工智能和高通量测试基因调控网络，实现精确控成酿酒酵母全部16条染色代谢途径，生产新型化合物系统，实现微生物设计-构建制的微生物代谢类似电子体目前已完成多条染色体或优化现有产物生产例-测试-分析DBTA循环的自线路，这些基因线路包含开的人工合成，并创建了具有如，通过引入非天然酶，构动化这些平台大幅加速了关、放大器和振荡器等可编程基因组的合成酵母建直接利用CO2和甲醇生产菌株开发进程，从概念到工功能模块，可根据特定信号这些合成酵母可通过特定信有机化合物的途径；或优化业菌株的时间从传统的数年启动或关闭目标基因表达，号诱导快速基因重组，生成D-乳酸生产途径，实现工业缩短至数月，同时提高成功创造智能响应型发酵系统数以百万计的新菌株，为发级高纯度D-乳酸生产，用于率并降低研发成本酵工业提供丰富的菌种资生物可降解材料制造源发酵与环保协同技术废弃物资源微生物转化农业废弃物、食品加工副产品、城市有机垃圾厌氧消化、好氧发酵或复合微生物系统处理循环利用价值产物实现资源循环和减少环境污染沼气、有机肥料、饲料添加剂或化工原料厌氧消化技术是最成熟的废弃物资源化发酵技术通过水解菌、产酸菌和产甲烷菌的协同作用，将有机废弃物转化为沼气主要成分甲烷和有机肥料现代厌氧消化工艺采用两相或多相反应器设计，优化不同微生物群的生长环境，提高甲烷产率和系统稳定性城市餐厨垃圾生物处理模式在中国多个城市成功实施以某省会城市为例，日处理100吨餐厨垃圾的生物处理工厂，年产沼气180万立方米，转化为电能约360万度，同时产出有机肥料3000吨，实现了废弃物减量90%以上，创造显著环境和经济效益未来，随着合成生物学技术发展，废弃物直接转化为高值化学品的技术有望实现突破发酵技术的最新进展2024年《自然》杂志发表的微生物发酵前沿研究表明，微流控技术与高通量筛选系统正改变传统发酵工艺开发模式这些技术允许研究人员在极小体积纳升至微升中同时进行成千上万个发酵实验，大幅加速工艺优化和菌种筛选过程单细胞分析技术则揭示了发酵过程中微生物群体的异质性，为精准控制发酵过程提供了新视角产业数字化转型已成为发酵行业的主流趋势某大型生物制药企业通过建立数字化工厂，实现了从原料入库到产品出厂的全流程自动化和可视化管理基于大数据和人工智能的决策支持系统能实时响应工艺波动，自动调整参数，将产品一致性控制提高了25%，能源利用效率提升18%，展示了数字化转型的巨大潜力微生物资源开发新趋势极端环境微生物资源地球的极端环境如温泉、深海热液喷口、极地和沙漠孕育了适应特殊生存条件的微生物这些极端微生物产生的酶和代谢产物通常具有独特性质，如耐高温、耐酸碱、耐盐等某制药公司从黄石公园温泉分离的嗜热菌产DNA聚合酶，已成为PCR技术的关键酶；而从深海热液区分离的微生物则产生多种新型抗生素候选物质海洋微生物资源海洋占地球表面积的70%以上，蕴含丰富而独特的微生物资源与陆地微生物相比，海洋微生物进化路径独特，产生的次级代谢产物结构新颖，生物活性强海洋放线菌和真菌是新型抗菌、抗肿瘤和抗病毒化合物的重要来源海洋微生物发酵通常需特殊培养条件，如添加海水、模拟海洋环境压力等，才能有效诱导次级代谢产物生成宏基因组学挖掘超过99%的环境微生物无法在实验室条件下培养，传统分离培养方法难以获取这些不可培养微生物资源宏基因组学技术直接从环境样本中提取总DNA，通过测序和生物信息学分析发现新基因和代谢途径结合合成生物学技术，可将这些新基因在可培养微生物中表达，获取潜在有用产物某研究团队通过宏基因组挖掘，从土壤样本中发现并成功表达了30多种新型β-内酰胺酶微生物组工程自然界的微生物通常以复杂群落形式存在，相互之间形成复杂网络关系微生物组工程旨在理解和操控这些微生物群落，设计人工微生物联合体系，实现单一菌株无法完成的复杂转化过程例如，设计由纤维素降解菌、发酵菌和产甲烷菌组成的人工微生物组，可一步将农业废弃物直接转化为生物燃料，大幅提高转化效率人工智能助力发酵工艺决策优化基于历史数据和实时反馈自主制定最优控制策略模式识别从复杂数据中识别关键模式和异常情况预测建模建立发酵过程数学模型预测未来趋势数据整合收集整合多源数据形成完整知识库智能推荐工艺参数系统利用深度学习算法分析历史发酵数据，识别影响产量和质量的关键因素，并为每批次发酵推荐最优参数组合某抗生素生产企业应用该系统后，产量提高15%，批次间波动减少40%更先进的动态调控系统能根据实时发酵数据，预测发酵趋势并主动调整参数，实现全程优化控制人工智能在菌株筛选环节也发挥重要作用传统菌种改良需逐个测试大量突变体，耗时费力基于机器学习的算法能分析基因组数据，预测特定基因修改对产量的影响，大幅缩小筛选范围某生物技术公司利用AI辅助设计，将高产菌株开发周期从传统的18个月缩短至4个月，展示了AI技术在发酵工业中的巨大潜力发酵产业未来展望健康导向环保可持续智能融合产业格局变革发酵产业将更加注重产品的健康功绿色发酵工艺将成为主流，包括清洁发酵技术将与信息技术深度融合，实全球发酵产业格局正在重塑，中国已能，如功能性益生菌、生物活性肽和生产技术、废弃物资源化和碳中和技现智能化、自动化和网络化未来发成为世界最大的发酵产品生产国，味天然保健因子发酵食品将从传统的术通过优化发酵工艺，降低能耗和酵工厂将采用数字孪生技术全面模拟精和柠檬酸年产量均占全球总产量的保藏和风味改良，向定向调节肠道菌废弃物排放；利用光合微生物直接固优化生产过程；无人工厂将通过人工60%以上未来发酵产业将更加注重群、提供特定生理活性物质等方向发定二氧化碳生产化学品；开发生物可智能系统自主控制生产；云平台将连创新和高附加值产品，从简单的规模展，形成个性化营养解决方案降解材料替代传统塑料，助力循环经接全球发酵设施，实现资源共享和协竞争转向技术和品质竞争，推动产业济发展同创新向高端化、精细化方向发展总结与思考关键地位科技驱动微生物发酵技术是生物技术领域的基科技创新是推动发酵产业升级的核心动石，连接着食品、医药、环保、能源等力分子生物学、基因组学、合成生物多个重要产业它既是一门古老的技学等现代生命科学技术与人工智能、大术，也是当代最具创新活力的领域之数据、物联网等信息技术的深度融合，一从传统食品加工到现代药物生产，正在重塑传统发酵工业，创造出更高从环境治理到新能源开发，微生物发酵效、更清洁、更智能的生产模式，为社技术无处不在，影响着人类生活的方方会创造巨大价值面面学习与实践微生物发酵技术是一门实践性极强的学科，理论学习与实验操作缺一不可鼓励大家在课堂学习的基础上，积极参与实验室研究和企业实习，将书本知识转化为实际能力同时保持对新技术的持续学习，培养创新思维和团队协作精神，成为推动行业发展的新力量随着课程的结束，希望大家已经建立起对微生物发酵技术的系统认识这个领域正处于历史性变革时期，传统经验与现代科技相结合，创造出前所未有的发展机遇我们期待你们中的每一位都能在未来的学习和工作中，为这一古老而现代的领域贡献自己的智慧和力量，开创发酵技术的新纪元！。