《微生物发酵进程》课件

微生物发酵进程微生物发酵作为一项古老而又现代的生物技术，融合了微生物学、生物化学、化学工程等多学科知识，已经成为现代生物产业的重要基础本课程将系统介绍微生物发酵的基本原理、工艺过程、监测控制以及工业应用，帮助学习者全面了解发酵工程的理论与实践课程概述微生物发酵的基本概念与历史探索微生物发酵的定义、历史演变及其生化基础，了解这一古老技术如何发展成为现代生物技术的重要组成部分主要发酵类型与机理详细介绍各种发酵类型及其生化机理，包括乳酸发酵、酒精发酵等常见发酵过程的代谢路径和关键环节工业发酵过程与应用讲解工业发酵的工艺流程、设备系统及在食品、医药、化工等领域的广泛应用案例发酵过程监测与控制介绍发酵过程中的参数监测技术、控制策略及现代分析方法，确保发酵过程的稳定高效现代发酵技术与未来趋势第一部分微生物发酵基础微生物种类代谢原理发酵工业中常用的微生物包括细菌、酵母菌和丝状真菌等，它们微生物通过一系列复杂的代谢途径，将底物转化为各种有价值的各自具有独特的代谢特性和应用优势产物，同时获取生长所需的能量和原料工艺参数应用领域发酵过程中的温度、pH、溶氧等关键参数，直接影响微生物的生长状态和产物合成效率微生物发酵的定义微生物参与的生化过程利用活微生物的代谢活动有氧或无氧条件下的代谢转化适应不同氧气环境的代谢方式酶催化将有机物转化为各种产物复杂的酶系统协同作用能量转换与代谢产物积累高效率的物质与能量转化微生物发酵是指微生物在特定条件下，通过自身代谢活动将有机物质转化为特定产物的过程与传统发酵概念不同，现代微生物发酵工程强调有目的地控制微生物代谢，以获得人类所需的各种产品发酵的历史发展1远古时期公元前7000年，人类开始利用自然发酵制作酒、面包和奶制品，但对发酵本质缺乏认识2巴斯德时代19世纪，路易·巴斯德证明发酵是由微生物引起的，推翻了自发生成说，奠定了发酵微生物学基础3抗生素时代20世纪40年代，青霉素工业化生产成功，标志着现代发酵工业的诞生，推动了抗生素和其他生物活性物质的大规模生产现代生物技术时代20世纪末至今，基因工程、代谢工程等现代生物技术与发酵工程深度融合，实现了定向改造微生物和精准控制发酵过程微生物发酵的生化基础糖酵解途径三羧酸循环将葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP和还将丙酮酸进一步氧化产生大量能量原力次级代谢电子传递链合成抗生素等生物活性物质通过氧化还原反应产生质子动力微生物发酵的核心是细胞内的代谢网络，包括糖酵解、三羧酸循环、电子传递链等主要代谢途径在有氧条件下，微生物可以完全氧化底物获得最大能量；而在无氧条件下，则通过发酵产生乙醇、乳酸等产物并获取有限能量次级代谢产物虽然不直接参与微生物的生长繁殖，但对人类具有重要价值，如抗生素、激素和色素等了解这些代谢途径的调控机制，是提高发酵产量和质量的关键常见发酵微生物细菌酵母丝状真菌放线菌•乳酸菌用于乳制品发酵•酿酒酵母啤酒、葡萄酒•青霉菌青霉素等抗生素•链霉菌链霉素等抗生素发酵生产生产•醋酸菌催化乙醇氧化为•面包酵母面包发酵和风•曲霉菌柠檬酸、酶制剂•诺卡氏菌生物转化和降醋酸味形成生产解•大肠杆菌重组蛋白表达•毕赤酵母蛋白质表达系•毛霉有机酸和转化反应•小单孢菌多肽类抗生素宿主统•枯草芽孢杆菌酶制剂生•酿酒曲酵母中国白酒发•镰刀菌次级代谢产物生•放线菌红霉素和四环素产酵产生产微生物生长动力学延滞期微生物适应环境的阶段，几乎无增长，细胞进行酶合成和代谢调整，为指数生长做准备指数期细胞以最大速率生长繁殖，按指数规律增加比生长速率μ和倍增时间td是描述这一阶段的重要参数稳定期因养分耗尽或代谢产物积累，生长速度减慢，新生细胞数与死亡细胞数趋于平衡许多次级代谢产物在此阶段合成衰亡期细胞死亡速率超过新生速率，总活细胞数减少某些产物可能在此阶段继续积累Monod方程是描述底物浓度与微生物比生长速率关系的经典模型μ=μmax·S/Ks+S其中μmax表示最大比生长速率，Ks为半饱和常数，S为底物浓度理解这一关系对于优化发酵条件、提高产量至关重要第二部分发酵类型与机理乳酸发酵酒精发酵抗生素发酵以乳糖或葡萄糖为底物，产生乳酸为主要以糖类为底物，在无氧条件下产生乙醇和微生物在特定条件下产生次级代谢产物抗产物的发酵过程，广泛应用于乳制品加工二氧化碳的发酵过程，是酒类饮料生产和生素的发酵过程，是现代医药工业的重要和有机酸生产生物燃料制造的基础组成部分微生物发酵类型多样，按照不同标准可以进行多种分类深入了解发酵的生化机理、工艺特点和应用领域，对于合理设计和优化发酵过程至关重要按氧气需求分类好氧发酵微需氧发酵厌氧发酵需氧量大于5mg/L，微生物利用氧气需氧量在

0.1-5mg/L之间，微生物在低在无氧或极低氧浓度下进行，微生物作为终末电子受体，完全氧化底物获氧条件下生长，部分产物通过发酵途通过底物水平磷酸化或发酵途径获取得最大能量典型例子包括柠檬酸发径产生许多次级代谢产物如青霉素能量典型例子包括乙醇发酵、乳酸酵、抗生素发酵和单细胞蛋白生产的生产需要控制在微需氧状态，以平发酵和甲烷发酵厌氧过程能量产率好氧过程能量产量高，但需要强制通衡能量产生和产物合成低但设备简单，操作成本较低气和搅拌，能耗较高兼性厌氧微生物可以根据环境条件调整代谢方式，在有氧时进行呼吸作用，无氧时进行发酵，如大肠杆菌和酿酒酵母了解微生物的氧气需求特性对于设计合理的通气策略和优化发酵条件至关重要按产品分类初级代谢产物发酵次级代谢产物发酵与微生物生长直接相关的产物与微生物生长间接相关的产物•氨基酸谷氨酸、赖氨酸•抗生素青霉素、红霉素1•有机酸柠檬酸、乳酸•色素胡萝卜素、核黄素•核苷酸肌苷酸、鸟苷酸•维生素B

12、核黄素生物质量型发酵生物转化型发酵以微生物细胞本身为产品利用微生物转化特定底物•酵母面包酵母、饲料酵母•激素可的松、孕酮•单细胞蛋白•维生素维生素C•菌体酶纤维素酶、淀粉酶•抗生素半合成按操作方式分类批次发酵2补料分批发酵一次性加入全部培养基，接种后直在批次发酵基础上，根据需要分阶至发酵结束整个周期通常为24-段补充营养物质这种方式可使产240小时，操作简单但生产率较低量提高30-40%，有效避免底物抑适合大多数传统发酵过程和抗生素制，延长产物生成阶段广泛应用生产批次发酵的产物浓度曲线通于高密度培养和抗生素生产，是现常呈S形，产物抑制现象明显代工业发酵的主流操作方式3连续发酵持续加入新鲜培养基并移出等量发酵液，在稳态条件下长期运行生产效率高，产品质量稳定，但设备复杂，易发生污染适用于啤酒、酵母等产品的大规模生产，以及废水处理等过程循环发酵是将菌体与发酵液分离后再循环利用菌体的方式，而重复批次发酵则是在一个发酵罐中连续多次批次操作这些变形操作方式在特定条件下可以提高设备利用率和生产效率发酵工程师需要根据产品特性和经济因素选择最合适的操作方式乳酸发酵机理同型乳酸发酵1将葡萄糖完全转化为乳酸的途径异型乳酸发酵2除乳酸外还产生乙酸、乙醇和CO₂乳酸菌特性革兰氏阳性、无芽胞、厌氧或兼性厌氧细菌同型乳酸发酵是通过Embden-Meyerhof途径（EMP）将一分子葡萄糖完全转化为两分子乳酸，理论上每摩尔葡萄糖可产生2摩尔乳酸和2摩尔ATP代表菌种包括乳杆菌属和乳球菌属的大多数菌种异型乳酸发酵则通过磷酸戊糖途径，将一分子葡萄糖转化为1摩尔乳酸、1摩尔乙醇（或乙酸）和1摩尔CO₂，理论上只能产生1摩尔ATP代表菌种包括明串珠菌和魏斯氏菌等工业乳酸生产通常采用嗜热乳杆菌，在pH

5.5-

6.

5、温度45-50℃条件下，可达到90-95%的转化率，最终乳酸浓度可达100-120g/L酒精发酵机理葡萄糖EMP途径起始底物丙酮酸糖酵解中间产物乙醛丙酮酸脱羧产物乙醇最终发酵产物酒精发酵是酵母菌在无氧条件下，通过EMP途径（糖酵解）将葡萄糖分解为丙酮酸，然后丙酮酸在丙酮酸脱羧酶作用下生成乙醛和二氧化碳，最后乙醛在醇脱氢酶作用下被还原为乙醇在这一过程中，每摩尔葡萄糖可理论产生2摩尔乙醇、2摩尔CO₂和2摩尔ATP能量产率虽然低于有氧呼吸，但足以维持酵母的生长酵母的酒精耐受能力是影响发酵效率的关键因素，普通酿酒酵母可耐受约12-14%的乙醇浓度工业酒精发酵通常在温度28-32℃、pH

4.5-

5.5条件下进行，使用高糖浓度培养基（15-22%），可获得10-12%的乙醇浓度醋酸发酵机理醋酸发酵是一种好氧氧化过程，由醋酸菌（主要是乙酸杆菌属和葡糖杆菌属）将乙醇氧化为醋酸这一过程可表示为C₂H₅OH+O₂→CH₃COOH+H₂O，反应过程中释放大量能量，理论上每克乙醇可产生

1.304克醋酸醋酸发酵可通过表面培养（静态发酵）或深层培养（通气发酵）两种方式进行传统的表面培养虽然周期长（10-30天），但产品风味丰富；现代深层培养则可大大缩短周期（24-48小时），提高生产效率醋酸发酵的主要控制因素包括乙醇浓度（通常控制在5-7%）、温度（最适28-30℃）和溶氧水平（需保持高溶氧以提高氧化效率）抗生素发酵机理

0.1-1%营养限制过量碳源和限制性氮源/磷源，促进次级代谢启动天4-5产物积累期菌丝生长减缓，抗生素合成加速40-50%前体转化率前体化合物向抗生素的生物合成效率倍2-3基因组修饰关键基因过表达可提高产量抗生素发酵是典型的次级代谢产物发酵，通常在微生物进入稳定期后开始产生次级代谢启动条件通常与主要营养物质（如氮源、磷源）的限制和特定诱导分子的存在有关以青霉素为例，其生物合成途径包括三个阶段三种氨基酸（L-α-氨基己二酸、L-半胱氨酸和L-缬氨酸）形成三肽骨架，环化形成青霉素G前体，最后在各种酶的作用下形成青霉素G抗生素发酵的基因调控极为复杂，包括多层次的正负调控元件现代分子生物学技术已成功鉴定和操作这些调控元件，显著提高了抗生素产量工业抗生素发酵通常采用补料分批策略，根据不同阶段的代谢特点调整营养供应，最大化产物积累氨基酸发酵机理第三部分发酵工艺与过程菌种选育培养基优化发酵设备通过筛选和改造获得高产、设计营养均衡、经济高效选择合适的发酵罐和辅助稳定的工业菌株，是发酵的培养基配方，满足微生系统，确保发酵过程的高成功的基础物生长和产物合成需求效运行过程控制通过先进的监测和控制技术，实现发酵过程的精准管理发酵工艺是将实验室研究成果转化为工业生产的关键环节合理的工艺设计和过程控制可以显著提高产品产量、质量和生产效率，降低成本工业发酵过程的成功运行需要多学科知识的综合应用，包括微生物学、生物化学、化学工程等领域发酵前准备工作菌种选育与保藏通过诱变筛选、基因工程等方法获得高产菌株，并采用超低温冷冻（-80℃）、冻干等方式长期保存菌种保藏系统通常包括主种子、工作种子和生产种子三级保藏体系，确保菌种性能稳定培养基配方设计根据微生物营养需求和代谢特性，设计包含适量碳源、氮源、无机盐和生长因子的培养基生产培养基还需考虑成本因素，通常使用粗糖、玉米浆、豆粕等工业原料替代纯试剂，降低成本种子培养扩大从保存的菌种出发，经过试管斜面、摇瓶、小型发酵罐逐级扩大培养，确保足够数量的活力旺盛的菌体用于生产发酵种子培养通常占整个发酵周期的20-30%，是保证发酵成功的关键环节设备灭菌消毒发酵设备和培养基需要进行严格的灭菌处理，通常采用湿热灭菌（121℃，15-20分钟）或连续灭菌法管道、阀门等辅助设备则采用化学消毒或蒸汽灭菌方式处理，确保无菌操作环境发酵培养基组成碳源氮源提供能量和碳骨架提供蛋白质与核酸合成所需氮元素•葡萄糖（10-50g/L）•氨盐（硫酸铵）•蔗糖、淀粉•蛋白胨、酵母膏2•甘油、油脂•豆粕、玉米浆生长因子无机盐促进生长与代谢的微量有机物质提供矿物质元素与调节缓冲能力43•维生素•磷酸盐（缓冲系统）•氨基酸•硫酸镁、氯化钙•核苷酸•微量元素（Fe、Zn、Mn）培养基设计需平衡营养成分，既要满足微生物生长需求，又要考虑经济性培养基优化是提高发酵效率的重要手段，通常需要通过正交试验等方法确定最优配方不同发酵阶段可能需要不同培养基组成，例如生长阶段注重氮源供应，产物积累阶段则可能限制某些营养素以诱导次级代谢发酵设备系统实验室发酵罐中试放大发酵罐工业生产发酵罐辅助系统•容积5-100L•容积500-5000L•容积10000-500000L•供气系统空气过滤、压缩、灭菌•用途研究开发、工艺优•用途工艺放大验证、小•用途大规模商业化生产化批量生产•温控系统加热/冷却盘管或夹套•特点精密控制、多参数•特点模拟工业条件、数•特点高效率、自动化控监测据收集制•搅拌系统电机、轴、叶片•材质玻璃或不锈钢•材质不锈钢，通常为•材质不锈钢，通常为316L级304或316级•控制系统传感器、执行器、PLC发酵设备系统的合理选择和配置对发酵过程至关重要从实验室到工业规模，发酵设备需要逐步放大，同时保持关键过程参数一致现代发酵设备系统已实现高度自动化和智能化，可以精确控制各项参数，确保发酵过程的稳定性和可重复性发酵罐结构与设计搅拌系统通气系统控制系统由电机、传动轴和搅拌叶片组成，提供有效混合和包括空气过滤器、分布器和消泡装置，提供微生物由各种传感器、控制器和执行器组成，实现发酵过氧传递工业发酵罐通常采用顶部驱动或底部磁力生长所需氧气环形火花塞式或多孔板式分布器可程监测和调节现代发酵罐装配pH电极、溶氧电极、驱动方式，搅拌叶片根据培养物特性选择涡轮型、确保气泡均匀分布，提高氧传递效率通气速率通温度传感器、压力表等，通过PLC或计算机系统实桨叶型或螺旋型搅拌功率通常为

0.5-3kW/m³，常为

0.5-2体积空气/体积培养物/分钟vvm，氧传现参数自动监控和调节先进系统还可整合批次管高粘度培养物需要更高功率递系数KLa值为100-500h⁻¹理和数据分析功能发酵罐材质主要使用316L或304不锈钢，具有良好的抗腐蚀性和机械强度罐体通常为圆柱形，高径比为2-3:1，底部为半球形或锥形，便于排料和清洗夹套设计用于温度控制，可通过蒸汽或冷水循环调节培养温度罐内表面需达到卫生级抛光（Ra

0.8μm），避免微生物附着和污染发酵过程操作参数温度控制微生物发酵的最适温度通常在25-37℃范围内，不同微生物有各自的最适温度控温精度一般要求在±

0.5℃以内，通过夹套或内盘管循环热媒实现温度过高会导致酶失活和代谢紊乱，过低则会降低反应速率和生产效率调节pH大多数发酵过程需在pH4-8范围内运行，通过自动加入酸碱溶液（如氨水、硫酸）来调节pH控制精度通常要求±

0.1单位，对产物形成和分泌具有重要影响不同发酵阶段可能需要不同pH值，如许多抗生素发酵初期保持中性，后期转为弱酸性溶氧控制好氧发酵需维持适当溶氧水平，通常为20%-60%饱和度溶氧可通过调整通气量、通气压力、搅拌速度或补充纯氧来控制溶氧过低会限制微生物生长和产物合成，过高则可能对某些微生物产生抑制作用或造成能量浪费搅拌速度搅拌速度影响混合效果和氧传递效率，通常在100-1000rpm范围内功率输入通常为

0.5-3kW/m³，具体取决于培养物特性和通气需求过高的搅拌速度可能造成剪切损伤，特别是对丝状真菌和动物细胞；过低则无法提供充分混合和氧传递发酵过程放大原则几何相似性保持关键尺寸比例不变功率输入一致单位体积功率保持相同氧传递系数匹配3维持相同的KLa值热传递考量解决散热与温度梯度问题几何相似性是放大设计的基础，要求大小罐体的关键尺寸比例保持一致，如高径比、叶轮直径与罐径比等但仅依靠几何相似性无法解决所有放大问题，尤其是在生物反应器尺寸增大时，混合时间、氧传递和热量控制等参数会发生显著变化功率输入是常用的放大准则，保持单位体积功率输入（P/V）一致，可大致维持混合效果和湍流强度对于需氧量高的发酵过程，氧传递系数（KLa）的匹配更为重要，这可能需要调整通气量和搅拌速度随着发酵罐体积增大，表面积与体积比减小，散热能力下降，因此热传递也成为放大设计必须考虑的因素实际工程中，常需结合多种准则，并通过中试验证确定最佳放大方案第四部分发酵过程监测与控制参数监测通过各种传感器实时监测发酵过程中的温度、pH、溶氧等关键参数，为过程控制提供数据基础数据分析对监测数据进行实时或离线分析，评估发酵状态，发现潜在问题，优化工艺参数过程控制根据分析结果，通过控制系统自动或人工干预调整发酵条件，保持过程稳定，提高产品质量和产量持续优化基于历史数据和运行经验，不断完善监测控制策略，提升发酵工艺水平发酵过程监测与控制是保证发酵稳定高效的关键环节随着传感器技术、自动化控制和大数据分析的发展，现代发酵工程已实现了高度精确的过程监控和智能化控制，大大提高了生产效率和产品质量的一致性在线参数监测技术电极测量系统溶氧电极与氧传递率测定pH采用复合玻璃电极，测量范围通常为pH主要采用极谱式（Clark型）或光学式2-12，精度可达±

0.1长期浸泡在发酵液（荧光猝灭型）溶氧电极，测量范围为0-中需定期校准，抗污染和耐高压灭菌是工100%饱和度，响应时间30-60秒氧传递业pH电极的重要特性现代pH电极通常率（OTR）和氧吸收率（OUR）是表征发集成温度补偿功能，可自动修正温度变化酵过程氧利用效率的重要参数，可通过动对测量值的影响pH值对微生物生长和代态法测定KLa值（通常为50-500h⁻¹）谢产物形成具有重要影响，准确监测对产溶氧水平直接影响有氧代谢效率，是好氧量和质量控制至关重要发酵过程中最关键的监测参数之一温度传感器与控制系统通常采用铂电阻（Pt100）或热电偶，测量精度可达±

0.1℃温度控制系统由感应元件、控制器和执行器（加热/冷却装置）组成，采用PID控制算法维持设定温度发酵过程产热量与罐体尺寸、微生物代谢活性密切相关，大型发酵罐需考虑温度梯度问题，可能需要多点测温和冷热点分析发泡与液位监测同样重要，通常采用电导式、电容式或光学式液位计，结合泡沫传感器和自动加入消泡剂的控制系统先进的在线监测还包括二氧化碳传感器、氧气分析仪等气体成分监测装置，以及流量计、压力传感器等过程参数监测设备，共同构成全面的发酵过程监控网络离线分析方法生物量测定底物分析产物分析活性评估•干重法抽滤、烘干、称•HPLC糖类、有机酸定•色谱法HPLC、GC、•ATP测定细胞能量状态重量LC-MS•酶活性测定代谢能力•光密度法OD600测定•酶法测定葡萄糖、乳酸•微生物学方法抗生素效•呼吸商CO₂/O₂比值等价•细胞计数直接计数或流•荧光染色细胞活力和完式细胞术•分光光度法氨基酸、蛋•免疫分析酶联免疫、放整性白质射免疫•生物电容测量在线估算生物量•原子吸收金属离子浓度•电泳技术蛋白质纯度和特性离线分析为发酵过程提供详细、准确的数据支持，是在线监测的重要补充样品采集需遵循无菌操作规程，防止污染；样品处理应考虑时效性，确保分析结果真实反映发酵状态现代发酵工程中，离线分析数据通常与在线监测数据结合，通过软件系统进行综合分析，为过程控制和优化提供科学依据现代在线分析技术近红外光谱技术利用物质在近红外区域（780-2500nm）的吸收特性，通过光纤探头实时监测发酵液中的多种成分NIR技术可同时分析多个指标（如葡萄糖、乙醇、氨基酸等），无需样品处理，响应速度快（秒级），已成为现代发酵过程监测的重要工具质谱分析技术通过分析发酵过程中的气体成分（如O₂、CO₂、NH₃等）和挥发性代谢物，实时评估发酵状态现代质谱技术与发酵罐连接，可持续监测气体交换速率和代谢产物变化，为代谢流分析和过程控制提供重要数据支持荧光技术监测利用微生物自发荧光或荧光标记，无创检测细胞活性、代谢状态和产物表达荧光传感器可测量NADPH、黄素蛋白等内源性荧光物质，或者通过荧光报告基因监测特定基因表达，为发酵过程提供直接的生物学信息软传感器技术是结合在线测量数据和数学模型，估算难以直接测量的关键参数（如生物量、产物浓度等）的创新方法通过建立变量间的相关关系，软传感器可实时推算发酵状态，弥补硬件传感器的不足现代在线分析技术正向多参数集成、智能化处理和预测性分析方向发展，为发酵过程的精准控制和优化提供强大支持发酵过程控制策略控制系统PID基本的反馈控制方式，参数调优至关重要分阶段控制针对不同发酵阶段设定不同参数和控制目标基于模型预测控制利用过程模型预测系统行为并优化控制策略智能控制算法结合机器学习实现自适应、自优化控制PID（比例-积分-微分）控制是最常用的发酵过程控制方法，适用于温度、pH等参数控制PID参数调优对控制效果至关重要，需根据不同发酵阶段特性进行优化例如，在pH控制中，发酵初期可采用较大比例系数实现快速响应，后期则可降低比例系数避免震荡分阶段控制策略将发酵过程划分为多个阶段（如生长期、产物形成期），针对每个阶段设定不同的控制参数和策略现代发酵控制系统通常支持程序设定功能，可预先编程实现全过程自动控制基于模型的预测控制则更进一步，通过数学模型预测系统未来行为，提前调整控制变量，实现最优控制随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络和遗传算法等智能控制方法也逐渐应用于发酵过程，提高了系统应对复杂情况和不确定性的能力发酵代谢流分析第五部分工业发酵应用食品工业医药行业化工能源发酵在食品加工中有着抗生素、疫苗、酶制剂生物燃料、有机酸、氨不可替代的作用，从传等重要医药产品的生产基酸等化工原料的微生统的面包、酒类到现代主要依靠发酵工程，是物发酵生产，代表着绿的功能性食品，都离不现代医疗体系的物质基色合成技术的重要发展开微生物发酵技术的贡础方向献环境农业微生物肥料、生物农药和环境治理中的微生物应用，正助力实现可持续农业和环境保护目标微生物发酵技术的工业应用范围极其广泛，几乎涉及人类生产生活的各个领域随着生物技术的快速发展，发酵工业正从传统产业向高科技、高附加值方向转型，创造巨大的经济效益和社会价值发酵工程作为生物制造的核心技术，正引领着生物经济时代的到来食品发酵工业食品发酵是最古老且最广泛的发酵应用，乳制品发酵利用乳酸菌将乳糖转化为乳酸，同时产生风味物质现代酸奶生产采用特定菌种（嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌混合培养）在42-45℃条件下发酵4-6小时；而奶酪制作则涉及更复杂的微生物作用和后续熟化过程酒类发酵主要利用酵母的酒精发酵能力，啤酒生产包括麦芽化、糖化、发酵和熟化等关键步骤，发酵温度通常为10-15℃（拉格啤酒）或18-25℃（艾尔啤酒）；葡萄酒则采用葡萄汁直接发酵，后续可能进行乳酸菌的苹果酸-乳酸发酵面制品发酵主要借助酵母产生的二氧化碳使面团膨胀，同时生成风味物质调味品发酵如酱油生产涉及复杂的微生物群落作用，经过制曲、发酵、压榨和陈酿等工艺，形成独特的风味和营养特性医药发酵工业1抗生素生产青霉素、红霉素、链霉素等经典抗生素主要通过微生物发酵获得抗生素发酵通常采用补料分批策略，严格控制温度、pH和溶氧等参数，发酵周期较长（5-10天）疫苗与生物制剂病毒疫苗需在细胞培养基础上进行，而细菌疫苗和重组蛋白药物则可通过微生物发酵生产这类产品要求生产环境符合GMP标准，产品纯度和生物活性受严格控制3酶制剂与诊断试剂工业酶（如蛋白酶、淀粉酶）和诊断用酶（如葡萄糖氧化酶）的生产利用微生物高效表达系统酶生产通常需精确控制培养条件以最大化酶活性，并采用特殊的后处理工艺保持酶的稳定性4生物活性物质多肽、生长因子和细胞因子等生物活性物质生产依赖于精密控制的发酵和分离纯化技术这类高附加值产品对发酵工艺和下游处理提出了极高要求，常采用基因工程菌株进行生产化工与能源发酵生物燃料有机酸生产生物乙醇主要通过酵母发酵淀粉或纤维素乳酸是最重要的发酵有机酸之一，可用于水解产物获得，产业规模大、工艺成熟食品保鲜、聚乳酸生产等领域工业生产巴西和美国是全球主要的燃料乙醇生产国，主要采用乳杆菌或嗜酸乳杆菌，发酵温度年产量超过1亿吨生物丁醇作为更优质45-50℃，pH控制在

5.5-

6.5柠檬酸是全的燃料，可通过丁酸梭菌厌氧发酵生产，球产量最大的发酵有机酸，主要利用黑曲但产量和效率仍有待提高生物柴油虽然霉在高糖、低pH条件下发酵生产，年产主要通过转酯化反应生产，但其原料油脂量超过200万吨，广泛用于食品、饮料和可来自微生物发酵清洁剂等行业氨基酸发酵谷氨酸是产量最大的发酵氨基酸，主要用于味精生产，利用谷氨酸棒杆菌特异的细胞膜通透性控制实现高产赖氨酸、苏氨酸等必需氨基酸也通过工业发酵生产，主要用作饲料添加剂现代氨基酸发酵多采用代谢工程改造菌株，通过解除反馈抑制、增强关键酶活性等策略提高产量生物降解塑料原料如聚羟基烷酸酯PHA可通过微生物发酵生产，已实现工业化这类材料可完全生物降解，是传统石化塑料的绿色替代品此外，1,3-丙二醇、琥珀酸等重要化工原料也已开发出微生物发酵生产工艺，代表着生物制造替代化学合成的重要趋势环境与农业应用微生物肥料生物农药废水处理环境修复•根瘤菌固氮作用，提供•苏云金芽孢杆菌防治鳞•活性污泥法好氧微生物•石油降解菌清理油污染氮素翅目害虫群落•磷溶菌溶解难溶性磷酸•白僵菌寄生多种农林害•厌氧消化产甲烷的复合•重金属富集菌吸收有毒盐虫系统金属•丛枝菌根真菌促进植物•绿僵菌控制蝗虫等害虫•生物膜法附着生长的微•有机污染物降解菌分解吸收生物农药等•生物有机肥改善土壤结•球孢白僵菌防治蛀虫类•SBR工艺序批式反应器•微生物固化技术稳定污构害虫技术染物微生物在环境与农业领域的应用代表了发酵技术的重要拓展微生物肥料和生物农药的工业化生产通常采用液体深层发酵或固体发酵工艺，需要严格控制菌种纯度和活性废水处理中的微生物作用是污染物去除的核心机制，现代废水处理厂实际上是一个复杂的微生物反应系统环境修复技术如生物堆、生物通风等也依赖特定微生物的代谢活动，通过优化环境条件促进污染物的降解或转化酵母工业发酵案例原料处理种子培养1糖蜜稀释、pH调节和营养添加逐级扩大培养活力菌种分离与干燥主发酵过程离心分离、洗涤、制粒和干燥328℃，pH

4.5-

5.0，强通气条件酿酒酵母工业生产是典型的需氧发酵过程，以获取最大生物量为目标生产使用的培养基主要以糖蜜为碳源（含糖量调整到约2%），添加适量氮源（通常为尿素或铵盐）和磷源，以及少量生长因子和微量元素整个工艺采用补料分批策略，通过控制糖的加入速率使酵母保持在氧化代谢状态，避免产生乙醇（克拉布效应）发酵过程中，温度控制在28℃左右，pH维持在

4.5-

5.0范围内，溶氧水平保持在30%以上饱和度强烈搅拌和通气（1-

1.5vvm）确保充分的氧供应发酵周期通常为12-16小时，最终生物量可达25-30g/L（干重）分离后的酵母可直接作为鲜酵母销售，或经过特殊配方处理后干燥成干酵母产品质量控制指标包括水分含量（＜8%）、活性（CO₂产生能力）、杂菌含量和货架稳定性等抗生素工业发酵案例菌种准备高产青霉菌菌株从保藏中心活化，经过斜面、摇瓶和小型发酵罐逐级扩大培养，确保活力和生产能力主发酵过程在10-20万升的发酵罐中进行，持续6-8天培养基含葡萄糖或乳糖、玉米浆、硫酸铵等营养成分，发酵温度控制在24-26℃，pH从初始

6.5逐渐降至

7.8-

8.2，溶氧维持在30%以上分阶段喂料根据培养物状态实施精确的补料策略生长阶段（0-40小时）提供充足营养；转化阶段（40-60小时）逐渐限制某些营养素；产物形成阶段（60小时后）添加前体物质（如苯乙酸）促进青霉素G合成提取与纯化发酵液经过滤分离菌丝体，滤液调pH至2-3进行有机溶剂萃取，再通过反萃取、浓缩、结晶等步骤获得纯青霉素产品现代工艺可实现90%以上的回收率和98%以上的纯度青霉素工业发酵的产量优化关键在于精确控制发酵参数和采用科学的补料策略通过菌种改良和工艺优化，青霉素产量从最初的几个单位/毫升提高到现代工艺的50000-100000单位/毫升，提升了近万倍质量控制方面，重点关注效价、杂质含量、致热源物质和无菌性等指标，严格遵循药典标准和GMP规范氨基酸工业发酵案例120g/L产量水平现代谷氨酸发酵的典型浓度℃30-32最佳温度谷氨酸棒杆菌的最适发酵温度

7.0-

7.2控制范围pH维持最佳谷氨酸产量的pH值45-55%转化率葡萄糖转化为谷氨酸的效率谷氨酸发酵是一个典型的初级代谢产物发酵过程，主要使用谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）及其衍生菌株工业生产采用补料分批发酵工艺，培养基主要由葡萄糖（或糖蜜）、尿素（或硫酸铵）、磷酸盐和少量生物素组成生物素浓度控制是关键技术点，通常限制在2-5μg/L范围内，以维持细胞膜适当通透性，促进谷氨酸外排发酵过程中，温度控制在30-32℃，pH保持在

7.0-

7.2，溶氧水平大于30%饱和度发酵周期通常为40-60小时，最终谷氨酸浓度可达100-120g/L发酵液经过滤、离子交换色谱、结晶等步骤纯化，得到高纯度谷氨酸产品现代代谢工程技术通过基因修饰，增强关键酶活性（如谷氨酸脱氢酶），削弱谷氨酸合成抑制途径，已将产量提高2倍以上，转化率提升至45-55%乳酸工业发酵案例菌种选择工业乳酸生产主要使用乳酸菌属微生物，根据产品要求选择不同菌种生产L-乳酸主要采用嗜热乳杆菌、德氏乳杆菌等，可在高温条件下（45-52℃）高效产酸；生产D-乳酸则多使用片球菌等菌种某些菌种可耐受较高乳酸浓度（达150g/L），是工业生产的优选菌株控制策略pH乳酸发酵过程中pH控制至关重要，一般维持在pH

5.5-

6.5范围内太低的pH会抑制菌体生长和产酸，太高则可能导致杂菌污染和产物纯度下降工业生产通常采用碳酸钙、氢氧化钙或氨水等碱性物质持续中和产生的乳酸，形成乳酸盐，降低产物抑制提取与纯化乳酸的提取通常采用钙盐法、溶剂萃取法或离子交换法钙盐法是传统工艺，将发酵液与碳酸钙反应形成乳酸钙，过滤、浓缩后加硫酸分解得到乳酸现代工艺多采用色谱分离、膜分离或反应萃取等技术，提高纯度和降低成本光学纯度控制乳酸的光学纯度是重要的质量指标，特别是用于聚乳酸PLA生产的乳酸要求光学纯度达

99.5%以上控制方法包括选用产生单一异构体的菌株、优化发酵条件避免外消旋化，以及采用选择性结晶或手性色谱等技术纯化特定异构体第六部分现代发酵技术与优化菌种改造高密度培养智能控制利用基因工程和代谢工程技术，定向改造微通过优化培养条件和补料策略，实现微生物结合大数据、人工智能等技术，实现发酵过生物菌株，提高产量和产品质量现代菌种的高密度生长，显著提高单位体积产量先程的智能化监控和优化现代发酵工厂正在改造已从随机诱变筛选发展到精确的基因组进的高密度培养技术可将某些微生物浓度提向全自动化、数字化方向发展，提高生产效编辑，大大提高了改造效率和精确度高到传统工艺的10倍以上率和产品一致性现代发酵技术正经历从经验导向向科学导向的深刻转变，各种先进技术和方法的应用大大提高了发酵工艺的效率和精确度生物信息学、系统生物学和合成生物学等新兴学科与传统发酵工程的结合，为发酵工业带来了革命性的进步和无限的发展空间基因工程与菌种改造高产菌株构建策略现代菌种改造已从随机诱变筛选发展为理性设计和精准编辑高产菌株构建通常采用多重策略增强目标产物合成途径关键酶的表达；敲除或抑制竞争途径；优化前体物质供应；增强产物转运和抗性机制这些改造可使产量提高数倍至数十倍代谢途径优化设计基于系统生物学和代谢网络分析，可预测并设计最优代谢路线计算机辅助设计工具能模拟基因修饰对整体代谢的影响，指导实验改造方向通过引入新的代谢途径或改造现有路径，可实现对非天然产物的生物合成技术应用CRISPR-Cas9CRISPR-Cas9作为强大的基因组编辑工具，已广泛应用于工业微生物改造该技术实现了高效、精准的基因敲除、插入和点突变，大大加速了菌种工程化速度多重基因同时编辑能力使复杂代谢网络的整体优化成为可能基因组编辑与定向进化基因组规模的编辑技术可实现大规模DNA重排和修饰，创造全新遗传背景而定向进化则通过高通量筛选方法，加速自然进化过程，选育出具有期望特性的菌株将定向进化与精准编辑结合，代表了现代菌种改造的最前沿方向代谢工程优化策略1关键酶基因过表达2竞争途径基因敲除通过强启动子驱动或增加基因拷贝数，鉴定并删除分流底物或中间体的代谢支提高限速酶的表达水平典型的过表达路基因，集中代谢流向目标产物敲除可使酶活性提高2-5倍，大大增加代谢需谨慎评估对细胞生长和整体代谢的影流向目标产物的比例选择合适的启动响，避免致命缺陷对于必需基因，可子、核糖体结合位点和密码子优化，可采用条件性表达或部分抑制策略，平衡进一步提高表达效率工程菌通常会添菌体生长和产物合成需求实际工程中加抗生素抗性或营养缺陷互补标记以维常需敲除多个竞争途径以获得最佳效持表达载体的稳定性果调控元件修饰与优化改造转录因子、启动子、核糖开关等调控元件，解除产物抑制或实现分阶段表达控制可通过定点突变使反馈抑制失效，或设计诱导型/可调控表达系统，根据发酵阶段需求调整基因表达水平先进策略包括合成生物学元件的应用，如合成启动子库和人工转录因子的设计多基因整合与协同表达是现代代谢工程的重要策略，通过同时调控多个相关基因，确保整条代谢途径协调高效运行这通常采用多顺反子结构、人工操纵子或多启动子系统实现系统生物学方法可指导多基因协同优化，避免代谢瓶颈和不良平衡代谢流重导向技术可根据发酵阶段需求，动态调整代谢流分配，如生长前期促进生物量积累，后期转向产物合成高密度发酵技术连续发酵与细胞固定化连续培养系统固定化技术载体选择工业应用连续发酵以稳定的流率添加微生物固定化是将活细胞物理想的固定化载体应具备良连续发酵和固定化技术在啤培养基并移出等量发酵液，理限制在特定空间内的技好的机械强度、适宜的孔隙酒、醋、氨基酸、酶和有机在稳态条件下长期运行关术，使其保持高活性并可重率、生物相容性和成本效酸等产品生产中有广泛应键参数为稀释率D，代表单复使用主要方法包括载体益常用材料包括藻酸盐、用如啤酒工业采用固定化位时间内更换的培养液体积表面吸附、多孔材料包埋、κ-卡拉胶、聚丙烯酰胺、聚酵母连续发酵可将发酵时间比例，通常设定接近但小于自絮凝和膜分离等固定化氨酯泡沫和陶瓷等载体性从传统的7-10天缩短至数小最大比生长率μmax连续技术可显著提高反应器生产能直接影响扩散效率、细胞时；醋生产采用深层通气发培养优势在于生产率高、产强度，改善产品回收难度，活力和操作稳定性，需根据酵搭配固定化菌膜，可使空品质量稳定和自动化程度并使细胞重复使用周期延长具体微生物和产品特性选间生产率提高10倍以上高，但面临菌种退化和污染至数周甚至数月择风险增加等问题发酵过程数字化与智能化数字孪生技术机器学习应用大数据分析数字孪生是发酵设备和过程的机器学习算法可从历史发酵数现代发酵过程产生海量数据，虚拟复制品，可实时映射物理据中学习规律，预测发酵趋势通过大数据技术可挖掘隐藏的系统状态，用于预测、优化和和优化参数设置深度学习模规律和关联，指导工艺改进故障诊断该技术结合物理模型能处理复杂的非线性关系，企业级数据管理平台整合实验型和数据驱动方法，创建高保在发酵过程优化、产量预测和室、中试和生产数据，提供全真度的发酵过程虚拟模型，支质量控制中表现出色，显著提生命周期分析能力，加速从研持参数优化和异常预警高了工艺稳定性和产品一致发到量产的转化性自动化与远程监控智能化控制系统实现发酵过程的高度自动化，减少人为干预和操作误差远程监控技术支持跨地区工厂管理，专家可通过网络实时查看发酵状态，提供技术指导，提高整体管理效率和故障响应速度发酵过程的数字化转型正从单点技术应用向全面集成系统发展智能发酵工厂将传感器网络、边缘计算、云平台和人工智能等技术有机结合，构建完整的数据收集-分析-决策-执行闭环这种转变不仅提高了生产效率和产品质量，也为企业带来成本节约和竞争优势未来，随着数字技术持续进步，发酵工业将实现更高水平的智能化和自主化第七部分未来发展与挑战可持续发展绿色生物制造与循环经济1合成生物学2人工生物系统设计与构建前沿技术融合3跨学科创新与产业化应用发酵工程正面临历史性机遇与挑战，从传统工业正快速转型为知识密集型高科技产业可持续发展理念将深刻改变发酵工业的原料选择、工艺设计和废物处理方式，推动整个行业向资源高效利用和环境友好方向发展合成生物学为发酵工程带来革命性突破，通过理性设计和构建全新生物系统，拓展微生物发酵的产品谱系和应用边界人工智能、大数据等新兴技术与发酵工程的深度融合，正在加速创新周期，降低研发成本未来发酵工程面临的主要挑战在于平衡经济效益与环境影响、推动实验成果向工业规模转化，以及应对日益复杂的市场和监管环境绿色发酵工艺可再生资源利用节能减排技术转向可持续原料降低能耗与碳足迹•农业废弃物（秸秆、麦麸）预处理•低温发酵菌种开发（节能20-30%）1•木质纤维素生物质水解技术•高效传热设备与工艺优化•工业副产物的生物转化•碳中和与可再生能源整合清洁生产模式废水与副产物利用生态工业体系闭环资源循环•发酵工业园区生态化设计•发酵废水处理与回用技术•企业间物质能量耦合网络•菌体残渣转化为饲料与肥料•全生命周期评价与优化•副产物提取有价值组分绿色发酵工艺代表着发酵工业的可持续发展方向，从原料选择到废物处理的各个环节都体现资源高效利用和环境保护理念以秸秆等农业废弃物为原料的生物炼制技术已实现产业化，不仅降低了原料成本，也减少了焚烧秸秆造成的大气污染现代发酵厂采用热能回收系统，可节约30-50%的蒸汽消耗；废水处理后回用技术可减少90%以上的新鲜水使用量合成生物学与发酵工程人工代谢途径设计新型生物元件开发合成生物学提供了从零开始设计全新代谢途径标准化、模块化的生物元件是合成生物学的基的可能性，不再局限于天然微生物的代谢能力础，包括启动子、调控元件、基因开关和生物计算机辅助设计工具可预测并优化酶催化网络，传感器等这些元件可像电子元件一样组装，设计出自然界不存在的代谢路线这些人工途构建复杂的基因线路人工合成启动子库可提径能将廉价底物转化为高价值化合物，如将甲供精确控制的表达强度；核糖体开关可实现对醇直接转化为异丙醇，或将二氧化碳固定为有小分子的精确感知；基因开关则能根据特定信机酸国际领先实验室已成功构建多种非天然号触发基因表达这些工具大大提高了对发酵途径，转化效率达到理论值的30-60%过程的精细调控能力生物合成工厂概念以细胞为工厂，重新设计微生物的代谢网络和调控系统，创造专一高效的活细胞催化剂最新研究方向包括最小基因组平台开发，去除非必需功能，降低细胞维持成本；细胞内区室化，隔离特定反应提高效率；全合成染色体设计，实现前所未有的基因组尺度工程这些技术有望将微生物合成能力提升到全新水平非天然产品发酵生产是合成生物学与发酵工程结合的重要应用，包括药物前体、特种化学品和新型材料等如青蒿酸前体青蒿烯在酵母中的合成，已实现工业化生产；非天然氨基酸的微生物合成为蛋白质工程提供了新工具；生物基聚合物如PLA、PHA等正成为塑料工业绿色转型的重要方向合成生物学正推动发酵工程从传统的利用自然向设计自然转变，拓展微生物工厂的能力边界前沿研究方向混合菌群发酵精准发酵极端环境微生物应用传统发酵多使用纯培养，而自然生态系统中微生物以群落随着消费者对个性化、定制化产品需求增加，精准发酵正来自极端环境（高温、高盐、强酸碱、高压等）的微生物形式存在混合菌群发酵研究探索多种微生物协同作用，成为新趋势这一概念强调根据特定需求定制发酵工艺参具有独特的代谢能力和酶系统，为工业发酵提供新可能相互补充代谢能力，实现单一菌种无法完成的复杂转化数，生产具有特定风味、功能或性能的产品例如，精酿这些极端微生物的酶通常具有优异的稳定性，适合苛刻工例如，纤维素物质的高效降解需要多种酶协同作用，混合啤酒领域通过控制发酵条件和菌种组合，创造独特风味；业条件嗜热、嗜酸微生物可用于高温酸性条件下的淀粉菌群可提供完整的酶系统新型反应器设计和群落稳定性功能性食品领域则通过定向发酵产生特定益生元或生物活或纤维素水解；嗜盐微生物可在高盐环境中降解污染物；控制是该领域的核心挑战性物质高通量筛选和快速分析技术为精准发酵提供了技嗜冷微生物则适合低温发酵和食品加工非常规培养技术术支持是获取这些微生物资源的关键人工智能指导的发酵优化是结合大数据、机器学习和自动化实验平台的创新研究方向AI模型可从海量历史数据中学习复杂规律，预测最优发酵条件；自动化发酵平台可快速执行实验并反馈结果，形成闭环优化系统这种方法大大加速了工艺开发速度，某些案例中将传统需要数年的优化过程缩短至数月随着算法和硬件的进步，AI辅助发酵工程将成为行业标准总结与展望亿200产业规模全球发酵产业年产值超过200亿美元30%增长率生物发酵技术市场年均增长率50%减碳潜力相比传统化学合成的碳排放减少比例1000+产品种类全球通过发酵生产的商业化产品数量微生物发酵技术作为生物制造的核心，正经历着从传统工艺向精准科学的转变其综合价值体现在经济、社会和环境多个维度创造多样化产品满足人类需求，提供绿色可持续的制造方式，推动生物经济发展随着基因组测序成本下降和合成生物学工具完善，发酵工程的创新速度正不断加快未来发展将更加注重跨学科融合，生物学、工程学、计算机科学和材料科学等领域的协同创新，将为发酵工程注入新活力产学研结合是推动技术产业化的关键，需要建立有效的转化机制，缩短从实验室到工厂的距离面向未来，可持续发展和绿色生物制造将成为主导方向，发酵工程将在生物经济中发挥更加重要的作用，为人类社会提供更多、更好的生物产品和解决方案。