发酵工程教学课件

发酵工程教学课件第一章发酵工程概述发酵工程定义利用微生物和酶进行工业化生产的工程技术，是生物技术的重要分医药健康支发展阶段食品饮料手工加工阶段传统酿造工艺，经验传承•-近代发酵阶段微生物学建立，工艺初步科学化•-生物能源现代发酵阶段分子生物学革命，精准控制•-产业重要性发酵工程是生物制造的核心技术，支撑医药、食品、能源等多个领域的可持续发展发酵工程的三大阶段上游工程菌种选育与培养基制备菌种筛选与改良•培养基组分优化•种子培养技术•中游工程发酵过程及设备设计发酵设备选型•工艺参数控制•发酵策略优化•下游工程产品分离与纯化技术固液分离方法•产物提取技术•纯化与精制工艺•微生物发酵罐内部结构关键部件功能设计原则搅拌器提供均匀混合，增强传质效率无菌操作防止外界污染高效传质确保充分混合与氧气供应气体分布器将气体均匀分散，提高氧转移速率温度均匀避免局部过热或过冷冷却夹套控制发酵温度，移除代谢热便于清洗减少交叉污染风险电极实时监测酸碱度变化pH第二章发酵基础知识发酵的生物学原理好氧与厌氧发酵关键发酵参数微生物通过代谢活动将底物转化为目标产物，包括初级代谢产好氧发酵需要充足氧气，产率高但能耗大；厌氧发酵在无氧条温度、pH、溶氧、营养物质等参数直接影响微生物代谢活动和物和次级代谢产物的生物合成路径件下进行，能耗低但产率较低产物合成效率糖酵解连接与调控循环电子传递链TCA发酵的定义与分类发酵定义微生物在特定条件下将底物转化为目标产物的过程，本质是微生物的代谢活动批量发酵一次性投料，一次性收获，操作简单但生产效率较低补料分批发酵在发酵过程中补充营养，延长产物合成周期连续发酵持续加料排料，维持稳定状态，生产效率高固态发酵在固体或半固体基质上进行，模拟自然环境发酵过程的基本步骤培养基配制与灭菌1根据微生物生长需求设计培养基配方，通过高温高压灭菌确保无菌环境配方设计需考虑碳源、氮源、微量元素等营养平衡2接种与种子培养将活化的微生物接种到种子培养基中，经过级扩大培养，2-3获得足量高活性的种子液种子培养关系到后续发酵的成发酵过程控制3败调控温度、、溶氧、搅拌速率等参数，优化微生物生长和pH产物合成需根据不同发酵阶段特点调整控制策略4产品提取与纯化通过离心、过滤、萃取、色谱等技术，从发酵液中分离纯化目标产物不同产品采用不同的分离纯化工艺第三章发酵设备设计与类型发酵罐设计原则保证无菌操作环境•提供充分的氧气转移•维持均匀的温度与混合•便于清洗与维护•表面发酵罐深层发酵罐满足放大生产需求•发酵罐规模分类实验室规模•1-10L小试规模•10-100L中试规模•100-1000L气升式发酵罐固态发酵罐工业规模•1000L发酵罐关键部件详解搅拌器与气体分布器搅拌器类型涡轮式、桨叶式、螺旋式等，不同类型适用于不同粘度和剪切敏感度的发酵液气体分布器多孔管、穿孔板、微孔曝气器等，用于提高氧气利用率，减小气泡尺寸，增大气液接触面积冷却夹套与温度控制冷却夹套包围发酵罐，通入冷却水移除发酵产生的热量温度控制系统包括温度传感器、控制器和执行器，实现精确温度调节，避免局部过热或过冷与溶氧传感器pH电极实时监测发酵液酸碱度，通过自动加酸碱系统维持最佳范围pH pH溶氧电极监测发酵液中溶解氧含量，是判断微生物生长状态和调整通气量的重要依据工业级不锈钢发酵罐工业发酵罐特点管路系统功能材质不锈钢，耐腐蚀，抗污进料管路无菌添加培养基与营养•316L•染物容积数千至数万升不等通气管路提供氧气与排出废气••设计压力通常以上采样管路在线监测发酵状态•

0.3MPa•自动化程度高，配备控制系统收获管路排出发酵液进行下游处•DCS•理清洗管路系统清洗与灭•CIP/SIP菌第四章发酵工艺与过程控制参数监测与调节无菌操作技术实时监测温度、pH、溶氧、泡沫、压力等关键参数，建立闭环控制系统确保发酵环境稳定严格的无菌工作流程，包括设备灭菌、培养基灭菌、接种操作、取样技术等，防止外源污染气体供应与搅拌自动控制技术通过优化通气量和搅拌速率，提高氧气传质效率，满足微生物生长和代谢需求利用PID控制算法，实现温度、pH等参数的精确自动调节，减少人为干预，提高生产稳定性控制泡沫抑制pH在线检测并自动调节酸碱泡沫探测触发消泡器批量发酵（）Batch Fermentation定义一次性投料，发酵结束后一次性取出发酵液进行后处理的发酵方式优点操作简单，设备要求低•污染风险小，适合高价值产品•工艺控制相对容易•批次间隔便于清洗与维护•缺点生产效率低，存在非生产时间•30%底物浓度变化大，可能引起代谢抑制•设备利用率不高•产量效率适用范围抗生素、酶制剂等高价值生物制品，工艺开发与优化阶段80%灵活性90%防污染补料分批发酵（）Fed-batch Fermentation基本原理补料模式通过持续或间歇性补充营养物质（如碳源、氮源），延长细胞生长和产物合恒速补料以固定速率添加成时间，避免底物抑制，提高产物浓度和产量指数补料随生物量增加而增加补料策略分类反馈补料根据在线参数实时调整应用案例单组分补料仅补充主要限制性营养多组分补料补充多种营养素重组蛋白表达•完全补料补充全部培养基成分高密度细胞培养•氨基酸生产•多数工业酶制剂生产•连续发酵（）Continuous Fermentation基本原理主要类型技术优势以相同速率持续向发酵罐中补充新鲜培养基并化学恒化器、灌流培养、多级连续发酵、细胞生产效率高、产品质量稳定、自动化程度高、排出等量发酵液，使系统维持动态平衡状态，回流系统等，适用于不同微生物和产品特性设备利用率高，适合长期大规模生产微生物处于恒定的生长环境中工业应用中的挑战菌种稳定性要求高，易发生变异•无菌操作难度大，污染风险增加•设备投资较高，工艺控制复杂•产物浓度低于补料分批发酵•发酵过程中的污染控制无菌环境的重要性常见污染源杂菌污染会与目标菌争夺营养、产生有害代谢物、降低产品质空气中的微生物•量、甚至导致整批生产报废，严重影响经济效益原料和培养基•设备和管道系统•操作人员•冷却水和公用工程系统•防控措施自动化监控系统高温高压灭菌（，分钟）应用在线检测技术监测微生物污染指标，如溶氧异常、变化、•121℃15-30pH代谢产物谱变化等，结合图像识别和分子生物学技术实现污染早无菌过滤（过滤器）•

0.22μm期预警严格的清洗消毒程序（）•CIP/SIP正压环境维持•无菌接口和取样系统•第五章主要发酵产品及其应用工业化学品乙醇燃料、消毒剂、溶剂乳酸食品添加剂、生物降解塑料原料柠檬酸食品添加剂、清洁剂氨基酸食品添加剂、饲料添加剂酶制剂α-淀粉酶淀粉糖化、洗涤剂蛋白酶食品加工、洗涤剂脂肪酶油脂加工、生物柴油纤维素酶造纸、纺织、生物能源抗生素青霉素抗细菌感染链霉素结核病治疗红霉素呼吸道感染治疗头孢菌素广谱抗生素生物医药产品维生素营养补充剂疫苗预防传染病重组蛋白胰岛素、干扰素单克隆抗体癌症和自身免疫疾病治疗典型发酵产品案例分析青霉素工业发酵乙醇发酵维生素生产B12产生菌青霉菌产生菌酵母菌产生菌丙酸杆菌发酵类型补料分批原料选择发酵特点关键条件谷物（玉米、小麦）两阶段发酵••温度薯类（木薯、甘薯）前期好氧，后期厌氧•25-26℃••甘蔗、甜菜需添加钴离子•pH

6.0-

6.5••添加前体物纤维素原料关键技术••生产周期天产率优化严格控制溶氧6-7•下游处理溶剂萃取，结晶纯化原料预处理添加调节剂••高温耐受菌种精确补料策略••同步糖化发酵提取难点浓度低，杂质多•以上三种典型发酵产品展示了不同微生物和不同发酵策略的应用，体现了发酵工程的多样性和专业性每种产品都有其独特的工艺特点和控制要点青霉素发酵生产线种子培养1从保藏的菌种出发，经过斜面培养、摇瓶培养和种子罐培养，获得足量的活性菌种2主发酵在立方米发酵罐中进行，持续天，严格控制温度、50-2006-

7、通气量和搅拌速率，适时添加前体物和营养盐pH过滤分离3通过转鼓过滤或板框过滤将菌丝体与发酵液分离，获得含青霉素的清液4溶剂萃取在酸性条件下用有机溶剂萃取青霉素，再在碱性条件下反萃取，浓缩青霉素结晶纯化5通过精确控制温度、和添加剂，使青霉素结晶析出，经过pH滤、洗涤和干燥得到成品第六章发酵工程的现代发展基因工程与菌种改良自动化与智能化控制应用等先进基因编辑技运用人工智能和大数据技术，建立智能CRISPR/Cas9术，精准修饰微生物基因组，提高目标发酵控制系统，实现过程参数的精确调产物产量，降低副产物生成控和发酵性能的实时预测代谢工程与发酵优化绿色发酵与可持续发展基于系统生物学和合成生物学原理，重开发利用可再生资源的发酵工艺，降低构微生物代谢网络，设计全新生物合成能耗和排放，提高资源利用效率，实现路径，实现高效定向合成生物制造的可持续发展发酵工程中的计算机控制技术过程数据采集与实时监控参数自动调节与故障预警在线传感器技术溶氧、、控制算法优化温度、控•pH•PID pH生物量、底物浓度制近红外光谱实时监测代谢产物模糊控制与神经网络实现复杂••参数联动调节高速数据采集与存储系统•基于模型预测控制策略数据可视化技术，直观显示发••酵状态故障诊断与预警系统，提前发•现异常大数据与人工智能应用历史数据挖掘，发现隐藏工艺规律•机器学习预测发酵性能•自适应优化控制策略•数字孪生技术模拟发酵过程•发酵工程的挑战与未来趋势新型发酵产品工艺放大挑战开发高附加值生物制品，如生物基材料、特种酶制剂、稀有活性成分等，满足医药、食从实验室到工业规模的转化过程中，面临传品、材料等领域的新需求质、传热、混合不均匀等问题，需要开发创新放大策略和相似性准则环保与废水处理发酵废水处理技术创新，降低排放，COD回收有用成分，实现近零排放和资源循环利用智能生物制造能源效率提升实现发酵过程的全自动化和智能化，运用人工智能进行过程控制和产品质量预测，建立降低发酵过程能耗，开发节能设备和工艺，智慧工厂优化热能回收系统，提高整体能源利用效率发酵工程中的下游处理技术固液分离离心技术利用离心力分离微生物细胞与发酵液，包括管式离心机、碟式离心机等过滤技术微滤、超滤、深层过滤、板框过滤、转鼓过滤等，适用于不同粘度和固体含量的发酵液沉淀技术通过调节、加入凝聚剂或加热等方式促使目标物质沉淀分离pH细胞破壁物理破壁超声波破碎、高压均质、冻融、珠磨等，适用于不同微生物细胞壁类型化学破壁碱处理、有机溶剂、表面活性剂等，选择性溶解细胞壁成分生物法破壁溶菌酶、纤维素酶等特异性酶解细胞壁，温和但成本高产品纯化萃取法利用有机溶剂选择性萃取目标产物，如抗生素提取吸附法活性炭、离子交换树脂、分子筛等吸附剂选择性吸附目标产物色谱法离子交换、疏水作用、凝胶过滤、亲和色谱等，用于高纯度产品分离发酵产品的质量控制与法规要求标准简介cGMP现行药品生产质量管理规范（cGMP）是确保发酵产品质量的关键标准，涵盖人员、设施、设备、物料、生产过程、包装标签、质量控制等方面的要求质量检测指标与方法物理指标外观、颜色、溶解度、粘度等化学指标含量、纯度、pH值、水分、重金属生物指标活力、生物负载、特异性、致敏性微生物指标无菌、细菌内毒素、病毒污染安全与合规管理•建立全面质量管理体系•实施变更控制与风险评估•制定工艺验证方案•建立完善的文件记录系统关键法规要求•药品生产质量管理规范GMP•药品注册管理办法•生物制品批签发管理办法•食品添加剂使用标准发酵工程实验室操作规范种子培养规范•无菌接种台使用前紫外灯照射30分钟•接种环灼烧至红热，冷却后使用•瓶口火焰消毒，防止污染•摇瓶培养控制温度、转速、装液量•定期观察菌种生长状态发酵罐维护•使用后立即用水冲洗，防止残留物干固•拆卸搅拌器、电极等部件单独清洗•使用专用清洗剂去除顽固污垢•灭菌前检查密封圈和阀门完整性•121℃湿热灭菌30-45分钟采样技术•采样前消毒采样口•首次取样废弃，防止死区样品•样品迅速低温保存或分析•采样后严格密闭采样口•记录采样时间和发酵状态发酵工程教学实验案例酵母酒精发酵实验乳酸菌发酵酸奶酶活性测定实验目的了解酒精发酵原目的掌握乳酸发酵工目的学习酶活性测定理与过程参数影响艺与品质控制方法与单位定义材料活性干酵母、葡材料纯牛奶、乳酸菌材料淀粉酶、淀粉α-萄糖、发酵装置种、发酵设备溶液、碘液步骤步骤步骤配制不同浓度葡萄牛奶巴氏灭菌准备不同浓度酶溶液

1.

1.

1.糖溶液分钟85℃,30混合酶与底物，控制

2.活化酵母并接种冷却至并接种反应时间

2.

2.42℃菌种设置不同温度梯度取样与碘液显色

3.

3.恒温发酵小时测定释放量和酒

3.4-6分光光度计测定吸光

4.CO₂

4.精含量冷却至终止发酵度

4.4℃分析温度和底物浓测定、酸度和感计算酶活力单位

5.

5.pH

5.度影响官品质发酵工程的多学科交叉微生物学菌种与代谢研究过程优化与控制跨学科协同创新生物学方向发酵工程工程与计算国内外发酵工程教育与研究现状中国重点机构欧洲研究机构日本研发体系美国创新生态清华大学、天津大学、江南大学德国、丹麦等国建立了工业生物传统发酵强国，产学研紧密结以麻省理工、斯坦福等为核心，等高校建立了国家级发酵工程研技术中心，在酶工程、合成生物合，在氨基酸、核苷酸等领域有结合风险投资，加速前沿技术产究中心，在氨基酸、抗生素等领学等方面处于领先地位深厚积累和产业化能力业化，合成生物学领域领先域取得重要突破国内发酵工程教育近年来取得显著进步，培养了大批高素质人才，但在原创性研究和产学研结合方面仍需加强未来应加强国际合作，促进学科交叉融合，提升创新能力发酵工程职业发展路径行业前景分析随着生物经济的快速发展，发酵工程人才需求持续增长•生物医药领域对高端发酵人才需求旺盛•生物基材料和生物能源带来新的就业机会•食品发酵产业升级需要技术创新人才•环保生物技术应用扩大职业空间•跨学科复合型人才最具竞争力薪资水平本科起薪约6-8千/月，硕士8-12千/月，博士12-20千/月，5年经验后可达15-30千/月不等，高端人才年薪可达50-100万研发工程师从事菌种选育、工艺开发、新产品研究等工作，需要扎实的理论基础和创新思维生产管理课程总结与学习建议12掌握理论基础重视实验操作系统学习微生物学、生物化学、化工原理等基础课程，打牢理论基础，理解生命积极参与实验和实习，培养动手能力和问题解决能力，学会无菌操作、发酵控制科学与工程技术的结合点和分析检测等基本技能34关注行业前沿参与科研项目定期阅读学术期刊和行业报告，了解新技术、新产品和新趋势，培养创新思维和加入教师科研团队或参与创新项目，在实践中提升科研能力，锻炼团队协作和项战略眼光目管理能力推荐学习资源参考书目在线资源《发酵工程原理》（第四版）徐志南中国生物工程学会网站••《工业微生物学》（第三版）王丽娜••American Societyfor Microbiology《生物反应器》金志华发酵工程相关课程••Coursera《》生物技术专区•Bioprocess Engineering:Basic ConceptsShuler•Science Direct致谢与互动环节感谢各位同学的专注聆听！希望本课程能够激发你们对发酵工程的兴趣，为未来的学习和职业发展奠定基础欢迎提出问题，分享你们的想法和困惑教学相长，你们的每一个问题都可能激发新的思考联系方式办公室生物工程楼区•B516•电子邮箱professor@university.edu.cn发酵工程是一门充满活力的学科，期待你们成为推动这一领域发展的新生力量！答疑时间每周三•14:00-16:00。