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1、微生物发酵技术在植物保护上微生物发酵技术在植物保护上的应用的应用目录l l什么是发酵、酿造什么是发酵、酿造l l发酵工业的微生物技术发展史发酵工业的微生物技术发展史l l发酵工业的工程技术发展史发酵工业的工程技术发展史l l发酵与酿造的研究对象发酵与酿造的研究对象l l微生物发酵工业所用菌种微生物发酵工业所用菌种l l微生物发酵的基本特征微生物发酵的基本特征Anthnoy van Leeuwenhoek与他的显微镜Anthnoy van Leeuwenhoek1684年寄给皇家协会信的部分内容LarkutzingLarkutzingvv1836-18371836-1837年年Larkutzin
2、gLarkutzing发发现在啤酒的发酵中现在啤酒的发酵中存在活的存在活的生物体生物体，但并未发现发酵与，但并未发现发酵与微生物的关系。微生物的关系。不同时期观察到的酵母菌细胞结构 彻底否定了自然发生说证实发酵由微生物引起 巴斯德的功绩巴斯德的功绩免疫学预防接种发明巴氏消毒法无菌营养液出现微生物无菌营养液无生命出现加热无菌营养液无生命出现巴巴 斯斯 德德 的的雁颈瓶实验雁颈瓶实验结论结论1.1.1.1.发酵是由微生物进行发酵是由微生物进行发酵是由微生物进行发酵是由微生物进行的一种化学变化，不的一种化学变化，不的一种化学变化，不的一种化学变化，不同类型的发酵是由形同类型的发酵是由形同类型的发酵是
3、由形同类型的发酵是由形态可以区别的各种特态可以区别的各种特态可以区别的各种特态可以区别的各种特殊的微生物所引起的。殊的微生物所引起的。殊的微生物所引起的。殊的微生物所引起的。2.2.18701870年，年，年，年，PasteurPasteur发发发发现了微生物之间有相现了微生物之间有相现了微生物之间有相现了微生物之间有相互抑制的作用。即互抑制的作用。即互抑制的作用。即互抑制的作用。即拮拮拮拮抗作用抗作用抗作用抗作用。3.3.其间其间其间其间18041804年，法国年，法国年，法国年，法国厨师厨师厨师厨师阿卑特阿卑特阿卑特阿卑特（AppertAppert）发明了发明了发明了发明了瓶装罐头）瓶装罐
4、头）瓶装罐头）瓶装罐头）巴斯德发现免疫现象动物实验动物实验人体实验人体实验几星期后42-43oC下培养的老龄炭疽菌获免疫力37oC下培养的新鲜炭疽菌病犬延髓（几代减毒）被疯狗严重咬伤的9岁男童 科赫的功绩证实炭疽病因 炭疽杆菌发现结核病原菌结核杆菌科赫法则发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立划线法获得单菌落 科赫定理图示单菌落结论结论l l18801880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术
5、。来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。l l建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃薯块上的培养技术改为薯块上的培养技术改为薯块上的培养技术改为薯块上的培养技术改为明胶平板明胶平板明胶平板明胶平板（18811881）和）和）和）和 琼脂琼脂琼脂琼脂平板平板平板平板（18821882）l l显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染
6、色方法、染色方法、染色方法、染色方法、悬滴培养法悬滴培养法悬滴培养法悬滴培养法以及显微摄影技术。以及显微摄影技术。以及显微摄影技术。以及显微摄影技术。l l利用平板分离方法找到并分离许多传染病的利用平板分离方法找到并分离许多传染病的利用平板分离方法找到并分离许多传染病的利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源病源病源病源菌菌菌菌（炭疽、结核、链球、）炭疽、结核、链球、）炭疽、结核、链球、）炭疽、结核、链球、）l l18841884年提出了年提出了年提出了年提出了科赫法则（科赫法则（科赫法则（科赫法则（Kochs ostulatesKochs ostulates）：病原微生物存在与病体而非健康
7、体；可纯培养；病原微生物存在与病体而非健康体；可纯培养；病原微生物存在与病体而非健康体；可纯培养；病原微生物存在与病体而非健康体；可纯培养；纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。奠基人奠基人奠基人奠基人巴斯德巴斯德路易斯路易斯 (1822-1895)(1822-1895)微生物奠基人微生物奠基人Koch,robertKoch,robert(1843-1910)(1843-1910)细菌学奠基人细菌学奠基人(Joseph Lister,18271912)首创用石首创用石炭酸喷洒手术室
8、和煮沸手术用具以炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以防术后感染，为防腐、防术后感染，为防腐、消毒消毒，以及，以及无菌操作奠定了基础。无菌操作奠定了基础。BuchnerBuchner（布赫纳）（布赫纳）（布赫纳）（布赫纳）1897 1897 1897 1897年，年，年，年，BuchnerBuchnerBuchnerBuchner（布（布（布（布赫纳）赫纳）赫纳）赫纳）阐明了阐明了阐明了阐明了发酵的化学本发酵的化学本发酵的化学本发酵的化学本质质质质。即发酵是由酶引起的一。即发酵是由酶引起的一。即发酵是由酶引起的一。即发酵是由酶引起的一类化学反应。类化学反应。类化学反应。类化学反应。实验：实验：实验：实
9、验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制酵母菌细胞用石英砂磨碎制酵母菌细胞用石英砂磨碎制酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁成酵母汁成酵母汁成酵母汁 （应用于医学）（应用于医学）（应用于医学）（应用于医学）+白砂白砂白砂白砂糖（防腐）糖（防腐）糖（防腐）糖（防腐）意外发现发酵意外发现发酵意外发现发酵意外发现发酵 这是无生物细胞体系发酵的这是无生物细胞体系发酵的这是无生物细胞体系发酵的这是无生物细胞体系发酵的最初例子。最初例子。最初例子。最初例子。FlemingFleming1928192819281928年，年，年，年，FlemingFleming发发发发现了现了现了现了青霉素青霉素青霉素青霉素，开创了好气开
10、创了好气开创了好气开创了好气性发酵工程，性发酵工程，性发酵工程，性发酵工程，建立了通风建立了通风建立了通风建立了通风搅拌技术。搅拌技术。搅拌技术。搅拌技术。弗莱明(18811995)英国细菌学家19281928年，年，FlemingFleming将其将其将其将其命名为：青霉素命名为：青霉素命名为：青霉素命名为：青霉素 霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域-抗生素的发现vv19401940年，年，FloreryFlorery和和ChainChain：vv碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放线菌线菌链霉素，金、土
11、、卡那、红、新、链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大庆大.等相继发现。等相继发现。vv19841984年达年达90009000多种。多种。vv19451945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）FloreryFlorery和和和和ChainChainJ.D.Waston,H.F.C.Crick发现DNA双螺旋模型分子生物学发展阶段（成熟期）Watson Watson 和和和和 Crick Crickvv1956195619561956年，年，年，年，Watson Watson 和和和和 CrickCrick发现发现发现发现DNADNADNADNA双双双双螺旋结构，
12、为微生物螺旋结构，为微生物螺旋结构，为微生物螺旋结构，为微生物遗传学及育种技术的遗传学及育种技术的遗传学及育种技术的遗传学及育种技术的研究带来极大发展研究带来极大发展研究带来极大发展研究带来极大发展。分子生物学发展阶段分子生物学发展阶段（成熟期）特点（成熟期）特点微生物学成为十分热门的前沿基础学科微生物成为生物学研究中的最主要对象生物工程中，发酵工程是最成熟的应用技术Cncnc-micro氨基酸生产菌种氨基酸生产菌种v19561956年，日本的年，日本的士下祝郎士下祝郎利用发利用发酵法制造出了酵法制造出了GluGlu。v至今至今2222种氨基酸用发酵法生产，种氨基酸用发酵法生产，其中其中181
13、8种直接发酵，种直接发酵，4 4种用酶转化种用酶转化法生产。法生产。第一个转折点第一个转折点第一个转折点第一个转折点微生物纯种分离培养技微生物纯种分离培养技微生物纯种分离培养技微生物纯种分离培养技术建立术建立术建立术建立vv自然发酵时期：知其然而不知其所以然，自然发酵时期：知其然而不知其所以然，自然发酵时期：知其然而不知其所以然，自然发酵时期：知其然而不知其所以然，如厌气性如厌气性如厌气性如厌气性酒类，好气性酒类，好气性酒类，好气性酒类，好气性醋。醋。醋。醋。vv微生物纯种分离培养技术，开创了人为微生物纯种分离培养技术，开创了人为微生物纯种分离培养技术，开创了人为微生物纯种分离培养技术，开创了
14、人为控制微生物时代，减少了腐败现象，控制微生物时代，减少了腐败现象，控制微生物时代，减少了腐败现象，控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封实现了无菌操作；发明了简便的密封实现了无菌操作；发明了简便的密封实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵式发酵罐；人工控制条件，提高发酵式发酵罐；人工控制条件，提高发酵式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。效率，稳定产品质量。效率，稳定产品质量。效率，稳定产品质量。三、发酵工业的工程技术发展史三、发酵工业的工程技术发展史l l20202020世纪世纪世纪世纪40404040年代，由于二战暴发，刺
15、激了抗生素发年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括套工艺，包括套工艺，包括套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通向发酵罐内通入大量无菌空气、通向发酵罐内通入大量无菌空气、通向发酵罐内通入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接过搅拌使空气分布均匀、培
16、养基的灭菌和无菌接种种种种 、通氧量、通氧量、通氧量、通氧量、pHpHpHpH、培养物供给、培养物供给、培养物供给、培养物供给等均已解决，刺等均已解决，刺等均已解决，刺等均已解决，刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模生产。生产。生产。生产。第二个转折点第二个转折点第二个转折点第二个转折点通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态
17、发酵）vv以动态生物化学和遗传学为基础，将微以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。到应用。第三个转折点第三个转折点第三个转折点第三个转折点人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立 发酵罐的大型化、多样化、
18、连续化和自动化方发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T T T T、PhPhPhPh、罐压、溶、罐压、溶、罐压、溶、罐压、溶O2 O2 O2 O2、EhEhEhEh、空气流量、泡沫、空气流量、泡沫、空气流量、泡沫、空气流量、泡沫、CO2CO2CO2CO2含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头含量等均可自动记录和控制。（在
19、线测试探头含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头等）等）等）等）发酵与酿造技术的发酵与酿造技术的发酵与酿造技术的发酵与酿造技术的第四个转折点第四个转折点第四个转折点第四个转折点第四个转折点第四个转折点发发发发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立 针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体，用化学合成法得到终产品或反之。如体，用化学合成法得到终产品或反之。如AmynoAmyno法生产酱油。法生产酱油。发酵与酿造技术的发酵与酿造技
20、术的发酵与酿造技术的发酵与酿造技术的第五个转折点第五个转折点第五个转折点第五个转折点第五个转折点第五个转折点 微生物生物合成和化学反应合成相结合工程微生物生物合成和化学反应合成相结合工程微生物生物合成和化学反应合成相结合工程微生物生物合成和化学反应合成相结合工程 技术的建立技术的建立技术的建立技术的建立vvDNA重组技术大大推动了发酵与酿造技术的发展vv细胞融合技术细胞融合技术：基因体外重组与克隆的工程菌株构建vv生物反应器：生物反应器：反应罐等设备、昆虫躯体、动物细胞乳腺、植物细胞的根茎果实。DNADNA重组技术重组技术重组技术重组技术l l尽管如此，食品发酵与酿造仍然有许多难尽管如此，食品
21、发酵与酿造仍然有许多难以解决的实际问题，例如许多工程方面的以解决的实际问题，例如许多工程方面的研究经验还不足研究经验还不足，还没有归纳为系统的理，还没有归纳为系统的理论，许多产品的发酵过程中的问题尚难以论，许多产品的发酵过程中的问题尚难以解决，很多解决，很多问题有待研究探讨问题有待研究探讨。难以解决的实际问题难以解决的实际问题难以解决的实际问题难以解决的实际问题1 1 1 1、按产业部门来分：、按产业部门来分：、按产业部门来分：、按产业部门来分：uu酿酒工业酿酒工业酿酒工业酿酒工业uu传统酿造工业传统酿造工业传统酿造工业传统酿造工业uu有机酸发酵工业有机酸发酵工业有机酸发酵工业有机酸发酵工业u
22、u酶制剂发酵工业：淀粉酶中酶制剂发酵工业：淀粉酶中酶制剂发酵工业：淀粉酶中酶制剂发酵工业：淀粉酶中95%95%95%95%以上为霉菌、细菌淀粉酶以上为霉菌、细菌淀粉酶以上为霉菌、细菌淀粉酶以上为霉菌、细菌淀粉酶uu氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业uu功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等uu食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖uu菌体制
23、造工业：单细胞蛋白、酵母等菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等uu维生素发酵工业：维生素发酵工业：维生素发酵工业：维生素发酵工业：VcVcVcVc、VB2VB2VB2VB2、VB12VB12VB12VB12uu核苷酸发酵工业：核苷酸发酵工业：核苷酸发酵工业：核苷酸发酵工业：ATPATPATPATP、IMPIMPIMPIMP、GMPGMPGMPGMP四、发酵与酿造的研究对象四、发酵与酿造的研究对象四、发酵与酿造的研究对象四、发酵与酿造的研究对象2 2、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：vv代谢产物发酵
24、代谢产物发酵代谢产物发酵代谢产物发酵：产品包括初级代谢产物、中间代：产品包括初级代谢产物、中间代：产品包括初级代谢产物、中间代：产品包括初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物。谢产物、次级代谢产物。谢产物、次级代谢产物。谢产物、次级代谢产物。1 1 1 1、初级代谢产物：、初级代谢产物：、初级代谢产物：、初级代谢产物：微生物生长不同阶段产生不微生物生长不同阶段产生不微生物生长不同阶段产生不微生物生长不同阶段产生不同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细胞自身生长所必
25、需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、脂类、糖类等。质、脂类、糖类等。质、脂类、糖类等。质、脂类、糖类等。2 2 2 2、次级代谢产物：、次级代谢产物：、次级代谢产物：、次级代谢产物：微生物细胞生长进入稳定期，微生物细胞生长进入稳定期，微生物细胞生长进入稳定期，微生物细胞生长进入稳定期，有些微生物合成的在对数生长期不能合成的特定有些微生物合成的在对数生长期不能合成的特定有些微生物合成的在对数生长期不能合成的特定有些微生物合成的在对数生长期不能合成的特定功能的产物，如抗生素、生
26、物碱、细菌毒素、植功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。物生长因子等。物生长因子等。物生长因子等。vv微生物酶发酵微生物酶发酵微生物酶发酵微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生酶普遍存在于动物、植物和微生酶普遍存在于动物、植物和微生酶普遍存在于动物、植物和微生物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大容易和成本低等特点，所以
27、目前工业应用的酶大容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大多来自微生物发酵多来自微生物发酵多来自微生物发酵多来自微生物发酵vv微生物的转化发酵微生物的转化发酵微生物的转化发酵微生物的转化发酵 微生物的转化是利用微生物微生物的转化是利用微生物微生物的转化是利用微生物微生物的转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应相关的更有经济价
28、值的产物。可进行的转化反应相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、氨化反应、脱氨反应等。应、氨化反应、脱氨反应等。应、氨化反应、脱氨反应等。应、氨化反应、脱氨反应等。2 2、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：vv微生物菌体发酵微生物菌体发酵微生物菌体发酵微生物菌体发酵 是以获得具有某种用途的菌体为目的的是以获得具有某种用途的菌体为目的的是以获得具有某种用途的菌体为目的的是以获得具有某种用
29、途的菌体为目的的发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹而生存的
30、冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。香菇、云芝）香菇、云芝）香菇、云芝）香菇、云芝）vv生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵 是指利用生物工程技术所获得的是指利用生物工程技术所获得的是指利用生物工程技术所获得的是指利用生物工程技术所获得的细胞，如细胞，如细胞，如细胞，如DNADNADNADNA重组的重组的重组的重组的“工程菌工程菌工程菌工程菌”，细胞融合所得的，细胞融合所得的，细胞融合所得的，细胞融合所得的“杂交
31、杂交杂交杂交”细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。2 2、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：、按产品性质来分：优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常优
32、良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多1.1.1.1.从微生物分类学的角度把所需菌种分为：从微生物分类学的角度把所需菌种分为：从微生物分类学的角度把所需菌种分为：从微生物分类学的角度把所需菌种分为：细菌类如短杆菌、细菌类如短杆菌、细菌类如短杆菌、细菌类如短杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢枯草芽孢杆菌、地衣芽
33、孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵杆菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵杆菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵杆菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵母等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌母等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌母等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌母等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌如各种抗生素，链、庆大等。如各种抗生素，链、庆大等。如各种抗生素，链、庆大等。如各种抗生素，链、庆大
34、等。2.2.2.2.作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点：作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点：作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点：作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点：(1)(1)(1)(1)具有具有具有具有稳定的遗传学特性。稳定的遗传学特性。稳定的遗传学特性。稳定的遗传学特性。(2)(2)(2)(2)微生物生长和产物的合成对于基质没微生物生长和产物的合成对于基质没微生物生长和产物的合成对于基质没微生物生长和产物的合成对于基质没有严格的要求。有严格的要求。有严格的要求。有严格的要求。(3)(3)(3)(3)生长条件易于满足。生长条件易于满足。生长条件易于满足
35、。生长条件易于满足。(4)(4)(4)(4)具有较高的各种具有较高的各种具有较高的各种具有较高的各种酶活力。（酶活力。（酶活力。（酶活力。（5 5 5 5）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而在目的产物的分离提出时，则易破碎。在目的产物的分离提出时，则易破碎。在目的产物的分离提出时，则易破碎。在目的产物的分离提出时，则易破碎。五、微生物发酵工业所用菌种五、微生物发酵工业所用菌种1.1.1.1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程。微生物发酵过程是一个典型的化工过程。微
36、生物发酵过程是一个典型的化工过程。微生物发酵过程是一个典型的化工过程。2.2.2.2.微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。3.3.3.3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。微生物发酵主要有以下几个特征：微生物发酵主要有以下几个特征：微生物发酵主要有以下几个特征：微生物发酵主要有以下几个特征：（1 1 1 1）反应条件
37、温和。通常由于微生物的生理特性，要求温）反应条件温和。通常由于微生物的生理特性，要求温）反应条件温和。通常由于微生物的生理特性，要求温）反应条件温和。通常由于微生物的生理特性，要求温度为度为度为度为3030303040404040、pHpHpHpH值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线菌的发酵和菌的发酵和菌的发酵和菌的发酵和pHpHpHpH值中性偏碱性如细菌的发酵。值中性偏碱性如细菌的发酵。值中性偏碱性如细菌的发酵。值中性偏碱性如细菌的发酵。（2 2 2 2）无菌发酵，整个反应过程要求无菌。培养基无菌、空）无菌发
38、酵，整个反应过程要求无菌。培养基无菌、空）无菌发酵，整个反应过程要求无菌。培养基无菌、空）无菌发酵，整个反应过程要求无菌。培养基无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。气也要求进行无菌处理。气也要求进行无菌处理。气也要求进行无菌处理。（3 3 3 3）非连续性生产。微生物的生理特性决定了发酵过程的）非连续性生产。微生物的生理特性决定了发酵过程的）非连续性生产。微生物的生理特性决定了发酵过程的）非连续性生产。微生物的
39、生理特性决定了发酵过程的非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。六、微生物发酵的基本特征六、微生物发酵的基本特征微生物发酵技术的应用l l医药工业（胰岛素、乙肝疫苗、干扰素）l l食品工业（饮料、酒类、氨基酸）l l能源工业（寻找新能源）l l化学工业l
40、l冶金工业（分离、浓缩和提纯有用金属）l l农业（生物固氮、微生物农药、饲料等）l l环境保护（降解污染物）第二节第二节 （一）工业发酵的工艺流程（一）工业发酵的工艺流程 生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选育、菌种培生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选育、菌种培生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选育、菌种培生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选育、菌种培养基的配制、扩大培养和接种、发酵过程下游处理即分离提养基的配制、扩大培养和接种、发酵过程下游处理即分离提养基的配制、扩大培养和接种、发酵过程下游处理即分离提养基的配制、扩大培养和接种、发酵过程下游处理即分离提纯等几个过程
41、。纯等几个过程。纯等几个过程。纯等几个过程。找到合适的菌种是发酵工程的前提。人们最初是找到合适的菌种是发酵工程的前提。人们最初是从自然界寻从自然界寻找找所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。2020世纪世纪4040年代，微生物学家开始用紫外线、激光、化学诱变剂等处理年代，微生物学家开始用紫外线、激光、化学诱变剂等处理菌种，菌种，使菌种产生突变使菌种产生突变，以筛选出符合要求的优良菌种。随，以筛选出符合要求的优良菌种。随着细胞工程、基因工程等技术的
42、日益成熟，科学家开始着细胞工程、基因工程等技术的日益成熟，科学家开始构建构建工程细胞或工程菌工程细胞或工程菌，用它们进行发酵，甚至能生产出一般微，用它们进行发酵，甚至能生产出一般微生物所不能生产的产品。生物所不能生产的产品。一、菌种的选育一、菌种的选育在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。
43、大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。二、菌种培养基的配制二、菌种培养基的配制培养基是选择出的菌种生活的环境，对菌种有多方面的影响，培养基是选择出的菌种生活的环境，对菌种有多方面的影响，所以至关重要。一般来说，所以至关重要。一般来说，培养基的配方要经过反复的实验才培养基的配方要经过反复的实验才能确定能确定。另外，发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，即。另外，发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，即整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产量大大下降，甚至整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青霉素生产过程中污染了杂菌，这些得不到产品。例如，如果青霉素生
44、产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培养基培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。和发酵设备都必须经过严格的灭菌。三、扩大培养和接种三、扩大培养和接种发酵过程一般是在发酵罐内进行的，发酵罐是一种圆柱形发酵过程一般是在发酵罐内进行的，发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升，罐上除有通气、搅拌、的容器，容量从几升到几百万升，罐上除有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置外，还有对温度、接种、加料、冷却等装置外，还有对温度、pHpH、通气量与、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置。转速等发酵条件进行检测和控制
45、的装置。发酵过程中环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长发酵过程中环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。为了使发酵过程繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。为了使发酵过程能顺利进行，要随时取样，检测培养液中的细菌数目、产能顺利进行，要随时取样，检测培养液中的细菌数目、产物浓度，同时还要及时为发酵菌提供必需的营养，并严格物浓度，同时还要及时为发酵菌提供必需的营养，并严格控制温度、控制温度、pHpH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。、溶氧、通气量与转速等发酵条件。四、发酵过程四、发酵过程 发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行
46、分离和提取发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用发酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种本身（如发酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种本身（如发酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种
47、本身（如发酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种本身（如酵母菌和细菌）两大类，如果产品是酵母菌和细菌）两大类，如果产品是酵母菌和细菌）两大类，如果产品是酵母菌和细菌）两大类，如果产品是菌种菌种菌种菌种，分离方法分离方法分离方法分离方法一般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出一般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出一般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出一般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出；如果产品；如果产品；如果产品；如果产品是是是是代谢产物代谢产物代谢产物代谢产物，则采用，则采用，则采用，则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提蒸馏、萃取、离子交换等方法提蒸馏、萃取、离子交换等方法提蒸馏、萃取、离子交换等方法提
48、取取取取。分离提纯（。分离提纯（。分离提纯（。分离提纯（层析分离等层析分离等层析分离等层析分离等）后的产品，还要经过质）后的产品，还要经过质）后的产品，还要经过质）后的产品，还要经过质量检查合格后，才能成为正式产品。量检查合格后，才能成为正式产品。量检查合格后，才能成为正式产品。量检查合格后，才能成为正式产品。五、分离提纯五、分离提纯 工工艺艺流流程程（二）发酵的操作方式l l分批发酵分批发酵：营养物和菌种一次性加入进行培养，营养物和菌种一次性加入进行培养，直到结束放出，中间除空气进入和尾气排出，与直到结束放出，中间除空气进入和尾气排出，与外界没有物料交换。外界没有物料交换。缺点：缺点：总生产
49、力不高总生产力不高l l连续发酵：连续发酵：以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，使发酵罐养基，同时以相同的速度流出培养液，使发酵罐内液量维持稳定，微生物在稳定状态下生长。内液量维持稳定，微生物在稳定状态下生长。l l补料分批发酵：补料分批发酵：又称半连续发酵。是指在微生物又称半连续发酵。是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。料的培养技术。（生产效率最高）（生产效率最高）（三）发酵工艺控制l l为了能对发酵生产过程进行必要的控制，需对有为了能对发酵生产过程进行必要
50、的控制，需对有关关工艺参数工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。进行定期取样测定或进行连续测量。l l直接参数直接参数：可直接采用特定的传感器检测的参数，：可直接采用特定的传感器检测的参数，如如温度温度温度温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、压力、搅拌功率、转速、泡沫、pHpHpHpH值值值值、溶解氧基质浓度溶解氧基质浓度溶解氧基质浓度溶解氧基质浓度、营养物质浓度等；、营养物质浓度等；l l间接参数间接参数：需根据一些直接检测出来的参数，借：需根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到的参数，助于电脑计算和特定的数学模型才能得到的参数，如如细胞生长速率、产物合成速率和呼