第四章：微生物工程发酵技术.ppt

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1、第一节第一节 微生物工程的发酵类型微生物工程的发酵类型按照发酵中供氧情况厌氧发酵（anaerobic fermentation）好氧发酵（aerobic fermentation）一、按供氧情况分一、按供氧情况分应用：酒精（酒类），丙酮，丁醇，乳酸，沼气，氢气等应用：酒精（酒类），丙酮，丁醇，乳酸，沼气，氢气等应用：抗生素、氨基酸、酶制剂、维生素等应用：抗生素、氨基酸、酶制剂、维生素等第四章第四章 微生物工程的发酵技术微生物工程的发酵技术 厌氧发酵 好氧发酵 按照发酵培养基的状况固态发酵（solid fermentation）液态发酵（liquid fermentation）二、按发酵培养基的

2、状态分二、按发酵培养基的状态分应用：白酒、酱油、食醋、色素、堆肥等应用：白酒、酱油、食醋、色素、堆肥等应用：啤酒、乙醇、氨基酸、酶制剂、微生素、应用：啤酒、乙醇、氨基酸、酶制剂、微生素、SCP等等发酵类型发酵类型固态厌氧发酵固态好氧发酵液态厌氧发酵液态好氧发酵1固态发酵的一般过程 三、固态发酵三、固态发酵菌种制备发酵原料培养基发酵过程监测与控制产品提取和纯化2固态发酵优缺点 常以谷物和农业废物为主要原料常以谷物和农业废物为主要原料常以谷物和农业废物为主要原料常以谷物和农业废物为主要原料 发酵过程中污染少发酵过程中污染少发酵过程中污染少发酵过程中污染少 回收产物过程中废物排放少回收产物过程中废物

3、排放少回收产物过程中废物排放少回收产物过程中废物排放少发酵过程中能耗小发酵过程中能耗小发酵过程中能耗小发酵过程中能耗小优点优点优点优点 工程投资小工程投资小工程投资小工程投资小2固态发酵优缺点 物料散热困难物料散热困难物料散热困难物料散热困难 过程参数检测困难过程参数检测困难过程参数检测困难过程参数检测困难 劳动强度大劳动强度大劳动强度大劳动强度大机械化程度低，难以实现自动化机械化程度低，难以实现自动化机械化程度低，难以实现自动化机械化程度低，难以实现自动化缺点缺点缺点缺点 生产效率低，产量小生产效率低，产量小生产效率低，产量小生产效率低，产量小占地面积大占地面积大占地面积大占地面积大受季节影

4、响较大受季节影响较大受季节影响较大受季节影响较大3固态发酵应用趋势 固态发酵越来越多被液态发酵取代固态发酵越来越多被液态发酵取代传统产品的发酵和有风味物质的发酵必须保留固态发酵传统产品的发酵和有风味物质的发酵必须保留固态发酵四、液态发酵四、液态发酵菌种制备发酵原料培养基发酵过程监测与控制产品提取和纯化无菌空气制备1液态发酵的一般过程 两种类型两种类型关键差别关键差别2液态发酵的优缺点优：产量大、占地少、易实现自动化、不受季节限优：产量大、占地少、易实现自动化、不受季节限制、过程容易检测和控制制、过程容易检测和控制 缺：缺：技术含量高技术含量高技术含量高技术含量高 难度大难度大难度大难度大、投资

5、大投资大投资大投资大 、能耗大、发、能耗大、发酵过程易污染、环境污染大酵过程易污染、环境污染大占占地地少少易易实实现现自自动动化化不不受受季季节节限限制制过过程程容容易易监监测测和和控控制制自动化自动化规模化规模化液态发酵范围越来越广液态发酵范围越来越广产品多样化产品多样化3液态发酵应用趋势 第二节 微生物工程发酵的一般过程 种种子子扩扩大大培培养养是是指指将将保保存存在在砂砂土土管管、冷冷冻冻干干燥燥管管中中处处休休眠眠状状态态的的生生产产菌菌种种接接入入试试管管斜斜面面活活化化后后，再再经经过过扁扁瓶瓶或或摇摇瓶瓶及及种种子子罐罐逐逐级级扩扩大大培培养养,最最终终获获得得一一定定数数量量和

6、和质质量量的的纯种过程。这些纯种培养物称为种子（菌种）。纯种过程。这些纯种培养物称为种子（菌种）。一、种子扩大培养1、种子扩大培养的概念2、种子扩培的目的、种子扩培的目的q 接种量的需要接种量的需要q 菌种的驯化菌种的驯化q 缩短发酵时间、保证生产水平缩短发酵时间、保证生产水平3、种子的要求：、种子的要求：q 总量及浓度能满足要求总量及浓度能满足要求q 生理状况稳定，个体与群体生理状况稳定，个体与群体q 活力强，移种至发酵后，能够迅速生长活力强，移种至发酵后，能够迅速生长q 无杂菌污染无杂菌污染种子的质量要求种子的质量要求（谷氨酸发酵为例）：（谷氨酸发酵为例）：108-109个个/ml大小均匀

7、，呈单个或八字排列大小均匀，呈单个或八字排列PH 7.0-7.2时结束，时结束，6.887.0-7.2活力旺盛活力旺盛4、种子制备的过程、种子制备的过程实验室阶段实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此现象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养。此现象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养。生产车间阶段生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归为种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归为发酵车间管理，因此形象地称这些培养过

8、程为生产车间阶段。发酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段。种子扩大培养过程种子扩大培养过程斜面菌种斜面菌种一级种子培养一级种子培养二级种子培养二级种子培养 发酵发酵青霉素生产的种子扩大培养过程青霉素生产的种子扩大培养过程安培管安培管 斜面孢子斜面孢子 大米孢子大米孢子 一级种子一级种子 二级种子二级种子 发酵发酵5、生产车间阶段种子扩大培养、生产车间阶段种子扩大培养（1）培养物的选择原则）培养物的选择原则最终要获得一定数量的菌丝体（菌体）。最终要获得一定数量的菌丝体（菌体）。q 有利于缩短发酵时间有利于缩短发酵时间q 有利于获得好的发酵结果有利于获得好的发酵结果原则：原则：（2）

9、种子扩大级数确定的依据）种子扩大级数确定的依据q 级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响q 级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一 般般2-4级。级。q 在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要 的一个方面。的一个方面。例例1：啤酒酵母的扩大培养：啤酒酵母的扩大培养扩培过程扩培过程扩培过程扩培过程 富氏瓶富氏瓶富氏瓶富氏瓶 巴氏瓶巴氏瓶巴氏瓶巴氏瓶 卡氏罐卡氏罐卡氏罐卡氏罐 汉森罐汉森罐汉森罐汉森罐 容量容量容量容量 20 ml 5001000ml 1

10、020L 150250L 20 ml 5001000ml 1020L 150250L装麦汁量装麦汁量装麦汁量装麦汁量 10 ml 250500ml 510L 100200L 10 ml 250500ml 510L 100200L麦汁浓度（麦汁浓度（麦汁浓度（麦汁浓度（%）810 810 1012 1012 810 810 1012 1012 酒花酒花酒花酒花 无无无无 无无无无 有有有有 有有有有培养温度（培养温度（培养温度（培养温度（）2527 2025 1520 1015 2527 2025 1520 1015培养时间（培养时间（培养时间（培养时间（d d）23 23 23 23 46 4

11、6 46 46扩大倍数扩大倍数扩大倍数扩大倍数 25 25 20 20 20 20斜面试管斜面试管富氏瓶培养富氏瓶培养 巴氏瓶培养巴氏瓶培养汉森罐培养汉森罐培养 酵母繁殖槽酵母繁殖槽 主发酵池主发酵池例例2：谷氨酸菌种的扩大培养：谷氨酸菌种的扩大培养斜面试管（斜面试管（1个）个）1000ml三角瓶（三角瓶（3个，装个，装200-250ml培养基）培养基）种子罐（接种量按种子罐（接种量按1%）实验室种子实验室种子 一级种子罐一级种子罐 二级种子罐二级种子罐 三级种子罐三级种子罐发发酵罐酵罐例例3：链霉菌发酵菌种的扩大培养：链霉菌发酵菌种的扩大培养（3）种龄）种龄种龄是指种子罐中培养的菌体开始移入

12、下一级种子罐种龄是指种子罐中培养的菌体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。或发酵罐时的培养时间。种龄短：菌体太少；种龄长：易老化种龄短：菌体太少；种龄长：易老化。原则：对数生长期末，细胞活力强，菌体浓度相对较原则：对数生长期末，细胞活力强，菌体浓度相对较大，但是最终由实验结果定。大，但是最终由实验结果定。二、发酵技术按照发酵方式可以分为：按照发酵方式可以分为：n n分批发酵分批发酵n n补料补料-分批发酵（半连续发酵）分批发酵（半连续发酵）n n连续发酵连续发酵n n高浓度发酵高浓度发酵高浓度发酵高浓度发酵n n混合发酵混合发酵混合发酵混合发酵1、分批发酵（batch fermentat

13、ion）n n（1 1）基本概念）基本概念 分批发酵又称为分批培养，是指在一个密闭系分批发酵又称为分批培养，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的发酵方法（微生物培养件下只完成一个生长周期的发酵方法（微生物培养方法）。方法）。也指在发酵过程中，也指在发酵过程中，除了不断进行通气除了不断进行通气（好氧发酵）和为调（好氧发酵）和为调节发酵液的节发酵液的 pH pH 而加而加入酸碱溶液外，与外入酸碱溶液外，与外界没有其它物料

14、交换界没有其它物料交换的一种发酵方式。培的一种发酵方式。培养基的量一次性加入，养基的量一次性加入，产品一次性收获，是产品一次性收获，是目前广泛采用的一种目前广泛采用的一种发酵方式。发酵方式。有空罐时期有空罐时期（2 2 2 2）分批发酵的生长参数）分批发酵的生长参数）分批发酵的生长参数）分批发酵的生长参数n n 分批发酵基质浓度、菌体的比生长速率、产物浓度和分批发酵基质浓度、菌体的比生长速率、产物浓度和分批发酵基质浓度、菌体的比生长速率、产物浓度和分批发酵基质浓度、菌体的比生长速率、产物浓度和氧传递速率等是重要的参数。氧传递速率等是重要的参数。氧传递速率等是重要的参数。氧传递速率等是重要的参数

15、。n n（3）分批发酵的优缺点）分批发酵的优缺点优点：工艺操作简单；比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题；对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。缺点：人力、物力、动力消耗较大；生产周期较长，由于分批发酵时菌体有一定的生长规律，都要经历延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，而且每批发酵都要经菌种扩大发酵、设备冲洗、灭菌等阶段；生产效率低，生产上常以体积生产率（以每小时每升发酵物中代谢产物的 g 数来表示）来计算效率，在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即时间不仅包括发酵时间，而且也包括放料、洗罐、加料、灭菌等时间。2、补料-分批发酵（fed-batch fermentation）

16、（1 1）基本概念）基本概念n n补料分批发酵，又称补料分批发酵，又称“流加发酵流加发酵”，是指在，是指在微生物微生物分批分批发酵发酵过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术，是介于分批但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。n n 补料补料-分批发酵可以克服由于养分的不足而导致发酵过分批发酵可以克服由于养分的不足而导致发酵过早结束的弊端，是分批发酵的发展，又称流加早结束的弊端，是分批发酵的发展，又称流加-分批发分批发酵。该过程中物料的

17、浓度一直维持在较低的恒定水平酵。该过程中物料的浓度一直维持在较低的恒定水平。（2）半连续发酵n n在补料在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（行业中称为带放）就是半连续分发酵液（行业中称为带放）就是半连续发酵。发酵。n n带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段的操作发酵液一起送去提炼工段的操作。n n（3）补料）补料-分批发酵的优点分批发酵的优点优点：可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物阻遏作用。当代谢产物收率或其生产速率明显地受某种底物组分浓度影响（如用醋酸、甲醇、苯酚等作为发酵基组分而

18、存在底物浓度的抑制）时，采用补料分批技术比分批发酵有利；可以减少菌体生长量，提高有用产物的转化率；菌种的变异及杂菌污染问题易控制；便于自动化控制。目前应用范围非常广泛，几乎遍及整个发酵行业。n n缺点：缺点：n n放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；分和处于生产旺盛期的菌体；n n定期补充和带放使发酵液稀释，送去提定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大；炼的发酵液体积更大；n n一些经代谢产生的前体可能丢失。一些经代谢产生的前体可能丢失。3、连续发酵（continuous fermentation）n n（1 1）概念）概

19、念 是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液（发酵液），从基，同时以相同速度流出培养液（发酵液），从基，同时以相同速度流出培养液（发酵液），从基，同时以相同速度流出培养液（发酵液），从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。n n（2 2）分类）分类 单级（罐）连续发酵单级（罐）连续发酵单级（罐）连续发酵单级（罐）连续发酵 多级（罐）连续发酵多级

20、（罐）连续发酵多级（罐）连续发酵多级（罐）连续发酵（3 3 3 3）单级连续发酵）单级连续发酵）单级连续发酵）单级连续发酵装置：装置：装置：装置：如果在反应器中进行充分的搅拌，则培养液中各处的组成相同，如果在反应器中进行充分的搅拌，则培养液中各处的组成相同，且与流出液的组成一样，成为一个连续流动搅拌罐式反应器且与流出液的组成一样，成为一个连续流动搅拌罐式反应器（continuous stirred tank reactor continuous stirred tank reactor，CSTRCSTR）。）。连续发酵的控制方式有两种：连续发酵的控制方式有两种：一种为恒浊器（一种为恒浊器（tu

21、rbidostatturbidostat）法，即利用浊度来检测细胞的浓度，）法，即利用浊度来检测细胞的浓度，通过自控仪表调节输人料液的流量，以控制培养液中的菌体浓度达到通过自控仪表调节输人料液的流量，以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值；恒定值；另一种为恒化器（另一种为恒化器（chemostatchemostat）法，它与前者的相似之处是维持一）法，它与前者的相似之处是维持一定的体积，不同之处是菌体浓度不是直接控制的，而是通过恒定输入定的体积，不同之处是菌体浓度不是直接控制的，而是通过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度来控制。的养料中某一种生长限制基质的浓度来控制。优缺点：优缺点：在单罐连

22、续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，一部分刚流入的在单罐连续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，一部分刚流入的发酵基将随发酵液一起流出。发酵基将随发酵液一起流出。优点是：优点是：设备的体积可以减小；设备的体积可以减小；操作时间短，总的操作管理方便，便于自动化控制；操作时间短，总的操作管理方便，便于自动化控制；产物稳定，人力物力节省，生产费用低。产物稳定，人力物力节省，生产费用低。缺点是：缺点是：对设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高；对设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高；营养成分的利用较营养成分的利用较分批发酵分批发酵差，产物浓度比分批发酵低；差，产物浓度比分批发酵低；杂菌污染的机会较多，菌种易因

23、变异而发生退化。杂菌污染的机会较多，菌种易因变异而发生退化。（4 4）多级连续发酵）多级连续发酵n n多级恒化器最常见的是增加罐的级数和将多级恒化器最常见的是增加罐的级数和将菌体送回罐内菌体送回罐内 。n n多级恒化器的优点是在不同级的罐内存在多级恒化器的优点是在不同级的罐内存在不同的条件。这有利于多种碳源的利用和不同的条件。这有利于多种碳源的利用和次级代谢物的生产。次级代谢物的生产。n n例如采用葡萄糖和麦芽糖混合碳源培养产例如采用葡萄糖和麦芽糖混合碳源培养产气克雷伯氏菌，在第一级罐内只利用葡萄气克雷伯氏菌，在第一级罐内只利用葡萄糖，在第二级罐内利用麦芽糖，菌的生长糖，在第二级罐内利用麦芽糖

24、，菌的生长速率远比第一级小，同时形成次级代谢产速率远比第一级小，同时形成次级代谢产物。由于多级连续发酵系统比较复杂，用物。由于多级连续发酵系统比较复杂，用于研究工作和生产实际有较大的困难。于研究工作和生产实际有较大的困难。（5）连续发酵的优缺点（与分批发酵相比）连续发酵的优缺点（与分批发酵相比）优点：优点：可以维持稳定的操作条件，有利于微生物的可以维持稳定的操作条件，有利于微生物的生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；能够更有效地实现机械化和自动化，降低劳动强度，能够更有效地实现机械化和自动化，降低劳动强度，减少操作人员与病原微生物和毒性产

25、物接触的机会；减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；减少设备清洗。准备和灭菌等非生产占用时间，提减少设备清洗。准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备利用率，节省劳动力和工时；高设备利用率，节省劳动力和工时；由于灭菌次数减少，使测量仪器探头的寿命得以延由于灭菌次数减少，使测量仪器探头的寿命得以延长；长；容易对过程进行优化，有效地提高发酵产率容易对过程进行优化，有效地提高发酵产率。缺点：由于是开放系统，加上发酵周期长，由于是开放系统，加上发酵周期长，容易造成杂菌污染；容易造成杂菌污染；在长周期连续发酵中，微生物容易发生变在长周期连续发酵中，微生物容易发生变异；异；对设备、仪器及控制元器件的技

26、术要求较对设备、仪器及控制元器件的技术要求较高；高；粘性丝状菌菌体容易附着在器壁上生长和粘性丝状菌菌体容易附着在器壁上生长和在发酵液内结团，给连续发酵操作带来困难。在发酵液内结团，给连续发酵操作带来困难。（6 6）连续发酵的应用）连续发酵的应用n n 连续发酵已被用来大规模生产酒精、连续发酵已被用来大规模生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、食用酵母、饲料酵母、丙酮、丁醇、乳酸、食用酵母、饲料酵母、单细胞蛋白、单细胞蛋白、L-L-赖氨酸和石油脱蜡及污水赖氨酸和石油脱蜡及污水处理，并取得好效果。处理，并取得好效果。连续发酵工艺广西桂平糖厂酒精连续发酵流程广西桂平糖厂酒精连续发酵流程广西桂平糖厂酒精连续发酵

27、流程广西桂平糖厂酒精连续发酵流程1-31-3：淀粉液化后熟器；：淀粉液化后熟器；4 4：气液分离器；：气液分离器；5 5：糖化罐；：糖化罐；6 6：热水箱；：热水箱；7 7：喷淋冷却器；：喷淋冷却器；8 8：酒母罐；：酒母罐；9 9：发酵罐（：发酵罐（4545立方米）；立方米）；1010：发酵罐（：发酵罐（3535立方米）；立方米）；1111：发酵罐（：发酵罐（3232立方米）；立方米）；1212：发酵罐（：发酵罐（3030立方米）；立方米）；1313：泡沫捕集罐；：泡沫捕集罐；1414：二氧化碳洗涤器；：二氧化碳洗涤器；1515：泵：泵4、高密度细胞发酵n n（1 1）目的：可以缩小反应器的

28、容积和降低）目的：可以缩小反应器的容积和降低目的产物的分离提纯费用。目的产物的分离提纯费用。n n要实现高密度细胞发酵，必须解决好这三要实现高密度细胞发酵，必须解决好这三个问题：个问题：发酵体系中菌体比例过大；发酵体系中菌体比例过大；发酵液粘度过大；发酵液粘度过大；溶解氧浓度过低。溶解氧浓度过低。（2）高密度细胞发酵的方法n n无生长抑制物积累时高密度细胞发酵无生长抑制物积累时高密度细胞发酵 流加补料流加补料流加补料流加补料 提高氧分压、加快搅拌速度以加大通气量提高氧分压、加快搅拌速度以加大通气量提高氧分压、加快搅拌速度以加大通气量提高氧分压、加快搅拌速度以加大通气量 n n有生长抑制物积累时

29、高密度细胞发酵有生长抑制物积累时高密度细胞发酵 除去抑制物质是实现高密度细胞发酵的必要前除去抑制物质是实现高密度细胞发酵的必要前除去抑制物质是实现高密度细胞发酵的必要前除去抑制物质是实现高密度细胞发酵的必要前提。除去抑制物质的方法有渗析、萃取、过滤和提。除去抑制物质的方法有渗析、萃取、过滤和提。除去抑制物质的方法有渗析、萃取、过滤和提。除去抑制物质的方法有渗析、萃取、过滤和渗透气化等渗透气化等渗透气化等渗透气化等。通过半透膜使培养液与培养基接触，培养液中的细胞不能透通过半透膜使培养液与培养基接触，培养液中的细胞不能透过半透膜，只有反应产物透过膜进入培养基。过半透膜，只有反应产物透过膜进入培养基

30、。利用一种只能使培养液通过而不能使微生物通过的微利用一种只能使培养液通过而不能使微生物通过的微滤膜，可以进行边过滤边培养，培养的同时还需要添加培滤膜，可以进行边过滤边培养，培养的同时还需要添加培养基养基。5、混合发酵n n（1 1）混合发酵的含义）混合发酵的含义n n 混合发酵又称混合培养物发酵，是指混合发酵又称混合培养物发酵，是指多种微生物混合在一起共用一种培养基进多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵来生产某种产品。行发酵来生产某种产品。可以是多个纯菌种混合起来发酵，也可以是多个纯菌种混合起来发酵，也可以是非纯菌种的发酵。可以是非纯菌种的发酵。（2）混合发酵的优点n n能够获得一些独特

31、的产品能够获得一些独特的产品能够获得一些独特的产品能够获得一些独特的产品 。n n充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需产品的质和量，或获得两种、多种产品。产品的质和量，或获得两种、多种产品。产品的质和量，或获得两种、多种产品。产品的质和量，或获得两种、多种产品。n n混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功

32、混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长工程菌来进行复杂的

33、多种代谢反应，或促进生长代谢，提高生产效率。代谢，提高生产效率。代谢，提高生产效率。代谢，提高生产效率。第三节 微生物工程的发酵工艺控制n n一、基质对发酵的影响及控制一、基质对发酵的影响及控制一、基质对发酵的影响及控制一、基质对发酵的影响及控制n n 在微生物工程中，必须使用廉价的原料来配制基质，使之尽可能地在微生物工程中，必须使用廉价的原料来配制基质，使之尽可能地在微生物工程中，必须使用廉价的原料来配制基质，使之尽可能地在微生物工程中，必须使用廉价的原料来配制基质，使之尽可能地满足下列条件：满足下列条件：满足下列条件：满足下列条件：n n消耗每克底物将产生最大的菌体得率或产物得率；消耗每克

34、底物将产生最大的菌体得率或产物得率；消耗每克底物将产生最大的菌体得率或产物得率；消耗每克底物将产生最大的菌体得率或产物得率；n n能产生最高的产品或菌体的浓度；能产生最高的产品或菌体的浓度；能产生最高的产品或菌体的浓度；能产生最高的产品或菌体的浓度；n n能得到产物的最大速率；能得到产物的最大速率；能得到产物的最大速率；能得到产物的最大速率；n n副产品的得率最小；副产品的得率最小；副产品的得率最小；副产品的得率最小；n n价廉并具有稳定的质量；价廉并具有稳定的质量；价廉并具有稳定的质量；价廉并具有稳定的质量；n n来源丰富且供应充足；来源丰富且供应充足；来源丰富且供应充足；来源丰富且供应充足

35、；n n通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比较容易。较容易。较容易。较容易。n n1.1.碳源控制碳源控制 n n 调整合适的初始培养基的碳源浓度，调整合适的初始培养基的碳源浓度，同时可以采用发酵过程中的同时可以采用发酵过程中的中间补料中间补料来控来控制，如可以选择合适的补糖时间、补糖量制，如可以选择合适的补糖时间、补糖量和补糖方式等控制碳源浓度。和补糖方式等控制碳源浓度。n n2.2.氮源控制氮源控制 n n 根据发酵过程中氮源的

36、改变情况，通根据发酵过程中氮源的改变情况，通过中间流加有机氮源或无机氮源的方法来过中间流加有机氮源或无机氮源的方法来控制合适的氮源量。控制合适的氮源量。二、环境条件对发酵的影响及控制n n（一）温度对发酵的影响及其调节控制（一）温度对发酵的影响及其调节控制n n1.1.温度对发酵的影响温度对发酵的影响 n n温度对发酵的影响主要表现在温度对发酵的影响主要表现在细胞生长、细胞生长、产物形成、发酵液的物理性质和生物合成产物形成、发酵液的物理性质和生物合成等方面。等方面。不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们不同

37、微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0 0 0 026 26 26 26 生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于1515151543 43 43 43 生长，嗜热菌适应生长，嗜热菌适应生长，嗜热菌适应生长，嗜热菌适应于于于于3737373765 65 65 65 生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于65 65 65 65 以上生长。以上生长。以上生长。以上生

38、长。每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长亡；在最低温度范

39、围内微生物尚能生长，但生长亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡降

40、，最后停止生长，引起死亡降，最后停止生长，引起死亡降，最后停止生长，引起死亡。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。保藏的原理。n n四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于和四环素，当温度低于30 30 时，这种菌合时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，

41、温度达到素的比例也提高，温度达到35 35 时，金霉时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。素的合成几乎停止，只产生四环素。n n温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。因此对发酵过程中的温度要严格控制。n n2.2.影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素 n n 发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，以发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，以发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，以发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，以J/J/J/J/（m m m m3 3 3 3

42、hhhh）为单位。）为单位。）为单位。）为单位。n n Q Q Q Q发酵发酵发酵发酵=Q Q Q Q生物生物生物生物+Q Q Q Q搅拌搅拌搅拌搅拌-Q Q Q Q蒸发蒸发蒸发蒸发-Q Q Q Q显显显显-Q Q Q Q辐射辐射辐射辐射n n（1 1 1 1）生物热（）生物热（）生物热（）生物热（Q Q Q Q生物生物生物生物）n n微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热称为生物热。微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热称为生物热。微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热称为生物热。微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热称为生物热。n n来源：营养物质如碳水化合物、蛋白质和脂肪等的分解

43、产生来源：营养物质如碳水化合物、蛋白质和脂肪等的分解产生来源：营养物质如碳水化合物、蛋白质和脂肪等的分解产生来源：营养物质如碳水化合物、蛋白质和脂肪等的分解产生的大量能量；的大量能量；的大量能量；的大量能量；n n在一些代谢途径中，高能磷酸键能可以以热的形式散发出去。在一些代谢途径中，高能磷酸键能可以以热的形式散发出去。在一些代谢途径中，高能磷酸键能可以以热的形式散发出去。在一些代谢途径中，高能磷酸键能可以以热的形式散发出去。n n生物热的大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强度越大，生物热的大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强度越大，生物热的大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强度越大，生物热的

44、大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强度越大，所产生的生物热也越大。所产生的生物热也越大。所产生的生物热也越大。所产生的生物热也越大。n n（2 2）搅拌热（）搅拌热（Q Q搅拌搅拌）n n机械搅拌的动能以摩擦放热的方式散发在机械搅拌的动能以摩擦放热的方式散发在发酵液中，就时搅拌热。发酵液中，就时搅拌热。n n（3 3）蒸发热（）蒸发热（Q Q蒸发蒸发）n n 被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热（Q Q显）散失到罐外的热量称为蒸发热。显）散失到罐外的热量称为蒸发热。n n（4 4）辐射热（）辐射热（Q Q辐射辐射）n n发酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射，发酵液

45、中有部分热量通过罐壁向外辐射，这些热量称为辐射热。这些热量称为辐射热。n n3.3.最适发酵温度的选择及控制最适发酵温度的选择及控制 n n选择最适发酵温度应该考虑两个方面 ：微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。例如：青霉素产生菌生长的最适温度为例如：青霉素产生菌生长的最适温度为3030，但产生青霉，但产生青霉素的最适温度是素的最适温度是24.724.7。所以发酵生产青霉素的过程中采用所以发酵生产青霉素的过程中采用变温控制变温控制。发酵最初。发酵最初5h5h维持维持3030，635h635h为为25 25，3685h3685h为为20 20，最后，最后40h40h再升到再升到25 25。

46、采用这种变温培养比。采用这种变温培养比2525恒温培养的青霉素产量提高恒温培养的青霉素产量提高14.7%14.7%。n n降温的措施：利用发酵罐的热交换装置自动控制或手降温的措施：利用发酵罐的热交换装置自动控制或手降温的措施：利用发酵罐的热交换装置自动控制或手降温的措施：利用发酵罐的热交换装置自动控制或手动调整的阀门，将动调整的阀门，将动调整的阀门，将动调整的阀门，将冷却水冷却水冷却水冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管通入发酵罐的夹层或蛇形管通入发酵罐的夹层或蛇形管通入发酵罐的夹层或蛇形管中进行降温。中进行降温。中进行降温。中进行降温。（二）pH对发酵的影响及控制 pHpH是微生物代谢的综合反映，

47、又影响代谢是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。的进行，所以是十分重要的参数。发酵过程中发酵过程中pHpH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pHpH变化规律可以了解发酵的正常与否。变化规律可以了解发酵的正常与否。n n一、发酵过程一、发酵过程pHpH变化的原因变化的原因1 1、基质代谢、基质代谢 （1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一上升，是补料的标志之一 （2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会下

48、降；尿会下降；尿素被分解成素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，当碳源不足下降，当碳源不足时氮源当碳源利用时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。会上升或下降。2、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。3 3、菌体自溶，、菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pHpH上升。上升。n n二、二、pHpH对发酵的影响对发酵的影响（1 1）pHpH影影响响酶酶的的活活性性。当当pHpH值值抑抑制制菌菌体体某某些些酶

49、酶的的活性时使菌的新陈代谢受阻；活性时使菌的新陈代谢受阻；（2 2）pHpH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行；（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离解离，从而影响微生物对这些物质的利用。从而影响微生物对这些物质的利用。（4 4 4 4）pHpHpHpH影响代谢方向影响代谢方向影响代谢方向影响代谢方向 PH PH PH PH不同，往往引起菌体代谢过

50、程不不同，往往引起菌体代谢过程不不同，往往引起菌体代谢过程不不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH2-3pH2-3pH2-3pH2-3时发酵产生柠檬酸，在时发酵产生柠檬酸，在时发酵产生柠檬酸，在时发酵产生柠檬酸，在pHpHpHpH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。n n 谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸