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1、第五章第五章第五章第五章 发酵工程技术概论发酵工程技术概论发酵工程技术概论发酵工程技术概论第一节第一节第一节第一节 发酵过程的概述发酵过程的概述发酵过程的概述发酵过程的概述一一一一、发酵工程（发酵工程（发酵工程（发酵工程（fermentation engineeringfermentation engineering）直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品直接利用微生物的机能将物料加工以提供产品的过程，又称微生物工程。的过程，又称微生物工程。的过程，又称微生物工程。的过程，又称微生物工程。在最适发酵条件下，大量培
2、养细胞和生产代谢在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢在最适发酵条件下，大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。产物的工艺技术。产物的工艺技术。产物的工艺技术。二二二二二二、发酵工业简介发酵工业简介发酵工业简介发酵工业简介发酵工业简介发酵工业简介 发酵食品发酵食品发酵食品发酵食品 有机酸有机酸有机酸有机酸 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸 核酸类物质核酸类物质核酸类物质核酸类物质 酶制剂酶制剂酶制剂酶制剂 医药工业（抗生素医药工业（抗生素医药工业（抗生素医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白饲料工业（单细胞蛋白)环境工程（
3、废物处理）环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）其它（冶金工业其它（冶金工业其它（冶金工业其它（冶金工业）由于微生物的许多独特的优点，使发酵工程在由于微生物的许多独特的优点，使发酵工程在由于微生物的许多独特的优点，使发酵工程在由于微生物的许多独特的优点，使发酵工程在当前能源、资源紧张，人口、粮食以及污染问题当前能源、资源紧张，人口、粮食以及污染问题当前能源、资源紧张，人口、粮食以及污染问题当前能源、资源紧张，人口、粮食以及污染问题日益严重的情况下，发挥非常重要的作用。日益严重的情况下，发挥非常重要的作用。日益严重的情况下，发挥非常重要的作用。日益严重的情况下，发挥非常重要
4、的作用。1.1.医药工业：抗生素、维生素、人胰岛素、乙医药工业：抗生素、维生素、人胰岛素、乙医药工业：抗生素、维生素、人胰岛素、乙医药工业：抗生素、维生素、人胰岛素、乙 肝疫苗、干扰素、透明质酸等肝疫苗、干扰素、透明质酸等肝疫苗、干扰素、透明质酸等肝疫苗、干扰素、透明质酸等 2.2.食品工业：微生物蛋白、氨基酸、新糖原、食品工业：微生物蛋白、氨基酸、新糖原、食品工业：微生物蛋白、氨基酸、新糖原、食品工业：微生物蛋白、氨基酸、新糖原、饮料、酒类和一些食品添加剂等饮料、酒类和一些食品添加剂等饮料、酒类和一些食品添加剂等饮料、酒类和一些食品添加剂等 3.3.能源工业：纤维素、半纤维素的转化，还可能源
5、工业：纤维素、半纤维素的转化，还可能源工业：纤维素、半纤维素的转化，还可能源工业：纤维素、半纤维素的转化，还可 利用微生物采油、产氢、以及微生物新能利用微生物采油、产氢、以及微生物新能利用微生物采油、产氢、以及微生物新能利用微生物采油、产氢、以及微生物新能 源等源等源等源等 4.4.化学工业：生产可降解的生物塑料、化工原化学工业：生产可降解的生物塑料、化工原化学工业：生产可降解的生物塑料、化工原化学工业：生产可降解的生物塑料、化工原 料如乙醇、丙酮等、生物表面活性剂及生料如乙醇、丙酮等、生物表面活性剂及生料如乙醇、丙酮等、生物表面活性剂及生料如乙醇、丙酮等、生物表面活性剂及生 物凝集剂等物凝集
6、剂等物凝集剂等物凝集剂等 5.5.冶金工业：黄金开采和铜、铀等金属的浸提冶金工业：黄金开采和铜、铀等金属的浸提冶金工业：黄金开采和铜、铀等金属的浸提冶金工业：黄金开采和铜、铀等金属的浸提 等等等等 6.6.农业、牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生农业、牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生农业、牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生农业、牧业：生物固氮、生物杀虫剂、微生 物农药、微生物饲料等物农药、微生物饲料等物农药、微生物饲料等物农药、微生物饲料等 7.7.环境保护：微生物降解环境保护：微生物降解环境保护：微生物降解环境保护：微生物降解抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生抗生素、氨基酸、酶制剂等产
7、品为什么能通过微生抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系么关系么关系么关系？1 1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生 抗生素将其他种类的微生物杀死抗生素将其他种类的微生物杀死抗生素将其他种类的微生物杀死抗生素将其他种类的微生物杀死。2
8、 2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将 营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基 酸、葡萄糖酸、葡萄糖酸、葡萄糖酸、葡萄糖。3 3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需 的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等的一些物质，包
9、括氨基酸、核苷酸等的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。微生物繁殖非常迅速微生物繁殖非常迅速微生物繁殖非常迅速微生物繁殖非常迅速微生物培养易于控制微生物培养易于控制微生物培养易于控制微生物培养易于控制微生物本身也容易改造微生物本身也容易改造微生物本身也容易改造微生物本身也容易改造为什么要利用微生物？为什么要利用微生物？三三三三三三、发酵的定义发酵的定义发酵的定义发酵的定义发酵的定义发酵的定义 传统发酵传统发酵传统发酵传统发酵 生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵 工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵传统
10、发酵传统发酵传统发酵传统发酵传统发酵传统发酵 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁 产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。Fermentation Fermentation最初来自拉丁语最初来自拉丁语最初来自拉丁语最初来自拉丁语“发泡发泡发泡发泡”（ferverefervere）生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵生化和生
11、理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵生化和生理学意义的发酵 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产 生能量的一种方式。生能量的一种方式。生能量的一种方式。生能量的一种方式。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精 并放出并放出并放出并放出CO2CO2。工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵工业上的发酵 泛指利用微生物生产某些产品的过程
12、。泛指利用微生物生产某些产品的过程。泛指利用微生物生产某些产品的过程。泛指利用微生物生产某些产品的过程。包括：包括：包括：包括：1.1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。基酸、酶制剂等。基酸、酶制剂等。基酸、酶制剂等。四、发酵工业简史四、发酵工业简史四、发酵工业简史四、发酵工业简史四、发酵工业简史四、发酵
13、工业简史原始发展阶段原始发展阶段原始发展阶段原始发展阶段（发酵技术开始于家庭小制作，技术（发酵技术开始于家庭小制作，技术（发酵技术开始于家庭小制作，技术（发酵技术开始于家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。传统发酵工业阶段传统发酵工业阶段传统发酵工业阶段传统发酵工业阶段（人们开始了解发酵现象的本（人们开始了解发酵现象的本（人们开始了解发酵现象的本（人们开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为质，采用开放式的发酵
14、方式，生产过程及设备较为质，采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为质，采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模一般不大。）简单，规模一般不大。）简单，规模一般不大。）简单，规模一般不大。）现代发酵工业阶段现代发酵工业阶段现代发酵工业阶段现代发酵工业阶段（技术要求高、发展速度快；生（技术要求高、发展速度快；生（技术要求高、发展速度快；生（技术要求高、发展速度快；生产规模大；菌种生产能力大幅度提高，新产品、新产规模大；菌种生产能力大幅度提高，新产品、新产规模大；菌种生产能力大幅度提高，新产品、新产规模大；菌种生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。）技术、新
15、设备的应用达到前所未有的程度。）技术、新设备的应用达到前所未有的程度。）技术、新设备的应用达到前所未有的程度。）生物技术产业阶段生物技术产业阶段生物技术产业阶段生物技术产业阶段（利用构建的基因工程菌生产。（利用构建的基因工程菌生产。（利用构建的基因工程菌生产。（利用构建的基因工程菌生产。五五五五五五、发酵工程的研究内容发酵工程的研究内容发酵工程的研究内容发酵工程的研究内容发酵工程的研究内容发酵工程的研究内容 菌种选育菌种选育菌种选育菌种选育 自然界筛选、诱变育种、自然界筛选、诱变育种、自然界筛选、诱变育种、自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程基因工程、细
16、胞工程 培养基配制培养基配制培养基配制培养基配制根据培养基的配制原则制根据培养基的配制原则制根据培养基的配制原则制根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方备，实践中需多次试验配方备，实践中需多次试验配方备，实践中需多次试验配方 灭菌灭菌灭菌灭菌 杀灭杂菌杀灭杂菌杀灭杂菌杀灭杂菌扩大培养和接种扩大培养和接种扩大培养和接种扩大培养和接种 发酵过程（中心阶段）发酵过程（中心阶段）发酵过程（中心阶段）发酵过程（中心阶段）检测进程，满足营养需要；严格检测进程，满足营养需要；严格检测进程，满足营养需要；严格检测进程，满足营养需要；严格控制温度、控制温度、控制温度、控制温度、pHpHpHpH、溶氧、转
17、速等、溶氧、转速等、溶氧、转速等、溶氧、转速等 分离纯化分离纯化分离纯化分离纯化 菌体：过滤、沉淀菌体：过滤、沉淀菌体：过滤、沉淀菌体：过滤、沉淀 代谢产物：蒸馏、萃取、离子交代谢产物：蒸馏、萃取、离子交代谢产物：蒸馏、萃取、离子交代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换换换换四部分组成四部分组成1.1.菌种选育及扩大培养菌种选育及扩大培养2.2.原料预处理及培养基的制备原料预处理及培养基的制备3.3.发酵设备及反应条件的选择发酵设备及反应条件的选择4.4.产品的分离与纯化产品的分离与纯化一、常见微生物一、常见微生物一、常见微生物一、常见微生物（一）细菌（一）细菌（一）细菌（一）细菌（bacteriab
18、acteria）醋杆菌属（醋杆菌属（醋杆菌属（醋杆菌属（AcetobacterAcetobacter）乳杆菌属（乳杆菌属（乳杆菌属（乳杆菌属（LactobacillusLactobacillus）芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（BacillusBacillus）短杆菌属（短杆菌属（短杆菌属（短杆菌属（BrevibacteriumBrevibacterium）棒杆菌属（棒杆菌属（棒杆菌属（棒杆菌属（CorynebacteriumCorynebacterium）第二节第二节第二节第二节 优良菌种的选育优良菌种的选育优良菌种的选育优良菌种的选育（二）放线菌（二）放线菌（二）放线菌（二
19、）放线菌（actinomycesactinomyces）最大的经济价值在于产生多种抗生素最大的经济价值在于产生多种抗生素最大的经济价值在于产生多种抗生素最大的经济价值在于产生多种抗生素（antibioticantibiotic）链霉菌（链霉菌（链霉菌（链霉菌（StreptomycesStreptomyces）小单孢菌属（小单孢菌属（小单孢菌属（小单孢菌属（MicromonosporaMicromonospora）（三）霉菌（三）霉菌（三）霉菌（三）霉菌（mouldmould）1.1.曲霉属（曲霉属（曲霉属（曲霉属（AspergillusAspergillus）黑曲霉（黑曲霉（黑曲霉（黑曲霉（A
20、.A.nigerniger）米曲霉（米曲霉（米曲霉（米曲霉（A.A.oryzaeoryzae）黄曲霉（黄曲霉（黄曲霉（黄曲霉（A.A.flavusflavus）2.2.青霉属（青霉属（青霉属（青霉属（PenicillumPenicillum）桔青霉（桔青霉（桔青霉（桔青霉（P.P.citrinumcitrinum）产生产生产生产生55磷酸二酯酶，降解核糖核酸为四个单核苷酸。磷酸二酯酶，降解核糖核酸为四个单核苷酸。磷酸二酯酶，降解核糖核酸为四个单核苷酸。磷酸二酯酶，降解核糖核酸为四个单核苷酸。3.3.根霉属（根霉属（根霉属（根霉属（RhizopusRhizopus ）米根霉（米根霉（米根霉（米根
21、霉（R.R.oryzaeoryzae）华根霉（华根霉（华根霉（华根霉（R.R.chinensischinensis）4.4.红曲霉属（红曲霉属（红曲霉属（红曲霉属（MonascusMonascus）（四）酵母（四）酵母（四）酵母（四）酵母（yeastyeast）1.1.酵母属（酵母属（酵母属（酵母属（SaccharomycesSaccharomyces）啤酒酵母（啤酒酵母（啤酒酵母（啤酒酵母（SaccharomycesSaccharomyces cerevisiaecerevisiae）2.2.假丝酵母属（假丝酵母属（假丝酵母属（假丝酵母属（CandidaCandida）产朊假丝酵母（产朊假丝
22、酵母（产朊假丝酵母（产朊假丝酵母（Candida Candida utilisutilis）3.3.毕赤酵母属（毕赤酵母属（毕赤酵母属（毕赤酵母属（PichiaPichia）（五）其它微生物（五）其它微生物（五）其它微生物（五）其它微生物1.1.担子菌（担子菌（担子菌（担子菌（basidiomycetesbasidiomycetes）即菇类）即菇类）即菇类）即菇类（mushroommushroom）2.2.藻类（藻类（藻类（藻类（algaalga）二、微生物工业对菌种的要求二、微生物工业对菌种的要求二、微生物工业对菌种的要求二、微生物工业对菌种的要求1.1.原料廉价，生长迅速，目的产物产量高。
23、原料廉价，生长迅速，目的产物产量高。原料廉价，生长迅速，目的产物产量高。原料廉价，生长迅速，目的产物产量高。2.2.易控制培养条件，发酵周期较短。易控制培养条件，发酵周期较短。易控制培养条件，发酵周期较短。易控制培养条件，发酵周期较短。3.3.抗杂菌和噬菌体的能力强。抗杂菌和噬菌体的能力强。抗杂菌和噬菌体的能力强。抗杂菌和噬菌体的能力强。4.4.不易变异和退化，不产生任何有害物质和毒素。不易变异和退化，不产生任何有害物质和毒素。不易变异和退化，不产生任何有害物质和毒素。不易变异和退化，不产生任何有害物质和毒素。三三三三三三、工业微生物菌种的选育工业微生物菌种的选育工业微生物菌种的选育工业微生物
24、菌种的选育工业微生物菌种的选育工业微生物菌种的选育一、自然选育一、自然选育一、自然选育一、自然选育1.1.采样采样采样采样2.2.增殖培养增殖培养增殖培养增殖培养方法：方法：方法：方法：（1 1）控制培养基成分）控制培养基成分）控制培养基成分）控制培养基成分（2 2）控制培养条件）控制培养条件）控制培养条件）控制培养条件（3 3）抑制不需要的菌类）抑制不需要的菌类）抑制不需要的菌类）抑制不需要的菌类 3.纯种分离纯种分离（1）划线法：简单、快捷。）划线法：简单、快捷。（2）稀释法：菌落单一均匀。）稀释法：菌落单一均匀。二、诱变育种二、诱变育种二、诱变育种二、诱变育种二、诱变育种二、诱变育种用各
25、种物理、化学的因素人工诱发基因突变。用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变。用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变。用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变。诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质。诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质。诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质。诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质。诱变剂诱变剂诱变剂诱变剂 物理：紫外线，快中子物理：紫外线，快中子物理：紫外线，快中子物理：紫外线，快中子 化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍 诱变育种的主要环节诱变育种的主要环节诱变育种的主要环节诱变育种的主要环节（1
26、1）以合适的诱变剂处理细胞悬浮液）以合适的诱变剂处理细胞悬浮液）以合适的诱变剂处理细胞悬浮液）以合适的诱变剂处理细胞悬浮液诱变诱变诱变诱变（2 2）用合适的方法淘汰负效应变异株，选出性能）用合适的方法淘汰负效应变异株，选出性能）用合适的方法淘汰负效应变异株，选出性能）用合适的方法淘汰负效应变异株，选出性能 优良的正变异株优良的正变异株优良的正变异株优良的正变异株筛选筛选筛选筛选四、生产菌种的改良四、生产菌种的改良四、生产菌种的改良四、生产菌种的改良一、原生质体融合（一、原生质体融合（一、原生质体融合（一、原生质体融合（protoplast fusionprotoplast fusion）1.1
27、.标记菌株的筛选标记菌株的筛选标记菌株的筛选标记菌株的筛选2.2.原生质体的制备原生质体的制备原生质体的制备原生质体的制备3.3.原生质体的融合与再生原生质体的融合与再生原生质体的融合与再生原生质体的融合与再生4.4.融合子的选择融合子的选择融合子的选择融合子的选择 二、二、二、二、二、二、DNADNADNA重组技术重组技术重组技术重组技术重组技术重组技术1.1.目标目标目标目标DNADNA片断的获得片断的获得片断的获得片断的获得2.2.与载体与载体与载体与载体DNADNA分子的连接分子的连接分子的连接分子的连接3.3.重组重组重组重组DNADNA分子引入宿主细胞分子引入宿主细胞分子引入宿主细
28、胞分子引入宿主细胞4.4.从中选出所需重组从中选出所需重组从中选出所需重组从中选出所需重组DNADNA分子的宿主细胞分子的宿主细胞分子的宿主细胞分子的宿主细胞（DNA recombination technologyDNA recombination technology）第三节第三节第三节第三节 发酵的基本过程发酵的基本过程发酵的基本过程发酵的基本过程一、发酵的基本过程为：一、发酵的基本过程为：一、发酵的基本过程为：一、发酵的基本过程为：菌种菌种菌种菌种 种子制备种子制备种子制备种子制备 发酵发酵发酵发酵 发酵液预发酵液预发酵液预发酵液预处理处理处理处理 提取精制提取精制提取精制提取精制 二
29、、发酵的操作方式二、发酵的操作方式二、发酵的操作方式二、发酵的操作方式二、发酵的操作方式二、发酵的操作方式 分批培养分批培养分批培养分批培养 补料分批培养（半连续培养）补料分批培养（半连续培养）补料分批培养（半连续培养）补料分批培养（半连续培养）连续培养连续培养连续培养连续培养 分批培养分批培养分批培养分批培养分批培养分批培养1.1.概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特物质后，接入少量的微
30、生物菌种进行培养，在特物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。法。法。法。（batch culture or fermentation）分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期 对数生长期对数生长期 稳定期稳定期 死亡期死亡期2.2.特点：特点：特点：特点：(1)(1)整个培养系统与外界没有其它物质交换（整个培养系统与外界没有其它物质交换（整个培养系统与外界没有其它物质交换（整个培养系统与外界没有其它物质交
31、换（O2O2、CO2CO2、消泡剂、酸碱除外）、消泡剂、酸碱除外）、消泡剂、酸碱除外）、消泡剂、酸碱除外）(2)(2)整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。3.3.分批培养的优缺点分批培养的优缺点分批培养的优缺点分批培养的优缺点优点优点优点优点:操作简单，周期短，染菌机会少，生产过操作简单，周期短，染菌机会少，生产过操作简单
32、，周期短，染菌机会少，生产过操作简单，周期短，染菌机会少，生产过 程和产品质量容易掌握。程和产品质量容易掌握。程和产品质量容易掌握。程和产品质量容易掌握。缺点缺点缺点缺点:产率低。产率低。产率低。产率低。1.1.概念：微生物培养到对数生长期时，在发酵罐概念：微生物培养到对数生长期时，在发酵罐概念：微生物培养到对数生长期时，在发酵罐概念：微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式使微生物细胞在近
33、似恒定状态下生长的培养方式使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。连续培养连续培养（continuous culture）2.2.特点：特点：特点：特点：菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。定状态。定状态。定状态。3.连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点优点:控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵 周期长，产量高周期长，产量高。缺点缺点:长期连续培养会引起菌种退化，降低产量
34、长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。染菌机会增加染菌机会增加。应用应用:废水处理废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工 业中业中。补料分批培养补料分批培养补料分批培养补料分批培养补料分批培养补料分批培养1.1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。代谢
35、产物的生产时间延长。代谢产物的生产时间延长。代谢产物的生产时间延长。（fed-batch culture）介于分批培养和连续培养之间的操作方法。介于分批培养和连续培养之间的操作方法。2.2.补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点优点：优点：优点：优点：与分批培养相比与分批培养相比与分批培养相比与分批培养相比(1)(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。(2)(2)延长次级代谢产物的生产时间。延长次级代谢产物的生产时间。延长次级代谢产物的生产时间
36、。延长次级代谢产物的生产时间。与连续培养相比与连续培养相比与连续培养相比与连续培养相比(1)(1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。降低了染菌，避免了遗传不稳定性。降低了染菌，避免了遗传不稳定性。降低了染菌，避免了遗传不稳定性。(2)(2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。最终产物浓度较高，有利于产物的分离。最终产物浓度较高，有利于产物的分离。最终产物浓度较高，有利于产物的分离。(3)(3)使用范围广。使用范围广。使用范围广。使用范围广。缺点缺点：(1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致生产速由于没有物料取出，产物的积累最终导致生产速率的下降。率的下降。(2)由于物料的加入增加了染菌机会。应
37、用：面包酵由于物料的加入增加了染菌机会。应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。母、氨基酸、抗生素等工业。三、三、三、三、三、三、温度变化及其控制温度变化及其控制温度变化及其控制温度变化及其控制温度变化及其控制温度变化及其控制(一一一一)、温度对发酵的影响、温度对发酵的影响、温度对发酵的影响、温度对发酵的影响1.1.影响反应速率影响反应速率影响反应速率影响反应速率2.2.影响发酵方向影响发酵方向影响发酵方向影响发酵方向另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。(二二二二)、最适
38、温度的选择、最适温度的选择、最适温度的选择、最适温度的选择 最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。产物合成的温度。产物合成的温度。产物合成的温度。随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。段不同而改变。段不同而改变。段不同而改变。(三三三三)、发酵过程引起温度变化的因素、发酵过程引起温度变化的因素、发酵过程引起温度变化的因素、发
39、酵过程引起温度变化的因素发酵热发酵热发酵热发酵热 QQ发酵发酵发酵发酵QQ生物生物生物生物QQ搅拌搅拌搅拌搅拌QQ蒸发蒸发蒸发蒸发QQ辐射辐射辐射辐射(四四四四)、温度的控制、温度的控制、温度的控制、温度的控制一般不需加热，因一般不需加热，因一般不需加热，因一般不需加热，因释放了大量的发酵释放了大量的发酵释放了大量的发酵释放了大量的发酵热，需要冷却的情热，需要冷却的情热，需要冷却的情热，需要冷却的情况多。用夹套或蛇况多。用夹套或蛇况多。用夹套或蛇况多。用夹套或蛇形管，通冷却水。形管，通冷却水。形管，通冷却水。形管，通冷却水。(一一一一)、pHpH变化的原因变化的原因变化的原因变化的原因1.1.
40、基质代谢基质代谢基质代谢基质代谢（1 1）糖代谢）糖代谢）糖代谢）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使pHpH下降。下降。下降。下降。糖缺乏，糖缺乏，糖缺乏，糖缺乏，pHpH上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。（2 2）氮代谢）氮代谢）氮代谢）氮代谢 氨基酸中的氨基酸中的氨基酸中的氨基酸中的-NH2-NH2被利用，被利用，被利用，被利用，pHpH下降；下降；下降；下降；尿素被分解成尿素被分解成尿素被分解成尿素被分解成NH3NH3，pHpH上升。上升。上升。上升。（3
41、3）生理酸碱性物质利用后，）生理酸碱性物质利用后，）生理酸碱性物质利用后，）生理酸碱性物质利用后，pHpH上升或下降。上升或下降。上升或下降。上升或下降。2.2.产物形成产物形成产物形成产物形成3.3.菌体自溶菌体自溶菌体自溶菌体自溶pHpH上升上升上升上升四、四、pH变化及其控制变化及其控制(二二二二)、pHpH对发酵的影响对发酵的影响对发酵的影响对发酵的影响1.1.影响酶的活性。影响酶的活性。影响酶的活性。影响酶的活性。2.2.影响微生物细胞的结构。影响微生物细胞的结构。影响微生物细胞的结构。影响微生物细胞的结构。3.3.影响微生物对基质的利用速率。影响微生物对基质的利用速率。影响微生物对
42、基质的利用速率。影响微生物对基质的利用速率。4.4.影响代谢方向。影响代谢方向。影响代谢方向。影响代谢方向。(三三三三)、pHpH值的确定和控制值的确定和控制值的确定和控制值的确定和控制1.pH1.pH的确定的确定的确定的确定微生物发酵的最适微生物发酵的最适微生物发酵的最适微生物发酵的最适pHpH范围一般在范围一般在范围一般在范围一般在5858之间，根据之间，根据之间，根据之间，根据实验确定，即配制不同初始实验确定，即配制不同初始实验确定，即配制不同初始实验确定，即配制不同初始pHpH的培养基，摇瓶的培养基，摇瓶的培养基，摇瓶的培养基，摇瓶考察发酵情况。考察发酵情况。考察发酵情况。考察发酵情况
43、。生长的最适生长的最适生长的最适生长的最适pHpH值与发酵的最适值与发酵的最适值与发酵的最适值与发酵的最适pHpH值值值值举例：举例：举例：举例：AspergillusAspergillus nigerniger在在在在pH22.5pH22.5范围时有利于范围时有利于范围时有利于范围时有利于合成柠檬酸，当在合成柠檬酸，当在合成柠檬酸，当在合成柠檬酸，当在pH2.56.5pH2.56.5范围内时以菌体生范围内时以菌体生范围内时以菌体生范围内时以菌体生长为主，而在长为主，而在长为主，而在长为主，而在pH7.0pH7.0时，则以合成草酸为主。时，则以合成草酸为主。时，则以合成草酸为主。时，则以合成草
44、酸为主。2.pH2.pH的控制的控制的控制的控制(1)(1)调节好基础培养基的调节好基础培养基的调节好基础培养基的调节好基础培养基的pHpH。若控制消后若控制消后若控制消后若控制消后pHpH在在在在6.06.0，消前，消前，消前，消前pHpH往往要调到往往要调到往往要调到往往要调到6.56.86.56.8。(2)(2)通过加酸碱和中间补料来控制。通过加酸碱和中间补料来控制。通过加酸碱和中间补料来控制。通过加酸碱和中间补料来控制。a.a.过去直接加酸（过去直接加酸（过去直接加酸（过去直接加酸（H2SO4H2SO4）或碱（）或碱（）或碱（）或碱（NaOHNaOH），现常用：），现常用：），现常用：
45、），现常用：生理酸性物质：生理酸性物质：生理酸性物质：生理酸性物质：(NH4)2SO4(NH4)2SO4生理碱性物质：氨水生理碱性物质：氨水生理碱性物质：氨水生理碱性物质：氨水b.b.补料既调节了补料既调节了补料既调节了补料既调节了pHpH值，又补充了营养，还可减少阻值，又补充了营养，还可减少阻值，又补充了营养，还可减少阻值，又补充了营养，还可减少阻 遏作用。遏作用。遏作用。遏作用。如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用:调节调节调节调节pHpH值值值值 补充氮源补充氮源补充氮源补
46、充氮源五五五五五五、溶解氧及其控制溶解氧及其控制溶解氧及其控制溶解氧及其控制溶解氧及其控制溶解氧及其控制(一一一一)、溶解氧（溶解氧（溶解氧（溶解氧（dissolved dissolved oxygen,DOoxygen,DO）溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。（1 1）最适氧浓度最适氧浓度最适氧浓度最适氧浓度（optimal oxygen concentrationoptimal oxygen concentration）：）：）：）：菌体生长或产物合成最适浓
47、度范围。菌体生长或产物合成最适浓度范围。菌体生长或产物合成最适浓度范围。菌体生长或产物合成最适浓度范围。（2 2）临界氧浓度临界氧浓度临界氧浓度临界氧浓度（critical value of dissolved oxygen concentrationcritical value of dissolved oxygen concentration）：）：）：）：满足微生物呼吸的最低氧浓度。满足微生物呼吸的最低氧浓度。满足微生物呼吸的最低氧浓度。满足微生物呼吸的最低氧浓度。(二二二二)、溶氧浓度的控制、溶氧浓度的控制、溶氧浓度的控制、溶氧浓度的控制溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定
48、因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。供氧方面：供氧方面：供氧方面：供氧方面：1.1.调节搅拌转速调节搅拌转速调节搅拌转速调节搅拌转速2.2.调节通气速率调节通气速率调节通气速率调节通气速率需氧方面：需氧方面：需氧方面：需氧方面：1.1.菌体浓度和菌龄菌体浓度和菌龄菌体浓度和菌龄菌体浓度和菌龄2.2.基质种类和浓度以菌浓影响最明显。基质种类和浓度以菌浓影响最明显。基质种类和浓度以菌浓影响最明显。基质种类和浓度以菌浓影响最明显。3.3.培养条件培养条件培养条件培养条件控制方法：通过控制基质浓度。控制方法：通过控制基质浓度。控制方法：通过控
49、制基质浓度。控制方法：通过控制基质浓度。温度传感器、耐高温温度传感器、耐高温温度传感器、耐高温温度传感器、耐高温pHpH和溶氧（和溶氧（和溶氧（和溶氧（DODO）传感器）传感器）传感器）传感器六六六六六六 发酵产物的提取发酵产物的提取发酵产物的提取发酵产物的提取发酵产物的提取发酵产物的提取1.1.预处理和固液分离：加速固液相分离预处理和固液分离：加速固液相分离预处理和固液分离：加速固液相分离预处理和固液分离：加速固液相分离2.2.细胞破碎，分离胞内产物细胞破碎，分离胞内产物细胞破碎，分离胞内产物细胞破碎，分离胞内产物3.3.初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大初步纯化（提取）：除去与产物性
50、质差异很大初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大 的杂质的杂质的杂质的杂质4.4.高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂 质质质质5.5.产品加工产品加工产品加工产品加工提提提提提提 取取取取取取1.1.沉淀法沉淀法沉淀法沉淀法（1 1）等电点沉淀法等电点沉淀法等电点沉淀法等电点沉淀法(isoelectricisoelectric precipitation)precipitation)nn氨基酸（两性电解质）在等电点时溶解度最低。