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1、发酵工程概述第1页，本讲稿共102页基本概念基本概念 v人们将利用微生物的生命活动，以获得微生人们将利用微生物的生命活动，以获得微生物菌体或其代谢、转化产物的过程统称为发物菌体或其代谢、转化产物的过程统称为发酵。酵。v发酵工程是现代生物技术的重要组成部分之发酵工程是现代生物技术的重要组成部分之一，是一门将微生物学、生物化学和化学工一，是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合，利用微生物的代程学的基本原理有机结合，利用微生物的代谢、转化功能，获得有用物质的工程技术。谢、转化功能，获得有用物质的工程技术。第2页，本讲稿共102页发酵工程简介发酵工程简介v发酵技术有着悠久的历史发酵技
2、术有着悠久的历史v作为现代科学概念的微生物发酵工业，就是在作为现代科学概念的微生物发酵工业，就是在20世纪世纪40年年代随着抗生素工业的兴起而迅速发展起来的代随着抗生素工业的兴起而迅速发展起来的 v现代发酵技术是在传统发酵技术的基础上，结合了现代现代发酵技术是在传统发酵技术的基础上，结合了现代DNA重组，细胞融合、分子修饰改造等新技术。重组，细胞融合、分子修饰改造等新技术。v近年来，由于代谢调控技术，连续发酵技术、高密度培养近年来，由于代谢调控技术，连续发酵技术、高密度培养技术、发酵与产物分离的偶联技术、在线监测技术和发酵技术、发酵与产物分离的偶联技术、在线监测技术和发酵过程的计算机自动控制技
3、术等的迅速发展，以及发酵设备、过程的计算机自动控制技术等的迅速发展，以及发酵设备、工艺研究的进步，发酵工业发展到了一个新的高度工艺研究的进步，发酵工业发展到了一个新的高度 第3页，本讲稿共102页发酵工程的特点发酵工程的特点v反应条件温和，设备简单，工业上通常采用反应条件温和，设备简单，工业上通常采用通气搅拌罐反应器，可以用相同或相似的设通气搅拌罐反应器，可以用相同或相似的设备生产不同的发酵产品，使一种设备具有多备生产不同的发酵产品，使一种设备具有多种用途种用途 v微生物生长繁殖迅速，发酵生产周期相对较微生物生长繁殖迅速，发酵生产周期相对较短，且不受气候、季节等自然条件的影响短，且不受气候、季
4、节等自然条件的影响 v发酵原料来源广泛，价格低廉发酵原料来源广泛，价格低廉 v发酵反应以微生物的自动调控方式进行发酵反应以微生物的自动调控方式进行 第4页，本讲稿共102页v通过发酵能够容易地生产复杂的高分子化合物，按照生通过发酵能够容易地生产复杂的高分子化合物，按照生物体特有的反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物物体特有的反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物特定部位的氧化、还原、官能团导入等反应特定部位的氧化、还原、官能团导入等反应 v通过诱变育种、基因重组、细胞融合和蛋白质工程等手通过诱变育种、基因重组、细胞融合和蛋白质工程等手段对微生物菌种进行改良，可以在不增加生产成本的前段对微生物
5、菌种进行改良，可以在不增加生产成本的前提下大幅度提高生产效率提下大幅度提高生产效率 v利用现代分子生物学手段，向微生物细胞中中引入外源基因，利用现代分子生物学手段，向微生物细胞中中引入外源基因，可以大量生产动植物细胞中才有的微量生物活性物质如胰岛可以大量生产动植物细胞中才有的微量生物活性物质如胰岛素、水蛭素等素、水蛭素等 第5页，本讲稿共102页发酵过程中应注意的问题发酵过程中应注意的问题v发酵原料大多是农副产品，不同批次、产地的原料的化学成发酵原料大多是农副产品，不同批次、产地的原料的化学成分和组成变动较大，对发酵有一定影响。分和组成变动较大，对发酵有一定影响。v由于微生物中含有多种酶，发酵
6、过程中副产物的产生不可避由于微生物中含有多种酶，发酵过程中副产物的产生不可避免，会对产物的分离纯化带来不利影响免，会对产物的分离纯化带来不利影响 v发酵产物的获得除了受环境的影响外，还受细胞内因素的影发酵产物的获得除了受环境的影响外，还受细胞内因素的影响，特别是以中间代谢物为目的产物时，如果不能适当控制响，特别是以中间代谢物为目的产物时，如果不能适当控制发酵条件，由于微生物代谢情况的变化，将导致产品数量和发酵条件，由于微生物代谢情况的变化，将导致产品数量和质量的下降质量的下降 第6页，本讲稿共102页v微生物容易发生遗传变异，菌种会在生产中微生物容易发生遗传变异，菌种会在生产中失去其优良性状，
7、降低甚至丧失生产能力，失去其优良性状，降低甚至丧失生产能力，难以实现连续操作难以实现连续操作 v发酵生产需要在无菌的条件下进行，整个发发酵生产需要在无菌的条件下进行，整个发酵过程必须在无菌条件下进行，一旦失败，酵过程必须在无菌条件下进行，一旦失败，就会遭受重大损失。特别是噬菌体对发酵的就会遭受重大损失。特别是噬菌体对发酵的危害更大危害更大 v发酵废水常具有较高的发酵废水常具有较高的COD和和BOD，需要进，需要进行处理行处理 第7页，本讲稿共102页目前已知具有生产价值的微生物发酵类型目前已知具有生产价值的微生物发酵类型 v微生物菌体发酵微生物菌体发酵 v微生物酶发酵微生物酶发酵 v微生物代谢
8、产物发酵微生物代谢产物发酵 v微生物转化发酵微生物转化发酵 v生物工程的细胞发酵生物工程的细胞发酵第8页，本讲稿共102页发酵工业中常用的微生物发酵工业中常用的微生物第9页，本讲稿共102页微生物微生物v微生物一词并非生物分类学上的专门名词，而是对所有微生物一词并非生物分类学上的专门名词，而是对所有形体微小，单细胞的或个体结构比较简单的多细胞的或形体微小，单细胞的或个体结构比较简单的多细胞的或没有细胞结构的低等生物的统称。没有细胞结构的低等生物的统称。v自然界中微生物的种类繁多，它们有着不同的形态结构和生自然界中微生物的种类繁多，它们有着不同的形态结构和生理特征，可以分为不同的类群。广义的微生
9、物包括病毒、原理特征，可以分为不同的类群。广义的微生物包括病毒、原生动物、细菌、放线菌、霉菌、单细胞藻类、支原体等，其生动物、细菌、放线菌、霉菌、单细胞藻类、支原体等，其中细菌、放线菌、酵母和霉菌等广泛地应用于发酵工业。中细菌、放线菌、酵母和霉菌等广泛地应用于发酵工业。第10页，本讲稿共102页细菌细菌v大肠杆菌（大肠杆菌（Escherihia coli）v醋酸杆菌（醋酸杆菌（Acetobacter）v乳酸杆菌（乳酸杆菌（Lactobacillus）v丙酮丁醇梭菌（丙酮丁醇梭菌（Clos.acetobutyleum）v肠膜状明串珠菌（肠膜状明串珠菌（Leuconostoc mesenteroi
10、des）第11页，本讲稿共102页放线菌放线菌 v放线菌因其在培养基的表面上的菌落呈放射状而得名。放线放线菌因其在培养基的表面上的菌落呈放射状而得名。放线菌在自然界分布广泛，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中菌在自然界分布广泛，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中较多。大部分是腐生菌，少数寄生。放线菌有发育良好的菌较多。大部分是腐生菌，少数寄生。放线菌有发育良好的菌丝体，菌丝无横隔，为单细胞原核生物。丝体，菌丝无横隔，为单细胞原核生物。v放线菌最大的经济价值是能产生多种抗生素，如链霉素、放线菌最大的经济价值是能产生多种抗生素，如链霉素、土霉素、金霉素、争光霉素、卡那霉素等，据统计，从自土霉素、金霉素
11、、争光霉素、卡那霉素等，据统计，从自然界中发现和分离了五千多种抗生素，其中有四千多种来然界中发现和分离了五千多种抗生素，其中有四千多种来自于放线菌。自于放线菌。第12页，本讲稿共102页放线菌放线菌v链霉菌属（链霉菌属（Streptomyces）v小单孢菌属（小单孢菌属（Micromonospora）v若卡氏菌属（若卡氏菌属（Norcardia v游动放线菌属（游动放线菌属（Actinoplanes）第13页，本讲稿共102页霉霉 菌菌 v霉菌是指在营养基质上形成绒毛状、网状或霉菌是指在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌，亦称为丝状真菌。霉菌的絮状菌丝的真菌，亦称为丝状真菌。霉菌的菌落
12、特征与放线菌接近，但霉菌的菌落形态菌落特征与放线菌接近，但霉菌的菌落形态较大，一般质地比放线菌疏松，外观干燥不较大，一般质地比放线菌疏松，外观干燥不透明。透明。v霉菌在自然界分布广泛，大量存在于土壤、霉菌在自然界分布广泛，大量存在于土壤、空气、水和生物体内外等处。霉菌喜偏酸性空气、水和生物体内外等处。霉菌喜偏酸性环境，大多数为好氧性微生物，多腐生，少环境，大多数为好氧性微生物，多腐生，少数寄生。数寄生。第14页，本讲稿共102页工业上常用的霉菌工业上常用的霉菌v青霉属（青霉属（Penicillium）v根霉属（根霉属（Rhizopus）v曲霉属（曲霉属（Aspergillus）v红曲属（红曲属
13、（Monascus）第15页，本讲稿共102页酵母（酵母（Yeast）v酵母属（酵母属（Saccharomyces）v假丝酵母属（假丝酵母属（Candida）v红酵母属（红酵母属（Rhodotorula）第16页，本讲稿共102页 培养基培养基 第17页，本讲稿共102页培养基的分类培养基的分类 v根据培养基营养物质组成的化学成分是否已根据培养基营养物质组成的化学成分是否已知，可将培养基分为合成培养基、半合成培知，可将培养基分为合成培养基、半合成培养基和天然培养基。养基和天然培养基。v根据培养基制成以后的物理形态，有可将培根据培养基制成以后的物理形态，有可将培养基分为液体培养基、固体培养基和半
14、固体养基分为液体培养基、固体培养基和半固体培养基。培养基。v根据培养基的用途，可将培养基分为增殖、根据培养基的用途，可将培养基分为增殖、选择、鉴别培养基。选择、鉴别培养基。v在发酵工业的生产中，人们还常常依据培养在发酵工业的生产中，人们还常常依据培养基在发酵生产中的用途，将其分为孢子培养基在发酵生产中的用途，将其分为孢子培养基，种子培养基和发酵培养基。基，种子培养基和发酵培养基。第18页，本讲稿共102页培养基的组成培养基的组成 v碳源碳源：是指微生物用来构成细胞物质或代谢是指微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。碳源通常也是产物中碳素来源的营养物质。碳源通常也是有机体生长的能
15、源物质。微生物所能利用的有机体生长的能源物质。微生物所能利用的碳源物质非常广泛，从简单的无机含碳化合碳源物质非常广泛，从简单的无机含碳化合物二氧化碳、碳酸盐到复杂的天然有机含碳物二氧化碳、碳酸盐到复杂的天然有机含碳化合物都能被微生物所利用。化合物都能被微生物所利用。v目前发酵工业中常用的碳源物质有各种淀粉目前发酵工业中常用的碳源物质有各种淀粉（玉米、马铃薯、小麦、燕麦（玉米、马铃薯、小麦、燕麦）、饴糖、糖）、饴糖、糖蜜、某些有机酸和一些石油产品。蜜、某些有机酸和一些石油产品。第19页，本讲稿共102页v氮源氮源 是指被微生物用来构成菌体物质或代谢是指被微生物用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源
16、的营养物质。这类物质主要产物中氮素来源的营养物质。这类物质主要是用来合成细胞物质中含氮物质的原料，一是用来合成细胞物质中含氮物质的原料，一般不能作为能源物质。般不能作为能源物质。v发酵工业中常用的氮源包括有机氮和无机氮发酵工业中常用的氮源包括有机氮和无机氮两大类，黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、蛋两大类，黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉、蚕蛹粉、鱼粉等都是常用的白胨、酵母粉、蚕蛹粉、鱼粉等都是常用的有机氮源有机氮源，常用的，常用的无机氮源无机氮源有氨水、碳酸氨、有氨水、碳酸氨、硫酸铵、硝酸盐、尿素等硫酸铵、硝酸盐、尿素等 第20页，本讲稿共102页无机盐和微量元素无机盐和微量元素 v无机
17、盐是微生物生长所必不可少的营养物质，为有机无机盐是微生物生长所必不可少的营养物质，为有机体生长提供各种金属元素。微生物生长所需要的无机体生长提供各种金属元素。微生物生长所需要的无机盐有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、盐有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁、猛等金属元素的化合物。铁、猛等金属元素的化合物。v金属元素的生理功能包括构成微生物自身组成物质（如金属元素的生理功能包括构成微生物自身组成物质（如磷、硫）、作为酶及辅酶的组成成分或维持酶的活性磷、硫）、作为酶及辅酶的组成成分或维持酶的活性（镁、铁、锌、钴、锰等）、维持细胞结构的稳定性、（镁、铁、锌、钴、锰等）、维持细胞结构
18、的稳定性、调节与维持细胞的渗透压平衡等。调节与维持细胞的渗透压平衡等。第21页，本讲稿共102页生长因子生长因子 v生长因子是指微生物生长繁殖所必需而自身生长因子是指微生物生长繁殖所必需而自身又不能合成的某些微量有机化合物。包括维又不能合成的某些微量有机化合物。包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱基的衍生物以生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱基的衍生物以及某些脂肪酸等。及某些脂肪酸等。v酵母粉、蛋白胨、牛肉膏和一些动植物组织酵母粉、蛋白胨、牛肉膏和一些动植物组织的浸液，如动物的心、肝、马铃薯、番茄、的浸液，如动物的心、肝、马铃薯、番茄、豆芽等的浸液，都是生长因子的丰富来源。豆芽等的浸液，都是生长因子的丰富
19、来源。第22页，本讲稿共102页水水 v水是培养基的主要组成部分，也是微生物的水是培养基的主要组成部分，也是微生物的重要组成成分，占生活细胞总量的重要组成成分，占生活细胞总量的90%。v水是许多化学物质的良好溶剂，有机体的营水是许多化学物质的良好溶剂，有机体的营养物质的吸收和各种代谢反应都是在水中进养物质的吸收和各种代谢反应都是在水中进行的，水还直接参与许多的代谢反应。同时行的，水还直接参与许多的代谢反应。同时水的比热高，是热的良好导体，能有效地控水的比热高，是热的良好导体，能有效地控制细胞内的温度变化。制细胞内的温度变化。v发酵生产中常用的水有自来水、深井水和地发酵生产中常用的水有自来水、深
20、井水和地表水。表水。第23页，本讲稿共102页代谢产物的前体、诱导物和促进剂代谢产物的前体、诱导物和促进剂 v所谓前提物质是指被微生物直接用于产物的合成的化所谓前提物质是指被微生物直接用于产物的合成的化合物，如青霉素发酵合成时添加的苯乙酸，可大大提合物，如青霉素发酵合成时添加的苯乙酸，可大大提高青霉素高青霉素G的产量。微生物发酵过程中，适当的诱导物的产量。微生物发酵过程中，适当的诱导物可以诱导某些酶的产生，从而提高发酵目的产物的产量，可以诱导某些酶的产生，从而提高发酵目的产物的产量，如向麦角碱产生菌的发酵液中添加色氨酸，可诱导麦角如向麦角碱产生菌的发酵液中添加色氨酸，可诱导麦角碱生物合成的二甲
21、基烯丙基色氨酸合成酶的合成作用，碱生物合成的二甲基烯丙基色氨酸合成酶的合成作用，增加该酶的活力增加该酶的活力 v目前，对发酵过程中诱导物、促进剂以及前体物质的添加，目前，对发酵过程中诱导物、促进剂以及前体物质的添加，还没有明确的规律可循，很多是在对发酵菌株的生理生化研还没有明确的规律可循，很多是在对发酵菌株的生理生化研究基础上，根据生产经验和实验结果确定的。究基础上，根据生产经验和实验结果确定的。第24页，本讲稿共102页培养基的配制原则培养基的配制原则 v根据不同微生物的营养需要配制不同的根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基培养基 v营养成分的适当配比营养成分的适当配比 vpH值值 v其
22、它其它：如培养基的渗透压、培养基的氧化：如培养基的渗透压、培养基的氧化还原电位等方面因素的影响。还原电位等方面因素的影响。第25页，本讲稿共102页培养基的灭菌培养基的灭菌 v灭菌：灭菌：是指利用物理或化学方法杀灭或除去是指利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。物料及设备中一切有生命物质的过程。v培养基灭菌最基本的要求是杀死培养基中的培养基灭菌最基本的要求是杀死培养基中的所有微生物，再接入纯的菌种以达到纯种培所有微生物，再接入纯的菌种以达到纯种培养的目的。养的目的。第26页，本讲稿共102页常用消毒和灭菌方法常用消毒和灭菌方法第27页，本讲稿共102页菌种的分离及优良菌
23、种的选育菌种的分离及优良菌种的选育 第28页，本讲稿共102页微生物的分布微生物的分布 v自然界中的微生物资源十分丰富，是自然界中分布最广自然界中的微生物资源十分丰富，是自然界中分布最广的一群生物。在土壤、空气、江河湖海、动、植物的体的一群生物。在土壤、空气、江河湖海、动、植物的体内、体表都生活着大量的微生物，微生物的种类之多，内、体表都生活着大量的微生物，微生物的种类之多，至今仍无法估计。至今仍无法估计。v土壤中具有微生物生长繁殖所需要的一切营养物质和进土壤中具有微生物生长繁殖所需要的一切营养物质和进行生命活动的一切条件，有行生命活动的一切条件，有“微生物天然培养基微生物天然培养基”的称的称
24、号。号。v在水体和空气中也有着相当数量的微生物分布，但不论在水体和空气中也有着相当数量的微生物分布，但不论是种类还是数量都比土壤中的少是种类还是数量都比土壤中的少 v在一些极端的环境（如高温、高压、高盐）中，也分布着相在一些极端的环境（如高温、高压、高盐）中，也分布着相当数量的微生物，它们往往具有特殊的基因、特殊的机能，当数量的微生物，它们往往具有特殊的基因、特殊的机能，也是重要的菌种来源也是重要的菌种来源 第29页，本讲稿共102页菌种的分离菌种的分离 v采样采样：应根据菌种分离的目的，结合微生物：应根据菌种分离的目的，结合微生物的分布、特性以及生态环境综合考虑，设计的分布、特性以及生态环境
25、综合考虑，设计采样方案。采样方案。v富集与分离富集与分离：在多数情况下，采集样品中目：在多数情况下，采集样品中目的微生物的数量有限，一般应进行富集培养的微生物的数量有限，一般应进行富集培养后再进行分离纯化，通常称为施加选择压力后再进行分离纯化，通常称为施加选择压力的分离方法。的分离方法。第30页，本讲稿共102页用于细菌分离选择培养基中的抑菌物用于细菌分离选择培养基中的抑菌物第31页，本讲稿共102页用于放线菌选择分离的抑菌物质用于放线菌选择分离的抑菌物质第32页，本讲稿共102页优良菌种的选育优良菌种的选育 第33页，本讲稿共102页优良生产菌株应具有的特性优良生产菌株应具有的特性 能在尽可
26、能短的发酵过程中生产大量的发酵能在尽可能短的发酵过程中生产大量的发酵产品产品，菌株应生长旺盛，缩短发酵周期，菌株应生长旺盛，缩短发酵周期 发酵过程中应产生较少的泡沫以提高发酵设发酵过程中应产生较少的泡沫以提高发酵设备的利用率备的利用率 生产菌株的生产能力对发酵原料的波动的敏生产菌株的生产能力对发酵原料的波动的敏感性要小，对发酵过程中添加的前提物质的感性要小，对发酵过程中添加的前提物质的耐受性要好耐受性要好 生产菌株对噬菌体应有一定的抗感染性，具生产菌株对噬菌体应有一定的抗感染性，具有为定的遗传特性有为定的遗传特性 第34页，本讲稿共102页自然选育自然选育 v微生物在传代和发酵过程中，也会以一
27、定的微生物在传代和发酵过程中，也会以一定的频率发生自发突变，自然选育是指不经过人频率发生自发突变，自然选育是指不经过人工处理，利用微生物的自发突变进行菌种选工处理，利用微生物的自发突变进行菌种选育的过程育的过程 v微生物的这种自发突变发生的频率很低，据微生物的这种自发突变发生的频率很低，据统计大约为统计大约为10-8-10-9，其中正向突变的比率，其中正向突变的比率就更小，与诱变育种、杂交育种和基因工程就更小，与诱变育种、杂交育种和基因工程育种相比，一般需要坚持相当长的时间才能育种相比，一般需要坚持相当长的时间才能奏效。奏效。第35页，本讲稿共102页诱变育种诱变育种 v诱变育种是指利用物理或
28、化学的诱变剂处理诱变育种是指利用物理或化学的诱变剂处理微生物细胞群，使微生物的遗传物质染色体微生物细胞群，使微生物的遗传物质染色体或或DNA的片段发生的片段发生缺失、倒位、易位缺失、倒位、易位等突变，等突变，或使或使DNA的某一部位发生的某一部位发生点突变点突变，从而引起，从而引起微生物的遗传变异，改变微生物的遗传性状微生物的遗传变异，改变微生物的遗传性状的过程。诱变育种在发酵生产中具有极其重的过程。诱变育种在发酵生产中具有极其重要的意义，目前工业发酵的高产菌种，几乎要的意义，目前工业发酵的高产菌种，几乎都是经过诱变育种而大大提高了生产性能的都是经过诱变育种而大大提高了生产性能的 第36页，本
29、讲稿共102页诱变育种的一般过程诱变育种的一般过程第37页，本讲稿共102页出发菌株的选择出发菌株的选择 v出发菌株就是用于菌种选育的原始菌株出发菌株就是用于菌种选育的原始菌株 v出发菌株最好是经过生产中选育过的自然变出发菌株最好是经过生产中选育过的自然变异菌株，应具有生长迅速、营养要求低、产异菌株，应具有生长迅速、营养要求低、产生孢子多等有利性状生孢子多等有利性状v由于某些菌株在发生某一变异后，会提高其由于某些菌株在发生某一变异后，会提高其他诱变因素的敏感性，可考虑作为出发菌株。他诱变因素的敏感性，可考虑作为出发菌株。第38页，本讲稿共102页诱变剂及诱变处理诱变剂及诱变处理 v诱变剂主要有
30、物理诱变剂和化学诱变剂两大诱变剂主要有物理诱变剂和化学诱变剂两大类。物理诱变剂如紫外线、类。物理诱变剂如紫外线、X射线及其他放射射线及其他放射线等；化学诱变剂的种类很多，如烷化剂、线等；化学诱变剂的种类很多，如烷化剂、碱基类似物等。碱基类似物等。v在诱变育种中，选用诱变剂的最适剂量是至在诱变育种中，选用诱变剂的最适剂量是至关重要的关重要的 v在诱变处理的方法有单一诱变剂处理和复合在诱变处理的方法有单一诱变剂处理和复合处理，诱变剂的复合处理常常呈现出一定的处理，诱变剂的复合处理常常呈现出一定的协同效应协同效应 第39页，本讲稿共102页诱变菌株的筛选诱变菌株的筛选 v菌种的筛选方法一般分为初筛和
31、复筛两个阶段。菌种的筛选方法一般分为初筛和复筛两个阶段。v初筛既可在培养皿平板上进行，也可在摇瓶中进行。初筛既可在培养皿平板上进行，也可在摇瓶中进行。在平板上进行快速简便，工作量较小且结果直观，但在平板上进行快速简便，工作量较小且结果直观，但其缺点是培养条件与发酵培养差别很大其缺点是培养条件与发酵培养差别很大 v复筛是对经过初筛的突变菌株的生产性能进行比较精复筛是对经过初筛的突变菌株的生产性能进行比较精确的测定工作确的测定工作 v经过诱变、初筛、和复筛所获得的高产菌株，一般仍不能经过诱变、初筛、和复筛所获得的高产菌株，一般仍不能立即用于发酵生产，还要对这些选育出的菌株进行生产性立即用于发酵生产
32、，还要对这些选育出的菌株进行生产性能的测试和发酵条件、营养条件的优化研究，符合发酵菌能的测试和发酵条件、营养条件的优化研究，符合发酵菌种特点的高产菌株才能用于发酵生产种特点的高产菌株才能用于发酵生产 第40页，本讲稿共102页营养缺陷型营养缺陷型 菌株菌株v是指通过诱变产生的在一些营养物质，如氨是指通过诱变产生的在一些营养物质，如氨基酸、维生素、碱基等的合成能力上出现缺基酸、维生素、碱基等的合成能力上出现缺陷，必需在培养基中加入相应的有机营养成陷，必需在培养基中加入相应的有机营养成分才能正常生长的菌株。分才能正常生长的菌株。v营养缺陷型菌株由于具有明显的遗传标记，营养缺陷型菌株由于具有明显的遗
33、传标记，在理论的研究和生产实践中都具有十分重要在理论的研究和生产实践中都具有十分重要的意义的意义 第41页，本讲稿共102页营养缺陷型菌株的诱变选育营养缺陷型菌株的诱变选育 第42页，本讲稿共102页发酵的过程及发酵的操作方式发酵的过程及发酵的操作方式 第43页，本讲稿共102页微生物发酵的一般过程微生物发酵的一般过程 原料预处理(粉碎、水解、除杂）配料灭菌原始菌种斜面种子（活化）（一级种子）种子扩大培养（摇瓶或茄瓶）（二级种子）种子罐（一级发酵）发酵罐（二级发酵）控制发酵条件进行发酵过程检查产品提取成品质量检查第44页，本讲稿共102页发酵菌种发酵菌种 v进行发酵生产的菌种必须是经过选育的具
34、进行发酵生产的菌种必须是经过选育的具有优良生产性状的菌株或是经过基因工程有优良生产性状的菌株或是经过基因工程改造的改造的“工程菌工程菌”v在发酵生产中，要对生产菌种不断地进行在发酵生产中，要对生产菌种不断地进行选育和菌种的复壮工作，以防止其优良性选育和菌种的复壮工作，以防止其优良性状的丧失。不断提高生产菌株的生产性能。状的丧失。不断提高生产菌株的生产性能。v生产菌种的衰退，与菌种的传代次、保藏生产菌种的衰退，与菌种的传代次、保藏方法和培养条件等密切相关方法和培养条件等密切相关 第45页，本讲稿共102页常用菌种保藏方法的比较常用菌种保藏方法的比较第46页，本讲稿共102页种子的扩大培养种子的扩
35、大培养 v种子的扩大培养是指将保藏的处于休眠状种子的扩大培养是指将保藏的处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面进行活化，并态的生产菌种接入试管斜面进行活化，并逐级扩大培养以获得一定数量和质量的纯逐级扩大培养以获得一定数量和质量的纯种的过程种的过程 v种子的扩大培养应根据菌种的生理特点，种子的扩大培养应根据菌种的生理特点，选择适宜的培养条件和培养基，以获得代选择适宜的培养条件和培养基，以获得代谢旺盛的足量的种子谢旺盛的足量的种子 v种子的制备一般有菌丝进罐培养和孢子进种子的制备一般有菌丝进罐培养和孢子进罐培养两种方式罐培养两种方式 第47页，本讲稿共102页种子扩大培养流程图种子扩大培养流程图第48
36、页，本讲稿共102页影响种子质量的因素影响种子质量的因素 v影响种子质量的因素有很多，主要有原材料的质量、培养影响种子质量的因素有很多，主要有原材料的质量、培养条件和菌种的的冷藏时间。生产发酵中种子质量不稳定的条件和菌种的的冷藏时间。生产发酵中种子质量不稳定的主要原因，是培养基的原材料质量不稳定，原材料质量波主要原因，是培养基的原材料质量不稳定，原材料质量波动中起主要作用的，是其中无机离子含量的不同动中起主要作用的，是其中无机离子含量的不同 v种子的培养条件如温度、通气量、湿度等都会影响种子种子的培养条件如温度、通气量、湿度等都会影响种子的质量，斜面菌种的冷藏对孢子的质量的影响主要与孢的质量，
37、斜面菌种的冷藏对孢子的质量的影响主要与孢子的成熟程度以及生产能力有关子的成熟程度以及生产能力有关 第49页，本讲稿共102页发发 酵酵 v发酵是发酵工程的中心环节，是在人工控制的无菌条件下，发酵是发酵工程的中心环节，是在人工控制的无菌条件下，利用微生物的生命活动，获得发酵产品的过程利用微生物的生命活动，获得发酵产品的过程 v对于以获得微生物菌体为目的的发酵，如香菇、冬虫夏草、蜜环菌、对于以获得微生物菌体为目的的发酵，如香菇、冬虫夏草、蜜环菌、茯苓、灵芝等药用真菌的发酵，应控制最适宜的微生物生长条件，以茯苓、灵芝等药用真菌的发酵，应控制最适宜的微生物生长条件，以有利于菌体的生长，在最短的发酵周期
38、内获得最大的生物量有利于菌体的生长，在最短的发酵周期内获得最大的生物量 v微生物酶发酵和微生物代谢产物发酵，如胆固醇氧化酶、葡萄微生物酶发酵和微生物代谢产物发酵，如胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶、以及各种抗生素等的发酵生产，则应控制发酵发酵糖氧化酶、以及各种抗生素等的发酵生产，则应控制发酵发酵条件，使发酵过程朝着有利于目的产物积累的方向进行条件，使发酵过程朝着有利于目的产物积累的方向进行 v对于利用微生物的氧化、还原、脱氢、酯化、缩合等生物转对于利用微生物的氧化、还原、脱氢、酯化、缩合等生物转化能力的微生物转化发酵，如甾体类药物、抗生素以及青蒿化能力的微生物转化发酵，如甾体类药物、抗生素以及青蒿素
39、、生物碱等天然产物的生物转化发酵，应使发酵条件有利素、生物碱等天然产物的生物转化发酵，应使发酵条件有利于获得最大的生物转化能力于获得最大的生物转化能力 第50页，本讲稿共102页发酵的下游处理发酵的下游处理 第51页，本讲稿共102页微生物发酵的操作方式微生物发酵的操作方式 v照所用的发酵设备来照所用的发酵设备来 分，可分为分，可分为开放式发酵开放式发酵，密闭发酵密闭发酵和和深层发酵深层发酵 v根据液体深层发酵操作方式的不同，发酵过根据液体深层发酵操作方式的不同，发酵过程一般可分为程一般可分为分批发酵分批发酵、连续发酵连续发酵和和补料分补料分批发酵批发酵三种类型三种类型 第52页，本讲稿共10
40、2页第53页，本讲稿共102页第54页，本讲稿共102页第55页，本讲稿共102页第56页，本讲稿共102页几种发酵方式中微生物生长曲线几种发酵方式中微生物生长曲线第57页，本讲稿共102页第58页，本讲稿共102页第59页，本讲稿共102页第60页，本讲稿共102页第61页，本讲稿共102页第62页，本讲稿共102页第63页，本讲稿共102页第64页，本讲稿共102页第65页，本讲稿共102页第66页，本讲稿共102页糖蜜制备酒精的连续发酵流程糖蜜制备酒精的连续发酵流程第67页，本讲稿共102页补料分批发酵补料分批发酵 v补料分批发酵是指在分批发酵的过程中，间歇或连续补料分批发酵是指在分批发
41、酵的过程中，间歇或连续地向培养系统中补充新鲜培养基，在较长时间内维持地向培养系统中补充新鲜培养基，在较长时间内维持培养液中营养物相对稳定的发酵培养技术，是介于分培养液中营养物相对稳定的发酵培养技术，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵方式，又称为批发酵和连续发酵之间的一种发酵方式，又称为半连半连续发酵续发酵 v补料发酵兼有分批发酵和连续发酵的优点，同时又克服了补料发酵兼有分批发酵和连续发酵的优点，同时又克服了它们的缺点。与分批发酵相比，补料分批发酵可以解除微它们的缺点。与分批发酵相比，补料分批发酵可以解除微生物生长过程中营养基质的抑制、代谢产物的反馈抑制和生物生长过程中营养基质的抑制、代谢产
42、物的反馈抑制和葡萄糖效应等。有效调控发酵过程中微生物的生长量和生葡萄糖效应等。有效调控发酵过程中微生物的生长量和生长速率，以利于发酵的下游处理。且不会产生连续发酵中长速率，以利于发酵的下游处理。且不会产生连续发酵中菌种的变异衰退及容易污染等问题菌种的变异衰退及容易污染等问题 第68页，本讲稿共102页补料分批发酵的两种类型补料分批发酵的两种类型 v单一补料分批发酵单一补料分批发酵：开始发酵时，在发酵：开始发酵时，在发酵罐中加入适量的培养基进行发酵，在发酵罐中加入适量的培养基进行发酵，在发酵过程的适当时期，按照发酵微生物生长的过程的适当时期，按照发酵微生物生长的需要，开始分批或连续向发酵罐中流加
43、新需要，开始分批或连续向发酵罐中流加新鲜培养基，直到最大的发酵操作容积，停鲜培养基，直到最大的发酵操作容积，停止补料，发酵过程中不取出培养液，发酵止补料，发酵过程中不取出培养液，发酵结束后一次将培养物完全放出，进行发酵结束后一次将培养物完全放出，进行发酵的下有处理。的下有处理。v在单一补料发酵过程中，发酵体积受发酵在单一补料发酵过程中，发酵体积受发酵罐的操作容积的限制，发酵周期相对较短罐的操作容积的限制，发酵周期相对较短 第69页，本讲稿共102页v反复补料分批发酵反复补料分批发酵：是在单一补料发酵的：是在单一补料发酵的基础上，每隔一定的时间放出一定体积的基础上，每隔一定的时间放出一定体积的培
44、养液，将发酵液体积始终控制在发酵罐培养液，将发酵液体积始终控制在发酵罐的有效操作体积以内，直至发酵产率明显的有效操作体积以内，直至发酵产率明显下降，才全部放出发酵液下降，才全部放出发酵液 v反复补料分批发酵可以延长发酵周期，克反复补料分批发酵可以延长发酵周期，克服了单一补料分批发酵受发酵设备有效操服了单一补料分批发酵受发酵设备有效操作体积限制的缺点。作体积限制的缺点。第70页，本讲稿共102页第71页，本讲稿共102页第72页，本讲稿共102页第73页，本讲稿共102页第74页，本讲稿共102页第75页，本讲稿共102页温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制v温度对微生物的生长有着重
45、要的影响。微生物的生命活温度对微生物的生长有着重要的影响。微生物的生命活动可以看作是相互连续进行的酶促反应的过程，任何反动可以看作是相互连续进行的酶促反应的过程，任何反应都与温度有关，通常在生物学的范围内温度每升高应都与温度有关，通常在生物学的范围内温度每升高10，微生物的生长速度就增加一倍。但是温度过，微生物的生长速度就增加一倍。但是温度过高，会使微生物细胞内的酶和蛋白质发生变形或凝高，会使微生物细胞内的酶和蛋白质发生变形或凝固，破坏酶的活性而使微生物死亡固，破坏酶的活性而使微生物死亡 v从温度对微生物细胞内酶的影响来看，温度越高，酶反应从温度对微生物细胞内酶的影响来看，温度越高，酶反应的速
46、度就越大。微生物细胞的代谢速度加快，产物提前合的速度就越大。微生物细胞的代谢速度加快，产物提前合成。表现为菌体易于老化，发酵周期缩短，从而影响发酵成。表现为菌体易于老化，发酵周期缩短，从而影响发酵的最终产量的最终产量 第76页，本讲稿共102页v从温度对发酵液的物理性质的影响来看，从温度对发酵液的物理性质的影响来看，温度可以影响氧在发酵液中的溶解、氧的温度可以影响氧在发酵液中的溶解、氧的传递速率、微生物对某些基质的分解吸收传递速率、微生物对某些基质的分解吸收速率等间接影响微生物的生长和代谢产物速率等间接影响微生物的生长和代谢产物的合成，从而影响整个发酵过程的合成，从而影响整个发酵过程 v温度还
47、会影响生物合成的方向，如在四环温度还会影响生物合成的方向，如在四环素的发酵生产中，当温度低于素的发酵生产中，当温度低于30时，生时，生产菌株金色链霉菌主要合成金霉素，当温产菌株金色链霉菌主要合成金霉素，当温度升高到度升高到35时，该菌株只能合成四环素，时，该菌株只能合成四环素，金霉素的合成几乎停止金霉素的合成几乎停止 第77页，本讲稿共102页最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制 v发酵的最适温度是指在该温度下最适于微生物的生发酵的最适温度是指在该温度下最适于微生物的生长或产物的合成。长或产物的合成。v由于适合微生物生长的温度不一定适合产物的合成，因此由于适合微生物生长的温度不一定适合产物
48、的合成，因此对于不同的菌种、不同的培养条件以及不同的酶反应和不对于不同的菌种、不同的培养条件以及不同的酶反应和不同的生长阶段，最适温度也应有所不同。在实际发酵生产同的生长阶段，最适温度也应有所不同。在实际发酵生产过程中，往往不能在整个发酵周期中仅选择一个最适的培过程中，往往不能在整个发酵周期中仅选择一个最适的培养温度。养温度。v微生物的发酵温度的选择还应考虑到培养基的成分和微生物的发酵温度的选择还应考虑到培养基的成分和浓度浓度 v发酵温度的选择还应参考其它发酵条件灵活掌握，对发酵温度的选择还应参考其它发酵条件灵活掌握，对各种微生物在发酵各个阶段的最适温度的选择应从多各种微生物在发酵各个阶段的最
49、适温度的选择应从多方面进行考虑，通过大量的生产实践才能确实掌握其方面进行考虑，通过大量的生产实践才能确实掌握其规律规律 第78页，本讲稿共102页pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响vpH值会直接影响到微生物细胞内酶的活性，酶催化生化值会直接影响到微生物细胞内酶的活性，酶催化生化反应需要一个适宜的反应需要一个适宜的pH条件，当条件，当pH抑制菌体中某些酶抑制菌体中某些酶活性时，菌体的生长繁殖和新陈代谢活动受阻。活性时，菌体的生长繁殖和新陈代谢活动受阻。vpH影响微生物细胞膜的所带电荷的状态，使细胞膜的影响微生物细胞膜的所带电荷的状态，使细胞膜的渗透性改变，从而影响微生物的生长和新陈代谢的正
50、常渗透性改变，从而影响微生物的生长和新陈代谢的正常进行。进行。vpH不同，会影响培养液中的某些营养物质和中间代不同，会影响培养液中的某些营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的吸收利谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的吸收利用用 vpH值不同，会引起微生物代谢途径的改变，使代谢产物值不同，会引起微生物代谢途径的改变，使代谢产物的结构或比例发生改变，如黑曲霉在接近中性的条件下发的结构或比例发生改变，如黑曲霉在接近中性的条件下发酵产生草酸，而在酸性条件下则发酵产生柠檬酸。酵产生草酸，而在酸性条件下则发酵产生柠檬酸。第79页，本讲稿共102页正常情况下发酵过程中正常情况下发酵过程