—發(fā)酵工程制藥

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工程中的微生物發(fā)酵工程中的微生物第第三節(jié)三節(jié) 發(fā)酵設(shè)備及消毒滅菌發(fā)酵設(shè)備及消毒滅菌第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、發(fā)酵的相關(guān)概念一、發(fā)酵的相關(guān)概念 二、發(fā)酵工程的發(fā)展簡史二、發(fā)酵工程的發(fā)展簡史 三、發(fā)酵類型三、發(fā)酵類型四、微生物發(fā)酵生產(chǎn)的藥物四、微生物發(fā)酵生產(chǎn)的藥物五、發(fā)酵工程制藥特點及發(fā)展趨勢五、發(fā)酵工程制藥特點及發(fā)展趨勢第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、發(fā)酵的相關(guān)概念一、發(fā)酵的相關(guān)概念 微生物工程：自催化過微生物工程：自催化過程完整的工業(yè)體系程完整的工業(yè)體系( (一一) )發(fā)酵的定義發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來描述酵母菌最初發(fā)酵是用來描述酵

2、母菌 作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣 泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生 產(chǎn)過程。產(chǎn)過程。2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 指微生物在指微生物在無氧條件無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物量的一種方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。 如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出出CO2。3、工業(yè)上的發(fā)酵、工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程，包括：泛指利

3、用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程，包括：厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。酶制劑等。 產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。( (二二) )發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工業(yè) 定義：是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，然后對無定義：是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，然后對無機或有機原料進行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。機或有機原料進行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。 發(fā)酵食品發(fā)酵食品 有機酸有機酸 氨基酸氨基酸 核酸類物質(zhì)核酸類物質(zhì) 酶制劑酶制劑

4、醫(yī)藥工業(yè)（抗生素醫(yī)藥工業(yè)（抗生素） 飼料工業(yè)（單細胞蛋白飼料工業(yè)（單細胞蛋白 環(huán)境工程（廢物處理）環(huán)境工程（廢物處理） 其它其它 （冶金工業(yè)（冶金工業(yè)）抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等生物農(nóng)藥、生物肥料等（1）傳統(tǒng)生物技術(shù)）傳統(tǒng)生物技術(shù)（2）現(xiàn)代生物技術(shù)）現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程菌發(fā)酵基因工程菌發(fā)酵二、發(fā)酵工程的發(fā)展簡史二、發(fā)酵工程的發(fā)展簡史19世紀或更早：釀酒、酒變質(zhì)世紀或更早：釀酒、酒變質(zhì)20世紀初：一戰(zhàn)世紀初：一戰(zhàn)-丙酮丁醇的發(fā)酵丙酮丁醇的發(fā)酵1929年年1942：青霉素的

5、發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)：青霉素的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)20 世紀世紀40 年代：抗生素工業(yè)年代：抗生素工業(yè) 20 世紀世紀50 年代：氨基酸發(fā)酵工業(yè)年代：氨基酸發(fā)酵工業(yè) 20世紀世紀60年代：酶制劑工業(yè)年代：酶制劑工業(yè)70年代年代 ：非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵：非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵 80 年代以來：重組年代以來：重組DNA 技術(shù)技術(shù)第一個第一個 大規(guī)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的模工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵過程發(fā)酵過程厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵 有氧發(fā)酵有氧發(fā)酵三、發(fā)酵類型三、發(fā)酵類型1、微生物菌體發(fā)酵、微生物菌體發(fā)酵 是以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的是以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細胞的酵

6、母和藻類、擔子的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細胞的酵母和藻類、擔子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗、藥用微生物制劑等。疫苗、藥用微生物制劑等。 特點特點：細胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長：細胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。2、微生物的酶、微生物的酶 目前的酶多數(shù)來源于微生物發(fā)酵目前的酶多數(shù)來源于微生物發(fā)酵 醫(yī)用酶制劑的生產(chǎn)醫(yī)用酶制劑的生產(chǎn) 醫(yī)藥工業(yè)用酶醫(yī)藥工業(yè)用酶 酶的特點：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。酶的

7、特點：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。 生物合成特點：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等生物合成特點：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。條件等方面需給予注意。3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。 對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細胞自身生長所必需的，稱對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。 各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩

8、慢或停止生長各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物。1, 3-丙二醇兩步發(fā)酵法丙二醇兩步發(fā)酵法酵母酵母伯氏伯氏肺炎桿菌、丁酸梭菌等肺炎桿菌、丁酸梭菌等糖糖甘油甘油1, 3-丙二醇丙二醇4、微生物的生物轉(zhuǎn)化、微生物的生物轉(zhuǎn)化 定義：是利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基定義：是利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基團）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更多經(jīng)濟價團）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更多經(jīng)濟價值的化合物。值的化合物。 最終產(chǎn)物是由微生物細胞的酶或酶系對底物某

9、一特定部最終產(chǎn)物是由微生物細胞的酶或酶系對底物某一特定部位進行化學(xué)反應(yīng)而形成的。位進行化學(xué)反應(yīng)而形成的。5、微生物特殊機能的利用、微生物特殊機能的利用 利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡微生物濕法冶金微生物濕法冶金利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域。利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域。四、微生物發(fā)酵生產(chǎn)的藥物四、微生物發(fā)酵生產(chǎn)的藥物（一）抗生素類（一）抗生素類 約約9000種種 微生物發(fā)酵占微生物發(fā)酵占70，其中有價值的抗生素，幾乎全，其中有價值的抗生素，幾乎全部由微生物生產(chǎn)。部由微生物生產(chǎn)。 抗細菌、病毒、真菌、腫瘤、原蟲、寄生蟲

10、等抗細菌、病毒、真菌、腫瘤、原蟲、寄生蟲等（二）氨基酸類（二）氨基酸類 單個氨基酸制劑單個氨基酸制劑 復(fù)方氨基酸制劑復(fù)方氨基酸制劑 微生物發(fā)酵法微生物發(fā)酵法 酶轉(zhuǎn)化法酶轉(zhuǎn)化法黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑（三）核苷酸類（三）核苷酸類肌苷酸，肌苷，肌苷酸，肌苷，AMP，ATP，輔酶等。，輔酶等。（四）維生素類（四）維生素類 維生素維生素C的原料藥的原料藥2-酮基酮基-古龍酸，維生素古龍酸，維生素A的前體的前體-類胡蘿卜素，維生素類胡蘿卜素，維生素D2的前體麥角甾醇，維生的前體麥角甾醇，維生素素B2，B12等。等。（五）甾體類激素（五）甾體類激素 甾體類激素的生產(chǎn)過程中，一些

11、特異反應(yīng)需借助微甾體類激素的生產(chǎn)過程中，一些特異反應(yīng)需借助微生物的反應(yīng)。生物的反應(yīng)。（六）治療酶及酶抑制劑（六）治療酶及酶抑制劑 藥用酶藥用酶 酶抑制劑酶抑制劑五、發(fā)酵工程制藥特點及發(fā)展趨勢五、發(fā)酵工程制藥特點及發(fā)展趨勢（1）菌種是根本）菌種是根本（2）理論產(chǎn)量存在）理論產(chǎn)量存在“生物學(xué)變量生物學(xué)變量”（3）常溫常壓下反應(yīng)，安全，條件簡單）常溫常壓下反應(yīng)，安全，條件簡單（4）純種培養(yǎng)，防污染）純種培養(yǎng)，防污染（5）可制備復(fù)雜高分子化合物）可制備復(fù)雜高分子化合物（6）分子水平，定向發(fā)酵，組合生物合成等）分子水平，定向發(fā)酵，組合生物合成等（7）發(fā)酵工業(yè)成本低）發(fā)酵工業(yè)成本低菌種選育菌種選育自然界選

12、種、誘變育種、自然界選種、誘變育種、基因工程、細胞工程基因工程、細胞工程培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基配制根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則制備，根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則制備，實踐中需多次試驗配方實踐中需多次試驗配方滅菌滅菌殺滅雜菌（胞體、孢子殺滅雜菌（胞體、孢子及芽孢）及芽孢）擴大培養(yǎng)和接種擴大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程（中心階段）發(fā)酵過程（中心階段）檢測進程，滿足營養(yǎng)需要；檢測進程，滿足營養(yǎng)需要；嚴格控制溫度、嚴格控制溫度、pH、溶氧、溶氧、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)速等分離純化分離純化菌體：過濾、沉淀；代謝產(chǎn)物：菌體：過濾、沉淀；代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換蒸餾、萃取、離子交換發(fā)酵工程基本流程發(fā)酵工程基本流程發(fā)酵的基本過程發(fā)酵的基本過程發(fā)酵的

13、基本過程：菌種發(fā)酵的基本過程：菌種 種子制備種子制備 發(fā)酵發(fā)酵 預(yù)處理預(yù)處理 提取精制提取精制典型發(fā)酵過程典型發(fā)酵過程 微生物：指形體微?。ㄐ∮谖⑸铮褐感误w微?。ㄐ∮?.1mm），結(jié)構(gòu)簡單，在適），結(jié)構(gòu)簡單，在適宜環(huán)境中能迅速生長繁殖，易變異，通常要借助顯微鏡才能宜環(huán)境中能迅速生長繁殖，易變異，通常要借助顯微鏡才能看清楚的生物。目前已經(jīng)知道的微生物約有看清楚的生物。目前已經(jīng)知道的微生物約有10萬種，分布在萬種，分布在以下各界中：以下各界中：原核生物界原核生物界：例如細菌、放線菌、藍藻：例如細菌、放線菌、藍藻真菌界真菌界：例如酵母菌、霉菌、大型真菌：例如酵母菌、霉菌、大型真菌原生生物界原生生物

14、界：例如草履蟲、變形蟲、衣藻：例如草履蟲、變形蟲、衣藻病毒病毒：例如艾滋病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒、噬菌體：例如艾滋病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒、噬菌體一、常見的藥用微生物一、常見的藥用微生物第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工程中的微生物發(fā)酵工程中的微生物（一）細（一）細 菌菌細菌的形態(tài)：球形、桿形、螺旋形細菌的形態(tài)：球形、桿形、螺旋形螺旋菌螺旋菌球菌球菌桿菌桿菌細菌的繁殖細菌的繁殖 細菌主要是以二分裂的方式進行的無性繁殖細菌主要是以二分裂的方式進行的無性繁殖細菌的結(jié)構(gòu)細菌的結(jié)構(gòu) 特殊的結(jié)構(gòu)：特殊的結(jié)構(gòu)：莢膜、鞭毛、芽孢莢膜、鞭毛、芽孢莢膜莢膜 主要成分為主要成分為多糖多糖，與其，與其致病性致病性有關(guān)。有關(guān)。芽孢芽孢 細

15、菌生長到一定階段產(chǎn)生的一種抗逆性很強的細菌生長到一定階段產(chǎn)生的一種抗逆性很強的休眠體休眠體，以度過不良的環(huán)境。，以度過不良的環(huán)境。 一般說，芽孢不起繁一般說，芽孢不起繁殖作用，只起度過不良殖作用，只起度過不良環(huán)境的作用，芽孢對熱、環(huán)境的作用，芽孢對熱、紫外線和許多有毒化學(xué)紫外線和許多有毒化學(xué)物質(zhì)有很強的抗性物質(zhì)有很強的抗性細菌的菌落細菌的菌落 單個或者少數(shù)細菌在固體培養(yǎng)基上大量繁殖時，會單個或者少數(shù)細菌在固體培養(yǎng)基上大量繁殖時，會形成一個肉眼可見的、具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的子細胞群形成一個肉眼可見的、具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的子細胞群體。體。 細菌主要用于生產(chǎn)氨基酸，核苷酸，維生素等。細菌主要用于生產(chǎn)氨基酸

16、，核苷酸，維生素等。（二）放線菌（二）放線菌 介于細菌和真菌之間的一類微生物介于細菌和真菌之間的一類微生物 產(chǎn)抗生素最多的一類微生物產(chǎn)抗生素最多的一類微生物 另外生產(chǎn)另外生產(chǎn)B12，酶，甾體轉(zhuǎn)化，酶，甾體轉(zhuǎn)化鏈霉菌鏈霉菌放線菌放線菌放線菌的分布放線菌的分布 放線菌在自然界分布很廣，在土壤、堆肥和湖放線菌在自然界分布很廣，在土壤、堆肥和湖底、河底的淤泥等處，尤其在土壤中種類和數(shù)量很底、河底的淤泥等處，尤其在土壤中種類和數(shù)量很多。多。放線菌的繁殖放線菌的繁殖 放線菌沒有有性繁殖，主要通過形成放線菌沒有有性繁殖，主要通過形成無性抱子無性抱子形式進行無性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子在形式進行無性繁殖

17、，成熟的分生孢子或孢囊孢子在適宜環(huán)境里發(fā)芽形成新的菌絲體。適宜環(huán)境里發(fā)芽形成新的菌絲體。常見放線菌：常見放線菌：連霉菌屬連霉菌屬 鏈霉素、金霉素、四環(huán)素鏈霉素、金霉素、四環(huán)素諾卡氏菌屬諾卡氏菌屬 利福霉素利福霉素小單孢菌屬小單孢菌屬 慶大霉素慶大霉素游動放線菌屬游動放線菌屬 創(chuàng)新霉素創(chuàng)新霉素產(chǎn)生抗生素最多產(chǎn)生抗生素最多的一類微生物的一類微生物 抗生素是次級代謝產(chǎn)物，需要生物體進行復(fù)雜的代謝，抗生素是次級代謝產(chǎn)物，需要生物體進行復(fù)雜的代謝，目前發(fā)現(xiàn)的生物來源如下：目前發(fā)現(xiàn)的生物來源如下：（鏈霉素；四環(huán)素；紅（鏈霉素；四環(huán)素；紅霉素等）霉素等）（青霉素、頭孢等）（青霉素、頭孢等）（三）真菌（三）真

18、菌 抗生素、維生素、酶制劑、抗生素、維生素、酶制劑、有機酸等有機酸等 食藥用真菌（大型真菌）食藥用真菌（大型真菌）藻狀菌綱：根霉、犁頭霉藻狀菌綱：根霉、犁頭霉子囊菌綱：酵母子囊菌綱：酵母擔子菌綱：牛肝菌、靈芝擔子菌綱：牛肝菌、靈芝半知菌綱：曲霉、青霉、頭孢霉半知菌綱：曲霉、青霉、頭孢霉 傘菌類。屬于真核生物，但不含葉綠素，無根、莖、傘菌類。屬于真核生物，但不含葉綠素，無根、莖、葉，由單細胞或多細胞組成，按有性或無性方式繁殖。在葉，由單細胞或多細胞組成，按有性或無性方式繁殖。在自然界分布廣泛，以寄生或腐生方式存在。自然界分布廣泛，以寄生或腐生方式存在。代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物：抗生素（青、頭孢、灰黃）、

19、維生素、酶制劑、：抗生素（青、頭孢、灰黃）、維生素、酶制劑、各種有機酸、葡萄糖酸、麥角堿各種有機酸、葡萄糖酸、麥角堿直接入藥直接入藥：冬蟲夏草、麥角、神曲、僵蠶、靈芝等：冬蟲夏草、麥角、神曲、僵蠶、靈芝等二、生產(chǎn)菌種的選育二、生產(chǎn)菌種的選育工業(yè)化菌種的要求工業(yè)化菌種的要求遺傳性能要相對穩(wěn)定遺傳性能要相對穩(wěn)定生長速度快，不易感染其它微生物或噬菌體生長速度快，不易感染其它微生物或噬菌體目標產(chǎn)物產(chǎn)量接近理論轉(zhuǎn)化值目標產(chǎn)物產(chǎn)量接近理論轉(zhuǎn)化值目標產(chǎn)物分泌到胞外目標產(chǎn)物分泌到胞外盡可能減少類似物產(chǎn)量盡可能減少類似物產(chǎn)量能夠利用廉價的原料，簡單的培養(yǎng)基，大量高能夠利用廉價的原料，簡單的培養(yǎng)基，大量高效地合成

20、產(chǎn)物效地合成產(chǎn)物自然狀態(tài)下，堿基對發(fā)生自然突變的機率為自然狀態(tài)下，堿基對發(fā)生自然突變的機率為10-810-9一種是我們生產(chǎn)上所不希望看到的，表現(xiàn)為菌株的一種是我們生產(chǎn)上所不希望看到的，表現(xiàn)為菌株的衰退和生產(chǎn)質(zhì)量的下降，這種突變成為衰退和生產(chǎn)質(zhì)量的下降，這種突變成為負突變負突變。另一種是我們生產(chǎn)上希望看到的，對生產(chǎn)有利，這另一種是我們生產(chǎn)上希望看到的，對生產(chǎn)有利，這種突變成為種突變成為正突變正突變。1、自然選育、自然選育（1）采樣）采樣（2）分離菌株）分離菌株自然選育：自然選育：一般習慣上將自然選育稱為菌種的一般習慣上將自然選育稱為菌種的分離純化分離純化。平板分離平板分離（注意形態(tài)的觀察）（注意

21、形態(tài)的觀察）發(fā)酵試驗發(fā)酵試驗單細胞（孢子）懸液的制備單細胞（孢子）懸液的制備挑選單菌落挑選單菌落禮來公司花了禮來公司花了10年年的時間從的時間從40萬株微萬株微生物中，發(fā)現(xiàn)了三生物中，發(fā)現(xiàn)了三種有潛力的新抗生種有潛力的新抗生素。素。土樣（梯度稀釋法）土樣（梯度稀釋法）2、自發(fā)突變與定向育種、自發(fā)突變與定向育種 一定情況下，長期處理微生物并移種，累積自發(fā)突一定情況下，長期處理微生物并移種，累積自發(fā)突變體。變體。 結(jié)構(gòu)類似物結(jié)構(gòu)類似物：在化學(xué)和空間結(jié)構(gòu)上和代謝的中間物：在化學(xué)和空間結(jié)構(gòu)上和代謝的中間物（終產(chǎn)物）相似，因而在代謝調(diào)節(jié)方面可以代替代（終產(chǎn)物）相似，因而在代謝調(diào)節(jié)方面可以代替代謝中間物（

22、終產(chǎn)物）的功能，但細胞不能以其作為謝中間物（終產(chǎn)物）的功能，但細胞不能以其作為自身的營養(yǎng)物質(zhì)。自身的營養(yǎng)物質(zhì)。 篩選抗性株，可成為高產(chǎn)株。篩選抗性株，可成為高產(chǎn)株。直接從自然界分離得到的菌株為直接從自然界分離得到的菌株為野生型菌株野生型菌株。（往往低產(chǎn)甚至不產(chǎn)所需的產(chǎn)物，只有經(jīng)過進（往往低產(chǎn)甚至不產(chǎn)所需的產(chǎn)物，只有經(jīng)過進一步的人工改造才能真正用于工業(yè)生產(chǎn)）一步的人工改造才能真正用于工業(yè)生產(chǎn)） 菌種選育菌種選育突變、體內(nèi)重組突變、體內(nèi)重組體外重組（基因工程）體外重組（基因工程）3、誘變育種、誘變育種用用各種物理、化學(xué)的因素人工誘發(fā)基因突變進行的篩各種物理、化學(xué)的因素人工誘發(fā)基因突變進行的篩選，稱

23、為選，稱為誘變育種。誘變育種。誘變劑誘變劑：能夠提高生物體突變頻率的物質(zhì)。：能夠提高生物體突變頻率的物質(zhì)。誘變劑誘變劑物理：紫外線，快中子物理：紫外線，快中子化學(xué)：硫酸二乙酯，亞硝基胍化學(xué)：硫酸二乙酯，亞硝基胍 物理誘變劑物理誘變劑：紫外線、：紫外線、X-射線、射線、-射線，快中子；目射線，快中子；目前使用得最方便而且十分有效的是前使用得最方便而且十分有效的是紫外線紫外線。許多高。許多高產(chǎn)菌株的選育都用過紫外線，對于一般實驗室、中產(chǎn)菌株的選育都用過紫外線，對于一般實驗室、中小型工廠都適用，也很安全。小型工廠都適用，也很安全。 化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑：堿基類似物、：堿基類似物、5-氟尿嘧啶、烷化劑

24、等。氟尿嘧啶、烷化劑等。使用最多、最有效的是使用最多、最有效的是烷化劑烷化劑。大多數(shù)情況下，就。大多數(shù)情況下，就突變數(shù)量而言，要比電離輻射更有效。突變數(shù)量而言，要比電離輻射更有效。誘變育種步驟誘變育種步驟出發(fā)菌株的選擇出發(fā)菌株的選擇處理菌懸液的制備處理菌懸液的制備誘變處理誘變處理中間培養(yǎng)中間培養(yǎng)分離和篩選分離和篩選隨機篩選隨機篩選形態(tài)形態(tài)理性化篩選理性化篩選4、原生質(zhì)體融合、原生質(zhì)體融合兩個細胞融合兩個細胞融合 原生質(zhì)體融合的一般程序原生質(zhì)體融合的一般程序去細胞壁融合篩選去細胞壁融合篩選 酶：溶菌酶，纖維素酶，蝸牛酶酶：溶菌酶，纖維素酶，蝸牛酶基因突變：自然選育、誘變育種基因突變：自然選育、誘

25、變育種基因重組基因重組：雜交、原生質(zhì)體融合、基因工程雜交、原生質(zhì)體融合、基因工程基因的直接進化基因的直接進化：點突變、易錯點突變、易錯PCR、同序法、同序法DNA Shuffling等等5、基因重組進化育種、基因重組進化育種從自然界分離的菌種從自然界分離的菌種產(chǎn)產(chǎn) 品品基因工程基因工程誘變育種誘變育種誘變育種誘變育種生產(chǎn)用菌種生產(chǎn)用菌種擴大培養(yǎng)擴大培養(yǎng)原原 料料微生物菌體微生物菌體代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物分離提純分離提純發(fā)酵罐發(fā)酵罐發(fā)酵條件控制發(fā)酵條件控制接種接種培養(yǎng)基配置培養(yǎng)基配置滅菌滅菌三、菌種保藏三、菌種保藏 在生產(chǎn)發(fā)酵中，具有高產(chǎn)有重要經(jīng)濟價值的某一期待代在生產(chǎn)發(fā)酵中，具有高產(chǎn)有重要經(jīng)濟價值的

26、某一期待代謝產(chǎn)物主能力的微生物菌種的保存和長期保藏，對于一謝產(chǎn)物主能力的微生物菌種的保存和長期保藏，對于一成功的工業(yè)發(fā)酵過程極為重要。成功的工業(yè)發(fā)酵過程極為重要。 斜面低溫法：短期保存斜面低溫法：短期保存 石蠟油封存法：中期保存石蠟油封存法：中期保存 沙土管：產(chǎn)孢子和芽孢的沙土管：產(chǎn)孢子和芽孢的 麩皮保存法：產(chǎn)孢子的霉菌和放線菌，工廠用麩皮保存法：產(chǎn)孢子的霉菌和放線菌，工廠用 甘油懸液法：基因工程菌甘油懸液法：基因工程菌 凍干保藏凍干保藏 ：最廣泛使用的方法。大部分菌種可以在：最廣泛使用的方法。大部分菌種可以在凍干狀態(tài)下保藏凍干狀態(tài)下保藏10年之久。且經(jīng)凍干后的菌株無需進年之久。且經(jīng)凍干后的菌

27、株無需進行冷凍保藏，便于運輸行冷凍保藏，便于運輸 液氮法：最為有效，保藏液氮法：最為有效，保藏15年以上，年以上， 宿主保藏法：活細胞內(nèi)寄生的微生物宿主保藏法：活細胞內(nèi)寄生的微生物第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵設(shè)備及消毒滅菌發(fā)酵設(shè)備及消毒滅菌一、發(fā)酵設(shè)備一、發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵罐是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一發(fā)酵罐是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一一個優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)具有：一個優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)具有： 嚴密的結(jié)構(gòu)嚴密的結(jié)構(gòu) 良好的液體混合性能良好的液體混合性能 高的傳質(zhì)和傳熱速率高的傳質(zhì)和傳熱速率 靈敏的檢測和控制儀表靈敏的檢測和控制儀表1、攪拌釜式反應(yīng)器、攪拌釜式反應(yīng)器目前使用最廣泛的發(fā)酵反應(yīng)器目前使用最廣泛的發(fā)酵反應(yīng)器

28、 適宜的徑高比，罐身較長，氧利用率較高適宜的徑高比，罐身較長，氧利用率較高 能耐受一定的壓力能耐受一定的壓力 攪拌通風裝置攪拌通風裝置 足夠的冷卻面積足夠的冷卻面積 罐內(nèi)要減少死角罐內(nèi)要減少死角 攪拌器的軸封要嚴密，以減少泄露攪拌器的軸封要嚴密，以減少泄露 罐罐 體體 培養(yǎng)微生物的巨大容器，密閉式的，在發(fā)酵過程中要培養(yǎng)微生物的巨大容器，密閉式的，在發(fā)酵過程中要保持一定的罐壓，通常滅菌的壓力約為保持一定的罐壓，通常滅菌的壓力約為2.5105 Pa； 形狀，圓柱形，兩端橢圓形形狀，圓柱形，兩端橢圓形, 受力均勻，減少死角，受力均勻，減少死角，物料容易排除；物料容易排除； 高度與直徑比高度與直徑比1

29、.74:1，有力空氣利用率。，有力空氣利用率。攪拌器攪拌器檔板檔板 克服攪拌器運轉(zhuǎn)時液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流動改變克服攪拌器運轉(zhuǎn)時液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流動改變?yōu)檩S向流動，促使液體激烈翻動，增加溶氧速率。為軸向流動，促使液體激烈翻動，增加溶氧速率。消泡器消泡器 鋸齒式、梳狀式及孔板式；鋸齒式、梳狀式及孔板式； 裝于攪拌軸上，齒面略高于液面；裝于攪拌軸上，齒面略高于液面； 直徑罐徑的直徑罐徑的0.80.9。 罐體表面各種裝置：罐體表面各種裝置： 中大型發(fā)酵罐裝有供維修、清洗的入孔；中大型發(fā)酵罐裝有供維修、清洗的入孔； 罐頂裝有窺鏡和孔燈，在其內(nèi)面裝有壓縮空氣或蒸汽罐頂裝有窺鏡和孔燈，在其內(nèi)面裝有

30、壓縮空氣或蒸汽吹管；吹管； 罐頂接管：進料管、補料管、排氣管、接種管、壓力罐頂接管：進料管、補料管、排氣管、接種管、壓力表接管；表接管； 罐身接管：冷卻水進出管、空氣進管、溫度計管和測罐身接管：冷卻水進出管、空氣進管、溫度計管和測控儀器接口。控儀器接口。三、發(fā)酵輔助設(shè)備三、發(fā)酵輔助設(shè)備 無菌空氣系統(tǒng)：過濾除菌無菌空氣系統(tǒng)：過濾除菌（使用活性炭，石棉濾板，（使用活性炭，石棉濾板，多孔合成樹脂等）多孔合成樹脂等） 滅菌系統(tǒng)滅菌系統(tǒng) 發(fā)酵車間的管道閥門等發(fā)酵車間的管道閥門等 發(fā)酵對無菌空氣的要求是發(fā)酵對無菌空氣的要求是 ：無菌，無灰塵，無雜質(zhì)，：無菌，無灰塵，無雜質(zhì)，無水，無油，正壓等幾項指標；無水

31、，無油，正壓等幾項指標； 發(fā)酵對無菌空氣的無菌程度要求是：只要在發(fā)酵過程發(fā)酵對無菌空氣的無菌程度要求是：只要在發(fā)酵過程中不因無菌空氣染菌，而造成損失即可。中不因無菌空氣染菌，而造成損失即可。 在工程設(shè)計中一般要求在工程設(shè)計中一般要求1000次使用周期中只允許有一次使用周期中只允許有一個菌通過，即經(jīng)過濾后空氣的無菌程度為個菌通過，即經(jīng)過濾后空氣的無菌程度為N=10-3。 高空取氣管是遠離地面幾十高空取氣管是遠離地面幾十米的管子。米的管子。 地面附近空氣中所含的微生地面附近空氣中所含的微生物和灰塵等均比高空空氣中物和灰塵等均比高空空氣中含的多，每升高含的多，每升高1010米，空氣米，空氣中雜菌可降

32、低一個數(shù)量級。中雜菌可降低一個數(shù)量級。 因此從高空取氣要比從低空因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。取氣有利得多。 油水分離器油水分離器 其內(nèi)部同時采用直接攔截、其內(nèi)部同時采用直接攔截、慣性碰撞和布朗擴散及凝聚等慣性碰撞和布朗擴散及凝聚等機理，能有效地去除空氣中的機理，能有效地去除空氣中的水、油霧、塵埃，內(nèi)部不銹鋼水、油霧、塵埃，內(nèi)部不銹鋼絲網(wǎng)可清洗，使用壽命長。絲網(wǎng)可清洗，使用壽命長。 發(fā)酵車間的空氣過濾器發(fā)酵車間的空氣過濾器四、培養(yǎng)基和滅菌四、培養(yǎng)基和滅菌（一）培養(yǎng)基（一）培養(yǎng)基C源源N源源無機鹽無機鹽前體，促進劑，抑制劑前體，促進劑，抑制劑培養(yǎng)基的類型培養(yǎng)基的類型 孢子培養(yǎng)基：一般用固

33、體培養(yǎng)基，孢子培養(yǎng)基：一般用固體培養(yǎng)基，N源不能豐富如：源不能豐富如：小米或麩皮培養(yǎng)基。小米或麩皮培養(yǎng)基。 種子培養(yǎng)基：速效的種子培養(yǎng)基：速效的C、N源，與發(fā)酵培養(yǎng)基過渡。源，與發(fā)酵培養(yǎng)基過渡。 發(fā)酵培養(yǎng)基：遲效與速效的發(fā)酵培養(yǎng)基：遲效與速效的C、N源搭配，加前體等源搭配，加前體等。（二）滅菌方法（二）滅菌方法1、空罐滅菌、空罐滅菌 高壓水蒸氣，消滅死角。高壓水蒸氣，消滅死角。當培養(yǎng)基（或物料）尚未當培養(yǎng)基（或物料）尚未進罐前對罐進行預(yù)先滅菌進罐前對罐進行預(yù)先滅菌蒸汽下進上出蒸汽下進上出2、實罐滅菌、實罐滅菌 效果最好，效果最好，121，30-50分鐘分鐘 三路進汽：直接蒸汽從通風、取樣和出料

34、口進入罐三路進汽：直接蒸汽從通風、取樣和出料口進入罐內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時間。間。3、連續(xù)滅菌、連續(xù)滅菌營養(yǎng)破壞最少，營養(yǎng)破壞最少，128-138 ，8-12分鐘分鐘。發(fā)酵的流程發(fā)酵的流程空氣空氣空氣凈化處理空氣凈化處理保藏菌種保藏菌種斜面活化斜面活化擴大培養(yǎng)擴大培養(yǎng)種子罐種子罐主發(fā)酵主發(fā)酵碳源、氮源、碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)滅菌滅菌產(chǎn)物分離純化產(chǎn)物分離純化成品成品五、種子的制備五、種子的制備 種子擴大培養(yǎng)是指將保存在種子擴大培養(yǎng)是指將保存在砂土管砂土管、冷凍干燥管冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面

35、活化后，再經(jīng)中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)，最終獲得一定過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)，最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子種子。谷氨酸生產(chǎn)的種子制備谷氨酸生產(chǎn)的種子制備斜面菌種斜面菌種 一級種子培養(yǎng)一級種子培養(yǎng) 二級二級種子培養(yǎng)種子培養(yǎng) 發(fā)酵發(fā)酵1、斜、斜 面面培養(yǎng)基：蛋白胨培養(yǎng)基：蛋白胨 1%，牛肉膏，牛肉膏1%，氯化鈉，氯化鈉 0.5 瓊脂瓊脂 2%， pH 7.07.2培養(yǎng)基特點：培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，原料比較精細有利于菌體的生長，原料比較精細培養(yǎng)條件：培養(yǎng)條件：32，

36、生長，生長1824小時小時生長斜面要求：生長斜面要求：生長良好，所使用斜面連續(xù)傳代不生長良好，所使用斜面連續(xù)傳代不超過超過3次次2、一級種子（搖瓶）、一級種子（搖瓶）培養(yǎng)條件：于培養(yǎng)條件：于1000mL三角瓶中，裝液三角瓶中，裝液200-250mL，32培養(yǎng)培養(yǎng)12h培養(yǎng)基：葡萄糖培養(yǎng)基：葡萄糖2%，尿素，尿素0.5%，玉米漿，玉米漿 2.5%，K2HPO4 0.1%培養(yǎng)基特點：培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，所使用的原料已經(jīng)基有利于菌體的生長，所使用的原料已經(jīng)基 本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基3、二、二級級種子（種子罐）種子（種子罐）培養(yǎng)條件：在種子罐中培養(yǎng)（容積為發(fā)酵罐的培養(yǎng)條件：在種

37、子罐中培養(yǎng)（容積為發(fā)酵罐的1%），）， 32培養(yǎng)培養(yǎng)710個小時個小時培養(yǎng)基：和一級種子相似，其中葡萄糖用水解糖代替，培養(yǎng)基：和一級種子相似，其中葡萄糖用水解糖代替， 濃度為濃度為2.5%培養(yǎng)基的特點培養(yǎng)基的特點：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基 實驗室階段：實驗室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因此形象地將這些培養(yǎng)過程稱為實驗室階段的種子培養(yǎng)。此形象地將這些培養(yǎng)過程稱為實驗室階段的種子培養(yǎng)。 生產(chǎn)車間階段生產(chǎn)車間階段：種子培

38、養(yǎng)在種子罐里面進行，一般在工程：種子培養(yǎng)在種子罐里面進行，一般在工程歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車間階段。間階段。種子制備的過程種子制備的過程六、六、微生物的發(fā)酵方式微生物的發(fā)酵方式分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)1、分批發(fā)酵、分批發(fā)酵 簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加沒有物料的加入和取出入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時間變濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都

39、隨時間變化?；?。 優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌機會少，生產(chǎn)過程和優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌機會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。 缺點：產(chǎn)率低，不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)。缺點：產(chǎn)率低，不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)。分批培養(yǎng)中微生物的生長分批培養(yǎng)中微生物的生長延遲期延遲期對數(shù)生長期對數(shù)生長期穩(wěn)穩(wěn) 定定 期期死亡期死亡期 延遲期延遲期，菌體沒有分裂只有生長。，菌體沒有分裂只有生長。 對數(shù)生長期對數(shù)生長期, ,當細胞內(nèi)的與細胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度當細胞內(nèi)的與細胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達到一定程度，細胞開始分裂，這時細胞生長很快。達到一定程度，細胞開始分裂，這時細胞生長很快。 隨著細胞生長，培養(yǎng)液中的

40、營養(yǎng)物減少，廢物積累，隨著細胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物積累，導(dǎo)致細胞生長速率下降，進入導(dǎo)致細胞生長速率下降，進入穩(wěn)定期穩(wěn)定期。最后當細胞死。最后當細胞死亡速率大于生成速率，進入亡速率大于生成速率，進入死亡期死亡期。 對于對于初級代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，而積累，而次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。大量合成。2、補料分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束

41、的缺點。 在此過程中在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出只有料液的加入沒有料液的取出，所以，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。在發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點 優(yōu)點優(yōu)點：在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避：在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補料控制達到免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補料控制達到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；還可以利用計算機控制最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；還可以利用計算機控制合理的補料速率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)

42、工藝。合理的補料速率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)工藝。 缺點缺點：由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生：由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌機會產(chǎn)速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌機會3、半連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng) 補料分批培養(yǎng)基礎(chǔ)上，加上補料分批培養(yǎng)基礎(chǔ)上，加上間歇放掉部分發(fā)酵液間歇放掉部分發(fā)酵液進入進入下游提取的操作方式。某些品種采取這種方式，如四下游提取的操作方式。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵。環(huán)素發(fā)酵。 優(yōu)點優(yōu)點：放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液，使代謝有：放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。害物得以稀

43、釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。 缺點缺點：代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大。：代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大。4、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng) 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。 達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。制性基質(zhì)濃度都是恒定的。 優(yōu)點優(yōu)點：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。通過改變稀釋速率可以比周期長，得到高的產(chǎn)量。通過

44、改變稀釋速率可以比較容易的研究菌生長的動力學(xué)。較容易的研究菌生長的動力學(xué)。 缺點缺點：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時間補料染菌機會大大增加。退化，降低產(chǎn)量。長時間補料染菌機會大大增加。七、發(fā)酵過程中的中間分析項目七、發(fā)酵過程中的中間分析項目1、產(chǎn)、產(chǎn) 量量 發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)物的積累，以發(fā)酵單位表示發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)物的積累，以發(fā)酵單位表示 化學(xué)化學(xué)測定法：簡單，但受結(jié)構(gòu)類似物的影響，發(fā)酵測定法：簡單，但受結(jié)構(gòu)類似物的影響，發(fā)酵過程中采用。過程中采用。 生物生物測定法：麻煩，人為誤差大，發(fā)酵終點采用。測定法：麻煩，人為誤差大，發(fā)酵終點

45、采用。2、 pH pH與微生物的生命活動密切相關(guān)與微生物的生命活動密切相關(guān)酶催化活性酶催化活性 pH的變化又是微生物代謝狀況的綜合反應(yīng)的變化又是微生物代謝狀況的綜合反應(yīng)基質(zhì)代基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況謝、產(chǎn)物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況3、糖、糖 糖的消耗糖的消耗：反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況；：反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況； 反映產(chǎn)物合成的活力。反映產(chǎn)物合成的活力。 菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每?。通過菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每?。通過糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補糖糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補糖來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)pH，促進產(chǎn)

46、物合成，不致于盲目補糖，造成，促進產(chǎn)物合成，不致于盲目補糖，造成發(fā)酵不正常。發(fā)酵不正常。4、菌絲形態(tài)、菌絲形態(tài)八、發(fā)酵過程的影響因素及控制八、發(fā)酵過程的影響因素及控制 發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分 同樣的菌種，同樣的培養(yǎng)基在不同工廠，不同批次會同樣的菌種，同樣的培養(yǎng)基在不同工廠，不同批次會得到不同的結(jié)果，可見發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，得到不同的結(jié)果，可見發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌比如設(shè)備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時間的長短，發(fā)酵過程的細微差別都會引起微種保藏時間的長短，發(fā)酵過程的細微差別都會引起微生

47、物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于控制代謝是十分必要的。法對于控制代謝是十分必要的。（一）菌體濃度的影響及控制（一）菌體濃度的影響及控制 菌體濃度反應(yīng)菌體細胞數(shù)和生理特性。菌體濃度反應(yīng)菌體細胞數(shù)和生理特性。 結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的生物，分裂所需時間越長。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的生物，分裂所需時間越長。 發(fā)酵中菌液需控制在合理濃度中，過高，營養(yǎng)消耗發(fā)酵中菌液需控制在合理濃度中，過高，營養(yǎng)消耗過快，有毒廢物積累，改變菌體代謝途徑，影響溶過快，有毒廢物積累，改變菌體代謝途徑，影響溶氧；過低，產(chǎn)率下降。氧；過低，產(chǎn)率下降。 依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基和補料控制菌體濃度。依靠

48、調(diào)節(jié)培養(yǎng)基和補料控制菌體濃度。（二）（二） 培養(yǎng)基的影響及其控制培養(yǎng)基的影響及其控制1、碳、碳 源源 葡萄糖速效碳源，生長菌體。葡萄糖速效碳源，生長菌體。 淀粉等遲效碳源，發(fā)酵次級代謝產(chǎn)物。淀粉等遲效碳源，發(fā)酵次級代謝產(chǎn)物。 一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。2、氮、氮 源源 氨基酸，玉米漿等速效氮源，生長菌體。氨基酸，玉米漿等速效氮源，生長菌體。 豆餅等遲效氮源，發(fā)酵次級代謝產(chǎn)物。

49、豆餅等遲效氮源，發(fā)酵次級代謝產(chǎn)物。 氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。3、磷酸鹽和微量元素、磷酸鹽和微量元素 微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根；發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根； 抗生素對磷酸鹽濃度很敏感；抗生素對磷酸鹽濃度很敏感； 生長濃度：生長濃度：0.32300 M； 生產(chǎn)濃度：生產(chǎn)濃度：1.0 M； 采用生長適量亞磷酸鹽濃度。采用生長適量亞磷酸鹽濃度。4、補、補 料料 補

50、基質(zhì)和前體；補基質(zhì)和前體； 中途補料，豐富培養(yǎng)基，避免菌體過早衰老，控中途補料，豐富培養(yǎng)基，避免菌體過早衰老，控制制pH，改善通氣等；，改善通氣等； 通常在生長旺盛期后期，發(fā)酵液泡沫位下降，這通常在生長旺盛期后期，發(fā)酵液泡沫位下降，這時耗氧大，溶氧水平接近臨界點；時耗氧大，溶氧水平接近臨界點； 補料少量多次。補料少量多次。（三）溫度的影響及其控制（三）溫度的影響及其控制1、溫度影響反應(yīng)速率、溫度影響反應(yīng)速率 發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適溫度。另外，溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)。有一個最適溫度。另外，溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)。 2、溫

51、度影響發(fā)酵方向、溫度影響發(fā)酵方向 四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于環(huán)素，當溫度低于30時，這種菌合成金霉素能力較時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到35 時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。3、影響發(fā)酵溫度變化的因素、影響發(fā)酵溫度變化的因素（1）生物熱）生物熱 微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多。微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多。（2）攪拌熱）攪拌熱（3）蒸發(fā)熱）蒸發(fā)熱通氣時，引起

52、發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，進而產(chǎn)生的熱量。通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，進而產(chǎn)生的熱量。（4）輻射熱）輻射熱發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。過罐體向外輻射。4、溫度的選擇與控制、溫度的選擇與控制（1）最適溫度的選擇）最適溫度的選擇 嗜冷菌適應(yīng)于嗜冷菌適應(yīng)于026 生長，嗜溫菌適應(yīng)于生長，嗜溫菌適應(yīng)于1543 生長，嗜熱菌適應(yīng)于生長，嗜熱菌適應(yīng)于3765 生長，嗜高溫菌適生長，嗜高溫菌適應(yīng)于應(yīng)于65 以上生長。以上生長。 最適生長溫度，最適生產(chǎn)（發(fā)酵）溫度。最適生長溫度，最適生產(chǎn)（發(fā)酵）溫度。 發(fā)酵前期發(fā)酵前期要盡快達到大量的菌

53、體，取稍要盡快達到大量的菌體，取稍高高的溫度，促使的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速； 中期菌量中期菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低低一些，可以推遲衰一些，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質(zhì)和核酸的正常老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴密有利于產(chǎn)物合成。途徑關(guān)閉得比較嚴密有利于產(chǎn)物合成。 發(fā)酵后期發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，產(chǎn)物合成能力降低，提高提高溫度，刺激產(chǎn)物合溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如四環(huán)素生

54、長階段成到放罐。如四環(huán)素生長階段28 ，合成期，合成期26 ，后后期再升溫；黑曲霉生長期再升溫；黑曲霉生長37 ，產(chǎn)糖化酶，產(chǎn)糖化酶3234 。但。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長長3032 ，產(chǎn)酸，產(chǎn)酸3437 。（2）溫度的控制）溫度的控制 加溫加溫 冷卻水冷卻水（四）（四）pH的影響及其控制的影響及其控制upH與微生物的生命活動密切相關(guān)與微生物的生命活動密切相關(guān) 酶催化活性；酶催化活性；upH的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映基質(zhì)代基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況；謝、產(chǎn)

55、物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況；u通過觀察通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。1、發(fā)酵過程的、發(fā)酵過程的pH控制控制 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察是不斷變化的，通過觀察pH變變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。2、產(chǎn)物形成、產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變變化。如有機酸類產(chǎn)生使化。如有機酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。上升。3、菌體自溶，、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期

56、，上升，發(fā)酵后期，pH上升上升（五）溶氧的影響及其控制（五）溶氧的影響及其控制 溶氧（溶氧（DO）是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程）是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。因素。 供氧不足，代謝異常。供氧不足，代謝異常。 通氣，攪拌。通氣，攪拌。 1、溶氧的影響、溶氧的影響 在在28氧在發(fā)酵液中的氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度的空氣飽和濃度只有只有0.25 M左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在倍。在對數(shù)對數(shù)生長期生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100空氣飽

57、和度，空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。2、發(fā)酵過程的溶氧變化、發(fā)酵過程的溶氧變化 發(fā)酵初期，生產(chǎn)菌大量繁殖，需氧，溶氧下降；發(fā)酵初期，生產(chǎn)菌大量繁殖，需氧，溶氧下降； 過了生長階段，需氧減少，溶氧上升；過了生長階段，需氧減少，溶氧上升； 發(fā)酵中后期，分批發(fā)酵的溶氧不變；發(fā)酵中后期，分批發(fā)酵的溶氧不變； 生產(chǎn)后期，菌體衰老，溶氧上升。生產(chǎn)后期，菌體衰老，溶氧上升。3、溶氧濃度的控制、溶氧濃度的控制 通氣，攪拌通氣，攪拌 補料補料（六）（六）CO2的影響及控制的影響及

58、控制 CO2是微生物代謝產(chǎn)物，溶解在發(fā)酵液中的是微生物代謝產(chǎn)物，溶解在發(fā)酵液中的CO2對發(fā)對發(fā)酵有刺激或抑制作用；酵有刺激或抑制作用； CO2和和HCO3影響膜的結(jié)構(gòu)；影響膜的結(jié)構(gòu)； CO2使使pH下降；下降； 影響菌體的呼吸速率等；影響菌體的呼吸速率等； CO2對產(chǎn)物抑制，則降低濃度，對產(chǎn)物促進，則增加對產(chǎn)物抑制，則降低濃度，對產(chǎn)物促進，則增加濃度；濃度； 降低通氣攪拌，則增加降低通氣攪拌，則增加CO2在發(fā)酵液中溶解度。在發(fā)酵液中溶解度。（七）發(fā)酵過程泡沫的形成與控制（七）發(fā)酵過程泡沫的形成與控制u發(fā)酵過程起泡的利弊：氣體分散、增加氣液接觸面積，發(fā)酵過程起泡的利弊：氣體分散、增加氣液接觸面積

59、，但過多的泡沫是有害的。但過多的泡沫是有害的。u泡沫產(chǎn)生的原因泡沫產(chǎn)生的原因（1）通氣攪拌的強烈程度通氣攪拌的強烈程度：通氣大、攪拌強烈可使泡：通氣大、攪拌強烈可使泡沫增多，因此在發(fā)酵前期由于培養(yǎng)基營養(yǎng)成分消耗少，沫增多，因此在發(fā)酵前期由于培養(yǎng)基營養(yǎng)成分消耗少，培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。應(yīng)先開小通氣量，再逐步培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。應(yīng)先開小通氣量，再逐步加大。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。加大。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。（2）培養(yǎng)基配比與原料組成培養(yǎng)基配比與原料組成：培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，黏度：培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，黏度大，產(chǎn)生泡沫多而持久，前期難開攪拌。大，產(chǎn)生泡沫多而持久，前

60、期難開攪拌。（3）菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種、種子質(zhì)量和接種量：菌種質(zhì)量好，生長速：菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量。菌種生長慢的可以加大接種量。（4）滅菌質(zhì)量滅菌質(zhì)量：培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，：培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無效。加消泡劑也無效。起泡的危害起泡的危害 降低生產(chǎn)能力降低生產(chǎn)能力：在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而：在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量。