發(fā)酵工程概述

發(fā)酵工程概述第一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日基本概念人們將利用微生物的生命活動(dòng)，以獲得微生物菌體或其代謝、轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。發(fā)酵工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分之一，是一門將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)結(jié)合，利用微生物的代謝、轉(zhuǎn)化功能，獲得有用物質(zhì)的工程技術(shù)。第二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵工程簡介發(fā)酵技術(shù)有著悠久的歷史作為現(xiàn)代科學(xué)概念的微生物發(fā)酵工業(yè)，就是在20世紀(jì)40年代隨著抗生素工業(yè)的興起而迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)是在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了現(xiàn)代DNA重組，細(xì)胞融合、分子修飾改造等新技術(shù)。近年來，由于代謝調(diào)控技術(shù)，連續(xù)發(fā)酵技術(shù)、高密度培養(yǎng)技術(shù)、發(fā)酵與產(chǎn)物分離的偶聯(lián)技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)和發(fā)酵過程的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)等的迅速發(fā)展，以及發(fā)酵設(shè)備、工藝研究的進(jìn)步，發(fā)酵工業(yè)發(fā)展到了一個(gè)新的高度第三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵工程的特點(diǎn)反應(yīng)條件溫和，設(shè)備簡單，工業(yè)上通常采用通氣攪拌罐反應(yīng)器，可以用相同或相似的設(shè)備生產(chǎn)不同的發(fā)酵產(chǎn)品，使一種設(shè)備具有多種用途微生物生長繁殖迅速，發(fā)酵生產(chǎn)周期相對較短，且不受氣候、季節(jié)等自然條件的影響發(fā)酵原料來源廣泛，價(jià)格低廉發(fā)酵反應(yīng)以微生物的自動(dòng)調(diào)控方式進(jìn)行第四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日通過發(fā)酵能夠容易地生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，按照生物體特有的反應(yīng)機(jī)制，能高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物特定部位的氧化、還原、官能團(tuán)導(dǎo)入等反應(yīng)通過誘變育種、基因重組、細(xì)胞融合和蛋白質(zhì)工程等手段對微生物菌種進(jìn)行改良，可以在不增加生產(chǎn)成本的前提下大幅度提高生產(chǎn)效率利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段，向微生物細(xì)胞中中引入外源基因，可以大量生產(chǎn)動(dòng)植物細(xì)胞中才有的微量生物活性物質(zhì)如胰島素、水蛭素等第五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵過程中應(yīng)注意的問題發(fā)酵原料大多是農(nóng)副產(chǎn)品，不同批次、產(chǎn)地的原料的化學(xué)成分和組成變動(dòng)較大，對發(fā)酵有一定影響。由于微生物中含有多種酶，發(fā)酵過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免，會(huì)對產(chǎn)物的分離純化帶來不利影響發(fā)酵產(chǎn)物的獲得除了受環(huán)境的影響外，還受細(xì)胞內(nèi)因素的影響，特別是以中間代謝物為目的產(chǎn)物時(shí)，如果不能適當(dāng)控制發(fā)酵條件，由于微生物代謝情況的變化，將導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的下降第六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日微生物容易發(fā)生遺傳變異，菌種會(huì)在生產(chǎn)中失去其優(yōu)良性狀，降低甚至喪失生產(chǎn)能力，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作發(fā)酵生產(chǎn)需要在無菌的條件下進(jìn)行，整個(gè)發(fā)酵過程必須在無菌條件下進(jìn)行，一旦失敗，就會(huì)遭受重大損失。特別是噬菌體對發(fā)酵的危害更大發(fā)酵廢水常具有較高的COD和BOD，需要進(jìn)行處理第七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日目前已知具有生產(chǎn)價(jià)值的微生物發(fā)酵類型微生物菌體發(fā)酵微生物酶發(fā)酵微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵生物工程的細(xì)胞發(fā)酵第八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵工業(yè)中常用的微生物第九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日微生物微生物一詞并非生物分類學(xué)上的專門名詞，而是對所有形體微小，單細(xì)胞的或個(gè)體結(jié)構(gòu)比較簡單的多細(xì)胞的或沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的統(tǒng)稱。自然界中微生物的種類繁多，它們有著不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特征，可以分為不同的類群。廣義的微生物包括病毒、原生動(dòng)物、細(xì)菌、放線菌、霉菌、單細(xì)胞藻類、支原體等，其中細(xì)菌、放線菌、酵母和霉菌等廣泛地應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)。第十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日細(xì)菌大腸桿菌（Escherihiacoli）醋酸桿菌（Acetobacter）乳酸桿菌（Lactobacillus）丙酮丁醇梭菌（Clos.acetobutyleum）腸膜狀明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）第十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日放線菌

放線菌因其在培養(yǎng)基的表面上的菌落呈放射狀而得名。放線菌在自然界分布廣泛，尤其在含有機(jī)質(zhì)豐富的微堿性土壤中較多。大部分是腐生菌，少數(shù)寄生。放線菌有發(fā)育良好的菌絲體，菌絲無橫隔，為單細(xì)胞原核生物。放線菌最大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是能產(chǎn)生多種抗生素，如鏈霉素、土霉素、金霉素、爭光霉素、卡那霉素等，據(jù)統(tǒng)計(jì)，從自然界中發(fā)現(xiàn)和分離了五千多種抗生素，其中有四千多種來自于放線菌。第十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日放線菌鏈霉菌屬（Streptomyces）小單孢菌屬（Micromonospora）若卡氏菌屬（Norcardia

游動(dòng)放線菌屬（Actinoplanes）第十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日霉菌

霉菌是指在營養(yǎng)基質(zhì)上形成絨毛狀、網(wǎng)狀或絮狀菌絲的真菌，亦稱為絲狀真菌。霉菌的菌落特征與放線菌接近，但霉菌的菌落形態(tài)較大，一般質(zhì)地比放線菌疏松，外觀干燥不透明。霉菌在自然界分布廣泛，大量存在于土壤、空氣、水和生物體內(nèi)外等處。霉菌喜偏酸性環(huán)境，大多數(shù)為好氧性微生物，多腐生，少數(shù)寄生。第十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日工業(yè)上常用的霉菌青霉屬（Penicillium）根霉屬（Rhizopus）曲霉屬（Aspergillus）紅曲屬（Monascus）第十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日酵母（Yeast）酵母屬（Saccharomyces）假絲酵母屬（Candida）紅酵母屬（Rhodotorula）第十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日

培養(yǎng)基

第十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日培養(yǎng)基的分類根據(jù)培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)組成的化學(xué)成分是否已知，可將培養(yǎng)基分為合成培養(yǎng)基、半合成培養(yǎng)基和天然培養(yǎng)基。根據(jù)培養(yǎng)基制成以后的物理形態(tài)，有可將培養(yǎng)基分為液體培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基和半固體培養(yǎng)基。根據(jù)培養(yǎng)基的用途，可將培養(yǎng)基分為增殖、選擇、鑒別培養(yǎng)基。在發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)中，人們還常常依據(jù)培養(yǎng)基在發(fā)酵生產(chǎn)中的用途，將其分為孢子培養(yǎng)基，種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。第十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日培養(yǎng)基的組成碳源：是指微生物用來構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的營養(yǎng)物質(zhì)。碳源通常也是有機(jī)體生長的能源物質(zhì)。微生物所能利用的碳源物質(zhì)非常廣泛，從簡單的無機(jī)含碳化合物二氧化碳、碳酸鹽到復(fù)雜的天然有機(jī)含碳化合物都能被微生物所利用。目前發(fā)酵工業(yè)中常用的碳源物質(zhì)有各種淀粉（玉米、馬鈴薯、小麥、燕麥）、飴糖、糖蜜、某些有機(jī)酸和一些石油產(chǎn)品。第十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日氮源是指被微生物用來構(gòu)成菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)。這類物質(zhì)主要是用來合成細(xì)胞物質(zhì)中含氮物質(zhì)的原料，一般不能作為能源物質(zhì)。發(fā)酵工業(yè)中常用的氮源包括有機(jī)氮和無機(jī)氮兩大類，黃豆餅粉、花生餅粉、玉米漿、蛋白胨、酵母粉、蠶蛹粉、魚粉等都是常用的有機(jī)氮源，常用的無機(jī)氮源有氨水、碳酸氨、硫酸銨、硝酸鹽、尿素等第二十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日無機(jī)鹽和微量元素?zé)o機(jī)鹽是微生物生長所必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，為有機(jī)體生長提供各種金屬元素。微生物生長所需要的無機(jī)鹽有磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及含有鈉、鉀、鎂、鐵、猛等金屬元素的化合物。金屬元素的生理功能包括構(gòu)成微生物自身組成物質(zhì)（如磷、硫）、作為酶及輔酶的組成成分或維持酶的活性（鎂、鐵、鋅、鈷、錳等）、維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)與維持細(xì)胞的滲透壓平衡等。第二十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日生長因子

生長因子是指微生物生長繁殖所必需而自身又不能合成的某些微量有機(jī)化合物。包括維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶堿基的衍生物以及某些脂肪酸等。酵母粉、蛋白胨、牛肉膏和一些動(dòng)植物組織的浸液，如動(dòng)物的心、肝、馬鈴薯、番茄、豆芽等的浸液，都是生長因子的豐富來源。第二十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日水

水是培養(yǎng)基的主要組成部分，也是微生物的重要組成成分，占生活細(xì)胞總量的90%。水是許多化學(xué)物質(zhì)的良好溶劑，有機(jī)體的營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和各種代謝反應(yīng)都是在水中進(jìn)行的，水還直接參與許多的代謝反應(yīng)。同時(shí)水的比熱高，是熱的良好導(dǎo)體，能有效地控制細(xì)胞內(nèi)的溫度變化。發(fā)酵生產(chǎn)中常用的水有自來水、深井水和地表水。第二十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日代謝產(chǎn)物的前體、誘導(dǎo)物和促進(jìn)劑所謂前提物質(zhì)是指被微生物直接用于產(chǎn)物的合成的化合物，如青霉素發(fā)酵合成時(shí)添加的苯乙酸，可大大提高青霉素G的產(chǎn)量。微生物發(fā)酵過程中，適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)物可以誘導(dǎo)某些酶的產(chǎn)生，從而提高發(fā)酵目的產(chǎn)物的產(chǎn)量，如向麥角堿產(chǎn)生菌的發(fā)酵液中添加色氨酸，可誘導(dǎo)麥角堿生物合成的二甲基烯丙基色氨酸合成酶的合成作用，增加該酶的活力目前，對發(fā)酵過程中誘導(dǎo)物、促進(jìn)劑以及前體物質(zhì)的添加，還沒有明確的規(guī)律可循，很多是在對發(fā)酵菌株的生理生化研究基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的。第二十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日培養(yǎng)基的配制原則根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的適當(dāng)配比pH值其它：如培養(yǎng)基的滲透壓、培養(yǎng)基的氧化還原電位等方面因素的影響。第二十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日培養(yǎng)基的滅菌滅菌：是指利用物理或化學(xué)方法殺滅或除去物料及設(shè)備中一切有生命物質(zhì)的過程。培養(yǎng)基滅菌最基本的要求是殺死培養(yǎng)基中的所有微生物，再接入純的菌種以達(dá)到純種培養(yǎng)的目的。第二十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日常用消毒和滅菌方法第二十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日菌種的分離及優(yōu)良菌種的選育第二十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日微生物的分布自然界中的微生物資源十分豐富，是自然界中分布最廣的一群生物。在土壤、空氣、江河湖海、動(dòng)、植物的體內(nèi)、體表都生活著大量的微生物，微生物的種類之多，至今仍無法估計(jì)。土壤中具有微生物生長繁殖所需要的一切營養(yǎng)物質(zhì)和進(jìn)行生命活動(dòng)的一切條件，有“微生物天然培養(yǎng)基”的稱號。在水體和空氣中也有著相當(dāng)數(shù)量的微生物分布，但不論是種類還是數(shù)量都比土壤中的少在一些極端的環(huán)境（如高溫、高壓、高鹽）中，也分布著相當(dāng)數(shù)量的微生物，它們往往具有特殊的基因、特殊的機(jī)能，也是重要的菌種來源第二十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日菌種的分離采樣：應(yīng)根據(jù)菌種分離的目的，結(jié)合微生物的分布、特性以及生態(tài)環(huán)境綜合考慮，設(shè)計(jì)采樣方案。富集與分離：在多數(shù)情況下，采集樣品中目的微生物的數(shù)量有限，一般應(yīng)進(jìn)行富集培養(yǎng)后再進(jìn)行分離純化，通常稱為施加選擇壓力的分離方法。第三十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日用于細(xì)菌分離選擇培養(yǎng)基中的抑菌物第三十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日用于放線菌選擇分離的抑菌物質(zhì)第三十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)良菌種的選育第三十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)良生產(chǎn)菌株應(yīng)具有的特性能在盡可能短的發(fā)酵過程中生產(chǎn)大量的發(fā)酵產(chǎn)品，菌株應(yīng)生長旺盛，縮短發(fā)酵周期發(fā)酵過程中應(yīng)產(chǎn)生較少的泡沫以提高發(fā)酵設(shè)備的利用率生產(chǎn)菌株的生產(chǎn)能力對發(fā)酵原料的波動(dòng)的敏感性要小，對發(fā)酵過程中添加的前提物質(zhì)的耐受性要好生產(chǎn)菌株對噬菌體應(yīng)有一定的抗感染性，具有為定的遺傳特性第三十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日自然選育微生物在傳代和發(fā)酵過程中，也會(huì)以一定的頻率發(fā)生自發(fā)突變，自然選育是指不經(jīng)過人工處理，利用微生物的自發(fā)突變進(jìn)行菌種選育的過程微生物的這種自發(fā)突變發(fā)生的頻率很低，據(jù)統(tǒng)計(jì)大約為10-8-10-9，其中正向突變的比率就更小，與誘變育種、雜交育種和基因工程育種相比，一般需要堅(jiān)持相當(dāng)長的時(shí)間才能奏效。第三十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日誘變育種

誘變育種是指利用物理或化學(xué)的誘變劑處理微生物細(xì)胞群，使微生物的遺傳物質(zhì)染色體或DNA的片段發(fā)生缺失、倒位、易位等突變，或使DNA的某一部位發(fā)生點(diǎn)突變，從而引起微生物的遺傳變異，改變微生物的遺傳性狀的過程。誘變育種在發(fā)酵生產(chǎn)中具有極其重要的意義，目前工業(yè)發(fā)酵的高產(chǎn)菌種，幾乎都是經(jīng)過誘變育種而大大提高了生產(chǎn)性能的第三十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日誘變育種的一般過程第三十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日出發(fā)菌株的選擇出發(fā)菌株就是用于菌種選育的原始菌株出發(fā)菌株最好是經(jīng)過生產(chǎn)中選育過的自然變異菌株，應(yīng)具有生長迅速、營養(yǎng)要求低、產(chǎn)生孢子多等有利性狀由于某些菌株在發(fā)生某一變異后，會(huì)提高其他誘變因素的敏感性，可考慮作為出發(fā)菌株。第三十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日誘變劑及誘變處理誘變劑主要有物理誘變劑和化學(xué)誘變劑兩大類。物理誘變劑如紫外線、X射線及其他放射線等；化學(xué)誘變劑的種類很多，如烷化劑、堿基類似物等。在誘變育種中，選用誘變劑的最適劑量是至關(guān)重要的在誘變處理的方法有單一誘變劑處理和復(fù)合處理，誘變劑的復(fù)合處理常常呈現(xiàn)出一定的協(xié)同效應(yīng)第三十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日誘變菌株的篩選菌種的篩選方法一般分為初篩和復(fù)篩兩個(gè)階段。初篩既可在培養(yǎng)皿平板上進(jìn)行，也可在搖瓶中進(jìn)行。在平板上進(jìn)行快速簡便，工作量較小且結(jié)果直觀，但其缺點(diǎn)是培養(yǎng)條件與發(fā)酵培養(yǎng)差別很大復(fù)篩是對經(jīng)過初篩的突變菌株的生產(chǎn)性能進(jìn)行比較精確的測定工作經(jīng)過誘變、初篩、和復(fù)篩所獲得的高產(chǎn)菌株，一般仍不能立即用于發(fā)酵生產(chǎn)，還要對這些選育出的菌株進(jìn)行生產(chǎn)性能的測試和發(fā)酵條件、營養(yǎng)條件的優(yōu)化研究，符合發(fā)酵菌種特點(diǎn)的高產(chǎn)菌株才能用于發(fā)酵生產(chǎn)第四十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日營養(yǎng)缺陷型菌株是指通過誘變產(chǎn)生的在一些營養(yǎng)物質(zhì)，如氨基酸、維生素、堿基等的合成能力上出現(xiàn)缺陷，必需在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的有機(jī)營養(yǎng)成分才能正常生長的菌株。營養(yǎng)缺陷型菌株由于具有明顯的遺傳標(biāo)記，在理論的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中都具有十分重要的意義第四十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日營養(yǎng)缺陷型菌株的誘變選育第四十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵的過程及發(fā)酵的操作方式第四十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日微生物發(fā)酵的一般過程原料預(yù)處理(粉碎、水解、除雜）配料滅菌原始菌種斜面種子（活化）（一級種子）種子擴(kuò)大培養(yǎng)（搖瓶或茄瓶）（二級種子）種子罐（一級發(fā)酵）發(fā)酵罐（二級發(fā)酵）控制發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵過程檢查產(chǎn)品提取成品質(zhì)量檢查第四十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵菌種進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的菌種必須是經(jīng)過選育的具有優(yōu)良生產(chǎn)性狀的菌株或是經(jīng)過基因工程改造的“工程菌”在發(fā)酵生產(chǎn)中，要對生產(chǎn)菌種不斷地進(jìn)行選育和菌種的復(fù)壯工作，以防止其優(yōu)良性狀的喪失。不斷提高生產(chǎn)菌株的生產(chǎn)性能。生產(chǎn)菌種的衰退，與菌種的傳代次、保藏方法和培養(yǎng)條件等密切相關(guān)第四十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日常用菌種保藏方法的比較第四十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日種子的擴(kuò)大培養(yǎng)種子的擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保藏的處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面進(jìn)行活化，并逐級擴(kuò)大培養(yǎng)以獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程種子的擴(kuò)大培養(yǎng)應(yīng)根據(jù)菌種的生理特點(diǎn)，選擇適宜的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基，以獲得代謝旺盛的足量的種子種子的制備一般有菌絲進(jìn)罐培養(yǎng)和孢子進(jìn)罐培養(yǎng)兩種方式第四十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日種子擴(kuò)大培養(yǎng)流程圖第四十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日影響種子質(zhì)量的因素影響種子質(zhì)量的因素有很多，主要有原材料的質(zhì)量、培養(yǎng)條件和菌種的的冷藏時(shí)間。生產(chǎn)發(fā)酵中種子質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因，是培養(yǎng)基的原材料質(zhì)量不穩(wěn)定，原材料質(zhì)量波動(dòng)中起主要作用的，是其中無機(jī)離子含量的不同種子的培養(yǎng)條件如溫度、通氣量、濕度等都會(huì)影響種子的質(zhì)量，斜面菌種的冷藏對孢子的質(zhì)量的影響主要與孢子的成熟程度以及生產(chǎn)能力有關(guān)第四十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵發(fā)酵是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)，是在人工控制的無菌條件下，利用微生物的生命活動(dòng)，獲得發(fā)酵產(chǎn)品的過程對于以獲得微生物菌體為目的的發(fā)酵，如香菇、冬蟲夏草、蜜環(huán)菌、茯苓、靈芝等藥用真菌的發(fā)酵，應(yīng)控制最適宜的微生物生長條件，以有利于菌體的生長，在最短的發(fā)酵周期內(nèi)獲得最大的生物量微生物酶發(fā)酵和微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵，如膽固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶、以及各種抗生素等的發(fā)酵生產(chǎn)，則應(yīng)控制發(fā)酵發(fā)酵條件，使發(fā)酵過程朝著有利于目的產(chǎn)物積累的方向進(jìn)行對于利用微生物的氧化、還原、脫氫、酯化、縮合等生物轉(zhuǎn)化能力的微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵，如甾體類藥物、抗生素以及青蒿素、生物堿等天然產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵，應(yīng)使發(fā)酵條件有利于獲得最大的生物轉(zhuǎn)化能力第五十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵的下游處理第五十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日微生物發(fā)酵的操作方式照所用的發(fā)酵設(shè)備來分，可分為開放式發(fā)酵，密閉發(fā)酵和深層發(fā)酵

根據(jù)液體深層發(fā)酵操作方式的不同，發(fā)酵過程一般可分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵三種類型第五十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日幾種發(fā)酵方式中微生物生長曲線第五十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第五十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第六十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日糖蜜制備酒精的連續(xù)發(fā)酵流程第六十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵是指在分批發(fā)酵的過程中，間歇或連續(xù)地向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基，在較長時(shí)間內(nèi)維持培養(yǎng)液中營養(yǎng)物相對穩(wěn)定的發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵方式，又稱為半連續(xù)發(fā)酵

補(bǔ)料發(fā)酵兼有分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它們的缺點(diǎn)。與分批發(fā)酵相比，補(bǔ)料分批發(fā)酵可以解除微生物生長過程中營養(yǎng)基質(zhì)的抑制、代謝產(chǎn)物的反饋抑制和葡萄糖效應(yīng)等。有效調(diào)控發(fā)酵過程中微生物的生長量和生長速率，以利于發(fā)酵的下游處理。且不會(huì)產(chǎn)生連續(xù)發(fā)酵中菌種的變異衰退及容易污染等問題第六十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日補(bǔ)料分批發(fā)酵的兩種類型單一補(bǔ)料分批發(fā)酵：開始發(fā)酵時(shí)，在發(fā)酵罐中加入適量的培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程的適當(dāng)時(shí)期，按照發(fā)酵微生物生長的需要，開始分批或連續(xù)向發(fā)酵罐中流加新鮮培養(yǎng)基，直到最大的發(fā)酵操作容積，停止補(bǔ)料，發(fā)酵過程中不取出培養(yǎng)液，發(fā)酵結(jié)束后一次將培養(yǎng)物完全放出，進(jìn)行發(fā)酵的下有處理。在單一補(bǔ)料發(fā)酵過程中，發(fā)酵體積受發(fā)酵罐的操作容積的限制，發(fā)酵周期相對較短第六十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵：是在單一補(bǔ)料發(fā)酵的基礎(chǔ)上，每隔一定的時(shí)間放出一定體積的培養(yǎng)液，將發(fā)酵液體積始終控制在發(fā)酵罐的有效操作體積以內(nèi)，直至發(fā)酵產(chǎn)率明顯下降，才全部放出發(fā)酵液反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵可以延長發(fā)酵周期，克服了單一補(bǔ)料分批發(fā)酵受發(fā)酵設(shè)備有效操作體積限制的缺點(diǎn)。第七十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第七十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第七十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第七十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第七十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第七十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日溫度對發(fā)酵的影響及其控制溫度對微生物的生長有著重要的影響。微生物的生命活動(dòng)可以看作是相互連續(xù)進(jìn)行的酶促反應(yīng)的過程，任何反應(yīng)都與溫度有關(guān)，通常在生物學(xué)的范圍內(nèi)溫度每升高10℃，微生物的生長速度就增加一倍。但是溫度過高，會(huì)使微生物細(xì)胞內(nèi)的酶和蛋白質(zhì)發(fā)生變形或凝固，破壞酶的活性而使微生物死亡從溫度對微生物細(xì)胞內(nèi)酶的影響來看，溫度越高，酶反應(yīng)的速度就越大。微生物細(xì)胞的代謝速度加快，產(chǎn)物提前合成。表現(xiàn)為菌體易于老化，發(fā)酵周期縮短，從而影響發(fā)酵的最終產(chǎn)量第七十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日從溫度對發(fā)酵液的物理性質(zhì)的影響來看，溫度可以影響氧在發(fā)酵液中的溶解、氧的傳遞速率、微生物對某些基質(zhì)的分解吸收速率等間接影響微生物的生長和代謝產(chǎn)物的合成，從而影響整個(gè)發(fā)酵過程溫度還會(huì)影響生物合成的方向，如在四環(huán)素的發(fā)酵生產(chǎn)中，當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，生產(chǎn)菌株金色鏈霉菌主要合成金霉素，當(dāng)溫度升高到35℃時(shí)，該菌株只能合成四環(huán)素，金霉素的合成幾乎停止第七十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日最適溫度的選擇與控制發(fā)酵的最適溫度是指在該溫度下最適于微生物的生長或產(chǎn)物的合成。由于適合微生物生長的溫度不一定適合產(chǎn)物的合成，因此對于不同的菌種、不同的培養(yǎng)條件以及不同的酶反應(yīng)和不同的生長階段，最適溫度也應(yīng)有所不同。在實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)過程中，往往不能在整個(gè)發(fā)酵周期中僅選擇一個(gè)最適的培養(yǎng)溫度。微生物的發(fā)酵溫度的選擇還應(yīng)考慮到培養(yǎng)基的成分和濃度發(fā)酵溫度的選擇還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件靈活掌握，對各種微生物在發(fā)酵各個(gè)階段的最適溫度的選擇應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，通過大量的生產(chǎn)實(shí)踐才能確實(shí)掌握其規(guī)律第七十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日pH值對發(fā)酵過程的影響pH值會(huì)直接影響到微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，酶催化生化反應(yīng)需要一個(gè)適宜的pH條件，當(dāng)pH抑制菌體中某些酶活性時(shí)，菌體的生長繁殖和新陳代謝活動(dòng)受阻。pH影響微生物細(xì)胞膜的所帶電荷的狀態(tài)，使細(xì)胞膜的滲透性改變，從而影響微生物的生長和新陳代謝的正常進(jìn)行。pH不同，會(huì)影響培養(yǎng)液中的某些營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的吸收利用pH值不同，會(huì)引起微生物代謝途徑的改變，使代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或比例發(fā)生改變，如黑曲霉在接近中性的條件下發(fā)酵產(chǎn)生草酸，而在酸性條件下則發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸。第七十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日正常情況下發(fā)酵過程中pH值的變化規(guī)律微生物生長階段，根據(jù)發(fā)酵所用的菌種的不同，相對與發(fā)酵液的起始pH值，發(fā)酵液的pH值有上升或下降的趨勢在生產(chǎn)階段，一般發(fā)酵液的pH趨于穩(wěn)定，維持在最適合產(chǎn)物形成的pH值范圍在菌體自溶階段，隨著發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，微生物蛋白酶活躍，發(fā)酵液中氨基氮增加時(shí)pH上升，此時(shí)微生物細(xì)胞趨于自溶而代謝活動(dòng)終止第八十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日引起pH值下降的主要原因發(fā)酵液中碳/氮比例不當(dāng)，碳源過多，特別是葡萄糖過量，或消泡油加得過多，或者溶氧不足，導(dǎo)致碳源氧化不完全，培養(yǎng)液中的有機(jī)酸大量積累，使發(fā)酵液的pH下降發(fā)酵液中有生理酸性物質(zhì)存在，氮被利用，發(fā)酵液pH下降第八十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日引起發(fā)酵液pH值上升的主要因素培養(yǎng)基中碳/氮比例不當(dāng)，氮源過多，氨基氮釋放從而使發(fā)酵液pH上升生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料中氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多，使發(fā)酵液的pH上升。第八十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵過程中pH的控制調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初pH值，或在培養(yǎng)基中加入緩沖劑如磷酸鹽、檸檬酸鹽等，制成緩沖能力強(qiáng)的培養(yǎng)基在發(fā)酵的過程中向發(fā)酵液中加入弱酸或弱堿，來調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH，或通過調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)的溫度、通風(fēng)量來控制pH值在基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中考慮維持pH的需要，然后通過中間補(bǔ)料來控制pH。第八十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日在使用生理酸性鹽作為氮源時(shí)，隨著微生物對氮源的利用，發(fā)酵液的pH下降，可在培養(yǎng)基中加入碳酸鈣來調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH。但向發(fā)酵液中加入碳酸鈣的操作容易引起染菌，工業(yè)運(yùn)用不是太廣在發(fā)酵過程中根據(jù)發(fā)酵液的pH變化，可以通過流加氨水的方法體解發(fā)酵液的pH。流加的氨水同時(shí)也作為氮源供給。由于氨水作用快，對發(fā)酵液的pH值波動(dòng)影響大第八十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日第八十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵過程中溶氧濃度的變化在發(fā)酵過程中，溶解氧濃度的變化不外乎是由供氧和需氧所引起的。從溶氧的變化中，可以了解微生物的生長代謝情況是否正常、工藝控制是否合理、設(shè)備的供氧能力是否能滿足生產(chǎn)的需要、設(shè)備改進(jìn)后的同其效率等情況，有助于對發(fā)酵生產(chǎn)的更好控制第八十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日溶氧控制方法的比較第八十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日泡沫對發(fā)酵過程的影響及控制第八十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日發(fā)酵過程中泡沫對發(fā)酵過程的影響降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)。大多數(shù)的發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為0.6-0.7，余下的空間用于容納泡沫，一般充滿這些空間的泡沫只占所需培養(yǎng)基的10%大量的泡沫引起“逃液”，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失。如果降低通氣量或加入消泡劑將干擾發(fā)酵工藝過程增加了發(fā)酵過程中污染雜菌的機(jī)會(huì)。泡沫“頂罐”、發(fā)酵液隨著泡沫濺到軸封處都很容易染菌第八十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日由于泡沫液位的變動(dòng)，以及不同生長周期微生物隨泡沫漂浮或粘附在罐蓋、罐壁上，使附著的菌體的生長環(huán)境發(fā)生了變化，發(fā)生分化、瓦解。影響了菌體的整體效果，增加了菌群的不均一性影響通氣攪拌的正常進(jìn)行，妨礙了菌體的呼吸，是發(fā)酵異常，導(dǎo)致產(chǎn)物產(chǎn)量下降加入的消泡劑給今后的提取分離工藝帶來困難第九十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日按照發(fā)酵液的性質(zhì)不同，泡沫一般有兩種類型一類是存在于發(fā)酵液的葉面上，這類泡沫氣相所占的比例特別大，泡沫與下面的液體之間有能分辨的界限，這種泡沫常出現(xiàn)在稀薄的種子液和前期發(fā)酵液中另一類泡沫出現(xiàn)在粘稠的發(fā)酵液中，這類泡沫分散的很細(xì)。而且很均勻，也很穩(wěn)定。泡沫與液體之間沒有明顯的液面界限第九十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期日影響發(fā)酵泡沫產(chǎn)生的因素泡沫的多少一方面與通風(fēng)量、攪拌的劇烈程度有關(guān)，另一方面與培養(yǎng)基所用的原料有關(guān)，玉米漿、蛋白胨、酵母粉等蛋白質(zhì)含量高的原料是主要的發(fā)泡因素糖類物質(zhì)本身起泡能力較低，但