1、 发酵工程制药发酵工程制药张忠山为什么要利用微生物 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么关系？1、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。2、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酸、葡萄糖。3、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。微生物的优点 微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造微生物发酵 发酵发酵：利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。发酵工程发酵工程：采用现代
2、化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。微生物的应用微生物的应用 酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中
3、或果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒果酒和啤酒营养价值较高营养价值较高。微生物的应用微生物的应用 醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋醋酸菌酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精在好氧条件下发
4、酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。他有机酸，因而使醋有不同的风味。微生物的应用微生物的应用 酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大进行发酵。微生
5、物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。微生物的应用微生物的应用 酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的肪酶和淀粉酶的霉菌霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸淀粉分解，产生出氨基酸
6、、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。微生物的应用微生物的应用 酸奶：牛奶在厌氧条件下，由酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌乳酸菌发酵，将乳发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是分水解。因此，酸奶是营养丰富营养丰富、易消化，少含、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。微生物的应用微生物的应用 醪糟：又称酒酿，是大米经
7、蒸煮后，接种醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。糟。微生物的应用微生物的应用 面包：现在的面包均是利用面包：现在的面包均是利用活性干酵母活性干酵母（面包酵（面包酵
8、母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。改变，变得易于消化、营养易于吸收。微生物的应用微生物的应用 馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸乳酸菌菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，
9、制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用批量生产是采用干酵母干酵母发酵，所以不产酸，不需发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。要再用碱中和即可蒸制。微生物的应用微生物的应用 制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产；制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产；轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产；色素、黄原胶、甘油等的生产；化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康
10、酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产；和聚丙烯酰胺等的生产；饲料业：饲料添加剂的生产；饲料业：饲料添加剂的生产；农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产。等的生产。发酵工程是一门具有悠久历史，又融合了现发酵工程是一门具有悠久历史，又融合了现代科学的技术，是现代生物技术的组成部分。代科学的技术，是现代生物技术的组成部分。本章主要介绍发酵工程的本章主要介绍发酵工程的基本内容和基本原理基本内容和基本原理，重点介绍了工业发酵的重点介绍了工业发酵的工艺流程工艺流程,还介绍了典型还介绍了典型产品的产品的发酵生产工艺发酵生产工艺，如青霉素，谷氨酸和维，如青霉素
11、，谷氨酸和维生素生素C C的生产。的生产。微生物发酵制药微生物发酵制药是利用微生物进行药物研究、生产和制剂的综合性应用技术科学。研究内容包括微生物制药用菌的选育制药用菌的选育，发酵以及产品的分离发酵以及产品的分离和纯化工艺和纯化工艺等。主要讨论用于各类药物发酵的微生物来源和改造、微生物药物的生物合成和调控机制、发酵工艺与主要参数的确定、药物发酵过程的优化控制、质量控制等。第一节第一节 微生物发酵概论微生物发酵概论v1857年巴斯德提出著名发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”v1929年Flemming爵士发现了青霉素，增加一大类新产品-抗生素。一、微生物发酵的概念及发展史一、微生物
12、发酵的概念及发展史v20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物-抗生素为主要特征的抗生素工业抗生素工业成为微生物发酵工业技术的支柱产业。v20世纪50年代，氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业又成为微生物技术产业的又一个成员，实现了对微生物的代谢进行人工调节，这又使微生物技术进了一步。v20世纪60年代，微生物技术产业又增加了酶制剂酶制剂工业工业这一成员。v20世纪70年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水非碳水化合物代替碳水化合物的发酵化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等。v80年代以来，随着重组DNA技术的发展
13、，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为微生物发酵技术引入了遗传工程遗传工程的技术，使微生物技术进入了一个新的阶段。目前，人们把利用微生物在有氧或无氧状态下生命活动来制备微生物菌体或其它代谢产物的过程统称为发酵发酵。1.1.微生物菌体发酵微生物菌体发酵 是以获得具有某种是以获得具有某种用途用途的菌体为目的的发酵。用的菌体为目的的发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖的菌体发酵可用来生产药用真菌，如
14、香菇菌、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。药用菌。二、微生物发酵的类型 2.2.微生物酶发酵微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生物中。因为微酶普遍存在于动物、植物和微生物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低生物种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大多来自微生物等特点，所以目前工业应用的酶大多来自微生物发酵。如用于抗癌的天冬酰胺酶和用于治疗血栓发酵。如用于抗癌的天冬酰胺酶和用于治疗血栓的纳豆激酶和链激酶等。的纳豆激酶和链激酶等。3.3.微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵 微生物
15、代谢产物很多。在菌体对数生长期所产微生物代谢产物很多。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质和糖类等生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质和糖类等是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代初级代谢产物谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做关系，叫做次级代谢产物次级代谢产物。4.4.微生物的转化发酵微生物的转化发酵 微生物的转化是利用
16、微生物细胞的一种或多微生物的转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物种酶，把一种化合物转变成结构相关转变成结构相关的更有经济的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、氨化反应、脱氧化反应、脱水反应、缩合反应、氨化反应、脱氨反应等。氨反应等。5.5.生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵 是指利用生物工程技术所获得的细胞，如是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的重组的“工程菌工程菌”，细胞融合所得的，细胞融合所得的“杂交杂交”细细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种胞等进行培养的新型发酵。
17、此类发酵的产物多种多样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。多样，如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，生物资源非常丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以尤以土壤土壤中为最多。中为最多。1.1.从从微生物分类学微生物分类学的角度把所需菌种分为：的角度把所需菌种分为：细菌细菌类类如短杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金如短杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌等；芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌等；酵母菌酵母菌如啤酒酵母、如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母
18、和假丝酵母等；酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵母等；霉菌霉菌如黄曲霉、如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌放线菌如各种抗生素，如各种抗生素，链、庆大等。链、庆大等。三、微生物发酵工业所用菌种三、微生物发酵工业所用菌种 2.2.作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点特点：(1)(1)具有稳定的具有稳定的遗传学特性遗传学特性。(2)(2)微生物生微生物生长和产物的合成对于长和产物的合成对于基质基质没有严格的要求。没有严格的要求。(3)(3)生长条件生长条件易于满足易于满足。(4)(4)具有较高的各种具有较高的各种酶活力酶活力。
19、（5 5）对于）对于包含体包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，要求在细胞破碎是不易破碎，而在目的产物的分离提出时，则易破碎。而在目的产物的分离提出时，则易破碎。1.1.微生物发酵过程是一个典型的微生物发酵过程是一个典型的化工过程化工过程。2.2.微生物发酵过程是一个典型的微生物发酵过程是一个典型的代谢控制代谢控制发酵。发酵。3.3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。工业。四、微生物发酵的基本特征四、微生物发酵的基本特征啤酒制造工艺流程啤酒制造工艺流程 啤酒制造工艺流程啤酒制造工艺流程 微生物发酵主要有以下几个特征：微生物发酵主要有以下几个特
20、征：（1 1）反应条件）反应条件温和温和。通常由于微生物的生理特性，。通常由于微生物的生理特性，要求温度为要求温度为30304040、pHpH值中性偏酸性如酵母、值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线菌的发酵和霉菌、放线菌的发酵和pHpH值中性偏碱性如细菌的值中性偏碱性如细菌的发酵。发酵。（2 2）无菌发酵，整个反应过程要求）无菌发酵，整个反应过程要求无菌无菌。培养基。培养基无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。（3 3）非连续性非连续性生产。微生物的生理特性决定了发生产。微生物的生理
21、特性决定了发酵过程的非连续性，大部分的工业发酵是以间歇酵过程的非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前可以实现连续化生产的操作为基础进行的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。是啤酒的连续化生产。第二节第二节 工业发酵的工艺流程工业发酵的工艺流程 生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种的选 育、菌种培养基的配制、扩大培养和接种、发酵育、菌种培养基的配制、扩大培养和接种、发酵 过程下游处理即分离提纯等几个过程。过程下游处理即分离提纯等几个过程。找到合适的菌种是发酵工程的前提。人们最初是从找到合适的菌种是发酵工程的前提。人们最初是从
22、自然界自然界寻寻找所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌找所需要的菌种，如谷氨酸发酵时常用菌有谷氨酸棒状杆菌等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。等。但这种方法得到的菌种，产量一般都比较低。2020世纪世纪4040年代，微生物学家开始用年代，微生物学家开始用紫外线、激光、化学诱变剂紫外线、激光、化学诱变剂等处理等处理菌种，使菌种产生突变，以筛选出符合要求的优良菌种。菌种，使菌种产生突变，以筛选出符合要求的优良菌种。随随着细胞工程、基因工程等技术的日益成熟，科学家开始构建着细胞工程、基因工程等技术的日益成熟，科学家开始构建工程细胞或工程菌工程细胞或工程菌，用它们进行发酵，甚至能
23、生产出一般微，用它们进行发酵，甚至能生产出一般微生物所不能生产的产品。生物所不能生产的产品。一、菌种的选育一、菌种的选育菌种选育的必要性和重要性菌种选育的必要性和重要性 必要性必要性：1、经诱变剂处理的细胞中只有一部分是突变型菌株，而有害突变往往占有很大比例；2、从自然界筛选得来的菌株，药物代谢合成能力均很低，野生型菌株由于长时间生长在非最适条件下，产物浓度很低，对于工业生产来说，如果不进行菌种改良，势必造成生产成本过高。重要性：重要性：1、菌种选育是提高单位产量产量和改进产品质量质量的重要措施；2、能够改变菌种的某些遗传性状，使之更适合于工业生产，例如抗噬菌体的菌株能利用廉价发酵原料或需氧量
24、较小的菌株等。选育方法选育方法 1、自然选育自然选育：是指微生物细胞群体不经过人工处理而利用菌种的自发突变（spontaneous mutation）进行菌种筛选的育种方法。效率低、进展缓慢。2、诱变育种诱变育种：是用不同的诱变剂（mutagen）处理微生物的细胞群体，以诱发各种遗传突变，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中选出所需要的突变株（mutant）。发酵工业中使用的高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生产性能的菌株，故至今仍是菌种改良的主要方法。（一）方法和原理（一）方法和原理 A.A.诱变机制诱变机制（1 1）微小损伤突变微小损伤突变：碱基置换，码组移动碱基置换，码组移动
25、（2 2）染色体畸变染色体畸变：易位，逆位，缺失，重复易位，逆位，缺失，重复（3 3）染色体组突变染色体组突变：数目变化（单倍体变多倍体）数目变化（单倍体变多倍体）B.B.诱变剂及其作用方式：诱变剂及其作用方式：物理物理诱变剂诱变剂，化学，化学诱变诱变剂剂，生物，生物诱变剂诱变剂 常用诱变剂常用诱变剂 p-263p-263（二）诱变和筛选初步筛选是关键步骤A.自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素，提高产量B.结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除反馈抑制 C.营养缺陷型及其回复突变株 通过诱变导致某些基因的突变，而需要添加一些物质（氨基酸、核苷酸等）才能生长的突变体。营养缺陷型的作用：（1）
26、解除末端产物的反馈调节作用。（2）作为标记，在杂交育种中作为出发菌株有利于杂交重组的分析。（3）作为基因工程的受体菌，检出克隆基因的表达。3、杂交育种杂交育种：是将两个基因型不同的亲株的某些遗传信息，通过杂交重组于同一重组体中，形成新的遗传型个体的过程。传统的杂交育种在真核微生物中可以通过有性杂交及准性杂交两种途径；在原核微生物中（如细菌和放线菌）则可通过接合杂交进行。a.准性生殖准性生殖（parasexual reproduction）：是指真菌中不通过有性生殖的基因重组过程。b.接合接合（conjugation）：在细菌和放线菌中，接合是最常见的杂交方式。二亲株的细胞在固体培养基上混合培养
27、时，一亲株细胞的基因组片段进入另一亲株的细胞，发生部分染色体的转移或遗传信息的交换，形成部分合子，经过二次交换形成单倍重组体。c.原生质体融合原生质体融合（protoplast fusion）：两亲本菌株的原生质体在高渗条件下混合，以聚乙二醇作为助融剂，或在一定电场条件下，通过电脉冲作用促进原生质体互相聚集，诱导融合，接着两亲本遗传物质交换，从而实现遗传重组。在适宜的条件下，融合细胞可再生成新的完整细胞，就有可能获得具有合乎理想的新遗传性状的重组子。二、发酵的基本过程二、发酵的基本过程 基本过程为：菌种 种子制备 发酵 发酵液预 处理 提取精制 菌种菌种 发酵工程中所用的菌种多要求是纯培养的，
28、即整个发酵过程不能混有杂菌，否则将导致产量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。种子制备种子制备 在摇瓶或小罐内进行。种子罐一般用钢或不锈钢制成，相当于小型发酵罐。接种前所有设备及培养基要经过严格灭菌严格灭菌。在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养多次扩大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。发酵发酵 接种量：接种量：5-20%通气量：通气量：0.3-1 m3/m3 搅拌功率消耗：搅拌功率消耗：1-2 kW/m3 罐温：罐温：26-37 罐压：罐压：0.
29、3-0.5 kg/cm2 发酵周期：发酵周期：28d 发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品的精制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品的要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用发酵要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用发酵工程生产的产品有工程生产的产品有菌种代谢产物菌种代谢产物和和菌种本身菌种本身（如酵母菌（如酵母菌和细菌）两大类，如果产品是菌种，分离方法一般是通和细菌）两大类，如果产品是菌种，分离方法一般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出；如果产品是代谢产物，过过滤、沉淀从培养液
30、中分离出；如果产品是代谢产物，则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取。分离提纯后则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取。分离提纯后的产品，还要经过的产品，还要经过质量检查合格质量检查合格后，才能成为正式产品。后，才能成为正式产品。产物提取产物提取发酵方式发酵方式 1 1、分批、分批(间歇间歇)发酵：发酵：物料一次投入反应器中，灭物料一次投入反应器中，灭菌、接种、发酵。菌、接种、发酵。特点：特点：一次性；发酵过程中，营养不断减少，微一次性；发酵过程中，营养不断减少，微生物不断增殖，环境非稳态；微生物生长的四个生物不断增殖，环境非稳态；微生物生长的四个时期明显；时期明显；应用广泛，改善（在线检测，计算
31、机控制）。应用广泛，改善（在线检测，计算机控制）。2、补料分批发酵、补料分批发酵 ：补加新鲜培养基。补加新鲜培养基。特点：特点：可以解除底物抑制、产物抑制或克服微生可以解除底物抑制、产物抑制或克服微生物过度生长；提高有用产物的转化率；物过度生长；提高有用产物的转化率；应用广泛，用于面包酵母、氨基酸、抗生素等工应用广泛，用于面包酵母、氨基酸、抗生素等工业；业；3、连续发酵：、连续发酵：恒化器（基质恒）、恒浊器（菌体密度恒化器（基质恒）、恒浊器（菌体密度恒），连续进料出料平衡，保持恒定的发酵液密度。易实恒），连续进料出料平衡，保持恒定的发酵液密度。易实现自动化生产，如啤酒，乙醇的发酵。现自动化生产
32、，如啤酒，乙醇的发酵。优点：优点：操作稳定；利于机械、自动化；提高设备的利用率；操作稳定；利于机械、自动化；提高设备的利用率；减少灭菌次数；减少灭菌次数；易于过程优化。易于过程优化。缺点：缺点：易染菌；微生物易变异；对产品类型的适应性不广；易染菌；微生物易变异；对产品类型的适应性不广；对设备及附件要求高。对设备及附件要求高。第三节第三节 发酵工艺控制发酵工艺控制 一、培养基的影响及其控制 二、温度的影响及其控制 三、溶氧的影响及其控制 四、pH的影响及其控制 一、培养基的影响及其控制一、培养基的影响及其控制 1 1、碳源碳源：糖类，脂肪，有机酸，碳氢化合物：糖类，脂肪，有机酸，碳氢化合物（速效
33、碳源葡萄糖；迟效碳源淀粉，乳糖）（菌（速效碳源葡萄糖；迟效碳源淀粉，乳糖）（菌体干物质的体干物质的50%50%以上是碳）。以上是碳）。主要功能：主要功能：提供能源；提供能源；菌体成分；菌体成分；产产物碳架；物碳架；来源：葡萄糖、糖蜜、淀粉及水解物是常用的来源：葡萄糖、糖蜜、淀粉及水解物是常用的碳源。碳源。2 2、氮源氮源：无机氮源，有机氮源（速效氮源氨基酸，：无机氮源，有机氮源（速效氮源氨基酸，玉米浆；迟效氮源黄豆饼粉，花生饼粉、棉籽饼玉米浆；迟效氮源黄豆饼粉，花生饼粉、棉籽饼粉）。速效促生长，迟效利代谢。（占干物质量粉）。速效促生长，迟效利代谢。（占干物质量的的10%10%）。）。主要功能：
34、主要功能：构成细胞物质。构成细胞物质。构成产物。构成产物。来源：花生粉、黄豆饼粉、玉米浆、铵盐、硝酸来源：花生粉、黄豆饼粉、玉米浆、铵盐、硝酸盐、尿素和氨水等是常使用的氮源。盐、尿素和氨水等是常使用的氮源。3 3、无机盐和微量元素无机盐和微量元素 主要功能：主要功能：构成菌体成分（构成菌体成分（S S）激活酶（激活酶（Mg2+Mg2+）辅酶或辅基的组成部分辅酶或辅基的组成部分参与能量转移反应参与能量转移反应调节渗透压、调节渗透压、pHpH、氧化还原电位、氧化还原电位 来源：无机盐、原料、灰分。来源：无机盐、原料、灰分。4 4、特殊生长因子特殊生长因子：不可缺、量微，自身不能合成：不可缺、量微，
35、自身不能合成或量不够。或量不够。主要功能：主要功能：构成辅酶构成辅酶 促进生命活动促进生命活动 来源：玉米浆、糖蜜、甜菜糖、麸皮、米糠。来源：玉米浆、糖蜜、甜菜糖、麸皮、米糠。5 5、水水：物质溶解和生化反应的基础。：物质溶解和生化反应的基础。功能：功能：机体的重要组成成分；机体的重要组成成分；参加一些代谢反参加一些代谢反应；应；良好溶剂（介质）和热导体；良好溶剂（介质）和热导体；6 6、发酵培养基的配制发酵培养基的配制 提供必要的营养成分；配制合适的浓度；主成分提供必要的营养成分；配制合适的浓度；主成分 与其他成分的配比；控制合适的与其他成分的配比；控制合适的pHpH 二、温度的影响及其控制
36、二、温度的影响及其控制 1.1.影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素（1 1）生物热：生长，呼吸，繁殖）生物热：生长，呼吸，繁殖（2 2）搅拌热：摩擦）搅拌热：摩擦（3 3）蒸发热：）蒸发热：（4 4）辐射热：罐内外温差）辐射热：罐内外温差 2.2.温度的选择与控制温度的选择与控制 （1 1）最适温度：生长温度，生产温度）最适温度：生长温度，生产温度 变温发酵，如青霉素发酵：变温发酵，如青霉素发酵：305h 2535h 305h 2535h 2085h 2540h 2085h 2540h 放罐；放罐；青霉素产量比青霉素产量比2525恒温发酵高恒温发酵高14.7%14.7%。（2 2）温
37、度控制）温度控制 一般不需加热，冷却水（冷冻盐水）通过夹层循一般不需加热，冷却水（冷冻盐水）通过夹层循环冷却。环冷却。三、溶氧的影响及其控制三、溶氧的影响及其控制 1.1.溶氧的影响：最适氧浓度溶氧的影响：最适氧浓度 溶氧对菌体生长和产物的性质及产量都影响溶氧对菌体生长和产物的性质及产量都影响 谷氨酸发酵谷氨酸发酵 VBVB1212发酵发酵 天冬酰胺酶发酵天冬酰胺酶发酵 2.2.发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化 红霉素发酵：前期，中期，后期红霉素发酵：前期，中期，后期 溶氧异常下降（污染好气杂菌，菌体代谢异常），溶氧异常下降（污染好气杂菌，菌体代谢异常），溶氧异常升高（污染噬菌体）溶氧异常
38、升高（污染噬菌体）3.3.溶氧浓度的控制溶氧浓度的控制 供氧方面（提高氧传递）；需氧量（菌体浓度，供氧方面（提高氧传递）；需氧量（菌体浓度，基质种类，培养条件）基质种类，培养条件）四、四、pHpH的影响及其控制的影响及其控制 1.1.pHpH对发酵的影响对发酵的影响 最适生长最适生长pHpH（3 36 6）最适生产最适生产pHpH 2.pH 2.pH的变化的变化 3.3.发酵发酵pHpH的确定和控制的确定和控制 （1 1）发酵）发酵pHpH的确定：菌种，培养基组成，培养条件，温度的确定：菌种，培养基组成，培养条件，温度 （2 2）pHpH的控制：补料，酸，碱，尿素，测定代谢曲线的的控制：补料，
39、酸，碱，尿素，测定代谢曲线的pHpH变化，稳定工艺条件。变化，稳定工艺条件。常用的控制方法有：常用的控制方法有：调整生理碱性和酸性盐类的比例；调整生理碱性和酸性盐类的比例；选择不同选择不同C C、N N的种类和比例；的种类和比例；添加缓冲剂。添加缓冲剂。第四节第四节 发酵产物的提取发酵产物的提取 一、吸附法一、吸附法 二、沉淀法二、沉淀法 三、溶剂萃取法三、溶剂萃取法 四、离子交换法四、离子交换法 培养液预处理培养液预处理的目的在于改变培养液的性质，使的目的在于改变培养液的性质，使其便于过滤和提取。其便于过滤和提取。细胞破碎细胞破碎的方法的方法有机械、生物和化学等各种方法。有机械、生物和化学等
40、各种方法。精制精制一、吸附法一、吸附法 吸附剂（活性炭，白陶土，氧化铝）在一定的吸附剂（活性炭，白陶土，氧化铝）在一定的pHpH条件下使条件下使发酵液中的抗生素被吸附，然后改变发酵液中的抗生素被吸附，然后改变pHpH，以适当的洗脱剂，以适当的洗脱剂（一般是有机溶剂）把抗生素从吸附剂上解吸下来，以达（一般是有机溶剂）把抗生素从吸附剂上解吸下来，以达到浓缩和提纯的目的。如丝裂霉素。到浓缩和提纯的目的。如丝裂霉素。还可以还可以脱色脱色和和除热原除热原 优点：优点：操作简单，成本低，操作简单，成本低，缺点：缺点：吸附不稳定吸附不稳定，选择性不高，不能连续生产，影响卫，选择性不高，不能连续生产，影响卫生
41、，新型吸附剂（大孔树脂）生，新型吸附剂（大孔树脂）二、沉淀法二、沉淀法 抗生素等电点沉淀或与酸、碱、离子形成复盐沉淀抗生素等电点沉淀或与酸、碱、离子形成复盐沉淀析出，改变析出，改变pHpH重新溶解。如土霉素、四环素、金霉重新溶解。如土霉素、四环素、金霉素素 优点：优点：设备简单，节省溶剂，收率高设备简单，节省溶剂，收率高 缺点：缺点：过滤较过滤较困难困难三、溶剂萃取法三、溶剂萃取法 改变改变pHpH，改变溶剂，改变溶解度。，改变溶剂，改变溶解度。青霉素，红霉素，洁霉素，赤霉素，麦迪霉素，新生霉素，青霉素，红霉素，洁霉素，赤霉素，麦迪霉素，新生霉素，更新霉素，创新霉素。更新霉素，创新霉素。带溶剂
42、（溴代十五烷基吡啶带溶剂（溴代十五烷基吡啶PPBPPB）形成复盐。形成复盐。优点：产品纯度高，浓缩倍数大，能连续生产，周期短优点：产品纯度高，浓缩倍数大，能连续生产，周期短 缺点：溶剂耗量大，缺点：溶剂耗量大，成本高成本高，设备要求高（溶剂回收，防，设备要求高（溶剂回收，防火防爆）火防爆）四、离子交换法四、离子交换法 带负电荷的带负电荷的酸性抗生素用阴离子交换树脂：万古酸性抗生素用阴离子交换树脂：万古霉素，杆菌肽。霉素，杆菌肽。带正电荷的带正电荷的碱性抗生素用阳离子交换树脂：链霉碱性抗生素用阳离子交换树脂：链霉素，卡那霉素，巴龙霉素，庆大霉素。素，卡那霉素，巴龙霉素，庆大霉素。优点：设备简单，
43、节省溶剂，操作方便优点：设备简单，节省溶剂，操作方便 缺点：缺点：pHpH变化大，变化大，周期长周期长理想的微生物细胞生物反应器的基本要求理想的微生物细胞生物反应器的基本要求 1.1.生物反应器的生物反应器的材料无毒，稳定性好，一般用不锈钢制成材料无毒，稳定性好，一般用不锈钢制成 2.2.生物反应器的结构：满足传质、传热、混合的功能生物反应器的结构：满足传质、传热、混合的功能 3.3.密封良好，避免污染密封良好，避免污染 4.4.自动检测、调节控制精度高自动检测、调节控制精度高 5.5.搅拌器转速和通气应适当搅拌器转速和通气应适当 6.6.容器内表面光滑，无死角，利于清洁、灭菌容器内表面光滑，无死角，利于清洁、灭菌 7.7.拆装、连接、清洁方便，能耐高压蒸汽消毒拆装、连接、清洁方便，能耐高压蒸汽消毒 8.8.设备成本低设备成本低第五节第五节 发酵设备发酵设备主要参数的检测和控制方法主要参数的检测和控制方法 温度，空气过滤温度，空气过滤 pH pH，灭菌系统，灭菌系统 溶氧溶氧 搅拌搅拌 进出液流量进出液流量
