1、第四章第四章 发发酵酵工工程程涉及内容涉及内容 一、发酵工程概况一、发酵工程概况 二、微生物发酵过程二、微生物发酵过程 三、液体深层发酵三、液体深层发酵 四、固体发酵四、固体发酵 五、典型产品的发酵五、典型产品的发酵 一、发酵工程概况一、发酵工程概况（一）发酵的定义：（一）发酵的定义：发酵（发酵（fermentation）最初来自拉丁语）最初来自拉丁语“发泡发泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现的现象。象。巴斯德研究了酒精发酵的生理意义，认为发酵是酵母在巴斯德研究了酒精发酵的生理意义，认为发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。无氧状
2、态下的呼吸过程。生物化学上将发酵定义为生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过微生物在无氧时的代谢过程程”。目前，人们把目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵发酵。（二）发酵工程的定义（二）发酵工程的定义 采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特采用现代化工程技术手段，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。以微生物物应用于工业生产过程的一种新技术。以微生物作
3、为研究对象，也称作为研究对象，也称微生物工程微生物工程。现代的发酵工程不仅包括现代的发酵工程不仅包括菌体生产菌体生产和和代谢产物的代谢产物的发酵生产发酵生产，还包括，还包括微生物机能的利用微生物机能的利用。其主要内。其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。（三）发酵工程发展（三）发酵工程发展远古人类发现：吃剩的米粥数日后变成远古人类发现：吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料了醇香可口的饮料人类最早发明的酒人类最早发明的酒我国古代的酿酒作坊我国古代的酿酒作坊（四
4、川新都县出土的汉代画像）（四川新都县出土的汉代画像）微生物学的奠基人微生物学的奠基人伟大的巴斯德伟大的巴斯德 我国的传统发酵产品酱我国的传统发酵产品酱 油、醋、腐乳等享誉世界油、醋、腐乳等享誉世界 我国的酿酒已经有我国的酿酒已经有4000多多 年的历史年的历史 我国的酱油距今已有我国的酱油距今已有3000 年的历史年的历史 1857年巴斯德证明发酵是年巴斯德证明发酵是 由于微生物的作用由于微生物的作用（四）发酵类型（四）发酵类型根据微生物发酵产物的不同分为根据微生物发酵产物的不同分为 1.1.微生物菌体发酵微生物菌体发酵 以以获得某种用途的菌体为目的获得某种用途的菌体为目的的发酵。的发酵。1)
5、1)用用于面包制作的酵母发酵及用于人于面包制作的酵母发酵及用于人 类食品或动物饲料的类食品或动物饲料的微生物菌体蛋微生物菌体蛋 白白（螺旋藻等）（螺旋藻等）2)2)药用真菌药用真菌 香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草 以及担子菌的灵芝等。以及担子菌的灵芝等。虫草真菌的子囊虫草真菌的子囊孢子侵袭虫草蝙孢子侵袭虫草蝙蝠蛾的幼虫形成蝠蛾的幼虫形成的的“冬虫夏草冬虫夏草”3)3)生物防治剂生物防治剂 苏云金杆菌苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌细胞中、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌细胞中 的伴孢晶体可毒杀的伴孢晶体可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫鳞翅目、双翅目的害虫；丝状真；丝
6、状真 菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。2.2.微生物酶发酵：微生物酶发酵：获得获得微生物酶制剂微生物酶制剂，多用于食品工业和轻工业中，多用于食品工业和轻工业中，如微生物生产的如微生物生产的淀粉酶和糖化酶淀粉酶和糖化酶用于生产用于生产葡萄糖葡萄糖；也用于医药生产和医疗检测中，也用于医药生产和医疗检测中，胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶用于用于 检查血清中检查血清中胆固醇的含量胆固醇的含量，葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶用于检查用于检查 血中血中葡萄糖的含量葡萄糖的含量等等。等等。3.3.微生物代谢产物发酵：微生物代谢产物发酵：获得微生物代谢产物，分为获得微生物代谢产物，分为
7、初级代谢产物初级代谢产物（对数生长（对数生长 期所产生的产物如氨基酸、核苷酸糖类等，是菌体生期所产生的产物如氨基酸、核苷酸糖类等，是菌体生 长繁殖所必需的）和长繁殖所必需的）和次级代谢产物次级代谢产物（生长静止期合成（生长静止期合成 一些具有特定功能的产物，如抗生素、细菌毒素等，一些具有特定功能的产物，如抗生素、细菌毒素等，与菌体生长繁殖无明显关系与菌体生长繁殖无明显关系）两种。）两种。4.4.微生物的转化发酵微生物的转化发酵 利用微生物细胞的利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成一种或多种酶把一种化合物转变成 结构相关的更有经济价值的产物结构相关的更有经济价值的产物。脱氢反应、氧化反
8、。脱氢反应、氧化反 应、脱水反应、缩合反应、脱氨反应等。最古老的生应、脱水反应、缩合反应、脱氨反应等。最古老的生 物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。包括包括醇类转化、甾类转化和抗生素转化醇类转化、甾类转化和抗生素转化等。等。5.5.生物工程细胞发酵：生物工程细胞发酵：利用生物工程技术所获得的细胞，如利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的重组的“工工程程 菌菌”以及细胞融合所得的以及细胞融合所得的“杂交杂交”细胞细胞等进行培养的新等进行培养的新型型 发酵，其产物多种多样。有用基因工程菌生产的有胰岛发酵，其产物多种多样。有用基因工
9、程菌生产的有胰岛 素、干扰素等，用杂交瘤细胞生产的用于疾病治疗和诊素、干扰素等，用杂交瘤细胞生产的用于疾病治疗和诊 断的各种单克隆抗体等。断的各种单克隆抗体等。操作条件比较温和，通常在常温常压下进行，耗能少，操作条件比较温和，通常在常温常压下进行，耗能少，设备简单；设备简单；以淀粉、糖蜜或农副产品、工业废水或植物秸秆、木以淀粉、糖蜜或农副产品、工业废水或植物秸秆、木屑等可再生资源等为主要原料，成本低。屑等可再生资源等为主要原料，成本低。过程反应以生命体（微生物自身）的自动调节方式进过程反应以生命体（微生物自身）的自动调节方式进行，多个反应可一次性完成；行，多个反应可一次性完成；能合成复杂的高分
10、子化合物，如：酶、光学活性体等；能合成复杂的高分子化合物，如：酶、光学活性体等；能选择性的在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、能选择性的在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等特殊反应；官能团导入等特殊反应；生产过程中，需要防止杂菌污染（设备、空气）。生产过程中，需要防止杂菌污染（设备、空气）。（1）医药工业）医药工业 生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等（2）食品工业）食品工业 微生物蛋白、酒类、饮料、氨基酸、食品添加剂等微生物蛋白、酒类、饮料、氨基酸、食品添加剂等（3）能源工业）能源工业 酒精、沼气发酵酒精、沼气发酵（
11、4）化学工业）化学工业 可降解的生物塑料、化工原料、生物表面活性剂等可降解的生物塑料、化工原料、生物表面活性剂等（5）冶金工业）冶金工业 利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等（6）农业）农业 生物固氮和生产生物杀虫剂及微生物饲料生物固氮和生产生物杀虫剂及微生物饲料（7）环境保护）环境保护 净化有毒高分子化合物、降解浮油、处理废水、污水等净化有毒高分子化合物、降解浮油、处理废水、污水等二、微生物发酵过程二、微生物发酵过程1 1、发酵的方式、发酵的方式 a.a.按微生物种类分按微生物种类分 即即微生物反应过程微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程，是指由微生物在生长
12、繁殖过程 中所引起的中所引起的生化反应生化反应的过程。的过程。好氧性发酵好氧性发酵厌氧性发酵厌氧性发酵兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵酵母菌，缺氧时厌氧发酵积累酒精，有氧时酵母菌，缺氧时厌氧发酵积累酒精，有氧时好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞需不断地通入一定量的无菌空气（黑曲霉的需不断地通入一定量的无菌空气（黑曲霉的柠檬酸发酵、棒状杆菌的谷氨酸发酵）柠檬酸发酵、棒状杆菌的谷氨酸发酵）不需供给空气（乳酸杆菌的乳酸发酵）不需供给空气（乳酸杆菌的乳酸发酵）b.b.按培养基状态分按培养基状态分液体发酵液体发酵（最常用）（最常用）固体发酵固体发酵c c、按照发酵设备类型分、按照发酵设备类
13、型分深层发酵深层发酵 在在液体培养基的表面和内部进行微生物培养液体培养基的表面和内部进行微生物培养敞口发酵敞口发酵密闭发酵密闭发酵浅盘发酵浅盘发酵繁殖快并进行好氧发酵，如酵母繁殖快并进行好氧发酵，如酵母表面培养法，在液体上面形成一层菌膜表面培养法，在液体上面形成一层菌膜工艺复杂，设备要求高工艺复杂，设备要求高2、发酵工业中常用的微生物、发酵工业中常用的微生物 微生物：微生物：个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚的微小生物的统称。的微小生物的统称。其种类包括原核生物的细菌（真其种类包括原核生物的细菌（真细菌和古细菌）、细菌和古细菌）、放线菌、支原体、立
14、克次氏体、衣放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和螺旋体原体和螺旋体等；属于真核生物的真菌（酵母菌、霉等；属于真核生物的真菌（酵母菌、霉菌和担子菌）、单细胞藻类和原生动物以及没有细胞菌和担子菌）、单细胞藻类和原生动物以及没有细胞结构的病毒（动物、植物和微生物病毒）和亚病毒。结构的病毒（动物、植物和微生物病毒）和亚病毒。细菌、放线菌、酵母菌和霉菌细菌、放线菌、酵母菌和霉菌在发酵工业中应用在发酵工业中应用最广，藻类和担子菌亦有应用。最广，藻类和担子菌亦有应用。1)1)细菌：细菌：自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属单细胞单细胞 原核生物原核生物，有球状
15、（双球、四联球、八叠球、链球、葡，有球状（双球、四联球、八叠球、链球、葡 萄球菌等）、杆状、螺旋状等多种形态，以较典型的萄球菌等）、杆状、螺旋状等多种形态，以较典型的二二 分裂方式分裂方式繁殖。繁殖。细菌形态图细菌形态图细菌形态及结构简图细菌形态及结构简图杆菌二分裂过程电镜照片及模式图杆菌二分裂过程电镜照片及模式图细菌的二分裂繁殖细菌的二分裂繁殖细菌生长时，单环细菌生长时，单环DNA染色质体被复制，细胞染色质体被复制，细胞内的蛋白质等组分同时内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞增加一倍，然后在细胞中部产生一横断间隔，中部产生一横断间隔，染色质体分开，继而间染色质体分开，继而间隔分裂形成细胞
16、壁，最隔分裂形成细胞壁，最后形成两个相同的子细后形成两个相同的子细胞。如果间隔不完全分胞。如果间隔不完全分裂就形成链状细胞。裂就形成链状细胞。发酵工业中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、发酵工业中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等，可用于生产淀粉酶、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等，可用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。2 2）放线菌：）放线菌：因其因其菌落呈放射状而得名菌落呈放射状而得名（菌丝末端（菌丝末端 伸长和分支，彼此交错成网状结构，伸长和分支，彼此交错成网状结构，称为称为菌丝体菌丝体）。为原核生物，分布）。为原核
17、生物，分布 广，在含有机质丰富的微碱性土壤中广，在含有机质丰富的微碱性土壤中 较多。大多腐生，少数寄生。主要以较多。大多腐生，少数寄生。主要以 无性孢子进行繁殖无性孢子进行繁殖，也可借菌丝片段，也可借菌丝片段 进行繁殖。进行繁殖。放线菌形态放线菌形态根据放线菌菌丝形态和功能可分为根据放线菌菌丝形态和功能可分为营养菌丝、气生丝和孢营养菌丝、气生丝和孢子丝子丝三种：三种：营养菌丝营养菌丝 又叫又叫初级菌丝或一级菌丝初级菌丝或一级菌丝，匍匐生长于培养基内，可，匍匐生长于培养基内，可吸吸 收营养物，收营养物，故亦称故亦称基内菌丝。基内菌丝。气生菌丝气生菌丝 又称又称二级菌丝二级菌丝。营养菌丝体发育到一
18、定时期，长出培养。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养 基外并伸向空间的菌丝。叠生于营养菌丝上，可覆盖整基外并伸向空间的菌丝。叠生于营养菌丝上，可覆盖整 个菌落表面。为个菌落表面。为繁殖后代做准备，传递营养物质繁殖后代做准备，传递营养物质。孢子丝孢子丝 气生菌丝体发育到一定程度，分化出可形成孢子的菌丝气生菌丝体发育到一定程度，分化出可形成孢子的菌丝 （产孢丝或繁殖菌丝产孢丝或繁殖菌丝）。孢子丝的形状有直形、波曲和螺）。孢子丝的形状有直形、波曲和螺 旋形之分，着生方式有互生、轮生或丛生等旋形之分，着生方式有互生、轮生或丛生等，形态固定形态固定，可作为菌种鉴定的依据。可作为菌种鉴定的依据。链霉菌的形
19、态构造模式链霉菌的形态构造模式放线菌的各种孢子丝形态放线菌的各种孢子丝形态 放线菌能用于放线菌能用于产生多种抗生素产生多种抗生素。从微生物中发现的。从微生物中发现的抗生素，有抗生素，有6060以上以上是放线菌产生的，如链霉素、金霉是放线菌产生的，如链霉素、金霉素、红霉素、庆大霉素等。发酵工业常用的放线菌主要素、红霉素、庆大霉素等。发酵工业常用的放线菌主要来自于链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。来自于链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。3 3）酵母菌：）酵母菌：单细胞真核生物，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境单细胞真核生物，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境 中，如水果、蔬菜和植物叶片上及果园土
20、壤中。大多为中，如水果、蔬菜和植物叶片上及果园土壤中。大多为 腐生，常以单个细胞存在，主要以腐生，常以单个细胞存在，主要以出芽出芽形式进行繁殖。形式进行繁殖。母细胞体积长到一定程度时就开始发芽，芽长大的同时母细胞体积长到一定程度时就开始发芽，芽长大的同时 母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大 小的母子细胞。如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细小的母子细胞。如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细 胞，称为胞，称为假菌丝假菌丝。也有部分酵母以。也有部分酵母以裂殖和子囊孢子裂殖和子囊孢子的形的形 式进行繁殖。式进行繁殖。酵酵母母光光镜镜图图酵酵母
21、母电电镜镜镜镜图图酵母结构图酵母结构图酵母菌的芽殖过程酵母菌的芽殖过程 1.1.泡；泡；2.2.小管；小管；3.3.核；核；4.4.液泡液泡 酵母菌假菌丝的形成酵母菌假菌丝的形成 图中图中1 1、2 2、3 3、4 4 是出芽的顺序是出芽的顺序 酵母生长旺盛酵母生长旺盛时，芽体还未时，芽体还未脱落时又生成脱落时又生成新的芽体，形新的芽体，形成成假菌丝假菌丝。酵母菌子囊孢子的形成过程（有性生殖）酵母菌子囊孢子的形成过程（有性生殖）1-4：两个细胞的原生质突起结合；：两个细胞的原生质突起结合；5：接合子（双倍体细胞核）；：接合子（双倍体细胞核）；6-9：核分裂，形成：核分裂，形成4-8个细胞核；个
22、细胞核；10、11：子核与原生质形成孢子：子核与原生质形成孢子 发酵工业上常用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、发酵工业上常用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石类酵母等，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用的酵母油、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用的酵母菌体蛋白等。菌体蛋白等。4 4）霉菌：）霉菌：凡生长在营养基质上形成凡生长在营养基质上形成绒毛状、网绒毛状、网 状或絮状菌丝的真菌状或絮状菌丝的真菌。分布广，大量。分布广，大量 存在于土壤、空气、水和生物体内外存在于土壤、空气、水和生物体内外 等处。喜
23、偏酸性环境，大多数为好氧等处。喜偏酸性环境，大多数为好氧 性，多腐生，少数寄生。性，多腐生，少数寄生。各种曲霉各种曲霉的菌落的菌落 青霉青霉菌落菌落 各各种种病病原原真真菌菌的的菌菌落落 霉菌的营养体由菌丝体组成霉菌的营养体由菌丝体组成A.A.无隔多核菌丝；无隔多核菌丝；B.B.有隔单核菌丝；有隔单核菌丝；C.C.有隔多核菌丝有隔多核菌丝 霉菌的繁殖能力很强，它以霉菌的繁殖能力很强，它以无无性孢子性孢子（为主）和（为主）和有性孢子有性孢子进进行繁殖。其生长方式是菌丝末行繁殖。其生长方式是菌丝末端的伸长和顶端分支，彼此交端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。为适应不同的环境错呈网状。为适应不同的环
24、境条件和更有效地摄取营养满足条件和更有效地摄取营养满足生长发育的需要，许多霉菌的生长发育的需要，许多霉菌的菌丝分化成一些特殊的形态和菌丝分化成一些特殊的形态和组织（组织（菌丝变态菌丝变态）。如）。如:假根假根（根霉属霉菌（根霉属霉菌 ，固着和吸收养，固着和吸收养料）、料）、寄生性吸器寄生性吸器、捕食性真捕食性真菌的菌的菌套菌套和和菌网菌网（用于捕捉其（用于捕捉其它小生物如线虫、草履虫等）它小生物如线虫、草履虫等）根霉的结构示意图根霉的结构示意图具假根具假根 寄生性真菌的吸器寄生性真菌的吸器 A.A.球状球状 B.B.根状根状 C.C.指状指状 D.D.佛手状佛手状 捕食性真菌的菌套和菌网捕食性
25、真菌的菌套和菌网 A.A.菌套菌套 B.B.简单菌网简单菌网 C.C.复杂菌网复杂菌网 黄曲黄曲霉的霉的分生分生孢子孢子青青霉霉的的分分生生孢孢子子链霉菌的菌丝链霉菌的菌丝及分生孢子及分生孢子 发酵工业上常用的霉菌有：藻状菌纲的发酵工业上常用的霉菌有：藻状菌纲的根霉根霉、毛毛霉霉、犁头霉，子囊菌纲的、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉红曲霉，半知菌类的曲霉、，半知菌类的曲霉、青霉青霉等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。及甾体激素等。5 5）其他微生物：）其他微生物：a a、担子菌（菇类）、担子菌（菇类）主要用于多糖、橡胶主要用于多糖、橡胶 物
26、质和抗癌药物（香物质和抗癌药物（香 菇）的开发。菇）的开发。b b、藻类（螺旋藻）、藻类（螺旋藻）螺旋藻螺旋藻自养型微生物自养型微生物l 可作人类保健食品和饲可作人类保健食品和饲料；料；l 可通过藻类利用光能将可通过藻类利用光能将 C02转变为石油；转变为石油；l 利用其光合放氢作用来利用其光合放氢作用来取得氢能。取得氢能。3 3、培养基、培养基1 1）培养基种类）培养基种类 可按照培养基的组成成分、物理状态和功能进行分类。可按照培养基的组成成分、物理状态和功能进行分类。a a、按组成成分分、按组成成分分按成分不同划分按成分不同划分天然培养基天然培养基合成培养基合成培养基含化学成分还不清楚或不
27、恒定的天含化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物然有机物（动、植物或微生物的浸动、植物或微生物的浸出物、水解液等物质出物、水解液等物质(牛肉膏、酵牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等）母膏、麦芽汁、蛋白胨等）化学成分完全了解的物质配制而成，化学成分完全了解的物质配制而成，实验室作有关营养、代谢、分类鉴实验室作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究析等定量研究按物理状态不同划分按物理状态不同划分液体培养基中加入一定量凝固剂液体培养基中加入一定量凝固剂（1.5%-2.0%琼脂），使其呈固琼脂），使其呈固体状态体状态琼脂含量一般为琼脂含量一般为0.2
28、%-0.7%固体培养基固体培养基液体培养基液体培养基半固体培养基半固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏活菌计数及菌种保藏 观察微生物的运动特征、分类鉴观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定定及噬菌体效价滴定 不加任何凝固剂不加任何凝固剂大规模工业生产及在实验室进行大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用的研究微生物的基础理论和应用的研究 b b、按物理状态分、按物理状态分 1 1）孢子培养基：）孢子培养基：用于制备大量优质用于制备大量优质孢子孢子（植物或微生物所产生的一植物或微生物所产生的一 种有繁殖或休眠作用的细胞，能直接
29、发育成新个种有繁殖或休眠作用的细胞，能直接发育成新个 体体），且不能产生变异。），且不能产生变异。基质浓度基质浓度(特别是有机氮源特别是有机氮源)要低些，无机盐的浓度要低些，无机盐的浓度 要适量，否则影响孢子的数量和质量。要适量，否则影响孢子的数量和质量。生产中常用的孢子培养基有麸皮培养基，大生产中常用的孢子培养基有麸皮培养基，大(小小)米米 培养基，琼脂斜面培养基等。培养基，琼脂斜面培养基等。c c、根据在生产中的用途分、根据在生产中的用途分 2 2）种子培养基：）种子培养基：供孢子发芽和菌体生长繁殖供孢子发芽和菌体生长繁殖使用。使用。要求营养成分丰富且完整，易被菌体吸收利用。要求营养成分丰
30、富且完整，易被菌体吸收利用。其中其中氮源和维生素氮源和维生素的含量应的含量应略高略高些，但总浓度以些，但总浓度以略略 稀薄稀薄为宜，以便菌体的生长繁殖。为宜，以便菌体的生长繁殖。常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米浆、酵常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米浆、酵 母粉、硫酸铵、尿素、硫酸镁、磷酸盐等。母粉、硫酸铵、尿素、硫酸镁、磷酸盐等。培养基的组成随菌种而改变，成分要与发酵培养基培养基的组成随菌种而改变，成分要与发酵培养基 相关联（使种子尽快适应发酵罐内的环境）。相关联（使种子尽快适应发酵罐内的环境）。3）发酵培养基：）发酵培养基：供供菌体生长繁殖及合成大量代谢产物菌体生长繁殖及合成大量
31、代谢产物。要求组成丰富完整，营养成分的浓度和黏度适要求组成丰富完整，营养成分的浓度和黏度适 中，利于菌体的生长，进而合成大量代谢产物。中，利于菌体的生长，进而合成大量代谢产物。发酵培养基的组成要考虑菌体在发酵过程中的发酵培养基的组成要考虑菌体在发酵过程中的 各种生化代谢的协调，在产物合成期，使发酵各种生化代谢的协调，在产物合成期，使发酵 液液pH不出现大的波动。不出现大的波动。2 2）发酵培养基的组成发酵培养基的组成 微生物的营养物质有六大类要素微生物的营养物质有六大类要素:水、碳源、氮源、无水、碳源、氮源、无 机盐、生长因子和产物形成的诱导物、前体和促进剂。机盐、生长因子和产物形成的诱导物、
32、前体和促进剂。水水（水质影响较大）（水质影响较大）培养基的主要成分，构成菌体细胞，传递营养物质，培养基的主要成分，构成菌体细胞，传递营养物质，直接参与代谢反应。深井水、自来水和地表水皆可。直接参与代谢反应。深井水、自来水和地表水皆可。碳源碳源 构成菌体和产物的碳架及能量来源。包括各种单糖构成菌体和产物的碳架及能量来源。包括各种单糖 (如葡萄糖如葡萄糖)、双糖、双糖(如蔗糖如蔗糖)和淀粉、纤维素等多糖；和淀粉、纤维素等多糖；玉米淀粉；油脂（霉菌和放线菌生长的消泡剂）；玉米淀粉；油脂（霉菌和放线菌生长的消泡剂）；有机酸；醇类；石油产品等。有机酸；醇类；石油产品等。氮源氮源 构成微生物细胞本身的物质
33、或代谢产物中氮素来构成微生物细胞本身的物质或代谢产物中氮素来 源。源。有机和无机氮源有机和无机氮源两大类，黄豆、花生、棉籽饼两大类，黄豆、花生、棉籽饼 粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉；氨水、硫酸铵、氯粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉；氨水、硫酸铵、氯 化铵、硝酸盐等。化铵、硝酸盐等。无机盐和微量元素无机盐和微量元素 磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾及微量元素如镁、磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾及微量元素如镁、铁、钴、锌、锰等。构成菌体原生质的成分（铁、钴、锌、锰等。构成菌体原生质的成分（P、S 等）；作为酶的组成成分或维持酶的活性等）；作为酶的组成成分或维持酶的活性（Mg、Fe、Mn等）；调节细胞的渗透压
34、和影响细胞膜的通透性等）；调节细胞的渗透压和影响细胞膜的通透性（NaCl、KCl等）；参与产物的生物合成等。需要量等）；参与产物的生物合成等。需要量 甚微，甚微，0.1 g/mL的浓度即可。的浓度即可。生长因子生长因子 自身不能合成，需要额外加入的自身不能合成，需要额外加入的微量有机物微量有机物，包，包 括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、脂肪酸等。如括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、脂肪酸等。如 酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些动植物组织的浸酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些动植物组织的浸 出物。出物。产物形成的诱导物、前体和促进剂产物形成的诱导物、前体和促进剂 诱导物促使胞外酶合成诱导物促使胞外酶合成；前体可
35、；前体可被菌体直接用于被菌体直接用于 产物合成而自身结构无显著改变产物合成而自身结构无显著改变（如合成红霉素（如合成红霉素 的丙酸等）；促进剂能的丙酸等）；促进剂能刺激菌株的生长，提高发刺激菌株的生长，提高发 酵产量，缩短发酵周期酵产量，缩短发酵周期（在四环素发酵中加入溴（在四环素发酵中加入溴 化钠和化钠和M促进剂（促进剂（2-巯基苯并噻唑），能抑制金霉巯基苯并噻唑），能抑制金霉 素的生物合成，同时增加四环素产量）。素的生物合成，同时增加四环素产量）。4、发酵一般过程、发酵一般过程发酵过程一般包括了以下的基本步骤：发酵过程一般包括了以下的基本步骤：a 菌种的选育菌种的选育 b 培养基的配制培养
36、基的配制 c 灭菌灭菌 d 种子的扩大培养和接种种子的扩大培养和接种 e 发酵过程发酵过程 f 下游加工过程（产物分离提纯）下游加工过程（产物分离提纯）发发酵酵过过程程流流程程简简图图1 1）菌种的选育）菌种的选育 从自然界中先分离出相应的菌种；从自然界中先分离出相应的菌种；利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞 或工程菌。或工程菌。如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆 菌的质粒结合，形成重组菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组，再
37、把重组DNA 导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则 可培养出能生产人的胰岛素的菌种。可培养出能生产人的胰岛素的菌种。2）培养基的配制培养基的配制配制原则：配制原则：根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长 因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生 物提供适宜的物提供适宜的PH。培养基的营养要协调，以利于产物的合成。培养基的营养要协调，以利于产物的合成。物理、化学条件适宜。物理、化学
38、条件适宜。（pH、水活度、渗透压、水活度、渗透压）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量 降低生产成本，以得到更高的经济效益。降低生产成本，以得到更高的经济效益。3）灭菌）灭菌包括设备灭菌、培养基（补料）灭菌、空气灭菌等。包括设备灭菌、培养基（补料）灭菌、空气灭菌等。a、灭菌的原因：、灭菌的原因：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争或竞争或 抑制抑制关系，造成减产甚至无产品产生关系，造成减产甚至无产品产生。（。（若在谷氨酸发若在谷氨酸发 酵过程中混入放线菌，则其分泌的抗生素就会使谷氨酸酵过程中混入
39、放线菌，则其分泌的抗生素就会使谷氨酸 棒状杆菌死亡。棒状杆菌死亡。b、灭菌的方法：灭菌的方法：湿热灭菌湿热灭菌。饱和蒸汽对培养基进行灭菌，。饱和蒸汽对培养基进行灭菌，121（约（约0.1 MPa）维持）维持2030 min。空气除菌则可用。空气除菌则可用介质过滤介质过滤，可，可 用定期灭菌的干燥介质来截流的空气中所含微生物，用定期灭菌的干燥介质来截流的空气中所含微生物，制得无菌空气。制得无菌空气。发酵罐灭菌处理发酵罐灭菌处理4）种子扩大培养和接种）种子扩大培养和接种a a、种子扩、种子扩大培养含义：大培养含义：将保存在将保存在沙土管、冷冻干燥管沙土管、冷冻干燥管或或冰箱冰箱中处于中处于休眠休眠
40、状状 态的生产态的生产菌种菌种接入试管接入试管斜面斜面培养基上活化，再经过培养基上活化，再经过 茄子瓶茄子瓶或或摇瓶及种子罐摇瓶及种子罐逐级扩大培养，以促使菌体逐级扩大培养，以促使菌体 数量快速增加，能在短时间里得到大量的纯种（数量快速增加，能在短时间里得到大量的纯种（种种 子）子）。经扩大培养后的种子再进行发酵可经扩大培养后的种子再进行发酵可缩短生产缩短生产 周期，提高设备利用率。可分为周期，提高设备利用率。可分为孢子进罐培养孢子进罐培养和和菌菌 丝进罐培养丝进罐培养两种。两种。种子的制备一般使用种子的制备一般使用种子罐种子罐，常为，常为二级二级扩大培养。扩大培养。种子扩大培养流程图种子扩大
41、培养流程图 1.沙土孢子沙土孢子 2.冷冻干燥孢子冷冻干燥孢子 3.斜面孢子斜面孢子 4.菌丝体摇瓶液体培养菌丝体摇瓶液体培养 5.茄子瓶斜面培养茄子瓶斜面培养 6.固体培养基培养固体培养基培养 7.8.种子罐培养种子罐培养 9.发酵罐培养发酵罐培养b b、接种：接种：从孢子悬浮液容器（种子容器）或种子罐将种子移入生从孢子悬浮液容器（种子容器）或种子罐将种子移入生 产发酵罐中，进行大规模培养，要注意产发酵罐中，进行大规模培养，要注意防止杂菌污染防止杂菌污染。接种：孢子悬浮容器或种子罐接种：孢子悬浮容器或种子罐发酵罐发酵罐5）发酵）发酵 将已经扩大培养、旺盛繁殖的种子在一定条件将已经扩大培养、旺
42、盛繁殖的种子在一定条件 控制下继续生长繁殖并积累代谢产物。以获得控制下继续生长繁殖并积累代谢产物。以获得 大量产品（菌体或代谢产物）为目的，是整个大量产品（菌体或代谢产物）为目的，是整个 发酵工程的中心环节。发酵工程的中心环节。6）下游处理）下游处理 发酵结束后，要对发酵液或微生物细胞进行分发酵结束后，要对发酵液或微生物细胞进行分 离和提取精制，制成所需产品。离和提取精制，制成所需产品。三、液体深层发酵三、液体深层发酵（一（一)发酵的操作方式发酵的操作方式 分批发酵分批发酵 补料补料分批发酵分批发酵 连续发酵连续发酵 1.分批发酵分批发酵 封闭系统，培养基和菌种一次性加入，中间与外界无物封闭系
43、统，培养基和菌种一次性加入，中间与外界无物 料交换（除空气进出外）。发酵过程中，营养不断减少，料交换（除空气进出外）。发酵过程中，营养不断减少，微生物不断增殖，环境非稳态，微生物生长周期明显；微生物不断增殖，环境非稳态，微生物生长周期明显；总生产能力不高，目前应用较广泛。总生产能力不高，目前应用较广泛。按操作方式分按操作方式分分批发酵：封闭系统，只能在一段有限的时间内维持微生物分批发酵：封闭系统，只能在一段有限的时间内维持微生物的增殖，微生物处在限制性的条件下生长，表现出典型的生的增殖，微生物处在限制性的条件下生长，表现出典型的生长周期，大多数分批发酵在到达衰亡期前就结束。长周期，大多数分批发
44、酵在到达衰亡期前就结束。典型的典型的分批发酵工艺流程分批发酵工艺流程 2.连续发酵连续发酵 以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相 同的速度流出培养液，使罐内的液量维持恒定，微同的速度流出培养液，使罐内的液量维持恒定，微 生物在稳定状态下生长，可有效延长分批培养中的生物在稳定状态下生长，可有效延长分批培养中的 对数期。对数期。培养基等量流入流出；各种变化培养基等量流入流出；各种变化0；不存；不存 在生长周期。在生长周期。分为分为搅拌罐式搅拌罐式（单、多罐）和（单、多罐）和管式管式反应器两种。反应器两种。可通过可通过恒浊器法恒浊器法或或恒化器法恒
45、化器法对发酵过程进行控制。对发酵过程进行控制。目前主要用于研究工作中，如发酵动力学参数的测目前主要用于研究工作中，如发酵动力学参数的测 定，过程条件的优化试验等。工业生产中应用不定，过程条件的优化试验等。工业生产中应用不 多，用于废水处理，面包、饲料酵母等生产（设备多，用于废水处理，面包、饲料酵母等生产（设备 要求高，周期长，菌体易变异，易污染，黏性丝状要求高，周期长，菌体易变异，易污染，黏性丝状 菌菌体易结团和黏附于罐壁）。菌菌体易结团和黏附于罐壁）。搅拌式单罐连续发酵（搅拌式单罐连续发酵（a a）和多罐连续发酵（）和多罐连续发酵（b b）反应器的出口，装一支路使细胞返回（反应器的出口，装一
46、支路使细胞返回（2.2.细胞分离器），细胞分离器），或者来自另一个连续培养罐。（未进行实际应用）或者来自另一个连续培养罐。（未进行实际应用）管式连续发酵管式连续发酵 1 1、管式反应器；、管式反应器；2 2、种子罐、种子罐培养液沿管向前流动，管中停留时间不同的料液混合程度低，培养液沿管向前流动，管中停留时间不同的料液混合程度低，各处营养物浓度、细胞密度、氧浓度和产率等都不相同。各处营养物浓度、细胞密度、氧浓度和产率等都不相同。恒浊培养连续培养恒浊培养连续培养 维持一定总体积，培养液过维持一定总体积，培养液过 量，量，保持菌体浓度恒定保持菌体浓度恒定（当（当 菌体浓度菌体浓度，浊度，浊度，控制，
47、控制 使流速使流速，反之亦然，反之亦然），），微生物始终以最高速率进行微生物始终以最高速率进行 生长。生长。工业生产中用于生产大量菌工业生产中用于生产大量菌 体、生产与菌体生长相平行体、生产与菌体生长相平行 的某些代谢产物，如乳酸、的某些代谢产物，如乳酸、乙醇等。乙醇等。恒浊培养示意图恒浊培养示意图恒化连续培养恒化连续培养维持一定总体积，维持一定总体积，保持保持培养液流速保持不变培养液流速保持不变，通过，通过控制控制某一种营养物（某一种营养物（生长限制因子生长限制因子）浓度，使微生物始终在）浓度，使微生物始终在低于低于其其最高生长速率最高生长速率条件下进行生长繁殖。（科研用）条件下进行生长繁殖
48、。（科研用）3.3.补料分批发酵补料分批发酵 在分批发酵时，以某种方式向培养系统补加一定物料在分批发酵时，以某种方式向培养系统补加一定物料 的培养技术，的培养技术，介于分批发酵和连续发酵之间，介于分批发酵和连续发酵之间，又称又称半半 连续发酵。连续发酵。可分为可分为单一补料分批发酵单一补料分批发酵和和反复补料分批反复补料分批 发酵发酵两种。两种。1 1）单一补料分批发酵：）单一补料分批发酵：开始时投入一定量的基础培养基，中间连续补加碳源开始时投入一定量的基础培养基，中间连续补加碳源 或氮源或其他必需基质到或氮源或其他必需基质到最大操作容积最大操作容积后停止，一次后停止，一次 放出。放出。2 2
49、）反复补料分批发酵：）反复补料分批发酵：在前者基础上，在前者基础上，每隔一定时间按放出部分发酵液每隔一定时间按放出部分发酵液，始，始 终不超过发酵罐最大操作容积，延长发酵周期。终不超过发酵罐最大操作容积，延长发酵周期。与分批及连续发酵比较：与分批及连续发酵比较：分批加入营养物质，定期放出产物可解除分批发酵时分批加入营养物质，定期放出产物可解除分批发酵时 产生的营养物基质抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解产生的营养物基质抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解 阻遏效应。阻遏效应。避免进行好氧分批发酵时，因一次性投入糖过多造成避免进行好氧分批发酵时，因一次性投入糖过多造成 细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌
50、设备不能匹细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹 配的状况。配的状况。减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。不存在连续发酵时出现的不存在连续发酵时出现的菌种老化和变异问题菌种老化和变异问题，适用，适用 范围也比连续发酵广。范围也比连续发酵广。广泛应用于整个发酵行业，单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、广泛应用于整个发酵行业，单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素等。在液体、固体发酵及混合培养中均有应用。维生素等。在液体、固体发酵及混合培养中均有应用。（二）发酵工艺控制：（二）发酵工艺控制：在发酵过程中随时取样检测以了解发酵进程，及在发酵过程中随时取样检测以了解
