第八章 发酵培养方法及发酵动力学
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第八章发酵工程第一讲ppt课件
第三节 菌种的选育和保藏
工业的生产水平取决于三个要素：生产菌种、发酵工艺和设 备。优良菌种的选育不仅为发酵工业提供高产生产菌株，还 可以提供各种类型的突变株，改善其生理生化特性，去除多 余的代谢途径和产物，有利于合成新的产物，改善发酵工艺 的条件，提高产品质量，增加经济效益。
1、菌种选育的目的
菌种选育的目的： 1.提高其生产能力： 2.选育能适应工艺条件的菌种，如能利用廉价的发酵原料、 能耐受某些化学消毒剂等。
3、酵母菌
本属中有产脂肪较好的菌种。可由 菌体提取大量脂肪。
红酵母
4、霉菌
① 根霉
能将淀粉转化为糖。根霉常 用作糖化菌种。是酿造工业 中常用糖化菌。我国最早利 用根霉糖化淀粉（即阿明诺法） 生产酒精。
4、霉菌
② 毛霉
有几种毛霉能产生较多的蛋白酶， 具有分解大豆蛋白的能力，多用于 制造酸性蛋白酶、豆腐乳和豆豉。
3、发酵的基本过程
根据不同的需要，发酵工艺可分为3类： 1.批量发酵，即一次投料发酵； 2.流加批量发酵，即在批量发酵的基础上，流加一定量的
营养，使细胞进一步生长，或得到更多的代谢产物； 3.连续发酵，不断地流加营养，并不断地取出发酵液。
3、发酵的基本过程
下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。包括: ① 固液分离技术（离心，过滤，沉淀分离等工艺） ② 细胞破壁技术（超声，高压剪切，渗透压，表面活性
第八章 发酵工程
第八章 发酵工程---第一讲
第一节 发酵工程的内容 第二节 工业上常用的微生物 第三节 菌种的选育和保藏
第一节 发酵工程的内容
1、发酵工程的产生及发展 2、发酵的定义 3、发酵的基本过程 4、发酵工程产品的类型
1、发酵工程的产生及发展
简述发酵培养的四种操作方式的概念及特点
简述发酵培养的四种操作方式的概念及特点下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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第8章 微生物反应动力学
8.1 发酵类型
发酵类型即动力学模型：是为了描述菌体生 长、碳源利用与代谢产物形成速度变化，以及 它们相互之间的动力学关系。 已经发展出了好几种动力学分型，在这里介 绍一种称为发酵过程的动力学分型。这种动力 学分型方法讨论的是产物形成与底物利用的关 系，即碳源利用与产物形成速度的关系，它又 将微生物发酵过程分成了三个类型P79（表81）。
如果用比速率来表示基质消耗和产物生成，即
q S = —（1/X）/（d S/d t）
（9-16）
q P = （1/X）/（d P/d t）
（9-17）
q S和q P分别为基质比消耗速率和产物比生成速率，
则式（8-14）和（8-15）可分别写作
q S = μ/YX/S q p = μ/ YG +m+ q P / YP
对各种不同的微生物分批发酵过程，通过实
验研究这三个参数的变化规律，建立适当的微
分方程组，就可以对分批发酵过程进行模拟，
进而进行优化控制，最终达到大大提高生产效
率的目的。
8.3 连续培养动力学
连续培养：连续培养或连续发酵是指在培养
过程中，连续地向发酵罐中加入培养基，同时
有以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培养
Байду номын сангаас
8.1.2 第Ⅱ型
这一型也称与生长部分相关型。它的特 点是在发酵的第一时期菌体迅速增长，而 产物的形成很少或全无；在第二时期，产
物以高速度形成，生长也可能出现第二个
高峰，碳源利用在这两个时期都很高，P79
（图8-1b）。
• 从生源来看，这一类型发酵产物不是碳源的直 接氧化，而是菌体代谢的主流产物，所以一般 产量较高。也可以分为如下两类：
发酵工程第八章基因工程菌发酵
工程菌活化、筛选和保藏方法
• 2. 含质粒大肠杆菌的活化：10ml LB培养基装50ml三角瓶中，灭菌 后接菌种，150rpm,37℃振摇1216小时；
• 3．含质粒大肠杆菌的筛选：：20ml 灭 菌LB培养基装一块平板，加卡那霉素 （1mg/ml）1ml. • 划线接种（上述活化的菌种），37℃倒 置培养12-16小时；
• 4. 含质粒大肠杆菌的增殖培养： 3ml LB液体试管中加入150µl卡那霉 素，挑选单菌落接入， 250rpm,37℃剧烈振摇12-16小时， 供质粒抽提和菌种保藏用。
• 5. 取150µl的培养物入1.5ml微量 离心管中,加850µl灭菌的甘油， 密封管口，放-20℃保藏。
☆
第二节 工程菌的发酵
重组a2b型基因工程干扰素分批式培 养和流加式培养菌体产量及干扰素产 量的比较
方法 分批式 培养温度 pH 培养基 培养时间 菌体湿重 37 7.0 综合 8.5 820 IFN效价 9.7
流加培养 37
7.0
综合
8.5
1512
17.7
3．连续培养 连续培养是将种子接入发酵反应器中，搅拌 培养至一定菌体浓度后，开动进料和出料的 蠕动泵，以控制一定稀释率进行不间断的培 养。连续培养可为微生物提供恒定的生活环 境，控制其比生长速率，为研究基因工程菌 的发酵动力学，生理生化特性，环境因素对 基因表达的影响等创造了良好条件。
4．透析培养
透析培养是利用膜的半透性原理使代谢产 物和培养基分离，通过去除培养液中的代 谢产物来解除其对生产菌的不利影响。传 统生产外源蛋白的发酵方法，由于乙酸等 代谢副产物的过高积累而限制工程菌的生 长及外源基因的表达，而透析培养解决了 上述问题。
5．固定化培养 基因工程菌培养的一大难题是如何维持 质粒的稳定性。有人将固定化技术应用 到这一领域，发现基因工程菌经固定化 后，质粒稳定性大大提高，便于进行连 续培养，特别是分泌型菌更为有利。因 此基因工程菌固定化培养研究已得到迅 速开展。
发酵工程第8章发酵过程控制[1]
![发酵工程第8章发酵过程控制[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/d23f9f924693daef5ef73df3.png)
① μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)， 这种发酵过程易于控制；
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•pH •pH影响酶的活性
•
对 •pH值影响微生物细胞膜所带电荷的
发 改变
酵 的
•pH值影响培养基某些成分和中间代
影 谢物的解离
响 •pH影响代谢方向
•pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•pH 的 控 制 方 式
•获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得 最高产量。
•最适pH值是根据实验结果来确定的。
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情 况
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•pH对产海藻酸裂解酶的影响
发酵工程第8章发酵过程控制[1]
在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体 的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关 系有四种情况：
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•四、PH的调控策略
• 1、配制合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围 并使其有很好的缓冲能力。
•2、培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如CaCO3 等防治PH过度下降。 •3、培养过程中加入基质性酸碱调节剂，如氨水等。 •4、加生理酸性或碱性盐基质，通过代谢调节PH。
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•pH •pH影响酶的活性
•
对 •pH值影响微生物细胞膜所带电荷的
发 改变
酵 的
•pH值影响培养基某些成分和中间代
影 谢物的解离
响 •pH影响代谢方向
•pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•pH 的 控 制 方 式
•获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得 最高产量。
•最适pH值是根据实验结果来确定的。
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情 况
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•pH对产海藻酸裂解酶的影响
发酵工程第8章发酵过程控制[1]
在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体 的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关 系有四种情况：
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发酵工程第8章发酵过程控制[1]
•四、PH的调控策略
• 1、配制合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围 并使其有很好的缓冲能力。
•2、培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如CaCO3 等防治PH过度下降。 •3、培养过程中加入基质性酸碱调节剂，如氨水等。 •4、加生理酸性或碱性盐基质，通过代谢调节PH。
发酵工程第8章发酵过程控制
使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
第八章培养基及发酵设备灭菌
分批灭菌的操作：
(1)空罐灭菌 采用大进汽方式进汽，以使罐顶各开孔部位的有关管路彻底灭菌的阀
门，再关小排汽保持压力160—180千帕(128～130℃左右)，流通蒸汽灭菌 30分钟，并在稍开进汽阀和排汽阀的条件下闷罐灭菌30分钟。灭菌结束， 将罐压降至低于空气过滤器压力，立即进无菌空气保压，并通冷却水冷却。
营养物质的种类、浓度和 比例
温度 pH 溶解氧浓度 产物
三、分批培养中的基质消耗和产物生成 1. 得率系数
2. 基质消耗速率
分批培养时, 培养液中基质浓度的下降是由于细胞和 产物的生成, 如果营养物质是能源, 还有一部分用于细胞 的生命活动, 则可表示为:
3. 产物生成速率
Goden将微生物发酵过程中产物的生成归纳为三种形式: (1) 产物的生成与细胞生长完全相关
空气过滤
第一节 空气除菌的要求和方法
一、空气中微生物的分布 空气的微生物，大多是细菌和细菌孢子，也有酵母、真菌和
病毒。一般空气中按含菌量为103—104个／m3来设计空气除菌系 统。
空气中的尘埃数与细菌数的关系如下：
y = 0.003x – 2.6 式中 y —空气中的微生物数量(个／m3)，x —空气中的尘埃颗 粒数量(个／m3)。
(2)连续进蒸汽加热
连消时，先将物料预热至60～75℃，以减少蒸汽加热时水汽 的撞击声。
务必保持总蒸汽压达500千帕，使其接近连消泵出口压力(600 千帕)，培养基流速才均匀稳定，否则影响灭菌质量。连消塔温维 持在126～32℃，维持罐罐压为400千帕，一般5分钟已能达到彻底 灭菌要求。
(3)灭菌后冷却
现在发酵罐的容积最大为500—1000t，溶解氧、温度、pH值等均 设有自控仪器或采用微机控制，推动着整个发酵工业的发展。
(1)空罐灭菌 采用大进汽方式进汽，以使罐顶各开孔部位的有关管路彻底灭菌的阀
门，再关小排汽保持压力160—180千帕(128～130℃左右)，流通蒸汽灭菌 30分钟，并在稍开进汽阀和排汽阀的条件下闷罐灭菌30分钟。灭菌结束， 将罐压降至低于空气过滤器压力，立即进无菌空气保压，并通冷却水冷却。
营养物质的种类、浓度和 比例
温度 pH 溶解氧浓度 产物
三、分批培养中的基质消耗和产物生成 1. 得率系数
2. 基质消耗速率
分批培养时, 培养液中基质浓度的下降是由于细胞和 产物的生成, 如果营养物质是能源, 还有一部分用于细胞 的生命活动, 则可表示为:
3. 产物生成速率
Goden将微生物发酵过程中产物的生成归纳为三种形式: (1) 产物的生成与细胞生长完全相关
空气过滤
第一节 空气除菌的要求和方法
一、空气中微生物的分布 空气的微生物，大多是细菌和细菌孢子，也有酵母、真菌和
病毒。一般空气中按含菌量为103—104个／m3来设计空气除菌系 统。
空气中的尘埃数与细菌数的关系如下：
y = 0.003x – 2.6 式中 y —空气中的微生物数量(个／m3)，x —空气中的尘埃颗 粒数量(个／m3)。
(2)连续进蒸汽加热
连消时，先将物料预热至60～75℃，以减少蒸汽加热时水汽 的撞击声。
务必保持总蒸汽压达500千帕，使其接近连消泵出口压力(600 千帕)，培养基流速才均匀稳定，否则影响灭菌质量。连消塔温维 持在126～32℃，维持罐罐压为400千帕，一般5分钟已能达到彻底 灭菌要求。
(3)灭菌后冷却
现在发酵罐的容积最大为500—1000t，溶解氧、温度、pH值等均 设有自控仪器或采用微机控制，推动着整个发酵工业的发展。
发酵动力学
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长
B 实际情况：
概率论模型 各种细胞不均一
C 对细胞群体的描述模型
细胞内多组分；
细胞之间不均一 D
（2） 宏观处理法
(3) 发酵周期
实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时 间。 工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵 罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算 在内，以反映发酵设备的利用效率。即从第一 罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间 为一个发酵周期。
2. 有机化合物中的化合能 ① 完全燃烧需氧量
6. 发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学通过对微生物生长率、基质 和氧消耗率、产物合成率的动态研究， 实现发酵条件参数的在线检测，确定发 酵动力学模型，实现动态过程优化控制， 取得发酵产物最大量。
第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类
细胞浓度 (x) 或产物浓度对时间作图时， 两者密切平行，其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻。 一般来说在这种类型的发酵生产中，控 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件。
〖Ⅰ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
p x
（2）生长产物合成半偶联类型：亦称Ⅱ型
它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联 之间的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不 相联两个部分。
该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比 生长速率最高时刻的到来。 如柠檬酸、谷氨酸、赖氨酸、依康酸、丙酮、丁醇发 酵