发酵工程概述

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
过程的一种生物技术。
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和
接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
例如：
北京棒杆菌
扩大培养
菌种
发酵
发酵液
(糖化液培养基)
过滤
(预处理)
产品
(L-谷氨酸)
干燥
浓缩、纯化
提取、分离
3.什么是微生物
6－2（略）
从工程的角度来看，微生物的主要特点有如下几个方面： 1.体积小、比表面大，有利于促进其参与生物化学反应。 2.种类多、分布广，为生物化工就地取材提供了方便。 3.生长旺、繁殖快，有利于提高生产效率。 4.适应强、易变异，有助于新品种的培养。
资料卡片
6－3（略）
除了培养基的组成外，温度、pH 值、通气等因素均影响着微生物的生长与 发育。 1.温度－微生物的生长实际上是生物体的一系列生物化学反应、酶反应的有机 组合，温度是这些反应必需的条件。 2.pH 值－微生物的生长需要在一定的 pH 值环境下才可正常生长、繁殖。如果 pH 值不适，不但妨碍菌体的正常生长，还会改变微生物的代谢途径及产物的性 质。 3.通气－环境的通气程度对微生物的生长影响很大。例如：酵母菌，在有氧条 件下迅速生长繁殖，在无氧条件下则进行发酵，并产生大量乙醇。
问题：
菌种
什么是化学诱变？什
么是物料诱变？
生产性能测定
纯种培养 突变体的筛选
纯种培养
资料卡片
一、化学诱变剂及其作用机制
引起突变的化学物质称为化学诱变剂。常见的变剂有烷化剂、核酸碱基类似 物及其它类诱变剂。 1.烷化剂
烷化剂往往带有一个或多个活泼的烷基，如烷基磺酸盐、亚硝基烷基化合物 等。烷化剂的作用机制是：通过烷基化，导致 DNA断裂、缺失或修补。 2.核酸碱基类
物界之最。例如：1982年报导的嗜酸热硫球菌属(Sulfosphaerellus)，最
适生长温度为 70℃。
由于微生物的个体一般都是单
细胞或接近于单细胞，利用物理或
化学人工诱变处理，容易使它们的
遗传性质发生异变，从而改变微生
物的代谢途径，产生新的菌种。
例如：生产味精的谷氨酸棒杆 菌经过变异后，它的高丝氨酸缺陷
微生物是一些个体微小、构 造简单的低等生物，其体形一般 在0.1毫米以下，肉眼看不见或 难以看清的微小生物的总称。
目前知道的最小的微生物是 病毒。
酵母菌
流感病毒
H1NⅠ型流感病毒
4.微生物的特点
⑴体积小、比表面大 微生物的个体都极为微小，一般用微米(10-6 m)或纳米(10-9 m)作单
位。由于其个体微小，必然导致其比表面非常大。（如：最普遍的杆菌 其平均长度仅为2μm）
一般而言，孢子培养基的碳源和氮 源不宜多，否则只长菌丝，少长或不长 孢子；另外，孢子培养基的无机盐浓度 应适当控制，否则会影响孢子的颜色和 孢子的量。
孢子培养车间
2.种子培养基
种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌体长得 粗壮，成为活力强的“种子”的培养基。
种子培养基的营养成分要求比较丰 富和完全，氮源和维生素的含量也要高 些，但总浓度以略稀薄为好，这样可达 到较高的溶解氧，供大量菌体生长繁殖。 此外，种子培养基还需考虑在微生物代 谢过程中能维持稳定的pH值。
物或其代谢产物的过程，统称为发酵。
例如：
黄青霉素
有氧发酵
青霉素
在细胞浆内所发生 的，由葡萄糖直接分解 为丙酮酸的过程。
北京棒杆菌 EMP酵解 丙酮酸
Embden-Meyerhof-Parnus
草酰乙酸
谷氨酸
三羧酸循环
谷氨酸脱氢酶
2.什么是发酵工程
所谓发酵工程是指，采用现代工程技术手段，利用微生物生命活动的
⑵厌氧性微生物 厌氧性微生物不需要分子态氧，分子态氧对其有毒害作用。如：丙酮
－丁醇梭菌。 ⑶兼性微生物
兼性微生物既能在有氧条件下生 长，又能在无氧条件下生活。如：酵 母菌，在有氧条件下迅速生长繁殖， 在无氧条件下则进行发酵，并产生大 量乙醇。
显微镜下的酵母菌
问题讨论与练习
6－1 什么是发酵？什么是发酵工程？ 6－2 微生物的特点是什么？ 6－3 影响微生物生长发育的因素有哪些？
原料 上游工程
中游（发酵）
下游工程
产品
工程
1.发酵的上游工程
发酵的上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶 氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。
发酵的上游工程的基本工序可简单地表述为：
菌种
菌种选育
孢子制备
种子制备
种子
种子的扩大培养
⑴菌种的选育 菌种的选育常见的有自然选育和诱变育种两种方法。
第二章 发ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工程基本原理
第一节 发酵工程概述 第二节 发酵罐及发酵工程应用实例
第一节 发酵工程概述
Ferment the engineering to say all
一、发酵 二、培养基 二、影响微生物生长发育的因素 四、发酵工程的基本工序
一、发酵
1.什么是发酵
发酵(fermentation)最初是指，用酵母作用于谷物或果汁，进行酒精
青霉菌种子培养车间
3.发酵培养基
发酵培养基是使接种的菌丝生长并能高效表达，获得高产量发酵产 物，同时组分尽可能单一的培养基。
发酵培养基的营养成分 与种子培养同样，要求比较 丰富和完全，有利于产物的 合成。
此外应注意，在发酵过 程中，培养基不宜一次性大 量、快速加入碳源和氮源； 在产物分泌期间应维持pH值 的稳定。
由于微生物的食谱极广，生长要求 不高，生长繁殖速度极快，使得其在自 然界分布极广。这为生物化工就地取材 提供了方便。
浆染厂废水生化处理
⑶生长旺、繁殖快 在生物界中，微生物具有极高的繁殖速度，其中以二均分裂方式繁殖
的细菌尤为突出。 例如：大肠杆菌在 37℃下，每 18mit 分裂一次，每天要分裂 80 次
味精生产设备
型可生产赖氨酸，它的抗甲硫氨酸
变异株可生产蛋氨酸。
二、培养基
培养基（Medium）是微生物发酵过程所必需的养料，一般都含有碳 源、氮源物质、无机盐(包括微量元素)以及维生素和水等。
从发酵生产用途的角度来看，培养基可分为孢子培养基、种子培养 基和发酵培养基三类。
1.孢子培养基
孢子培养基又称为斜面培养基，是为了使菌体生长快，产生孢子数 量大、质量好，不会引起菌种变异采用的培养基。
发酵并产生 CO2 的现象。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应。
例如：
C6H12O6
(葡萄糖)
发酵
酒化酶
2C2H5OH + 2CO2 +
2ATP
(放出能量:118 kJ/mol)
此过程是微生物在无氧状况下的呼吸过程，是微生物获取能量的一种
形式。
目前，人们把借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生
葡萄酒发酵车间
三、影响微生物生长发育的因素
微生物在生命活动中，与周围环境有着密切的联系。除了培养基的 组成外，温度、pH 值、通气等因素均影响着微生物的生长与发育。
1.温度
微生物的生长实际上是生物体的一系列生物化学反应、酶反应的有 机组合，温度是这些反应必需的条件。
根据微生物生长的适宜温度范围，一般可将其大致分为低温菌、中 温菌和高温菌三类。
①自然选育 不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程叫做自
然选育。自然选育是一种简单易行的选育方法，它可以达到纯化菌种，防 止菌种衰退、稳定生产、提高产量的目的。但是自然选育的最大缺点是效 率低、进展慢。菌种自然选育基本步骤可表述为：
野生菌种
菌种采样 增殖培养 纯种分离 纯种培养 生产性能测定
谢方式，能分解各式各样的有机物和无机物。凡是动、植物能利用的营养 物质，微生物一概可以利用；而大量动、植物所不能利用、甚至是剧毒物 质，微生物照样可以很好地利用。
例如：废水生化处理就是利用微生物各取所需，共同作用于废水中的 毒性物质，使其降解而达到防治公害的目的；发酵工业就是利用不同的微 生物在生化过程中累积的代谢产物，生产各种发酵产品。
比表面积 =
表面积 体积
(1/m)
微生物这种体积小、比表面积大，
有利于其与周围环境进行物质、能量和
信息交换。实际上，微生物的其它属性 高倍显微镜下的大肠杆菌
都和此特点有着密切关系。
（1-3μm）
微生物的比表面大，有利于促进其参与生物化学反应。如：微生物的
发酵。
⑵种类多、分布广 目前已发现的微生物在10万种以上。不同种类的微生物具有不同的代
因此，在发酵过程中，须按照微生物对氧气的需求不同，控制好培养基中 的溶解氧（DO值）。
四、发酵工程的基本工序
我们知道，发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基配制、灭菌、扩 大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
从工程学的角度来看，我们可将发酵工程可概括地分为菌种、发酵和 提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段通常我们又将其称为发酵 工程的上游工程、中游（发酵）工程和下游工程。即：
使培养物获得单 个菌落
测定代谢产物或其 它目的性状
菌种
②诱变选育 诱变选育是利用各种物理、化学因素，通过人工诱发的基因突变而进
行菌种筛选的过程。菌种诱变选育基本步骤可表述为：
出发菌株 同步培养
制备孢子悬液
化学诱变剂 物理诱变剂
诱变处理 平板分离
★使菌细胞处于相同或接近的生理状态 ★得到基因突变的菌株 ★挑取疑似突变菌落 ★通过多次筛选，确定目标突变菌株
之多；1个大肠杆菌经 48h 后，可产生2.2×1043 个后代。
乳酸菌在 25℃下，每 38mit 分 裂一次，每天要分裂 38 次；1个乳 酸菌 48h 后，可产生 2.7×1011 个 后代。
微生物的这一特点在发酵工 业上有着重要的实践意义，主要 体现在生产周期短、效率高。
⑷适应强、易变异 微生物对环境条件尤其是恶劣极端环境有着惊人的适应能力，堪称生
资料卡片
二、物理诱变
通过物理方法引起的突变称为物理诱变。常见的物理诱变剂有紫外线，X－ 射线，γ-射线，快中子，激光，微波，离子束等。
紫外辐射可以引起碱基转换、颠换、移码突变或缺失；激光通过光效应、 热效应和电磁效应的综合作用，能使生物的染色体断裂或形成片断；γ-射线可 使脱氧核糖的碱基发生氧化或DNA分子的化学键断裂、同时还能引起染色体畸变。
柠檬酸
黑曲霉
pH = 2.6-6.5 菌体生长、繁殖
pH = 7
草酸
丙酮－丁醇梭菌
pH = 5.5－7.0 菌体生长、繁殖 pH = 4.3－5.3
丙酮－丁醇发酵
3.通气
环境的通气程度对微生物的生长影响很大。按照微生物对氧气的需 求不同，可将其大致分为好氧性微生物、厌氧性微生物及兼性微生物三 类。 ⑴好氧性微生物
资料卡片
6－1（略）
发酵(fermentation)是指，借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来 制备微生物或其代谢产物的过程。
发酵工程是指，采用现代工程技术手段，利用微生物生命活动的某些特定 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生 物技术。
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、 发酵过程和产品的分离提纯等方面。
微波辐射属于一种低能电磁辐射，具有较强生物效应的频率范围在 300MHz －300GHz，对生物体具有热效应和非热效应。其热效应能引起生物体局部温度 上升，从而引起生理生化反应；其非热效应能使生物体产生非温度关联的各种 生理生化反应。在这两种效应的综合作用下,生物体会产生一系列突变效应。
⑵种子的扩大培养 种子的扩大培养就是，为每次发酵罐的投料提供相当数量的代谢旺盛
核酸碱基类化学诱变剂具有与 DNA碱基类似的结构。如，5-溴尿嘧啶、2-氨 基嘌呤等。其作用机制是作为 DNA的成份而渗入到DNA分子中去，使DNA复制时发 生配对错误，从而引起有机体变异。
3.亚硝酸 亚硝酸能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸结构和性质，造成 DNA复制紊乱。亚
硝酸还能造成DNA双链间的交联而引起遗传效应。
种类 低温菌 中温菌 高温菌
最适温度/℃ 10－20 20－40 50－75
存在环境 水、冷藏物 大多数环境 土壤、温泉、堆肥
2. pH值
微生物的生长需要在一定的 pH 值环境下才可正常生长、繁殖。如果 pH值不适，不但妨碍菌体的正常生长，还会改变微生物的代谢途径及产物 的性质。
例如：
pH = 2-2.5
好氧性微生物（好气微生物）在生长繁殖过程中，需要不断摄取周 围环境中的氧。微生物在发酵过程中，能利用的氧必须是溶解于培养基 中的溶解氧（DO）。
例如：大多数细菌属于好氧性微生
物；硫杆菌属(Thiobacillus)中的氧化 亚铁硫杆菌(Thio. ferroxidans) 属于
好氧性固氮微生物。
显微镜下的黑曲霉菌