微生物工程課件

緒

論一、微生物工程的概念

微生物工程（Microbialengineering）是利用微生物的特定性狀和功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用於工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系；是將傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代DNA重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合併發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。微生物工程是滲透有工程學(xué)的微生物學(xué)，是發(fā)酵技術(shù)工程化的發(fā)展。生物工程(bioengineering)二、微生物工程的地位與作用生物技術(shù)(biotechnology)生物技術(shù)是21世紀(jì)高新技術(shù)革命的核心內(nèi)容，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)將是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)生物技術(shù)在迎接人口、資源、能源、食物環(huán)境等五大危機的挑戰(zhàn)中將大顯身手。許多國家都將生物技術(shù)確定為增強國力和經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。生物工程微生物工程基因工程細(xì)胞工程酶工程微生物工程

是生物技術(shù)的重要組成和基礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程的基本原理有機結(jié)合起來，廣泛而深入地揭示了發(fā)酵過程的本質(zhì)。三、微生物反應(yīng)過程的特點一）優(yōu)點：

（與化學(xué)工程相比）1、生產(chǎn)過程通常在常溫常壓下進行，操作條件溫和，不需考慮防爆問題，一種設(shè)備具有多種用途。2、原料以碳水化合物為主，不含有毒物質(zhì)。3、生產(chǎn)過程是以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行的，因此多個反應(yīng)就象一個反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備（發(fā)酵罐）中進行。4、能容易地生產(chǎn)複雜的高分子化合物，如酶、光學(xué)活性體等。5、能高度選擇性地進行複雜化合物在特定部位反應(yīng)，如氧化、還原、官能團導(dǎo)入等。6、生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是發(fā)酵產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等有用物質(zhì)；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會對人和動物造成危害。7、通過微生物菌種改良，能夠利用原有設(shè)備使生產(chǎn)飛躍上升。

發(fā)酵過程的這些特性決定了微生物工程的種種優(yōu)點，使得微生物工程成為生物技術(shù)的核心之一而受到廣泛重視。二）發(fā)酵過程中尚存在的問題：1、底物不能完全轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物，副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免，因而造成提取和精製困難，這是目前發(fā)酵行業(yè)下游操作落後的原因之一。2、微生物反應(yīng)是活細(xì)胞的反應(yīng)，產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外，也受細(xì)胞內(nèi)因素的影響，且菌體易發(fā)生變異。3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價廉，但品質(zhì)波動較大。4、生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，花費高，相對化學(xué)反應(yīng)而言，反應(yīng)器效率低。5、通常底物濃度不能過高，且要在無雜菌污染情況下進行。6、發(fā)酵廢水常具有較高的BOD和COD，需處理後排放。四、微生物工程發(fā)展簡史1、傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)——天然發(fā)酵幾千年酒（古埃及西元前4000–3000年；龍山文化4200年）啤酒、黃酒、醬油、泡菜等2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)——純培養(yǎng)技術(shù)

LouisPasteur微生物引起發(fā)酵；酒精發(fā)酵由酵母引起

EduardBuchner酒化酶(zymase)

RobertKoch發(fā)明了固體培養(yǎng)基；建立了純培養(yǎng)技術(shù)

人為控制發(fā)酵過程

酒精、丙酮、丁醇、有機酸等

（主厭氧發(fā)酵；初級代謝產(chǎn)物）3、第二代（近代）微生物發(fā)酵技術(shù)——深層培養(yǎng)技術(shù)

出現(xiàn)於20世紀(jì)40年代，以抗生素的生產(chǎn)為標(biāo)誌

青黴素的發(fā)現(xiàn)與大量需求

表面培養(yǎng)法(surfaceculture)效價40U/mL，純度20%，收率30%

深層培養(yǎng)技術(shù)（submergedfermentation)——機械攪拌通氣發(fā)酵

鏈黴素、氯黴素、金黴素、土黴素、四環(huán)素等

抗生素工業(yè)的發(fā)展促進了其他發(fā)酵產(chǎn)品的出現(xiàn)，如氨基酸發(fā)酵工業(yè)

好氧發(fā)酵，初級、次級代謝產(chǎn)物4、第三代發(fā)酵技術(shù)——微生物工程

（1972）DNA重組技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)等應(yīng)用

1982，第一個基因工程產(chǎn)品——利用工程菌生產(chǎn)的人胰島素問世

現(xiàn)有許多種類的產(chǎn)品紅細(xì)胞生成素

(治療貧血)

生長激素

(促進生長)胰島素

(治療糖尿病)

干擾素

(抗病毒、抗腫瘤)

五、微生物工程的應(yīng)用食品加工：單細(xì)胞蛋白（酵母、真菌等）含醇飲料：葡萄酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士卡發(fā)酵乳製品：乳酪、優(yōu)酪乳調(diào)味品：味精、肌苷酸、醬油、醋等微生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域，至今產(chǎn)量和產(chǎn)值仍占微生物工程的首位1、在食品工業(yè)的應(yīng)用（一）微生物工程應(yīng)用領(lǐng)域2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用

抗生素：12000餘種青黴素、金黴素、四環(huán)素、鏈黴素、慶大黴素、卡那黴素、新黴素、螺旋黴素、頭孢黴素等

氨基酸：可發(fā)酵生產(chǎn)的有穀、賴、丙、組、異亮、亮、苯丙、脯、蘇、色、酪、纈、瓜、鳥氨酸（國內(nèi)40億元，占發(fā)酵業(yè)產(chǎn)值12%）

維生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等

生物製品：亞單位疫苗、重組疫苗、DNA疫苗等

酶抑制劑：

棒酸（可抑制

-內(nèi)醯胺酶對青黴素的破壞）

-澱粉酶的抑制劑可治療糖尿病膽固醇抑制劑可治療高血壓高血脂3、在輕工業(yè)中的應(yīng)用糖酶：

-澱粉酶、-澱粉酶、異澱粉酶、木聚糖酶、葡萄糖異構(gòu)酶、半乳糖酶、纖維素酶等蛋白酶：鹼性蛋白酶（洗滌劑、皮革鞣化、啤酒去濁）酸性蛋白酶（飲料、制蛋白水解物）中性蛋白酶（皮革脫毛、蠶絲脫膠、蛋白腖製備）果膠酶：果汁果酒澄清、苧麻脫膠脂肪酶：分解脂肪為脂肪酸和甘油凝乳酶：制乾酪氨基醯化酶、甘露聚糖酶等4、在化工能源中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有機酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、衣康酸、水楊酸等多糖：黃原膠、海藻糖等清潔能源：氫氣、微生物燃料電池等5、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥：

殺蟲劑（Bt、白僵菌、病毒、微孢子蟲）

防治植物病害（假單孢菌、木黴、弱病毒、慶豐黴素）生物除草劑：利用雜草的病原微生物生物增產(chǎn)劑：根瘤菌、藍細(xì)菌、鉀細(xì)菌、磷細(xì)菌等6、在環(huán)境保護中的作用污水處理（厭氣法、好氣法）7、在高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因工程的各種工具酶等二）微生物工程產(chǎn)品類型1、微生物菌體的發(fā)酵SCP、藥用真菌（冬蟲夏草、茯苓等）生物防治製劑（如蘇雲(yún)金桿菌）活性乳製劑細(xì)胞的生長與產(chǎn)物的積累成平行關(guān)係，生長速率最大的時期也是產(chǎn)物合成最高階段2、微生物酶發(fā)酵各種酶製劑糖化酶、氨基醯化酶（DL氨基酸光學(xué)拆分）、蛋白酶、脂肪酶等3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵初級代謝產(chǎn)物：

與菌體生長相伴隨的產(chǎn)物，

氨基酸、核苷酸、維生素、有機酸、溶劑

菌體對其合成回饋控制嚴(yán)密，一般不過量積累次級代謝產(chǎn)物：

與菌體生長不相伴隨，以初級代謝產(chǎn)物為原料而合成

抗生素、生物鹼、毒素、胞外多糖等

結(jié)構(gòu)常較複雜對環(huán)境條件敏感4、微生物的生物轉(zhuǎn)化

利用微生物細(xì)胞的一種或幾種酶，對外源化合物的特定部位進行加工，如加入羥基、還原雙鍵、去氧或切斷支鏈等。

轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物並不是微生物細(xì)胞利用營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞代謝產(chǎn)生，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用於底物的某一部位，進行特定部位的化學(xué)反應(yīng)而形成。

反應(yīng)最顯著的特點是特異性強，包括反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性

含環(huán)戊烷多氫菲核的化合物；

甾族激素：分腎上腺皮質(zhì)激素和性激素；重要的生理調(diào)節(jié)作用，在臨床上廣泛用於治療過敏性皮炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、紅班狼瘡、支氣管哮喘等

甾體藥物的工業(yè)生產(chǎn)主要是通過改造天然的甾體產(chǎn)物而獲得的；可的松類抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾體母核11位上導(dǎo)入一氧原子，最大的困難也正在此

化學(xué)轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價格昂貴（Savett,576kg去氧膽酸，30多步反應(yīng)，兩年→938mg醋酸可的松）

生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根黴，僅1步就將孕酮11位上導(dǎo)入一個羥基，使從孕酮合成皮質(zhì)酮只需3步，這樣才使可的松問世）如：甾體轉(zhuǎn)化可地松（Cortisone）Stigmasterol5、微生物特殊機能的利用利用微生物消除環(huán)境污染金屬浸瀝回收利用基因工程菌開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域六、微生物工程面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨向一）面臨的挑戰(zhàn)1、化學(xué)合成工業(yè)的競爭

有機溶劑，如丙酮丁醇發(fā)酵法產(chǎn)品所占份額已很少當(dāng)然也有多種原來通過化工合成的產(chǎn)品逐漸被發(fā)酵法所取代，如乳酸2、農(nóng)業(yè)生物工程的衝擊轉(zhuǎn)基因植物中表達生產(chǎn)

PHB、抗體、藥物、植酸酶（將飼料中的有機磷轉(zhuǎn)變?yōu)閯游锟梢岳玫男问?，減少糞便中的磷，降低飼養(yǎng)場地區(qū)的污染）等二）微生物工程發(fā)展趨向1、提高現(xiàn)有微生物發(fā)酵工業(yè)水準(zhǔn)2、利用重組DNA技術(shù)3、開拓極端酶極端酶由於極端酶的極端穩(wěn)定性，為開拓新的生物催化和生物轉(zhuǎn)化提供了廣闊的應(yīng)用前景。七、微生物工程的內(nèi)容微生物工程基本上可分為發(fā)酵和提取兩部分發(fā)酵部分也稱發(fā)酵工程，是微生物反應(yīng)過程；提取部分也稱後處理，或下游加工技術(shù)

雖然微生物工業(yè)生產(chǎn)以發(fā)酵為主，發(fā)酵的好壞是整個生產(chǎn)的關(guān)鍵，但後處理在發(fā)酵生產(chǎn)中也佔有重要的地位。微生物工程主要內(nèi)容

生產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制、反應(yīng)器的設(shè)計及產(chǎn)物的分離、提取與精製等武漢大學(xué)曹軍衛(wèi)主編（4部分）科學(xué)出版社第一部分微生物工程原理1、微生物工程概論2、生產(chǎn)菌種的來源3、優(yōu)良菌種選育4、菌種保藏的原理與方法5、微生物代謝調(diào)節(jié)和代謝工程6、培養(yǎng)基7、發(fā)酵工藝控制8、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測和自動控制9、微生物反應(yīng)動力學(xué)第二部分微生物工程下游加工工程1、微生物下游加工工程概論2、發(fā)酵液的預(yù)處理3、沉澱法4、溶劑萃取法5、雙水相萃取法6、吸附法7、離子交換法8、結(jié)晶法第三部分微生物工程生產(chǎn)設(shè)備1、培養(yǎng)基滅菌及滅菌設(shè)備2、發(fā)酵設(shè)備3、空氣除菌設(shè)備4、產(chǎn)品純化設(shè)備第四部分微生物工程生產(chǎn)舉例1、抗生素生產(chǎn)工藝2、氨基酸生產(chǎn)工藝3、甾體類化合物的微生物的轉(zhuǎn)化工藝4、污水的生物處理吳松剛(福建師大)主編科學(xué)出版社;200476萬字;定價58元戴美學(xué)參編(2002級使用)上篇

微生物工程總論1、緒論2、微生物概論3、微生物代謝與代謝工程4、工業(yè)微生物菌種選育5、基因工程菌構(gòu)建6、微生物發(fā)酵過程及控制中篇

微生物工程各論1、抗生素發(fā)酵工程2、氨基酸發(fā)酵工程3、酶製劑發(fā)酵工程4、核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工程5、釀造酒發(fā)酵工程6、有機溶劑發(fā)酵工程7、環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)酵工程下篇

微生物下游工程1、微生物下游工程概論2、發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離工藝3、膜分離過濾工藝4、離子交換工藝5、凝膠層析工藝6、溶媒萃取工藝7、結(jié)晶工藝8、乾燥工藝八、《微生物工程》課的任務(wù)

在學(xué)習(xí)了微生物學(xué)、生物化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，進一步深入瞭解嫌氣和好氣發(fā)酵有關(guān)的工藝原理，應(yīng)用這些基本理論去分析和解決微生物工業(yè)生產(chǎn)中的具體問題，使生產(chǎn)過程更好地符合客觀規(guī)律，進一步提高發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)率。九、參考書目姚汝華華南理工大學(xué)出版社2002俞俊棠唐孝宣(上、下冊)華東化工學(xué)院出版社1991俞俊棠唐孝宣等(上、下冊)化工工業(yè)出版社2003賀小賢化學(xué)工業(yè)出版社

2003焦瑞身化學(xué)工業(yè)出版社2003陳駒聲等化學(xué)工業(yè)出版社1987黨建章中國輕工出版社2003李豔中國輕工業(yè)出版社1999高孔榮中國輕工業(yè)出版社1991第一章

微生物工程菌種第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)常用微生物第二節(jié)菌種來源第三節(jié)菌種選育第四節(jié)菌種保藏第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)常用的微生物一、發(fā)酵工業(yè)對微生物菌種的要求儘管工業(yè)用微生物菌種多種多樣，但作為大規(guī)模生產(chǎn)，選擇菌種應(yīng)遵循以下原則：1、能在廉價原料製成的培養(yǎng)基上迅速生長，並形成所需的代謝產(chǎn)物，產(chǎn)量高。2、可以在易於控制的培養(yǎng)條件下迅速生長和發(fā)酵，且所需酶活力高。3、根據(jù)代謝控制的要求，選擇單產(chǎn)高的營養(yǎng)缺陷型突變株或調(diào)節(jié)突變株或野生菌株。4、選育抗噬菌體能力強的菌株，使其不易感染噬菌體。5、菌種純粹，不易變異退化，以保證發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。6、菌種不是病原菌，不產(chǎn)生有害的生物活性物質(zhì)和毒素，以保證安全。二、發(fā)酵工業(yè)中常用微生物菌種（一）細(xì)菌1、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)

分佈廣，常存在於枯草、土壤等，一般為腐生菌；

在醬油、醬類和白酒制曲時，如果水分含量大，溫度較高，就容易造成枯草桿菌迅速繁殖；不僅消耗原料蛋白質(zhì)和澱粉，而且生成刺眼鼻的氨味，造成曲子發(fā)粘發(fā)臭，使制曲失敗。

能產(chǎn)生大量澱粉酶和蛋白酶

AS1.393蛋白酶BF7658-澱粉酶2、大腸桿菌(Escherichiacoli)

可利用大腸桿菌制取天冬氨酸、蘇氨酸、纈氨酸等

大腸桿菌的谷氨酸脫羧酶在工業(yè)上被用來進行谷氨酸的定量分析

基因工程的很好材料3、乳酸桿菌(Lactobacillussp.)

革蘭氏陽性，無芽孢，厭氧或兼性厭氧

可生產(chǎn)乳酸

乾酪的成熟、乳脂的酸化和醃菜、泡菜製作4、丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyleum)

芽孢卵形，中生或次端生，使芽孢囊膨大成梭狀或鼓槌形

專性厭氧

發(fā)酵生產(chǎn)丙酮丁醇5、腸膜狀明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)

G+、微需氧至兼性厭氧，生長需要纈氨酸和谷氨酸

在蔗糖液中形成特徵性葡聚糖黏液（20~25oC促使形成）

可生產(chǎn)葡聚糖

使糖汁變粘而無法加工，為糖廠有害菌6、醋酸菌(Acetobacter)

不形成芽孢，G－，好氣性

分兩群：1）只將乙醇氧化成醋酸

2）將產(chǎn)生的醋酸繼續(xù)氧化成CO2和水

可生產(chǎn)醋酸

7、棒狀桿菌(Corynebacterium)

以葡萄糖為原料發(fā)酵產(chǎn)生酸，是谷氨酸和其他氨基酸的高產(chǎn)菌

生產(chǎn)谷氨酸等

如北京棒桿菌AS1.299鈍齒棒桿菌AS1.5428、短桿菌(Brevibacterium)

氨基酸、核苷酸工業(yè)生產(chǎn)中常用的菌種，也是酶法合成生產(chǎn)輔酶A的菌種

9、黃單胞菌(Xanthomonas)

細(xì)胞直桿狀，G－，無芽孢，極生鞭毛

在含蔗糖的瓊脂平板上形成圓形、邊緣整齊、粘稠光滑的黃色菌落；液體培養(yǎng)形成黃色粘稠的膠狀物——莢膜多糖，其黃色為一種水溶性色素

野油菜黃單胞菌(X.campestris)可以澱粉生產(chǎn)黃原膠(Xanthangum)10、假單胞菌(Pseudomonas)能發(fā)酵生產(chǎn)維生素B12、丙氨酸、谷氨酸、葡萄糖酸、色素、果膠酶；也能進行類固醇（甾體）轉(zhuǎn)化；有些菌株可利用烴類生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白。（二）放線菌因其菌落呈放射狀而得名屬原核微生物類群，在自然界中分布很廣，尤其在有機質(zhì)豐富的微鹼性土壤中較多。大多腐生，少數(shù)寄生。產(chǎn)生多種抗生素（12000餘種，60%左右來自放線菌），經(jīng)濟價值大1、鏈黴菌屬(Streptomyces)灰色鏈黴菌(Streptomycesgriseus)

生產(chǎn)鏈黴素金黴素鏈黴菌(Streptomycesaureofaciens)

在PDA培養(yǎng)基上生長時，基內(nèi)菌絲產(chǎn)生金黃色色素生產(chǎn)金黴素紅黴素鏈黴菌(Streptomyceserythreus)

產(chǎn)紅黴素龜裂鏈黴菌(Streptomycesrimosus)

菌落灰白色，表面後期有皺折，呈龜裂狀生產(chǎn)土黴素2、小單胞菌屬(Micromonospora)

與一般放線菌不同，菌絲體長入培養(yǎng)基內(nèi)，不形成氣生菌絲，而在基內(nèi)菌絲體上長出孢子梗，其頂端生一個球形、橢圓形孢子。

菌落緻密，與培養(yǎng)基緊密結(jié)合在一起，表面凸起，多崎嶇，疣狀；菌落常為橙黃色、紅色、深褐色、黑色和蘭色。

多種可產(chǎn)抗生素，如棘孢小單胞菌（M.echinospora）產(chǎn)慶大黴素3、遊動放線菌屬（Actinoplanes）

一般不形成氣生菌絲，孢囊在基內(nèi)菌絲上形成，孢囊孢子在孢囊內(nèi)盤卷或呈直線排列；孢子球形，有時端生1-40根鞭毛，能運動。

濟南遊動放線菌(Actinoplanestsinanesis)產(chǎn)創(chuàng)新黴素(creatmycin;1964)4、諾卡氏菌屬(Norcadia)

一般無氣絲，基絲培養(yǎng)十幾小時形成橫隔，並斷裂成桿狀或球狀孢子。

菌落較小，邊緣多呈樹根毛狀。

生產(chǎn)利福黴素、蚊黴素等5、孢囊鏈黴菌屬(Streptosporangium)孢子絲盤卷成球形孢囊，內(nèi)形成孢囊孢子，孢囊孢子無鞭毛產(chǎn)多黴素、創(chuàng)新黴素（三）酵母菌單細(xì)胞真核，主分佈於含糖質(zhì)較多的偏酸性環(huán)境中，如水果、蔬菜、花蜜和植物葉子上，以及果園土壤中。1、啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)根據(jù)長與寬的比例，分三組：第一組長寬比為1～2

細(xì)胞多為圓形、卵圓形；主要供生產(chǎn)啤酒、白酒和酒精及麵包第二組長寬比為2

多供生產(chǎn)葡萄酒、果酒用第三組長寬比大於2

耐高滲透壓，供發(fā)酵甘蔗糖蜜生產(chǎn)酒精用啤酒酵母在液體培養(yǎng)基中的生長行為有兩類：上面酵母——發(fā)酵度較高，不易凝集沉澱，浮於上面下麵酵母——發(fā)酵度較低，易凝集沉澱

啤酒酵母的應(yīng)用非常廣，常用於傳統(tǒng)的發(fā)酵行業(yè)，如啤酒、白酒、果酒、酒精、藥用酵母、麵包製作，故又稱釀酒酵母。

近年來，利用啤酒酵母提取核酸、麥角固醇、細(xì)胞色素C、凝血質(zhì)和輔酶A等；生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(SCP)可食用、藥用和作為飼料；它的轉(zhuǎn)化酶可用於轉(zhuǎn)化蔗糖，製造酒心巧克力。2、葡萄汁酵母(Saccharomycesuvarum)

與釀酒酵母相似，主要的區(qū)別在於葡萄汁酵母能發(fā)酵棉子糖和蜜二糖

葡萄汁酵母常用於啤酒釀造的底層發(fā)酵，也可食用、藥用或作飼料。3、漢遜酵母(Hansenula)

此屬酵母多能產(chǎn)生乙酸乙酯，從而增加產(chǎn)品的香味，可用於釀酒和食品工業(yè)。

但由於它能利用酒精作碳源，又能在飲料表面產(chǎn)生幹皺的菌膜，所以又是酒精生產(chǎn)的有害菌。4、球擬酵母(Toruiopsis)

此屬酵母有些種能產(chǎn)生不同比例的甘油、赤蘚糖、阿拉伯糖；有的能利用烴類生產(chǎn)蛋白質(zhì)。5、假絲酵母(Candida)

能形成假絲，液體培養(yǎng)時能形成浮膜

可生產(chǎn)SCP、甘油、脂肪酶6、紅酵母(Rhodotorula)

有明顯的紅色或黃色色素，很多種因生莢膜而形成粘質(zhì)狀菌落

可由菌體提取大量脂肪、

-胡蘿蔔素7、棉病針孢酵母(Nematsporagossypii)

又名棉病囊黴，能危害許多重要的經(jīng)濟作物，如棉花、柑橘、番茄等

該菌具有大量合成核黃素的能力，是核黃素生產(chǎn)的重要菌種

9、畢赤氏酵母(Pichia)

能利用石油或農(nóng)副產(chǎn)品及工業(yè)廢料產(chǎn)生菌體蛋白，有些菌株能生產(chǎn)麥角固醇、蘋果酸、磷酸甘露聚糖

近年來其在基因工程中的作用日益得到重視（四）黴菌1、根黴(Rhizopus)米根黴(Rhizopusoryzae)

澱粉酶活力極強，多作糖化酶使用；又由於具有較強的蛋白質(zhì)分解能力，也可用於製造腐乳。華根黴(Rhizopuschinentis)

是釀酒所必須的重要黴菌，也是酸性蛋白酶和腐乳生產(chǎn)中的重要菌種。2、毛黴(Mucor)魯氏毛黴(Mucorrouxianus)

從我國小曲中分離出來；

能糖化澱粉且能生成少量酒精；

能產(chǎn)生蛋白酶，有分解大豆蛋白的能力，常用來製作腐乳總狀毛黴(Mucorracemosus)

是毛黴中分布最廣的一種，幾乎在各地土壤中、一些生黴的材料上、空氣中都能找到；酒麴中常見

可製作豆豉3、麯黴(Aspergillus)米麯黴(Aspergillusoryzae)

有較強的蛋白分解能力，同時又具有糖化能力釀酒中的糖化菌；蛋白酶和澱粉酶的生產(chǎn)菌黑麯黴(Aspergillusniger)

具有多種強大的酶系，如澱粉酶、蛋白酶、果膠酶、纖維素酶和葡萄糖氧化酶等；

還能產(chǎn)生多種有機酸，如抗壞血酸、檸檬酸、葡萄糖酸和沒食子酸等

是生產(chǎn)檸檬酸和葡萄糖酸的重要菌種4、青黴(Penicillum)產(chǎn)黃青黴(Penicillumchrysogenum)

生產(chǎn)青黴素，也可用來生產(chǎn)葡萄糖氧化酶、葡萄糖酸、檸檬酸和抗壞血酸婁地青黴(Penicillumroqueforti)

屬不對稱青黴組，具有分解油脂和蛋白質(zhì)的能力，可用於製造乾酪；該菌孢子能將甘油三酯氧化為甲基酮展開青黴

(P.patulum)：

又名尋麻青黴，主要用於生產(chǎn)灰黃黴素（一種有效的可口服抗生素，用於治療真菌性皮膚病、痢疾及灰指甲）橘青黴(P.citrinum):

許多菌系可產(chǎn)生橘黴素，也能產(chǎn)生脂肪酶、葡萄糖氧化酶和凝乳酶有的菌系產(chǎn)生5`-磷酸二酯酶，可用它生產(chǎn)5`-核苷酸（肌苷酸和鳥苷酸具有很強的助鮮作用）5、白地黴(Geotrichumcandidum)

節(jié)孢子單個或連接成鏈

白地黴菌體蛋白營養(yǎng)價值很高，可供食用和飼料用，也可用來提取核酸，在廢料廢水的利用上很用價值6、產(chǎn)黃頭孢黴(Cephalosporiumchrysogen)

營養(yǎng)菌絲分隔；

分生孢子梗短，大多從氣絲上生出；

分生孢子從頂端長出後推至側(cè)旁，靠黏液連成假頭狀，遇水散開頭孢黴素、先鋒黴素

發(fā)酵操作方式及發(fā)酵動力學(xué)第一節(jié)發(fā)酵類型及操作方式一、發(fā)酵的類型1、根據(jù)微生物對氧的需求1）好氧性發(fā)酵

◆

需不斷通入無菌空氣

◆

如：利用黑麯黴發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸利用棒桿菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸利用黃單胞菌生產(chǎn)黃原膠抗生素發(fā)酵生產(chǎn)2）厭氣性發(fā)酵◆

不需供氧◆

如：乳酸桿菌的乳酸發(fā)酵梭狀芽孢桿菌的丙酮丁醇發(fā)酵酵母菌為兼性厭氧微生物，無氧時發(fā)酵生產(chǎn)酒精，有氧時發(fā)酵生產(chǎn)菌體2、按發(fā)酵培養(yǎng)基物理狀態(tài)分1）固體發(fā)酵根據(jù)物料堆放的厚薄分為:

薄層發(fā)酵：

木盤或葦簾，1～2cm，培養(yǎng)箱或曲室內(nèi)

厚層發(fā)酵：

深槽或池，架設(shè)簾，30cm以上，接種後通氣通風(fēng)厚層發(fā)酵固體發(fā)酵罐固體發(fā)酵罐固體發(fā)酵優(yōu)點：

可直接採用農(nóng)副產(chǎn)品為原料，生產(chǎn)成本和能量消耗都較低；

發(fā)酵培養(yǎng)基含水分低，有時產(chǎn)物濃度大大高於液體培養(yǎng)。固體發(fā)酵缺點：

同液體發(fā)酵相比，固體發(fā)酵中微生物、營養(yǎng)和產(chǎn)物的分散，發(fā)酵熱的移去和氧的供應(yīng)以及雜菌污染的避免等都較困難。2）液體發(fā)酵

發(fā)酵工業(yè)的主要方法

根據(jù)培養(yǎng)液的深淺分

表面培養(yǎng)法深層培養(yǎng)法表面培養(yǎng)法（淺盤發(fā)酵）

利用淺盤，僅裝一薄層培養(yǎng)液，接種後進行表面培養(yǎng)

在液體上面多數(shù)形成一層菌膜

在缺乏通氣設(shè)備時，對一些繁殖快的好氣性微生物可利用此法

早年青黴素生產(chǎn)菌株點青黴(Penicilliumnotatum)具有表面生長的特點，採用表面培養(yǎng)生產(chǎn)青黴素

又如利用白地黴生產(chǎn)人造肉深層發(fā)酵法

深層發(fā)酵

（submergedfermentation）指在液體培養(yǎng)基內(nèi)部（而不僅僅在表面）進行的培養(yǎng)過程。深層發(fā)酵是當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)中使用的主要形式液體深層發(fā)酵的優(yōu)點：1）液體懸浮狀態(tài)是多數(shù)微生物的最適生長環(huán)境。2）在液體中，菌體及其底物、產(chǎn)物（包括熱）易於擴散，使發(fā)酵可在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進行。3）液體輸送方便，易於機械化操作。4）廠房面積小，生產(chǎn)效率高，易進行自動化控制，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。5）產(chǎn)品易於提取、精製二、發(fā)酵操作方式分批操作補料分批操作連續(xù)操作1、分批操作分批發(fā)酵（batchfermentation）

向反應(yīng)器中一次投入所需的培養(yǎng)基，然後接種培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中除控制溫度和pH外不進行其他任何控制，反應(yīng)結(jié)束後將全部培養(yǎng)液排出進行處理。缺點：

效率低

儘管微生物的活性和機能因其所處的環(huán)境大幅度變化，也根本不控制培養(yǎng)基組分濃度等環(huán)境因素，而任其自然變化，這樣不利於生產(chǎn)。

在每一批主反應(yīng)（生產(chǎn)階段）之前，必須進行幾級種子培養(yǎng)。但由於操作相對較易，目前仍是發(fā)酵工業(yè)的主要方式2、補料分批操作

補料分批發(fā)酵（supplementbatchfermentation）

介於分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方式；

在進行分批培養(yǎng)的時候，隨著營養(yǎng)的消耗，向反應(yīng)器內(nèi)補充一種或多種營養(yǎng)物質(zhì)，以達到延長生產(chǎn)期和控制發(fā)酵過程的目的。反復(fù)補料分批培養(yǎng)

隨著補料操作的進行，發(fā)酵液的體積逐漸增大，到了一定時候?qū)⒉糠职l(fā)酵液取出，剩下的發(fā)酵液繼續(xù)進行補料分批培養(yǎng)，如此可反復(fù)進行多次，稱為反復(fù)補料分批培養(yǎng)。補料分批培養(yǎng)應(yīng)用：

以某些很容易被微生物利用的物質(zhì)（如葡萄糖）作為碳源時，其某些分解代謝物會使細(xì)胞某些酶的合成受到阻遏；

採用補料的手段將葡萄糖逐漸加入反應(yīng)器中，使發(fā)酵液中的葡萄糖保持在低水準(zhǔn)，避免分解代謝物的積累，從而可以有效去阻遏。1）細(xì)胞的高密度培養(yǎng)

一般培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度有一定的限度，過高的底物濃度會抑制菌體的生長；

採用補料的方法將高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸加入反應(yīng)器，可使發(fā)酵液中的菌體濃度達到很高的程度，如大腸桿菌濃度可達145g/L。2）發(fā)生底物抑制的過程一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等，但它們在較高濃度下會對菌體的生產(chǎn)產(chǎn)生抑制。3）分解代謝物阻遏4）營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)

一些營養(yǎng)缺陷型菌株可以積累某種有用產(chǎn)物，如氨基酸、核苷、核苷酸等，利用這些菌株進行生產(chǎn)時須補充其不能合成的物質(zhì)供生產(chǎn)所需；但這些物質(zhì)過量存在時，可能產(chǎn)生回饋抑制或阻遏作用，影響產(chǎn)物的合成。採用補料的方法可將這些物質(zhì)保持在低濃度水準(zhǔn)，有助於提高產(chǎn)物的生產(chǎn)。5）前體的補充

在一些發(fā)酵過程中，加入前體可使產(chǎn)物的生產(chǎn)大大增加；

但許多前體對菌體有毒性；

通過補料加入前體既滿足產(chǎn)物合成的需要，又不使前體大量積累而產(chǎn)生抑制作用。補料方式：間歇添加營養(yǎng)物質(zhì)後，其在發(fā)酵液中的濃度即會上升，然後隨著微生物的利用又下降；再次補入料液後，營養(yǎng)物質(zhì)濃度再次升高，然後再次下降，呈現(xiàn)較大的波動。間歇添加法連續(xù)流加法恒速流加(constant-flowrate)指數(shù)流加(exponential-flowrate)

恒速流加操作的補料速度是定值，操作簡便，設(shè)備簡單；

最常用；

發(fā)酵液體積呈線性增長；由於在指數(shù)生長期，微生物的底物消耗也呈指數(shù)增加，恒速流加不能維持底物濃度不變，底物濃度會隨時間延長而逐漸降低。

指數(shù)流加補料的加入量呈指數(shù)規(guī)律增長，能在短時間內(nèi)得到最大量細(xì)胞，還可通過變更流率指數(shù)來控制比生長速率；

但裝置相當(dāng)複雜3、連續(xù)操作

連續(xù)發(fā)酵（continuousfermentation）連續(xù)不斷地補加新鮮培養(yǎng)基，連續(xù)不斷地排出培養(yǎng)物連續(xù)培養(yǎng)的類型：據(jù)設(shè)備類型罐式連續(xù)培養(yǎng)管式連續(xù)培養(yǎng)據(jù)控制方法恒化連續(xù)培養(yǎng)恒濁連續(xù)培養(yǎng)據(jù)菌種迴圈式連續(xù)培養(yǎng)非迴圈式連續(xù)培養(yǎng)

經(jīng)連續(xù)培養(yǎng)後，流出的培養(yǎng)液進行固液分離，經(jīng)濃縮後的細(xì)胞懸浮液再被送回發(fā)酵罐；

也稱為細(xì)胞回流連續(xù)培養(yǎng)；

相當(dāng)於不斷進行接種，可以提高發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度，也有利於提高連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。據(jù)級數(shù)單級連續(xù)培養(yǎng)

多級連續(xù)培養(yǎng)

多個發(fā)酵罐串聯(lián)起來，前一罐的出料作為下一罐的進料；

多級串聯(lián)可以提高生產(chǎn)能力

多級連續(xù)培養(yǎng)特別適用於細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的最佳條件不同的情況。例如用葡萄糖-半乳糖培養(yǎng)基培養(yǎng)Monascus生產(chǎn)-半乳糖苷酶時，葡萄糖有利於菌體的生長，而酶的生產(chǎn)則受半乳糖的誘導(dǎo)，但葡萄糖又對半乳糖的利用產(chǎn)生阻遏作用。根據(jù)這一特點，靠考慮採用二級連續(xù)培養(yǎng)。第一級用葡萄糖作為碳源，以獲得大量菌體，第二級加入半乳糖，促進酶的生產(chǎn)。連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點：1）省去了反復(fù)放料、清洗、裝料、滅菌等步驟，避免了延遲期，提高設(shè)備的利用率和單位時間產(chǎn)量。2）發(fā)酵中各參數(shù)趨於恒值，便於自動控制；3）易於分期控制，可以在不同罐中控制不同的條件。連續(xù)培養(yǎng)存在的問題：1）菌種的變異2）實際運行時間連續(xù)發(fā)酵對設(shè)備的密封性、培養(yǎng)液和空氣的無菌度要求嚴(yán)格，目前使用的空氣篩檢程式不能完全保證（長時間）100%的除菌效率3）反應(yīng)器傳質(zhì)能力加入連續(xù)發(fā)酵罐的培養(yǎng)基與罐內(nèi)發(fā)酵液的混合不均勻，即均勻度不夠，就會使罐內(nèi)各部分的微生物生長不一致，某部分微生物得不到充分的營養(yǎng)而引起操作不確定並降低產(chǎn)率。對於高黏度發(fā)酵液均勻度不夠的情況更為嚴(yán)重。4）絲狀菌絲的阻塞連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用：1）細(xì)胞的生產(chǎn)

如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)

2）代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)

已在工業(yè)上採用連續(xù)培養(yǎng)的有啤酒、丙酮-丁醇等的生產(chǎn)；3）細(xì)胞生理特性的研究連續(xù)培養(yǎng)產(chǎn)氣氣桿菌細(xì)胞組成與比生長速率的關(guān)係

在分批培養(yǎng)中，細(xì)胞的比生長速率很難加以控制，而在連續(xù)培養(yǎng)中，細(xì)胞的比生長速率可以通過改變稀釋率來控制，因而在連續(xù)培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)下，可以從容地研究細(xì)胞在不同生長速率下的生理特性。4）發(fā)酵動力學(xué)研究通過連續(xù)培養(yǎng)，可以求得發(fā)酵動力學(xué)運算式中的某些常數(shù)，如Ks、

max等5）培養(yǎng)基的改進

連續(xù)培養(yǎng)也成功地用於培養(yǎng)基配方的改進。

原理：

在一定的稀釋率下，增加培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度可能有兩種結(jié)果，一是仍為該基質(zhì)限制，表現(xiàn)為在反應(yīng)器中其濃度基本不變而細(xì)胞濃度明顯增加；二是其他某種基質(zhì)成為限制，表現(xiàn)為細(xì)胞濃度無明顯增加而原限制性基質(zhì)的濃度明顯增大?！瘛鸶倪MPseudomonas培養(yǎng)基配方出發(fā)配方中碳源甲醇濃度為1g/L，達到穩(wěn)態(tài)後，在1處將甲醇濃度改為2g/L，菌體濃度無增加，但反應(yīng)器中甲醇濃度大大增加，表明不是甲醇，而是其他物質(zhì)成為限制性因素。在2處加入MnSO4，甲醇濃度未下降，而在3、4處加入CuSO4則甲醇濃度大大下降，菌體濃度上升，表明由銅離子限制又變?yōu)榧状枷拗啤?/p>

如此反復(fù)嘗試，可得到改良的配方，不但提高了發(fā)酵的菌體濃度，而且提高了菌體的得率。6）菌種的篩選和富集

當(dāng)多種微生物在同一反應(yīng)器中混合連續(xù)培養(yǎng)時，各種微生物競爭利用限制性基質(zhì)，從而具有優(yōu)勢的微生物得以保留，不具優(yōu)勢者則被洗掉和淘汰。如果連續(xù)培養(yǎng)在敞開的反應(yīng)器中進行，以土壤等材料接種，並維持一定的選擇性環(huán)境，就可能富集到一定性能的微生物。

例如，以甲醇作碳源並作為限制性基質(zhì)，連續(xù)培養(yǎng)後有可能富集同化甲醇的微生物。7）微生物遺傳學(xué)穩(wěn)定性的研究

大腸桿菌W3110(pEC901)的質(zhì)粒穩(wěn)定性和傳代數(shù)的關(guān)係採用連續(xù)培養(yǎng)，理論上微生物可以無限地生長，因而是研究其遺傳穩(wěn)定性的好方法。連續(xù)培養(yǎng)已廣泛用於基因工程菌重組質(zhì)粒穩(wěn)定性的研究不同操作方式菌體及底物濃度隨時間變化的情況

第二節(jié)數(shù)學(xué)模型

發(fā)酵動力學(xué)是以化學(xué)熱力學(xué)（研究反應(yīng)的方向）和化學(xué)動力學(xué)（研究反應(yīng)的速度）為基礎(chǔ)，對發(fā)酵過程各種物質(zhì)的變化進行描述。

研究內(nèi)容包括瞭解發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生產(chǎn)速率的相互關(guān)係，環(huán)境因素對三者的影響，以及影響其反應(yīng)速率的條件。

研究的重要方法是建立數(shù)學(xué)模型定量地描述發(fā)酵過程中細(xì)胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速率等因素的變化。

研究的最終目的是對發(fā)酵過程進行有效控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本。一、動力學(xué)模型的分類◆

微生物生理學(xué)家和生化工程學(xué)家提出了許多模型，有些是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，也有些是機理模型?！?/p>

這些模型可分為概率論模型和決定論模型兩大類A概率論模型

微生物個體

B決定論模型

微生物群體概率論模型須考慮每個細(xì)胞的差異來說明某一特定現(xiàn)象，或用以說明平均值附近的波動情況。微生物反應(yīng)動力學(xué)模型的分類決定論模型不考慮每個細(xì)胞的差異，而是取菌體性質(zhì)及數(shù)量的平均值進行數(shù)學(xué)處理。是一種認(rèn)為菌體均勻分散於培養(yǎng)液中，可作為均相處理的決定論模型是將菌體作為與培養(yǎng)液（連續(xù)相）分離的生物相處理所建立的決定論模型。這種模型需說明培養(yǎng)液與菌體間的物質(zhì)傳遞及分配效應(yīng)。考慮菌體組成的變化，將活菌體和死菌體分別處理。均相模型和生物相分離模型均可分別構(gòu)成結(jié)構(gòu)模型。這種模型與結(jié)構(gòu)模型的主要區(qū)別在於它不考慮細(xì)胞組成的變化模型類型著眼點說明B-1a均相模型

微生物群體

B-1b生物相分離模型

微生物群體B-2a結(jié)構(gòu)模型

微生物群體B-2b非結(jié)構(gòu)模型微生物群體

二、建立數(shù)學(xué)模型的一般原則1）明確建立模型的目的。

除為了深入研究微生物生長這一複雜現(xiàn)象外，多數(shù)是為了設(shè)計微生物反應(yīng)器、探索最優(yōu)操作條件，或者對反應(yīng)過程進行最優(yōu)控制2）明確建立模型的假設(shè)，從而明確模型的適用範(fàn)圍。3）模型中所含的參數(shù)，最好能分別通過實驗測定。4）模型應(yīng)儘量簡單。據(jù)此，決定論模型的均相模型最合適，使用方便。第三節(jié)微生物的生長速率一、比生長速率◆

均衡生長

隨著細(xì)胞質(zhì)量的增加，細(xì)胞內(nèi)所有可檢測的菌體組成物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、DNA、RNA等以相同比例增加?！?/p>

非均衡生長

類似儲存物質(zhì)的積蓄過程及分批培養(yǎng)初期細(xì)胞組成物質(zhì)的非均衡快速合成情況等則屬於非均衡生長。均衡生長類似於一級自催化反應(yīng)，以菌體幹重的增加為基準(zhǔn)的生長速率，即單位體積培養(yǎng)液中單位時間內(nèi)生成菌體的幹重與菌體濃度成正比。rx=X

=rx/X或式中的比例係數(shù)

稱為比生長速率——相對單位品質(zhì)幹菌體單位時間內(nèi)增加的幹菌體質(zhì)量;（g/g·h）

生物種的遺傳基因是決定比生長速率大小的決定因素。細(xì)胞包含的遺傳資訊越複雜，細(xì)胞越大，即越是高等生物，

越小。

越大，說明這種微生物生長得越快若

為常數(shù)，td

與

之間存在如下關(guān)係：倍增時間（doublingtime;td）：

微生物的細(xì)胞質(zhì)量（或數(shù)量）增大到2倍所需的時間。對於二分分裂繁殖的微生物，倍增時間約等於世代時間=ln2/td≈0.693/td微生物溫度(℃)(h-1)td嗜熱脂肪芽孢桿菌605.08.4min硝化假單胞菌304.210min大腸桿菌402.021min產(chǎn)氣氣桿菌372.3～1.418～30min枯草桿菌401.626min黑麯黴300.352h啤酒酵母300.17～0.352～4h

不同微生物的比生長速率和世代時間細(xì)菌的倍增時間一般0.25～1h，酵母約為1.15～2h，黴菌約為2～6.9h

在分批培養(yǎng)的對數(shù)生長期，

一般為常數(shù)。

一般情況下微生物的

並非常數(shù)。

因菌體所處的環(huán)境條件如溫度、pH、培養(yǎng)基組成及濃度等不同而異。二、Monod生長動力學(xué)模型及其推廣1、Monod模型◆

溫度和pH恒定時，

隨培養(yǎng)基組分濃度變化而變化。

◆

若著眼於某一特定培養(yǎng)基組分的濃度S，並假設(shè)其他培養(yǎng)基組分濃度不變，則

是S的函數(shù)?！?/p>

最著名的運算式是Monod提出的直角雙曲線經(jīng)驗式：Monod方程描述比生長速率的代表性模型比生長速率與基質(zhì)濃度的關(guān)係

max稱為最大比生長速率（h-1）

是在S＞＞Ks，且其他成分保持不變的情況下取得的。

S是限制性底物濃度(g/L)

Ks——(半)飽和常數(shù)，Monod常數(shù)

代表當(dāng)微生物的生長速率等於最大比生長速率的一半時的底物濃度(g/L；mol/m3)。

即當(dāng)=max/2時，Ks=SKs表示微生物對生長限制基質(zhì)的親和力，Ks越大，親和力越小，

對S的變化越不敏感。微生物底物Ks

mg/L(10-5mol/L)埃希氏菌屬葡萄糖6.8×10-23.8×10-2埃希氏菌屬甘露醇2.01.1埃希氏菌屬乳糖2.0×105.9麯黴屬葡萄糖5.02.8假絲酵母屬甘油4.54.9酵母屬葡萄糖2.5×101.4×10假單胞菌屬甲醇7×10-12.0假單胞菌屬甲烷4×10-12.6幾種微生物對底物的飽和常數(shù)KsMonod方程是典型的決定論均相非結(jié)構(gòu)模型；它是基於以下假設(shè)建立的：1）菌株生長為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長。Monod方程成立的基本假設(shè)：2）培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物，其他營養(yǎng)成分不影響微生物生長。3）將微生物生長視為簡單反應(yīng)，並假設(shè)菌體得率為常數(shù)，沒有動態(tài)滯後?！?/p>

Monod方程與酶催化反應(yīng)的米氏方程形式一樣，但Monod方程完全是經(jīng)驗的，而米氏方程則是推導(dǎo)出來的?！?/p>

應(yīng)當(dāng)指出，該方程只適用於單基質(zhì)限制及不存在抑制性基質(zhì)的情況，即除了被試驗的一種生長限制基質(zhì)外，其他必需營養(yǎng)基質(zhì)都是過量的，但這種過量又不致造成生長的抑制?！?/p>

當(dāng)存在抑制劑或在培養(yǎng)基中有混合基質(zhì)時，用修改後的Monod方程才能符合實驗數(shù)據(jù)。2、Monod模型的推廣1）包含維持代謝的生長動力學(xué)方程維持是指活細(xì)胞群體在沒有實質(zhì)性生長和繁殖（或者說生長和死亡處於動態(tài)平衡狀態(tài)），也沒有胞外產(chǎn)物產(chǎn)生情況下的生命活動，如細(xì)胞的運動、細(xì)胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、細(xì)胞物質(zhì)的更新等；這種生命活動僅僅是為了維持細(xì)胞生存的需要?！?/p>

只消耗少量的營養(yǎng)物質(zhì)（能量）以維持菌體生命，菌體數(shù)量和品質(zhì)並不增加的代謝過程稱為維持代謝。◆

供單位重量的細(xì)胞（幹重）在單位時間內(nèi)進行維持代謝所消耗的基品質(zhì)稱作維持因數(shù)（維持係數(shù)）?！?/p>

維持因數(shù)的大小代表細(xì)胞能量代謝效率的高低；維持因數(shù)越大，表示能量代謝效率越低?！?/p>

一般來說，對於特定的菌株，特定的培養(yǎng)條件和特定的營養(yǎng)基質(zhì)，維持因數(shù)是個常數(shù)。包含維持代謝的生長動力學(xué)方程：當(dāng)S≤Sm=Ksb/(max-b)時，=0，即rx=0即有維持代謝時，表觀菌體得率Yx/s=X/S，只在S＞Sm時成立，而S≤Sm時Yx/s=0

有時高濃度的基質(zhì)會對細(xì)胞的生長產(chǎn)生抑制，即發(fā)生底物（基質(zhì)）抑制現(xiàn)象。如以醋酸為基質(zhì)培養(yǎng)產(chǎn)朊假絲酵母，以亞硝酸鹽為底物培養(yǎng)硝化桿菌等。2）有底物抑制時的生長動力學(xué)方程：Ki—

抑制常數(shù)

曹軍衛(wèi)P169

→？抑制劑對比生長速率的影響

3）有產(chǎn)物抑制時的生長動力學(xué)方程

如果微生物的某些代謝產(chǎn)物對細(xì)胞的生長有抑制作用，即使這時限制性基質(zhì)濃度還相當(dāng)高，細(xì)胞的比生長速率也會隨著這種代謝產(chǎn)物的積累逐漸下降。

描述產(chǎn)物抑制的動力學(xué)方程有多種，如：曹軍衛(wèi)P169

P—產(chǎn)物濃度k1

、k2、k3—

常數(shù)第四節(jié)底物消耗速率一、比底物消耗速率生長得率（菌體得率）——

表示發(fā)酵中微生物的生長相對於基質(zhì)或能量消耗的效率。生長得率有不同的表示方法；最常用的是以基質(zhì)消耗為基準(zhǔn)的生長得率YX/S和以氧消耗為基準(zhǔn)的生長得率YX/O符號定義因次YX/S△X/-△S[g細(xì)胞幹重/g基質(zhì)]or[g細(xì)胞幹重/mol基質(zhì)]YX/O△X/-△O2

[g細(xì)胞幹重/gO2]or[g細(xì)胞幹重/molO2]YATP△X/△ATP[g細(xì)胞幹重/molATP]生長得率的各種表示方法

不同的微生物、不同的培養(yǎng)基、採用不同的培養(yǎng)條件，在不同的生長速率下，所獲得的生長得率是不同的。即使同一種微生物，在同一培養(yǎng)基和同一培養(yǎng)條件下，不同的培養(yǎng)階段生長得率也不相同。微生物基質(zhì)YX/SAerobacteraerogenes

麥芽糖0.46

葡萄糖0.40

核糖0.35

甘油0.45Candidautilis

葡萄糖0.51

醋酸0.36

乙醇0.68Methylomonasmethanolico

甲醇0.48Penicilliumchrysogenum

葡萄糖0.43Pseudomonasfluorescens

葡萄糖0.45一些微生物在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中通氣培養(yǎng)時的生長得率

底物消耗速率可通過菌體得率（生長得率）與菌體生長速率關(guān)聯(lián)起來。rs——底物消耗速率：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗的底物的量。底物消耗的快慢也常用比底物消耗速率Qs(g/g·h)表示比底物消耗速率Qs

——

相對單位品質(zhì)幹菌體單位時間內(nèi)的底物消耗量。

Qs=rs/X根據(jù)前兩式得：Qs=/YX/s若

可用Monod方程表示，得Qsmax——

最大比底物消耗速率Y

Xo/S

為一定時間內(nèi)生成菌體的幹品質(zhì)與完全消耗於菌體生長的底物質(zhì)量之比。表示無維持代謝時的菌體得率;也即最大菌體得率m

維持因數(shù)

是培養(yǎng)基組成、pH、溫度等的函數(shù)◆

對於像氮源、無機鹽及維生素等可作為菌體組成成分而不能作為能源的營養(yǎng)物，菌體得率YX/S基本上恒定，前式能很好地適用。

◆

當(dāng)?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r，就必須考慮維持代謝。

◆

對於能源的消耗速率的物料衡算為：二、包含維持代謝的底物消耗速率模型能源總消耗速率=用於生長的能源消耗速率

+用於維持代謝的能源消耗速率三、氧消耗速率

氧作為一種底物不可能被菌體單獨消耗，必然在需氧培養(yǎng)過程中隨著能源底物的消耗而消耗?！?/p>

單位體積培養(yǎng)液中菌體在單位時間內(nèi)攝?。ㄏ模┭醯牧糠Q為攝氧率(OUR),

用rO2表示?！?/p>

rO2與菌體濃度之比，即比氧消耗速率QO2，也稱為呼吸速率或呼吸強度。（單位品質(zhì)的幹菌體在單位時間內(nèi)消耗氧的量）第五節(jié)代謝產(chǎn)物生成速率一、代謝產(chǎn)物生成速率

微生物反應(yīng)生成的代謝產(chǎn)物範(fàn)圍非常廣，在合成途徑及代謝調(diào)節(jié)機理上，各具不同特徵，無法用統(tǒng)一方式表示這些產(chǎn)物的生產(chǎn)速率。

與菌體生長速率和底物消耗速率相同，代謝產(chǎn)物的生成速率也有兩種不同的表示方式：代謝產(chǎn)物生成速率——單位體積培養(yǎng)液中單位時間內(nèi)的產(chǎn)物生成量。rp

(g/L·h)比代謝產(chǎn)物生成速率——相對於單位品質(zhì)幹菌體在單位時間內(nèi)的代謝產(chǎn)物生成量。Qp(g/g·h)

Qp=

rp/

X

rp與菌體濃度X有關(guān)，是反應(yīng)器設(shè)計時的一個重要參數(shù)

Qp與菌體濃度無關(guān)，表示細(xì)胞合成代謝產(chǎn)物的活性大??；可利用其定量比較不同微生物的生物合成活性，從而有效篩選優(yōu)良菌株。

CO2雖然不是目的產(chǎn)物，但卻是微生物反應(yīng)中幾乎必然生成的副代謝產(chǎn)物。二氧化碳釋放速率(CER)

——

單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的CO2釋放量；用rCO2

(g/L·h)表示。比二氧化碳生成率

——

相對於單位品質(zhì)幹菌體在單位時間內(nèi)的CO2生成量；用QCO2

（g/g·h）表示。

對於需氧型微生物反應(yīng)，CO2的生成量與O2的消耗量之比稱為呼吸商，用RQ表示：

RQ=CO2/(-O2)=CER/OUR

RQ常用於基本上停止生長的休眠或靜止細(xì)胞的呼吸生理學(xué)研究中。二、代謝產(chǎn)物合成的動力學(xué)類型類型Ⅰ：生長關(guān)聯(lián)型◆

特點：

菌體生長、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物合成大體上呈正比關(guān)係（菌體生長、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時間出現(xiàn)高峰，即表現(xiàn)出產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)）

例

由碳源直接氧化進行的初級代謝物的生產(chǎn)；產(chǎn)物的積累與菌體增長相平行，並與碳源消耗有準(zhǔn)量關(guān)係。如酒精、乳酸、-酮戊二酸等?！?/p>

動力學(xué)

可表示為：

dP/dt=X

類型Ⅰ

為生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物的形成比率（g產(chǎn)物/g菌體）比產(chǎn)物合成速率

Qp=dP/Xdt=

由此可見，產(chǎn)物的合成速度（dP/dt）與比生長速率和菌體濃度成正比；產(chǎn)物的比合成速率（Qp）僅與比生長速率成正比。

對於生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物來說，應(yīng)通過獲得高比生長速率來提高產(chǎn)物合成的速度。

類型Ⅰ第一階段為菌體生長階段，菌體生長與基質(zhì)消耗成正比，但無產(chǎn)物生成；第二階段為產(chǎn)物合成階段，產(chǎn)物合成、菌體生長和基質(zhì)消耗成正比，但菌體生長量比前一階段要小得多；菌體生長和產(chǎn)物合成是分開的，糖分既供應(yīng)生長的能量，又充作產(chǎn)物合成的碳源。發(fā)酵過程中有兩個時期對糖的利用最為迅速，一個是最高生長時期，另一個是最大產(chǎn)物合成時期。類型Ⅱ：部分生長關(guān)聯(lián)型◆

發(fā)酵過程可分為兩個階段：◆

動力學(xué)

可表示為：

dP/dt=X+XQp=dP/Xdt=+

為非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物形成常數(shù)◆

產(chǎn)物形成的速度分別受生長關(guān)聯(lián)型和非生長關(guān)聯(lián)常數(shù)

和

的影響?！?/p>

檸檬酸和一些氨基酸的生產(chǎn)屬此類類型Ⅲ：非生長關(guān)聯(lián)型

產(chǎn)物為次級代謝產(chǎn)物；

特徵是產(chǎn)物合成與碳源利用無準(zhǔn)量關(guān)係；

通常產(chǎn)物合成在菌體生長停止及底物耗完後才開始

分兩階段：第一階段，菌體生長占主導(dǎo)，生長和基質(zhì)消耗間成正比關(guān)係，沒有或只有少量產(chǎn)物合成；第二階段，以產(chǎn)物合成為主，只有少量生長（甚至不生長或負(fù)生長）和少量基質(zhì)消耗。

動力學(xué)

dP/dt=XQp=dP/Xdt=

抗生素、維生素等的生產(chǎn)屬此類型

（土黴素、氯黴素、桿菌肽例外）產(chǎn)物形成速度只同已有的菌體量有關(guān)，而比生長速率對產(chǎn)物合成速率沒有直接影響。第六節(jié)動力學(xué)參數(shù)的確定

動力學(xué)參數(shù)即動力學(xué)方程中代表發(fā)酵過程特性值的常數(shù)項；

確定這些參數(shù)，靠的是嚴(yán)密的實驗數(shù)據(jù)；

應(yīng)準(zhǔn)確、可靠、具有重現(xiàn)性

目前由於發(fā)酵檢測手段的缺乏和檢測精度的不足，影響了數(shù)學(xué)模型的精確度，限制了其在生產(chǎn)上的應(yīng)用；

確定動力學(xué)參數(shù)的具體方法，是使動力學(xué)方程與實驗數(shù)據(jù)擬合；直線擬合相對簡單，下麵舉例說明其應(yīng)用通常有直線擬合和曲線擬合兩種；最大比生長速率

max和常數(shù)Ks的確定

Monod方程兩邊取倒數(shù)，得：

在1/對1/S座標(biāo)上，Monod方程式成了典型的直線方程，其斜率為Ks/max，截矩為1/max如何獲得1/和1/S數(shù)組？實際應(yīng)用，是在恒化器中進行實驗：

改變稀釋率D（=F/V)；

當(dāng)達到穩(wěn)定狀態(tài)後D=，同時測定S，可獲得一系列

1/D（即1/）對1/S的數(shù)組；

作圖，求得

max和Ks稀釋度(D)------單位時間內(nèi)新進入的培養(yǎng)基體積占罐內(nèi)培養(yǎng)液總體積的分?jǐn)?shù)。F----單位時間內(nèi)輸入或輸出的培養(yǎng)液體積,L/hV-----發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的體積,LD=F/V當(dāng)系統(tǒng)平衡後，D=μ

，為什麼？連續(xù)培養(yǎng)中菌體的物料平衡

F----單位時間內(nèi)輸入或輸出的培養(yǎng)液體積,L/hX0----輸入料液中的菌體濃度,g/LX-----輸出培養(yǎng)液中菌體濃度,g/Lx-----單位時間內(nèi)單位體積培養(yǎng)液中菌體的增長量,g/L·hV-----發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的體積,L(淨(jìng)增加量）（輸入量）（生長量）（輸出量）如料液為新鮮培養(yǎng)基，則X0=0當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時dX/dt=0

則xV=FXF/V=x/X

x/X相當(dāng)於分批培養(yǎng)中的

故當(dāng)整個系統(tǒng)達到平衡時D=

發(fā)酵工藝控制第一節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制一、發(fā)酵熱------發(fā)酵過程中釋放出的淨(jìng)熱量。[J/m3·h]

或

------單位體積的發(fā)酵液在單位時間內(nèi)釋放出來的淨(jìng)熱量。Q發(fā)酵=Q生物

+Q攪拌

-Q蒸發(fā)

-Q顯

–Q輻射1、生物熱（Q生物）

產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中本身會產(chǎn)生大量的熱，此為生物熱。

這種熱的主要來源是培養(yǎng)基中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等的分解。

釋放出的能量部分用來合成高能化合物(ATP),部分用來合成產(chǎn)物，其餘的則以熱的形式散發(fā)出來影響生物熱的因素：菌株特性培養(yǎng)基成分和濃度發(fā)酵時期

菌株對營養(yǎng)物質(zhì)利用的速率越大，培養(yǎng)基成分越豐富，生物熱也就越大。

發(fā)酵旺盛期的生物熱大於其他時間的生物熱（四環(huán)素20-50小時；蘇雲(yún)金桿菌10-18小時）2、攪拌熱（Q攪拌）

攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，造成液體之間、液體和設(shè)備之間的摩擦，產(chǎn)生數(shù)量可觀的熱。攪拌熱與攪拌軸功率有關(guān)，可用下式計算：

Q=P×860×4186.8(J/h)P---攪拌軸功率，kW860×4186.8---機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量，J/kW.h影響因素：

攪拌器的類型及攪拌速度3、蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā))

空氣進入發(fā)酵罐後，就和發(fā)酵液廣泛接觸進行熱交換，同時必然會引起水分的蒸發(fā)，蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。4、顯熱（Q顯）排出氣體所帶的熱5、輻射熱（Q輻射）

因罐內(nèi)外的溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。

輻射熱的大小決定於罐內(nèi)外的溫差1）菌種特性2）培養(yǎng)基（成分及配比）3）發(fā)酵階段4）攪拌類型及攪拌速度5）通氣速度（影響Q蒸發(fā)和Q顯）6）罐內(nèi)外的溫差影響發(fā)酵溫度的因素：

由於Q生物、Q蒸發(fā)、Q顯在發(fā)酵過程中隨時間而變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化。為了使發(fā)酵在一定溫度下進行，必須採取措施加以控制。二、發(fā)酵熱的測定方法一：

通過測定一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進出口溫度，由下式求得這段時間內(nèi)的發(fā)酵熱：

Q發(fā)酵=GC(t2-t1)/V(J/m3·h)

G---冷卻水流量，kg/hC---水的比熱，J/kg·℃t1、t2---進、出口的冷卻水溫度，℃V----發(fā)酵液體積，m3方法二：

通過罐溫的自動控制，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉自動控制裝置測得溫度隨時間上升的速率S,按下式可求得發(fā)酵熱：

Q發(fā)酵

=K·SS---溫度隨時間上升的速率，℃/hK---總參數(shù)，代表系統(tǒng)的熱容量，J/L·℃K值可由下式求得：

K=(MCp)發(fā)酵液

+(MCp)容器

+(MCp)附件M—

以每升發(fā)酵液計的發(fā)酵液、容器、附件的重量Cp—

代表各自的比熱一般微生物發(fā)酵過程中的最大發(fā)酵熱約為

4.186×(3000～8000)kJ/m3·h三、溫度與發(fā)酵的關(guān)係1、溫度對微生物生長的影響

嗜冷菌在溫度低於20℃下生長速率最大嗜中溫菌在30-35℃左右生長速率最大嗜熱菌在50℃以上生長速率最大

曲線形狀相似；當(dāng)溫度增加10℃，生長速率大致增長一倍。

當(dāng)溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速下降

微生物產(chǎn)物的生成與微生物的生長一樣受溫度的影響，但適於生長和適於產(chǎn)物合成的溫度不一定相同；必須分別考察，在考慮培養(yǎng)溫度時需要採用折中的辦法。

溫度也會影響微生物培養(yǎng)的其他重要方面，如細(xì)胞得率係數(shù)等。

當(dāng)溫度超過一定數(shù)值，細(xì)胞得率降低。主要原因是生命活動維持方面的需求增加2、溫度對發(fā)酵的影響●

溫度對發(fā)酵的影響是各種因素綜合表現(xiàn)的結(jié)果從酶動力學(xué)來看，溫度升高，反應(yīng)速率加大，代謝加快，生產(chǎn)期提前；但因酶本身很易因熱而失去活性，溫度越高，酶的失活也越快，表現(xiàn)在菌體易於衰老，發(fā)酵週期縮短，影響產(chǎn)物的最終產(chǎn)量。1）溫度影響產(chǎn)物合成的速率及產(chǎn)量●

溫度除了直接影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率外，還通過改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成。2）溫度可能會影響終產(chǎn)物的品質(zhì)

例如：蘇雲(yún)金桿菌的發(fā)酵，一般在30-31℃進行，這樣形成的晶體毒力強。若發(fā)酵溫度提高到37℃以上，雖然菌體生長繁殖較快，最終含菌數(shù)也較高，但生物毒力較低，直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。3）溫度還可能影響生物合成的方向

例如：四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈黴菌同時能產(chǎn)生金黴素。在低於30℃下，該菌合成金黴素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例提高；在溫度達到35℃時，則只產(chǎn)生四環(huán)素，金黴素的合成停止四、最適溫度的選擇

最適溫度是指在該溫度下最適於菌的生長或產(chǎn)物的形成。

在發(fā)酵的整個週期內(nèi)僅選一個溫度不一定好。因為最適合菌生長的溫度不一定適合產(chǎn)物的合成。例如：

青黴素產(chǎn)生菌的最適生長溫度是30℃，而最適於青黴素合成的溫度是20℃。

發(fā)酵過程中，在生長初期抗生素還未開始合成，菌絲還未長濃，這時的溫度應(yīng)適於微生物的生長；到抗生素分泌期，菌絲已長到一定濃度，積累抗生素是重點考慮，此時應(yīng)滿足生物合成的最適溫度。溫度的選擇還要參考其他發(fā)酵條件靈活掌握

●

通氣條件

在通氣條件差的情況下，最適的發(fā)酵溫度應(yīng)比在正常良好通氣條件下低一些；這是由於在較低的溫度下，氧溶解度相應(yīng)大些，菌的生長速率相應(yīng)小些，從而彌補可能因通氣不足而造成的代謝異常。

●

培養(yǎng)基成分和濃度

在使用較稀薄或較易利用的培養(yǎng)基時，提高培養(yǎng)溫度則養(yǎng)料往往過早耗竭，導(dǎo)致菌絲過早自溶，使抗生素產(chǎn)量降低。利用電腦模擬確定最佳發(fā)酵條件，正逐步得到推廣應(yīng)用?！窀鶕?jù)模擬電腦對發(fā)酵溫度最佳點的計算，得到青黴素發(fā)酵的最適溫度是：起初5h維持在30℃；隨後降到2