第四章发酵工程及酶工程

1、微生物与发酵工程微生物与发酵工程微生物的类群微生物的类群无细胞结构：病毒无细胞结构：病毒有细胞结构有细胞结构真核生物真核生物微生物微生物细菌细菌放线菌放线菌蓝藻蓝藻支原体支原体衣原体衣原体 立克次氏体等立克次氏体等真菌：霉菌、酵母菌、真菌：霉菌、酵母菌、食用真菌食用真菌原生生物：显微藻类、原生生物：显微藻类、原生动物等原生动物等原核生物原核生物第一节第一节 原核微生物原核微生物一、细菌一、细菌1、形态、形态球状球状杆状杆状螺旋状螺旋状基本形态基本形态还有星形和方形细菌还有星形和方形细菌细细菌菌的的结结构构拟核拟核质粒含有抗药性基因、固氮基因、抗生素生成基因质粒含有抗药性基因、固氮基因、抗生素生

2、成基因 细菌细菌DNADNA2 2、细菌的繁殖、细菌的繁殖二分裂二分裂少数进行接合生殖，但频率极低少数进行接合生殖，但频率极低细菌的二分裂3 3、菌落、菌落菌落：肉眼可见具有一定形态结构的子细胞群体菌落：肉眼可见具有一定形态结构的子细胞群体 不同细菌的菌落具有不同特征，表现在菌落的大小、形不同细菌的菌落具有不同特征，表现在菌落的大小、形状、光泽度、颜色、硬度透明度等方面。状、光泽度、颜色、硬度透明度等方面。 菌落特征是鉴别菌种的主要依据。菌落特征是鉴别菌种的主要依据。菌落菌落有鞭毛细菌：大而扁平，边缘成波状或锯齿状。有鞭毛细菌：大而扁平，边缘成波状或锯齿状。无鞭毛细菌：较小较厚，边缘整齐。无鞭

3、毛细菌：较小较厚，边缘整齐。有荚膜细菌：菌落光滑。有荚膜细菌：菌落光滑。S S型型无荚膜细菌：菌落粗糙。无荚膜细菌：菌落粗糙。R R型型二、放线菌：放线菌的形态二、放线菌：放线菌的形态单细胞，菌体由菌丝构成单细胞，菌体由菌丝构成放线菌是具有菌丝、以孢子进行繁殖的一类原核微生物。放线菌是具有菌丝、以孢子进行繁殖的一类原核微生物。放线菌放线菌分布特点及与人类的关系分布特点及与人类的关系放线菌常以孢子或菌丝状态极其广泛地存在于自然界，放线菌常以孢子或菌丝状态极其广泛地存在于自然界，土壤中最多，其代谢产物使土壤具有特殊的泥腥味。土壤中最多，其代谢产物使土壤具有特殊的泥腥味。能产生大量的、种类繁多的抗生

4、素（其中能产生大量的、种类繁多的抗生素（其中90%90%由链霉菌由链霉菌产生）除青霉素和头孢霉素等少数抗生素产生）除青霉素和头孢霉素等少数抗生素少数寄生型放线菌可引起人、动物少数寄生型放线菌可引起人、动物（如皮肤、脑、肺和脚（如皮肤、脑、肺和脚部感染）部感染）的疾病。的疾病。繁殖：孢子生殖、孢子囊孢子、菌丝断裂繁殖：孢子生殖、孢子囊孢子、菌丝断裂营养方式：腐生、寄生营养方式：腐生、寄生三、支原体三、支原体：无细胞壁、最小的原核生物无细胞壁、最小的原核生物例：人的非典型性肺炎例：人的非典型性肺炎特点：能过细菌滤器；膜上含甾醇；对青特点：能过细菌滤器；膜上含甾醇；对青霉素、制霉菌素、红霉素、四环素

5、敏感；霉素、制霉菌素、红霉素、四环素敏感；革兰氏阴性菌、无芽孢、无鞭毛；菌落呈革兰氏阴性菌、无芽孢、无鞭毛；菌落呈油煎蛋形油煎蛋形繁殖：二分裂，少数菌丝断裂或出芽繁殖：二分裂，少数菌丝断裂或出芽四、古生菌：原核生物四、古生菌：原核生物包括：极端嗜盐、嗜热、嗜酸细菌和产甲烷包括：极端嗜盐、嗜热、嗜酸细菌和产甲烷细菌等细菌等细胞壁：有假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质构成细胞壁：有假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质构成细胞膜：细胞膜：1 1、膜中的亲水头与疏水尾通过醚键、膜中的亲水头与疏水尾通过醚键连接连接2 2、疏水尾是由异戊二烯的重复单位组成、疏水尾是由异戊二烯的重复单位组成 3 3、存在单分子层膜或单、双分子层

6、混合膜、存在单分子层膜或单、双分子层混合膜繁殖：裂殖、芽殖繁殖：裂殖、芽殖第二节第二节 真核微生物真核微生物 （真菌、微细藻类、原生动物）（真菌、微细藻类、原生动物）1 1、特点：具核膜；具线粒体、叶绿体等细、特点：具核膜；具线粒体、叶绿体等细胞器；能进行有丝分裂胞器；能进行有丝分裂2 2、营养方式为异养。真菌无光合色素，异、营养方式为异养。真菌无光合色素，异养方式复杂多样。营腐生、寄生（专性寄养方式复杂多样。营腐生、寄生（专性寄生、专性腐生、兼性寄生、兼性腐生、先生、专性腐生、兼性寄生、兼性腐生、先寄生后腐生寄生后腐生寄主死亡所致）或共生。寄主死亡所致）或共生。 3 3、无性生殖和有性生殖：

7、、无性生殖和有性生殖：4 4、具有细胞壁（绝大多数含有几丁质。也有的、具有细胞壁（绝大多数含有几丁质。也有的含纤维素和葡萄糖。黏菌的营养体无细胞壁但含纤维素和葡萄糖。黏菌的营养体无细胞壁但孢子具有壁；孢子具有壁；5 5、营养体为单细胞或丝状（具有单细胞真核结、营养体为单细胞或丝状（具有单细胞真核结构的真菌，如酵母菌属；具有无隔多细胞核多构的真菌，如酵母菌属；具有无隔多细胞核多分支菌丝结构的真菌，如水霉属；具有有隔有分支菌丝结构的真菌，如水霉属；具有有隔有细胞核有分支菌丝结构的真菌，如子囊菌）等。细胞核有分支菌丝结构的真菌，如子囊菌）等。酵酵母母菌菌单单细细胞胞真真菌菌结构结构繁殖繁殖霉菌霉菌无

8、隔菌丝（毛霉、根霉）无隔菌丝（毛霉、根霉）有隔菌丝（青霉、曲霉）有隔菌丝（青霉、曲霉）细胞壁结构：三层细胞壁结构：三层繁殖方式：无性、有性繁殖方式：无性、有性 葡聚糖葡聚糖糖蛋白糖蛋白+ +葡聚糖葡聚糖几丁质微纤维几丁质微纤维第三节第三节 病毒和亚病毒病毒和亚病毒病毒界主要类群及其相互关系是：病毒界主要类群及其相互关系是： 病毒（真病毒）病毒（真病毒） 病毒界病毒界 朊病毒朊病毒( (蛋白质侵染颗粒）蛋白质侵染颗粒） 亚病毒亚病毒 拟病毒（类类病毒）也称拟病毒（类类病毒）也称病毒病毒 卫星卫星( (单链单链RNA) RNA) 类病毒（马铃薯纺锤体块茎病单链环状类病毒（马铃薯纺锤体块茎病单链环状

9、RNARNA）SARS病毒、禽流感病毒、病毒、禽流感病毒、典型病毒典型病毒粒的构造粒的构造基本成分基本成分核酸核酸位于中心，称为核心位于中心，称为核心蛋白质蛋白质包围在核心周围，形成衣壳包围在核心周围，形成衣壳核心和衣壳合称核衣壳，为病毒的基本结构。有些复核心和衣壳合称核衣壳，为病毒的基本结构。有些复杂的病毒在衣壳的外面包裹着一层由脂类、蛋白质和杂的病毒在衣壳的外面包裹着一层由脂类、蛋白质和多糖组成的囊膜。有的囊膜上还长有刺突。多糖组成的囊膜。有的囊膜上还长有刺突。病毒病毒病毒粒子并无个体的生长过程，而只有其两种基本成分病毒粒子并无个体的生长过程，而只有其两种基本成分的合成和装配，即：的合成和

10、装配，即： 核酸复制核酸复制+ +蛋白质合成蛋白质合成核蛋白（病毒粒子）核蛋白（病毒粒子）噬菌体的增殖一般可分五个阶段，即噬菌体的增殖一般可分五个阶段，即吸附吸附注入核酸注入核酸合成核酸和蛋白质合成核酸和蛋白质装配装配释放释放病毒繁殖病毒繁殖方式：复制增殖方式：复制增殖艾艾滋滋病病毒毒侵侵染染朊病毒（朊病毒（蛋白质病毒）蛋白质病毒） 朊病毒（朊病毒（PrionPrion）：存在于正常脑神经细胞）：存在于正常脑神经细胞中称为细胞型粒子蛋白（中称为细胞型粒子蛋白（ PrPPrPc c ）。正常的）。正常的PrPPrPc c 螺旋，在致病的螺旋，在致病的PrPPrPscsc变成变成 折叠结构。折叠结

11、构。并且不溶于水，能抗蛋白酶的水解。并且不溶于水，能抗蛋白酶的水解。感染感染性蛋白粒子。（羊搔痒病、疯牛病、人的性蛋白粒子。（羊搔痒病、疯牛病、人的库鲁病、克雅氏病）库鲁病、克雅氏病）类病毒：只有裸露的类病毒：只有裸露的RNARNA，没有蛋白质外壳。，没有蛋白质外壳。( (马铃薯纺锤形块茎病）马铃薯纺锤形块茎病）一、营养物质及其生理功能一、营养物质及其生理功能微生物所需的五大类营养物质及功能微生物所需的五大类营养物质及功能第四节第四节 微生物的营养（非病毒）微生物的营养（非病毒）微生物生长需要的物质微生物生长需要的物质营养要素营养要素 碳源、氮源、能源、生长因子、无机碳源、氮源、能源、生长因子

12、、无机盐、水盐、水碳源碳源CO2CO2、碳酸盐、碳酸盐含碳有机物含碳有机物天然物质：花生粉饼、石油天然物质：花生粉饼、石油最常用是糖类最常用是糖类小分子有机物小分子有机物蓝细菌、硝化细菌等自养微生物蓝细菌、硝化细菌等自养微生物红螺菌等异养微生物红螺菌等异养微生物（甲烷和甲醇）（甲烷和甲醇） 甲烷氧化菌甲烷氧化菌大多数异养微生物大多数异养微生物合成微生物的细胞物质和一些代谢产物；合成微生物的细胞物质和一些代谢产物； 主要能源物质（异养微生物）主要能源物质（异养微生物）氮源氮源分子态氮分子态氮铵盐、硝酸盐铵盐、硝酸盐有机物：尿素、牛肉膏、蛋白胨有机物：尿素、牛肉膏、蛋白胨异养微生物（供能）异养微生

13、物（供能）固氮微生物固氮微生物合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物最常用的最常用的氮源氮源无机物无机物氨氨能源能源有机碳：化能异养微生物有机碳：化能异养微生物NH4+NH4+、NO2-NO2-、S S、H H2 2、FeFe2 2+(+(化能化能自养微生物）自养微生物）光能：光合细菌光能：光合细菌无机盐无机盐构成微生物细胞组成构成微生物细胞组成作为酶的组成成分作为酶的组成成分调节和维持细胞的渗透压调节和维持细胞的渗透压作能源作能源微生物种类微生物种类生长因子生长因子需要量需要量肠膜乳状杆菌肠膜乳状杆菌胱氨酸胱氨酸5 g5 g白喉棒杆菌白喉棒杆菌-丙氨酸丙氨酸1.

14、5g1.5g破伤风梭状芽孢杆菌破伤风梭状芽孢杆菌尿嘧啶尿嘧啶0-4g0-4g阿拉伯聚糖乳杆菌阿拉伯聚糖乳杆菌泛酸泛酸0.02g0.02g粪链球菌粪链球菌叶酸叶酸200g200g干酪乳杆菌干酪乳杆菌生物素生物素1g1g几种微生物所需的生长因子几种微生物所需的生长因子生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物种类：各种维生素、氨基酸、碱基等种类：各种维生素、氨基酸、碱基等来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液来源：酵母膏、蛋白胨、动植物组织提取液功能：酶、核酸的组成成分功能：酶、核酸的组成成分 微生物生长必需物质微生物生长必需物质二、微生物的营养类型二、微生物

15、的营养类型营养类型营养类型能源能源氢的供体氢的供体基本碳源基本碳源微生物举例微生物举例光能自养型光能自养型光光无机物无机物二氧化碳二氧化碳蓝细菌，绿蓝细菌，绿硫细菌，藻硫细菌，藻类类光能异养型光能异养型光光有机物有机物二氧化碳及二氧化碳及简单有机物简单有机物红螺菌红螺菌化能自养型化能自养型无机物无机物* *无机物无机物二氧化碳二氧化碳 硝化细菌，硝化细菌，氢细菌、铁氢细菌、铁细菌细菌化能异养型化能异养型有机物有机物有机物有机物有机物有机物绝大多数细绝大多数细菌和全部真菌和全部真核微生物核微生物培养基的配制原则培养基的配制原则1 1、目的要明确、目的要明确2 2、营养要协调、营养要协调浓度浓度(

16、 (过低、过高）过低、过高）碳源与氮源的比碳源与氮源的比培养基中所含的培养基中所含的C C源中源中C C原子的摩尔数原子的摩尔数/ N/ N源中源中N N原子的摩尔数原子的摩尔数例如：谷氨酸发酵例如：谷氨酸发酵C/N=4C/N=4：1 1 菌体大量繁殖，产生的谷氨酸少菌体大量繁殖，产生的谷氨酸少 C/N=3C/N=3：1 1 菌体繁殖抑制，产生的谷氨酸多菌体繁殖抑制，产生的谷氨酸多三、培养基三、培养基3 3、PhPh要适宜要适宜细菌：细菌：6.56.57.57.5放线菌：放线菌：7.57.58.58.5真菌：真菌：5 56 6根据物理性质分类根据物理性质分类种种 类类是否含凝固是否含凝固剂（琼

17、脂）剂（琼脂）用途用途固体培养固体培养基基 半固体培半固体培养基养基 液体培养液体培养基基 有有分离、计数分离、计数有有观察运动、鉴定菌种观察运动、鉴定菌种无无工业生产工业生产种类种类成分成分用处用处合成培养基合成培养基天然培养基天然培养基已知化学已知化学物质物质玉米粉、玉米粉、牛肉膏牛肉膏分类、鉴定分类、鉴定工业生产工业生产根据化学成分分根据化学成分分根据用途分类根据用途分类种种 类类原理原理用途用途实例实例选择培选择培养基养基 鉴定培鉴定培养基养基 分离分离 微生物的特殊营养微生物的特殊营养要求或对其某化学、要求或对其某化学、物理因素抗性物理因素抗性 某种指示剂与某一某种指示剂与某一菌的无

18、色代谢产物菌的无色代谢产物发生显色反应发生显色反应 鉴别鉴别酵母菌、酵母菌、霉菌、金霉菌、金黄色葡萄黄色葡萄球菌球菌大肠杆大肠杆菌菌大肠杆菌可以被伊红和美蓝染成深紫色，并带有金属光泽大肠杆菌可以被伊红和美蓝染成深紫色，并带有金属光泽选择培养基选择培养基 加入青霉素的培养基加入青霉素的培养基 分离酵母菌、霉菌等真菌分离酵母菌、霉菌等真菌 加入高浓度食盐的培养基加入高浓度食盐的培养基 分离金黄色葡萄球菌分离金黄色葡萄球菌 不加氮源的无氮培养基不加氮源的无氮培养基 分离自生固氮菌分离自生固氮菌 不加含碳有机物的无碳培养基不加含碳有机物的无碳培养基 分离自养型微生物分离自养型微生物 加入青霉素等抗生素

19、的培养基加入青霉素等抗生素的培养基 分离导入了目的基因的受体细胞分离导入了目的基因的受体细胞 加入氨基喋呤、次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培养基加入氨基喋呤、次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培养基 分离杂交瘤细胞分离杂交瘤细胞第五节第五节 微生物的代谢微生物的代谢微生物代谢微生物代谢: : 微生物细胞内发生的全部化学反应微生物细胞内发生的全部化学反应发酵乳糖的细菌在发酵乳糖的细菌在1 1小时内可分解其自重小时内可分解其自重100010000100010000倍的乳糖。倍的乳糖。产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆强强100100倍，比食用牛强倍，比食用牛强1010万倍万倍资料

20、资料1.1.若干微生物和动物、植物组织的呼吸速率若干微生物和动物、植物组织的呼吸速率生物材料生物材料消耗消耗O O2 2ul/mgul/mg生物干重生物干重/h/hazotobacterazotobacter固氮菌固氮菌20002000AcetobacterAcetobacter醋杆菌醋杆菌18001800面包酵母面包酵母110110肾和肝组织肾和肝组织10-2010-20根和叶组织根和叶组织0.5-40.5-4代谢特点代谢特点 微生物代谢旺盛的原因：微生物代谢旺盛的原因：利：生产效率高，生产周期短利：生产效率高，生产周期短弊：有害微生物已给人类带来损失和灾害。弊：有害微生物已给人类带来损失和

21、灾害。结论：代谢旺盛结论：代谢旺盛体积小，面积大。相对表面积大。体积小，面积大。相对表面积大。 （有利于吸收、排泄和信息的交换）（有利于吸收、排泄和信息的交换）微生物的代谢产物：微生物的代谢产物：微生物代谢的调节微生物代谢的调节 在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培养大肠杆菌，开始时，大肠杆菌只能利养大肠杆菌，开始时，大肠杆菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖，只有当葡萄用葡萄糖而不能利用乳糖，只有当葡萄糖被消耗完毕以后，大肠杆菌才开始利糖被消耗完毕以后，大肠杆菌才开始利用乳糖。用乳糖。分解葡萄糖的酶是大肠杆菌细胞内一直存在分解葡萄糖的酶是大肠杆菌细胞内一直存在的酶的

22、酶分解乳糖的酶是在乳糖诱导下合成的酶分解乳糖的酶是在乳糖诱导下合成的酶 微微生生物物中中的的酶酶组成酶组成酶 细胞中始终存在的酶细胞中始终存在的酶诱导酶诱导酶 环境中某种物质诱导下环境中某种物质诱导下产生的酶（诱导物：该酶的底物）产生的酶（诱导物：该酶的底物）资料资料 谷氨酸棒状杆菌能够利用谷氨酸棒状杆菌能够利用葡萄糖，经过复杂的代谢葡萄糖，经过复杂的代谢过程形成谷氨酸；但当终过程形成谷氨酸；但当终产物产物谷氨酸的合成过谷氨酸的合成过量时，就会抑制谷氨酸脱量时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而导致合氢酶的活性，从而导致合成途径中断。当谷氨酸因成途径中断。当谷氨酸因消耗而浓度下降时，抑制消耗而浓

23、度下降时，抑制作用就会被解除，该合成作用就会被解除，该合成反应又重新启动。反应又重新启动。 微生物细胞代谢的调节主要是通过控制微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的酶的作用来实现的 调调节节类类型型酶合成调节酶合成调节 酶活性调节酶活性调节 通过酶分子结构的改变来通过酶分子结构的改变来调节调节变构调节，可逆性变构调节，可逆性 。 通过调节酶的合成进而调通过调节酶的合成进而调节代谢速率的调节机制节代谢速率的调节机制 ，是在遗传学水平上发生的是在遗传学水平上发生的 酶合成的调节和酶活性的调节的比较酶合成的调节和酶活性的调节的比较酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节调节对象调

24、节对象调节机制调节机制特点特点意义意义诱导酶的合成诱导酶的合成酶的活性酶的活性对基因表达的对基因表达的调控调控反馈性调节反馈性调节间接、缓慢间接、缓慢快速、精细快速、精细避免物质和能避免物质和能量的浪费量的浪费避免代谢产物避免代谢产物的积累的积累微生物代谢的人工控制微生物代谢的人工控制 措施措施 改变微生物遗传特性控制生产过程中改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件的各种条件 目的目的 获得更多的代谢产物获得更多的代谢产物黄黄色色短短杆杆菌菌合合成成赖赖氨氨酸酸过过程程怎样使黄色短杆菌合成更多的赖氨酸？怎样使黄色短杆菌合成更多的赖氨酸？需需要要产产品品赖赖氨氨酸酸 微生物代谢产物在生产中的

25、应用微生物代谢产物在生产中的应用 通过培养微生物，获得微生物产生的各种通过培养微生物，获得微生物产生的各种代谢产物，此过程称为发酵。代谢产物，此过程称为发酵。 发酵的类型发酵的类型培养基物理状态：固体发酵、液体发酵培养基物理状态：固体发酵、液体发酵生成产物：抗生素发酵、维生素发酵、生成产物：抗生素发酵、维生素发酵、第六节第六节 微生物的生长及其控制微生物的生长及其控制一、微生物的群体生长：一、微生物的群体生长：包括微生物的包括微生物的个体生长和微生物的个体繁殖。个体生长和微生物的个体繁殖。研究方法研究方法 以细菌为例以细菌为例将少量同种细菌接种将少量同种细菌接种到液体培养基中到液体培养基中容积

26、恒定容积恒定定期检测培养基中细定期检测培养基中细菌群体的生长情况菌群体的生长情况于适宜条件于适宜条件下培养下培养如何测如何测定？定？微生物生长的测定方法微生物生长的测定方法1 1、测微生物的细胞数目、测微生物的细胞数目（1 1）直接测数法）直接测数法 （2 2）比浊法）比浊法 （3 3）稀释平板记数法）稀释平板记数法 （4 4）液体稀释培养记数法）液体稀释培养记数法 2 2、测微生物的细胞重量、测微生物的细胞重量 （1 1）细胞干重）细胞干重 （2 2）总氮量测定法）总氮量测定法 （3 3）DNADNA测定法测定法 （4 4）代谢活性法）代谢活性法微生物群体生长的规律微生物群体生长的规律调调整

27、整期期对数期对数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期细菌的生长曲线细菌的生长曲线分析生长曲线个阶段的特点分析生长曲线个阶段的特点细胞分裂细胞分裂细胞数量细胞数量细胞代谢特点细胞代谢特点细胞形态特点细胞形态特点调调整整期期对数对数期期稳稳定定期期衰衰亡亡期期不分裂不分裂不增加不增加代谢活跃、大量代谢活跃、大量合成与细胞分裂合成与细胞分裂有关的物质有关的物质快速分裂快速分裂细胞呈细胞呈指数增长指数增长生理特征稳定，生理特征稳定，代谢旺盛代谢旺盛个体形态稳定个体形态稳定细胞增加数细胞增加数等于死亡数等于死亡数活菌数达活菌数达到最高峰到最高峰大量积累代谢大量积累代谢产物，特别是产物，特别是次级产物，营次级产物，

28、营养物质减少养物质减少（细菌）（细菌）形成芽孢形成芽孢细胞死亡细胞死亡数大于增数大于增加数加数活菌数下降活菌数下降菌体释放菌体释放代谢产物代谢产物细胞多种形态，细胞多种形态，甚至畸形，开甚至畸形，开始解体始解体微生物生长曲线的实践意义微生物生长曲线的实践意义 处于对数期的细菌，生长繁殖速率最快，代谢处于对数期的细菌，生长繁殖速率最快，代谢旺盛旺盛生产上常用这个时期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。生产上常用这个时期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。 是科研的理想材料是科研的理想材料; ;是增值噬菌体的宿主最适菌龄是增值噬菌体的宿主最适菌龄缩短调整期缩短调整期: :以对数期细菌作为种子进行接种以对数

29、期细菌作为种子进行接种; ;适当增大接适当增大接种量种量; ;发酵培养基成分与种子培养基成分尽量接近发酵培养基成分与种子培养基成分尽量接近进入稳定期后，抗生素等代谢产物逐渐增多，生长速进入稳定期后，抗生素等代谢产物逐渐增多，生长速率下降到零率下降到零 如果适当补充营养物质，就有助于延长稳定如果适当补充营养物质，就有助于延长稳定期、提高代谢产物的产量期、提高代谢产物的产量 连续培养连续培养 连续培养的基本原则：微生物培养过程中不连续培养的基本原则：微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的速率移出培养断的补充营养物质和以同样的速率移出培养物物应用于应用于乙醇、乙醇、丙酮、丙酮、丁醇的丁醇的生产

30、生产优点：保证微生物对营养物质的需要；优点：保证微生物对营养物质的需要；排出部分有害代谢产物；使微生物保排出部分有害代谢产物；使微生物保持较长时间的高速生长；缩短发酵周持较长时间的高速生长；缩短发酵周期，提高设备利用率；便于自动化管期，提高设备利用率；便于自动化管理。理。缺点：杂菌污染和菌种退化缺点：杂菌污染和菌种退化二、影响微生物生长的环境因素二、影响微生物生长的环境因素 1 1、温、温 度度 （最适、最高、最低）（最适、最高、最低） 微生物生长最旺盛时的温度叫最适生长温度微生物生长最旺盛时的温度叫最适生长温度 在最适生长温度范围内在最适生长温度范围内微生物的生长速率随温度的上升而加快微生物

31、的生长速率随温度的上升而加快细胞内的蛋白质和核酸等发生了不可逆的破细胞内的蛋白质和核酸等发生了不可逆的破坏。坏。微生物的生长速率会急剧下降微生物的生长速率会急剧下降l超过最适生长温度以后超过最适生长温度以后影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素 2、pHpH 每种微生物的最适每种微生物的最适pHpH不同不同多数细菌：多数细菌：6.56.57.57.5；真菌：；真菌：5.05.06.06.0；放；放线菌：线菌：7.5-8.57.5-8.5。影响酶的活性，细胞膜的稳定性等影响酶的活性，细胞膜的稳定性等影响微生物对营养物质的吸收等。影响微生物对营养物质的吸收等。l超过最适超过最适pHpH范

32、围以后范围以后影响微生物生长的环境因素影响微生物生长的环境因素 3、氧氧 好氧型微生物好氧型微生物 厌氧型微生物厌氧型微生物 严格厌氧严格厌氧 兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物多种细菌和大多数真菌多种细菌和大多数真菌某些链球菌等某些链球菌等某些产甲烷杆菌某些产甲烷杆菌酵母菌酵母菌三、有害微生物的控制三、有害微生物的控制消毒：利用某些理化因素，杀死物体内外一切病原微生消毒：利用某些理化因素，杀死物体内外一切病原微生物的措施，但对被消毒物体基本无害物的措施，但对被消毒物体基本无害灭菌：利用某些物化因素，杀死物体内外一切微生物灭菌：利用某些物化因素，杀死物体内外一切微生物的措施。的措施。防腐：利用某些物

33、化因素完全抑制或停止霉腐微生物防腐：利用某些物化因素完全抑制或停止霉腐微生物生长的措施，以防止食品和其他物品的腐败和霉变。生长的措施，以防止食品和其他物品的腐败和霉变。化疗：利用具有高度选择毒性的药物抑制或杀死宿主化疗：利用具有高度选择毒性的药物抑制或杀死宿主体内病原微生物的措施，达到治疗疾病的目的。体内病原微生物的措施，达到治疗疾病的目的。1、物理方法：、物理方法：（1）高温：干热灭菌、湿热灭菌（水煮沸法、高压）高温：干热灭菌、湿热灭菌（水煮沸法、高压 蒸汽锅法）、巴斯德消毒法蒸汽锅法）、巴斯德消毒法（2）低温：冷藏法、冷冻法（冰箱、干冰、液氮）低温：冷藏法、冷冻法（冰箱、干冰、液氮）（3）

34、辐射：紫外线、电离辐射、强可见光）辐射：紫外线、电离辐射、强可见光（4）干燥和渗透压）干燥和渗透压（5）过滤）过滤2、化学方法、化学方法（1）消毒剂（乙醇）消毒剂（乙醇）（2）防腐剂（甲醛）防腐剂（甲醛）控制有害微生物生长的方法：控制有害微生物生长的方法：（3 3）抗生素）抗生素抑制细胞壁合成：青霉素抑制细胞壁合成：青霉素破坏细胞膜结构：多粘菌素破坏细胞膜结构：多粘菌素E E、段杆菌肽、段杆菌肽S S破坏细菌破坏细菌膜；制霉菌素、两性霉素破坏真菌（外用）膜；制霉菌素、两性霉素破坏真菌（外用）抑制蛋白质合成：链霉素、卡那霉素、庆大霉素作抑制蛋白质合成：链霉素、卡那霉素、庆大霉素作用于用于30S3

35、0S亚基；红霉素、螺旋霉素作用于亚基；红霉素、螺旋霉素作用于50S50S亚基亚基抑制核酸的合成：丝裂霉素抑制核酸的合成：丝裂霉素C C抑制抑制DNADNA复制；放线菌复制；放线菌素素D D抑制转录；利福平作用于抑制转录；利福平作用于RNARNA聚合酶聚合酶（4 4）抗代谢物：磺胺类药物使细菌生长因子叶酸组）抗代谢物：磺胺类药物使细菌生长因子叶酸组成成分对氨基苯甲酸的结构类似物，可取代对氨基成成分对氨基苯甲酸的结构类似物，可取代对氨基苯甲酸与二氢蝶酸合成酶结合，干扰叶酸的正常合苯甲酸与二氢蝶酸合成酶结合，干扰叶酸的正常合成，导致代谢混乱。成，导致代谢混乱。（5 5）、微生物的抗药性）、微生物的抗

36、药性抗药菌株产生钝化或分解药物的酶；抗药菌株中与抗药菌株产生钝化或分解药物的酶；抗药菌株中与药物作用部位结构发生改变；抗药菌株细胞膜通透药物作用部位结构发生改变；抗药菌株细胞膜通透性发生改变性发生改变 第七节第七节 发酵工程简介发酵工程简介密闭式发酵罐密闭式发酵罐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油、醋、我国的传统发酵产品酱油、醋、腐乳等享誉世界腐乳等享誉世界 我国的酿酒已经有我国的酿酒已经有40004000多年的多年的历史历史 我国的酱油距今已有我国的酱油距今已有30003000年的年的历史历史 18571857年巴斯德证明发酵是由于年巴斯德证明发

37、酵是由于微生物的作用微生物的作用发酵工程的概念和内容发酵工程的概念和内容 （一）发酵工程的概念（一）发酵工程的概念 采用现代工程技术手段，利用微生物的某采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或些特定功能，为人类生产有用的产品，或者直接把微生物应用于工业生产的一种新者直接把微生物应用于工业生产的一种新技术。技术。发酵工程的概念和内容发酵工程的概念和内容（二）发酵工程的内容（二）发酵工程的内容 菌种的选育菌种的选育 培养基的配制培养基的配制 灭菌灭菌 扩大培养和接种扩大培养和接种 发酵过程发酵过程 产品的分离提纯等产品的分离提纯等一、发酵工程的内容 发酵是指利用微生

38、物制造工业原料或工业产品的过程。发酵是指利用微生物制造工业原料或工业产品的过程。根据各种微生物的特性，在有氧或无氧条件下利用生物根据各种微生物的特性，在有氧或无氧条件下利用生物催化催化 ( 酶酶 ) 的作用，将多种低值原料转化成不同的产品的作用，将多种低值原料转化成不同的产品的过程。如酿酒、制酱和醋等发酵技术古已有之。的过程。如酿酒、制酱和醋等发酵技术古已有之。 20 世纪世纪 40 年代中期美国抗菌素工业兴起，大规模生产青年代中期美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素以及日本谷氨酸盐霉素以及日本谷氨酸盐 ( 味精味精 ) 发酵成功，大大推动了发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。发酵工程的发展。

39、 70 年代以石油为原料生产单细胞蛋年代以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物 ( 淀粉淀粉 ) 向非碳向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。如天然气、烷烃等原料的开发。 80 年代初基因工程发年代初基因工程发展，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高展，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。发酵技术实现新的革命。 微

40、生物菌体发酵微生物菌体发酵 这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。传统的菌体发酵工业：传统的菌体发酵工业： 有用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品有用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两种类型。的微生物菌体蛋白发酵两种类型。 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。最初，人们酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初，人们都是从动、植物组织中提取酶，但目前工业应用的酶都是从动、植物组织中提取酶，但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产

41、酶的品种多、生产容易和成本低等特点的品种多、生产容易和成本低等特点 微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵 微生物代谢产物的种类很多，已知的有微生物代谢产物的种类很多，已知的有个大类个大类,其中类属于药物。其中类属于药物。 微生物的转化发酵微生物的转化发酵 微生物转化是利用微微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。成结构相关的更有经济价值的产物。 生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵 这是指利用生物工程技术所获得的细胞，如这是指利用生物工程技术所获得的细胞，如重组的重组的工程菌工程菌，细胞融合所得的，细胞融

42、合所得的杂杂交交细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。多样。 二、发酵工程与工艺控制1、发酵的一般过程、发酵的一般过程菌种的选育菌种的选育 要想通过发酵工程获得在种类、产量和要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。要的是要有优良的菌种。怎样才能得到怎样才能得到优良的菌种呢？优良的菌种呢？如果生产的是微生物直接如果生产的是微生物直接合成的产物合成的产物可以从自然界中先分离出相可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从的方

43、法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。要求的优良菌种。如果生产的是一般微生物不能如果生产的是一般微生物不能合成的产品合成的产品 可用基因工程、细胞工程的方法可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的达到生产相应产品的目的 培养基的配制培养基的配制 l1 1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培）根据不同的菌种，应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、养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因

44、子、水、无机盐等方面的营养要求，并为生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的微生物提供适宜的pHpH。l（2 2）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。l（3 3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上）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。应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。灭菌灭菌 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？什么呢？l在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形在发酵过程中

45、如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。l例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。青霉素分解掉。灭菌灭菌 那如何防止杂菌的污染呢？那如何防止杂菌的污染呢？l用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。体

46、、芽孢和孢子。 l要在发酵前对培养基和发酵设施进行要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。严格的灭菌处理。怎样才算灭菌彻底呢？怎样才算灭菌彻底呢？扩大培养和接种扩大培养和接种 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？生产周期呢？l经过多次的扩大培养。经过多次的扩大培养。l扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。加，能在短时间里得到大量的菌体。如何对菌种进行扩大培养呢？如何对菌种进行扩大培养呢？扩大培养和接种扩

47、大培养和接种 扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？l扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。用的培养条件就有可能不同。l例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的

48、酒精获得大量的酒精l接种过程中要注意防止杂菌污染。接种过程中要注意防止杂菌污染。 有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？什么事项呢？2 2、发酵过程、发酵过程 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。这是为什么呢？件进行控制。这是为什么呢？l发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时取样检测培养因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，液中细菌数目、

49、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。同时，还应对发酵条件进行严格控制。 发酵过程发酵过程 哪些条件能影响菌体的发酵呢？哪些条件能影响菌体的发酵呢？l发酵生产中温度、发酵生产中温度、pHpH、溶氧量、溶氧量、转速等对发酵过程有重大影响。转速等对发酵过程有重大影响。分离、提纯分离、提纯 代谢产物代谢产物 。l采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提

50、取采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取菌体本身，如酵母菌和细菌等菌体本身，如酵母菌和细菌等三、发酵设备与发酵类型 1、发酵设备2、发酵类型、发酵类型（1）分批发酵）分批发酵 营养物和菌种一次加人进行培养，直到结束放出，营养物和菌种一次加人进行培养，直到结束放出，中间除了空气进人和尾气排出，与外部没有物料交中间除了空气进人和尾气排出，与外部没有物料交换。传统的生物产品发酵多用此过程，它除了控制换。传统的生物产品发酵多用此过程，它除了控制温度和及通气以外，不进行任何其他控制，操温度和及通气以外，不进行任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则明显改变，作简单。但从细胞所处的环境来看，则明

51、显改变，发酵初期营养物过多可能抑制微生物的生长，而发发酵初期营养物过多可能抑制微生物的生长，而发酵的中后期可能又因为营养物减少而降低培养效率，酵的中后期可能又因为营养物减少而降低培养效率，从细胞的增殖来说，初期细胞浓度低，增长慢，后从细胞的增殖来说，初期细胞浓度低，增长慢，后期细胞浓度虽高，但营养物浓度过低也长不快，总期细胞浓度虽高，但营养物浓度过低也长不快，总的生产能力不是很高。的生产能力不是很高。 （）（） 连续发酵连续发酵 所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添所谓连续发酵，是指以一定的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，从加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、值等都能保持恒定，如营养物浓度、产物浓度、值等都能保持恒定，微生物细胞的浓度及其比生长速率也可维持不变，微生物细胞的浓度及其比生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。甚至还可以根据需要来调节生长速度。四、发酵工程的应用四、发酵工程的应用（一）在医药工业上的应用（一）在医药工业上的应