宋存江微生物发酵工程微生物发酵过程

1、 第四章第四章 微生物发酵过程微生物发酵过程(Microbial Fermentation-Process) 一一. 微生物发酵的类型微生物发酵的类型 二二. 种子扩大培养种子扩大培养 三三. 发酵培养基发酵培养基 四四. 发酵过程中间分析发酵过程中间分析 五五. 发酵终点的判断发酵终点的判断 六六. .主要技术经济指标主要技术经济指标微生物发酵的不同类型微生物发酵的不同类型微微生生物物发发酵酵 需氧或不需要好氧发酵兼性发酵厌氧发酵 培养基呈液态或固态液态发酵固态发酵发酵在培养基表面或深层进行表面发酵深层发酵 间歇发酵或连续进行分批发酵补料分批发酵连续发酵 菌种状态游离发酵固定化发酵 单一或混

2、合菌种单一纯种发酵双菌发酵混合发酵一一. . 微生物发酵的类型微生物发酵的类型如：黑曲霉发酵生产柠檬酸； 棒状杆菌的Glu发酵； 地衣芽胞杆菌发酵生产聚谷氨酸等如：乳酸杆菌的乳酸发酵； 梭状芽孢杆菌的丙酮丁醉发酵等空气 如，酵母厌氧产酒精；好氧积累菌体； 另外，细胞固定化，生物法处理废水，细菌采矿等等;固定化细胞Next pageNext page 发酵形式发酵形式 优优 点点 缺缺 点点 固体 投资少，设备简单，操作容易可因陋就简， 广房面积大劳动强度 发酵 因地制宜，利用农副产品以及下脚料作为 大不易机械化操作。 原料进行生产。 液体 液体环境适合菌体生长和物质传递，发酵在均 投资大，设备

3、要求严格， 发酵 质条件下进行，便于控制，液体输送方便，易 动力消耗比较大 于机械化操作，产品易精制 设备占地少，容 量大，可自动控制，适合大规模生产。固体发酵和液体发酵的区别固体发酵和液体发酵的区别 表面发酵和深层发酵表面发酵和深层发酵 表面培养法 深层培养法放置曲盘需要更多的厂房 利用密闭的发酵罐 需要更多的劳动力 相反 利用抵押空气鼓风机 需要高压空气 动力消耗少 空压机、搅拌耗能 需要简单控制 需要精密控制 很少有污染问题 污染往往成为严重问题产品回收包括水溶、抽提、 相同过滤、离心、蒸发、沉淀 相同微微生生物物发发酵酵 分批发酵 (Batch Fermentation) 补料分批发酵

4、 (Fed-batch Fermentation ) 连续发酵 (Continuous Fermentation ) 固态发酵 (Solid State Fermentation ) 高密度发酵 (High Cell Density Fermentation )基因工程菌的发酵 (Recombinant strain fermentation ) 发酵罐进行的间歇操作称为分批发酵。在好氧发酵过程中，需要不断通入无菌空气并加入酸碱以调节发酵液的pH值，除此以外，与外界没有其它的物料交换。分批发酵是一种操作简单并且广泛使用的发酵方式。分批发酵中菌体生长规律及生长参数的数学模型将在第七章已有详述。工

5、艺变量随时间而变化是该发酵方式的主要特征。摇瓶培养也属分批发酵.分批发酵的主要设备是种子培养罐、主发酵罐、无菌供气系统和产物分离纯化系统。分批发酵的基本过程如图1. 分批发酵分批发酵 (Batch Fermentation)2. 补料分批发酵补料分批发酵 (Fed-batch Fermentation ) 以某种方式定时向培养系统补加一定营养物质的发酵方式称为补料分批发酵。它是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式。定时补料的同时并不向外排放发酵液，所以使发酵系统不再封闭，且培养液体积随时间和物料流速而变化。由于营养底物缓慢补入，既满足微生物生长和产物合成的持续需要，又避免了由于底物基质过量所引

6、起的各种调控反应。 定时补充物料，可使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定的范围内，既保证了微生物生长，又不会产生不利影响，从而达到提高容量产率、产物浓度和得率的目的。 补料技术可以采用少量多次、少次多量、流加或微机控制流加；整个发酵过程中不断地调节补料率，维持各项物质的供需平衡。 根据补入物料的组成可将补料分批发酵分为完全补料发酵和半分批补料发酵。完全补料发酵是补入成分完全的培养基。半分批补料发酵是仅补入一种或几种限制性营养成分。3. 连续发酵连续发酵 (Continuous Fermentation ) 连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从

7、而使培养系统内培养液的体积维持恒定，使微生物细胞处于近似恒定状态下生长的微生物发酵方式。下图为典型的实验室连续发酵系统。 连续发酵的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。4. 固态发酵固态发酵 (Solid State Fermentation ) 固态发酵是指微生物在没有游离水或几乎没有游离水的较湿的固态培养基上的发酵过程。固态的湿培养基一般根据成分不同控制含水量在40-80左右，无游离水流出。农村的堆肥、青饲料发酵和酿酒制曲，就是典型的固态发酵。特别是我国工艺历史悠久、国际著名的白酒生产都有自己独特的固态发酵工艺过

8、程。由于固态发酵方式节能、环保，近来又得到了人们的青睐。如：以产朊假丝酵母（Candida utilis）、面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）和啤酒酵母（Saccharomyces carlsbergensis）为复合发酵菌种，以麸皮、大豆饼和少量脱毒棉籽饼为原料，经固态发酵法生产饲料蛋白添加剂得到快速发展。 伴随着发酵工程机械化、自动化、化工技术和设备的改进，在传统固态发酵的基础上发展到现在的固态发酵。 现代固态发酵和传统固态发酵的比较现代固态发酵和传统固态发酵的比较性质性质现代固态发酵现代固态发酵传统固态发酵传统固态发酵反应器在密闭的固态发酵反应器中进行在极为简单

9、的发酵容器中进行或敞口式固态发酵菌种采用单一纯种菌株或混合菌株发酵基本是自然富集发酵或强化菌种发酵范围扩大了固态发酵的运用范围限于传统食品的生产能耗操作能耗高，设备投资较大操作能耗低，设备投资小，劳动强度大原料需要无菌处理发酵原料可直接利用价格低廉的粮食和纤维素原料， 分离适宜于分离纯化高附加值产品产品处理一般较简单，可直接烘干 固态发酵生物活性物质固态发酵生物活性物质生理活性物质微生物底物伴孢晶体（细菌内毒素）苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis)椰子果渣赤霉素藤仓赤菌(Gibberella fujikuroi)，串珠镰孢(Fusarium moniliforme)麸

10、皮，玉米穗，木薯粉，甘蔗渣等赭曲毒素赭曲霉(A.ochraceus)，鲜绿曲霉(P.viridicatum)大麦，大米，玉米土霉素龟裂链霉菌(Streptomyces,rimosus)玉米穗麦角类生物碱串珠镰孢(Fusarium moniliforme)甘蔗渣头孢霉素顶头孢霉(Cephalosporium acremonium)大麦粒头丙菌素带小棒链霉菌(Streptomyces clavuligerus)向日葵种子枯草菌溶血素枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)豆渣环孢素丝状真菌(Tolypocladium inflatum)麸皮抗真菌素枯草芽胞杆菌(Bacillus subt

11、ilis)黏土及稻草复合培养基绿僵菌素金龟子绿僵菌(Metarhizium anisopliae)大米糠 固态发酵和液体发酵是微生物发酵的两大技术领域，各具特征，并存在着明显的区别。固态发酵投资少，设备简单，操作容易可因陋就简，因地制宜地利用农副产品以及下脚料作为原料进行生产。液体发酵适合菌体生长和物质传递，发酵在均质条件下进行，便于控制，液体输送方便易于机械化操作，产品易精制 同时，液体发酵设备占地少，容量大，可自动化控制，适合大规模生产，具有很大的优势。但是，如能解决好固态发酵的设备问题，固态发酵也将会发挥出更大的作用。 5. 高密度发酵高密度发酵 (High Cell Density F

12、ermentation ) 微生物代谢产物的合成完全是靠菌体作为生产者来实现的。菌体量越多产物的产量也越大。因此，通过发酵工程实现高密度微生物细胞培养则是发酵的最终要求。微生物代谢产物的合成完全是靠菌体作为生产者来实现的。菌体量越多产物的产量也越大。因此，通过发酵工程实现高密度微生物细胞培养则是发酵的最终要求。 采用一定的工艺技术实现了高密度发酵，它不仅使发酵液的菌体浓度比分批发酵提高了采用一定的工艺技术实现了高密度发酵，它不仅使发酵液的菌体浓度比分批发酵提高了10倍以上，而且使菌体的生产能力也处于最佳状态，并能消除有害代谢物对菌体正常发酵的影响。高密度发酵较分批发酵有显著的技术优势。表倍以上

13、，而且使菌体的生产能力也处于最佳状态，并能消除有害代谢物对菌体正常发酵的影响。高密度发酵较分批发酵有显著的技术优势。表15-4 列举了几种微生物的高密度发酵结果。列举了几种微生物的高密度发酵结果。 菌 种 基础培养基 发酵罐 补料方法 细胞干重(g/L) 培养时间(h) 大肠杆菌 葡萄糖矿物 搅拌罐 葡萄糖（甘油） 140-150 30-40 盐或甘油矿物盐 非限制指数补料枯草杆菌 含葡萄糖的完全 搅拌罐 补料分批培养 185 30培养基 补加葡萄糖调节pH毕氏酵母 葡萄糖，矿物盐 搅拌罐 补料分批培养， 100 50-120补加甲醇 高细胞密度发酵成功的实例高细胞密度发酵成功的实例 高密度发

14、酵生物反应器有常用的搅拌罐和带有外置式或内置式细胞持留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式反应器、气旋式反应器等。日本人铃木等用搅拌陶瓷膜反应器系统实现乳酸杆菌高密度培养，其陶瓷过滤器可从发酵液中去除抑制生长的代谢副产物。日本人内野等采用内外两个圆筒的膜透析反应器，能连续去除抑制性代谢产物，始终保持菌体生长繁殖。 补料技术常用于高密度发酵，对提高菌体密度效果明显。有人采用三阶段式流加葡萄糖，高密度培养大肠杆菌重组菌株（YK537/pDH-B2m），菌体密度达到53 OD600，骨形成蛋白（BMP-2A）产量达到2.78g/L。但有些菌体高密度发酵菌体浓度较理论浓度尚有距离，仍需深入研究。6.

15、基因工程菌的发酵基因工程菌的发酵 (Recombinant strain fermentation ) 分子生物学技术特别是重组DNA技术的快速发展，众多的基因工程产品相继问世。下表列举了部分基因工程菌发酵产生的药物及其用途。 工程菌常以大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、某些假单胞菌、酵母菌、哺乳动物细胞等作为外源基因受体，其发酵培养与普通菌种的好气培养没有本质的差异。基因工程菌通常采用二阶段发酵培养工艺，先在一定时间内提高菌体浓度，其后添加诱导物或改变培养温度而诱导外源基因的产物表达，并以综合评价决定产物表达的最佳诱导条件。 基因工程技术日臻成熟，所构建的工程菌已实现发酵生产，很多产品已投放市场。如：

16、胰岛素、干扰素、生长激素、乙型肝炎疫苗、高产苏氨酸等。有的基因工程菌其产品产量已高于普通菌种。一种带有头孢菌素生物合成限制性扩环酶外源基因的工程菌，其头孢菌素C的产量比原有菌种提高了15%。下表列举了部分基因工程菌发酵产生的药物及其用途下表列举了部分基因工程菌发酵产生的药物及其用途 重组原核微生物生产的部分蛋白药物重组原核微生物生产的部分蛋白药物 药物名称 用途1-抗胰蛋白酶 (1-antitrypsin)促肾上腺皮质激素 (adrenocorticotrophic hormone)B细胞生长因子 (B-cell growth factor)降钙素 (calcitonin)集落刺激因子 (co

17、lony stimulating factor)绒毛膜促性腺激素 (chorionic gonadotropin)内啡肽和脑啡肽 (edorphine and enkephalin)上皮生长因子 (epidermal growth factor)红细胞生成素 (erythropoietin)凝血因子VIII (factorVIII)凝血因子IX (factorIX)生长激素 (growth hormone)生长激素释放因子 (growth hormone releasing factor)胰岛素 (insulin)干扰素 (interferon)白细胞介素 (interleukin)淋巴细胞毒

18、素 (lymphotoxin)巨噬细胞激活因子 (macrophage activating factor)神经生长因子 (nerve growth factor)血小板衍生长因子 (plaelet-derived growth factor)松弛素 (relaxin)血清白蛋白 (serum albumin)生长调节素 (somatomedin C)组织型纤溶酶原激活剂 (tissue plasminogen activator)肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor)尿抑胃素 (urogastrone)尿激酶 (urokinase)治疗肺气肿治疗风湿治疗免疫系统功能失调

19、治疗软骨病治疗血液病治疗不排卵症镇痛剂促进伤口愈合治疗贫血治疗血友病治疗血友病促进生长促进生长治疗糖尿病抗病毒抗肿瘤治疗癌症抗肿瘤抗肿瘤促进神经系统损伤的修复治疗动脉粥样硬化助产剂血浆补充物促进生长溶栓剂抗肿瘤，抗溃疡药物溶栓剂 1. 现代发酵技术的特点现代发酵技术的特点: (1) 发酵工程与化学工程更紧密的结合发酵工程与化学工程更紧密的结合;(2) 发展酶，细胞的固定化技术。发展酶，细胞的固定化技术。 (3) 遗传工程技术的应用，使得定向育种真正成为可能遗传工程技术的应用，使得定向育种真正成为可能 (4) 计算机等自控技术的应用，提高了整体水平计算机等自控技术的应用，提高了整体水平2. 典型

20、的发酵生产过程（见下页图）典型的发酵生产过程（见下页图）: (1) 原料的予处理原料的予处理: 淀粉质原料淀粉质原料: a. 酸解酸解: 原料原料(淀粉淀粉+水水+HCL)-调浆调浆-(加热加热)-糖化糖化-冷却冷却-中和中和, 脱色脱色-过虑除菌过虑除菌-糖液。糖液。 b. 酶解酶解: 原料原料(淀粉淀粉+水水)-调浆调浆-(加酶加热加酶加热)-液化液化-降温降温-(加酶加酶 加热加热)-糖化糖化-糖糖液液 糖蜜类原料糖蜜类原料: a. 酵母生产酵母生产: 浓糖蜜浓糖蜜(40Be0)-稀释至稀释至17-18Be0-酸化酸化(pH3.9)-水解水解(0.1MPa, 5min)-石灰乳调石灰乳调

21、 pH(4.4-4.8)-静止静止24h-沉淀与上清沉淀与上清-上清液中上清液中-加营养盐加营养盐-灭菌灭菌 b. 柠檬酸发酵柠檬酸发酵: 浓糖蜜浓糖蜜(40Be0)-稀释稀释1倍倍-加热加热(50-550C) -加浓加浓H2SO4(1%)-加热加热(大于大于900C, 10 min) -澄清澄清-沉淀沉淀- 取上清液取上清液-稀释至含糖稀释至含糖11%-加加NH4NO3(0.15%)-灭菌灭菌二二. . 微生物发酵的一般过程微生物发酵的一般过程 原料 原始菌种预处理（粉碎，水解， 除杂） 斜面种子（活化）（一级种子）配料 种子扩大培养（摇瓶或茄瓶）（二级种子） 灭菌 种子罐（一级发酵） 开放

22、式、密闭式 发酵罐 （二级发酵 ） 半密闭式 控制发酵条件并进行发醇过程检查 过滤，离心、蒸馏，萃取 产品提取 沉淀、离交，结晶、千燥 质量检查 成品 一般发酵工艺的全过程简图一般发酵工艺的全过程简图典型的分批微生物反应工艺流程图典型的分批微生物反应工艺流程图(2) 种子扩大培养种子扩大培养: a. 固体发酵固体发酵: 活化斜面活化斜面-三角瓶三角瓶-发酵原料发酵原料 b. 好气性液体发酵好气性液体发酵: 活化斜面活化斜面-摇瓶液体种子（或茄型瓶种子）摇瓶液体种子（或茄型瓶种子）-种子罐（种子罐（1，2级级)-发酵罐。发酵罐。 c. 厌气液体发酵厌气液体发酵: 静止培养法（以丙酮丁醇发酵为例）

23、静止培养法（以丙酮丁醇发酵为例） 活化斜面活化斜面-不同水平三角瓶的逐级培养不同水平三角瓶的逐级培养 (20mL-100mL-500mL)-6 L 卡氏瓶卡氏瓶-200L卡氏罐卡氏罐-5000L发酵罐发酵罐(3) 基本操作方式基本操作方式: a. 分批操作分批操作(间歇操作间歇操作): b. 半分批操作半分批操作(流加法流加法),反复半分批操作反复半分批操作(反复流加法反复流加法): c. 连续操作连续操作:(4) 产品的分离提取（后处理）产品的分离提取（后处理）: a. 酵母生产酵母生产: 发酵液发酵液-连续离心连续离心-板框过虑板框过虑-干燥干燥 b. 味精生产味精生产: 发酵液发酵液-离

24、子交换离子交换-浓缩浓缩-结晶结晶-洗涤洗涤-重结晶重结晶-干燥干燥-筛分筛分 c. 酶制剂酶制剂: 发酵液发酵液-喷雾干燥喷雾干燥(粗品粗品) d. 酒精与丙酮丁醇酒精与丙酮丁醇: 醪液醪液-蒸溜蒸溜(粗粗,精精) e. 柠檬酸柠檬酸: 发酵液发酵液-加热加热-板框过虑板框过虑-CaCO3-中和中和-H2SO4-酸解酸解, 活性碳脱色活性碳脱色-离子交换离子交换-浓缩浓缩-结晶结晶-干燥干燥 三三. 发酵生产中的种子质量控制发酵生产中的种子质量控制1. 种子培养基和培养条件种子培养基和培养条件: 种子培养基种子培养基:能保证在生产中获得大量优质孢子或营养细胞，对于种子培能保证在生产中获得大量

25、优质孢子或营养细胞，对于种子培 养基的要求养基的要求: 营养成分完整，丰富，氮源比例高营养成分完整，丰富，氮源比例高; 原料较精，总浓度较低原料较精，总浓度较低; 主要成分尽可能同发酵培养基一致；主要成分尽可能同发酵培养基一致； pH较稳定利于菌体正常生长和发育。较稳定利于菌体正常生长和发育。 培养条件培养条件: 适当控制适当控制pH温度，通气和搅拌等条件，尽可能与发酵罐的起始条件相似。温度，通气和搅拌等条件，尽可能与发酵罐的起始条件相似。2. 对接种物的一般要求对接种物的一般要求: 具有旺盛的增殖能力，达到较高的菌体浓度；具有旺盛的增殖能力，达到较高的菌体浓度； 纯度高，个体整齐，同步率高，

26、生理活性强，无杂菌纯度高，个体整齐，同步率高，生理活性强，无杂菌 性能稳定，不易变异，退化性能稳定，不易变异，退化 质量判断质量判断: pH, 菌体形态，菌体浓度，产物量，酶活性，培养液外观菌体形态，菌体浓度，产物量，酶活性，培养液外观3. 影响种子质量的因素影响种子质量的因素: 原材料质量；培养条件；温度；原材料质量；培养条件；温度； 湿度；通气量；湿度；通气量； 斜面冷藏时间；培养基；斜面冷藏时间；培养基；pH值等。值等。4. 种子质量的控制种子质量的控制 种令，种子罐数，接种量；种令，种子罐数，接种量； 在种子生理状态和培养条件相同时在种子生理状态和培养条件相同时 菌种稳定性检查；菌种稳

27、定性检查； 接种量越大发酵延滞期越短。接种量越大发酵延滞期越短。 杂菌检查；杂菌检查； 接种技术接种技术 5. 决定种子扩大级数的因素决定种子扩大级数的因素 菌种的增殖速度；最低接种量菌种的增殖速度；最低接种量; 发酵规模；种子罐与发酵罐的容积比发酵规模；种子罐与发酵罐的容积比6. 种子制备的放大原理与技术种子制备的放大原理与技术 种子扩大培养的主要目的：种子扩大培养的主要目的：是为了获得大量的活力强的种子，以便在发酵罐的发酵培养过程中尽可能地缩是为了获得大量的活力强的种子，以便在发酵罐的发酵培养过程中尽可能地缩短延迟期。短延迟期。延迟期的长短与种子的接种量、接种龄及其生理条件的影响。种子最好

28、采用处于对数生长期的菌延迟期的长短与种子的接种量、接种龄及其生理条件的影响。种子最好采用处于对数生长期的菌种。此时的微生物细胞具有较强的代谢活力。种龄对于能生成芽孢的种子尤为重要种。此时的微生物细胞具有较强的代谢活力。种龄对于能生成芽孢的种子尤为重要。（因为芽孢是在对数生。（因为芽孢是在对数生长后期开始形成的，如接种物中含有大量芽孢，则给随后的发酵带来较长的延迟期）。两个例子如下：长后期开始形成的，如接种物中含有大量芽孢，则给随后的发酵带来较长的延迟期）。两个例子如下： 枯草芽孢杆菌生产杆菌肽发酵时种子扩大培养的程序枯草芽孢杆菌生产杆菌肽发酵时种子扩大培养的程序 梭状芽孢杆菌进行丙酮丁醇发酵时

29、种子扩大培养的程序梭状芽孢杆菌进行丙酮丁醇发酵时种子扩大培养的程序枯草芽孢杆菌生产杆菌肽发酵时种子扩大培养的程序枯草芽孢杆菌生产杆菌肽发酵时种子扩大培养的程序 级数 培养条件 培养时间 1 保藏菌种-4.0L摇瓶 18-24h 2 一级培养物-750L罐 6h 3 二级培养物-6000L罐 培养形成最大生物量 4 三级培养物-12000L罐 培养形成最大生物量 梭状芽孢杆菌进行丙酮丁醇发酵时种子扩大培养的程序梭状芽孢杆菌进行丙酮丁醇发酵时种子扩大培养的程序 级数 培养条件 培养基 1 保藏菌种接种后培养24h 马铃薯葡萄糖肉汤 2 一级培养物-600mL 20-24h 糖4%，硫酸铵5%，碳酸

30、钙6% P2O5(以磷酸盐形式提供) 3 90mL二级-含有3000mL液体锥形瓶 同二级 4 三级培养物-25000L罐 糖6%其余同二级 5 四级- 300000 500000L罐 同四级，发酵中补充氨水 接种量 0.5 3%四四. 发酵培养基发酵培养基1. 概念 ； 发酵培养基是供菌种生长、繁殖和合成产物之用。既要使种子接种后能迅速生长，达到一定的菌浓，又要使长好的菌体迅速合成产物。2. 发酵培养基的特点； 1) 要求发酵培养基的组成应丰富、完全，碳、氮源要注意速效和迟效的互相搭配，少用速效营养，多加迟效营养； 2) 还要考虑适当的碳氮比， 3) 加缓冲剂稳定pH值； 4) 要有菌体生长

31、所需的生长因子和产物合成所需要的元素、前体和促进剂等。 5) 除有菌体生长所必需的元素和化合物外，还要有产物所需的特定元素、前体和促进剂等。 6) 若因生长和生物合成产物需要的总的碳源、氮源、磷源等的浓度太高，或生长和合成两阶段各需的最佳条件要求不同时，则可考虑培养基用分批补料来加以满足。3. 发酵培养基的组成 1）碳源 主要功能： 为菌体的生长繁殖提供能源和合成菌体所 必需的成分； 为合成目的产物提供所需的碳素成分 2） 氮源氮源 有机氮源：豆饼（粕）粉、花生饼粉、鱼粉、蚕蛹粉、酵母粉、玉米浆、尿素等 无机氮源：铵盐、硝酸盐等 3）无机盐和微量元素）无机盐和微量元素 磷酸盐、 硫酸镁、钾盐、

32、 微量元素 4） 生长因子生长因子 微生物生长不可缺少的微量有机物质。包括维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶及其衍生物并非所有 微生物都必需，只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不可少的营养物质。 5）前体（）前体（precursor）是在代谢产物合成过程中加入的直接或间接结合至产物分子中的小分子物质。有些 前体物质由菌体本身合成。如缬氨酸和半胱氨酸是青霉素的前体。 6）诱导物（）诱导物（inducer）是促进某反应发生或者促进某基因转录的物质。有些半乳糖苷可使大肠杆菌-半乳 糖苷酶的产量增加1000倍，用甘露糖代替可阻遏碳源半乳糖，使有的菌株产生的纤维素酶增加1500倍 7） 促进剂（促进剂

33、（promoter）是发酵过程中加入的能增进产物生成速率或促进产物得率的一些微量化学物质， 一般与营养作用无关。促进剂促进产物合成的机理是多方面的，包括影响酶活性，如Mg2+具有激活链 霉素、新霉素的激酶活性，二甲基亚砜有效刺激芽孢杆菌、曲霉属、酵母属等菌体的生长。 4. 培养基的设计和最优化 将在第五章中介绍响应面法 五五. 发酵过程中的中间分析发酵过程中的中间分析 1. 分析项目: 发酵过程的分析项目包括物理指标、理化指标、化学指标和生物指标。物理指标包括温度、压力、体积、流量等。理化指标包括 pH、溶氧、溶CO2、氧化还原电位、气相成分分析等。化学测量项目包括基质浓度、前体浓度和产物浓度

34、的变化等。生物生化项目包括生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等。常见的发酵过程变量检测指标见表。变量测量方法测量原理测定意义及作用温度铂电阻、热敏电阻电阻随温度变化 维持微生物生长与产物合成压力隔膜、压敏电阻直接感受、电阻随压力变化维持正压、增加溶氧体积压差传感器荷重传感器静压差与液深度成正比传感器电阻正比于荷重了解菌体生长状况泡沫电导或电容探头与液面及电磁阀成回路反映发酵和代谢情况气体流量热质量流量计气体带走热与流量成正比供氧、排泄废气、增加Kla液体流量蠕动泵转速与流量成正比间接反映发酵液的状态及菌体生长和产物合成情况搅拌转速频率计数器光反射计数感应电流与转速成正比物料混合、提高Kla体积

35、氧传递系数Kla间接计算利用原电池型氧电极进行测定反映供氧效率，表征发酵罐的通气情况pH玻璃电极电极对氢离子特异反应了解菌体生长和产物合成信息溶氧复膜氧探头氧在电极转移产生电流反映氧供应情况溶CO2CO2探头扩散引起电解液pH变化了解菌的呼吸情况尾气氧浓度传感器氧在电极转移产生电流了解耗氧情况尾气CO2浓度CO2红外分析仪CO2吸收红外光了解菌的呼吸状况气相成分质谱离子化后的质/荷比了解菌代谢情况粘度旋转黏度仪剪应力、剪速和黏度相关性反映发酵液及产物的特性发酵过程变量检测指标（一）发酵过程变量检测指标（一） 变量测量方法测量原理测定意义及作用生物量浊度法荧光法 入射光细胞散射衰减细胞NADH被

36、紫外激发了解菌生长情况基质和代谢物浓度高效液相色谱（HPLC）溶质在固定相和流动相两相间进行分配并分离了解生长和产物合成情况DNA、RNA含量光密度测定法DNA和RNA在260nm处有一很高的吸收峰了解菌生长繁殖情况ATP、ADP、AMP高效液相色谱（HPLC）溶质在固定相和流动相两相间进行分配并分离了解菌能量代谢情况NADH化学测定NADH在340nm波长处有吸收峰了解发酵液氧化还原状态、细胞代谢活性摄氧率间接计算根据进气和排气氧的溶解量进行计算了解耗氧速率呼吸商间接计算根据氧含量和二氧化碳含量的变化进行计算了解菌的代谢途径氧化还原电位传感器电极与发酵液之间产生电位差反映菌代谢情况浊度传感器

37、细胞密度与吸光值之间的关系反映菌生长状况比生长速率（）间接计算单位重量细胞在单位时间内增加的量了解细胞生长情况呼吸强度间接计算单位重量细胞对氧气的利用了解比耗氧速率细胞形态射像显微镜显微射像技术了解菌生长情况发酵过程变量检测指标（二）发酵过程变量检测指标（二） 2. 发酵终点判断发酵终点判断: 生产率生产率:kg/m3 h; 得率得率:kg产物产物/kg基质基质(转化率转化率); 发酵系数发酵系数:kg产物产物/罐容积罐容积m3 发酵周期发酵周期 h3. 放罐时间的确立考虑的因素放罐时间的确立考虑的因素: 1) 提高发酵生产率，降低成本，不影响产品取质量提高发酵生产率，降低成本，不影响产品取质

38、量;2) 放罐前的控制放罐前的控制;3) 发醇异常的处理发醇异常的处理 a）发酵液转稀发酵液转稀:现象；粘度下降，泡沫上升，消沫效果减弱现象；粘度下降，泡沫上升，消沫效果减弱; 原因原因: 噬菌体侵染或其它未知因素；噬菌体侵染或其它未知因素； 措施：适时补入适当碳源或氮源促使繁殖新菌体，恢复正常措施：适时补入适当碳源或氮源促使繁殖新菌体，恢复正常 b）发酵液过浓发酵液过浓:原因：氮源过多，菌体过剩，溶解氧下降原因：氮源过多，菌体过剩，溶解氧下降; 措施措施: 补入补入10%无菌水，使菌液浓度下降，粘度下降，改善发酵条件。无菌水，使菌液浓度下降，粘度下降，改善发酵条件。 c）耗糖缓慢耗糖缓慢:原

39、因原因:种子质量，灭菌质量，磷盐浓度低。种子质量，灭菌质量，磷盐浓度低。 措施措施:补入适量合适的氮源，磷盐，提高发酵温度，风量；补入适量合适的氮源，磷盐，提高发酵温度，风量； d） pH不正常不正常: 原因原因: 灭菌质量，原料质量，水质，通气，补料；措施：酸或碱调整。灭菌质量，原料质量，水质，通气，补料；措施：酸或碱调整。菌体形态: 种子阶段：掌握合适种令，确保优质种子； 发酵阶段：观察生长是否正常，以便选择合适发酵条件如果发现不正常，则设法补救，及时发现杂菌污染，及早控制或处理。六六. 主要技术经济指标主要技术经济指标 1. 发酵率：发酵率：表示发酵过程中化学及生化反应的动态变化，几种重

40、要的物质变化速率。即：基质消耗、菌体表示发酵过程中化学及生化反应的动态变化，几种重要的物质变化速率。即：基质消耗、菌体生长和终点产物浓度改变的瞬时速率。生长和终点产物浓度改变的瞬时速率。 2. 发酵率的测定：发酵率的测定：发酵率的测定一般着重在菌体生长、基质利用和产物的形成三个方面，即发酵率是由发酵率的测定一般着重在菌体生长、基质利用和产物的形成三个方面，即发酵率是由“生长率生长率”，“代谢率代谢率”和和“生产率生产率”组成。组成。 (1) 生长率生长率-以菌体生长代表各种酶的总催化活力以菌体生长代表各种酶的总催化活力(), g/g h (2) 代谢率代谢率-表示菌体代谢变化情况表示菌体代谢变

41、化情况(Qc, Qs, QO2), g/g h (3) 生产率生产率-是以发酵时间除最后产物浓度之商，是以发酵时间除最后产物浓度之商，Qp g/g h 3. 发酵率的表示发酵率的表示 发酵率可以以体积为计量单位，表示浓度（单位体积的产物量）随时间变化速率，称为发酵率可以以体积为计量单位，表示浓度（单位体积的产物量）随时间变化速率，称为“体积率体积率”，其，其单位是产物量单位是产物量/体积体积 时间。发酵率还可以菌体量作为单位，称为时间。发酵率还可以菌体量作为单位，称为“比速率比速率”，其单位为菌体量，其单位为菌体量/单位菌体量单位菌体量 时时间，用作发酵动力学分析。间，用作发酵动力学分析。 常见的