发酵工程 第六章 微生物发酵机理
微生物发酵工程
微生物发酵工程微生物发酵工程是一门应用生物学领域的重要学科，它利用生物转化功能强大的微生物来生产各种化学物质。
这项技术在药品、食品、饮料、化妆品、环境保护等领域都有广泛的应用。
本文将从微生物发酵的定义、应用、工程设计等多个方面进行探讨。
一、微生物发酵的定义及原理微生物发酵是指利用微生物的代谢能力和酶的功能，通过适宜的培养条件，将底物转化成目标产物的过程。
它是一种自然而又复杂的生物反应过程，其基本原理可以归纳为底物与微生物的相互作用。
1. 微生物的选择酿酒、面包等产物需要酵母菌；乳酸、醋等食品需要乳酸菌和醋酸菌；抗生素需要青霉菌、链霉菌等。
不同的产品需要不同种类的微生物。
2. 培养条件的控制温度、pH、氧气供应、营养物质的添加等都是微生物发酵过程中需要控制的因素。
这些因素会影响微生物的生长速率和产物生成率。
3. 酶的作用微生物在发酵过程中产生的酶在催化底物转化成产物的反应中起到了关键的作用。
不同的产物需要特定的酶来完成转化。
二、微生物发酵的应用微生物发酵技术的应用广泛，以下主要介绍几个方面的应用。
1. 食品工业微生物发酵在食品工业中应用非常广泛。
例如，酸奶、豆豉、泡菜、味精等都是通过微生物发酵得到的。
微生物在发酵过程中可以产生有益的物质，例如乳酸、醋酸、氨基酸等，为食品增添了特殊的风味和营养价值。
2. 药品工业抗生素是微生物发酵的重要应用之一。
青霉素、链霉素等都是通过微生物发酵生产的。
此外，微生物发酵还可以用于生产维生素、氨基酸等药用物质。
3. 环境保护微生物发酵技术在环境保护领域也有广泛的应用。
例如废水处理中利用微生物的能力来分解有机物，减少污染物的排放。
还可以通过微生物发酵来处理有机废弃物，降低对环境的影响。
三、微生物发酵工程的设计与优化微生物发酵工程的设计是实现高效产物合成的关键。
以下是一些常用的优化策略。
1. 培养基优化培养基的成分对微生物的生长和产物生成起到重要的影响。
通过合理调整培养基的组成，可提高产物的生成效率。
发酵工程知识点总结归纳
发酵工程知识点总结归纳一、发酵工程概述1. 发酵工程的定义发酵工程是一门研究微生物、酶等生物催化剂在工业生产中广泛应用的工程学科。
2. 发酵工程的历史发酵工程的历史可以追溯到几千年前，最早的酿酒技术可以追溯到古代民族。
随着人类对微生物的认识和技术的发展，发酵工程逐渐成为一门系统的学科。
3. 发酵工程的应用领域发酵工程广泛应用于食品、饮料、医药、生物制药、环保等领域，对人类的生活和健康有着重要影响。
二、发酵过程及机理1. 发酵过程发酵过程是利用微生物或酶对有机物进行生物催化反应，产生有机产物或能量的过程。
发酵过程通常包括菌种培养、发酵产物的分离提纯等步骤。
2. 发酵机理发酵的基本机理包括微生物的生长和代谢过程，包括物质的代谢途径、酶的作用、生理生化特性等。
三、发酵工程中的微生物1. 发酵微生物的分类发酵微生物包括细菌、真菌、酵母等。
不同的微生物在发酵过程中起到不同的作用。
2. 发酵微生物的培养发酵微生物的培养包括培养基的配制、发酵罐的设计等环节，培养条件对微生物的生长和代谢具有重要影响。
3. 发酵微生物的选育发酵工程中常用的微生物包括大肠杆菌、酵母菌等，针对不同的产品需要选择适合的微生物用于发酵生产。
四、发酵工程中的酶1. 酶的分类酶是生物催化剂，可以促进化学反应的进行。
按照其作用方式可以分为氧化酶、还原酶、水解酶等。
2. 酶的应用酶在发酵工程中有着广泛的应用，可以用于生产食品、医药、生物燃料等产品。
3. 酶的工程化酶的工程化包括酶的产生、提纯、改良等步骤，使其更好地适用于实际生产。
五、发酵工程中的设备1. 发酵罐发酵罐是用于放置和滋生微生物的设备，包括灭菌、通气、控温等功能。
2. 排气系统排气系统可以有效地排除产生的二氧化碳和其他代谢产物，以保证发酵过程的正常进行。
3. 分离设备分离设备包括离心机、膜分离等，用于分离提纯发酵产物。
六、发酵工程中的工艺控制1. 发酵条件的控制发酵过程中需要控制pH、温度、氧气供应等参数，以保证微生物的生长和产物的产生。
微生物发酵工程
3. 农业领域
在农业领域，微生物 发酵工程主要用于有 机肥、生物农药等的 生产。例如，通过微 生物发酵工程可以将 有机废弃物转化为有 机肥料，同时也可以 产生具有杀虫效果的 生物农药
4. 环保领域
在环保领域，微生物发酵工程主要用于废水 处理、垃圾处理等。例如，通过微生物发酵 工程可以将有机废水中的有机物转化为二氧 化碳和水，从而达到废水处理的目的
微生物发酵工程的基本原理 是利用微生物的生长和代谢 活动，在特定的条件下产生 有用的物质
这些物质可以是微生物自身 产生的，也可以是通过微生 物转化其他物质条件下会生长和繁殖，同时 进行一系列的代谢活动。这些代谢活动会产 生各种有用的物质，如氨基酸、酶、抗生素 等
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1 微生物发酵工程的基本原理 2 微生物发酵工程的应用 3 微生物发酵工程的意义
微生物发酵工程
微生物发酵工程，也称为微生物生物技术，是一种利 用微生物在特定条件下产生有用物质的技术
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这种技术广泛应用于医药、食品、农业、环保等领域 ，为人类的生产和生活带来了巨大的便利
1
微生物发酵工程的基本原理
3. 环保和可持续发展
随着环保意识的不断提高，未来 微生物发酵工程将会更加注重环 保和可持续发展。通过研究和开 发新的技术和设备，我们可以实 现更加环保和可持续的微生物发 酵过程
总之，微生物发酵工程作为一 种重要的生物技术，在未来将 会在各个领域发挥更大的作用
-
20XX
感谢您的聆听
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微生物发酵工程的应用 非常广泛，下面列举几
《发酵工程》课程教学大纲
《发酵工程》课程教学大纲课程名称：发酵工程课程类别：专业选修课适用专业：食品科学与工程考核方式：考察总学时、学分： 32 学时、2 学分一、课程教学目的发酵工程是整个生物技术的核心，是工业微生物实现试验室与工厂化生产的具体操作，是生物技术在生产实践中应用的原理及方法的一局部，是基因工程及酶工程等生物技术工业化的过程与方法。
因此，通过对《发酵工程》的学习，不仅把握发酵工程原理及发酵优化把握过程，而且对系统了解生物技术及其工业化应用都具有深远的意义。
另外，通过《发酵工程》试验及发酵工程各论的了解，不仅能够把握发酵工艺操作从小试到放大的具体过程及反响过程把握方法，而且进一步了解了目前发酵行业的具体产品生产工艺，从理论到方法学会发酵工程这一门技术，对发酵生产能够进展指导与分析。
二、课程教学要求通过本课程的教学，应使学生把握发酵工程学的根本学问和根本技能，了解现代生物工程技术的进展与应用状况，具备确定的微生物生产工程技能。
通过本课程的学习，使学生深刻理解发酵工程的微生物学原理，结实把握发酵工业菌种的筛选、驯化、培育与保藏，好氧、厌氧发酵工艺的调控与治理，了解发酵产品提取与精制的原理、流程及常见发酵产品的生产过程。
三、先修课程食品微生物学、生物化学。
四、课程教学重、难点重点：发酵工程的概念、特点；工业微生物菌种的退化、复壮与保藏；工业上常用作碳源、氮源的原料；淀粉水解糖的制备方法；微生物对培育基中的碳源代谢；酒精发酵机制；好氧发酵罐构造和功能；温度、 pH 和泡沫对发酵过程的影响；不同时间及染菌程度对发酵的影响；种子、空气、培育基和设备染菌及防治；细胞裂开方法及裂开率的测定；盐析法分别发酵产物。
难点：影响种子培育的因素和种子质量的把握；发酵生产的前体物质和促进剂、抑制剂有机酸发酵机制；染菌的检查推断及缘由分析；离子交换法原理和离子交换树指的构造与分类，膜和膜分别的根本理论。
五、课程教学方法与教学手段多媒体教学,课堂讲授与实践相结合。
微生物发酵原理
微生物发酵原理
微生物发酵的基本过程包括生长阶段和产物生成阶段。
在生长阶段，微生物在
适宜的温度、pH值、营养物质和氧气等条件下进行生长，增殖数量。
而在产物生
成阶段，微生物开始产生有用的化合物，如酒精、醋酸、抗生素等。
这一过程是通过微生物的代谢活动完成的，包括糖类、脂肪类、氨基酸类等物质的代谢过程。
微生物在发酵过程中，会分泌酶类物质，对底物进行催化作用，从而产生所需的有机物。
微生物发酵的影响因素主要包括微生物菌种的选择、培养条件、底物种类和发
酵过程的控制等。
首先，微生物菌种的选择对发酵过程至关重要，不同的微生物对不同的底物有着特异的代谢途径和产物生成能力。
其次，培养条件如温度、pH值、氧气供应等也会直接影响微生物的生长和代谢活动。
此外，底物的种类和浓度也是影响微生物发酵的重要因素。
最后，发酵过程的控制包括对发酵罐内温度、搅拌速度、通气量等参数的调控，这些都会影响微生物的生长和产物生成。
微生物发酵在食品加工、药物生产和环境保护等领域有着广泛的应用。
在食品
加工中，酵母菌发酵可以产生酒精，细菌发酵可以产生酸奶、酸菜等食品。
在药物生产中，抗生素、酶类药物等大多是通过微生物发酵生产的。
此外，微生物发酵还可以用于废水处理、生物肥料制备等环境保护领域。
综上所述，微生物发酵原理是一种重要的生物化学过程，它涉及到微生物的生长、代谢和产物生成等方面。
了解微生物发酵的原理，有助于我们更好地利用微生物资源，开发新型的食品、药物和环境保护技术。
希望本文的介绍能够对读者有所帮助，谢谢阅读！。
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过 程的主流产物（与初生代谢紧密关联）。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细 胞进行的独特的生物合成反应而生成。
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
《发酵工程原理》课件
04
发酵工程应用实例
酒精发酵
酒精发酵简介
酒精发酵原理
酒精发酵是一种通过酵母菌将糖类物质转 化为乙醇和二氧化碳的过程，广泛应用于 酒精饮料、生物能源等领域。
酒精发酵主要基于酵母菌的厌氧代谢，通 过糖酵解途径将葡萄糖转化为乙醇和二氧 化碳。
酒精发酵工艺
酒精发酵的应用
酒精发酵工艺包括原料选择、糖化、发酵 、蒸馏和精馏等步骤，每个步骤都有严格 的操作要求。
生物农药的应用
生物农药广泛应用于农业、林 业等领域，可有效防治病虫害 ，提高农产品质量和产量。
05
发酵工程的前景与挑战
新型生物反应器的研发与应用
总结词
新型生物反应器是发酵工程的重要发 展方向，能够提高发酵效率和产物质 量。
详细描述
新型生物反应器采用先进的材料和设 计，优化了发酵过程中的氧气和营养 物质传递，减少了染菌风险，提高了 产物浓度和收率。
发酵工程通过控制微生物的生长和代谢过程，生产出包括食品、饮料、饲料、医 药品、化学品和农业用化学品等在内的各种有用物质。它具有高度洁净的生产环 境，能够实现高效转化和大规模生产，是现代生物技术的重要组成部分。
发酵工程的发展历程
总结词
发酵工程经历了自然发酵、纯培养技术、通气发酵、 酶工程和基因工程等阶段，发展至今已成为一门高度 综合性的生物工程技术。
02
微生物发酵过程
微生物发酵的类型
厌氧发酵
在无氧条件下，利用厌氧菌进行发酵，产生 乙醇、乳酸等。
兼性厌氧发酵
在有氧和无氧条件下都能进行发酵，产生酒 精、酵母等。
好氧发酵
在有氧条件下，利用好氧菌进行发酵，产生 丙酮、丁醇等。
混合发酵
同时利用多种微生物进行发酵，产生多种代 谢产物。
发酵工程工艺原理复习思考题答案
《发酵工程工艺原理》复习思考题第一章思考题：1 ■何谓次级代谢产物？次级代谢产物主要有哪些种类？举例说明次级代谢产物在食品中的应用及对发酵食品的影响。
P50初级代谢：脂微生物的生长、分化和繁殖所必需的代谢活动而言的。
初级代谢过程所生成的产物就是初级代谢产物'坎级代谢：」是指非微生物生命活动所必须的代谢活动而言.也就是说这种代谢对微生物的生长、分化和繁殖关系不大，生理功能也不十分清楚，但可能对微生物的生存有一定价值。
次级代谢过程所生成的产物就是次级代谢产物。
通常在细胞生成的后期形成。
次级代谢产物有抗生素、生物破、色素和毒素等,2.典型的发酵过程由哪几个部分组成？发酵工程的一般过程可分为三个步骤：第一，准备阶段；第二，发酵阶段；第三，产品的分离提取阶段。
准备阶段的任务包括四个方面，即各种器具的准备.培养基的准备.优良菌种的选择或培育，器具和培养基的消毒。
优良菌种是保证发酵产品质量好、产量高的基础。
优良菌种的取得，最初是通过对自然菌体进行筛选得到的。
20世纪40年代开始使用物理的或化学的诱变剂，如紫外线、芥子气等处理菌种.进行人工诱发突变，从而迅速选育出比自然菌种更优良的菌种。
后来.又运用细胞工程和遗传工程的成果来获取菌种。
例如，使用大肠杆菌生产人类的胰岛素、生长素、干扰毒等等。
在发酵过程中.还要防止“不速之客”来打扰。
发酵工程要求纯种发酵，以保证产品质量因此，防止杂菌污染是确实保证正常生产的关键之一。
其方法是，对于这些不受欢迎的“来客”进行灭菌消毒，在进行发酵之前，对有关器械、培养基等也进行严格的消毒°第二章思考题:1.食品发酵对微生物菌种有何要求？举例说明，>能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，并能高产和稳产所需的代谢产物。
>可在易于控制的培养条件下迅速生长和发酵，且所需的酶活性高。
>生长速度和反应速度快，发酵周期短。
>副产物尽量少，便于提纯，以保证产品纯度。
发酵工程六PPT课件
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24
二、人工控制微生物代谢的手段
（一）生物合成途径的遗传控制
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢 通路、降低支路代谢总产物的产生或切断代谢途径及提高 细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
1、代谢缺陷型菌株
2、利用抗代谢类似物的突变积累氨基酸
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
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30
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之
前有，利例增于加谷1：生氨谷物酸氨素的酸有合棒利成杆于；菌丙（酮生酸物的素羧缺化陷产型生）草生酰产乙谷酸氨，酸进而
生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的 辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再 经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂 的主P要EP成分，因P此y生r 物素可间A接cC地o影A 响细胞膜的透性。
真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布，使
其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有 关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于 细胞核里。
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5
（二）代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速 率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。
1、由一个关键酶控制的可逆反应
第六章 发酵机制及发酵动力学
第一节 发酵工程微生物的基本代谢及产物代谢 第二节 微生物代谢调节机制 第三节 糖代谢产物的发酵机制 第四节 氨基酸和核苷酸发酵机制 第五节 抗生素发酵机制 第六节 微生物发酵动力学
.
1
本章要求
掌握初级与次级代谢的产物 掌握微生物代谢调节的方式 掌握酶活性被抑制的方式 了解发酵产物的发酵机制及发酵动力学抑制来自抑制DE
生化工艺第六章 发酵生产染菌及防治 第三节杂菌污染的途径和防治
第三节 杂菌污染的途径和防治
（1）严格控制无菌室的污染 根据生产工艺的要求和 特点，建立相应的无菌室，交替使用各种灭菌手段对无菌 室进行处理。除常用的紫外线灭菌外，如发现无菌室已污 染较多的细菌，可采用石碳酸或土霉素等进行灭菌；如发 现无菌室有较多的霉菌，则可采用制霉菌素等进行灭菌； 如果污染噬菌体，通常就用甲醛、双氧水或高锰酸钾等灭 菌剂进行处理。
第三节 杂菌污染的途径和防治
生产上发酵过程的管路大多数是以法兰连接，但常 会发生诸如垫圈大小不配套、法兰不平整、安装未对中、 法兰与管子的焊接不好、受热不均匀使法兰翘曲以及密 封面不平等现象，从而形成“死角”而染菌。因此，法 兰的加工、焊接和安装要符合灭菌的要求，务必使各衔 接处管道畅通、光滑、密封性好，垫片的内径与法兰内 径匹配，安装时对准中心，甚至尽可能减少或取消连接 法兰等措施，以避免和减少管道出现“死角”而染菌。
第三节 杂菌污染的途径和防治
加强生产环境的卫生管理，减少生产环境中空气的含 菌量，正确选择采气口，如提高采气口的位置或前置粗过 滤器，加强空气压缩前的预处理，如提高空压机进口空气 的洁净度。
设计合理的空气预处理工艺，尽可能减少生产环境中 空气带油、水量，提高进入过滤器的空气温度，降低空气 的相对湿度，保持过滤介质的干燥状态，防止空气冷却器 漏水，防止冷却水进入空气系统等。
第三节 杂菌污染的途径和防治
具体归纳以下几点： （1）严格活菌体排放，切断噬菌体的“根源” ； （2）做好环境卫生，消灭噬菌体与杂菌； （3）严防噬菌体与杂菌进入种子罐或发酵罐内； （5）抑制罐内噬菌体的生长。 生产中一旦污染噬菌体，可采取下列措施加以挽救。 （1）并罐法 利用噬菌体只能在处于生长繁殖细胞中
第三节 杂菌污染的途径和防治
第六章 发酵工程 PPT课件
生物下游一般过程
§6-5 生化反应器
生化反应器类型 通用式发酵罐 气升式发酵罐 其他生物反应器形式
生化反应器类型
• 酶反应器：单相式、多相式 • 发酵反应器器：液态、固态
通用式发酵罐
通气 搅拌：传质
传热
气升式发酵罐
气升式发酵罐的优点 是能耗低，液体中的 煎切作用小，结构简 单。在同样的能耗下， 其氧传递能力比机械 搅拌式通气发酵罐要 高得多。
发酵的基本过程
发酵过程形式
• 批式发酵
• 补料发酵→带放（半连续发酵）
• 连续发酵→多级连续发酵
• 发酵-分离耦合 • ……
连续发酵
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新 鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而 使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。
优点 ① 可提高设备利用率和产量； ② 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； ③ 易于分期控制。可以在不同的罐中控制不同的条件。
• 初级、次级代谢产物 • 生物大分子（酶、多糖） • 菌体 • 利用微生物发酵进行转化反应
§6-2 工业微生物
常见种类 菌种选育与保藏
常见工业微生物种类
• 细菌 • 放线菌 • 酵母菌 • 霉菌
细菌的形态（单细胞）
• 球菌 • 杆菌 • 螺旋菌
•
细 菌 细 胞 结 构 模 式 图
放线菌
•
固态发酵罐
课外书籍资料
• 微生物与发酵基础教程，宋超先，天津大学出版社， 2007
• 发酵工艺，孙俊良，中国农业出版社，2008 • 生物反应工程原理，贾士儒，科学出版社，2008 • 微生物工程工艺原理，姚汝华，华南理工大学出版社
1996 • 生化工程，伦世仪，中国轻工业出版社，1993 • 生化反应工程，山根恒夫，西北大学出版社，1992 • 发酵工艺学原理，（英）P·F·斯坦伯里，中国医药科技
发酵工程第六章 发酵条件及过程控制
3、菌体浓度对产物的影响
♦ 在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比 关系,即
式中， P ——发酵产物的产率(产物最大生成速率或生率),g/(L· h); QPm ——产物最大比生成速率,h-1; ♦初级代谢产物的产率与菌体浓度成正比； c(X) ——菌体浓度,g/L.
P=QPmc(X)
♦次级代谢产物的生产中，控制菌体的比生长速率μ比μ临略高 一点的水平，即c(X) ≤c(X)临时，菌体浓度越大，产物的产量 才越大。 ♦c(X)过高，摄氧率增加，溶氧成为限制因素，使产量降低。
（三）磷酸盐浓度的影响及控制
☺ 磷是构成蛋白质、核酸和ATP的必要元素，是微生物 生长繁殖所必需的成分，合成产物所必需的营养。 控制方式： ☺ 在基础培养基中采用适量的浓度给予控制，以保证菌 体的正常生长所需；
代谢缓慢：补加磷酸盐。举例：在四环素发酵中,间歇,微量添加磷
酸二氢钾,有利于提高四环素的产量。
（二）氮源
2、不同种类氮源对发酵的影响及控制 ☺ 培养基中某些氮源的添加有利于该发酵过程中产物的积累， 这些主要是培养基中的有机氮源作为菌体生长繁殖的营养 外，还有作为产物的前体。 如：缬氨酸、半胱氨酸和ɑ-氨基己二酸等是合成青霉素和头 孢霉素的主要前体。
☺ 无机氮源利用会快于有机氮源，但是常会引pH值的变化， 这必须注意随时调整。如：
（三）磷酸盐浓度的影响及控制
☺ 微生物生长良好时，所允许的磷酸盐浓度为0.32～ 300mmol/L，但次级代谢产物合成良好时所允许的磷 酸盐最高水平浓度仅为1mmol/L。 ☺ 因此，在许多抗生素，如链霉素、新霉素、四环素、 土霉素、金霉素和万古霉素等的合成中要以亚适量添 加。
举例：四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为65～70
《发酵工程》第6章 发酵动力学
在厌气条件下，厌氧微生物进行的是基质水平磷酸化。 以同型乳酸发酵为例：
所以，厌气发酵时，基质水平磷酸化所产生的ATP要比 当发酵过程充分供氧时氧化磷酸化产生的ATP少的多.
3.微生物生长代谢过程中的氧平衡
有机物完全氧化最终会被分解成二氧化碳和水。根据单一碳 源培养基内微生物生长代谢的基质和产物完全氧化的需氧量， 可建立下列平衡式：
QGO：即QO2微生物生长（无非细胞产物生成）时的比耗氧率（g 或molO2·-1菌体·-l）: g h 氧的消耗比速(见P134式8-10)
对于特定的菌株和特定的基质，纯生长得率是一常数，故又称 为生长得率常数。为区别于纯生长得率，可以把生长得率称为毛生 长得率。和各种培养条件下的毛生长得率相比，纯生长得率为生长 得率中的最大值，故也称为最大生长得率。这是一种理论生长得率， 是生长得率的极限值。
维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低：维持因 数越大，表示能量效率越低；维持因数越小，则能量效率越 高。
对于特定的微生物菌株，在一定的培养条件和营养基质下， 维持因数是一个常数，它不因基质浓度、细胞浓度、细胞生长 速率和产物合成速率的不同而变化，
维持因数多种表示法：
基质维持因数mS：以基质消耗为基准 氧维持因数mO：以耗氧为基准 能量维持因数mkcal：以分解代谢热表示 ATP维持因数mATP：以ATP消耗表示。
S= (S)G+ (S)m+ (S)P+…
设：
YG:表示用于菌体生长的碳源对菌体的得率常数， m:表示微生物的碳源维持常数， Ym:表示碳源对代谢产物的得率常数。
则：
在以生产细胞物质为目的的发酵过程中（如面包酵母生产和 SCP），代谢产物的积累可以忽略不计,上式可简化为：
发酵工程第6章 发酵动力学
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位
菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X
CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS
0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
(完整版)发酵原理及工艺
18
皮肤、毛发中的细菌
肠粘膜上分布的细菌
时时刻刻与微生物“共舞”
？ ？ 6.是 祸 是 福
微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！
少数微生物是人类的敌人，可以导致病害、霉变等
鼠
艾
滋
疫
病
埃博拉病毒 防止或消除有害微生物
• 微生物是人类的朋友 充分利用有益的微生物资源
➢ 微生物是自然界物质循环的关键环节：固氮、分解； ➢ 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证
细菌的一般培养条件 一般细菌可在有氧条件下，37℃、最适pH6.5～7.5，放18～ 24小时生长。厌氧菌则需在无氧环境中放2～3天后生长。个 别细菌如结核菌要培养1个月之久。
放线菌的一般培养条件 放线菌中除致病类型外，一般为需氧菌，生长的最适温度为 28-30℃，最适PH为7.5-8.0，培养时间一般2-3天或更长。
实际生产中，对环境、设备、管线、物料、人员等均有控菌要求 千方百计避免杂菌污染
无菌操作案例
1.无菌技术除了用来防止实验室的培养物被其他外来微生 物污染外，还有什么目的？
答：无菌技术还能有效避免操作者自身被微生物感染。 2.请你判断以下材料或用具是否需要消毒或灭菌。如果
需要，请选择合适的方法。 （1） 培养细菌用的培养基与培养皿 （2） 玻棒、试管、烧瓶和吸管 （3） 实验操作者的双手 答：（1）、（2）需要灭菌；（3）需要消毒。
真核微生物（真菌、原生动物、藻类）
2.菌落：由一个细菌局限于一处生长繁殖后形成的具有一定形 态特征的子细菌群落
细菌菌落在固定培养基的培养特征一般从以下方面描述
（1）大小 （2）边缘形状
（3）隆起度
（4）表面状态 （5）表面光泽
（6）表面质地
发酵工程第六章发酵动力学课件
•（2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质， 其它组分均过量，
•（3）细胞的生长视为单一反应，细胞得率为常数， 当S﹤﹤ Ks 时， μ=μm S/Ks，
μ与S是一级动力学关系，
（4） S﹥﹥Ks ， μ=μm，μ与S是零级动力学关 系。
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
关于菌龄的描述
微生物细胞倍增时间与群体生长动力学
细菌：典型倍增时间1hr 酵母：典型倍增时间2hr 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr
微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体 的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特 征。
因此，菌龄是指一个群体的表观状态。
所谓细胞三生、微长生动物生力长速学率与是底物以浓研度的究关系菌体浓度、 限制性基质（培养基中含量最少的基质， 其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、 温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容
PO－专用电极分析 ＰCO２－专用电极分析
温度、热平衡
2、得率(或产率，转化率，Y)：是指被消耗的 物质和所合成产物之间的量的关系。包括生长 得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。
生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指 碳源)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS
产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的 产物的克数(或mol数)。这里消耗的基质是指被 微生物实际利用掉的基质数量。
杀假丝菌素分批发酵动力学分析
❖优点：
➢ 操作简单、投资少 ➢ 运行周期短 ➢ 染菌机会减少 ➢ 生产过程、产品质量较易控制
❖缺点：
➢ 不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题， 会出现底物分解阻遏效应?及二次生长?现象。
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7
ADP
ATP NADH＋H＋ NAD＋
3分子乙酸
乳酸
葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸
不同点
同型乳酸发酵
异型乳酸发酵
参与发酵的微 乳酸菌（双球菌、链球菌、肠膜状明串珠菌、番茄乳杆菌、短 生物类群 乳杆菌等兼性微生物） 乳杆菌、甘露醇乳杆菌、双歧杆菌 及真菌中的根霉 关键酶 发酵途径 磷酸果糖激酶、乳酸脱氢 磷酸戊糖（或己糖）解酮酶 酶 EMP途径 HMP、PK途径
1 G→2丙酮酸→2乙醛 + CO2 → 2乙醇 + 2ATP
丙酮酸脱羧酶 乙醇脱氢酶
ATP 葡萄糖 ⑴
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
乳酸
+ ⑿ +2H
果糖-6-磷酸 乙醇 ⒁ 2NAD+ ⑶
ATP Mg2+ ADP
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 甘油醛二羟丙酮 ⑸ 3-磷酸 磷酸
丙酮酸 ⑾ 2CO2
乙醛 +2H
谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换
环 境 因 子
乳酸和琥珀酸 （通气不足）
发酵产物转换 谷氨酸
α－酮戊二酸 （适中） （通风过量，转速过快）
溶解氧
NH4+ pH值
α－酮戊二酸
（缺乏）
谷氨酸 （适量）
谷氨酰胺 （过量）
谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺 （pH值5～8，NH4+过多）
谷氨酸 （中性或微碱性）
葡萄糖
1
2 3
ATP ADP
乙醇
6－磷酸葡萄糖 NAD
NADH＋H＋
8
乙醛
NAD
1. 己糖激酶 2. 6－磷酸葡萄糖脱氢酶 3. 6－磷酸葡萄糖酸脱氢酶 4. 5－磷酸核酮糖－3－差向异构酶 5. 磷酸解酮酶 6. 磷酸转乙酰酶 7. 乙醛脱氢酶 8. 醇脱氢酶
NADH＋H＋
6－磷酸葡萄糖酸 NAD
+
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽ 2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
2-磷酸甘油酸
糖酵解和酒精发酵的全过程
酒精发酵中的副产物
主产物：乙醇、CO2 醇（杂醇油） 酵母菌酒精 醛（糠醛） 发酵 酸（琥珀酸） 副产物40多种 酯 甲醇
第二节 厌氧发酵产物的合成机制
酒精发酵机制 甘油发酵机制 乳酸发酵机制 沼气发酵机制
一 酒精发酵
酵母菌的乙醇发酵
酵母菌——EMP途径——丙酮酸——乙醛——乙醇 C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2ATP+2CO2 +2H2O
（弱酸性条件）：1分子Glu发酵生成2分子乙醇和2分子 CO2
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
2-磷酸甘油酸
糖酵解和酒精发酵的全过程
柠檬酸积累的代谢调节
2.
三羧酸循环的调节
顺乌头酸 × 异柠檬酸
柠檬酸 ×
∵顺乌头酸酶含铁的非血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。 且反应需要Fe++ ∴１适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与Fe++ 生成络合 物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。 ∴２诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损 或活力很低，同样积累柠檬酸。
ATP CO2
CO2
ADP
草酰乙酸
柠檬酸
断部位之后的产物， 必须有适当的补充 机制
苹果酸
抑 制 剂
阻断
顺乌 头酸 酶
顺乌头酸
柠檬酸的生物合成途径
柠檬酸积累的代谢调节
1. 糖酵解及丙酮酸代谢的调节
黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，抑制了蛋 白质的合成，可提高NH4+浓度，高浓度 NH4+ 可有效解除ATP、 柠檬酸对磷酸果糖 激酶的抑制。
乙酰磷酸
ADP ATP 乙酰
3
5－磷酸木酮糖 5－磷酸核糖
4
5－磷酸核酮糖
5
5－磷酸木酮糖
6
2 分子3－磷酸甘油醛 NAD＋ NADH＋H＋ 乙酰磷酸 1. ADP ATP 2. 3. 4. 5. 6. 7. 6-磷酸果糖解酮酶 转二羟基丙酮基酶 转羟乙醛基酶 5－磷酸核糖异构酶 5－磷酸核酮糖－3－差向异构酶 5－磷酸木酮糖磷酸酮解酶 乙酸激酶
菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不
同，可分为：
同型乳酸发酵：（EMP途径）
异型乳酸发酵：（HMP途径、PK途径）
1. 同型乳酸发酵——产物只有乳酸
进行乳酸发酵的主要是乳酸菌（乳链球菌、乳酪链
球菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌等）
利用糖经EMP途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳
乳酸脱氢酶
酸。
ATP 葡萄糖 ⑴
ADP
乳酸
+ ⑿ +2H
AMP
⒁ 无机磷
NH4+
乙醇
柠檬酸 葡萄糖-6-磷酸 ⑵ 抑制 解除 果糖-6-磷酸 ATP Mg2+ 活化 磷酸果 ⑶ ADP
糖激酶
丙酮酸 ⑾ 2CO2
2NAD+ 乙醛 +2H
+
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 二羟丙酮 ⑸ 甘油醛3-磷酸 磷酸
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽ 2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O
柠檬酸发酵微生物
黑曲霉
分生孢子头
三羧酸循环（糖的最后氧化途径）
柠檬酸发酵机理
TCA循环与乙醛酸循环 柠檬酸积累的代谢调节 柠檬酸积累机理
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸 磷酸烯醇 ADP ATP
式丙酮酸 羧化酶
丙酮酸 CO2 乙酰 丙酮 CoA
酸羧 化酶
实现柠檬酸积 累：
一、设法阻断代谢 途径，实现柠檬酸 的积累 二、代谢途径被阻
脂肪酸
丙二单酰CoA
乙酰乙酰CoA
乙酰CoA
胆固醇
草酰乙酸 苹果酸 延胡索酸 琥珀酸 琥珀酰CoA -酮戊二酸
乙醛酸
柠檬酸
异柠檬酸
微生物的能量代谢
中心任务是将外界环境中各种形式的最初能源转变成 能量货币——ATP。 日光 （光能营养菌）
最初能源 有机物（化能异养菌）
—ATP
还原态无机物（化能自养菌）
磷酸 生物素
缬 氨 酸 谷氨酸 （高浓度磷酸盐） （磷酸盐适中）
乳酸或琥珀酸 （过量）
谷氨酸 （限量）
2 控制细胞渗透性
谷 氨 酸 的 生 物 合 成 途 径
控制细胞渗透性
消除终产物的反馈抑制与阻遏 促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成
1 控制发酵的环境条件
氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的 影响。 对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。 谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条 件，否则就几乎不积累谷氨酸。 氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换
7
乙酰CoA
NAD
NADH＋H＋
NADH＋H＋
5－磷酸核酮糖
6
乙酰磷酸
4
5－磷酸木酮糖
乙酰
5
3－磷酸甘油醛 NAD
NADH＋H＋
ADP ATP NADH＋H＋
NAD
乳酸
6－磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇
葡萄糖
ATP ADP
6－磷酸果糖
6－磷酸果糖
1
4－磷酸赤藓糖
Pi
2
3－磷酸甘油醛 7－磷酸景天庚酮糖
四 甲烷发酵
第一阶段是复杂有机物， 如纤维素、蛋白质、脂 肪等，在微生物作用下 降解至其基本结构单位分解成各种脂肪酸、二 氧化碳和氢气； 第二阶段是各类脂肪酸 进行分解，生成乙酸、 二氧化碳和氢气； 第三阶段是在甲烷产生 菌的作用下由醋酸和二 氧化碳及氢气反应生成 甲烷。
第三节
好氧发酵产物的合成机制
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
1 14
13
乙酰辅酶A
2
草酰乙酸
10
柠檬酸 乙酰辅酶A
12
Fe2+
3
顺乌头 酸酶 16
苹果酸
9
亚铁氰化钾
乙醛酸
11
顺乌头酸
衣康酸
延胡索酸
8
Fe2+ 3 异柠檬酸
4
琥珀酸
7
草酰琥珀酸
5
琥珀酰辅酶A
6
α－酮戊二酸
TCA循环与乙醛酸循环
15
谷氨酸
柠檬酸积累的代谢调节
葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸 ⑾ 烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽ 2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
2-磷酸甘油酸
2. 异型乳酸发酵
发酵产物中除乳酸外同时还有比例较高的乙酸、
合成途径：6-磷酸葡萄糖酸途径、 双歧途径
乙醇、CO2等。
第一节 微生物基础物质代谢
新陈代谢（metabolism）：
生物体从环境摄取营养物转变为自身物质，同时 将自身原有组成转变为废物排出到环境中的不 断更新的过程。
分解代谢、合成代谢
物质代谢、能量代谢
初级代谢、次级代谢
初级代谢和次级代谢
1. 初级代谢（primary metabolism）：微生物从外界 吸收各类营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生 成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。