第6章 发酵工业放大
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【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学
（1）菌株选育对发酵成本的影响
▪ 一般来说，菌种选育约占生产成本的20%-60%，筛选 具有优良性能的菌株和对菌株进行改良是降低生产成 本的有效途径。
a 优良生产菌株的筛选
①提高筛选效率很重要 分离一支有价值的菌株并不容易，通常要花费 较长的时间和代价，甚至花费了大量的精力仍一 无所获。
（1）菌株选育对发酵成本的影响
a 碳源（续）
▪ 在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，
而且还要考虑通风量与搅拌功率。 （黏度、溶氧）
▪ 工业废料的利用
▪ 优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益 显著，保护了环境 。
▪ 缺点：经济效益不如传统原料高。
（2）发酵培养基成本分析
b 矿物质（无机盐）
▪ 原材料中矿物质所占比重一般较小，其中较高的
本章内容
一、概述 二、影响发酵产品成本的主要因素的成本分析
（１）菌株选育 （２）发酵培养基 （３）无菌空气与通气搅拌 （４）动力费（加热、冷却） （５）培养方式 （６）发酵产品的分离纯化 （７）发酵规模 （８）市场经济信息分析及管理技术 三、发酵过程的经济学评价
一、概述
菌株 发酵工程原理 反应过程（代谢、工艺过程及控制）
搅拌转速亦会改变，应根据工艺要求设计，使整个运转费 最低。
（4）动力费（加热、冷却）成本分析
▪ 发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有： ▪ 培养基的加热灭菌（或者淀粉质原料的蒸煮糊化），
然后冷却到接种温度；
▪ 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却； ▪ 发酵热的冷却，发酵恒温； ▪ 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。 ▪ 节约冷却水用量的办法 ▪ 采用气升式发酵罐； ▪ 选育嗜热或耐热的生产菌株； ▪ 改变原料路线，少用烃类原料。
发酵工程 第6章 发酵动力学
模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模型。
■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模 型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结 构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过 程变量。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比 例不同，称为非均衡生长。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(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
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?反应器层次过程工程基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学通过研究微生物群体的生长代谢定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率主要包括
■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模 型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结 构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过 程变量。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比 例不同，称为非均衡生长。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(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
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?反应器层次过程工程基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学通过研究微生物群体的生长代谢定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率主要包括
发酵工艺学第六
1、微生物在一个密闭系统中的生长情况：
菌体浓度
2 1 延迟期
减速3期
静止期 衰亡期
4
指数生长期
时间
延迟期： d x 0
dt
指数生长期: max
倍增时间：td 减速期: d 0
dt
静止期： d x 0 ;XXmax
dt
衰亡期: d x 0
dt
延迟期（迟滞期）
解决的方法？
出现的原因？
少量细菌接种到新鲜培养基后，一般不立刻进行繁殖，生长速 度接近于零，因此开始的一段时间，细菌数量几乎保持不变。
a=0、b≠0：可表示三类发酵
三、连续发酵动力学
理论基础：在分批发酵中，随着微生物的活跃生长，营 养物质不断损耗，有害的代谢产物不断积累，对数生长期 不可能长期维持。因此，若将营养物浓度和培养条件维持 在对数生长期不变，则对数生长可以无限延长。这样连续 发酵可以保证细胞高速增长或产物高速形成。 定义：在向发酵罐连续供给新鲜培养基的同时，将含有 微生物和产物的培养液以相同的速度连续放出。
第六章 发酵动力学
一、动力学基本概念 二、分批发酵动力学 三、连续发酵动力学 四、分批补料发酵动力学
动力学定义：是对细胞群体的动力学行为的描述。
• 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值， 在此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考 虑每个细胞之间的差别，则建立的模型为概率论 模型。
• 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型， 称为结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋 白含量做为过程变量。菌体视为单组分的模型为 非结构模型，通过物料平衡建立超经验或半经验 的关联模型。
特点：连续发酵可使发酵罐内的液量维持恒定，微生物 在稳定状态下生长。稳定状态可以有效的延长分批培养中 的对数期。在恒定的状态下，微生物所处的环境条件如营 养浓度、产物浓度、pH、微生物细胞的浓度以及生长速率 等可以始终维持不变，甚至可以根据需要来调节生长速度。
工业发酵
工业发酵简介工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为发酵。
这样定义的发酵就是“工业发酵”。
微生物是工业发酵的灵魂，没有微生物就没有工业发酵。
工业发酵就是通过微生物的生命活动，把发酵原料转化为人类所需要的微生物产品的工业过程。
工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。
发展近百年来，随着科学技术的进步，工业发酵发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。
工业发酵的研究从典型的工业发酵开始最常见的工业发酵一般符合以下三个条件：① 使用的菌种属于化能异养型微生物，② 目的产物属于初级代谢产物或能量代谢副产物，③ 目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。
符合以上条件的工业发酵叫做典型的工业发酵。
对工业发酵理论的研究从典型的工业发酵开始。
第一个台阶，系统地研究化能异养型微生物的工业发酵的理论第二个台阶，系统地研究其他营养类型微生物的工业发酵的理论第三个台阶，系统地研究微生物利用碳以外元素工业发酵的理论工业发酵理论第一个台阶的研究建立了微生物生命活动的三个基本假设（发酵学三假说）。
它们是我们改造和利用微生物的理论基础。
用这三个基本假设来分析典型的工业发酵，出现了：① 工业发酵的微生物生物机器的新思路，② 为工业生产服务的工业发酵若干推理，③ 工业微生物育种和发酵工艺控制的“五字策略”。
研究工业发酵的思路工业发酵→【从一般到特殊】→典型的工业发酵→【从特殊到一般】→细胞机器的概念模式→【深入研究以发现自然规律】→自然规律（微生物生命活动的三个基本假说）→【从一般到特殊：将自然规律运用到典型的工业发酵】→细胞机器亚稳态物流模式→载流路径→五段式→五字策略→【从特殊到一般】→对未来发酵工业生产的预测发酵工程（1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发酵”应该是“工业发酵”。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
4、引起染菌
由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上 培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入 发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到 轴封，落下的泡沫往往引起杂菌污染。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（三）泡沫的性质
泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质， 是解决消泡问题的基础。
1、气泡间液膜的性质
（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时 混入气体，形成的泡沫较大，不稳定。
（2）气体从液体内部产生。气体从液体内 部产生时，形成的泡沫较小、稳定。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
2、含助泡剂
摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种 溶液才会起泡。 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第 三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说， 这第三种物质是助泡剂。 当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助 泡剂就会形成定向吸附层,这样的定向吸附层起 到稳定泡沫的作用。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（二）泡沫在发酵过程中的危害
1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出 而降低装液量。 2、引起原料浪费 逃液时泡沫外溢会引起培养基原料的流 失，造成浪费。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、影响生产菌的呼吸
如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸， 气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进 行交换，这样就影响了生产菌的呼吸。
第五节 发酵过程泡沫的形成与控制
实际发酵生产和研究中主要检测的变量
进罐
罐中
出罐
（1）流量 （2）温度
（1）PH （2）DO （3）温度 （4）转速 （5）残糖 （6）其他
由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上 培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入 发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到 轴封，落下的泡沫往往引起杂菌污染。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（三）泡沫的性质
泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质， 是解决消泡问题的基础。
1、气泡间液膜的性质
（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时 混入气体，形成的泡沫较大，不稳定。
（2）气体从液体内部产生。气体从液体内 部产生时，形成的泡沫较小、稳定。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
2、含助泡剂
摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种 溶液才会起泡。 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第 三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说， 这第三种物质是助泡剂。 当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助 泡剂就会形成定向吸附层,这样的定向吸附层起 到稳定泡沫的作用。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
（二）泡沫在发酵过程中的危害
1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出 而降低装液量。 2、引起原料浪费 逃液时泡沫外溢会引起培养基原料的流 失，造成浪费。
发酵工程韦革宏杨祥第6章5节
3、影响生产菌的呼吸
如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸， 气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进 行交换，这样就影响了生产菌的呼吸。
第五节 发酵过程泡沫的形成与控制
实际发酵生产和研究中主要检测的变量
进罐
罐中
出罐
（1）流量 （2）温度
（1）PH （2）DO （3）温度 （4）转速 （5）残糖 （6）其他
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
m S m
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。
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。
发酵过程优化与放大概论
优化发酵过程可以提高生产效率、降 低成本，为企业带来经济效益。
可持续发展的推动力
发酵过程具有低能耗、低排放、高效 率等优势，是实现可持续发展的重要 手段。
发酵过程优化的目标
提高产物浓度
通过优化发酵条件，提高目标产物的浓度，从而提高产品的质量和产 量。
降低成本
通过优化发酵过程，降低原料、能源和水的消耗，从而降低生产成本。
挑战
放大过程中可能面临生物反应器设计、 流动特性、传质和传热等方面的挑战， 需要解决放大效应带来的问题。
放大策略与方法
策略
采用适 效应的影响。
方法
采用先进的生物反应器技术，如循环 流化床生物反应器、固定床生物反应 器等，以提高生产效率。
放大过程中的参数控制
产物生成速率与微生物 生长速率和产物浓度有 关，通过控制发酵条件 可以调节产物生成速率。
底物消耗速率
底物消耗速率影响发酵 过程的效率和产物产量， 通过优化底物供给策略 可以降低底物消耗速率。
发酵过程中的参数控制
温度控制
01
温度对微生物生长和代谢有重要影响，通过调节温度可以优化
发酵过程。
pH控制
02
缩短发酵周期
通过优化发酵条件，缩短发酵周期，提高生产效率。
提高菌体生长和产物合成的稳定性
通过优化发酵条件，提高菌体生长和产物合成的稳定性，减少生产波 动。
02
发酵过程的基本原理
微生物的生长和代谢
1 2
微生物生长阶段
微生物在发酵过程中经历适应期、对数生长期、 稳定期和衰亡期，每个阶段微生物的生理状态和 代谢产物有所不同。
微生物代谢途径
微生物通过代谢途径将底物转化为所需的产物， 了解代谢途径有助于优化发酵过程。
发酵工程知到章节答案智慧树2023年信阳农林学院
发酵工程知到章节测试答案智慧树2023年最新信阳农林学院第一章测试1.20世纪前，人类利用传统的微生物发酵过程来生产酒、醋、酱的过程属于发酵工业的（）。
参考答案:原始天然发酵阶段2.发酵技术发展的第一转折时期是指（）。
参考答案:纯培养技术3.发酵过程产生的二氧化碳可以对外排放。
（）参考答案:错4.青霉素的工业化生产打破了以厌氧发酵为主的工艺，实现了深层通风培养的划时代飞跃。
（）参考答案:对5.微生物药物是由微生物生命活动过程产生的低微浓度下具有生理活性的初级代谢产物及其衍生物。
（）参考答案:错6.发酵工程由（）三部分组成。
参考答案:下游工程;中游工程;上游工程7.根据微生物发酵操作方式的不同，将发酵方式分为（）。
参考答案:分批发酵;连续发酵;补料分批发酵第二章测试1.下列属于次级代谢产物的是（）。
参考答案:抗生素2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期：菌体生长期、产物合成期和（）。
参考答案:菌体自溶期3.酶活性调节可通过改变代谢途径中一个或者几个关键酶的活性来调节代谢速度调节方式。
（）参考答案:对4.协同反馈抑制指的是当某一终产物的合成需要两种前体时另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活性。
（）参考答案:错5.诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
（）参考答案:对6.酶活性调节方式有（）。
参考答案:前馈作用;同工酶调节;终产物抑制;补偿性激活7.反馈抑制有哪几种类型（）。
参考答案:协同反馈抑制;累积反馈抑制;增效反馈抑制;顺序反馈抑制8.合成次级代谢产物的特征有（）。
参考答案:次级代谢产物具有种特异性;次级代谢产物是菌体特定生长阶段的产物;次级代谢产物不少是结构相似的混合物9.次级代谢产物生物合成中的主要控制机制有（）。
参考答案:反馈调节;酶合成的诱导调节;磷酸盐调节及其机制;菌体生长速率的调节10.微生物调节代谢的主要方式有酶合成的调节和酶活性的调节。
参考答案:对11.诱导作用的分子机制可用操纵子学说来解释。
生化工程 第六章 发酵罐的比拟放大
得 kd∝ (N2.73d2.01/ωg0.03)0.56ωg0.7N0.7 kd∝ N2.23d1.13ωg0.68 依据 (kd)2= (kd)1 相等原则放大，则： 相等原则放大， N2/N1 = (d1/d2)0.51[(ωg)1/(ωg)2]0.30 P0 2/P0 1 = (d2/d1)3.47[(ωg)1/(ωg)2]0.9
3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导， kLa∝(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操 ，其中Q 作状态下的通气流量，V 为发酵液体积，H 作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱 高度。则 [kLa]2/[kLa]1= (Qg/VL)2(HL)22/3/[(Qg/VL)1(HL)12/3]=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (HL)12/3/ (HL)22/3=(D1/D2)2/3 (3) 因为Q 因为Qg∝ωgD2， V∝D3 故 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (ωg/D)2/ (ωg/D)1 (ωg/D)2/ (ωg/D)1 =(D1/D2)2/3 (ωg)2 / (ωg)1 = (D2/D1)1/3 又因ω 又因ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ∝ (VVM)D/P 故 (VVM)2 / (VVM)1 = (D1/D2)2/3 (P2/P1) (4)
注：下标1为实验罐，下标2为生产罐
二、空气流量放大 空气流量表示方法： 空气流量表示方法： （1） 单位体积培养液在单位时间内通入的 空气量（以标准状态计）， ），即 空气量（以标准状态计），即 Q0 / VL = VVM m3/(m3.min) 操作状态下的空气流量 Qg m3/min （2）操作状态下的空气直线速度 ωg， m/h ωg= Qg (60)/(π/4·D2)
Hale Waihona Puke 2.按几何相似原则确定 按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 按几何相似原则确定 取H/D=2.4 , D/d=3, HL/ D =1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积， ，若忽略封底的容积， 有效容积 π/4×D2×1.5D=20×0.6 × × D=2.16m， d=0.72m ， 采用两只园盘六弯叶涡轮
发酵工程六PPT课件
.
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
.
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。
.
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
发酵微生物的扩大培养
10
13
2，厌氧培养：对于酵母菌（啤酒，葡萄 酒，清酒等） 试管→三角瓶→卡式 罐→种子罐
11
14
二、生产车间种子制备
• 实验室制备的孢子或液体种子移种至种 子罐扩大培养，种子罐的培养基虽因不 同菌种而异，但其原则为采用易被菌利 用的成分如葡萄糖、玉米浆、磷酸盐等 ，如果是需氧菌，同时还需供给足够的 无菌空气，并不断搅拌，使菌（丝）体 在培养液中均匀分布，获得相同的培养 条件。
第四章
发酵微生物的扩大培养
1
本章内容
第一节 发酵工业微生物菌种
第二节 工业微生物菌种的分离和选育
第三节 发酵微生物扩大培养技术
第四节 发酵微生物菌种质量
第五节 发酵微生物菌种的保藏
2
第一节 发酵工业微生物菌种 一、工业发酵对微生物菌种的要求
我们把用于发酵工业的微生物也叫做工业微生物。 工业微生物具备个体小、种类多、繁殖快、分布广、代谢 强和易变异等特点。 发酵工程是以微生物的生命活动为中心的，各种发酵生产 都必须有相应的微生物。 所以微生物对于发酵过程就十分 重要。 微生物菌种能否满足工业生产的实际需求，是否有工业生 产价值是极为重要的。
相对湿度（%） 斜面外观 16.5-19 上部稀薄,下部略黄 25-36 上部薄,中部均匀发白 40-45 一片白,孢子丰富
活孢子计数(亿/支) 1.2 2.3 5.7
22
25
3，培养时间和冷藏时间
（1）培养时间 • 一般来说，衰老的孢子不如年轻的孢子 ，因为衰老的孢子已在逐步进入发芽阶 段，核物质趋于分化状态。过于衰老的 孢子会导致生产能力的下降。 • 措施：孢子培养的时间应该控制在孢子 量多、孢子成熟、发酵产量正常的阶段 终止培养。
3
13
2，厌氧培养：对于酵母菌（啤酒，葡萄 酒，清酒等） 试管→三角瓶→卡式 罐→种子罐
11
14
二、生产车间种子制备
• 实验室制备的孢子或液体种子移种至种 子罐扩大培养，种子罐的培养基虽因不 同菌种而异，但其原则为采用易被菌利 用的成分如葡萄糖、玉米浆、磷酸盐等 ，如果是需氧菌，同时还需供给足够的 无菌空气，并不断搅拌，使菌（丝）体 在培养液中均匀分布，获得相同的培养 条件。
第四章
发酵微生物的扩大培养
1
本章内容
第一节 发酵工业微生物菌种
第二节 工业微生物菌种的分离和选育
第三节 发酵微生物扩大培养技术
第四节 发酵微生物菌种质量
第五节 发酵微生物菌种的保藏
2
第一节 发酵工业微生物菌种 一、工业发酵对微生物菌种的要求
我们把用于发酵工业的微生物也叫做工业微生物。 工业微生物具备个体小、种类多、繁殖快、分布广、代谢 强和易变异等特点。 发酵工程是以微生物的生命活动为中心的，各种发酵生产 都必须有相应的微生物。 所以微生物对于发酵过程就十分 重要。 微生物菌种能否满足工业生产的实际需求，是否有工业生 产价值是极为重要的。
相对湿度（%） 斜面外观 16.5-19 上部稀薄,下部略黄 25-36 上部薄,中部均匀发白 40-45 一片白,孢子丰富
活孢子计数(亿/支) 1.2 2.3 5.7
22
25
3，培养时间和冷藏时间
（1）培养时间 • 一般来说，衰老的孢子不如年轻的孢子 ，因为衰老的孢子已在逐步进入发芽阶 段，核物质趋于分化状态。过于衰老的 孢子会导致生产能力的下降。 • 措施：孢子培养的时间应该控制在孢子 量多、孢子成熟、发酵产量正常的阶段 终止培养。
3
发酵工程韦革宏杨祥第6章1节概论
流量
阀门
温度
夹套、蛇管
转速
电路
PH
流加
DO
转速、空气流量
残糖（升高）
流加*
其他环节
间接控制
中(终)产物
HPLC等
其他环节
间接控制
生物 菌浓 重量法、比例法等 其他环节
间接控制
检查项目 形态、染菌、泡沫
专门检查控制方法 * 残糖降低时是间接控制
课下阅读:ห้องสมุดไป่ตู้营养基质及菌体浓度的影响及其控制 发酵终点的判断 发酵的优化控制 发酵过程的计算机控制 发酵过程的精确控制
（2） CO2利用其红外吸收特性用红外CO2分析仪分析。
7.2、菌体浓度
（1）重量法。
（2）比例法。
（3）体积法。
（4）利用其他物理化学性质与质量的线形关系： 如测黏度 测吸光度 测浊度 测荧光强度
7.3、某些中间代谢产物和酶
（1）中间代谢物 一般有三种方法： 生物传感器 气质联用（GC-MS）（复杂代谢物） 高压液相色谱（HPLC）（复杂代谢物）
3、实际发酵生产和研究中主要检测的变量
进罐
罐中
出罐
（1）流量 （2）温度
（1）PH （2）DO （3）温度 （4）转速 （5）残糖 （6）其他
（1）流量 （2）温度
4、实际发酵生产和研究中主要的检查项目 （1）微生物形态的检查 （2）无菌检查 （3）泡沫检查
二、检测的原理和方法
1、PH （1）仪器设备：PH电极 （2）原理：能斯特方程式，原电池工作原理 （3）方法：电位分析法
4、流量 手动或自动阀门开度直接调节。
5、转速 发酵罐电动机或其他动力设备直接调节。
6、残糖 （1）升高浓度：一般采用流加灭菌糖液的方法。
第一篇第六章 发酵罐的比拟放大
2. 罐体积 公称体积：是指罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
底封头体积可从化工设计手册中查得。
（根据罐的形状、直径、 壁厚） 对于椭圆形封头体积：
1 V1 D hb D ha D (hb D ) 4 6 4 6
2 2 2
hb——椭圆封头的直边高度；
ha——椭圆短半轴长度，标准椭圆
—— 液体密度（kg/m2） n ——涡轮转数（r/s)
功率准数
μ ——液体粘度（N•s/m2 ）
R
em
m
D ——涡轮直径（m）
P0
为无因次数
2
NP
R
n D
3
5
搅拌雷诺数：
em
D n
功率准数NP是搅拌雷诺数Rem 的函数
雷诺数：Re =
du
d ——管道直径
流动总是层流型态; 外界条件有关，称作过渡区；
NP ≈4.7 NP ≈3.7
P0
∵
NP =
n
3
D
5
1——螺旋桨
3——圆盘弯叶涡轮
2——圆盘平直叶涡轮 4——圆盘箭叶涡轮
∴ p0 =
拌轴功率
NP ρn3D5
(w)
先算出Rem，可从图上查出NP，再由上式可计算出不通气时单只涡轮搅拌器的搅
（二）通气搅拌功率Pg 同一搅拌器在相同的转速下，通气与不通气时输入液体功率哪个低？ 通过实验， 通气时输入液体功率低，常见的解释是通气（从底部）使液体的重 度 降低。 pg 与 p0 以及通气量Q有何关系： 迈凯尔（Michel） 、福田秀雄等先后研究得经验公式：
所以发酵罐全体积为：
西北农林科技大学发酵复习资料
发酵工程复习题第一章绪论1．发酵工程定义利用微生物特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或者直接应用于工业化生产的技术体系，是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展的发酵技术。
2．发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：上游工程（def？）（微生物反应过程）、发酵工程、下游工程（提取部分）发酵产物的分离、提取和精致是发酵工程中非常重要的环节，是指大规模发酵后直到产品形成的整个工艺过程。
称为发酵工程的后处理，也称为发酵工程的下游级数或下游工程。
3．发酵工程简史发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物第一种发酵抗生素：青霉素1929年由Fleming发现青霉素，1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究，1943年沉浸培养：5m3── 200u/ml。
当今：100m3─200m3── 5-7万u/ml第一种发酵氨基酸：谷氨酸50年代氨基酸发酵工业。
1956年，木下祝郎发明了代谢控制发酵技术，使谷氨酸发酵生产实现产业化。
第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、副产物等近代转折点：基因、动植物4．什么是混合发酵。
与纯种发酵相比有什么优缺点。
混合发酵又称为混合培养物发酵，它是指多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵，也称为混合培养。
特点：（1）充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需产品的质和量，或获得两种、多种产品。
即做到三少一多：生产人员少；原材料和能源消耗少；设备和器材少；生产效率高或产品种类多。
（2）混合发酵能够获得一些独特的产品，而纯种发酵很难做到。
华东理工大学科技成果——多尺度参数相关的工业发酵过程优化与放大技术
华东理工大学科技成果——多尺度参数相关的工业
发酵过程优化与放大技术
项目简介
项目来源于国家科技部“973”重大基础研究、“863”重点项目和上海市重点项目，旨在解决工业发酵过程优化与放大中的科学问题和生产实践推广，此技术可广泛应用到生物制药、食品工业、化工、农业等多个应用领域，开发的技术及工艺、工程和装备均处于国际先进水平。
技术特点
（1）提出了工业发酵过程工程的多尺度优化理论，建立了基于细胞代谢的宏观代谢流检测与控制和参数相关分析的优化研究方法，建立了基于细胞生理代谢特性和反应器流场特性相结合的工业发酵放大方法；
（2）研制了专门用于发酵过程优化与放大研究用的装备，并应用到工业发酵过程中；
（3）建立了基于工业发酵过程数据处理与实时远程诊断的工业发酵过程信息处理系统；
（4）开发了专门用于过程优化与放大研究用软件包；
（5）已应用到十余个产品的过程优化中，产品产量大幅度提高；
（6）实现生物过程工艺、工程、装备一体化研究。
所属领域化工、生物、医药
项目成熟度产业化
应用前景
广泛应用到生物制药、食品工业、化工、农业等多个领域
知识产权及项目获奖情况
曾三次获得国家科技进步二等奖，近年申请专利十余项。
合作方式
原有工业发酵产品的优化与放大、新开发的发酵产品优化与放大。
可提供技术服务。
第6章 发酵工业放大
发 酵 工 程
第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
2013-2-22
第十二章 展望
第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养 第一节 工业微生物种子的扩大培养 第二节 发酵工业设备的逐级放大 第二节 发酵工业设备的逐级放大
2013-2-22
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
补料分批培养法（流加法）。
2013-2-22
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制
1）种子质量的判定
（1）pH；
（2）培养基灭菌后糖、氨基酸、磷等的含量；
（3）显微镜下观察菌丝形态、菌丝浓度和培养液
的外观色泽和颗粒等；
（4）其他参数，主要酶活力、产品含量等。
2013-2-22
第一节 工业微生物种子的扩大培养
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 2）液体种子的制备 好氧培养：对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种
试管
三角烧瓶
摇床
种子罐。
厌氧培养：对于酵母菌 (啤酒、葡萄酒、清酒等）
2013-2-22
试管
三角烧瓶
卡式罐
种子罐。
例：啤酒酵母(P120)
4℃保存于麦芽琼脂或MYPG培养基菌种
2013-2-22
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
1.4 发酵工业种子培养方法
1）种子扩大培养的方法：表面培养法、固体培养法（曲法
培养）、液体深层培养法、载体培养法。
2）深层培养法的基本操作控制点：灭菌、温度控制、通气 与搅拌。 3）常用的液体深层培养法：放大法、两步法、控制培养法、 分批培养法（间歇发酵法）、连续培养法（连续发酵法）、
发酵工业与发酵工程06发酵过程控制13节
pH、产物浓度、核酸量等 生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、
呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
• 参数按获取方式可分为两类：
直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌 转速、溶氧浓度等
间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生 长 速 率 （ μ) 、 体 积 溶 氧 系 数 (KLa) 、 呼 吸 商 (RQ)等。
温度影响微生物生长的机理 (1)影响酶活性。 (2)影响细胞膜的流动性。 (3)影响物质的溶解度。
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
•嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长， •嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃上生长
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
•参数的测量方法
➢ 离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、 前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨 基酸等）
➢ 在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气 CO2、黏度、搅拌转速等
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
• 另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分 散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显 的界限。
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
• 发酵过程泡沫产生的原 因
• （1）通气搅拌的强烈程度
•发酵前期培养基成分丰富，易起泡。
采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。
也可在基础料中加入消泡剂。
呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
• 参数按获取方式可分为两类：
直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌 转速、溶氧浓度等
间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生 长 速 率 （ μ) 、 体 积 溶 氧 系 数 (KLa) 、 呼 吸 商 (RQ)等。
温度影响微生物生长的机理 (1)影响酶活性。 (2)影响细胞膜的流动性。 (3)影响物质的溶解度。
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
•嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长， •嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃上生长
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
•参数的测量方法
➢ 离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、 前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨 基酸等）
➢ 在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气 CO2、黏度、搅拌转速等
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• 另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分 散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显 的界限。
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发酵工业与发酵工程06发酵过程控制 13节
• 发酵过程泡沫产生的原 因
• （1）通气搅拌的强烈程度
•发酵前期培养基成分丰富，易起泡。
采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。
也可在基础料中加入消泡剂。
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该纯种培养物称为种子。
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
发酵工业生产过程中的种子必须满足的条件
1) 菌体的纯种培养物总量适宜，以保证在发酵罐中有适当的
接种量； 2）微生物菌种的生命力旺盛，移接到发酵罐中后能够迅速 生长，利于缩短延滞期，提高设备的利用率； 3）菌种能保持稳定的生产性能，生理状态稳定；
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
1.4 发酵工业种子培养方法
1）种子扩大培养的方法：表面培养法、固体培养法（曲法
培养）、液体深层培养法、载体培养法。
2）深层培养法的基本操作控制点：灭菌、温度控制、通气 与搅拌。 3）常用的液体深层培养法：放大法、两步法、控制培养法、 分批培养法（间歇发酵法）、连续培养法（连续发酵法）、
1.5 种子质量的控制 2）影响种子质量的因素 (P121)
（1）培养基 （2）培养温度和湿度 （3）培养时间(种龄) （4）接种量
2012-12-20
（5）通气和搅拌
（6）泡沫
（7）染菌的控制
（8）种子罐级数
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
酶活力/（U/mL）
2012-12-20
2012-12-20
第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养 第二节 发酵工业设备的逐级放大
2012-12-20
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
第六章 发酵工业放大 第二节 发酵工业设备的逐级放大
1 发酵的逐级放大的概念
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程 二、生产车间种子制备 2）种子罐级数的确定
细菌生长快，种子用量比例少，级数也较少，如谷氨酸等氨基 酸类产品以及部分酶制剂类产品可用 2 级发酵，即：茄子瓶 → 种 子罐 → 发酵罐。 霉菌生长较慢，如青霉菌，可用 3 级发酵，即：孢子悬浮液 → 1 级种子罐（ 27 ℃ ，40 h 孢子发芽，产生菌丝 ）→ 2 级种 子罐（ 27 ℃ ，10 ～ 24 h ，菌体迅速繁殖，粗壮菌丝体 ）→ 发 酵罐。 放线菌的细胞生长繁殖缓慢，如抗生素类产品，一般采用 3 级 或 4 级种子扩大培养。 酵母生长比细菌慢，比霉菌和放线菌快，通常用 3 级种子。如 2012-12-20 啤酒酵母的扩大培养 ，扩大倍数一般第 1 级到第 2 级为 8 ~ 10 倍，第 2 级到第 3 级为 4 ~ 6 倍。
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 2）液体种子的制备 好氧培养：对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种
试管
三角烧瓶
摇床
种子罐。
厌氧培养：对于酵母菌 (啤酒、葡萄酒、清酒等）
2012-12-20
试管
三角烧瓶
卡式罐
种子罐。
例：啤酒酵母(P120)
4℃保存于麦芽琼脂或MYPG培养基菌种
2012-12-20
本节课思考题
1．什么是种子的扩大培养？种子扩大培养的任务是什么？ 2．简述种子扩大培养的目的和意义。 3．发酵工业对种子的要求有哪些？ 4．在菌种的扩大培养中，应注意哪些事项？ 5．简述种子制备的方式及其过程。 6．影响种子质量的因素有哪些？如何控制种子质量？
2012-12-20
采用二级种子扩大培养。
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程(P118)
砂土管孢子 冷冻干燥孢子 摇瓶液体培养 斜面培养 茄子瓶斜面培养 固体培养基培养 实验室种子培养阶段 生产车间种子制备阶段 发酵罐
2012-12-20
一级种子罐培养
（四级种子罐培养）
（三级种子罐培养）
继续学习的参考书及网站
1 李玉英. 发酵工程 [M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2009. 2 李艳. 发酵工程原理及技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2008. 3 罗大珍,林稚兰. 现代微生物发酵及技术教程 [M]. 北京: 北京大学出版 社,2006. 4 刘振宇. 发酵工程技术与实践 [M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2007. 5 陈洪章. 生物过程工程与设备 [M]. 北京: 化学工业出版社，2003. 6 /jpkc/fjgcylyjs/kcms_ll.asp 7 /24/ 8 /good/fjgch/shbb.htm
1000
800
种龄与碱性蛋白酶 活力之间的关系
600
400
酶活力/（U/mL）
8
12
16
20
1400
种龄/h
1200
1000
接种量对碱性蛋 白酶产生的影响
2012-12-20
800 1 3 6 7 9
接种量/%
第一节 工业微生物种子的扩大培养
2.5 种子质量的控制 3）种子异常的分析 （1）菌种生长发育缓慢或过快 （2）菌丝结团 （3）菌丝粘壁
4）无杂菌和噬菌体的污染。
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.2 菌种扩大培养的任务
其任务：要为每只发酵罐的投料提供相当数量的代谢
旺盛的种子。
对于不同产品的发酵过程来说，必须根据菌种生长繁
殖速度快慢决定种子扩大培养的级数。抗生素类产品的生
产采用放线菌，一般采用三级或四级种子扩大培养；谷氨 酸等氨基酸产品，以及部分酶制剂类产品生产，采用细菌，
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
二、生产车间种子制备
3）确定种子罐级数需注意的问题
A：种子级数越少越好，可简化工艺和控制，减少染菌机会。 B：种子级数太少，接种量小，发酵时间延长，降低发酵罐的 生产率，增加染菌的机会。
C：虽然种子罐级数随产物的品种及生产规模而定，但也与所 选出用工艺条件有关。如改变种子罐的培养条件，加速了孢 子发芽及菌体的繁殖，也可相应地减少种子罐的级数。
2012-12-20
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制 4）种子质量的控制措施 （1）菌种稳定性的检查 方法：将保藏菌株溶于无菌的生埋盐水中，逐级稀释，然后在培
养皿琼脂固体培养基上划线培养，长出菌落，选择形态优良的菌落 接入三角瓶进行液体摇瓶培养，检测出生产率高的菌种备用。这一 分离方法适用于所有的保藏菌种，并且一年左右必须做一次。 （2）无杂菌检查 在种子制备过程中，每移种一次都需要进行杂菌检查。方法：显 微镜观察，或平板培养试验，即将种子液涂在平板培养皿上划线培 养，观察有无异常菌落，定时检查，防止漏检。此外，也可对种子 液的生化特性进行分析，如取样测其营养消耗速度、pH 变化、溶 2012-12-20 氧利用情况、色泽、气味是否异常等。
二级种子罐培养
种子扩大培养的工艺流程
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 1）孢子的制备 细胞孢子的制备：细胞的斜面培养基多采用碳源限量而氮源丰 富的配方，培养温度一般为37℃，时间为1-2 d，产芽胞的则需 5-10 d。 霉菌孢子的制备：一般以大米、小米、玉米、麸皮、麦粒等天 然产品为培养基，培养温度一般为25-28℃，时间为4-14 d。 放线菌孢子的制备：一般采用琼脂斜面培养基，培养基中含有 一些适合产孢子的营养成分，培养温度一般为28℃，时间为52012-12-20 14 d。
2012-12-20
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
指保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状
态的生产菌种接入固体试管斜面活化后，再经过
摇瓶或静置培养，以及种子罐逐级扩大培养而获
得发酵产量高、生产性能稳定、数量充足、不被
杂菌和噬菌体污染的生产菌种的纯种制备过程。
本节课小结
种子扩大培养的概念 菌种扩大培养的任务 种子制备的过程
实验室种子培养
生产车间种子培养
影响种子质量的影响 种子异常表现 种子质量标准
发酵工业种子培养方法
种子质量的控制
2012-12-20
种子质量的控制措施
下节课讲授内容
本节课学习了发酵工业种子的制备及
种子质量的控制，下节课将讲授发酵工
业设备的逐级放大，掌握发酵工业放大 的原则及方法。
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制
5）种子质量标准（P124）
（1）细胞或菌体（菌丝形态、菌丝浓度和培养液外观） 单细胞：菌体健壮、菌形一致、均匀整齐，有的还要求有一定的排列或形态。
霉菌、放线菌：菌丝粗壮、对某些染料着色力强、生长旺盛、菌丝分枝情况 和内含物情况好。
（2）生化指标：种子液的糖、氮、磷的含量和pH变化 （3）产物生成量：在抗生素发酵中，产物生成量是考察种子质量的重要指 标，因为种子液中产物生成量的多少间接反映种子的生产能力和成熟程度。 （4）酶活力：种子液中某种酶的活力，与目的产物的产量有一定关系。 2012-12-20
■ ■
酿
酒：白酒、啤酒
■
工业气体：二氧化碳
其 等。
■
它 ：电力、谷朊粉、DDGS饲料
2012-12-20
本节课的重点和难点
本节课的重点 1、 种子制备过程 2、种子质量的控制措施
本节课的难点 影响种子质量的因素
2012-12-20
第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1 种子扩大培养的概念 2 菌种扩大培养的任务 3 种子制备的过程 4 发酵工业种子培养方法 5 种子质量的控制
10 mL麦芽汁的500-1000 mL三角瓶
25℃，2-3 d
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
发酵工业生产过程中的种子必须满足的条件
1) 菌体的纯种培养物总量适宜，以保证在发酵罐中有适当的
接种量； 2）微生物菌种的生命力旺盛，移接到发酵罐中后能够迅速 生长，利于缩短延滞期，提高设备的利用率； 3）菌种能保持稳定的生产性能，生理状态稳定；
2012-12-20
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
1.4 发酵工业种子培养方法
1）种子扩大培养的方法：表面培养法、固体培养法（曲法
培养）、液体深层培养法、载体培养法。
2）深层培养法的基本操作控制点：灭菌、温度控制、通气 与搅拌。 3）常用的液体深层培养法：放大法、两步法、控制培养法、 分批培养法（间歇发酵法）、连续培养法（连续发酵法）、
1.5 种子质量的控制 2）影响种子质量的因素 (P121)
（1）培养基 （2）培养温度和湿度 （3）培养时间(种龄) （4）接种量
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（5）通气和搅拌
（6）泡沫
（7）染菌的控制
（8）种子罐级数
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酶活力/（U/mL）
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第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养 第二节 发酵工业设备的逐级放大
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第六章 发酵工业放大 第二节 发酵工业设备的逐级放大
1 发酵的逐级放大的概念
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程 二、生产车间种子制备 2）种子罐级数的确定
细菌生长快，种子用量比例少，级数也较少，如谷氨酸等氨基 酸类产品以及部分酶制剂类产品可用 2 级发酵，即：茄子瓶 → 种 子罐 → 发酵罐。 霉菌生长较慢，如青霉菌，可用 3 级发酵，即：孢子悬浮液 → 1 级种子罐（ 27 ℃ ，40 h 孢子发芽，产生菌丝 ）→ 2 级种 子罐（ 27 ℃ ，10 ～ 24 h ，菌体迅速繁殖，粗壮菌丝体 ）→ 发 酵罐。 放线菌的细胞生长繁殖缓慢，如抗生素类产品，一般采用 3 级 或 4 级种子扩大培养。 酵母生长比细菌慢，比霉菌和放线菌快，通常用 3 级种子。如 2012-12-20 啤酒酵母的扩大培养 ，扩大倍数一般第 1 级到第 2 级为 8 ~ 10 倍，第 2 级到第 3 级为 4 ~ 6 倍。
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 2）液体种子的制备 好氧培养：对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种
试管
三角烧瓶
摇床
种子罐。
厌氧培养：对于酵母菌 (啤酒、葡萄酒、清酒等）
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试管
三角烧瓶
卡式罐
种子罐。
例：啤酒酵母(P120)
4℃保存于麦芽琼脂或MYPG培养基菌种
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本节课思考题
1．什么是种子的扩大培养？种子扩大培养的任务是什么？ 2．简述种子扩大培养的目的和意义。 3．发酵工业对种子的要求有哪些？ 4．在菌种的扩大培养中，应注意哪些事项？ 5．简述种子制备的方式及其过程。 6．影响种子质量的因素有哪些？如何控制种子质量？
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采用二级种子扩大培养。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程(P118)
砂土管孢子 冷冻干燥孢子 摇瓶液体培养 斜面培养 茄子瓶斜面培养 固体培养基培养 实验室种子培养阶段 生产车间种子制备阶段 发酵罐
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一级种子罐培养
（四级种子罐培养）
（三级种子罐培养）
继续学习的参考书及网站
1 李玉英. 发酵工程 [M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2009. 2 李艳. 发酵工程原理及技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2008. 3 罗大珍,林稚兰. 现代微生物发酵及技术教程 [M]. 北京: 北京大学出版 社,2006. 4 刘振宇. 发酵工程技术与实践 [M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2007. 5 陈洪章. 生物过程工程与设备 [M]. 北京: 化学工业出版社，2003. 6 /jpkc/fjgcylyjs/kcms_ll.asp 7 /24/ 8 /good/fjgch/shbb.htm
1000
800
种龄与碱性蛋白酶 活力之间的关系
600
400
酶活力/（U/mL）
8
12
16
20
1400
种龄/h
1200
1000
接种量对碱性蛋 白酶产生的影响
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800 1 3 6 7 9
接种量/%
第一节 工业微生物种子的扩大培养
2.5 种子质量的控制 3）种子异常的分析 （1）菌种生长发育缓慢或过快 （2）菌丝结团 （3）菌丝粘壁
4）无杂菌和噬菌体的污染。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.2 菌种扩大培养的任务
其任务：要为每只发酵罐的投料提供相当数量的代谢
旺盛的种子。
对于不同产品的发酵过程来说，必须根据菌种生长繁
殖速度快慢决定种子扩大培养的级数。抗生素类产品的生
产采用放线菌，一般采用三级或四级种子扩大培养；谷氨 酸等氨基酸产品，以及部分酶制剂类产品生产，采用细菌，
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
二、生产车间种子制备
3）确定种子罐级数需注意的问题
A：种子级数越少越好，可简化工艺和控制，减少染菌机会。 B：种子级数太少，接种量小，发酵时间延长，降低发酵罐的 生产率，增加染菌的机会。
C：虽然种子罐级数随产物的品种及生产规模而定，但也与所 选出用工艺条件有关。如改变种子罐的培养条件，加速了孢 子发芽及菌体的繁殖，也可相应地减少种子罐的级数。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制 4）种子质量的控制措施 （1）菌种稳定性的检查 方法：将保藏菌株溶于无菌的生埋盐水中，逐级稀释，然后在培
养皿琼脂固体培养基上划线培养，长出菌落，选择形态优良的菌落 接入三角瓶进行液体摇瓶培养，检测出生产率高的菌种备用。这一 分离方法适用于所有的保藏菌种，并且一年左右必须做一次。 （2）无杂菌检查 在种子制备过程中，每移种一次都需要进行杂菌检查。方法：显 微镜观察，或平板培养试验，即将种子液涂在平板培养皿上划线培 养，观察有无异常菌落，定时检查，防止漏检。此外，也可对种子 液的生化特性进行分析，如取样测其营养消耗速度、pH 变化、溶 2012-12-20 氧利用情况、色泽、气味是否异常等。
二级种子罐培养
种子扩大培养的工艺流程
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 1）孢子的制备 细胞孢子的制备：细胞的斜面培养基多采用碳源限量而氮源丰 富的配方，培养温度一般为37℃，时间为1-2 d，产芽胞的则需 5-10 d。 霉菌孢子的制备：一般以大米、小米、玉米、麸皮、麦粒等天 然产品为培养基，培养温度一般为25-28℃，时间为4-14 d。 放线菌孢子的制备：一般采用琼脂斜面培养基，培养基中含有 一些适合产孢子的营养成分，培养温度一般为28℃，时间为52012-12-20 14 d。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
指保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状
态的生产菌种接入固体试管斜面活化后，再经过
摇瓶或静置培养，以及种子罐逐级扩大培养而获
得发酵产量高、生产性能稳定、数量充足、不被
杂菌和噬菌体污染的生产菌种的纯种制备过程。
本节课小结
种子扩大培养的概念 菌种扩大培养的任务 种子制备的过程
实验室种子培养
生产车间种子培养
影响种子质量的影响 种子异常表现 种子质量标准
发酵工业种子培养方法
种子质量的控制
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种子质量的控制措施
下节课讲授内容
本节课学习了发酵工业种子的制备及
种子质量的控制，下节课将讲授发酵工
业设备的逐级放大，掌握发酵工业放大 的原则及方法。
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制
5）种子质量标准（P124）
（1）细胞或菌体（菌丝形态、菌丝浓度和培养液外观） 单细胞：菌体健壮、菌形一致、均匀整齐，有的还要求有一定的排列或形态。
霉菌、放线菌：菌丝粗壮、对某些染料着色力强、生长旺盛、菌丝分枝情况 和内含物情况好。
（2）生化指标：种子液的糖、氮、磷的含量和pH变化 （3）产物生成量：在抗生素发酵中，产物生成量是考察种子质量的重要指 标，因为种子液中产物生成量的多少间接反映种子的生产能力和成熟程度。 （4）酶活力：种子液中某种酶的活力，与目的产物的产量有一定关系。 2012-12-20
■ ■
酿
酒：白酒、啤酒
■
工业气体：二氧化碳
其 等。
■
它 ：电力、谷朊粉、DDGS饲料
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本节课的重点和难点
本节课的重点 1、 种子制备过程 2、种子质量的控制措施
本节课的难点 影响种子质量的因素
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第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1 种子扩大培养的概念 2 菌种扩大培养的任务 3 种子制备的过程 4 发酵工业种子培养方法 5 种子质量的控制
10 mL麦芽汁的500-1000 mL三角瓶
25℃，2-3 d