第四章 发酵工程及酶工程_PPT幻灯片
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可以根据Q10估算。
表5-6a 估算的芽孢不同温度大概灭菌时间
温度/℃
10 0
110
115
12 1
12 5
13 0
时 间 / m in
12 00
15 0
51
15
6. 4
2. 4
表5-6b 一些细菌芽孢的实际杀灭时间
二、培养基的灭菌
（一）培养基的灭菌方法 1. 分批灭菌
概念： 又称为间歇灭菌，就是将配制好的培养基全 部输入到发酵罐内或其它装置中，通入蒸汽 将培养基和所用设备加热 至灭菌温度后维持 一定时间，再冷却到接种温度。也称为实罐 灭菌或实消。
E
k Ae RT (5-3)
式中：
A为比例常数，s-1； △E为活化能，J/mol； R为气体常数，8.314 J/(mol·K)； T为绝对温度，K。
k 值与活化能的关系 活化能处于指数项，可见其与 k 值的变化关系密切。 高温瞬时灭菌 (HTST) 营养损失小的原理，可以从 细菌与一些营养物的不同活化能得到解释。
生物。 防腐剂：抑制体系 (主要是食品)表面和内部微
生物的生长繁殖。 注意：抑菌和杀菌甚至溶菌作用是相对的。
一、化学灭菌
常用的化学药剂
主要有石碳酸、甲醛、氯化汞、碘酒、酒精高 锰酸钾等。
共同规律：杀菌强度有别，但在低浓度时都有 促进微生物生长的刺激作用，在浓度升高后依 次表现出制菌、杀菌和溶菌的现象。
一、湿热灭菌的基本原理
微生物的热阻
热阻指在某一特定条件下 (主要是指温度和加热方 式等) 微生物细胞的致死时间，表征了不同微生物 细胞对热的相对抵抗力。
例如一些微生物的相对热阻和抵抗力如表5-1.
2. 微生物热死亡的数学规律
《发酵工程》课件
产物分离纯化的优化
分离纯化方法
常见的分离纯化方法包括过滤、离心、萃取、蒸馏、膜分离等。
优化策略
根据产物的性质和发酵液的特点，选择合适的分离纯化方法，并优化工艺参数，以提高产物的纯度和收率。
06
未来发酵工程的发展趋势
新技术应用与设备改进
生物信息学
利用生物信息学技术，对微生物基因组学、转录组学和蛋白质组学 进行深入研究，为发酵工程提供更精确的微生物代谢调控手段。
为防止发酵污染，应定期对菌种进行 纯化、复壮，严格控制培养基和设备 的灭菌温度和时间，加强发酵过程中 的监控和检测。
发酵效率的提高
影响因素
影响发酵效率的因素包括菌种特性、培养基成分、发酵温度、pH值、溶解氧浓度等。
优化方法
通过调整培养基成分、控制发酵温度、调节pH值、提高溶解氧浓度等方法，可以有效提高发酵效率。
合成生物学
利用合成生物学技术，设计和构建具有特定功能的微生物细胞工厂， 实现高效、定向的物质转化。
基因编辑技术
通过基因编辑技术，改造和优化微生物的代谢途径，提高发酵产物 的产量和品质。
可持续性与环保
1 2
节能减排
通过优化发酵工艺和设备，降低能源消耗和减少 废弃物排放，实现发酵工程的绿色可持续发展。
抗菌素
抗菌素是一类具有抗菌活性的物质，通过抑制或杀死病原微生物，达到防治病害 的目的。抗菌素在医疗、农业、食品工业等领域广泛应用。
其他发酵产物及其应用
柠檬酸
柠檬酸是发酵工程中重要的有机酸之一，主要用于食品、 化工、医药等领域。柠檬酸具有抗氧化、抗菌、提高口感 等作用。
氨基酸
氨基酸是蛋白质的基本组成单位，通过发酵工程生产出的 各种氨基酸，如谷氨酸、赖氨酸等，在食品、饲料、医药 等领域广泛应用。
发酵工程课程总结 ppt课件
PPT课件
28
发酵动力学模型：
发酵动力学模型，是为了描述菌体 生长、碳源利用与代谢产物形成速度 变化，以及它们相互之间的动力学关 系。目前有多种动力学分型。
PPT课件
29
碳源利用与产物形成速度的关系动力 学分型，它将发酵过程分成了三个类型。 1）Ⅰ型——产物直接与碳源利用有关； 2）Ⅱ型——产物间接与碳源利用有关； 3）Ⅲ型——产物表面与碳源利用无关。
PPT课件
12
代谢过程错综复杂，但受体内调 节系统严格控制，并按照顺序、协调 有效地进行，维持体内代谢平衡。
对微生物而言：
代谢过程----细胞内自我调节
PPT课件
13
微生物代谢调节方式:
1.细胞透性调节； 2.代谢途径调节； 3.代谢流向调节； 4.代谢速度调节(酶活性或酶数量)。
PPT课件
14
②空气流速，一般空气流速提高，可提高供 氧量，但空气流速过大，搅拌器叶轮发生 过载，即叶轮不能分散空气，此时气流形 成大气泡在轴的周围逸出。当空气流速超 过过载速度时，通气效率就不再增加，反 而增加动力消耗。
PPT课件
56
③罐压，罐压增大，一般溶氧量增大，但也 会增大二氧化碳溶解度，影响发酵。
④空气分布器，良好分布器可增大供氧量。 ⑤温度，温度升高氧溶解量下降。 ⑥空气含氧量，富氧空气可提高溶解氧量，
PPT课件
52
④有毒产物的形成和积累：发酵 液中二氧化碳等代谢产物如果不能及 时从培养液中排出，让其在发酵罐中 积累，就会抑制微生物的呼吸并对微 生物有毒害作用，减小氧的需求量。
PPT课件
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⑤消沫剂的影响：如使用消沫剂可被微 生物利用，则会增强需氧量。
⑥其它因素：发酵接种量大，微生物生 长快，菌体浓度大需氧量多；幼龄菌 体呼吸强度高，需氧量大。
《发酵工程》课件3
菌种选育
根据生产需要选择具有优良性状的菌 株，通过诱变、基因工程等手段进行 改良。
菌种保藏
采用低温、干燥、缺氧等方法，保持 菌种活力和纯度，延长菌种使用寿命 。
种子扩大培养
种子制备
将保藏的菌种进行活化，并进行一定时间的培养，其恢复 活力。
种子扩大培养
将活化后的菌种进行扩大培养，使菌体数量增加，满足发酵 需求。
03
描述产物生成速率的数学模型，包括产物浓度和产物生成速率
之间的关系。
发酵过程中的物质变化
底物消耗
在发酵过程中，底物被微生物消耗转化为代谢产物。
产物生成
在发酵过程中，微生物通过代谢过程生成目的产物。
副产物生成
在发酵过程中，除了目的产物外，还可能生成其他副 产物。
03
发酵工艺流程
菌种的选育与保藏
现代
基因工程、蛋白质工程和代谢工 程等新兴技术的引入，推动发酵
工程不断创新和发展。
发酵工程的应用领域
抗生素生产
利用微生物发酵生产抗生素，用于治疗各种疾 病。
食品工业
生产面包、啤酒、酸奶等食品，改善食品品质 和口感。
生物能源
利用微生物发酵生产乙醇、丁醇等生物燃料， 替代化石能源。
02
发酵工程的基本原理
连续发酵与高密度发酵技术的挑 战
需要解决发酵过程中的菌种退化、产物抑 制等问题，以及设备设计和操作难度。
代谢工程与合成生物学在发酵工程中的应用
代谢工程
通过调节微生物代谢途径，提高产物的合成效率和产量。
合成生物学
利用基因编辑技术构建人工生物系统，实现新产品的设计和生产。
代谢工程与合成生物学在发酵工程中的应用案例
产物精制
对提取出的产物进行纯化 ，去除杂质，提高产品质 量。
根据生产需要选择具有优良性状的菌 株，通过诱变、基因工程等手段进行 改良。
菌种保藏
采用低温、干燥、缺氧等方法，保持 菌种活力和纯度，延长菌种使用寿命 。
种子扩大培养
种子制备
将保藏的菌种进行活化，并进行一定时间的培养，其恢复 活力。
种子扩大培养
将活化后的菌种进行扩大培养，使菌体数量增加，满足发酵 需求。
03
描述产物生成速率的数学模型，包括产物浓度和产物生成速率
之间的关系。
发酵过程中的物质变化
底物消耗
在发酵过程中，底物被微生物消耗转化为代谢产物。
产物生成
在发酵过程中，微生物通过代谢过程生成目的产物。
副产物生成
在发酵过程中，除了目的产物外，还可能生成其他副 产物。
03
发酵工艺流程
菌种的选育与保藏
现代
基因工程、蛋白质工程和代谢工 程等新兴技术的引入，推动发酵
工程不断创新和发展。
发酵工程的应用领域
抗生素生产
利用微生物发酵生产抗生素，用于治疗各种疾 病。
食品工业
生产面包、啤酒、酸奶等食品，改善食品品质 和口感。
生物能源
利用微生物发酵生产乙醇、丁醇等生物燃料， 替代化石能源。
02
发酵工程的基本原理
连续发酵与高密度发酵技术的挑 战
需要解决发酵过程中的菌种退化、产物抑 制等问题，以及设备设计和操作难度。
代谢工程与合成生物学在发酵工程中的应用
代谢工程
通过调节微生物代谢途径，提高产物的合成效率和产量。
合成生物学
利用基因编辑技术构建人工生物系统，实现新产品的设计和生产。
代谢工程与合成生物学在发酵工程中的应用案例
产物精制
对提取出的产物进行纯化 ，去除杂质，提高产品质 量。
发酵工程PPT教学课件
15、分解代谢：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分 解成简单化合物的过程。
16、合成代谢：又称同化作用，是指由简单化合物合成复 杂的细胞物质的过程。
一 17、代谢控制发酵：是利用遗传学的方法或其他生物化学
、 方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，
概 述
使有用目的产物大量生成和积累的发酵。
容
稀释
表型 → 出现表型
2、发酵
（1）发酵生物反应器
二 、
① 类型 p203：搅拌式生物反应器、鼓泡式反应器、
发 气升式反应器
酵
工
② 优点：染菌率极低、发酵设备大型化、利用生物
程 的
技术提高了产量和降低了本、提高了产品的回收率和
内 质量
容
③ 要求：内壁与管道焊接部位都要求平整光滑、无
裂缝、无塌陷，便于测量器内的温度、pH值和氧气含量
一 、
有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化
概 的生物化学过程。
述
21、膜生物反应器：利用膜的阴留性能将生物催化剂限制
在膜组件的固定空间，供给所需的底物和营养物，即可在
固定空间内进行生物反应，而产生的产物造成真空膜，进
入膜的另一侧空间，脱离生物催化剂，达到了生物反应与
产物分离同时进行的目的。
始的。当时主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为
一 、
主。20世纪40年代，弗莱明发现了青霉素，开始采用深层
概 发酵法大量生产。此后，链霉素等几十种重要的抗菌素相
述 继问世，带动了抗菌素工业的诞生。发酵工业由无氧条件
下的发酵发展到了有氧发酵。
长期以来，几乎都是以碳水化合物作为发酵的原料，
而到60年代增加了正烷烃、醋酸、醇类和天然气等。发酵
发酵工程 ppt课件
4.1 主要发酵类型
微生物菌体发酵
以获得具有某种用途的菌体为目的。 例如：①酵母的生产。
②生物防治。 鳞翅目、双翅目害虫 苏云金杆菌、蜡样芽胞杆菌、 侧孢芽孢杆菌 松毛虫——白僵菌、绿僵菌
问题草莓
据中国之声《新闻纵横》报道，日前一则关于草莓的报道让不 少消费者感到担心 —— 报道说，记者随机在北京新发地农产品 批发市场、美廉美超市、昌平采摘园以及路边的草莓摊购买了 8 份草莓样品，送到北京农学院检测，结果都检出了乙草胺成分， 它被列为 b － 2 类致癌物。但对于这个结果，很多业内人士都觉 得不可思议，理论上，乙草胺不应该出现在草莓里。
利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来 制备微生物菌体或其代谢产物的过程。
路易斯· 巴斯德（Louis Pasteur)
近代微生物奠基人 巴氏消毒法
每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。 每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展。
传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒
力，病菌可以被改造成防病的疫苗。
连续发酵的优缺点
优点
能维持基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件
缺点
4.3.1.3 补料分批发酵
又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发 酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批 发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物 料的培养技术。
进作用，也有可能有抑制作用。
4.3.2.4 CO2 对发酵的影响
CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度 高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就 会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混 合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。
《发酵工程绪论》PPT课件
h
22
一、发酵工程的特征
（p13）
1、原料：发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他 农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源 就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵 的原料进行生物资源的改造和更新。
2、菌种：微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过 变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使 生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规 方法难以生产的产品。
h
10
4、发酵的现代概念
• 利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程， 统称为发酵。
h
11
利用微生物的特点：
• 发酵工程所利用的微生物：细菌、放线菌，酵母菌和霉菌等。 • 利用微生物的特点：
(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。 (2)有极强的消化能力。 (3)有极强的繁殖能力。
h
16
（三）发酵工程产品的类型
• 酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、 干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种食品 、医疗保健药物；
• 天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用 生产资料；
• 氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素； • 单细胞蛋白等微生物菌体。 • 生物能 • 微生物冶炼 • （p3 ）
病用的疫苗等。 • 特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率
最高阶段，生长稳定期产量最高。
h
30
2、微生物代谢产物发酵
• 包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。 • 对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢
产物。 • 各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来
发酵工程ppt课件
Use of Microorganisms • Positive（益处）
• Biomass • Production • Conversion • Negative（危害） • Pathogens
• Spoilage
具有细胞结
细菌、放线菌 支原
原核生物
体、衣原体、 立克
由原核细胞构成的） 次氏体、兰细菌
• 18世纪后期，Ha nsen在Calsberg 酿造厂建立了酵 母纯种培养技术
ppt课件.
科赫 (Koch7 )
科赫的主要贡献
Ø 发明了固体培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立。
Ø 创造了细菌染色方法。 Ø 发现了许多病原菌，为以后研究药物和寻找治疗方法提供了依据。
证实炭疽病因 — 炭疽杆菌 发现结核病原菌—结核杆菌
bifidobacterium
ppt课件.
22
Spirlla （螺 旋 菌）
There are few kinds in bacteria and always pathogeni
c bacteria ; (螺旋菌在细菌中种类较少，通常是病原菌)
vibrio弧菌
spirillum螺旋菌 spirochaeta螺旋菌
它描述酵母作用于果汁 或麦芽浸出液时产生气泡 的现象。产生气泡的现象 是由浸出液中的糖在缺氧 条件下降解而产生的二氧 化碳所引起的。
ppt课件.
3
发酵工程
发酵工程(fermentation engineering):研究发酵工业生产过 程中，各个单元操作的工艺和设备的一门科学。具体包括菌种 选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。
Ø 提出了为证明某种特定细菌 是某种特定疾病的病原菌的
发酵工程 ppt课件
100%
酵母菌
单细胞真菌，具有真核细胞结构 ，有产孢子繁殖和水生、好气性 生长及醇发酵和糖发酵等类型。
80%
霉菌
丝状真菌的俗称，意即多细胞的 真菌，在自然界中广泛存在。
微生物的营养需求
水
微生物细胞的主要组成部分， 是良好的溶剂，能维持酶活性 ，参与代谢反应。
无机盐
参与细胞构成和代谢反应，对 细胞的渗透压平衡和酸碱平衡 起着重要作用。
利用发酵技术生产面包、啤酒 、酸奶等食品。
医药工业
生产抗生素、疫苗、干扰素等 生物药物。
化学工业
生产燃料、化学品、塑料等物 质。
环境治理
利用微生物处理废水、废气， 实现环境保护和治理。
02
发酵工程的基本原理
微生物的种类与特性
80%
细菌
根据形态可分为球菌、杆菌、螺 旋菌等，根据对人类的关系可分 为致病菌、条件致病菌和益生菌 。
细胞分离
通过离心、过滤等技术将菌体从发酵液中分离出 来。
产物纯化
通过一系列的分离纯化技术，如蒸馏、结晶、色 谱等，将产物纯化至所需的规格和纯度。
04
发酵工程的应用实例
酒精发酵Βιβλιοθήκη 010203
酒精发酵简介
酒精发酵是一种通过酵母 菌将糖类物质转化为乙醇 的过程，广泛应用于酒精 饮料、化工等领域。
酒精发酵工艺流程
提高产物的产量与质量
代谢工程
通过代谢工程手段，对微生物的代谢途径进行优化，提高目标产 物的产量和纯度。
过程控制
采用先进的传感器和在线监测技术，实时监测发酵过程，实现精 准控制，提高产物质量。
降低生产成本与环境污染
节能减排技术
采用新型发酵设备，提高设备利用率和能源利用效率，降低能耗和碳排放。
酶的发酵工程PPT课件
在核糖体上合成多肽（三阶段）
1、起始阶段 2、延伸阶段 3、终止阶段
肽链合成的起始阶段
1.mRNA与小亚基结合：形成30S-mRNA-IF3复合物
2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合：
30S-mRNA-IF3
fMet-tRNA-IF2-GTP
IF1
30S起始复合物
fMet-tRNA正好位于mRNA的起始密码子上（AUG）。
延长部位
（二）蛋白质的生物合成--翻译(translation)
定义 以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖 体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合 成多肽链的过程。
酪
5’
酪氨酰- tRNA
5’
AUG GUU UAC ACA
反密码
3’ mRNA
密码与反密码的碱基配对
给位 (P位) 大亚基
第二章
酶的生物合成与发酵生产
提取分离法 微生物细胞发酵产酶
酶的生产方法
生物合成法
化学合成法
植物细胞发酵产酶
动物细胞发酵产酶
第一节
酶生物合成及调节
一、酶的生物合成
遗传信息传递的中心法则
转 录 复制 传 DNA 递 转录 给 R N 逆转录 A 蛋白质 RNA ， 翻译 再 复制 由 R N
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)
µ max：最大比生长速率（1/h） S：营养物浓度（生长限制基质浓度） 克/L 或 mol/L
Ks：莫诺德常数或饱和常数或营养物利用常数 克/L，
蛋 苏
Mg+ K+
移位
GTP
UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
转肽
《酶工程》课件-微生物发酵产酶
05
微生物发酵产酶存在问题与挑战
产量问题
微生物发酵产酶产量低
由于微生物发酵过程中受到多种因素 的影响，如营养物质的供应、发酵条 件、微生物菌种等，导致酶的产量较 低。
发酵周期长
微生物发酵产酶通常需要较长的发酵 周期，这增加了生产成本和时间成本。
稳定性问题
酶稳定性差
许多酶在发酵过程中容易受到温度、pH值、金属离子等因素的影响，导致酶的稳定性降低。
04
微生物发酵产酶应用实例
工业应用
洗涤剂制造
微生物发酵产生的酶可用于制造 洗涤剂，如蛋白酶用于去除蛋白 质污渍，淀粉酶用于去除淀粉污
渍。
纺织工业
利用微生物发酵产生的酶处理纺织 品，可以改善其质地、手感和外观， 如纤维素酶用于棉织物的生物抛光。
造纸工业
通过微生物发酵产酶技术，可以改 进造纸工艺，提高纸张质量和降低 环境污染，如木聚糖酶用于纸浆漂 白。
过程优化与控制
通过人工智能技术，对微生物发酵产酶过程进行建模和优化，提高 目标酶的产量和质量。
个性化定制酶
结合人工智能和基因工程技术，实现个性化定制酶的合成，满足不 同领域的需求。
THANKS
感谢观看
《酶工程》课件-微生物发酵 产酶
• 微生物发酵产酶概述 • 微生物发酵产酶原理与过程 • 微生物发酵产酶技术与方法
• 微生物发酵产酶应用实例 • 微生物发酵产酶存在问题与挑战 • 未来发展趋势与展望
01
微生物发酵产酶概述
酶工程简介
酶工程定义
酶工程是生物工程的重要组成部分，是利用酶或者微生物细胞、动植物细胞、 细胞器等具有的生物催化功能，借助工程手段来生产有用物质、设计改造酶或 者生产细胞、器官乃至整个生物体的一门科学技术。
基因工程细胞工程发酵工程酶工程生物工程的概念
❖ ⒊应用：如将人的胰岛素基因等导入细菌中，由细 菌生产出人的岛素。将一些外源基因导入植物细胞，培 育出诸如抗虫棉花等植物新品种。将人的有关基因转移 到动物细胞，得到诸如含有人干扰素的羊奶等。另外在 基因诊断、基因治疗、基因工程疫苗、器官移植等方面 也展现出广阔的前景。
限制
控制产生胰岛素的基 酶
DNA
•⑵发酵工程：是指采用工程技术手段，利用生物的某些功能，为人类生产有用 的生物产品一种技术。
•这里所指的生物，包括来自自然界微生物、基因重组微生物和各种来源的动物 细胞和植物细胞。 •这里所说的产品，包括利用基因工程菌生产人的胰岛素、干扰素等药品，也包 括人们所熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造奶酪和 酸牛奶，利用真菌生产青霉素等
发酵工程的内容
1菌种的选育
基因工程 细胞工程 诱变育种
2配置培养基和灭菌 3扩大培养和接种 4发酵过程 5发酵产物的分离和提取
PH 溶氧 温度 搅拌
配置培养基原则及灭菌
1目的明确：自养或是异养
2营养物质协调：碳源、氮源、无机盐 水、生长因子 3PH值适宜
灭除一切杂菌：如孢子、芽孢等
微生物的生长
是指将不同来源的DNA重组。一般将目的基因和运载体（细菌的质粒、 噬菌体等）用相同的限制性内切酶切断，将用适宜的DNA连接酶将其 粘性末端连接，形成重组DNA 。
运载体的选择
1能在宿主细胞内复制并稳定的保存 2具有多个限制酶切点，
3具有某些标记基因
第三步：目的基因的导入和表达
通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使目的基因在受体 细胞内能准确地转录和翻译。
2. 类型：就技术范围而言，大致有细胞融合技术、细 胞拆合技术、染色体导入技术、胚胎移植技术、和细胞 组织培养技术等。
限制
控制产生胰岛素的基 酶
DNA
•⑵发酵工程：是指采用工程技术手段，利用生物的某些功能，为人类生产有用 的生物产品一种技术。
•这里所指的生物，包括来自自然界微生物、基因重组微生物和各种来源的动物 细胞和植物细胞。 •这里所说的产品，包括利用基因工程菌生产人的胰岛素、干扰素等药品，也包 括人们所熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造奶酪和 酸牛奶，利用真菌生产青霉素等
发酵工程的内容
1菌种的选育
基因工程 细胞工程 诱变育种
2配置培养基和灭菌 3扩大培养和接种 4发酵过程 5发酵产物的分离和提取
PH 溶氧 温度 搅拌
配置培养基原则及灭菌
1目的明确：自养或是异养
2营养物质协调：碳源、氮源、无机盐 水、生长因子 3PH值适宜
灭除一切杂菌：如孢子、芽孢等
微生物的生长
是指将不同来源的DNA重组。一般将目的基因和运载体（细菌的质粒、 噬菌体等）用相同的限制性内切酶切断，将用适宜的DNA连接酶将其 粘性末端连接，形成重组DNA 。
运载体的选择
1能在宿主细胞内复制并稳定的保存 2具有多个限制酶切点，
3具有某些标记基因
第三步：目的基因的导入和表达
通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使目的基因在受体 细胞内能准确地转录和翻译。
2. 类型：就技术范围而言，大致有细胞融合技术、细 胞拆合技术、染色体导入技术、胚胎移植技术、和细胞 组织培养技术等。
《发酵工程》PPT演示课件
应的压力降也较小。
35
36
❖ 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.20.4 Mpa的蒸汽，灭菌45min后用压缩空气吹 干备用。总过滤器约每月灭菌一次。
37
2). 滤纸过滤器：
❖ 介质:超细玻璃纤维纸。 ❖ 孔径:1-1.5μm ❖厚度: 0.25-0.4mm ❖ 实密度:2600Kg/m3 ❖ 填充率:14.8%。
❖ 求灭菌失败几率为0.001 时所需要的灭菌时间
❖
解：N0 = 40 X106 X 2 X105 = 8X 1012个
❖
Nt= 0.001个
❖
K = 1.8 min-1
❖
灭菌时间：t = 2.303 /1.8 lg （8X
1012/0.001） = 20.34min
15
❖ 例2.若将例1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度 131℃，此温度下灭菌速率为15min-1。求灭菌所 需的维持时间。
连续
便于自 动控制
蒸汽负 荷均衡
22
23
24
25
6.3 空气过滤除菌 一、发酵用无菌空气的质量标准: 发酵用的无菌空气,就是将自然界的空气 经过压缩,冷却,减湿,过滤等过程达到:
26
1
❖连续提供一定流量的压缩空气。
2
空气的压强为0.2-0.4Mpa
3
进入过滤器之前，空气的相对湿度≤ 70%
31
32
❖
2．空气的过滤除菌
绝对过滤
介质的空隙 小于被拦截的 微生物大小， 如用聚四氟乙 烯或纤维素酯 材料做成的微 孔滤膜。
过滤 拦截的微生物 大小，但介质有 一定厚度，机理 是静电，扩散， 惯性及拦截作用。 如棉花过滤器， 超细玻璃纤维纸， 金属烧结管等。
35
36
❖ 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.20.4 Mpa的蒸汽，灭菌45min后用压缩空气吹 干备用。总过滤器约每月灭菌一次。
37
2). 滤纸过滤器：
❖ 介质:超细玻璃纤维纸。 ❖ 孔径:1-1.5μm ❖厚度: 0.25-0.4mm ❖ 实密度:2600Kg/m3 ❖ 填充率:14.8%。
❖ 求灭菌失败几率为0.001 时所需要的灭菌时间
❖
解：N0 = 40 X106 X 2 X105 = 8X 1012个
❖
Nt= 0.001个
❖
K = 1.8 min-1
❖
灭菌时间：t = 2.303 /1.8 lg （8X
1012/0.001） = 20.34min
15
❖ 例2.若将例1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度 131℃，此温度下灭菌速率为15min-1。求灭菌所 需的维持时间。
连续
便于自 动控制
蒸汽负 荷均衡
22
23
24
25
6.3 空气过滤除菌 一、发酵用无菌空气的质量标准: 发酵用的无菌空气,就是将自然界的空气 经过压缩,冷却,减湿,过滤等过程达到:
26
1
❖连续提供一定流量的压缩空气。
2
空气的压强为0.2-0.4Mpa
3
进入过滤器之前，空气的相对湿度≤ 70%
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❖
2．空气的过滤除菌
绝对过滤
介质的空隙 小于被拦截的 微生物大小， 如用聚四氟乙 烯或纤维素酯 材料做成的微 孔滤膜。
过滤 拦截的微生物 大小，但介质有 一定厚度，机理 是静电，扩散， 惯性及拦截作用。 如棉花过滤器， 超细玻璃纤维纸， 金属烧结管等。
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2、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 生、专性腐生、兼性寄生、兼性腐生、先 寄生后腐生——寄主死亡所致）或共生。
3、无性生殖和有性生殖：
4、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 孢子具有壁；
5、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 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。
微生物
微生物的类群
无细胞结构：病毒
有细胞结构
原核生物
细菌 放线菌 蓝藻 支原体 衣原体 立克次氏体等
真菌：霉菌、酵母菌、 真核生物 食用真菌
原生生物：显微藻类、
原生动物等
第一节 原核微生物
一、细菌
1、形态 基 本 形 态
球状 杆状
螺旋状
还有星形和方形细菌
2、细菌的繁殖——二分裂
少数进行接合生殖，但频率极低
有机碳：化能异养微生物
能源
NH4+、NO2-、S、H2、Fe2+(化能 自养微生物）
光能：光合细菌
构成微生物细胞组成
无机盐
作为酶的组成成分 调节和维持细胞的渗透压
作能源
几种微生物所需的生长因子
微生物种类
生长因子
肠膜乳状杆菌
胱氨酸
白喉棒杆菌
β-丙氨酸
破伤风梭状芽孢杆菌 尿嘧啶
阿拉伯聚糖乳杆菌 泛酸
少数寄生型放线菌可引起人、动物（如皮肤、脑、肺和脚 部感染）的疾病。
繁殖：孢子生殖、孢子囊孢子、菌丝断裂
营养方式：腐生、寄生
三、支原体：无细胞壁、最小的原核生物 例：人的非典型性肺炎
特点：能过细菌滤器；膜上含甾醇；对青 霉素、制霉菌素、红霉素、四环素敏感； 革兰氏阴性菌、无芽孢、无鞭毛；菌落呈 油煎蛋形 繁殖：二分裂，少数菌丝断裂或出芽
酵
母
结构
菌
单
繁殖
细
胞
真
菌
无隔菌丝（毛霉、根霉） 霉菌
有隔菌丝（青霉、曲霉） 葡聚糖
细胞壁结构：三层 糖蛋白+葡聚糖 几丁质微纤维
繁殖方式：无性、有性
第三节 病毒和亚病毒
病毒界主要类群及其相互关系是： 病毒（真病毒）
病毒界 朊病毒(蛋白质侵染颗粒） 亚病毒 拟病毒（类类病毒）也称’病毒 卫星’(单链RNA) 类病毒（马铃薯纺锤体块茎病单链环状RNA）
粪链球菌
叶酸
干酪乳杆菌
生物素
需要量 5 μg 1.5μg 0-4μg 0.02μg 200μg 1μg
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 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 微生物生长必需物质
二、微生物的营养类型
营养类型 能源 光能自养型 光 光能异养型 光 化能自养型 无机物* 化能异养型 有机物
类病毒：只有裸露的RNA，没有蛋白质外壳。 (马铃薯纺锤形块茎病）
第四节 微生物的营养（非病毒）
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
微生物生长需要的物质——营养要素 碳源、氮源、能源、生长因子、无机
盐、水
蓝细菌、硝化细菌等自养微生物
CO2、碳酸盐 红螺菌等异养微生物 小分子有机物
核酸复制+蛋白质合成 核蛋白（病毒粒子）
噬菌体的增殖一般可分五个阶段，即 1) 吸附 2) 注入核酸 3) 合成核酸和蛋白质 4) 装配 5) 释放
方式：复制增殖
艾 滋 病 毒 侵 染
朊病毒（蛋白质病毒）
• 朊病毒（Prion）：存在于正常脑神经细胞 中称为细胞型粒子蛋白（ PrPc ）。正常的 PrPc螺旋，在致病的PrPsc变成折叠结构。 并且不溶于水，能抗蛋白酶的水解。感染 性蛋白粒子。（羊搔痒病、疯牛病、人的 库鲁病、克雅氏病）
例如：谷氨酸发酵
C/N=4：1 菌体大量繁殖，产生的谷氨酸少 C/N=3：1 菌体繁殖抑制，产生的谷氨酸多
3、Ph要适宜
细菌：6.5—7.5 放线菌：7.5—8.5
四、古生菌：原核生物 包括：极端嗜盐、嗜热、嗜酸细菌和产甲烷
细菌等 细胞壁：有假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质构成 细胞膜：1、膜中的亲水头与疏水尾通过醚键 连接2、疏水尾是由异戊二烯的重复单位组成 3、存在单分子层膜或单、双分子层混合膜 繁殖：裂殖、芽殖
第二节
真核微生物
（真菌、微细藻类、原生动物）
1、特点：具核膜；具线粒体、叶绿体等细 胞器；能进行有丝分裂
二、放线菌：放线菌的形态
单细胞，菌体由菌丝构成
放线菌
放线菌是具有菌丝、以孢子进行繁殖的一类原核微生物。
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， 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、种类繁多的抗生素（其中90%由链霉菌 产生）除青霉素和头孢霉素等少数抗生素
氢的供体 无机物 有机物
基本碳源 微生物举例
二氧化碳
蓝细菌，绿红螺菌
无机物 有机物
二氧化碳 有机物
硝化细菌， 氢细菌、铁 细菌
绝大多数细 菌和全部真 核微生物
三、培养基 培养基的配制原则
1、目的要明确
2、营养要协调
浓度(过低、过高） 碳源与氮源的比
培养基中所含的C源中C原子的摩尔数/ N 源中N原子的摩尔数
碳源
含碳有机物
（甲烷和甲醇）甲烷氧化菌
最常用是糖类 大多数异养微生物
天然物质：花生粉饼、石油
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）
分子态氮 固氮微生物
氮源 无机物
氨 铵盐、硝酸盐
最常用的 氮源
有机物：尿素、牛肉膏、蛋白胨 合成蛋白质、核酸以及含氮的代谢产物
异养微生物（供能）
SARS病毒、禽流感病毒、
病毒
典型病毒 粒的构造
基本成分
核酸——位于中心，称为核心 蛋白质——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 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。
病毒繁殖
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：
细菌的二分裂
3、菌落
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
有荚膜细菌：菌落光滑。S型 无荚膜细菌：菌落粗糙。R型 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。