宋存江《微生物发酵工程》第4章 微生物发酵过程
宋存江《微生物发酵工程》第4章 微生物发酵过程
培养时间(h) 30-40 30 50-120
高密度发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。
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
分批发酵 (Batch Fermentation)
微 生
补料分批发酵 (Fed-batch Fermentation )
物
连续发酵 (Continuous Fermentation )
4. 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。
宋存江生物技术概论4发酵工程
粘细菌 Soarngium cellulosum 产生的埃博霉素类化学结构
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢食品工业
• 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮 料、酒类
• 食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然 色素等）
发酵法生产的一些氨基酸及其用途
4.1.3 发酵技术的应用
➢能源工业 • 酒精 • 沼气 • 氢能
4.1.1 发酵类型
微生物代谢产物类型
发酵工程
产业 医药 食品 农业 轻工
其他
微生物代谢产物
抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因工程 药物、疫苗等
氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖类， 发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、饮料等
动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害剂， 驱虫剂，杀虫剂等
4 发酵工程
学习目的 掌握发酵工程的基本类型和基本原理， 了解典型发酵产品的生产工艺，认识发 酵的基本过程及常用的发酵设备。
4 发酵工程
发酵工程
发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化学工 程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长 和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。
➢ 发酵过程中需要防止杂菌污染， 大多情况下设备需要进行严格的 冲洗、灭菌，空气需要过滤等。
发酵工程
4.1 发酵工程概况
4.1.3 发酵技术的应用 ➢医药工业 • 抗生素、维生素、激素 • 疫苗和菌苗等
发酵工程
粘细菌产生的生理活性物质
粘细菌（Myxobacteria）是一类能够产生多种生理活性物质的微生物 。近10年的研究已经昭示出粘细菌具有广阔的开发利用空间。在20世纪70年 代，首次报道粘细菌产生的活性次级代谢产物是三烯吡喃菌素（ambruticin ）。目前已从粘细菌中发现了大约600多种生理活性物质。与其它的药源菌 相比，粘细菌具有独特的优势和巨大的潜力。
2024年《发酵技术》精品课件
2024年《发酵技术》精品课件一、教学内容本节课将围绕《发酵技术》教材第4章“微生物发酵与工业应用”展开，详细内容包括微生物发酵的基本原理、发酵过程中关键因素的影响、常见发酵产品的制备工艺及其在现代工业中的应用。
二、教学目标1. 理解微生物发酵的基本原理，掌握发酵过程中的关键因素。
2. 学习常见发酵产品的制备工艺，了解发酵技术在现代工业中的应用。
3. 培养学生的实践操作能力，提高分析问题和解决问题的能力。
三、教学难点与重点教学难点：发酵过程中关键因素的控制，发酵产品制备工艺的学习。
教学重点：微生物发酵的基本原理，发酵技术在现代工业中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实验操作视频、发酵实验装置。
五、教学过程1. 实践情景引入（10分钟）通过展示发酵技术在食品、药品、环保等领域的应用实例，引起学生对发酵技术的兴趣。
2. 理论知识讲解（15分钟）介绍微生物发酵的基本原理，分析发酵过程中的关键因素。
3. 例题讲解（10分钟）以制备酸奶为例，讲解发酵产品的制备工艺。
4. 随堂练习（15分钟）学生根据所学知识，设计并实施简单的发酵实验。
5. 实验操作演示（10分钟）教师演示发酵实验操作，学生观看并学习。
6. 学生实验操作（15分钟）学生分组进行发酵实验，观察发酵过程，记录实验数据。
7. 结果分析与讨论（10分钟）学生汇报实验结果，教师点评并引导学生分析实验中的问题。
六、板书设计1. 《发酵技术》2. 主要内容：微生物发酵基本原理发酵过程中的关键因素发酵产品制备工艺发酵技术在现代工业中的应用七、作业设计1. 作业题目：结合实验内容，分析发酵过程中关键因素对发酵效果的影响。
设计一个发酵实验，用于制备某种发酵产品。
2. 答案：关键因素对发酵效果的影响：温度、pH、氧气、微生物种类等。
发酵实验设计：如制备纳豆、腐乳等。
八、课后反思及拓展延伸1. 课后反思：本节课学生掌握微生物发酵的基本原理和发酵技术在现代工业中的应用，培养实践操作能力。
生物技术专业微生物发酵工程.pdf
生物技术专业《微生物发酵工程》实践教学指导书南开大学生命科学学院指导教师：王淑芳 宋存江编制说明及实践教学要求发酵工程实践教学是微生物发酵工程教学的必要环节，可以弥补理论教学与实验教学中的不足。
在实践教学大纲中明确规定了学生实践教学的内容。
重点掌握和熟悉那些在理论和实验教学中所缺失，但又是微生物发酵工程体系所必需掌握的知识内容：如：工业规模发酵工程生产的特点、工业规模的发酵与产物分离纯化、工业规模发酵与分离装置、污水处理工程的状况等。
（一）为了强化实践教学课程的教学效果，课程组编写了《实践教学指导书》。
内容包括：实践教学的意义和实施方法、实习基地及实践内容、实践教学成绩评定方法以及实习报告要求等部分。
（二）实践教学的意义、实施方法介绍了实践教学的重要意义，实践教学的实施方法及注意事项。
（三）主要实习基地及实践内容：介绍了主要实践教学基地的基本情况和主要实践内容。
实习基地包括：石家庄华北制药集团有限公司（国家微生物药物工程研究中心）、天津金耀集团（天津药业股份有限公司）、华立达制药有限公司、天津生物芯片技术有限责任公司、诺维信生物技术公司、天津工业微生物研究所（天津实发中科百奥工业生物技术有限公司）、天津天士力制药公司、河北制药厂(核黄素发酵)、天津新星兽药厂、天津经济技术开发区污水处理中心、纪庄子污水处理厂、大港污水处理厂、东丽区污水处理厂、天津市氨基酸公司制造车间、中美史克制药有限公司、天津大冢制药有限公司等企业、研究院、所等。
本指导书介绍了其中主要实习地基概况。
（三） 实践教学成绩评定方法：包括：学生的实践教学态度（20分），学生在实践教学中提出学术或技术问题及解决问题的建议（20分）；学生实践教学实习报告（60），其中，实践教学的体会（12分），观察到的某一单元生产操作（如：干燥、提取等）的理论方法与实际运行情况介绍或比较（12分），产品生产流程图（12分），工业规模仪器、设备照片（12分），实习报告格式（6分）和参考文献的查阅（6分）等（四）实习报告要求：回顾参观、考察、认识实习的过程；得到的信息、收获、体会；学到什么东西；发现什么问题，有什么合理化建议；实践教学对你产生了什么影响（如深化课堂教学理解、理论联系实际的重要性等）。
南开大学微生物发酵工程-4微生物发酵过程
生
补料分批发酵 (Fed-batch Fermentation )
物 发
连续发酵 (Continuous Fermentation )
酵
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 )
底物
椰子果渣
麸皮，玉米穗，木薯粉， 甘蔗渣等
大麦，大米，玉米 玉米穗 甘蔗渣 大麦粒
向日葵种子 豆渣 麸皮
黏土及稻草复合培养基 大米糠
固体发酵和液体发酵的区别
性质
固态发酵
液体发酵
培养基中水分及 营养物浓度 培养体系状态和 营养物扩散 接种和供氧问题
系统压力和能耗
代谢热量排除和 代谢热去除
微生物生长基质 和底物浓度 发酵均匀度和发 酵结束产物浓度 产物提取和生产 率
气体循环和通气不仅可提供氧气和排除挥发性产物，而且也排除代 谢热量；代谢热去除比较困难，主要依靠通气蒸发冷却，易造成局 部水分缺乏
气体循环和通气仅仅提供氧气和排除挥发性产物，代谢热量需要冷 却水排除；代谢热驱除比较容易通过冷却水控制，不存在通气造成 水分缺乏
微生物吸附于固态底物的表面生长或渗透到固态底物内生长；高底 微生物均匀分布在培养体系中；高底物浓度产生非牛顿流体问题，
物浓度可以生产高的产物浓度
需要补料系统
发酵不均匀，菌体的生长，对营养物的吸收和代谢产物的分泌在各 处都是不均匀；发酵结束时，培养基是湿物料状态，产物浓度高
发酵均匀；发酵结束时，培养基是液体状态，产物浓度低
由于产物量高，提取工艺简单可控，因此没有大量有机废液产生， 但是提取物含有底物成分；使用浓缩的培养基和较小的固态发酵生 物反应器，因此生产率高，而得率和生长速率低
微生物技术应用——发酵工艺
每一种微生物都有一定的最适生长温度
微生物技术应用
范围。当微生物处于最低温度以下时，代谢
作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过
最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和
酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短
时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一
特性而进行的。
微生物技术应用——发酵工艺
4.蒸汽灭菌中的相关定义
3.培养基灭菌的目的:
微生物技术应用
杀灭培养基中的微生物，为后
续发酵过程创造无菌的条件。
微生物技术应用——发酵工艺
灭菌的目的、要求
4.培养基灭菌的要求
（1）达到要求的无菌程度（10-3）
微生物技术应用
（2）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程
中，培养基组分的破坏，是由两个基本类型的
反应引起的：
▪培养基中不同营养成分间的相互作用；
▪对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解。
微生物技术应用——发酵工艺
三、灭菌的方法、原理
微生物技术应用
1、化学灭菌
2、物理灭菌
微生物技术应用——发酵工艺
1、化学灭菌：
定义：用化学物质杀灭微生物的灭菌操作。
化学灭菌剂：氧化剂类等，卤化物类，有机
化合物等。
微生物技术应用
机理：蛋白质变性，酶失活，破坏细胞膜透
③ 淀粉、糊精
使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类
缺点：难利用；
发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α淀粉酶；
成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。
优点：来源广泛、价格底
难利用，可以解除葡萄糖效应
微生物技术应用——发酵工艺
3、工业上常用的糖类
发酵工程--ppt课件(2024版)
分批发酵的优缺点
➢ 优点 操作简单 操作引起染菌的概率低 不会产生菌种老化和变异问题
➢ 缺点 非生产时间较长、设备利用率低
➢ 根据不同发酵类型，每批发酵需要十 几个小时到几周时间。
➢ 全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的 培养基、接种、发酵过程、放罐和洗 罐，所需时间的总和为一个发酵周期。
典型的分批发酵工艺流程图
微生物分批培养的生长曲线
1.延滞期 2.加速生长期 3.指数生长期 4.减速期 5.稳定期 6.衰亡期
4.3.1.2 连续发酵
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，从而使发酵罐 内的液量维持，微生物在稳定状态（恒定的基 质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定的 菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长。
4 发酵工程
【学习目的】
1. 掌握发酵工程的基本类型和基本原理。 2. 了解典型发酵产品的生产工艺。 3. 认识发酵的基本过程及常用的发酵设备。
发酵（Fermentation）
最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酵 母作用于果汁或者发芽谷物产生CO2的现象。
巴斯德：酵母在无氧环境下的呼吸过程。 生物化学：微生物在无氧时的代谢过程。
草莓栽培
微生物酶发酵 酶普遍存在于动植物中，在人类生活中发挥着
非常重要的作用。
微生物代谢产物发酵 ①氨基酸、蛋白质、核酸——初级代谢产物 ②抗生素、生长因子等——次级代谢产物
微生物转化发酵 利用微生物把一种化合物转变成结构相关的更
有经济价值的产物。 葡萄糖→Grapevine
生物工程发酵 DNA重组的“工程菌”理论上可以生产出多种代 谢产物。
发酵工程第四章第一节
1）营养缺陷突变有关的遗传型个体
A：野生型——从自然界中分离到的未发生营养缺陷突变前的原始菌株。野生型菌株能在 相应的基本培养基上生长。 [A+B+] 。 B：营养缺陷型——野生型菌株发生了丧失某个酶合成能力的突变，只能在加有该酶合成 产物的培养基中才能生长的突变菌株。不能在基本培养基上生长，只能在完全培养基或 相应的补充培养基上生长。 [A+B-] 。 C：原养型——指营养缺陷型菌株经回变后产生的菌株。其营养要求与野生型相同，均为 [A+B+]。
22
诱变处理 结合诱变剂、诱变处理、诱变对象的实际情况，设计 诱变处理方案。
1) 诱变剂的使用方法 •单一诱变剂处理 •复合诱变剂处理 2）诱变剂的剂量控制 •处理剂量的致死率为70－80％； •高剂量会引起细胞遗传物质发生难以恢复的巨大损伤，得到遗传稳定的变异菌株
23
中间培养 发生的突变尚未表现出来之前，有一个生理表现延迟 的过程（细胞内原有酶量需稀释，需 3 代以上的繁殖 才能将突变性状表现出来）； 这个过程对筛选和获得稳定菌株极为重要的。
一个基因的自然突变频率仅10－8－10―9左右，选种几率较低
9
原因：
1、多因素低剂量的诱变效应
自然环境中低剂量的宇宙射线、各种短波辐射、低剂量诱变 物质和微生物自身代谢产生的诱变物质等作用引起的突变。
X,γ-ray,高速中子、电子、 质子、α 粒子
Photochemical decomposition High energy particle radiation Radiolysis Light, UV, Xray
3
优良生产菌种的基本特征
①高产：在较短的发酵周期内产生大量的发酵产物； ②副产物及其他产物少； ③生长繁殖能力强 , 有较强的生长速率； ④高效地将原料转化为产品； ⑤发酵原料成分波动敏感性较小，来源广泛、便宜； ⑥对需要添加的前体物质有耐受能力, 且不能将这些前体物 质作为一般碳源利用； ⑦在发酵过程中产生的泡沫要少； ⑧具有抗噬菌体感染的能力； ⑨遗传性状稳定。
(推荐)《微生物与发酵工程》PPT课件
25
类群 结构特点 遗传物质 繁殖方式 举例
病毒
无细胞结构 (核酸衣壳囊膜)
DNA或RNA
增殖：吸附→ 噬菌体 注入→合成→ 烟草花叶病毒
装配→释放 流感病毒
原核 原核(细胞壁、
生物界
膜、质)
真菌界 真核(细胞壁、
膜、质、核)
原生
真核(细胞膜、
生物界
质、核)
DNA DNA DNA
17
形态与结构
单细胞，大多由分枝发达的菌丝组成； 菌丝直径与杆菌类似，约1mm； 细胞壁组成与细菌类似； 细胞的结构与细菌基本相同，
按形态和功能可分为营养、气生和孢子丝三种。
18
1、营养菌丝
匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。一般无隔膜， 直径0.2-0.8 mm，长度差别很大
2、气生菌丝
12
荚膜
a. 主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。 b. 经特殊的荚膜染色，特别是负染色（又称背景染色）
后可在光学显微镜清楚地观察到它的存在。 b. 荚膜等并非细胞生活的必要结构，但它对细菌在环境
中的生存有利。
13
芽孢
某些细菌在 其生长发育后期， 在细胞内形成一 个圆形或椭圆形、 厚壁、含水量极 低、抗逆性极强 的休眠体，称为 芽孢(内生孢子）。
22
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：
核酸复制+蛋白质合成 核蛋白（病毒粒子）
一般可分五个阶段，即 1) 吸附 2) 侵入 3) 增殖（复制与生物合成） 4) 成熟（装配） 5) 裂解（释放）
23
艾 滋 病 毒 侵 染
24
微生物发酵工程
微生物发酵工程发酵工程，是指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，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
发酵工程的内容它是一级学科“轻工技术与工程”中的一个重要分支和重点发展的二级学科，在生物技术产业化过程中起着关键作用。
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”。
（2）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺”。
为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。
（3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。
发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。
（4）微生物是发酵工程的灵魂。
近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。
（5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。
人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。
随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。
现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。
例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。
4 第四章 微生物发酵技术共155页
模型 确证：使用预言的最优成套条件，验证结果
淮海工学院海洋学院
7
常用的优化方法
• 单因子法：实验室最常用的优化方法是单次单因 子(one-variable-at-a-time)法，这种方法是在假设 因素间不存在交互作用的前提下，通过一次改变 一个因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后 逐个因素进行考察的优化方法。但是由于考察的 因素间经常存在交互作用，使得该方法并非总能 获得最佳的优化条件。另外，当考察的因素较多 时，需要太多的实验次数和较长的实验周期。所 以现在的培养基优化实验中一般不采用或不单独 采用这种方法，而采用多因子试验。
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称
淮海工学院海洋学院
8
• 多因子试验
• 多因子试验需要解决的两个问题:(1)哪些因 子对响应具有最大(或最小)的效应，哪些因 子间具有交互作用。(2)感兴趣区域的因子 组合情况，并对独立变量进行优化
淮海工学院海洋学院
9
正交实验设计
• 正交实验设计是安排多因子的一种常用方法，通过合理的实验 设计，可用少量的具有代表性的试验来代替全面试验，较快地 取得实验结果。
• 该法不能考察各因子的相互交互作用。
淮海工学院海洋学院
12
部分因子设计法
• 部分因子设计法与Plackett-Burman设计法 一样是一种两水平的实验优化方法，能够 用比全因子实验次数少得多的实验，从大 量影响因子中筛选出重要的因子。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
液体 发酵
液体环境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｡ 设备占地少，容 量大，可自动控制，适合大规模生产。
投资大，设备要求严格， 动力消耗比较大
表面发酵和层发酵
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
2. 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 物基质过量所引起的各种调控反应。
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
分批发酵 (Batch Fermentation)
微 生
补料分批发酵 (Fed-batch Fermentation )
物
连续发酵 (Continuous Fermentation )
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。
性质 反应器
菌种 范围 能耗
原料
分离
现代固态发酵和传统固态发酵的比较
现代固态发酵 在密闭的固态发酵反应器中进行
采用单一纯种菌株或混合菌株发酵
传统固态发酵 在极为简单的发酵容器中进行或敞口
式固态发酵
基本是自然富集发酵或强化菌种发酵
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。
麦角类生物碱 头孢霉素 头丙菌素
枯草菌溶血素 环孢素
抗真菌素 绿僵菌素
微生物
底物
苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis)
椰子果渣
藤仓赤菌(Gibberella fujikuroi)， 串珠镰孢(Fusarium moniliforme) 赭曲霉(A.ochraceus)，鲜绿曲霉(P.viridicatum) 龟裂链霉菌(Streptomyces,rimosus) 串珠镰孢(Fusarium moniliforme) 顶头孢霉(Cephalosporium acremonium) 带小棒链霉菌(Streptomyces clavuligerus) 枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis) 丝状真菌(Tolypocladium inflatum) 枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis) 金龟子绿僵菌(Metarhizium anisopliae)
4. 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。
发 酵
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 )
1. 分批发酵 (Batch 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
第四章 微生物发酵过程
(Microbial Fermentation-Process)
一. 微生物发酵的类型 二. 种子扩大培养 三. 发酵培养基 四. 发酵过程中间分析 五. 发酵终点的判断 六.主要技术经济指标
一. 微生物发酵的类型
微生物发酵的不同类型
需氧或不需要
好氧发酵 兼性发酵 厌氧发酵
√× √ ×
扩大了固态发酵的运用范围 操作能耗高，设备投资较大
需要无菌处理发酵原料
适宜于分离纯化高附加值产品
限于传统食品的生产
操作能耗低，设备投资小，劳动强度 大
可直接利用价格低廉的粮食和纤维素 原料，
产品处理一般较简单，可直接烘干
固态发酵生物活性物质
生理活性物质 伴孢晶体
（细菌内毒素）
赤霉素
赭曲毒素 土霉素
高细胞密度发酵成功的实例
菌 种 基础培养基
发酵罐
补料方法
细胞干重(g/L)
大肠杆菌 葡萄糖矿物 盐或甘油矿物盐
枯草杆菌 含葡萄糖的完全 培养基
毕氏酵母 葡萄糖，矿物盐 补加甲醇
搅拌罐 搅拌罐 搅拌罐
葡萄糖（甘油） 非限制指数补料
140-150
补料分批培养
185
补加葡萄糖调节pH
补料分批培养， 100
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。
5. 高密度发酵 (High Cell Density Fermentation )
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15-4 列举了几种微生物的高密度发酵结果。
如，酵母厌氧产酒精；好氧积累菌体； 如：乳酸杆菌的乳酸发酵；
梭状芽孢杆菌的丙酮丁醉发酵等
Next page
Next page
固定化细胞
发酵形式
固体发酵和液体发酵的区别
优点
缺
点
固体 发酵
投资少，设备简单，操作容易可因陋就简， 因地制宜，利用农副产品以及下脚料作为 原料进行生产。
广房面积大劳动强度 大不易机械化操作。
培养时间(h) 30-40 30 50-120
高密度发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。
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
微
生
物
间歇发酵或连续进行
发
酵
菌种状态
表面发酵 深层发酵
分批发酵
补料分批发酵
连续发酵 游离发酵
×√
固定化发酵
单一或混合菌种
单一纯种发酵 双菌发酵 混合发酵
另外，细胞固定化，生物法处理废水，细菌采矿等等;
空气
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
重组原核微生物生产的部分蛋白药物
药物名称
α1-抗胰蛋白酶 (α1-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 (colony 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)