《发酵工程》全册配套完整教学课件.pptx

1、发酵工程全册配套完整发酵工程全册配套完整教学课件教学课件发酵工程发酵工程 课课 程程 内内 容容n第一章第一章 绪论绪论n第二章第二章 发酵工业菌种发酵工业菌种n第三章第三章 发酵工业培养基设计发酵工业培养基设计n第四章第四章 发酵工业的无菌技术发酵工业的无菌技术n第五章第五章 发酵工业的种子制备发酵工业的种子制备n第六章第六章 发酵动力学发酵动力学n第七章第七章 发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需n第八章第八章 发酵罐放大与设计发酵罐放大与设计n第九章第九章 发酵过程优化与控制发酵过程优化与控制n第十章第十章 发酵经济学发酵经济学 学习重点学习重点n基本过程基本过程n过程优化过程优化n过程

2、控制过程控制n过程放大过程放大一条主线一条主线、两个重点两个重点、三个层次三个层次、四个目标四个目标发酵工发酵工艺过程艺过程过程优化过程优化过程放大过程放大反应器反应器细胞细胞分子分子高转化率高转化率高产量高产量高效率高效率低成本低成本教材教材俞俊棠等主编俞俊棠等主编. 新编生物工艺学新编生物工艺学(上下册上下册). 化学工业出版社化学工业出版社参考书籍参考书籍 余龙江主编余龙江主编. 发酵工程原理与技术应用发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社化学工业出版社 梅乐和等主编梅乐和等主编. 生化生产工艺学生化生产工艺学. 科学出版社科学出版社 姚汝华主编姚汝华主编. 微生物工程工艺原理微生物工程

3、工艺原理. 华南理工大学出版社华南理工大学出版社 Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of Fermentation Technology. (2nd Edition) 本章内容本章内容 一、发酵工程定义及在生物技术中的地位一、发酵工程定义及在生物技术中的地位二、发酵工程发展简史二、发酵工程发展简史三、发酵工业的特点及其应用范围三、发酵工业的特点及其应用范围四、工业发酵的类型与典型过程四、工业发酵的类型与典型过程五、发酵工程前沿及应用前景五、发酵工程前沿及应用前景1.何谓发酵何谓发酵？ ferver：发泡

4、、沸腾发泡、沸腾 fermentation微生物的发酵现象一、发酵工程定义及在生物技术中的地位一、发酵工程定义及在生物技术中的地位对发酵现象的不同理解对发酵现象的不同理解 两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物）生生物物化化学学家家侧重侧重能量能量代谢代谢：1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行： 有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）（1）有氧呼吸有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）（2）糖酵解糖酵解（暂时缺氧、有

5、机物氧化不彻底、产生少量能量）（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）2、无氧呼吸无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。 指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物源的无机氧化物(个别是有机氧化物个别是有机氧化物)并释放较少能量。并释放较少能量。 根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸、硫酸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。 发酵是指有机化合物进

6、行无氧代谢发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量释放能量 的过程的过程 厌氧发酵是厌氧菌借助氧化厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应还原反应释放能量释放能量的过程的过程 发酵是酵母无氧呼吸发酵是酵母无氧呼吸产生能量产生能量的过程的过程 需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不 完全氧化完全氧化释放能量释放能量的过程的过程 生生物物化化学学家家生物化学家看待微生物发酵过程：生物化学家看待微生物发酵过程：对发酵现象的不同理解对发酵现象的不同理解 两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物）工业工业微生微生物学物学家家利用生物细胞（包括动、植物细胞）

7、利用生物细胞（包括动、植物细胞） 培养来培养来生产产物生产产物的所有过程？（需氧过程、的所有过程？（需氧过程、细胞工程）细胞工程）发酵是利用微生物培养来发酵是利用微生物培养来生产产物生产产物的无氧或需氧的任何过程的无氧或需氧的任何过程侧重侧重产品产品的生产：的生产：对发酵现象的不同理解对发酵现象的不同理解 两种角度（能量、产物）两种角度（能量、产物）发酵现象的本质发酵现象的本质n显微镜观察：微生物显微镜观察：微生物n著名的巴斯德实验：微生物作用著名的巴斯德实验：微生物作用n著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用2. 发酵工程概念？发酵工程概念？ 微生物细胞加工技术

8、过程优化与放大微生物细胞加工技术过程优化与放大 n传统发酵工程传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的动来大量生产人们所需产品的过程理论与工过程理论与工程技术体系程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。成与分离纯化制备等技术集成。n 现代发酵工程现代发酵工程：是将：是将DNA重组及细胞融合技重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放大技术等新技术与

9、传统发酵过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系（新一代工业生物技术）。生物技术体系（新一代工业生物技术）。 强调现代生物技术、控制技术和装备技术在强调现代生物技术、控制技术和装备技术在传统与现代传统与现代发酵工业领域的集成应用。发酵工业领域的集成应用。传统发酵工业：传统发酵工业：酿造及食品工酿造及食品工业、抗生素、氨基酸、核苷酸、业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药

10、、生物肥料等制剂、生物农药、生物肥料等现代发酵工业：现代发酵工业：基因工程药物、细胞基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。酵工业升级。 传统大型发酵工传统大型发酵工业的中央控制业的中央控制 现代发酵工业现代发酵工业的中央控制的中央控制 3. 发酵工程在生物技术中的地位发酵工程在生物技术中的地位 生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服

11、务的技术。供产品或为社会服务的技术。发酵工程是生物技术的应用基发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。础，是生物技术产业的核心。 分离和纯化产品。分离和纯化产品。包括固液分离技术、细包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和技术，以及产品检验和包装技术等包装技术等 下游技术发酵过程控制，主要包发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分菌环境的控制，过程分析和控制等析和控制等 中游技术广义发酵工程对生物广义发酵工程对生物学和工程学的要求学和工程学的要求 优良种株的选育和保优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、

12、改造，藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等），菌种代谢路径改造等），上游技术上中下游上中下游相互关联！相互关联！生物技术体系生物技术体系生化工程生化工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程 产物 产品产品 产品产品基因工程基因工程 产品产品强调过程优强调过程优化与控制化与控制 1900以前以前 自然发酵阶段自然发酵阶段 19001940 纯培养技术的建立纯培养技术的建立 19401950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立通气搅拌纯培养发酵技术的建立 19501960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 19601970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）开

13、拓发酵原料时期（石油发酵时期） 1970年以后年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。大规模培养技术的全面发展。 近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的现代发酵工业突飞猛进。现代发酵工业突飞猛进。二、发酵工程发展简史二、发酵工程发展简史自然发酵阶段自然发酵阶段n主要是酿造工业主要是酿造工业n主要产品：酒、酒精、醋、主要产品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等啤酒、干酪、酸乳等n17世纪，能在容量为世纪，能在容量为1500桶（一桶约桶（一桶约136升）的升）的 木质大桶中进行第一次真正的

14、大规模酿造木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 n1757年应用温度计；年应用温度计；1801 使用原始热交换器使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质，产品质 量不稳定量不稳定纯培养技术的建立纯培养技术的建立nKoch首先发明固体培养基，建立细菌首先发明固体培养基，建立细菌 的纯粹培养的纯粹培养nPetri创造一种培养皿创造一种培养皿(petri dish)用于用于 微生物平板分离微生物平板分离nWinograsky和和 Beijerink发明富集培发明富集培 养法，分离特定的微生物养法，分离特定的微生物n主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等

15、主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等n第一次世界大战，第一次世界大战， Weizmann 发明了丙酮丁发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵无杂菌发酵。n在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量 质量控制水平大大提高质量控制水平大大提高纯培养技术的建立纯培养技术的建立通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术的建立n标志：标志：纯种培养深层发酵生产青霉素纯种培养深层发酵生产青霉素 n主要技术进展：主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问

16、题。通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。发酵中的杂菌污染问题。n主要特点：主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发耗氧发酵实现规模化纯培养发 酵，一系列过程工程技术创新酵，一系列过程工程技术创新n意义：意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础奠定了现代发酵工业的理论和实践基础通气搅拌发酵

17、技术的建立通气搅拌发酵技术的建立代谢控制发酵技术的建立代谢控制发酵技术的建立n基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。制发酵。 n代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。物代谢，大量积累目标发酵产物。n主要应用：主要应用：氨基酸氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等抗生素等 开拓新的发酵原料时期开拓新的发酵原料

18、时期n目的目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲 料蛋白质的来源料蛋白质的来源 n技术进步技术进步：n发展了高压喷射式、强制循环式等多种发发展了高压喷射式、强制循环式等多种发 酵罐及其发酵技术酵罐及其发酵技术 n计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发 酵过程自动控制，促进发酵工业朝酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、连续化、 自动化方向自动化方向发展发展 n特点特点：n解决发酵原料及人畜争粮问题；解决发酵原料及人畜争粮问题；n规模和自动化程度显著提高，能耗过大。规模和自动化程度显著提高，能耗过大。开拓新的发酵原料时期开拓新的

19、发酵原料时期基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）n主要标志主要标志 基因工程产品生产以及基因工程产品生产以及基因工程技术应用基因工程技术应用n世界上已批准上市的世界上已批准上市的基因工程药物有几十基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人种，如：胰岛素、人生长激素等。生长激素等。n主要特点主要特点n基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 n高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产基因工程菌构建及

20、产品的发酵生产n主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起炼制技术的兴起基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）人胰岛素人生长激素(GH)表皮生长因子(EGF)肿瘤坏死因子白细胞介素-2(IL-2)尿激酶原猪生长激素(PGH) 牛生长激素(BGH纤维素酶, -干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促红细胞生成素(EPO)抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA)部分利用基因工程技术研制的产品发酵工程的主要前沿进展发酵工程的主要前沿进展1、原料拓展：原料拓展： 可再生资源的加工和综合利用（如纤维素原料）可再生资源的加工和

21、综合利用（如纤维素原料）：微生物生理、遗传、营养及环境因素微生物代谢途径和过程条件微生物反应动力学和系统优化以高产量、高转化率和高效率及低成本为以高产量、高转化率和高效率及低成本为目标的发酵过程优化技术目标的发酵过程优化技术：技术综合及产业化技术集成：开发清洁生产技术2、过程优化技术、过程优化技术条件确定过程优化初始条件过程分析过程强化1基于组学技术的高通量菌种改造和筛选基于组学技术的高通量菌种改造和筛选2基于组学和生物信息学代谢途径分析优化基于组学和生物信息学代谢途径分析优化菌种菌种改造改造3基于实时代谢流分析、代谢途径模型基于实时代谢流分析、代谢途径模型与自动控制技术的发酵过程优化控制与自

22、动控制技术的发酵过程优化控制发酵工发酵工艺优化艺优化4基于发酵液及产品特性的高收率、低成本、高基于发酵液及产品特性的高收率、低成本、高质量和环境友好的提取精制技术集成质量和环境友好的提取精制技术集成发酵产物发酵产物分离纯化分离纯化5基于源头防治与过程监控的资源节约基于源头防治与过程监控的资源节约与废物资源化清洁生产技术集成与废物资源化清洁生产技术集成综合治理综合治理技术优化技术优化发酵过程优化技术发酵过程优化技术细胞代谢网络示意图细胞代谢网络示意图 多层次复杂系统多尺度优化 控制技术3、多尺度生物反多尺度生物反应器优化控制技术应器优化控制技术4、生物炼制生物炼制石石 油油 炼炼 制制4、生物炼

23、制生物炼制（一）发酵工业的特点（一）发酵工业的特点 发酵过程一般是在发酵过程一般是在常温常压常温常压下进行的生化反应，下进行的生化反应， 反应安全，要求条件较简单。反应安全，要求条件较简单。 可用较廉价原料生产较高价值产品。可用较廉价原料生产较高价值产品。 反应专一性强。反应专一性强。 能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的 化合物进行特定部位的生物转化修饰。化合物进行特定部位的生物转化修饰。 三、发酵工业的特点三、发酵工业的特点 及其应用范围及其应用范围 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。 菌种是关键。菌种是

24、关键。 发酵生产不受地理、气候、季节等自然发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。条件限制。（二）发酵工业的范围（二）发酵工业的范围微生物菌体微生物菌体 酶制剂酶制剂 代谢产物代谢产物 生物转化生物转化微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用n 利用微生物消除环境污染利用微生物消除环境污染n 利用微生物发酵保持生态平衡利用微生物发酵保持生态平衡n 微生物湿法冶金微生物湿法冶金n 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域微生物菌体微生物菌体n传统菌体发酵工业传统菌体发酵工业酵母发酵酵母发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵 面包酵母面包酵母 藻类

25、藻类n现代菌体发酵工业现代菌体发酵工业杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌绿僵菌 疫苗疫苗芽孢杆菌和伴孢晶体芽孢杆菌和伴孢晶体 微生物菌体微生物菌体n新的菌体发酵产品新的菌体发酵产品: 药用功能菌体药用功能菌体 茯苓菌茯苓菌茯苓茯苓 担子真菌担子真菌灵芝、香菇类灵芝、香菇类 虫草头孢菌虫草头孢菌 密环菌密环菌 微生物菌体微生物菌体虫草头孢菌发酵生产虫草虫草头孢菌发酵生产虫草 酶制剂酶制剂n广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工n酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等酶

26、试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等n药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等n食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等n基因重组技术用酶制剂：核酸酶（基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、限制性内切酶、DNA连接酶等。连接酶等。n饲料酶制剂：木聚糖酶、饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等葡聚糖酶、纤维素酶等 葡 萄 糖丙 糖丙 酮 酸乙 酸草 酰 乙 酸柠 檬 酸 酮 戊 二 酸谷 氨 酸CO2(C4)(C6)(C5)丝

27、 氨酸甘 氨 酸（ C3N)(C2N)缬 氨 酸 （ C5N)丙丙 氨氨 酸酸（ C3N)莽 草 酸（ C7)丁 糖戊 糖核 糖半 胱 氨 酸 亮 氨 酸脯 氨 酸精 氨 酸 （ C6N4)蛋 氨 酸 （ C5N5)天 门 冬 氨 酸 （ C4N )苏 氨 酸 （ C9N )异 亮 氨 酸 （ C6N )赖 氨 酸 （ C6N2)A D P(C7N2)色 氨 酸酪 氨 酸 （ C9N )(C11N2)苯 丙 氨 酸 （ C9N )组 氨 酸 （ C6N3)各 种 氨 基 酸 的 生 物 合 成 途 径代谢产物代谢产物 葡萄糖丙糖丙酮酸乙酸草酰乙酸柠檬酸酮戊二酸谷氨酸次生代谢产物CO2(C4)(

28、C6)(C5)氨基糖苷类抗生素（糖苷部分）次生代谢产物丝氨酸甘氨酸（C3N)(C2N)缬氨酸（C5N)次生代谢产物生物甲基化甲羟戊酸（C4)IPP（C5)萜类甾体天冬氨酸（C4N)次生代谢产物丙氨酸（C3N)丙二酸（C3)脂肪酸聚酮莽草酸（C7)丁糖戊糖核糖次生代谢产物次生代谢产物核苷类抗生素初生代谢的合成过程从初生代谢从初生代谢到次生代谢到次生代谢微生物转化微生物转化 在用维生素在用维生素C一步和二步发酵法生产中一步和二步发酵法生产中,起主要氧起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或山梨醇或L-山山梨糖梨糖)的分子结构进行特异性改变。的分子结构进行特异性

29、改变。（一）工业发酵的类型（一）工业发酵的类型 固体发酵固体发酵 厌氧发酵厌氧发酵 需氧发酵需氧发酵 兼性厌氧发酵兼性厌氧发酵 液体发酵（包括液体深层发酵）液体发酵（包括液体深层发酵） 按培养基的物理性状按培养基的物理性状 浅盘固体发酵浅盘固体发酵 深层固体发酵（机械通风制曲）深层固体发酵（机械通风制曲） 按微生物对氧的不同需求按微生物对氧的不同需求四、工业发酵的类型四、工业发酵的类型 与典型过程与典型过程 按发酵工艺流程按发酵工艺流程分批发酵分批发酵补料分批发酵补料分批发酵连续发酵连续发酵单级恒化器连续发酵单级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵多级恒化器连续发酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发

30、酵带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵按菌的种类按菌的种类单菌种发酵单菌种发酵多菌种混合发酵（混合菌发酵）多菌种混合发酵（混合菌发酵）新发展的微生物培养方法新发展的微生物培养方法n载体培养载体培养n两步法液体深层培养两步法液体深层培养（二）发酵工业的基本生产过程（二）发酵工业的基本生产过程1. 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培用作种子扩大培养及发酵生产的各种培 养基的配制；养基的配制；2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；3. 扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比 例接种入发酵罐中；例接种入发酵罐中；4. 控制最适

31、发酵条件使微生物生长并形成大量的控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；代谢产物；5. 将产物提取并精制，以得到合格的产品；将产物提取并精制，以得到合格的产品；6. 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。（三）发酵工业的典型过程（三）发酵工业的典型过程深层发酵过程深层发酵过程五、发酵工业发展趋向五、发酵工业发展趋向 及应用前景及应用前景基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。前景。 不断开发和采用大型节能高效的发酵装

32、置，不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。强调代谢机理与调控研究，使微生物的强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。机能得到进一步开发。生态型发酵工业的兴起：生态型发酵工业的兴起：清洁生产清洁生产。再生资源的利用。再生资源的利用。混合菌发酵混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率。提高发酵效率。 发酵工业发展趋向及应用前景发酵工业发展趋向及应用前景清洁生产清洁生产n按照联合国环境规划署按照联合国环境规划署（UNEP）的定义：的定义：“清洁生产清洁生产是一种新的

33、创造性的思想，该思想将整体预防的环境是一种新的创造性的思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求态效益和减少人类及环境的风险。对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减降所有废弃物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到物的数量和毒性；对产品，要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要产品最终处置的全生命周期的不利影响；对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。求将环境因素纳入设计

34、和所提供的服务中。”混合菌发酵的应用混合菌发酵的应用n传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉豆豉n有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转化：与转化： 生物能源：生物制氢、生物制沼气生物能源：生物制氢、生物制沼气 生物饲料生物饲料 生物肥料生物肥料 本章内容本章内容 一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物二、二、发酵工业菌种筛选的原则与基本技术发酵工业菌种筛选的原则与基本技术三、三、发酵工业菌种改良发酵工业菌种改良对产物进行菌种筛选时，有两条经验对产物进行菌种筛选时，有两条经验：n进化上向上兼容；进化上

35、向上兼容；n次生代谢在进化上后移，芽孢菌以上才次生代谢在进化上后移，芽孢菌以上才有筛选意义。有筛选意义。一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物n细菌细菌n醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌n乳酸杆菌乳酸杆菌n枯草杆菌枯草杆菌n丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌n大肠杆菌大肠杆菌n谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌一、常用的工业微生物一、常用的工业微生物n酵母菌酵母菌n酿酒酵母酿酒酵母n假丝酵母属假丝酵母属n产朊假丝酵母产朊假丝酵母n解脂假丝酵母解脂假丝酵母n热带假丝酵母热带假丝酵母n毕赤酵母属、汉逊酵母属毕赤酵母属、汉逊酵母属n霉菌霉菌n曲霉属曲霉属n米曲霉米曲霉n黑曲霉黑

36、曲霉n青霉属青霉属n青霉菌：点青霉、产黄青霉青霉菌：点青霉、产黄青霉n桔青霉桔青霉n根霉属根霉属n德氏根霉德氏根霉n米根霉、小麦曲根霉米根霉、小麦曲根霉n红曲霉属红曲霉属n紫红曲霉紫红曲霉n放线菌放线菌n链霉菌属链霉菌属n小单孢菌属小单孢菌属n地中海诺卡氏菌地中海诺卡氏菌n米苏里游动放线菌米苏里游动放线菌 未培养微生物未培养微生物n定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微方法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例，约为生物群落中占有非常高的比例，约为99。n研究方法研究方法 模拟自然

37、培养法模拟自然培养法: 原位培养、培养条件优化、原位培养、培养条件优化、 单细胞操作单细胞操作 宏基因组分析法宏基因组分析法 二、发酵工业菌种分离筛选原则与基本技术二、发酵工业菌种分离筛选原则与基本技术（一）（一）发酵工业菌种筛选的总趋势与要求发酵工业菌种筛选的总趋势与要求（二）（二）分离筛选原理与技术分离筛选原理与技术（三）（三）应用举例应用举例1. 1. 菌种选择的总趋势菌种选择的总趋势n野生菌野生菌变异菌变异菌n自然选育自然选育代谢控制育种代谢控制育种n诱发基因突变诱发基因突变基因重组的定向育种基因重组的定向育种 （一）发酵工业菌种筛选的总趋势与要求（一）发酵工业菌种筛选的总趋势与要求

38、2. 2. 菌种选择的要求菌种选择的要求 n能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，且生成且生成的目的产物产量高、易于回收；的目的产物产量高、易于回收； n生长速度和反应速度较快，发酵周期较短；生长速度和反应速度较快，发酵周期较短；n培养条件易于控制；培养条件易于控制；n抗噬菌体及杂菌污染的能力强；抗噬菌体及杂菌污染的能力强；2. 2. 菌种选择的要求（续）菌种选择的要求（续）n菌种不易变异退化；菌种不易变异退化；n对放大设备的适应性强；对放大设备的适应性强；n菌种不是病原菌，不产生任何有害的生菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。物活性物质和毒素

39、。（二）分离筛选原理与技术（二）分离筛选原理与技术1. 筛选的指导思想筛选的指导思想2. 分离筛选工作在实际中应用的几个方面分离筛选工作在实际中应用的几个方面3. 新种分离筛选原理与技术新种分离筛选原理与技术1. 1. 筛选的两种指导思想筛选的两种指导思想 n先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。n分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株。结果有两种可能：结果有两种可能：获得适于工业发酵菌株获得适于工业发酵菌株只获得选育所需的出发菌株只获得选育所需的出发菌株 2.2.分离筛选工作在实际中应用的几个方面分离筛选工作在实

40、际中应用的几个方面n从被污染的生产及科研用菌中分离目的菌；从被污染的生产及科研用菌中分离目的菌； n生产中长期使用的菌种的定期分离筛选生产中长期使用的菌种的定期分离筛选 ；n从各种育种方法处理的微生物材料中分离筛选适于工业目从各种育种方法处理的微生物材料中分离筛选适于工业目的的优良菌株的的优良菌株 ；n从已知菌种和大自然中分离新菌株从已知菌种和大自然中分离新菌株n寻找新的发酵产品的产生菌；寻找新的发酵产品的产生菌；n寻找老产品的新的优良菌株。寻找老产品的新的优良菌株。从保藏机构获取菌种进行分离筛选有两个好处：从保藏机构获取菌种进行分离筛选有两个好处： 经济性经济性 指导性指导性设计筛选方案时必

41、须考虑两个要点设计筛选方案时必须考虑两个要点 选择性选择性灵敏度灵敏度 3.3.新种分离与筛选的步骤新种分离与筛选的步骤 调查研究（包括资料查阅）调查研究（包括资料查阅） 试验方案设计试验方案设计 含微生物样品的采集含微生物样品的采集 （如何使样品中含所需微（如何使样品中含所需微 生物的可能性大？）生物的可能性大？） 样品预处理样品预处理 （如何在后续的操作中使这种可如何在后续的操作中使这种可 能性实现）能性实现） 菌种分离菌种分离 根据目的菌株及其产物特点分根据目的菌株及其产物特点分 选择性分离方法选择性分离方法 随机分离方法随机分离方法 (定向筛选定向筛选选择压力选择压力) (用筛选方案用

42、筛选方案- 检测系统进行间接分离）检测系统进行间接分离） 富集液体培养富集液体培养 固体培养基条件培养固体培养基条件培养 (初筛初筛) 菌种纯化菌种纯化 复筛复筛 菌种分离菌种分离 菌种纯化菌种纯化 初步工艺条件摸索初步工艺条件摸索 再复筛再复筛 生产性能测试生产性能测试 较优菌株较优菌株1-3株株保藏及进一步做生产试验保藏及进一步做生产试验 某些必要试验和某些必要试验和 或作为育种的出发菌株或作为育种的出发菌株 毒性试验等毒性试验等 含微生物样品的采集含微生物样品的采集n采样时应注意的问题采样时应注意的问题:n土壤微生物的分布土壤微生物的分布n采土深度采土深度n土壤植被情况土壤植被情况n采样

43、季节采样季节n土壤的酸碱度土壤的酸碱度n对于分离筛选新菌种，还存在另两个选择标准：对于分离筛选新菌种，还存在另两个选择标准：n土壤来源广泛土壤来源广泛n在已适应相当苛刻环境压力的微生物类群中寻找新在已适应相当苛刻环境压力的微生物类群中寻找新菌种菌种样品样品的的预处理预处理n目的：提高分离效率目的：提高分离效率n方法：方法：n物理方法：热处理；膜过滤法；离心法物理方法：热处理；膜过滤法；离心法n化学方法化学方法n诱饵法诱饵法分离方法的选择分离方法的选择 n根据目的菌有无选择性特征来选择分离方法根据目的菌有无选择性特征来选择分离方法n菌种的营养特征独特菌种的营养特征独特 n生长特征独特生长特征独特

44、 n无无选择性特征选择性特征 根据产物的特征进行根据产物的特征进行 随机分离随机分离 选择性分离的关键：生长培养条件的选择与控选择性分离的关键：生长培养条件的选择与控制，从而实现定向富集筛选。制，从而实现定向富集筛选。 选择性分离选择性分离 选择性分离原理和技术选择性分离原理和技术n生长条件的选择与控制原理生长条件的选择与控制原理n控制营养成分控制营养成分 n控制培养基酸碱度控制培养基酸碱度 n添加抑制剂添加抑制剂 n控制培养温度控制培养温度 n控制通气条件控制通气条件 n选择性分离技术选择性分离技术n富集液体培养富集液体培养技术技术n固体培养技术固体培养技术施加选择压力，进行定向筛选施加选择

45、压力，进行定向筛选 A.富集液体培养富集液体培养n增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术n技术特点：给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长技术特点：给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件n培养方式培养方式 分批培养方式：以最大比生长速率分批培养方式：以最大比生长速率 （max）筛选，）筛选，存在选择压力的控制、移种时间和次数等问题存在选择压力的控制、移种时间和次数等问题 连续培养方式：以比生长速率（连续培养方式：以比生长速率（ ）筛选）筛选 ABS0基质浓度对基质浓度对A、B两种菌的比生长

46、速率（两种菌的比生长速率（）的影响）的影响 当当SS0时，富集时，富集什么什么菌株？菌株？连续富集培养技术分离菌株的优点连续富集培养技术分离菌株的优点 n分离的菌株特别适合连续发酵生产过程分离的菌株特别适合连续发酵生产过程n有利于分离具有某种工业生产特性的菌株有利于分离具有某种工业生产特性的菌株n可以筛选出能共生的稳定混合培养物可以筛选出能共生的稳定混合培养物 B. 固体培养技术固体培养技术n常用于分离某些酶产生菌常用于分离某些酶产生菌 n选择压力：在选择培养基中加入所需酶选择压力：在选择培养基中加入所需酶的基质的基质 随机分离原理与技术随机分离原理与技术n从产物入手，通过设计从产物入手，通过

47、设计高产培养基高产培养基和建立快速和建立快速灵敏专一的筛选方法，从随机分离的菌落中筛灵敏专一的筛选方法，从随机分离的菌落中筛选出所需的目的菌。选出所需的目的菌。n技术技术关键：产物合成条件的选择与控制及相应关键：产物合成条件的选择与控制及相应筛选方法的确定。筛选方法的确定。n随机分离技术举例随机分离技术举例 n抗生素产生菌的筛选抗生素产生菌的筛选n药理活性化合物产生菌的筛选药理活性化合物产生菌的筛选n生长因子产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选n多糖产生菌的筛选多糖产生菌的筛选 高产培养基设计的几个原则高产培养基设计的几个原则 n制备一系列的培养基，其中有各种类型的养分成为制备一系列的培养基，其中

48、有各种类型的养分成为生长限制因素；生长限制因素；n使用使用一一聚合或复合形式的生长限制养分；聚合或复合形式的生长限制养分；n避免使用容易同化的碳源或氮源，防止分解代谢物避免使用容易同化的碳源或氮源，防止分解代谢物阻遏；阻遏；n确定含有所需的辅因子（确定含有所需的辅因子（Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+）；）；n使使用用pH缓冲剂以减少缓冲剂以减少pH变化；变化；n前体、促进剂及抑制剂的采用。前体、促进剂及抑制剂的采用。抗生素产生菌的筛选抗生素产生菌的筛选n筛选模型：筛选模型：试验菌试验菌n筛选方法：筛选方法： 铺菌法铺菌法 复印平板法复印平板法 液体培养筛选液体培养筛选 抗药性抗药性筛选

49、筛选筛选模型：筛选模型：氨苄青霉素氨苄青霉素和和-内酰胺酶内酰胺酶产生菌（克雷白氏菌）协同产生菌（克雷白氏菌）协同 I I II II无试样时（不含棒酸时），无试样时（不含棒酸时），I I对对IIII菌作用不大菌作用不大有试样时（含棒酸时），有试样时（含棒酸时），I I对对IIII菌恢复药效，棒酸抑制水解酶活性菌恢复药效，棒酸抑制水解酶活性 固体培养筛选固体培养筛选试验菌试验菌 代表微生物类型代表微生物类型金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌209p 革兰氏阳性球菌革兰氏阳性球菌枯草杆菌枯草杆菌6633 革兰氏阳性杆菌革兰氏阳性杆菌 大肠杆菌大肠杆菌 革兰氏阴性肠道细菌革兰氏阴性肠道细菌耻垢分枝杆菌耻

50、垢分枝杆菌607 结核杆菌结核杆菌白色念珠菌白色念珠菌 酵母状真菌酵母状真菌 青霉菌青霉菌 丝状真菌丝状真菌 药理活性化合物产生菌的筛选药理活性化合物产生菌的筛选 n 药理活性化合物是指能抑制人类代谢中某一药理活性化合物是指能抑制人类代谢中某一个关键酶的微生物产物即酶抑制剂，从而达到个关键酶的微生物产物即酶抑制剂，从而达到治疗的目的。治疗的目的。n 筛选模型：目标酶筛选模型：目标酶生长因子产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选n 筛选模型：营养缺陷型试验菌筛选模型：营养缺陷型试验菌 n 筛选方法：利用被分离的微生物产物能否促进筛选方法：利用被分离的微生物产物能否促进营养缺陷型试验菌生长营养缺陷型试验