发酵工程技术概论讲稿.ppt

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1、发酵工程技酵工程技术概概论第一页，讲稿共五十一页哦第一节第一节 概述概述第二节第二节 优良菌种的选育优良菌种的选育第三节第三节 发酵的基本过程发酵的基本过程第四节第四节 发酵方式发酵方式第五节第五节 发酵工艺控制发酵工艺控制第六节第六节 发酵产物的提取发酵产物的提取第七节第七节 发酵设备发酵设备第八节第八节 基因工程在发酵工程中的应用基因工程在发酵工程中的应用第九节第九节 发酵工程的发展展望发酵工程的发展展望第二页，讲稿共五十一页哦第一节第一节 概述概述一、发酵工程（一、发酵工程（fermentation engineering），又称微生），又称微生物工程：物工程：p通过微生物完整的细胞自催

2、化完成生物化学反应过程，通过微生物完整的细胞自催化完成生物化学反应过程，微生物既能正常生长又能过量积累目的产物，提供微生物既能正常生长又能过量积累目的产物，提供工业工业产品产品。p包括：抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶制剂、蛋包括：抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶制剂、蛋白质、基因工程药物、核酸类物质等。白质、基因工程药物、核酸类物质等。第三页，讲稿共五十一页哦v抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？1.某些微生物因争夺生存环境或营养物，

3、会产生某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素抗生素将其将其他种类的微生物杀死。他种类的微生物杀死。2.微生物会产生微生物会产生蛋白酶、纤维素酶蛋白酶、纤维素酶和和淀粉酶淀粉酶，将营养物质水，将营养物质水解成可吸收的小分子多肽或氨基酸、葡萄糖。解成可吸收的小分子多肽或氨基酸、葡萄糖。3.微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括包括氨基酸、核苷酸氨基酸、核苷酸等。等。第四页，讲稿共五十一页哦二、发酵工程发展的二、发酵工程发展的4 4个阶段个阶段第一阶段第一阶段-天然发酵阶段：天然发酵阶段：发酵技术开始于家庭小制作，传发酵技

4、术开始于家庭小制作，传统的酿酒、制酱等。技术进步缓慢，完全是经验式的，并统的酿酒、制酱等。技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。不知道其中的原理。1675年荷兰人列文虎克发明了显微镜。年荷兰人列文虎克发明了显微镜。法国巴斯德在法国巴斯德在18571876持续研究发酵作用。持续研究发酵作用。第二阶段第二阶段-传统发酵工业阶段：传统发酵工业阶段：开始了解发酵现象的本质，开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模采用开放式的发酵方式，生产过程及设备较为简单，规模不大。不大。19001940人工控制微生物发酵过程（纯培养阶段）人工控制微生物发酵过程（纯培养阶

5、段），新产品酵母、甘油、乳酸、柠檬酸、丙酮和丁醇（第一，新产品酵母、甘油、乳酸、柠檬酸、丙酮和丁醇（第一个工业发酵产品）个工业发酵产品）第五页，讲稿共五十一页哦第三阶段第三阶段-现代发酵工业阶段：现代发酵工业阶段：通气搅拌技术阶段（深层通通气搅拌技术阶段（深层通气培养法），技术要求高、发展速度快；生产规模大；菌气培养法），技术要求高、发展速度快；生产规模大；菌种生产能力大幅提高，新产品、新技术、新设备的应用达种生产能力大幅提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。到前所未有的程度。1942年青霉素工业化生产。年青霉素工业化生产。第四阶段第四阶段-生物技术产业阶段：生物技术产业阶段：

6、利用基因工程菌进行发酵。利用基因工程菌进行发酵。第六页，讲稿共五十一页哦三、发酵工程的研究内容三、发酵工程的研究内容v生产菌种的培养和选育（生产菌种的培养和选育（菌种菌种）v培养基制备和灭菌（培养基制备和灭菌（培养基培养基）v发酵发酵条件条件的优化与控制（通气搅拌、溶氧、发酵及条件的优化与控制（通气搅拌、溶氧、发酵及条件的优化、发酵过程参数控制、反应器的设计）的优化、发酵过程参数控制、反应器的设计）v产物的分离、提取与精制等（产物的分离、提取与精制等（纯化纯化）v发酵工业的生产水平取决于三个要素：发酵工业的生产水平取决于三个要素：生产菌种、发酵工艺、发酵设备生产菌种、发酵工艺、发酵设备第七页，

7、讲稿共五十一页哦第八页，讲稿共五十一页哦第二节第二节 优良菌种的选育优良菌种的选育一、菌种选育的物质基础：一、菌种选育的物质基础：遗传物质（遗传物质（DNA）二、自然选育二、自然选育不经过人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程不经过人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程正变菌株：正变菌株：生长良好、生产水平提高、对生产有利的变异个体生长良好、生产水平提高、对生产有利的变异个体负变菌株负变菌株：生产能力下降、形态出现异性，生产水平下降，菌生产能力下降、形态出现异性，生产水平下降，菌 种退化种退化特点：特点：纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产纯化菌种、防止菌种衰退

8、、稳定生产水平、提高产物产量；但效率低、进展慢，通常将自然选育和诱变育种交替使用量；但效率低、进展慢，通常将自然选育和诱变育种交替使用第九页，讲稿共五十一页哦第十页，讲稿共五十一页哦三、诱变育种三、诱变育种 用人工方法来诱发突变是加速基因突变的重要手段，突用人工方法来诱发突变是加速基因突变的重要手段，突变部位一般是在遗传物质变部位一般是在遗传物质DNA上，因此突变后性状能稳定的上，因此突变后性状能稳定的遗传。遗传。（一）方法和原理（一）方法和原理1.诱变机制诱变机制（1）微小损伤突变：碱基置换、移码突变）微小损伤突变：碱基置换、移码突变（2）染色体畸变：由于遗传物质的缺失或重排造成（易位、）染

9、色体畸变：由于遗传物质的缺失或重排造成（易位、倒位、缺失、重复）倒位、缺失、重复）（3）染色体组突变：指由有丝分裂或减数分裂异常而产生的）染色体组突变：指由有丝分裂或减数分裂异常而产生的染色体数目或组数的变化。染色体数目或组数的变化。第十一页，讲稿共五十一页哦第十二页，讲稿共五十一页哦2.诱变剂及作用方式：诱变剂及作用方式：诱变剂：诱变剂：能诱发基因突变并使突变率提高到超过自发突变水能诱发基因突变并使突变率提高到超过自发突变水平的物理化学因子。平的物理化学因子。（1 1）物理诱变剂）物理诱变剂 紫外线紫外线、x x射线、射线、射线、快中子、射线、快中子、射线、射线、射线和射线和超声波等。超声波

10、等。第十三页，讲稿共五十一页哦（2）化学诱变剂）化学诱变剂 金属离子、一般化学试剂、生物碱、抗代谢物、生长刺激金属离子、一般化学试剂、生物碱、抗代谢物、生长刺激素、抗生素、高分子化合物、杀菌剂、染料等。素、抗生素、高分子化合物、杀菌剂、染料等。对对DNA的作用形式：的作用形式：a.与一个或多个核酸碱基起化学反应，引起与一个或多个核酸碱基起化学反应，引起DNA复制时碱基配复制时碱基配对的转换而导致变异；如亚硝酸、硫酸二乙酯等对的转换而导致变异；如亚硝酸、硫酸二乙酯等b.与天然碱基相似的类似物掺入到与天然碱基相似的类似物掺入到DNA分子上引起的；如分子上引起的；如5-溴溴尿嘧啶、尿嘧啶、8-氮鸟嘌

11、呤等氮鸟嘌呤等c.DNA分子上减少或增加一两个碱基引起碱基突变点以下的全分子上减少或增加一两个碱基引起碱基突变点以下的全部遗传密码转录和翻译的错误部遗传密码转录和翻译的错误-移码突变。如吖啶类物质移码突变。如吖啶类物质第十四页，讲稿共五十一页哦三、诱变育种三、诱变育种（二）诱变和筛选（二）诱变和筛选a.a.诱变诱变-以合适的诱变剂处理细胞悬浮液以合适的诱变剂处理细胞悬浮液包括：包括：出发菌株的选择出发菌株的选择-诱变剂种类和诱变剂剂量的选择诱变剂种类和诱变剂剂量的选择-合理的使用方法合理的使用方法b.b.筛选筛选-用合适的方法淘汰负变异株，选出性能优良的正用合适的方法淘汰负变异株，选出性能优良

12、的正变异株变异株包括：包括：初筛初筛初筛初筛-重复筛选重复筛选-突变株性能检测突变株性能检测-直到获得新直到获得新的优良菌株的优良菌株第十五页，讲稿共五十一页哦第十六页，讲稿共五十一页哦实用意义较大的初筛方法有以下几种：实用意义较大的初筛方法有以下几种：自身耐药突变株：自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素；开始合耐受自身分泌的抗生素；开始合成抗生素的时间提早，产量也有所提高成抗生素的时间提早，产量也有所提高结构类似物或前体类似物的耐受突变株：结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除反馈抑解除反馈抑制，积累过量产物制，积累过量产物营养缺陷型突变株及其回复突变株：营养缺陷型突变株及其回复突变株：解

13、除反馈抑制、解除反馈抑制、阻断分支途径阻断分支途径 第十七页，讲稿共五十一页哦四、原生质体融合四、原生质体融合v原生质体：原生质体：除去细胞壁的细胞，或是被质膜所包围的裸露除去细胞壁的细胞，或是被质膜所包围的裸露细胞。细胞。v原生质体融合：原生质体融合：指通过人为的方法，使遗传性状不同的两指通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。稳定重组子的过程。第十八页，讲稿共五十一页哦1.原生质体融合的一般程序：原生质体融合的一般程序：v溶壁作用：细菌、放线菌（溶菌酶）、真菌（蜗牛酶）、溶壁

14、作用：细菌、放线菌（溶菌酶）、真菌（蜗牛酶）、霉菌（蜗牛酶、纤维素酶）霉菌（蜗牛酶、纤维素酶）v原生质体在高渗溶液下用原生质体在高渗溶液下用PEG作助融剂，将两种亲株原生作助融剂，将两种亲株原生质体进行融合质体进行融合v在选择培养基上培养，挑出融合重组子在选择培养基上培养，挑出融合重组子第十九页，讲稿共五十一页哦2.影响融合的因素影响融合的因素 菌龄：菌龄：一般一般采用对数前期的菌体采用对数前期的菌体，原生质体形成率较高，原生质体形成率较高培养基成分：培养基成分：在限制性培养基上在限制性培养基上比在于完全培养基上比在于完全培养基上原生原生质体形成效果好质体形成效果好，可能是由于完全培养基中的有

15、机成分或，可能是由于完全培养基中的有机成分或某些金属离子会引起细胞壁成分的改变，导致对溶壁酶敏某些金属离子会引起细胞壁成分的改变，导致对溶壁酶敏感性的改变。感性的改变。PEG：相对分子质量（相对分子质量（4000或或6000）、浓度（）、浓度（3040%）外界因素外界因素：高渗溶液配制、再生培养基中加入酵母膏促进：高渗溶液配制、再生培养基中加入酵母膏促进再生速度、原生质体密度要适当再生速度、原生质体密度要适当第二十页，讲稿共五十一页哦3.3.原生质体融合育种原生质体融合育种v意义：意义：打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因重组。可使遗传物质传

16、递更为完整、获得更多基因重组的重组。可使遗传物质传递更为完整、获得更多基因重组的机会。去除了细胞壁屏障，融合重组频率比较高。可与其机会。去除了细胞壁屏障，融合重组频率比较高。可与其他育种方法相结合，如把常规诱变和原生质体诱变所获得他育种方法相结合，如把常规诱变和原生质体诱变所获得的优良性状，组合到一个单株中。的优良性状，组合到一个单株中。v用途：用途：改良菌株，提高代谢产物的产量，打破种属界限、改良菌株，提高代谢产物的产量，打破种属界限、产生重组子，有可能产生新的化合物。产生重组子，有可能产生新的化合物。第二十一页，讲稿共五十一页哦第二十二页，讲稿共五十一页哦第三节第三节 发酵的基本过程发酵的

17、基本过程v 菌种菌种-种子制备种子制备-发酵发酵-发酵液预处理发酵液预处理-提取精制提取精制 第二十三页，讲稿共五十一页哦第二十四页，讲稿共五十一页哦一、菌种一、菌种对生产菌种的要求：产量高、生长快、性能稳定、容易培养对生产菌种的要求：产量高、生长快、性能稳定、容易培养生产菌种的保存：生产菌种的保存：04休眠保存，砂土管或冷冻干燥管休眠保存，砂土管或冷冻干燥管二、种子的制备二、种子的制备使菌种繁殖，获得足够数量的菌体，以便接入发酵罐中使菌种繁殖，获得足够数量的菌体，以便接入发酵罐中三、发酵三、发酵使微生物产生大量的目的产物，是发酵的关键阶段。使微生物产生大量的目的产物，是发酵的关键阶段。参数：

18、通气量、搅拌转速、罐压、罐温、培养基总体积、黏参数：通气量、搅拌转速、罐压、罐温、培养基总体积、黏度、泡沫、菌丝形态、度、泡沫、菌丝形态、pH、溶氧浓度、排气中二氧化碳含量等、溶氧浓度、排气中二氧化碳含量等四、产物提取四、产物提取发酵液的预处理和过滤，提取，精制发酵液的预处理和过滤，提取，精制第二十五页，讲稿共五十一页哦第二十六页，讲稿共五十一页哦第四节第四节 发酵方式发酵方式一、分批发酵一、分批发酵 将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种、发酵将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种、发酵后再将发酵液一次放出的操作过程。后再将发酵液一次放出的操作过程。特点：特点：（1）整个培养系统与外

19、界）整个培养系统与外界没有其他物质交换没有其他物质交换（O2、CO2、消泡剂、酸碱除外）、消泡剂、酸碱除外）（2）整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物）整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变化，是一种浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法非稳态的培养方法 第二十七页，讲稿共五十一页哦分批培养的优缺点分批培养的优缺点优点：优点：操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质 量容易掌握。量容易掌握。缺点：缺点：产率低产率低 应用广泛，改善中（在线监测，计算机控制）应用广泛，改善中（在线监测，计算机控制）第二十八页，讲稿共五十一页哦二、连

20、续发酵二、连续发酵 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物在的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物在近似恒定状态近似恒定状态下生长的培养方式。下生长的培养方式。特点：特点：菌浓度、产物浓度、限制性基质浓度均处于恒定状态。菌浓度、产物浓度、限制性基质浓度均处于恒定状态。应用在废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中应用在废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中第二十九页，讲稿共五十一页哦连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点优点：优点：操作稳定，利于机械化、自动化；控制稀释操作稳定，利于机械化、自动化；控制

21、稀释速率可以使发酵过程最优化，发酵周期长，产量高速率可以使发酵过程最优化，发酵周期长，产量高缺点：缺点：长期连续发酵会引起菌种退化，降低产量，长期连续发酵会引起菌种退化，降低产量，染菌机会增加，对产品类型的适应性不广，对设备染菌机会增加，对产品类型的适应性不广，对设备及附件要求高及附件要求高第三十页，讲稿共五十一页哦三、补料分批发酵三、补料分批发酵 将种子接入发酵反应器中进行培养，经过一段时间后，将种子接入发酵反应器中进行培养，经过一段时间后，间歇或连续间歇或连续补加新鲜培养基补加新鲜培养基，使菌体进一步生长的培养方法。，使菌体进一步生长的培养方法。应用广泛，用于氨基酸、抗生素等工业应用广泛，

22、用于氨基酸、抗生素等工业第三十一页，讲稿共五十一页哦补料分批发酵的优缺点补料分批发酵的优缺点优点：与分批发酵相比优点：与分批发酵相比a.a.延长次级代谢产物的生产时间延长次级代谢产物的生产时间b.b.可避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过可避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多的状况多的状况c.c.达到高浓度细胞培养达到高浓度细胞培养d.d.稀释有毒代谢产物稀释有毒代谢产物优点：与连续发酵相比优点：与连续发酵相比a.a.因为操作时间有限，降低了染菌，避免了遗传不稳定性因为操作时间有限，降低了染菌，避免了遗传不稳定性b.b.最终产物浓度较高，有利于

23、产物的分离最终产物浓度较高，有利于产物的分离c.c.使用范围广，在生产次级代谢产物和细胞高浓度培养中普遍采用。使用范围广，在生产次级代谢产物和细胞高浓度培养中普遍采用。缺点：缺点：a.a.由于没有物料取出，产物的积累最终导致生产速率的下降由于没有物料取出，产物的积累最终导致生产速率的下降b.b.由于物料的加入增加了染菌机会由于物料的加入增加了染菌机会第三十二页，讲稿共五十一页哦第五节第五节 发酵工艺控制发酵工艺控制一、培养基的影响及其控制一、培养基的影响及其控制1.碳源：占菌体干物质的碳源：占菌体干物质的50%以上是碳以上是碳主要功能：提供能源、菌体成分、产物碳架主要功能：提供能源、菌体成分、

24、产物碳架来源：来源：糖类、脂肪、有机酸、碳氢化合物糖类、脂肪、有机酸、碳氢化合物速效碳源：速效碳源：如葡萄糖，能较迅速的参与代谢、合成菌体和产如葡萄糖，能较迅速的参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，有利于菌体的生长，但有的分解生能量，并产生分解产物，有利于菌体的生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；迟效碳源：迟效碳源：如淀粉、乳糖、油脂等，被菌体缓慢利用，有利如淀粉、乳糖、油脂等，被菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，为许多微生物药物的发酵所采用

25、。为许多微生物药物的发酵所采用。第三十三页，讲稿共五十一页哦2.氮源：占菌体干物质的氮源：占菌体干物质的10%主要功能：构成细胞物质、构成蛋白质等产物的成分主要功能：构成细胞物质、构成蛋白质等产物的成分来源：来源：无机氮源、有机氮源（速效氮源氨基酸、玉米浆、迟无机氮源、有机氮源（速效氮源氨基酸、玉米浆、迟效氮源黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉）效氮源黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉）速效氮源：速效氮源：如氨基酸、玉米浆等，有利于菌体的生长；如氨基酸、玉米浆等，有利于菌体的生长；迟效氮源：迟效氮源：如黄豆饼粉、花生饼粉等，有利于代谢代谢产物如黄豆饼粉、花生饼粉等，有利于代谢代谢产物 的形成的形成第三十四

26、页，讲稿共五十一页哦3.无机盐和微量元素无机盐和微量元素主要功能：主要功能：构成菌体原生质的成分（构成菌体原生质的成分（S、P）、作为酶的组成）、作为酶的组成部分或维持酶的活性（镁、铁、锌、钙、磷等）部分或维持酶的活性（镁、铁、锌、钙、磷等）、调节细胞、调节细胞的渗透压（的渗透压（NaCl、KCl等）和等）和pH，参与产物的合成，参与产物的合成4.水水：物质溶解和生化反应的基础：物质溶解和生化反应的基础功能：功能：机体的重要组成成分、参加一些代谢反应、良好溶剂机体的重要组成成分、参加一些代谢反应、良好溶剂和热导体和热导体第三十五页，讲稿共五十一页哦二、温度的影响及其控制二、温度的影响及其控制1

27、.1.影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素 （1 1）生物热：）生物热：微生物在生长繁殖过程中产生的热能；与培微生物在生长繁殖过程中产生的热能；与培养基成分、培养时间、呼吸强度有关养基成分、培养时间、呼吸强度有关（2 2）搅拌热：）搅拌热：搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间摩擦所产生的产生的热量间摩擦所产生的产生的热量（3 3）蒸发热：）蒸发热：水分蒸发所需热能水分蒸发所需热能（4 4）辐射热：）辐射热：罐内外气温差使热能向大气辐射的热量罐内外气温差使热能向大气辐射的热量第三十六页，讲稿共五十一页哦2.温度的选择与控制温度的选择与控制（1）最

28、适发酵温度的选择：）最适发酵温度的选择：最适生长温度最适生长温度、最适生产温度最适生产温度变温发酵，如青霉素发酵变温发酵，如青霉素发酵 305h-2535h-2085h-2540h-放罐；青霉素产量比放罐；青霉素产量比25恒温发酵高恒温发酵高14.7%（2）温度控制）温度控制一般不需加热，冷却水（冷冻盐水）通过夹层循环冷却一般不需加热，冷却水（冷冻盐水）通过夹层循环冷却第三十七页，讲稿共五十一页哦三、溶氧的影响及其控制三、溶氧的影响及其控制1.1.溶氧的影响溶氧的影响最适氧浓度：最适氧浓度：菌体生长或产物合成最适浓度范围菌体生长或产物合成最适浓度范围临界氧浓度：临界氧浓度：满足微生物呼吸的最低

29、氧浓度满足微生物呼吸的最低氧浓度2.2.发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化溶氧异常下降（污染好气杂菌，菌体代谢异常，设备故障）溶氧异常下降（污染好气杂菌，菌体代谢异常，设备故障）溶氧异常升高（污染噬菌体，菌体代谢异常）溶氧异常升高（污染噬菌体，菌体代谢异常）第三十八页，讲稿共五十一页哦3.溶氧浓度的控制溶氧浓度的控制 溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。供氧方面：供氧方面：a.调节搅拌转速调节搅拌转速b.调节通气速率调节通气速率需氧方面：需氧方面：a.菌体浓度：耗氧量、氧传递速率菌体浓度：耗氧量、氧传递速率b.基质种类和浓度基质种类和浓度c.培养条件：如温

30、度、中间补水等培养条件：如温度、中间补水等第三十九页，讲稿共五十一页哦四、四、pH的影响及其控制的影响及其控制1.pH对发酵的影响对发酵的影响a.影响酶的结构和活性影响酶的结构和活性b.影响微生物对基质的利用速率和细胞的结构影响微生物对基质的利用速率和细胞的结构c.影响微生物细胞膜的电荷状况影响微生物细胞膜的电荷状况d.影响代谢方向影响代谢方向2.pH的变化的变化 取决于所用的菌种、培养基的成分、培养条件取决于所用的菌种、培养基的成分、培养条件第四十页，讲稿共五十一页哦3.发酵发酵pH的确定和控制的确定和控制（1）发酵）发酵pH的确定：的确定：菌种、培养基组成、培养条件、温度菌种、培养基组成、

31、培养条件、温度微生物发酵的最适微生物发酵的最适pH范围一般在范围一般在58之间，根据实验确定，之间，根据实验确定，即配制不同初始即配制不同初始pH的培养基，考察发酵情况。的培养基，考察发酵情况。（2）发酵）发酵pH的控制的控制常用的控制方法有：常用的控制方法有：调整发酵培养基的基础配方达到适当配比，使调整发酵培养基的基础配方达到适当配比，使pH变化在变化在合适范围内合适范围内通过加酸碱：硫酸铵、氨水通过加酸碱：硫酸铵、氨水采用中间补料的方法：如尿素采用中间补料的方法：如尿素第四十一页，讲稿共五十一页哦第四十二页，讲稿共五十一页哦第六节第六节 发酵产物的提取发酵产物的提取一、吸附法一、吸附法 利

32、用适当的吸附剂（活性炭、白陶土、氧化铝等），在利用适当的吸附剂（活性炭、白陶土、氧化铝等），在一定的一定的pH条件下，使发酵液中的抗生素被吸附剂吸附，然后条件下，使发酵液中的抗生素被吸附剂吸附，然后改变改变pH，以适当的洗脱剂（一般是有机溶剂）把抗生素从吸，以适当的洗脱剂（一般是有机溶剂）把抗生素从吸附剂上解吸下来，以达到浓缩和纯化的目的。附剂上解吸下来，以达到浓缩和纯化的目的。优点：优点：操作简单，原料易解决，成本低操作简单，原料易解决，成本低缺点：缺点：吸附剂吸附性能不稳定，选择性不高，不能连续操吸附剂吸附性能不稳定，选择性不高，不能连续操作，影响环境卫生，所以一般不采用作，影响环境卫生，

33、所以一般不采用第四十三页，讲稿共五十一页哦二、沉淀法二、沉淀法 是指利用某些抗生素具有两性的性质，使其在等电点时是指利用某些抗生素具有两性的性质，使其在等电点时从溶液中沉淀出来或在一定从溶液中沉淀出来或在一定pH条件下，能与某些酸、碱或金条件下，能与某些酸、碱或金属离子形成不溶性或溶解度很小的复盐，使抗生素从发酵滤属离子形成不溶性或溶解度很小的复盐，使抗生素从发酵滤液中沉淀下来，以及改变液中沉淀下来，以及改变pH等条件时，此种复盐又易分解或等条件时，此种复盐又易分解或重新溶解的特性，来提取抗生素的一种方法。重新溶解的特性，来提取抗生素的一种方法。优点：优点：设备简单，原料易解决，节省溶剂，成本

34、低，收率高设备简单，原料易解决，节省溶剂，成本低，收率高缺点：缺点：过滤较困难，往往和溶剂法结合使用过滤较困难，往往和溶剂法结合使用 第四十四页，讲稿共五十一页哦三、溶剂萃取法三、溶剂萃取法 利用抗生素在不同的利用抗生素在不同的pH条件下以不同的化学状态存在，条件下以不同的化学状态存在，以及它们在水及与水不互溶的溶剂中溶解度的不同的特性，以及它们在水及与水不互溶的溶剂中溶解度的不同的特性，使抗生素从一种液体转移到另一个液体中去，以达到浓缩和使抗生素从一种液体转移到另一个液体中去，以达到浓缩和提纯的目的。提纯的目的。优点：优点：产品纯度高，浓缩倍数大，能连续生产，周期短产品纯度高，浓缩倍数大，能

35、连续生产，周期短缺点：缺点：溶剂耗量大，成本高，设备要求高（溶剂回收，防火溶剂耗量大，成本高，设备要求高（溶剂回收，防火 防爆）防爆）第四十五页，讲稿共五十一页哦四、离子交换法四、离子交换法 利用某些抗生素能离解成阳离子或阴离子的特性，使其利用某些抗生素能离解成阳离子或阴离子的特性，使其与离子交换树脂进行选择性交换作用，再用洗脱剂从树脂上与离子交换树脂进行选择性交换作用，再用洗脱剂从树脂上将抗生素洗脱下来，以达到浓缩和提纯的目的。将抗生素洗脱下来，以达到浓缩和提纯的目的。优点：优点：成本低，设备简单，节省溶剂，操作方便成本低，设备简单，节省溶剂，操作方便缺点：缺点：周期长，周期长，pH变化大，

36、不适于稳定性差的抗生素变化大，不适于稳定性差的抗生素第四十六页，讲稿共五十一页哦第七节第七节 发酵设备发酵设备理想的微生物细胞生物反应器的基本要求理想的微生物细胞生物反应器的基本要求1.生物反应器的材料无毒，稳定性好，一般用不锈钢制成生物反应器的材料无毒，稳定性好，一般用不锈钢制成2.密封良好，避免污染密封良好，避免污染3.生物反应器的结构：满足传质、传热、混合的性能生物反应器的结构：满足传质、传热、混合的性能4.容器内表面光滑，无死角，利于清洁灭菌容器内表面光滑，无死角，利于清洁灭菌5.任何接口处都不能有泄漏任何接口处都不能有泄漏6.搅拌器转速和通气应适当搅拌器转速和通气应适当7.能自动控制

37、和调节多种理化参数能自动控制和调节多种理化参数第四十七页，讲稿共五十一页哦第八节第八节 基因工程在发酵工程基因工程在发酵工程中的应用中的应用一、基因工程在抗生素生产中的应用一、基因工程在抗生素生产中的应用（一）提高抗生素产量（一）提高抗生素产量1.增加生物合成中限速阶段酶系基因的拷贝数增加生物合成中限速阶段酶系基因的拷贝数2.通过调节基因的作用：增加正调节基因或降低负调节基因通过调节基因的作用：增加正调节基因或降低负调节基因的作用的作用3.增加抗性基因：有些抗性基因是和抗生素的生物合成基因增加抗性基因：有些抗性基因是和抗生素的生物合成基因连锁，它们的转录有可能也是紧密相连的，是激活生物合连锁，

38、它们的转录有可能也是紧密相连的，是激活生物合成基因进行转录的必需成分。成基因进行转录的必需成分。第四十八页，讲稿共五十一页哦（二）改善抗生素组分（二）改善抗生素组分 应用基因工程方法可以定向的改造抗生素产生菌，获得应用基因工程方法可以定向的改造抗生素产生菌，获得只产生有效组分的菌种。只产生有效组分的菌种。（三）改进抗生素生产工艺（三）改进抗生素生产工艺 利用重组利用重组DNADNA技术，把血红蛋白基因克隆到生产菌种，技术，把血红蛋白基因克隆到生产菌种，提高传氧速率，解除供氧水平对高产发酵的限制。提高传氧速率，解除供氧水平对高产发酵的限制。第四十九页，讲稿共五十一页哦（四）产生杂合抗生素（四）产

39、生杂合抗生素杂合抗生素是通过遗传重组技术产生的新的抗菌活性化合物。杂合抗生素是通过遗传重组技术产生的新的抗菌活性化合物。1.生物合成途径中某个酶基因突变：生物合成途径中某个酶基因突变：会使中间产物积累，也可会使中间产物积累，也可能使合成途径越过变异的酶直接由后续酶作用进行生物合成，能使合成途径越过变异的酶直接由后续酶作用进行生物合成，从而产生一系列新的抗生素衍生物。从而产生一系列新的抗生素衍生物。2.在生物合成途径中引入一个酶基因在生物合成途径中引入一个酶基因3.利用底物特异性不强的酶，催化形成不同的新产物利用底物特异性不强的酶，催化形成不同的新产物第五十页，讲稿共五十一页哦（五）组合生物合成

40、（五）组合生物合成 在了解微生物生物合成途径以及克隆有关生物合成、调在了解微生物生物合成途径以及克隆有关生物合成、调节等基因的基础上，在体外对这些不同来源（种内或种外）节等基因的基础上，在体外对这些不同来源（种内或种外）的基因进行删除、添加、取代以及重组，然后导入到一个适的基因进行删除、添加、取代以及重组，然后导入到一个适当的微生物宿主中并定向合成所需的一系列化合物，例如新当的微生物宿主中并定向合成所需的一系列化合物，例如新抗生素或其他一些新的生理活性物质。它与组合化学的主要抗生素或其他一些新的生理活性物质。它与组合化学的主要区别是在基因水平上由微生物合成各种各样的化合物。区别是在基因水平上由微生物合成各种各样的化合物。组合生物合成的特点：组合生物合成的特点：通过多个催化功能的组合完成复杂化合物的合成通过多个催化功能的组合完成复杂化合物的合成合成的化合物为天然产物及其衍生物合成的化合物为天然产物及其衍生物适用于化学合成困难的复杂化合物适用于化学合成困难的复杂化合物第五十一页，讲稿共五十一页哦