《发酵工程》课件.ppt

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1、微生物发酵工程微生物发酵工程5微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基 微生物发酵的类型和方式微生物发酵的类型和方式培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基的设计培养基的设计培养基的设计培养基的设计淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备基因工程菌的不稳定性及对策基因工程菌的不稳定性及对策5微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基2微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v一一 发酵类型发酵类型：v 发酵类型是为了描述菌体生长，碳源利发酵类型是为了描述菌体生长，碳源利用与代谢产物形成速率变化，以及它们相用与代谢产物形成速率变化，以及它们

2、相互间动力学关系而确定的。互间动力学关系而确定的。v5.1微生物发酵的类型和方式微生物发酵的类型和方式3微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基1动力学描述参数动力学描述参数菌体菌体生长生长速率速率比生比生长速率长速率菌体得菌体得率系数率系数产物得产物得率系数率系数（Vx）：单）：单位体积，单位体积，单位时间里生位时间里生长的菌体量长的菌体量 g/(L h)（）：）：菌体浓度菌体浓度除菌体生除菌体生长速率或长速率或繁殖速率繁殖速率 h-1（Yx/s）:消耗消耗1g或或1mol营养营养物质生成物质生成的菌体的的菌体的g数或数或mol数数（Yp/s）：消耗消耗1g或或1mol营养营养物质生成物

3、质生成的产物的的产物的g数或数或mol数数4微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基231v产物形成直产物形成直接与碳源利用接与碳源利用有关有关产物形成间接产物形成间接与碳源利用有与碳源利用有关关v产物形成表产物形成表面上与面上与 碳源利碳源利用有关用有关 2发酵类型发酵类型根据产物的形成与根据产物的形成与基质消耗的关系分基质消耗的关系分5微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基 2发酵类型发酵类型IIIIII特特点点菌体生长，碳菌体生长，碳源利用和产物源利用和产物形成几乎都在形成几乎都在相同的时间出相同的时间出现高峰。现高峰。v微生物生长和微生物生长和v产物合成是分产物合成是分v开的

4、。开的。糖既满糖既满v足细胞生长所足细胞生长所v需能量又充作需能量又充作v产物合成的碳产物合成的碳v源。源。v产物形成一般产物形成一般v在菌体生长接在菌体生长接v近或达到最高近或达到最高v生长时期。产生长时期。产v物形成与碳源物形成与碳源v利用无准量关利用无准量关v系。系。6微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基7微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v1 分批发酵分批发酵：是一种准封闭式系统。是一种准封闭式系统。一次投一次投料，一次接种，一次收获的间歇式培养方式。培料，一次接种，一次收获的间歇式培养方式。培养过程中，接种物要经过养过程中，接种物要经过5个时期。即延迟期、个时期。即

5、延迟期、对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。对数生长期、减速期、稳定期和衰亡期。二二 发酵方式：发酵方式：分批培养的特点分批培养的特点：操作简单、周期短、染菌机会操作简单、周期短、染菌机会少和生产过程、产品质量易掌握。但是生产率相少和生产过程、产品质量易掌握。但是生产率相对较低。对较低。8微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基9微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基细胞浓度随细胞浓度随培养时间呈培养时间呈指数增长。指数增长。细胞浓度的细胞浓度的变化率与细变化率与细胞浓度成正胞浓度成正比比。2对数生长期对数生长期细胞的比生细胞的比生长速率开始长速率开始下降下降3细胞浓度达细胞浓度达到

6、最大值，到最大值，细胞的比生细胞的比生长速率为长速率为04活细胞浓活细胞浓度不断下降度不断下降5v细胞浓度的细胞浓度的v增加不明显。增加不明显。v受菌龄和接受菌龄和接v种量的影响。种量的影响。1延迟期延迟期减速期减速期静止期静止期衰亡期衰亡期特点特点10微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v对数生长期：对数生长期：v dX/dt=Xv其中：其中：X-细胞干重细胞干重v t-时间时间v -比生长速率比生长速率v微生物的比生长速率微生物的比生长速率与微生物的种类、培养温度、与微生物的种类、培养温度、pH、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。、培养基成分及限制性基质浓度等因素有关。11微生

7、物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基12微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v分批培养过程的生产率分批培养过程的生产率 P:v 生产率生产率=产物浓度产物浓度/发酵时间发酵时间v 生产率是评价发酵过程的成本和效率的综合指生产率是评价发酵过程的成本和效率的综合指标。在分批培养时，计算时间还应包括放罐、清标。在分批培养时，计算时间还应包括放罐、清洗、装料和消毒的时间等非发酵过程所占用的时洗、装料和消毒的时间等非发酵过程所占用的时间。间。13微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基14微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v2.连续发酵连续发酵：连续发酵是指在培养过程中，连续地

8、连续发酵是指在培养过程中，连续地向发酵罐中加入培养基，同时以相同的流速从发酵向发酵罐中加入培养基，同时以相同的流速从发酵罐中排出含有产品的培养基的发酵方式。一般连续罐中排出含有产品的培养基的发酵方式。一般连续培养方式很多：搅拌发酵罐和管式反应器；恒化和培养方式很多：搅拌发酵罐和管式反应器；恒化和恒浊；循环式和非循环式；单级和多级。恒浊；循环式和非循环式；单级和多级。v 15微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基依据培养物的依据培养物的生长率是受到生长率是受到化学环境控制化学环境控制的。即培养的。即培养基中某一限基中某一限制性组分的制性组分的作用。作用。恒化恒化12控制补充的培养基控制补充

9、的培养基的流速，使培养液的流速，使培养液的细胞浓度保持恒的细胞浓度保持恒定。定。恒浊恒浊16微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基连续发酵连续发酵先作分批培养，让先作分批培养，让 微生物生长繁殖达到微生物生长繁殖达到一定程度，并进一定程度，并进 入产物合成期，然后入产物合成期，然后开始以恒定的流开始以恒定的流 量向发酵罐流加培养量向发酵罐流加培养基，同时以相同基，同时以相同 的流量排放培养液，的流量排放培养液，使发酵罐内培养液的使发酵罐内培养液的体积保持恒体积保持恒 定，微生物能持续生定，微生物能持续生长并合成产物。长并合成产物。进行单级连续进行单级连续培养时，流出培养时，流出的培养液进

10、行的培养液进行固液分离固液分离 后，后，经浓缩的细胞经浓缩的细胞悬液再被送回悬液再被送回发酵罐中的方发酵罐中的方法。法。把多个发酵罐把多个发酵罐串连起来，第串连起来，第一个罐的情况一个罐的情况 与单罐培养相与单罐培养相同，以后下一同，以后下一 罐的进料便是罐的进料便是前一发酵罐的前一发酵罐的出料，这样就出料，这样就 组成了多级串组成了多级串联连续培养。联连续培养。循环式循环式 单级连单级连续培养续培养多级串联多级串联连续培养连续培养非循环式：非循环式：17微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v单级连续培养进入稳定状态后，细胞的比生长速率与稀释率相单级连续培养进入稳定状态后，细胞的比生长

11、速率与稀释率相等。等。v连续培养的最大特点：微生物细胞的生长速率、产物连续培养的最大特点：微生物细胞的生长速率、产物v 的代谢均处于恒定状态，可达的代谢均处于恒定状态，可达v 到稳定、高速培养微生物细胞到稳定、高速培养微生物细胞v 或生产大量的代谢产物的目或生产大量的代谢产物的目v 的。生产率得以提高。的。生产率得以提高。18微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v3补料分批发酵补料分批发酵v 在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基，而不从发酵罐中间断地放出培养液的培养养基，而不从发酵罐中间断地放出培养液的培养方法。方法。v 工业上利用分批补

12、料培养以消除阻遏并保持通工业上利用分批补料培养以消除阻遏并保持通气条件。分批补料培养还可以防止培养基中某一气条件。分批补料培养还可以防止培养基中某一组分的毒性。组分的毒性。19微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基20微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v培养基培养基：提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按一定比例配制的多种营养物质的产物所需要的，按一定比例配制的多种营养物质的混合物。混合物。v5.2 培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则21微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一、培养基的类型和用途一、培养基的类型

13、和用途基础基础，繁殖繁殖和和鉴鉴别别培培养基养基天然天然合成合成和和半半合成合成孢子，孢子，种子种子和和发酵发酵培培养基养基根据来源根据来源根据目的根据目的根据生根据生产工艺产工艺22微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基二二.培养基的选择培养基的选择231v从微生物从微生物的特点来选的特点来选择择从生产和科从生产和科研的要求选研的要求选择择v从经济效从经济效益方面考虑益方面考虑23微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基对培养基的要求三培养基的配制原则三培养基的配制原则24微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基适当适当配比配比渗透压渗透压pH氧化还氧化还原电位原电位营养营养需

14、要需要原则25微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v典型培养基典型培养基26微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基 v 完善的培养基设计是实验室的实验，实验工完善的培养基设计是实验室的实验，实验工厂的放大和生产规模中的一个重要步骤。厂的放大和生产规模中的一个重要步骤。v v 培养基的组成必须满足细胞的生长和代谢所需培养基的组成必须满足细胞的生长和代谢所需的元素，并能提供生物合成和细胞维持活力所需的元素，并能提供生物合成和细胞维持活力所需要的能量。要的能量。5.3 培养基的设计培养基的设计27微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一一.培养基的成分培养基的成分1234能源能源

15、物质物质碳源碳源物质物质v氮源氮源v物质物质无机盐无机盐和微量和微量元素元素28微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一一.培养基的成分培养基的成分5678v生长生长v因子因子前体前体v促进促进 剂和剂和v抑制抑制v剂剂水分水分29微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v光能光能：光能自养光能自养微生物的能源。极端嗜盐菌进行海微生物的能源。极端嗜盐菌进行海水淡化，藻类发酵等水淡化，藻类发酵等v氢、硫、氨、亚硝酸盐、亚铁盐氢、硫、氨、亚硝酸盐、亚铁盐等是等是 化能自养化能自养微生微生物的能源。物的能源。v碳水化合物碳水化合物等有机物、石油、天然气及石油化工产等有机物、石油、天然气及石

16、油化工产品是品是异养异养微生物的能源。微生物的能源。1 能源物质能源物质30微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v。v 2.碳源物质碳源物质主要包括：糖类，主要包括：糖类，脂类，有机酸，脂类，有机酸，低碳糖等低碳糖等31微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基蔗糖蔗糖麦芽糖麦芽糖乳糖乳糖糊精糊精淀粉淀粉葡萄糖葡萄糖糖类碳源脂类脂类有机有机酸类酸类32微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v有机氮和无机氮有机氮和无机氮作用作用菌体细菌体细胞结构胞结构含氮代含氮代谢产物谢产物细胞提细胞提供能源供能源v3 氮源物质氮源物质33微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基花生饼粉，黄

17、豆饼粉，花生饼粉，黄豆饼粉，棉籽饼粉，酵母粉，棉籽饼粉，酵母粉，麦麸，鱼粉，蚕蛹粉，麦麸，鱼粉，蚕蛹粉，玉米浆，蛋白胨，尿素，玉米浆，蛋白胨，尿素，废菌体和酒糟废菌体和酒糟氨水，铵盐和硝酸盐有机氮有机氮 无机氮无机氮34微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基4无机盐和微量元素无机盐和微量元素v磷，镁，硫，铁，钾，钠，铅，氯，锌，钴，锰磷，镁，硫，铁，钾，钠，铅，氯，锌，钴，锰等。较等。较低低浓度对细胞的生长和产物合成有浓度对细胞的生长和产物合成有促进促进作作用，用，而在而在高高浓度时常表现出显著的浓度时常表现出显著的抑制抑制作用作用35微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基36微生

18、物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基辅酶的组辅酶的组成成分成成分高能高能化合物化合物缓冲剂缓冲剂细胞结构细胞结构磷酸盐的作用37微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基含硫氨基含硫氨基酸酸许多酶的辅许多酶的辅酶的活性基酶的活性基 产物产物硫酸钠硫酸钠硫代硫代硫酸钠硫酸钠38微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v己糖磷酸化己糖磷酸化v酶，酶，柠檬酸柠檬酸v脱氢酶，脱氢酶，羧羧v化酶等的激化酶等的激v活剂。活剂。2是链霉素是链霉素发酵的必发酵的必需元素需元素3锌锌是维生素是维生素B12的激活的激活剂，可以剂，可以促进产物促进产物 合成合成4钴钴维持细维持细胞渗透胞渗透压压5钾和钠钾

19、和钠影响细影响细胞膜的胞膜的透性；透性；钙还影钙还影响磷酸响磷酸盐的浓盐的浓度度6细胞色素，细胞色素，细胞色素氧细胞色素氧化酶，过氧化酶，过氧化物酶等的化物酶等的组成成分，组成成分，是微生物有是微生物有氧氧化的必氧氧化的必不可少的元不可少的元素素1铁铁镁镁钾和钙钾和钙39微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 微生物生长不可缺少的微量有机物，称为生长微生物生长不可缺少的微量有机物，称为生长因子。如氨基酸，嘌呤，嘧啶，维生素等。因子。如氨基酸，嘌呤，嘧啶，维生素等。v作用：作用：构成细胞的组成成分，促进生命活动的进构成细胞的组成成分，促进生命活动的进行。行。v 5生长因子生长因子40微生

20、物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基1）生物素）生物素v 作用：影响产生菌细胞膜的通透性，同时作用：影响产生菌细胞膜的通透性，同时影响菌体的代谢途径。一般影响菌体的代谢途径。一般5g/L。41微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基生物素 过量 不足不产或少产不产或少产谷氨酸谷氨酸产乳酸或琥产乳酸或琥珀酸珀酸长菌快，长菌快，pH低，尿低，尿素消耗多素消耗多菌体生长菌体生长不好不好谷氨酸产谷氨酸产量低弱量低弱发酵向乳发酵向乳酸发酵转酸发酵转换换42微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v2）维生素维生素B1：对某些菌种发酵有促进作：对某些菌种发酵有促进作v 用。用。v3）天然原料）

21、天然原料：玉米浆，玉米浆，0.4-0.8%v 麸皮水解液，麸皮水解液，1%v 糖蜜，糖蜜，0.1-0.4%v 酵母酵母43微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 某些化合物被加到培养基后，能够某些化合物被加到培养基后，能够直接直接在生物在生物合成过程中合成过程中结合结合到产物分子中去，而到产物分子中去，而自身的结构自身的结构并并未发生太大的未发生太大的变变化，却能提高产品的产量。这化，却能提高产品的产量。这类小分子物质称为前体。类小分子物质称为前体。v6前体前体44微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基45微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基7促进剂和抑制剂促进剂和抑制剂

22、促进剂促进剂v是一类刺激因子，他们并是一类刺激因子，他们并v不是前体或营养，其加入不是前体或营养，其加入v可以影响微生物的正常代可以影响微生物的正常代v谢，或促进中间代谢产物谢，或促进中间代谢产物v的积累，或提高次级代谢的积累，或提高次级代谢v产物的产量。产物的产量。常用的促进剂常用的促进剂v诱导物，表面诱导物，表面v活性剂，乙二活性剂，乙二v胺四乙酸，胺四乙酸，大大v豆油抽提物等。豆油抽提物等。46微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v在发酵过程中，加入在发酵过程中，加入抑制剂抑制剂会抑制某些代谢途径的会抑制某些代谢途径的进行，同时刺激另一代谢途径，以至于可以改变微进行，同时刺激另一

23、代谢途径，以至于可以改变微生物的代谢途径。生物的代谢途径。47微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基48微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基8水分水分v参与细参与细v胞内一胞内一v系列化系列化v学反应学反应2有效控有效控制细胞制细胞内的温内的温度变化度变化3维持大维持大分子的分子的天然构天然构象象4脱水作用脱水作用和水合作和水合作用控制有用控制有多亚基组多亚基组成的结构成的结构5溶剂和溶剂和运输介运输介质的作质的作用用149微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基微生物发酵工程微生物发酵工程5微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基 微生物发酵的类型和方式微生物发酵的类型

24、和方式培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基选择和配制的原则培养基的设计培养基的设计培养基的设计培养基的设计淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备基因工程菌的不稳定性及对策基因工程菌的不稳定性及对策5微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基51微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一一.培养基的成分培养基的成分1234能源能源物质物质碳源碳源物质物质v氮源氮源v物质物质无机盐无机盐和微量和微量元素元素52微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一一.培养基的成分培养基的成分5678v生长生长v因子因子前体前体v促进促进 剂和剂和v抑制抑制v剂剂水分水分

25、53微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 严格控制营养物质的浓度和比例，不仅仅是严格控制营养物质的浓度和比例，不仅仅是为了为了维持正常的渗透压维持正常的渗透压，节约原料节约原料，而且，而且直接影直接影响到菌体的繁殖和产物积累响到菌体的繁殖和产物积累。v二营养物质的调节二营养物质的调节54微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基1不同碳源的利用速度不同碳源的利用速度2氮源利用和碳源利用的关系氮源利用和碳源利用的关系3 碳氮比例的调节碳氮比例的调节4前体的控制前体的控制5补料补料55微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基1).不同碳源的利用速度不同碳源的利用速度v 能够被微生物

26、快速利用的碳源称为能够被微生物快速利用的碳源称为速效碳源速效碳源，反之为反之为迟效碳源迟效碳源。利用速度依次为：葡萄糖利用速度依次为：葡萄糖-乳酸乳酸-乳糖乳糖56微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v v 微生物对氮源的利用速度为：氨态氮微生物对氮源的利用速度为：氨态氮-硝态硝态氮氮-有机氮。有机氮。v 氨的过高过低都会对产物形成造成不良的影响。氨的过高过低都会对产物形成造成不良的影响。v 氮源的利用速度与碳源的利用速度是很有关系氮源的利用速度与碳源的利用速度是很有关系的。的。v 糖代谢的许多中间产物是氨基酸合成的前体。糖代谢的许多中间产物是氨基酸合成的前体。2).氮源利用和碳源利用

27、的关系氮源利用和碳源利用的关系57微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基 生产上多采用控制碳氮比例以满足菌体生产上多采用控制碳氮比例以满足菌体的大量繁殖，又能大量形成产物。的大量繁殖，又能大量形成产物。酵母细胞的碳氮比为：酵母细胞的碳氮比为：100：20；霉菌；霉菌细胞的碳氮比为：细胞的碳氮比为：100：10。v v 发酵培养基的碳氮比约为：发酵培养基的碳氮比约为：100：。：。v 谷氨酸生产中的碳氮比约为：谷氨酸生产中的碳氮比约为：100：15-21。3).碳氮比例的调节碳氮比例的调节58微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基4).前体的控制v 加入量加入量加入方式加入方式菌种菌

28、种前体前体59微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基补料丰富培养基富培养基产物合成的产物合成的旺盛期延长旺盛期延长控制控制pH和代和代谢方向谢方向改善了通气改善了通气效果效果解除终产物解除终产物反馈反馈5)补料补料60微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基补料的物质补料的物质补料的方法补料的方法61微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基碳源和能源碳源和能源+氮源氮源+其他需要其他需要 v 细胞细胞+产物产物+CO2+H2O热量热量v 组成微生物的元素包括、组成微生物的元素包括、和，这些元素都要在方程中予以平、和，这些元素都要在方程中予以平衡。培养基中还需要微量元素衡。培养基中

29、还需要微量元素(、等、等)。v三培养基的设计三培养基的设计62微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基63微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 对于无力合成的生长因子，要通过在培养基中对于无力合成的生长因子，要通过在培养基中加入适量的纯净物或含有该物质的混合物。加入适量的纯净物或含有该物质的混合物。v 碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用。碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用。在需氧的条件下对碳源的需要量可以通过菌体得在需氧的条件下对碳源的需要量可以通过菌体得率系数推算而得率系数推算而得64微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v二糖二糖低聚糖低聚糖葡萄糖淀粉淀粉水解糖

30、水解糖v工业上，将淀粉水工业上，将淀粉水解成葡萄糖的过程称为解成葡萄糖的过程称为淀粉的糖化。淀粉的糖化。5.4淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备65微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 发酵用淀粉水解糖的发酵用淀粉水解糖的要求要求：还原糖含量要高，不：还原糖含量要高，不含糊精；外观要洁净，透明，呈淡黄色；不可变质。含糊精；外观要洁净，透明，呈淡黄色；不可变质。v 制备淀粉水解糖的原料主要有玉米，小麦，大米制备淀粉水解糖的原料主要有玉米，小麦，大米和薯类等。和薯类等。66微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基水解水解适度适度控制控制蛋白量蛋白量新鲜洁净67微生物发酵类型及培养基微生

31、物发酵类型及培养基方法方法酸解法酸解法酶解法酸酶结合法68微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基1.淀粉水解糖对发酵的影响淀粉水解糖对发酵的影响v水解不完全水解不完全：浪费浪费，逃液逃液，染菌染菌。v水解过度水解过度：产生羟甲基糠醛，进而形成类黑素，产生羟甲基糠醛，进而形成类黑素，不仅不仅浪费浪费，而且而且抑制菌体抑制菌体生长。生长。v淀粉原料中淀粉原料中蛋白蛋白含量含量过多过多，当糖液中和，过滤当糖液中和，过滤时除去不彻底，会引起发酵时除去不彻底，会引起发酵逃液和染菌逃液和染菌。69微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v葡萄糖的理论收率：葡萄糖的理论收率：111%实际实际收率收

32、率葡萄糖值葡萄糖值淀粉淀粉转化率转化率v2.淀粉制糖过程中考察的指标淀粉制糖过程中考察的指标70微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v v 实际收率实际收率=糖液体积（糖液体积（L）X葡萄糖含量葡萄糖含量（%）/淀粉量（淀粉量（Kg）X原料中纯淀粉的含量原料中纯淀粉的含量（%）X100%v v 转化率转化率=糖液体积（糖液体积（L）X葡萄糖含量（葡萄糖含量（%）/淀粉量（淀粉量（Kg）X原料中纯淀粉的含量原料中纯淀粉的含量（%）X1.11X100%v v DE值值=还原糖（还原糖（%）/干物质含量（干物质含量（%）71微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v以酸为催化剂，在高温高

33、压下，将淀粉转化为以酸为催化剂，在高温高压下，将淀粉转化为葡萄糖的方法。葡萄糖的方法。v优点优点：生产简单，方便，水解时间短，设备生生产简单，方便，水解时间短，设备生产能力大。产能力大。v缺点缺点：要求特殊设备；易产生副反应；对原料要求特殊设备；易产生副反应；对原料要求高要求高v原理：原理：v淀粉淀粉 各种糊精各种糊精 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖葡萄糖v v二淀粉酸水解法二淀粉酸水解法72微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基影响水解反应速率的关键因素：影响水解反应速率的关键因素：v温度温度酸的浓酸的浓度度多糖的多糖的水解常数水解常数酸的种类酸的种类73微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培

34、养基v淀粉淀粉 羟甲基糠醛羟甲基糠醛 乙酰丙酸乙酰丙酸+蚁酸蚁酸+有色物质等。有色物质等。其它副反应其它副反应缩短反应时间，缩短反应时间，控制反应，控制反应，降低葡萄糖的浓度降低葡萄糖的浓度减减少少74微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 葡萄糖葡萄糖二糖，糖，三糖和三糖和其他低其他低聚糖聚糖酸和热酸和热 复合反应复合反应异麦芽异麦芽糖和龙糖和龙胆二糖胆二糖降低葡萄糖的收率，降低葡萄糖的收率，发酵的残糖增加，发酵的残糖增加，抑制菌体生长和产物形成，抑制菌体生长和产物形成，增加提取和精制的难度增加提取和精制的难度75微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v工艺工艺原料原料中和中和

35、脱色脱色过滤过滤除杂除杂糖液糖液调浆调浆糖化糖化冷却冷却10.5-12B0.6-0.7%，pH1.5 左右左右糖化时间糖化时间=达到最达到最大葡萄糖值时的时大葡萄糖值时的时间间-放料时间。放料时间。烧碱或纯碱烧碱或纯碱中和温度为中和温度为60-70，中中和和pH4.6-5.0.活活性性炭炭，淀淀粉粉量量的的0.6-0.8%。65C。，。d=144.3/144.3B76微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v三双酶水解法三双酶水解法v 条件温和，无需特殊设备条件温和，无需特殊设备无副反应，产品纯度高，无副反应，产品纯度高，淀粉转化率高。淀粉转化率高。可在高淀粉浓度下水解可在高淀粉浓度下水解

36、时间长，时间长，设备多，设备多，过滤难过滤难。77微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基淀粉a-淀粉酶淀粉酶葡萄糖，葡萄糖，麦芽糖和麦芽糖和麦芽三糖。麦芽三糖。异麦芽糖异麦芽糖和低聚糖。和低聚糖。（一）液化（一）液化78微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v1.淀粉液化的条件及液化淀粉液化的条件及液化v 程度的控制程度的控制淀淀粉粉糊化糊化老化老化受热后，淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶颗粒膨胀，晶体结构消失，体结构消失，互相接触变成互相接触变成糊状液体，即糊状液体，即使停止搅拌，使停止搅拌，淀粉也不会再淀粉也不会再沉淀的现象。沉淀的现象。60-75。分子间氢键已经分子间氢键已经断裂

37、的糊化淀粉断裂的糊化淀粉 又重新排列成新又重新排列成新的氢键的过程。的氢键的过程。淀粉酶很难进入淀粉酶很难进入老化淀粉的结晶老化淀粉的结晶区起作用，使淀区起作用，使淀粉很难液化粉很难液化淀粉的种类，酸碱度，温度淀粉的种类，酸碱度，温度及加热方式，淀粉糊的浓度及加热方式，淀粉糊的浓度有关系。有关系。79微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基液化的方法液化的方法80微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v1）、工艺流程）、工艺流程v-调浆调浆高温高温维持维持二次二次液化液化冷却冷却糖化糖化配料配料一次喷一次喷射液化射液化液化液化保温保温二次二次喷射喷射2、蒸气喷射液化工艺及条件、蒸气喷

38、射液化工艺及条件81微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v 2）、液化的控制）、液化的控制液化液的黏度太大，液化液的黏度太大，难于操作；难于操作；淀粉易老化，淀粉易老化，不利于糖化。不利于糖化。糖液的葡萄糖值低，糖液的葡萄糖值低，淀粉会老化，影响淀粉会老化，影响糖化酶的作用效果。糖化酶的作用效果。葡萄糖值为葡萄糖值为10-20液化结束要灭酶液化结束要灭酶。82微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v糖化酶的水解作用糖化酶的水解作用v 糖化是利用糖化酶将淀粉液化产物糊精和低聚糖化是利用糖化酶将淀粉液化产物糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的过程。糖进一步水解成葡萄糖的过程。v v糖化过

39、程葡萄糖含量不断增加。糖化酶对底物的糖化过程葡萄糖含量不断增加。糖化酶对底物的作用是从非还原性末端开始的。产生作用是从非还原性末端开始的。产生a-葡萄糖。葡萄糖。糖化酶对糖化酶对a-1,4和和a-1,6 糖苷键都能水解。糖苷键都能水解。v（二）糖化（二）糖化83微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v液化液化-糖化糖化-灭酶灭酶-过滤过滤-贮糖计量贮糖计量-发酵发酵v 80-100U/g 淀粉pH 4.2-4.5,60数小时90 30min60-70 过滤v糖化工艺条件及控制糖化工艺条件及控制84微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基85微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基

40、v基因工程菌的稳定性是高水平发酵生产的基本条基因工程菌的稳定性是高水平发酵生产的基本条件。件。5.5基因工程菌的不稳定性及对策基因工程菌的不稳定性及对策86微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基一、质粒不稳定性一、质粒不稳定性分裂不稳定性分裂不稳定性工程菌分裂时出现一定比工程菌分裂时出现一定比例的不含质粒的子代菌的例的不含质粒的子代菌的现象现象 结构不稳定性结构不稳定性由于由于DNA从质粒上丢失或从质粒上丢失或碱基重排、缺失所致工程碱基重排、缺失所致工程菌性能的改变菌性能的改变87微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基v含低拷贝质含低拷贝质v粒者产不含粒者产不含v质粒菌概率质粒菌概

41、率v大；比生长大；比生长v速率关键速率关键2抗生素抗生素3选择选择压力压力生长阶段生长阶段使外源基使外源基因处于阻因处于阻遏状态遏状态4分阶段控分阶段控制培养制培养温度、温度、pH、溶氧、溶氧、限制限制性营性营养养5控制培控制培养条件养条件影响细影响细胞膜的胞膜的透性；透性；钙影响钙影响磷酸盐磷酸盐的浓度的浓度6比生长速率；比生长速率；基因重组系基因重组系统的特性；染统的特性；染色体上是否有色体上是否有与质粒和外与质粒和外源基因同源源基因同源的序列的序列1合适的合适的宿主宿主合适的合适的载体载体固定化固定化提高质粒稳定性的方法提高质粒稳定性的方法88微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基

42、基因工程菌的培养基因工程菌的培养补料补料分批分批连续连续培养培养透析透析培养培养固定固定化培化培养养延长对数期延长对数期 获得高密度获得高密度菌体菌体难；分段，难；分段，进行两阶段进行两阶段连续连续培连续连续培养；优化诱养；优化诱导水平，稀导水平，稀释率；细胞释率；细胞比生长速率比生长速率利用膜的利用膜的半透性使半透性使培养物和培养物和培养基分培养基分离离v质粒的稳质粒的稳定性提高定性提高89微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基高密度培养高密度培养v高密度培养是一个相对概念，一般是指培养液中高密度培养是一个相对概念，一般是指培养液中工程菌的菌体浓度在工程菌的菌体浓度在50g/L干重以上

43、，理论上最干重以上，理论上最高值可达高值可达200g/L。高密度培养是大规模制备重。高密度培养是大规模制备重组蛋白质过程中不可缺少的工艺过程组蛋白质过程中不可缺少的工艺过程v高密度培养可以提高菌体密度，提高单位体积的高密度培养可以提高菌体密度，提高单位体积的生产能力，降低生物量的分离费用，缩短生产周生产能力，降低生物量的分离费用，缩短生产周期，从而降低生产成本，提高生产效率。期，从而降低生产成本，提高生产效率。90微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基影响高密度培养的因素影响高密度培养的因素对氧气的需求对氧气的需求更高更高对营养源的种对营养源的种类和含量要求类和含量要求高高精确调控精确调控培养基培养基溶氧浓度溶氧浓度pH91微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基影响高密度培养的因素影响高密度培养的因素保持高溶氧，保持高溶氧，流加补料，适流加补料，适当的比生长速当的比生长速率率分段控制分段控制温度温度生长抑制生长抑制物的生成物的生成92微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基如何达到高密度培养如何达到高密度培养231培养条件培养条件的改进的改进构建出产乙构建出产乙酸能力低的酸能力低的工程化宿主工程化宿主菌菌构建蛋白水构建蛋白水解酶活力低解酶活力低的工程化宿的工程化宿主菌主菌93微生物发酵类型及培养基微生物发酵类型及培养基