二微生物工程的定义课件

三、微生物工程的研究内容 菌种的特性与选育培养基的配制、选择及其灭菌理论发酵醪的特性发酵机理发酵过程动力学空气除菌微生物对氧的吸收与利用微生物的培养方式及自动化控制等上游工程上游工程发酵工程发酵工程下游工程下游工程发酵液预处理初步纯化（即提取）高度纯化（即精制）成品加工微生物过程废弃物的处理微生物过程废弃物的处理发酵的流程空气空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化斜面活化扩大培养扩大培养种子罐种子罐主发酵主发酵碳源、氮源、碳源、氮源、无机盐等营养无机盐等营养物质物质灭菌灭菌产物分离纯化产物分离纯化成品成品1 1天然发酵期：只知其然而不知其天然发酵期：只知其然而不知其所以然的时期所以然的时期2 2奠基期：纯培养技术的建立是第奠基期：纯培养技术的建立是第一代微生物发酵技术一代微生物发酵技术3 3发展期：一系列新技术的建立，使微发展期：一系列新技术的建立，使微生物发酵技术得到快速发展生物发酵技术得到快速发展4.4.第三代微生物发酵技术第三代微生物发酵技术 一微生物工程一微生物工程一、微生物工程在医药工业中的应用一、微生物工程在医药工业中的应用二、微生物工程在食品工业中的应用二、微生物工程在食品工业中的应用三、微生物工程在农业中的应用三、微生物工程在农业中的应用四、微生物工程在化工能源领域中的应用四、微生物工程在化工能源领域中的应用五、微生物工程在环保领域的应用五、微生物工程在环保领域的应用六、微生物工程在冶金领域的应用六、微生物工程在冶金领域的应用七、微生物工程在高新技术研究中的应用七、微生物工程在高新技术研究中的应用第五节第五节 微生物工程的发展趋势微生物工程的发展趋势（1）与微生物生态学相结合，研究传统酿造与微生物生态学相结合，研究传统酿造工业工业（2）与遗传学相结合，改良菌种，生产出更与遗传学相结合，改良菌种，生产出更多更好的产品多更好的产品（3）与化学工程结合，使生产向大型化连续与化学工程结合，使生产向大型化连续化方向发展化方向发展（4）与计算机科学技术结合，使生产向自动与计算机科学技术结合，使生产向自动化方向的发展化方向的发展q 体积小、面积大，q 吸收快、转化快，q 生长旺、繁殖快，q 易变异、适应性强，q 种类多、分布广一、微生物的特性第一节第一节 微生物工程对菌种的要求微生物工程对菌种的要求1 1，能够利用廉价的原料来高效地合成产物。，能够利用廉价的原料来高效地合成产物。2 2，菌种遗传性能要相对稳定。，菌种遗传性能要相对稳定。3 3，菌种改造的可操作性要强。，菌种改造的可操作性要强。4 4，不易感染噬菌体。，不易感染噬菌体。5 5，产生菌及其产物应该无毒。，产生菌及其产物应该无毒。6 6，生产特性要符合工艺要求。，生产特性要符合工艺要求。二、工业化对菌种的要求二、工业化对菌种的要求二、分离思路二、分离思路 新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。速、准确地把所需要的菌种挑选出来。(1)认真考虑它所需产品的特征和生产过程；(2)制订初步的筛选标准；(3)将生态学方法运用到分离和筛选过程。三、新种分离与筛选的步骤三、新种分离与筛选的步骤定方案定方案采采 样样增增 殖殖分分 离离发酵性能测定发酵性能测定第四节第四节 生产用菌种的选育生产用菌种的选育工业菌种的选育：工业菌种的选育：是是运运用用遗遗传传学学原原理理和和技技术术对对某某个个用用于于特特定定生生物物技技术术目目的的的的菌菌株株进进行行的的多多方方位位的的改改造造。通通过过改改造造，可可使使现现存存的的优优良良性性状状强强化化，或或去去除除不不良良性性质质或或增增加新的性状。加新的性状。基因突变：自然选育、诱变育种自然选育、诱变育种基因重组：杂交、原生质体融合、基因工程杂交、原生质体融合、基因工程基因的直接进化：点突变、易错、同序法点突变、易错、同序法 等等菌株选育方法菌株选育方法工业菌种改良方法工业菌种改良方法(1)解除或绕过代谢途径中的限速步骤 (2)增加前体物的浓度(3)(3)改改变变代代谢谢途途径径，减减少少无无用用副副产产品品的的生生成成以以及及提提高高菌菌种种对对高高浓浓度度的的有有潜潜在在毒毒性性的底物、前体或产品的耐受力。的底物、前体或产品的耐受力。(4)(4)抑制或消除产品分解酶。抑制或消除产品分解酶。(5)(5)改进菌种外泌产品的能力。改进菌种外泌产品的能力。(6)(6)消消除除代代谢谢产产品品的的反反馈馈抑抑制制。如如诱诱导导代代谢谢产品的结构类似物抗性。产品的结构类似物抗性。自然选育操作步骤：自然选育操作步骤：一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。单细胞单细胞(孢子孢子)悬液的制备悬液的制备平板分离平板分离挑选单菌落挑选单菌落(注意形态的观察注意形态的观察)发酵试验发酵试验一、自然选育一、自然选育营养缺陷型的选育营养缺陷型的选育营营养养缺缺陷陷型型是是指指通通过过诱诱变变而而产产生生的的缺缺乏乏合合成成某某些些营营养养物物质质如如氨氨基基酸酸、维维生生素素和和碱碱基基等等的的能能力力，必必须须在在其其基基本本培培养养基基中中加加入入相相应的营养成分才能正常生长的变异株。应的营养成分才能正常生长的变异株。与营养缺陷型对应的是野生型。与营养缺陷型对应的是野生型。专题专题筛选营养缺陷型的步骤筛选营养缺陷型的步骤诱变淘汰野生型抗生素法、菌丝过滤、高温杀菌检出缺陷型点植法、影印、限量补充培养确定生长谱缺陷菌株对生长因子的需求情况（维生素、氨基酸、碱基）宿主细胞必须符合以下条件：宿主细胞必须符合以下条件：、对载体的复制和扩增没有严格的限制；、不存在特异的内切酶体系降解外源；、重组增殖过程中，不会对它进行修饰；、重组缺陷型，不会产生体内重组；、容易导入重组分子；、符合重组操作的安全标准。一、理想的菌种保藏方法应具备的条件一、理想的菌种保藏方法应具备的条件长期保持菌种原有的优良性状，简便、经济。长期保持菌种原有的优良性状，简便、经济。二、菌种保藏基本原理二、菌种保藏基本原理菌菌种种保保藏藏一一般般采采取取降降低低培培养养基基的的营营养养成成分分、低低温温、干燥和真空等方法。干燥和真空等方法。三、微生物菌种保藏技术三、微生物菌种保藏技术 斜面保藏法和矿物油保藏法斜面保藏法和矿物油保藏法 沙土管干燥保藏法沙土管干燥保藏法 真空冷冻干燥保藏法真空冷冻干燥保藏法 液氮保藏法液氮保藏法 低温保藏法低温保藏法 悬液保藏法悬液保藏法第一节第一节 微生物的代谢类型微生物的代谢类型代谢（）：代谢（）：细胞内发生的各种化学反应的总称细胞内发生的各种化学反应的总称代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子H分解代谢和合成代谢间的联系分解代谢和合成代谢间的联系 中间代谢产物的重要性中间代谢产物的重要性微生物糖代谢的途径微生物糖代谢的途径途径，又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径途径，又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径途径（途径（），），又称途径或己糖又称途径或己糖-磷酸途径磷酸途径途径（途径（），），又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径或途径磷酸葡萄糖酸裂解途径或途径循环（循环（），即三羧酸循环，即三羧酸循环途径的生理功能：途径的生理功能：供应形式的能量和2形式的还原力；是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环()、途径和途径等；为生物合成提供多种中间代谢物；通过逆向反应可进行多糖的合成。途径在生命活动中的意义：供应合成原料，提供多种形式的C架；产生大量的还原力；是光能和化能自养微生物固定2的重要中介；扩大碳源利用范围，为微生物利用C3C7多种碳源提供了必要的代谢途径；连接途径，可为生物合成提供更多的戊糖。途径的特点：具有一特征性反应裂解为丙酮酸和3磷酸甘油醛；存在一特征性酶醛缩酶；其终产物2分子丙酮酸的来历不同，即一个由裂解而来，另一个由途径转化而来。循环的特点：循环的特点：氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件下运转（因和再生时需氧）；下运转（因和再生时需氧）；产能效率极高；产能效率极高；位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，为微生物的生物合成提供各种碳架原料。为微生物的生物合成提供各种碳架原料。、和循环是重要的兼用代谢途径、和循环是重要的兼用代谢途径在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转；在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢逆转；在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。代谢物回补顺序：又称补偿途径或添补途径，就是代谢物回补顺序：又称补偿途径或添补途径，就是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。间代谢物的反应。乙醛酸循环乙醛酸循环 微生物细胞的代谢调节主要类型4 4，代谢速度的调控，代谢速度的调控酶酶活活性性调调节节，调调节节的的是是已已有有酶酶分分子的活性。子的活性。酶酶合合成成的的调调节节，调调节节的的是是酶酶分分子子的合成量。的合成量。在酶化学水在酶化学水平上发生的平上发生的在遗传学水在遗传学水平上发生的平上发生的4.1 酶合成的调节酶合成的调节v根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为两根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为两大类：一类是组成酶；另一类是诱导酶。大类：一类是组成酶；另一类是诱导酶。粗调粗调凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。以酶的合成系统为基础的酶量调节，包括底物对以酶的合成系统为基础的酶量调节，包括底物对酶合成系统的诱导作用和产物对酶合成系统的酶合成系统的诱导作用和产物对酶合成系统的阻遏作用。阻遏作用。酶合成的调节酶合成的调节与调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成与调节酶活性的反馈抑制等相比，调节酶的合成（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类较（即产酶量）而实现代谢调节的方式是一类较间接而缓慢的调节方式。间接而缓慢的调节方式。优点：通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物优点：通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量。合成的原料和能量。在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节两者是同时存在且密切配合、协调进行的。两者是同时存在且密切配合、协调进行的。4.2 酶活性的调节酶活性的调节概概 念念酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。影响因素影响因素底物和产物的性质和浓度底物和产物的性质和浓度环境因子环境因子(如压力、离子强度和辅助因子等如压力、离子强度和辅助因子等)其他的酶的存在其他的酶的存在调节方式调节方式激活已有酶的活性激活已有酶的活性抑制已有酶的活性抑制已有酶的活性细调细调初级代谢和次级代谢初级代谢和次级代谢 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。二、二、初级代谢的调节初级代谢的调节产能代谢的调节：能荷调节()核蛋白体合成的调节（）氨基酸、核苷酸合成代谢的调节（）三、次级代谢的调节三、次级代谢的调节初级代谢对次级代谢的调节初级代谢对次级代谢的调节碳代谢物的调节作用碳代谢物的调节作用氮代谢物的调节作用氮代谢物的调节作用磷酸盐的调节作用磷酸盐的调节作用次级代谢中的诱导作用及产物的反馈作用次级代谢中的诱导作用及产物的反馈作用次级代谢中细胞膜透性调节次级代谢中细胞膜透性调节一、微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型：初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶；次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。按照发酵类型：自然发酵：酒精、乳酸等，代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等；中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；第三节第三节 微生物的代谢调控和代谢工程微生物的代谢调控和代谢工程 第四章第四章 发酵工艺条件的确定发酵工艺条件的确定第一节 培养基的选择和确定第二节 温度对发酵的影响及控制第三节 发酵过程的控制 第四节 氧、二氧化碳和泡沫对发酵的 影 响与控制第五节 微生物培养过程的参数检测第一节 培养基的选择和确定一、培养基的营养成分一、培养基的营养成分二、培养基的用途二、培养基的用途三、发酵培养基的选择三、发酵培养基的选择四、发酵培养基成分的营养与作用四、发酵培养基成分的营养与作用五、发酵培养基确定方法五、发酵培养基确定方法二、培养基的用途二、培养基的用途 筛选菌种筛选菌种保藏菌种保藏菌种检验杂菌检验杂菌培养种子培养种子发酵生产发酵生产（一）、培养基的分类（一）、培养基的分类（二）、发酵生产中的培养基类型（二）、发酵生产中的培养基类型（一）、培养基的分类（一）、培养基的分类（1）按培养基组成物质的化学成分）按培养基组成物质的化学成分（2）按物理性质）按物理性质（3）按用途）按用途合成培养基、天然培养基合成培养基、天然培养基固体培养基，液体培养基固体培养基，液体培养基选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等五、培养基确定方法五、培养基确定方法（1 1）首首先先必必须须做做好好调调查查研研究究工工作作，了了解解菌菌种种的的来来源源、生生活活习习性性、生生理理生生化化特特性性和和一一般般的的营营养养要要求。求。（2 2）其其次次，对对生生产产菌菌种种的的培培养养条条件件，生生物物合合成成的的代代谢谢途途径径，代代谢谢产产物物的的化化学学性性质质、分分子子结结构构、一一般般提提炼炼方方法法和和产产品品质质量量要要求求等等也也需需要要有有所所了了解，以便在选择培养基时做到心中有数。解，以便在选择培养基时做到心中有数。第二节第二节 温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及控制在生物学范围内通常每升高在生物学范围内通常每升高1010，生长速度就，生长速度就加快一倍，所以温度直接影响酶反应，对于微加快一倍，所以温度直接影响酶反应，对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。微生物可生长的温度范围较广微生物可生长的温度范围较广10-9510-95。任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在此温度范围内微生物生长繁殖最快。此温度范围内微生物生长繁殖最快。二、温度的影响与控制二、温度的影响与控制（一）温度对发酵的影响（一）温度对发酵的影响1 1、温度影响反应速率、温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。一个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到从阿累尼乌斯方程式可以看到 2 积分得积分得 E活化能活化能速率常数速率常数2 2、温度影响发酵方向、温度影响发酵方向3 3、温度还影响基质溶解度，同时氧在、温度还影响基质溶解度，同时氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。因此对发酵过程中的温度要严格控制。温度变化及其控制温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：温度影响反应速率温度影响反应速率 温度影响发酵方向温度影响发酵方向最最适适温温度度的的选选择择根据菌种根据菌种生长阶段选择生长阶段选择根据培养条件选择根据培养条件选择菌种的生长情况菌种的生长情况发酵过程引起温度变化的因素发酵过程引起温度变化的因素发酵热是引起发酵过程温度变化的原因发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射小小 结结小小 结结发酵过程会发生变化发酵过程会发生变化变变化化原原因因基质代谢基质代谢产物形成产物形成菌体自溶菌体自溶发酵过程的控制2 2、溶氧对发酵的影响、溶氧对发酵的影响由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。谢受到干扰。氧是制约发酵进行的重要因素氧是制约发酵进行的重要因素根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：a.a.供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等；酸等；b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等；c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等。（二）起泡的危害（二）起泡的危害降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会增加了染菌的机会导致产物的损失导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难3 3、对消泡剂的要求、对消泡剂的要求（1 1）在起泡液中不溶或难溶）在起泡液中不溶或难溶（2 2）表面张力低于起泡液）表面张力低于起泡液（3 3）与起泡液有一定程度的亲和性）与起泡液有一定程度的亲和性 （4 4）与起泡液不发生化学反应）与起泡液不发生化学反应（5 5）挥发性小，作用时间长）挥发性小，作用时间长4 4、常用消泡剂的种类和性能、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂）天然油脂（2）聚醚类消泡剂）聚醚类消泡剂（3）高碳醇）高碳醇（4）硅酮类）硅酮类对数期：t=0+t-比生长速率-菌体浓度延滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期微生物生长分为四个时期微生物生长分为四个时期化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、产化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、产物浓度、核酸量等。物浓度、核酸量等。代谢参数按性质分可分三类：代谢参数按性质分可分三类：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气 流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等。浓度等。生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等。率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等。第五章第五章 微生物反应动力学微生物反应动力学 研究各种环境因素与微生物代谢活动之研究各种环境因素与微生物代谢活动之间相互作用随时间而变化的规律。间相互作用随时间而变化的规律。微生物反应是非常复杂的反应过程。微生物反应是非常复杂的反应过程。一、微生物反应过程的主要特征一、微生物反应过程的主要特征微生物是该反应过程的主体。微生物是该反应过程的主体。微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系（1）反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和）反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条件。产物的生成，有各自的最佳反应条件。（2）微生物反应有多种代谢途径。）微生物反应有多种代谢途径。（3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌龄有不同的活性。菌龄有不同的活性。二、微生物反应动力学的描述方法二、微生物反应动力学的描述方法细胞生长动力学反应基质消耗动力学代谢产物生成动力学二、培养基灭菌二、培养基灭菌1，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果：，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果：生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难；杂菌会污染最终产品；杂菌会污染最终产品；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。四、连续灭菌与分批灭菌四、连续灭菌与分批灭菌1 1，连续灭菌，连续灭菌 保留较多的营养质量；蒸汽保留较多的营养质量；蒸汽负荷均匀；较易自动控制；容易负荷均匀；较易自动控制；容易放大；缩短灭菌周期；发酵罐利放大；缩短灭菌周期；发酵罐利用率高。但是设备比较复杂，投用率高。但是设备比较复杂，投资较大。资较大。2 2，分批灭菌，分批灭菌 设备投资较少；染菌的危险性较小；人设备投资较少；染菌的危险性较小；人工操作较方便；对培养基中固体物质含工操作较方便；对培养基中固体物质含量较多时更为适宜。灭菌过程中蒸汽用量较多时更为适宜。灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。只限于中小型发酵装置。三、连续灭菌三、连续灭菌1，连续灭菌的流程，连续灭菌的流程1 1，两级冷却、分离、加热的空气过滤除菌流程，两级冷却、分离、加热的空气过滤除菌流程特点是：两次冷却，两次分离，特点是：两次冷却，两次分离，适当加热。适当加热。二、空气过滤除菌流程的分析二、空气过滤除菌流程的分析2 2，冷热空气直接混合式空气过滤除菌流程，冷热空气直接混合式空气过滤除菌流程 可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空气温度。的热量来提高空气温度。3 3，高效前置过滤除菌流程，高效前置过滤除菌流程特点：无菌程度高特点：无菌程度高典型发酵设备典型发酵设备 种子制备设备种子制备设备主发酵设备主发酵设备辅助设备辅助设备(无菌空气和培养基的制无菌空气和培养基的制备备)发酵液预处理设备发酵液预处理设备粗产品的提取设备粗产品的提取设备产品精制与干燥设备产品精制与干燥设备流出物回收、利用和处理设备等。流出物回收、利用和处理设备等。三、发酵罐的结构三、发酵罐的结构1 1、罐体、罐体 2 2、搅拌器和挡板、搅拌器和挡板 3 3、消泡器、消泡器 4 4、联轴器及轴承、联轴器及轴承 5 5、变速装置、变速装置 6 6、空气分布装置、空气分布装置7 7、轴封、轴封 8 8、冷却装置、冷却装置 圆筒体锥底发酵罐的优点圆筒体锥底发酵罐的优点加速发酵；厂房投资节省，冷耗节省；加速发酵；厂房投资节省，冷耗节省；发发酵可依赖自动程序清洗消毒，工艺卫生酵可依赖自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。更易得到保证。圆筒体锥底发酵罐的缺点圆筒体锥底发酵罐的缺点 酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低；贮酒时，澄清比较困难，过滤必传统低；贮酒时，澄清比较困难，过滤必须强化；若采用单酿发酵，罐壁温度和罐须强化；若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要中心温度一致，一般要57d以上，短期贮以上，短期贮酒不能保证温度一致。酒不能保证温度一致。1 1 自吸式发酵罐自吸式发酵罐2 2 气泡塔式发酵罐气泡塔式发酵罐3 3 伍式发酵罐（循环机械搅拌）伍式发酵罐（循环机械搅拌）4 4 气升式发酵罐（循环通气搅拌）气升式发酵罐（循环通气搅拌）4 4 液提式发酵罐液提式发酵罐5 5 气提式发酵罐气提式发酵罐一、其它通气发酵罐一、其它通气发酵罐二、发酵辅助设备二、发酵辅助设备 发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道及阀门等。及阀门等。三、管道及阀门三、管道及阀门 生物反应器过程的多尺度理论生物反应器过程的多尺度理论 发酵过程优化与放大基础发酵过程优化与放大基础第八章第八章 发酵过程优化与放大发酵过程优化与放大发酵过程优化控制中的方法和手段发酵过程优化控制中的方法和手段发酵过程优化控制举例发酵过程优化控制举例生物反应器过程的多尺度理论生物反应器过程的多尺度理论生命所特有的生命所特有的信息流、物质信息流、物质流、能量流流、能量流 具有具有“变化着的变化着的结构结构”不仅是线性或不仅是线性或动力学因素动力学因素 跨尺度测量与跨尺度测量与控制控制 往往以各自研往往以各自研究的技术背景究的技术背景从单一尺度去从单一尺度去理解和分析研理解和分析研究生物过程的究生物过程的特点特点转速转速，气泡，气泡，气液接触表面积，气液接触表面积，理化相关理化相关 搅拌转速、通气流量、罐压力搅拌转速、通气流量、罐压力 溶溶解氧解氧 22加糖加糖222222hhhh非碳源限制，临界氧浓度以下（变化不显著）碳源限制，临界氧浓度以下（变化显著）非碳源限制，临界氧浓度以上（2变化不显著）碳源限制，临界氧浓度以上（2变化显著）生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系不同发酵周期的不同发酵周期的不同发酵周期的不同发酵周期的2 2浓度与的几种对应关系。这种不同的对浓度与的几种对应关系。这种不同的对浓度与的几种对应关系。这种不同的对浓度与的几种对应关系。这种不同的对应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。加糖和之间的动力学特征O2消耗与过程传递的物质平衡时间(h)生物相关：与的基本相关特征生物相关：与的基本相关特征:单位体积发酵液每小时的耗氧量1.谷氨酸生产菌中存在2个糖酵解途径生物素参与糖代谢作用：增加糖代谢的速度而丙酮酸氧化脱羧的速度未改变丙酮酸积累乳酸积累2.-酮戊二酸脱氢酶缺失循环阻断，-酮戊二酸积累 第二节第二节 谷氨酸发酵谷氨酸发酵生理生理 一一、和、和糖酵解可通过及两个途糖酵解可通过及两个途径进行。生物素充足径进行。生物素充足时占时占3838，控制生物，控制生物素亚适量，可使只占素亚适量，可使只占2626。丙酮酸丙酮酸:1:1 氧化脱羧成氧化脱羧成乙酰，乙酰，2 2 羧化成草酰羧化成草酰乙酸或苹果酸乙酸或苹果酸.柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶糖酵解途径糖酵解途径 磷酸己糖磷酸己糖途径途径合成谷氨酸的反应有3种：-酮戊二酸+4+谷氨酸H2O+谷氨酸脱氢酶-酮戊二酸+天冬氨酸或丙氨酸谷氨酸转氨酶谷氨酸-酮戊二酸+-酮戊二酸+谷氨酰胺+2谷氨酸+谷氨酸合成酶生产菌中谷氨酸转氨酶活力低，转氨作用可以不考虑谷氨酸合成酶由于不受高浓度谷氨酸抑制，其作用值得重视谷氨酸脱氢酶是合成积累谷氨酸的主要酶谷氨酸脱氢酶是合成积累谷氨酸的主要酶三三 循环循环在菌体生长期适当开放途径，以获得能量和在菌体生长期适当开放途径，以获得能量和产生一些合成反应所需的中间产物；在进产生一些合成反应所需的中间产物；在进入谷氨酸生成期后，最好没有异柠檬酸裂入谷氨酸生成期后，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封闭乙醛酸循环。解酶反应，封闭乙醛酸循环。异柠檬酸裂解酶受草酸、草酰乙异柠檬酸裂解酶受草酸、草酰乙酸、酸、-酮戊二酸的累积抑制，酮戊二酸的累积抑制，异柠檬酸脱氢酶的米氏常数异柠檬酸脱氢酶的米氏常数（0.010.01）比异柠檬酸裂解酶的米）比异柠檬酸裂解酶的米氏常数（氏常数（0.80.8）低得多）低得多生物素：作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关生物素：作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响键酶的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液中。中。生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。六六 细胞膜通透性的改变细胞膜通透性的改变谷氨酸发谷氨酸发酵的工艺酵的工艺流程流程 淀粉淀粉液化液化糖化糖化配料配料浓缩浓缩发发 酵酵流加流加斜面斜面一级种一级种二级种二级种消泡剂消泡剂灭菌灭菌空气空气粗过滤粗过滤一级过滤一级过滤二级过滤二级过滤液氨液氨冷冻等电冷冻等电离子交换离子交换中和中和浓缩浓缩结晶结晶干燥干燥.淀粉质原料酒精生产的工艺流程淀粉质原料酒精生产的工艺流程