微生物工程教案

《微生物工程》教案授課教師：張愛(ài)梅西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2013年4月

課程名稱微生物工程課程代碼74022718學(xué)分2總學(xué)時(shí)36理論學(xué)時(shí)36課程性質(zhì)基礎(chǔ)課（）專業(yè)必修課（）專業(yè)限選課（√）專業(yè)任選課（）教學(xué)手段多媒體任課教師張愛(ài)梅職稱副教授授課時(shí)間2012~2013學(xué)年第壹學(xué)期授課對(duì)象2010級(jí)生物技術(shù)1班教學(xué)目的與要求通過(guò)系統(tǒng)地講授微生物工程的原理、方法、生產(chǎn)設(shè)備、應(yīng)用及進(jìn)展，使生物技術(shù)專業(yè)類的學(xué)生對(duì)微生物工程的最新成就、原理和生產(chǎn)方法等有較全面地了解，擴(kuò)大學(xué)生眼界，使其能夠更加適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需要。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生將理科的有關(guān)知識(shí)與必要的工程技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生既能掌握比較專業(yè)的理論知識(shí)，又能掌握工程技術(shù)方面的基本計(jì)算和設(shè)計(jì)工藝流程的原理和方法。教學(xué)基本要求掌握微生物工程的基本原理及規(guī)律，熟悉微生物工程生產(chǎn)的常用設(shè)備，使學(xué)生既學(xué)到比較專業(yè)的微生物學(xué)理論知識(shí)，又掌握工程技術(shù)方面的基本計(jì)算和設(shè)計(jì)工藝流程的原理和方法。教材曹軍衛(wèi)主編《微生物工程》（第二版）主要參考資料《微生物工程》(吳松剛）科學(xué)出版社2004《微生物工程工藝原理》(姚汝華)華南理工大學(xué)出版社2005《新編生物工藝學(xué)》（俞俊棠）化學(xué)工業(yè)出版社2003《發(fā)酵工藝原理》（熊宗貴）中國(guó)藥科大學(xué)出版社2000《發(fā)酵工程與設(shè)備》（邱立友）中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社2007《現(xiàn)代生物工藝學(xué)》（儲(chǔ)炬）華東理工大學(xué)出版社2008《微生物發(fā)酵過(guò)程多尺度研究與優(yōu)化》（張嗣良）化學(xué)工業(yè)出版社2003《FermentationMicrobiologyandBiotechnology》(E.M.T.El-Mansi,C.F.A.Bryce,ArnoldL.Demain)Taylor&Francis2011院系審閱意見(jiàn)系主任簽字：年月曰教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配教學(xué)時(shí)數(shù)教學(xué)內(nèi)容講課實(shí)驗(yàn)小計(jì)備注緒論2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)開(kāi)設(shè)第壹章菌種的來(lái)源2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第二章優(yōu)良菌種的選育2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第三章菌種保藏的原理及方法1學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)第四章微生物的代謝調(diào)節(jié)和代謝工程3學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)第五章微生物發(fā)酵培養(yǎng)基2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第六章發(fā)酵工藝控制8學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)第七章發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第八章微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)3學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)第九章培養(yǎng)基滅菌及滅菌設(shè)備3學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)第拾章發(fā)酵設(shè)備3學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)第拾壹章發(fā)酵設(shè)備過(guò)程的優(yōu)化與放大概論2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第拾二章空氣除菌設(shè)備2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)第拾三章微生物工程展望1學(xué)時(shí)1學(xué)時(shí)

緒論1.1發(fā)酵及發(fā)酵工程壹.發(fā)酵的定義1，發(fā)酵壹詞的來(lái)源“發(fā)酵”（Fermentation）壹詞是拉丁語(yǔ)“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。2，狹義“發(fā)酵”的定義在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的壹種方式，或者更嚴(yán)格地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時(shí)獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。3，廣義“發(fā)酵”的定義工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物(微生物或動(dòng)植物)細(xì)胞制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過(guò)程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品既有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。4，發(fā)酵工程的定義1）國(guó)際純粹及應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(1981年)將生物化學(xué)、生物學(xué)、微生物學(xué)和化學(xué)工程應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程（包括醫(yī)藥衛(wèi)生、能源及農(nóng)業(yè)產(chǎn)品）及環(huán)境保護(hù)的技術(shù)2）.國(guó)際經(jīng)濟(jì)及合作發(fā)展組織(1982年)應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)原理、依靠生物作用劑（Biologicalagents）的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)3）.MurryMoo-Young（1985年）對(duì)生物作用和生物物料加以評(píng)價(jià)和利用，并進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)4）.Higgins生物系統(tǒng)或生物過(guò)程的工業(yè)利用，它很大程度上取決于對(duì)生物系統(tǒng)及其催化作用專門(mén)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。發(fā)酵工程（FermentationBiotechnology）應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會(huì)性服務(wù)的壹門(mén)科學(xué)。發(fā)酵過(guò)程的組成部分1．發(fā)酵過(guò)程的組成繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中；微生物在最適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)；產(chǎn)物提取和精制；過(guò)程中排出的廢棄物的處理。3．發(fā)酵生產(chǎn)的條件某種適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧pH等）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備發(fā)酵工程的地位1.生物工程重要的組成部分發(fā)酵工程(Fermentation)酶工程(蛋白質(zhì)工程)(Enzymeengineering&Proteinengineering)基因工程(Geneticengineering)細(xì)胞工程(Cellengineering)2.生物工程中其他技術(shù)產(chǎn)業(yè)化表達(dá)的重要手段基因工程菌動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)3.生命科學(xué)研究的對(duì)象或載體地位基因工程細(xì)胞工程酶工程發(fā)酵工程二．發(fā)酵工程的特點(diǎn)發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：1．發(fā)酵過(guò)程壹般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。2．發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)?；谶@—特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。3．發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專壹性強(qiáng)，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。4．發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。5．由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ夹缘睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。6．微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。7．工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，開(kāi)可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。三、發(fā)酵的類型1．按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分糖類物質(zhì)發(fā)酵石油發(fā)酵廢水發(fā)酵2．按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分固態(tài)發(fā)酵深層液體發(fā)酵3．按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分氨基酸發(fā)酵有機(jī)酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵4．按發(fā)酵工藝流程區(qū)分分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵流加發(fā)酵5．按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分厭氧發(fā)酵通風(fēng)發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)品的類型工業(yè)上的發(fā)酵，有四個(gè)主要類別：壹、菌體工業(yè)生產(chǎn)的微生物體，可分為二種：1．供制備面包用的酵母；2．作為人類或動(dòng)物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞蛋白質(zhì)）。二、微生物的酶工業(yè)上，曾由植物、動(dòng)物和微生物生產(chǎn)酶。微生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而且與植物或動(dòng)物相比，改進(jìn)微生物的生產(chǎn)能力也方便得多。酶的生產(chǎn)是受到微生物本身嚴(yán)格控制。為改進(jìn)酶的生產(chǎn)能力可以改變這些控制，如在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物和采用菌株的誘變和篩選技術(shù)，以消除反饋?zhàn)瓒糇饔?。三、微生物代謝產(chǎn)物1．代謝產(chǎn)物的類別初級(jí)代謝產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類和碳水化合物等。次級(jí)代謝產(chǎn)物：有些微生物的穩(wěn)定期培養(yǎng)物中所含有的化合物，并不在營(yíng)養(yǎng)期時(shí)出現(xiàn)，而且未見(jiàn)到對(duì)細(xì)胞代謝功能有明顯的影響。例如，抗生素。2．初級(jí)代謝產(chǎn)物及其在工業(yè)上的應(yīng)用（1）第壹個(gè)階段（19世紀(jì)以前）產(chǎn)品只限于含酒精飲料和醋古埃及已經(jīng)能釀造啤酒（2）第二個(gè)階段（1900年~1940年）主要的新產(chǎn)品是酵母、甘油、檸檬酸、乳酸、丁醇和丙酮在面包酵母的生產(chǎn)中首先采用了分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)在壹次大戰(zhàn)時(shí)，Weizmann開(kāi)拓了丁醇丙酮發(fā)酵，并建立了真正的無(wú)雜菌發(fā)酵（3）第三個(gè)階段（1940年以後）這以階段的標(biāo)志是，在純種培養(yǎng)技術(shù)下，以深層培養(yǎng)生產(chǎn)青霉素解決向培養(yǎng)基中通入大量無(wú)菌空氣和高粘度培養(yǎng)液的攪拌問(wèn)題（4）第四個(gè)階段（1960年以後）以烴為碳源生產(chǎn)微生物細(xì)胞作為飼料蛋白質(zhì)的來(lái)源出現(xiàn)了不需要機(jī)械攪拌的高壓噴射和強(qiáng)制循環(huán)的發(fā)酵罐工業(yè)上普遍采用分批培養(yǎng)和分批補(bǔ)料培養(yǎng)法（5）第五個(gè)階段（1979年以後）這個(gè)階段以基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)為標(biāo)志。目前，世界上已經(jīng)批準(zhǔn)上市的基因工程藥物就有幾拾種，如：胰島素、人生長(zhǎng)激素等等。3．工業(yè)化成功利用催化生產(chǎn)的有機(jī)化合物4．微生物酶促轉(zhuǎn)化與化學(xué)合成有機(jī)結(jié)合5，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展1.2發(fā)酵工程的應(yīng)用壹．發(fā)酵工程在食品,輕工業(yè)領(lǐng)域的展望高產(chǎn)菌種和特殊環(huán)境微生物的遺傳育種新酶品種開(kāi)發(fā)和應(yīng)用食品添加劑新品種開(kāi)發(fā)和應(yīng)用生物技術(shù)產(chǎn)物工業(yè)規(guī)模的分離和提取二．發(fā)酵工業(yè)范圍1.釀酒工業(yè)(啤酒、葡萄酒、白酒等)2.食品工業(yè)(醬、醬油、醋、腐乳、面包、酸乳等)3.有機(jī)溶劑發(fā)酵工業(yè)(酒精、丙酮、丁醇等)4.抗生素發(fā)酵工業(yè)(青霉素、鏈霉素、土霉素等)5.有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè)(檸檬酸、葡萄糖酸等)6.酶制劑發(fā)酵工業(yè)(淀粉酶、蛋白酶等)7.氨基酸發(fā)酵工業(yè)(谷氨酸，賴氨酸等)8.核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工業(yè)(肌苷酸、肌苷等)9.維生素發(fā)酵工業(yè)(維生素、維生素等)10.生理活性物質(zhì)發(fā)酵工業(yè)(激素、赤霉素等)11.微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè)(酵母、單細(xì)胞蛋白等)12.微生物環(huán)境凈化工業(yè)(利用微生物處理廢水、污水等)13.生物能工業(yè)(沼氣、纖維素等天然原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等，能源物質(zhì))14.微生物冶金工業(yè)(利用微生物探礦、冶金、石油脫硫等)三．發(fā)酵產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域1，醫(yī)藥2，食品3，化工4，紡織5，輕工6，環(huán)保四．發(fā)酵罐等生物反應(yīng)器規(guī)模谷氨酸100~200m3最大660m3啤酒600m3（露天）檸檬酸220m3酶制劑90m3酵母培養(yǎng)罐170m3黃酒200m3酒精5×1500m3五．國(guó)外發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)1．生物轉(zhuǎn)化（或生物合成）技術(shù)成為國(guó)外著名化學(xué)公司爭(zhēng)奪的熱點(diǎn)，并逐步從醫(yī)藥領(lǐng)域逐漸向化工領(lǐng)域轉(zhuǎn)移2．生物催化合成已成為化學(xué)品合成的支柱之壹3．利用生物技術(shù)生產(chǎn)有特殊功能、性能、用途或環(huán)境友好的化工新材料，是化學(xué)工業(yè)發(fā)展的壹個(gè)重要趨勢(shì)。4．傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)已由基因重組菌種取代或改良。許多傳統(tǒng)的發(fā)酵工程產(chǎn)品如檸檬酸、青霉素等都已開(kāi)始采用基因工程手段進(jìn)行改造，大大地提高了產(chǎn)量。在以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品中，醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品占75％左右。六．國(guó)內(nèi)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展概況我國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵歷史悠久，在《黃帝內(nèi)經(jīng)素向》、《湯液醪醴論》里，已有釀酒的記載。白酒的起源，當(dāng)在元朝以前，尚待考證。醬油的釀造，當(dāng)始自周朝。在漢武帝時(shí)代開(kāi)始有了葡萄酒，距今已有兩仟多年的歷史。數(shù)仟年來(lái)由于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步緩慢，各種微生物工業(yè)也未能充分發(fā)展。直到20世紀(jì)中期才建立了壹系列新的微生物工業(yè)。近幾年來(lái)，由于生物新技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)酵工業(yè)開(kāi)始進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。1．白酒中國(guó)的釀酒業(yè)，距今已有數(shù)仟年的歷史淵源。白酒是我國(guó)特有的、具有悠久歷史的傳統(tǒng)酒種。1949年新中國(guó)成立時(shí)，我國(guó)白酒的產(chǎn)量只有10．8萬(wàn)t。1996年，我國(guó)白酒產(chǎn)量達(dá)到歷史高峰，總量達(dá)到801．30萬(wàn)t。目前，我國(guó)白酒的產(chǎn)量為400余噸。2．黃酒黃酒是我國(guó)最古老的酒種，早在夏、商、周三代就已經(jīng)大量生產(chǎn)了，并流傳至今，據(jù)史料記載已有6000年左右了。目前年產(chǎn)量為130萬(wàn)噸左右。3．啤酒1900年我國(guó)最早的啤酒廠于哈爾濱建成1915年國(guó)人投資的雙合盛啤酒廠建成1949年啤酒產(chǎn)量?jī)H七仟余噸1981年啤酒產(chǎn)量增至91萬(wàn)噸2001年產(chǎn)量達(dá)到2200萬(wàn)噸左右4．葡萄酒1892年華僑張弼士在煙臺(tái)建立釀酒公司，這是我國(guó)第壹個(gè)新型的葡萄酒釀造廠目前我國(guó)葡萄酒工廠已有近八拾家葡萄酒年產(chǎn)量約30萬(wàn)噸張?jiān)！⑼醭?、長(zhǎng)城三家公司占據(jù)50.6％的市場(chǎng)份額，銷售收入占整個(gè)行業(yè)的61.9％5．醬油和醋早在三仟年前便已掌握了醬油和醋發(fā)酵的技法，數(shù)仟年來(lái)壹直沿用自然發(fā)酵法，直到20世紀(jì)後才開(kāi)始采用純種培養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)，目前設(shè)備及釀造方法逐步實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化醬油年產(chǎn)量約為450萬(wàn)噸，已居世界首位醋年產(chǎn)量約為250萬(wàn)噸6．酒精二拾世紀(jì)初期，外商在東北設(shè)立哈爾濱和阿城兩個(gè)酒精廠1922年山東溥益酒精廠成立，為第壹個(gè)由國(guó)人設(shè)立的酒精廠1934年華僑投資在上海浦東設(shè)立中國(guó)酒精廠，當(dāng)時(shí)號(hào)稱遠(yuǎn)東第壹大型酒精廠酒精年產(chǎn)量解放前僅1萬(wàn)噸左右。7．酶制劑1964年才在無(wú)錫建立了第壹個(gè)酶制劑工廠目前有酶制劑生產(chǎn)廠家40家左右，其中萬(wàn)噸以上，銷售額2000萬(wàn)以上有8家，其余均在萬(wàn)噸以下目前的年產(chǎn)量為22萬(wàn)噸左右8．檸檬酸1953年我國(guó)曾進(jìn)行淺盤(pán)發(fā)酵制檸檬酸的中型生產(chǎn)1965年前後由上海酵母廠首先采用深層發(fā)酵法，由薯干直接發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸生產(chǎn)能力為35萬(wàn)t/a，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)25萬(wàn)t/a左右，出口量居世界第壹位9.微生物制藥在上海建立了第壹個(gè)抗生素工廠(即後來(lái)的上海第三制藥廠)，以生產(chǎn)青霉素為主1958年我國(guó)最大的抗生素工廠——華北制藥廠亦正式投入生產(chǎn)10．味精1964年我國(guó)谷氨酸發(fā)酵研究成功，首先在上海投入生產(chǎn)味精生產(chǎn)萬(wàn)噸以上產(chǎn)量的工廠有17家最大規(guī)模是周口蓮花味精集團(tuán)公司，年產(chǎn)12萬(wàn)噸目前年產(chǎn)量60多萬(wàn)噸11．基因工程產(chǎn)品至1998年，已有14種基因工程藥物、3個(gè)基因工程疫苗和數(shù)拾個(gè)重組診斷試劑投放市場(chǎng)12．細(xì)胞工程產(chǎn)品紫草、三七等等植物細(xì)胞已可在發(fā)酵罐種大規(guī)模培養(yǎng)。我國(guó)的傳統(tǒng)中藥涉及5000種左右植物，細(xì)胞培養(yǎng)是中藥資源開(kāi)發(fā)的壹個(gè)重要方面。七．我國(guó)發(fā)酵工業(yè)的主要進(jìn)步1.發(fā)酵產(chǎn)品增長(zhǎng)快、質(zhì)量明顯提高，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起重要作用新型發(fā)酵工業(yè)：年產(chǎn)量115萬(wàn)噸；產(chǎn)值150億；利稅50億。釀酒工業(yè)（不包括酒精）：年產(chǎn)量2000萬(wàn)噸左右；產(chǎn)值450億；利稅120億。2.科技進(jìn)步，技術(shù)水平提高例如：糖化酶的發(fā)酵液酶活力由7000u／ml提高至30000-40000u／ml；味精和檸檬酸三個(gè)主要指標(biāo)：產(chǎn)酸率、轉(zhuǎn)化率和提取率提高5%左右。3.積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品特鮮味精；無(wú)水檸檬酸、檸檬酸鹽；高溫α-淀粉酶；纖維素酶；β-葡聚糖酶；異淀粉酶等酶制劑；L壹蘋(píng)果酸；L壹乳酸；衣康酸；黃原膠;功能性發(fā)酵制品:r-亞麻酸；冬蟲(chóng)夏草；蘑菇、靈芝多糖;活性肽；紅曲色素,低聚異麥芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海藻糖等等。八．與國(guó)際先進(jìn)水平的差距1．多數(shù)工廠規(guī)模小、效益低2．生產(chǎn)技術(shù)水平比較低3．產(chǎn)品品種單壹，結(jié)構(gòu)不合理4．應(yīng)用的深度和廣度不夠5．技術(shù)裝備和檢測(cè)手段落後，自動(dòng)化水平低6．綜合利用和環(huán)境治理差九、加入WTO對(duì)我國(guó)發(fā)酵行業(yè)的影響1．有利因素主要表現(xiàn)我國(guó)加入WTO後，是世貿(mào)組織的壹個(gè)成員，可以同等享受最惠國(guó)待遇國(guó)民待遇也是世貿(mào)組織的壹個(gè)重要原則加入世貿(mào)組織，對(duì)企業(yè)引進(jìn)外資和先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)裝備以及管理經(jīng)驗(yàn)，加速企業(yè)改組改造，進(jìn)行企業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)企業(yè)的進(jìn)壹步發(fā)展有利中國(guó)加入WTO後，關(guān)稅進(jìn)壹步降低中國(guó)加入WTO後，發(fā)酵企業(yè)對(duì)原料的選擇性范圍寬了2．不利因素主要表現(xiàn)：對(duì)原料產(chǎn)區(qū)形成賣糧難國(guó)外先進(jìn)國(guó)家技術(shù)水平高，產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低，對(duì)國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品沖擊較大我國(guó)研究力量薄弱，研究手段相對(duì)落後，綜合素質(zhì)較差3．應(yīng)對(duì)措施：加快技術(shù)進(jìn)步步伐，走創(chuàng)新之路，提高水平，降低成本調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提高企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)營(yíng)管理水平，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量管理和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作加強(qiáng)國(guó)內(nèi)國(guó)際之間的技術(shù)交流和合作，引進(jìn)入才、引進(jìn)外資、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和裝備發(fā)揮各行業(yè)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，摘出本企業(yè)有特色的產(chǎn)品，以提高競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)酵工程的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)二拾世紀(jì)四拾年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。1928年由Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素1941年美國(guó)和英國(guó)合作對(duì)青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基───40u/ml1943年沉浸培養(yǎng)：5m3───200u/ml當(dāng)今：100m3─200m3───5-7萬(wàn)u/ml鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素大型發(fā)酵罐攪拌裝置180M3發(fā)酵罐車間發(fā)酵車間的空氣過(guò)濾器現(xiàn)代生物技術(shù)──分子生物學(xué)

與發(fā)酵工程氨基酸發(fā)酵工業(yè)──谷氨酸、賴氨酸核酸發(fā)酵工業(yè)──肌苷酸、烏苷酸微生物變異株通過(guò)代謝調(diào)節(jié)──代謝控制發(fā)酵技術(shù)切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點(diǎn):酶的活力調(diào)控,酶的合成調(diào)控(反饋控制和反饋?zhàn)瓒?→解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié),特殊調(diào)節(jié)控制的利用,突變株的應(yīng)用,前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等發(fā)酵工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目前，全球發(fā)酵產(chǎn)品的年銷售額在400億美元左右，并以每年約7％～8％的速率增長(zhǎng)。我國(guó)發(fā)酵行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有5000多家，主要發(fā)酵產(chǎn)品的年產(chǎn)值高達(dá)1300億元。發(fā)酵工程技術(shù)給人類社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展帶來(lái)了巨大的潛力21世紀(jì)是生物技術(shù)世紀(jì)未來(lái)學(xué)家說(shuō)：21世紀(jì)是生物技術(shù)世紀(jì)；科學(xué)家預(yù)言：21世紀(jì)世界即將在生物技術(shù)上取得重大突破，新世紀(jì)之初，科學(xué)方面的主要將在生物學(xué)、遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)、新型生物材料、能源、環(huán)境保護(hù)上有所突破；經(jīng)濟(jì)學(xué)家則認(rèn)為：21世紀(jì)20年代，生物經(jīng)濟(jì)將由目前的形成階段進(jìn)入成長(zhǎng)階段，即工業(yè)生產(chǎn)與商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。1.3發(fā)酵工程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)發(fā)酵工程的主要問(wèn)題-----過(guò)程優(yōu)化與放大在已提供高產(chǎn)菌株的基礎(chǔ)上，如何把這些高產(chǎn)菌種在培養(yǎng)過(guò)程中進(jìn)壹步考察它的生理生化特性，穩(wěn)定或改進(jìn)微生物反應(yīng)工藝過(guò)程，這里要求對(duì)生物物性的動(dòng)態(tài)有詳盡的了解，對(duì)生化反應(yīng)做定量的和動(dòng)力學(xué)方面的考察。發(fā)酵工程在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的地位21世紀(jì)的工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，究竟是壹個(gè)什么樣的格局？作為工業(yè)生物技術(shù)核心的發(fā)酵工程，在已經(jīng)開(kāi)始的生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代，是處于壹種什么狀態(tài)？能起何種作用？又面臨那些課題？這是人們所關(guān)注的問(wèn)題！1.4本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過(guò)《發(fā)酵工程》的學(xué)習(xí)，將技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課與發(fā)酵工業(yè)的操作原理結(jié)合起來(lái)，了解發(fā)酵工業(yè)控制的特性及共性，并且熟悉發(fā)酵工業(yè)的工藝流程及常用術(shù)語(yǔ)，為今後從事生物工程的有關(guān)科研和生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

第二章菌種的來(lái)源及選育第壹節(jié)微生物的特性及工業(yè)微生物的要求壹.微生物的特性二、發(fā)酵工業(yè)常用微生物的形態(tài)特征1.細(xì)菌（Bacterium)（1）形態(tài)（2）結(jié)構(gòu)（3）培養(yǎng)特征2.酵母（Yeast)（1）形態(tài)（2）結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu):細(xì)胞壁；細(xì)胞膜；細(xì)胞核；液泡；線粒體；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；核糖體；微體；微絲；內(nèi)含物3.霉菌——形態(tài)4、微生物的特點(diǎn)體積小；種類多；分布廣；繁殖快；便于培養(yǎng)；容易發(fā)生變異；在生產(chǎn)中不易受時(shí)間、季節(jié)、地區(qū)的限制5、微生物與發(fā)酵發(fā)酵工程是以微生物的生命活動(dòng)為中心的微生物的生物學(xué)性狀和發(fā)酵條件決定了其相應(yīng)產(chǎn)物的生成工業(yè)上用的全部微生物都稱為工業(yè)微生物，工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌由于發(fā)酵工程本身的發(fā)展以及基因工程正在進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程，病毒、藻類等其它微生物也正在逐步地變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)菌。三．工業(yè)化菌種的要求能夠利用廉價(jià)的原料，簡(jiǎn)單的培養(yǎng)基，大量高效地合成產(chǎn)物有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡(jiǎn)單，或者說(shuō)菌種改造的可操作性要強(qiáng)遺傳性能要相對(duì)穩(wěn)定不易感染它種微生物或噬菌體產(chǎn)生菌及其產(chǎn)物的毒性必須考慮（在分類學(xué)上最好與致病菌無(wú)關(guān)）生產(chǎn)特性要符合工藝要求第二節(jié)自然界中有目的微生物分離的原則壹、菌種分離的壹般過(guò)程二、采樣時(shí)要注意的問(wèn)題三、目的微生物富集的壹些基本方法四、菌落的選出第三節(jié)已工業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)菌的介紹壹、抗生素生產(chǎn)有關(guān)的微生物二、氨基酸生產(chǎn)有關(guān)的微生物三、食品酶制劑生產(chǎn)有關(guān)的微生物第四節(jié)優(yōu)良菌種選育壹、自然選育二、誘變育種誘變育種的壹般步驟出發(fā)菌株↓純化、活化、前培養(yǎng)（同步培養(yǎng)）培養(yǎng)液↓離心收集細(xì)胞、洗滌，制備均壹的菌懸液（玻璃珠打散、過(guò)濾）單細(xì)胞或單孢子懸液↓活菌計(jì)數(shù)，誘變預(yù)備試驗(yàn)誘變處理↓活細(xì)胞計(jì)數(shù)，致死率計(jì)算後培養(yǎng)（中間培養(yǎng)）↓平板分離↓變異率計(jì)算初篩→復(fù)篩→保藏及擴(kuò)大試驗(yàn)誘變育種工作中應(yīng)注意的問(wèn)題1.安全問(wèn)題：各種誘變劑幾乎都有致癌作用，因此在操作中應(yīng)時(shí)刻注意安全問(wèn)題：個(gè)人安全和環(huán)境安全。個(gè)人安全：操作時(shí)注意防護(hù)，不同誘變劑要求不同防護(hù)方法，如γ-射線輻射防護(hù)要求較高，uv要求較低，而化學(xué)誘變劑則要求不與身體有關(guān)部位直接接觸。環(huán)境安全：所用物品要經(jīng)解毒處理；液體經(jīng)解毒或充分稀釋才可以排放。2.要養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣：如仔細(xì)觀察細(xì)微的形態(tài)變化、要詳實(shí)記錄菌株的誘變史和誘變譜系。3.誘變育種技術(shù)要和其他育種手段相結(jié)合。4.誘變育種由于其篩選的盲目性，突變的不定向性，工作量拾分大，因此要對(duì)整個(gè)工作進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)并結(jié)合新技術(shù)提高其工作效率。第五節(jié)營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型是壹種生化突變株，它的出現(xiàn)是由基因突變引起的。遺傳信息的載體是壹系列為酶蛋白編碼的核酸序列，如果核酸序列中的某堿基發(fā)生突變，由該基因所控制的酶合成受阻，該菌株也因此不能合成某種營(yíng)養(yǎng)因子，使正常代謝失去平衡。在篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株中，與之有關(guān)的培養(yǎng)基有三類：完全培養(yǎng)基：CompleteMedium（CM）含有滿足某微生物的所有營(yíng)養(yǎng)缺陷型和野生型菌株生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的天然或半合成培養(yǎng)基。基本培養(yǎng)基：MinimalMedium（MM）：不含生長(zhǎng)因子僅能滿足某微生物的野生型菌株生長(zhǎng)需要的最低成分合成培養(yǎng)基。補(bǔ)充培養(yǎng)基：SupplementedMedium(SM)：補(bǔ)充了壹種或數(shù)種生長(zhǎng)因子，以滿足某微生物的特定的營(yíng)養(yǎng)缺陷型生長(zhǎng)的培養(yǎng)基，其中的生長(zhǎng)因子多是通過(guò)直接添加AA、堿基或維生素而提供。

第三章菌種保藏的原理和方法壹．原理使微生物的代謝處于最不活躍或相對(duì)靜止的狀態(tài)，才能在壹定的時(shí)間內(nèi)使其不發(fā)生變異而又保持生活能力。低溫、干燥、寡營(yíng)養(yǎng)和隔絕空氣二．防止菌種衰退的方法控制傳代次數(shù)選擇合適的培養(yǎng)條件利用不同類型的細(xì)胞進(jìn)行傳代選擇合適的保藏方法三．菌種保藏法斜面保藏法(傳代培養(yǎng)保藏法)是指將菌種接種于適宜的培養(yǎng)基中，最適條件下培養(yǎng)，待生長(zhǎng)充分後，于4～6℃進(jìn)行保存并間隔壹定時(shí)間進(jìn)行移植培養(yǎng)的菌種保藏方法。液體石蠟保藏法(礦物油保藏法)是指將菌種接種在適宜的斜面培養(yǎng)基上，最適條件下培養(yǎng)至菌種長(zhǎng)出健壯菌落後注入滅菌的液體石蠟，使其覆蓋整個(gè)斜面，再直立放置于低溫（4～6℃）干燥處進(jìn)行保存的壹種菌種保藏方法。穿刺保藏法1%軟瓊脂小試管和螺口小管沙土管保藏法將培養(yǎng)好的微生物細(xì)胞或孢子用無(wú)菌水制成懸浮液，注入滅菌的沙土管中混合均勻，或直接將成熟孢子刮下接種于滅菌的沙土管中，使微生物細(xì)胞或孢子吸附在沙土載體上，將管中水分抽干後熔封管口或置干燥器中于4～6℃或室溫進(jìn)行保存的壹種菌種保藏方法。真空冷凍干燥保藏法將微生物冷凍，在減壓下利用升華作用除去水分，使細(xì)胞的生理活動(dòng)趨于停止，從而長(zhǎng)期維持存活狀態(tài)。液氮超低溫保藏液氮超低溫保藏技術(shù)是將菌種保藏在-196℃的液態(tài)氮，或在-150℃的氮?dú)庵械拈L(zhǎng)期保藏方法，它的原理是利用微生物在-130℃以下新陳代謝趨于停止而有效地保藏微生物。-20℃低溫冷凍保藏將菌種保藏在-20℃冰箱中以減緩細(xì)胞的生理活動(dòng)進(jìn)行冷凍的壹種保藏方法。四．菌種保藏機(jī)構(gòu)CCGMC:AS-1,2,3,4,IVACCC:ISFCICC:IFFICMCC:NICPBP,ID,IVCACC

第四章微生物的代謝調(diào)節(jié)與代謝工程第壹節(jié)代謝調(diào)節(jié)的方式1，細(xì)胞透性的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)膜的透性直接影響物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌， 從而 影響到細(xì)胞內(nèi)代謝的變化。 細(xì)胞質(zhì)膜的透性的調(diào)節(jié)是微生物代謝調(diào)節(jié)的重要方式， 由它控制著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。2，代謝途徑區(qū)域化 原核微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單， 但也劃分出不同 的區(qū)域， 對(duì)于某壹代謝途徑有關(guān)的酶系則集中在某壹區(qū)域， 以保證這壹代謝途徑的酶促反應(yīng)順利進(jìn)行， 避免了其他途徑的干擾。? 例如呼吸的酶系集中在細(xì)胞質(zhì)膜上；而? 與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶系則位于核蛋白體上；分解大分子的水解酶，? 在革蘭氏陰性菌里是位于壁膜間隙中，而? 革蘭氏陽(yáng)性菌則將這些水解酶類，? 分泌于胞外。 在真核微生物細(xì)胞里， 各種酶系被細(xì)胞器隔離分布。 如與呼吸產(chǎn)能有關(guān)的酶系集中于線粒體內(nèi)膜上；蛋白質(zhì)的合成酶系位于核蛋白體上；DNA合成的某些酶位于細(xì)胞核里。 細(xì)胞具有復(fù) 雜的結(jié)構(gòu)使其代謝活動(dòng)只能在特定的部位上進(jìn)行， 即代謝活動(dòng)是區(qū)域化的， 其實(shí)質(zhì)是控制酶與底物接觸， 使各個(gè)反應(yīng)有序地進(jìn)行。3，代謝流向的調(diào)控 微生物在不同 條件下可以通過(guò)控制各代謝途徑中某個(gè)酶促反應(yīng)的速率來(lái)控制代謝物的流向， 從而 保持機(jī)體代謝的平衡。它包括兩種形式: 由壹個(gè)關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng) 由兩種酶控制的逆單向反應(yīng)由壹個(gè)關(guān)鍵酶控制的可逆反應(yīng):同壹個(gè)酶可以通過(guò)不同輔基(或輔酶)控制代謝物的流向。? 例如，? 谷氨酸脫氫酶以NADP+為輔酶時(shí)，? 主要是催化谷氨酸的合成，? 當(dāng)以NAD+為輔酶時(shí)，? 則催化谷氨酸的分解。因此微生物可以通過(guò)不同? 的輔基來(lái)控制代謝物的流向。由兩種酶控制的逆單向反應(yīng):逆單向反應(yīng)是在生物體代謝的關(guān)鍵部位的某些反應(yīng)，它是由兩種各自不同的酶來(lái)催化的。即在壹個(gè)“可逆”反應(yīng)中，其中壹種酶催化正反應(yīng)，而另壹種酶則催化逆反應(yīng)。 例如，? 葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖是由已糖激酶催化的，而? 其逆反應(yīng)則是由6-磷酸葡萄糖酯酶催化的。6-磷酸果糖轉(zhuǎn)化為1，? 6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶催化的，? 逆反應(yīng)則由1，? 6-二磷酸果糖酯酶催化。4，代謝速度的調(diào)控 在不 可逆反應(yīng)中， 微生物通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性和酶量來(lái)控制代謝物的流量。 微生物在不同 條件下能按照需要， 通過(guò)激活或抑制原有酶的活性或通過(guò)誘導(dǎo)或阻遏酶的合成來(lái)自我調(diào)節(jié)其代謝速度， 使之高度經(jīng)濟(jì)有效地利用能量和原料進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。二、酶活性的調(diào)節(jié)1.概念 酶活性調(diào)節(jié)是指 壹定數(shù)量的酶， 通過(guò)其分子構(gòu)象或分子結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速率。2.酶活性調(diào)節(jié)的影響因素 底物和產(chǎn)物的性質(zhì)和濃度 環(huán)境因子(如壓力、pH、離子強(qiáng)度和輔助因子等) 其他酶的存在3.酶活性調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方式 激活已有酶的活性-----激活劑 抑制已有酶的活性-----抑制劑4.酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制改變酶分子的活性來(lái)調(diào)節(jié)微生物代謝速度的辦法稱為酶活性的調(diào)節(jié)。其活性發(fā)生改變的酶稱為調(diào)節(jié)酶（Regulatoryenzyme）。調(diào)節(jié)酶也稱關(guān)鍵酶，包括變構(gòu)酶、同功酶和多功能酶，通常為變構(gòu)酶，壹般具有多個(gè)亞基，包括催化亞基和調(diào)節(jié)亞基。微生物體內(nèi)代謝過(guò)程的各種生物化學(xué)反應(yīng)，都是由各種酶來(lái)催化的。按各種酶在代謝調(diào)節(jié)中作用的不同，又可將酶分為：①調(diào)節(jié)酶(常稱關(guān)鍵酶，與代謝調(diào)節(jié)關(guān)系密切)：包括以下3種：1)變構(gòu)酶：壹般是具有多亞基四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。2)同功酶：具有同壹種酶的底物專壹性，但分子結(jié)構(gòu)不同的壹類酶。3)多功能酶：能夠催化兩種以上不同反應(yīng)的酶。②靜態(tài)酶：壹般與代謝調(diào)節(jié)關(guān)系不大。③潛在酶：指酶原、非活性型或與抑制劑結(jié)合的酶。（壹）激活 激活：在激活劑的作用下， 使原來(lái)無(wú)活性的酶變成有活性， 或使原來(lái)活性低的酶提高了活性的現(xiàn)象。 代謝調(diào)節(jié)的激活作用：主要是指 代謝物對(duì)酶的激活。 前體激活， 指 代謝途徑中後面的酶促反應(yīng)， 可被該途徑中較前面的壹個(gè)中間產(chǎn)物所促進(jìn)。 代謝中間產(chǎn)物的反饋激活， 指 代謝中間產(chǎn)物對(duì)該代謝途徑的前面的酶起激活作用。（二）抑制 抑制：由于某些物質(zhì)的存在，降低酶活性的現(xiàn)象。 反饋抑制：反饋抑制是指代謝的末端產(chǎn)物對(duì)酶(往往是代謝途徑中的第壹個(gè)酶)活性的抑制。1，無(wú)分支代謝途徑的調(diào)節(jié) 通常是在線形的代謝途徑中末端產(chǎn)物對(duì)催化第壹步反應(yīng)的酶活性有抑制作用。2，有分支代謝途徑的調(diào)節(jié) 在有兩種或兩種以上的末端產(chǎn)物的分支合成代謝途徑中，調(diào)節(jié)方式較復(fù) 雜， 其共同 特點(diǎn)是每個(gè)分支途徑的末端產(chǎn)物控制分支點(diǎn)後的第壹個(gè)酶，同 時(shí)每個(gè)末端產(chǎn)物又對(duì)整個(gè)途徑的第壹個(gè)酶有部分的抑制作用， 分支代謝的反饋調(diào)節(jié)方式有多種:酶的順序反饋抑制同工酶的反饋抑制 協(xié)同反饋抑制 累積反饋抑制 超相加反饋抑制（1）酶的順序反饋抑制 分支代謝途徑中的兩個(gè)末端產(chǎn)物， 不 能直接抑制途徑中的第壹個(gè)酶， 只有當(dāng)兩個(gè)末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)， 才能對(duì)途徑中的第壹個(gè)酶有抑制作用。（2）同工酶的反饋抑制同功酶是指能催化同壹生化反應(yīng)，但它們的結(jié)構(gòu)稍 有不同， 可分別被相應(yīng)的末端產(chǎn)物抑制的壹類酶。其特點(diǎn)是：途徑中第壹個(gè)反應(yīng)被兩個(gè)不同 的酶所催化， 壹個(gè)酶被Y抑制， 另壹個(gè)酶被Z抑制。只有當(dāng)Y和Z同 時(shí)過(guò)量才能完全阻止A轉(zhuǎn)變?yōu)锽。（3）協(xié)同反饋抑制 在分支代謝系統(tǒng)中， 幾種末端產(chǎn)物同 時(shí)都過(guò)量， 才對(duì)途徑中的第壹個(gè)酶具有抑制作用， 如果末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量則對(duì)途徑中的第壹個(gè)酶無(wú)抑制作用。（4）累積反饋抑制 在分支代謝途徑中各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)， 它們各自能對(duì)途徑中的第壹個(gè)反應(yīng)的酶僅產(chǎn)生較小的抑制作用。壹種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量并不 影響其它末端產(chǎn)物的形成， 只有當(dāng)幾種末端產(chǎn)物同 時(shí)過(guò)量時(shí)， 才對(duì)途徑中的第壹個(gè)酶產(chǎn)生較大的抑制。（5）超相加反饋抑制 超相加反饋抑制是壹種既不同 于協(xié)同 反饋抑制又不同 于累積反饋抑制的作用。對(duì)壹個(gè)分支代謝途徑中， 幾種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)， 僅產(chǎn)生對(duì)共同 途徑的第壹個(gè)酶部分的抑制。如果每種末端產(chǎn)物都過(guò)量時(shí)， 其抑制作用則超過(guò)各種末端產(chǎn)物單獨(dú)過(guò)量時(shí)抑制的總和。5，酶活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制 解釋酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制的理論： 別構(gòu)調(diào)節(jié)理論(其核心是酶分子構(gòu)象的改變) 酶分子的化學(xué)修飾理論(其核心是酶分子結(jié)構(gòu)的改變)。三、酶合成的調(diào)節(jié) 1.酶合成的誘導(dǎo)：促進(jìn)酶的合成. 2.酶合成的阻遏：抑制酶的合成.包括：1)終產(chǎn)物阻遏。2)分解代謝物阻遏。1.酶合成的誘導(dǎo)1).誘導(dǎo)酶:當(dāng)環(huán)境中存在誘導(dǎo)劑時(shí)才產(chǎn)生的酶。而這種環(huán)境物質(zhì)促使微生物細(xì)胞中酶合成的現(xiàn)象稱為酶的誘導(dǎo)。2).組成酶:(p26)----EMP2，酶合成誘導(dǎo)的機(jī)制 誘導(dǎo)機(jī)制:操縱子學(xué)說(shuō)可以較好的說(shuō)明酶的誘導(dǎo)產(chǎn)生的機(jī)制， 操縱子指 壹組功能上相關(guān)的基因， 它們由啟動(dòng)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因構(gòu)成。3，酶合成的阻遏1).末端代謝產(chǎn)物阻遏（End-productrepression）這是酶合成阻遏中的壹種。它是指由于末端產(chǎn)物的過(guò)量積累而引起代謝途徑中酶合成的阻遏，是壹種反饋?zhàn)瓒?，末端代謝產(chǎn)物阻遏的特點(diǎn)是同時(shí)阻遏合成途徑中所有酶的合成。對(duì)于分支代謝途徑的末端代謝產(chǎn)物阻遏，每種末端產(chǎn)物只專壹地阻遏合成它自身那條分支途徑的酶，而分支點(diǎn)的酶則受所有分支途徑末端產(chǎn)物的共同阻遏。這種幾個(gè)終產(chǎn)物，共同協(xié)調(diào)阻遏某壹個(gè)酶的生物合成稱為多價(jià)阻遏（multivalentrepression）。對(duì)于直線式代謝途徑，末端產(chǎn)物阻遏情況較為簡(jiǎn)單。末端產(chǎn)物將引起代謝途徑中各種酶的合成終止。末端代謝產(chǎn)物阻遏的機(jī)制可以用操縱子學(xué)說(shuō)解釋。如大腸桿菌色氨酸操縱子模型。2).酶合成的分解代謝物阻遏（Cataboliterepression）所謂分解代謝阻遏，是當(dāng)細(xì)胞中具有壹優(yōu)先利用的底物時(shí)，很多其他分解反應(yīng)途徑往往受到最容易利用的底物阻遏的現(xiàn)象。由于這種阻遏并不是優(yōu)先利用底物及作用的結(jié)果，而是有底物分解過(guò)程中產(chǎn)生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏。這種阻遏效應(yīng)最早在1942年由Monod在研究大腸桿菌混合碳源生長(zhǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在微生物的生長(zhǎng)體系中，外加CAMP（環(huán)腺苷酸）可解除分解代謝物阻遏，這表明分解代謝物阻遏的實(shí)質(zhì)是由于細(xì)胞內(nèi)缺少CAMP。分解代謝物阻遏作用是發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上的，因而屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。Monod提出的乳糖操縱子模型可以較好地解釋分解代謝物的阻遏機(jī)制。葡萄糖效應(yīng)又稱葡萄糖阻遏或分解代謝產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。如大腸埃希氏菌培養(yǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上，在葡萄糖沒(méi)有被利用完之前，乳糖操縱子就壹直被阻遏，乳糖不能被利用，這是因?yàn)槠咸烟堑姆纸馕镆鸺?xì)胞內(nèi)cAMP（環(huán)腺苷酸）含量降低，啟動(dòng)子釋放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能與乳糖的啟動(dòng)基因結(jié)合，以至轉(zhuǎn)錄不能發(fā)生，直到葡萄糖被利用完後，乳糖操縱子才進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成利用乳糖的酶，這種現(xiàn)象稱葡萄糖效應(yīng)。 CAP：降解物激活蛋白又叫分解代謝基因活化蛋白cataboliteactivatorprotein，簡(jiǎn)稱CAP。在分解代謝阻遏中調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是降解物基因活化蛋白（CAP），它能與環(huán)腺苷酸（cAMP）結(jié)合而被活化，幫助RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。4，酶合成阻遏的機(jī)制四、能荷調(diào)節(jié)

能荷:指細(xì)胞中ATP,ADP,AMP系統(tǒng)中可為代謝反應(yīng)供能的高能磷酸鍵的量度。能荷=(【ATP】+0.5【ADP】)／(【ATP】+【ADP】+【AMP】)×100％能荷=100％全部是ATP能荷=0％全部是AMP能荷=50％全部是ADP(三)、次級(jí)代謝的調(diào)節(jié) 初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié) 碳代謝物的調(diào)節(jié)作用 氮代謝物的調(diào)節(jié)作用 磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用 次級(jí)代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?次級(jí)代謝中細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié)(四)、次級(jí)代謝物合成的特點(diǎn) 次級(jí)代謝物合成過(guò)程遠(yuǎn)較初級(jí)代謝產(chǎn)物復(fù)雜； 次級(jí)代謝產(chǎn)物則需要復(fù) 雜的營(yíng)養(yǎng)條件； 在分批培養(yǎng)條件下， 次級(jí)代謝產(chǎn)物壹般都是在菌體生長(zhǎng)的峰值出現(xiàn)後才大量合成。(五)、常用的提高次級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法(1)補(bǔ)加前體類似物? 前體：指? 某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，? 能直接被微生物在生物合成過(guò)程中合成到產(chǎn)物物分子中去，而? 其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大變化，? 但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。 在合成途徑已基本清楚的條件下， 向發(fā)酵培養(yǎng)基中補(bǔ)加前體是增加次級(jí)產(chǎn)物的有效方法。? 如青霉素G的生產(chǎn)中，? 苯乙酰-CoA是限速性因子，? 補(bǔ)加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的產(chǎn)量。 次級(jí)代謝產(chǎn)物形成中并不 是所有前體類似物都是限制性因子。加入前體提高產(chǎn)量的效果更取決于總體代謝的調(diào)節(jié)水平。前體物質(zhì)本身是否易于得到等。這都是在生產(chǎn)應(yīng)用中需綜合考慮的。(2)加入誘導(dǎo)物 把壹些對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)生有誘導(dǎo)作用的物質(zhì)加入發(fā)酵培養(yǎng)基中會(huì)增加產(chǎn)量。? 如加蛋氨酸或硫脲可使頂頭孢霉增產(chǎn)頭孢霉素C，? 加入巴比妥可提高利福霉素產(chǎn)量等。但在工業(yè)生產(chǎn)中還未普遍應(yīng)用此技術(shù)，而? 只是在選擇培養(yǎng)基組成時(shí)給以考慮。 目前工業(yè)用微生物酶多數(shù)為誘導(dǎo)酶， 如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等。 誘導(dǎo)物的存在能大大強(qiáng)化誘導(dǎo)酶的生物合成。 酶的正常底物或底物的類似物都可作為誘導(dǎo)物。(3)防止碳分解代謝阻遏或抑制的發(fā)生 青霉素發(fā)酵中限量流加葡萄糖(或糖蜜)以減少碳分解阻遏的發(fā)生， 是壹項(xiàng)很有效的提高產(chǎn)量的方法。 使用寡糖、多糖等緩慢利用的碳源， 葡萄糖與麥芽糖、葡萄糖與蔗糖、葡萄糖與淀粉混合碳源的利用， 也都能減少碳分解阻遏的發(fā)生。 加入影響糖代謝的硫氰酸芐酯可使金霉菌對(duì)葡萄糖的利用速度減緩， 可增加金霉素的產(chǎn)量。(4)防止氮代謝阻遏的發(fā)生 避免使用高濃度的銨鹽做氮源以防止氮代謝阻遏的發(fā)生， 是抗生素發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。在抗生素產(chǎn)生期如補(bǔ)加氮源則會(huì)造成發(fā)酵逆轉(zhuǎn)， 返回生長(zhǎng)期， 抗生素的產(chǎn)量會(huì)大為減少。 使用亞適量(對(duì)菌體生長(zhǎng))的磷酸鹽， 亦是抗生素發(fā)酵工業(yè)中遵循的原則之壹。 為防止碳、氮、磷分解阻遏的發(fā)生， 應(yīng)選用黃豆餅粉、蛋白胨類、淀粉類物質(zhì)為主要原料，而 盡量少用易被迅速利用的葡萄糖等。(5)篩選耐前體或前體類似物的突變株 加入前體有提高次級(jí)產(chǎn)物產(chǎn)量的效果；但過(guò)量對(duì)菌體又會(huì)有毒。篩選對(duì)前體有抗性的突變株以減少或消除前體的反饋?zhàn)瓒簦?從而 可獲得高產(chǎn)。? 如抗苯乙酸的青霉突變株，? 其青霉素的產(chǎn)量會(huì)增加。? 半胱氨酸、纈氨酸是β-內(nèi)酰胺類抗生素的前體，? 篩選上述氨基酸的類似物，? 三氟亮氨酸、DL—纈氨酸的抗性菌株，? 其β-內(nèi)酰胺類抗生索產(chǎn)量會(huì)提高。(6)選育抗抗生素突變株 鏈霉素、氯霉素、金霉素籌多種抗生素都具有抑制產(chǎn)生自身菌體蛋白質(zhì)的能力。壹株高產(chǎn)抗生索產(chǎn)生菌， 必然應(yīng)具備 對(duì)自身所分泌的抗生索的抗性。篩選抗抗生素產(chǎn)生菌也就成了菌種選育中的常用方法。金霉素、鏈霉素產(chǎn)生菌的抗性菌株產(chǎn)量有數(shù)倍 增加的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果已有不 少報(bào)道。(7)篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變株 次級(jí)代謝產(chǎn)物都來(lái)自初級(jí)代謝產(chǎn)物， 因此其營(yíng)養(yǎng)缺陷型的產(chǎn)量壹般都很低， 但其回復(fù) 突變型中卻有不 少獲得高產(chǎn)的例子， 其機(jī)制尚不 清楚， 估計(jì)是次生產(chǎn)物或其前體合成的反饋抑制被解除。在金霉素產(chǎn)生菌選育中， 運(yùn)用此方法曾獲得高產(chǎn)菌株。(8)抗毒性突變株的選育 重金屬離子、羥胺類物質(zhì)對(duì)β-內(nèi)酰胺類抗生素產(chǎn)生菌有毒， 但與抗生素相結(jié)合可解毒。選擇適當(dāng)濃度的此類毒性物質(zhì)使其恰好抑制產(chǎn)生菌生長(zhǎng)， 在此條件下能生長(zhǎng)的菌株， 應(yīng)為抗生素類物質(zhì)過(guò)量產(chǎn)生的突變株。曾由頭孢霉素C對(duì)重金屬離子的抗性突變株中選育到高產(chǎn)菌株。 有些種類的發(fā)酵生產(chǎn)對(duì)金屬離子相當(dāng)敏感，因?yàn)橛行┙饘匐x子是中間代謝酶的抑制劑或激活劑。 因此對(duì)于有重大影響的金屬離子必須嚴(yán)格控制。如檸檬酸發(fā)酵中鐵、錳和鋅離子都能明顯影響產(chǎn)量，鈣離子對(duì)細(xì)菌淀粉酶的生產(chǎn)有促進(jìn)作用，而鈷離子對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶的發(fā)酵是必需的，這些在培養(yǎng)基配制時(shí)都必須予以注意。小結(jié)： 以上主要是從微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制出發(fā)探討獲得代謝產(chǎn)物過(guò)量生產(chǎn)的方法。但是， 微生物代謝產(chǎn)物特別是次級(jí)產(chǎn)物形成的途徑和調(diào)節(jié)控制機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的，研究得比較清楚的只是少數(shù)。因此，上述方法的應(yīng)用往往也是經(jīng)驗(yàn)性的。 在生產(chǎn)實(shí)踐中為提高微生物產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)經(jīng)常使用的方法是誘變後隨機(jī)篩選和發(fā)酵條件的優(yōu)化。近年來(lái)運(yùn)用遺傳工程的方法以獲得代謝產(chǎn)物的過(guò)量生產(chǎn)是很活躍的研究領(lǐng)域。

第五章培養(yǎng)基培養(yǎng)基（medium）是人工配制的,適合微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。無(wú)論是以微生物為材料的研究,還是利用微生物生產(chǎn)生物制品,都必須進(jìn)行培養(yǎng)基的配制，它是微生物學(xué)研究和微生物發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)。壹、配制培養(yǎng)基的原則1.選擇適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總體而言,所有微生物生長(zhǎng)繁殖均需要培養(yǎng)基含有碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子、水及能源,但由于微生物營(yíng)養(yǎng)類型復(fù)雜,不同微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求是不壹樣的,因此首先要根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需求配制針對(duì)性強(qiáng)的培養(yǎng)基。自養(yǎng)型微生物能從簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物合成自身需要的糖、脂類、蛋白質(zhì)、核酸、維生素等復(fù)雜的有機(jī)物,因此培養(yǎng)自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以(或應(yīng)該)由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物組成。例如,培養(yǎng)化能自養(yǎng)型的氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)的培養(yǎng)基組成見(jiàn)表4-10。在該培養(yǎng)基配制過(guò)程中并未專門(mén)加入其他碳源物質(zhì),而是依靠空氣中和溶于水中的CO2為氧化硫硫桿菌提供碳源。表4-10幾種類型培養(yǎng)基組成成份氧化硫硫桿菌培養(yǎng)基大腸桿菌培養(yǎng)基牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基高氏壹號(hào)合成培養(yǎng)基查氏合成培養(yǎng)基LB培養(yǎng)基主要作用牛肉膏

5

碳源（能源）、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子蛋白胨

10

10氮源、碳源（能源）、生長(zhǎng)因子酵母浸膏

5生長(zhǎng)因子、氮源、碳源（能源）葡萄糖

5

碳源（能源）蔗糖

30

碳源（能源）可溶性淀粉

20

碳源（能源）CO2（來(lái)自空氣）

碳源（NH4）2SO40.4

氮源、無(wú)機(jī)鹽NH4H2PO4

1

氮源、無(wú)機(jī)鹽KNO3

1

氮源、無(wú)機(jī)鹽NaNO3

3

氮源、無(wú)機(jī)鹽MgSO4·7H2O0.50.2

0.50.5

無(wú)機(jī)鹽FeSO40.01

0.010.01

無(wú)機(jī)鹽KH2PO44

無(wú)機(jī)鹽K2HPO41

0.51

無(wú)機(jī)鹽NaCl

550.5

10無(wú)機(jī)鹽KCl

0.5

無(wú)機(jī)鹽CaCl20.25

無(wú)機(jī)鹽S10

能源H2O100010001000100010001000溶劑pH7.0自然7.0

滅菌條件121℃20分112℃30分121℃20分121℃20分121℃20分121℃20分

*表中培養(yǎng)基各組份含量均為每升培養(yǎng)基中該成份的克數(shù)。培養(yǎng)其他化能自養(yǎng)型微生物與上述培養(yǎng)基成分基本類似,只是能源物質(zhì)有所改變。對(duì)光能自養(yǎng)型微生物而言,除需要各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,還需光照提供能源。培養(yǎng)異養(yǎng)型微生物需要在培養(yǎng)基中添加有機(jī)物,而且不同類型異養(yǎng)型微生物的營(yíng)養(yǎng)要求差別很大,因此其培養(yǎng)基組成也相差很遠(yuǎn)。例如,培養(yǎng)大腸桿菌的培養(yǎng)基組成比較簡(jiǎn)單(表4-10),而有些異養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基的成份非常復(fù)雜,如腸膜明串珠菌需要生長(zhǎng)因子,若配制培養(yǎng)它的合成培養(yǎng)基時(shí),需要在培養(yǎng)基中添加的生長(zhǎng)因子多達(dá)33種,因此通常采用天然有機(jī)物來(lái)為它提供生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)因子。就微生物主要類型而言,有細(xì)菌、放線菌、酵母菌、霉菌、原生動(dòng)物、藻類及病毒之分,培養(yǎng)它們所需的培養(yǎng)基各不相同。在實(shí)驗(yàn)室中常用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（或簡(jiǎn)稱普通肉湯培養(yǎng)基）培養(yǎng)細(xì)菌(表4-10);用高氏1號(hào)合成培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌(表4-10);培養(yǎng)酵母菌壹般用麥芽汁培養(yǎng)基,它是將麥芽粉與4倍水混勻,在58~65℃條件下保溫3~4小時(shí)至完全糖化,調(diào)整糖液濃度為10о巴林,煮沸後用紗布過(guò)濾,調(diào)pH為6.0配制而成。麥芽粉組成復(fù)雜,能為酵母菌提供足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);培養(yǎng)霉菌則壹般用查氏合成培養(yǎng)基(表4-10)。原生動(dòng)物也可用培養(yǎng)基培養(yǎng),有的原生動(dòng)物需要較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),例如梨型四膜蟲(chóng)(Tetrahymenapyriformis)的培養(yǎng)基含有10種氨基酸、7種維生素、鳥(niǎo)嘌呤、尿嘧啶及壹些無(wú)機(jī)鹽等,而有些變形蟲(chóng)可在較簡(jiǎn)單的蛋白胨肉湯(peptonebroth)中生長(zhǎng)。大多數(shù)藻類可以利用光能,只需要CO2、水和壹些無(wú)機(jī)鹽就可生長(zhǎng),而某些藻類如眼蟲(chóng)藻(Euglena)中的壹些種可在黑暗條件下利用有機(jī)物質(zhì)生長(zhǎng)。有些藻類需要在培養(yǎng)基中補(bǔ)加土壤浸液,培養(yǎng)海洋藻類時(shí)可直接利用海水,但如果在特殊情況下需要用合成培養(yǎng)基培養(yǎng)海洋藻類時(shí),則必需在培養(yǎng)基中加入海水中含有的各種鹽。2.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度合適時(shí)微生物才能生長(zhǎng)良好,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)低時(shí)不能滿足微生物正常生長(zhǎng)所需,濃度過(guò)高時(shí)則可能對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用,例如高濃度糖類物質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子等不僅不能維持和促進(jìn)微生物的生長(zhǎng),反而起到抑制或殺菌作用。另外，培養(yǎng)基中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的濃度配比也直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖和(或)代謝產(chǎn)物的形成和積累,其中碳氮比(C/N)的影響較大。嚴(yán)格地講，碳氮比指培養(yǎng)基中碳元素與氮元素的摩爾數(shù)比值,有時(shí)也指培養(yǎng)基中還原糖與粗蛋白之比。例如，在利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的過(guò)程中,培養(yǎng)基碳氮比為4/1時(shí),菌體大量繁殖,谷氨酸積累少;當(dāng)培養(yǎng)基碳氮比為3/1時(shí),菌體繁殖受到抑制,谷氨酸產(chǎn)量則大量增加。再如,在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中,可以通過(guò)控制培養(yǎng)基中速效氮(或碳)源與遲效氮(或碳)源之間的比例來(lái)控制菌體生長(zhǎng)與抗生素的合成。3.控制pH條件培養(yǎng)基的pH必須控制在壹定的范圍內(nèi),以滿足不同類型微生物的生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。各類微生物生長(zhǎng)繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的最適pH條件各不相同,壹般來(lái)講,細(xì)菌與放線菌適于在pH7~7.5范圍內(nèi)生長(zhǎng),酵母菌和霉菌通常在pH4.5~6范圍內(nèi)生長(zhǎng)。值得注意的是,在微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝過(guò)程中,由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累,會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基pH發(fā)生變化,若不對(duì)培養(yǎng)基pH條件進(jìn)行控制,往往導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)速度或(和)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量降低。因此,為了維持培養(yǎng)基pH的相對(duì)恒定,通常在培養(yǎng)基中加入pH緩沖劑,常用的緩沖劑是壹?xì)浜投淞姿猁}(如K2HPO4和KH2PO4)組成的混合物。K2HPO4溶液呈堿性,KH2PO4溶液呈酸性,兩種物質(zhì)的等克分子混合溶液的pH值為6.8。當(dāng)培養(yǎng)基中酸性物質(zhì)積累導(dǎo)致H+濃度增加時(shí),H+與弱堿性鹽結(jié)合形成弱酸性化合物,培養(yǎng)基pH不會(huì)過(guò)度降低;如果培養(yǎng)基中OH-濃度增加,OH-則與弱酸性鹽結(jié)合形成弱堿性化合物,培養(yǎng)基pH也不會(huì)過(guò)度升高。但K2HPO4/KH2PO4緩沖系統(tǒng)只能在壹定的pH范圍（pH6.4~7.2）內(nèi)起調(diào)節(jié)作用。有些微生物，如乳酸菌能大量產(chǎn)酸,上述緩沖系統(tǒng)就難以起到緩沖作用,此時(shí)可在培養(yǎng)基中添加難溶的碳酸鹽(如CaCO3)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),CaCO3難溶于水,不會(huì)使培養(yǎng)基pH過(guò)度升高,但它可以不斷中和微生物產(chǎn)生的酸,同時(shí)釋放出CO2,將培養(yǎng)基pH控制在壹定范圍內(nèi)。在培養(yǎng)基中還存在壹些天然的緩沖系統(tǒng),如氨基酸、肽、蛋白質(zhì)都屬于兩性電解質(zhì),也可起到緩沖劑的作用。

4.控制氧化還原電位(redoxpotential)不同類型微生物生長(zhǎng)對(duì)氧化還原電位(Ф)的要求不壹樣,壹般好氧性微生物在Ф值為+0.1伏以上時(shí)可正常生長(zhǎng),壹般以+0.3～+0.4伏為宜,厭氧性微生物只能在Ф值低于+0.1伏條件下生長(zhǎng),兼性厭氧微生物在Ф值為+0.1伏以上時(shí)進(jìn)行好氧呼吸,在+0.1伏以下時(shí)進(jìn)行發(fā)酵。Ф值與氧分壓和pH有關(guān),也受某些微生物代謝產(chǎn)物的影響。在pH相對(duì)穩(wěn)定的條件下,可通過(guò)增加通氣量(如振蕩培養(yǎng)、攪拌)提高培養(yǎng)基的氧分壓,或加入氧化劑,從而增加Ф值;在培養(yǎng)基中加入抗壞血酸、硫化氫、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇等還原性物質(zhì)可降低Ф值。5.原料來(lái)源的選擇在配制培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)盡量利用廉價(jià)且易于獲得的原料作為培養(yǎng)基成份,特別是在發(fā)酵工業(yè)中,培養(yǎng)基用量很大,利用低成本的原料更體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，在微生物單細(xì)胞蛋白的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,常常利用糖蜜(制糖工業(yè)中含有蔗糖的廢液)、乳清(乳制品工業(yè)中含有乳糖的廢液)、豆制品工業(yè)廢液及黑廢液(造紙工業(yè)中含有戊糖和已糖的亞硫酸紙漿)等都可作為培養(yǎng)基的原料。再如,工業(yè)上的甲烷發(fā)酵主要利用廢水、廢渣作原料,而在我國(guó)農(nóng)村，已推廣利用人畜糞便及禾草為原料發(fā)酵生產(chǎn)甲烷作為燃料。另外,大量的農(nóng)副產(chǎn)品或制品，如麩皮、米糠、玉米漿、酵母浸膏、酒糟、豆餅、花生餅、蛋白胨等都是常用的發(fā)酵工業(yè)原料。6.滅菌處理要獲得微生物純培養(yǎng)，必須避免雜菌污染，因此對(duì)所用器材及工作場(chǎng)所進(jìn)行消毒與滅菌。對(duì)培養(yǎng)基而言，更是要進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。對(duì)培養(yǎng)基壹般采取高壓蒸汽滅菌，壹般培養(yǎng)基用1.05kg/cm2,121.3℃15-30分鐘可達(dá)到滅菌目的。在高壓蒸汽滅菌過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)使某些不耐熱物質(zhì)遭到破壞，如使糖類物質(zhì)形成氨基糖、焦糖，因此含糖培養(yǎng)基常用0.56kg/cm2,112.6℃15-30分鐘進(jìn)行滅菌，對(duì)某些對(duì)糖要求較高的培養(yǎng)基，可先將糖進(jìn)行過(guò)濾除菌或間歇滅菌，再與其他已滅菌的成份混合；長(zhǎng)時(shí)間高溫還會(huì)引起磷酸鹽、碳酸鹽與某些陽(yáng)離子(特別是鈣、鎂、鐵離子)結(jié)合形成難溶性復(fù)合物而產(chǎn)生沉淀，因此,在配制用于觀察和定量測(cè)定微生物生長(zhǎng)狀況的合成培養(yǎng)基時(shí),常需在培養(yǎng)基中加入少量螯合劑,避免培養(yǎng)基中產(chǎn)生沉淀而影響O.D.值的測(cè)定,常用的螯合劑為乙二胺四乙酸(EDTA)。還可以將含鈣、鎂、鐵等離子的成份與磷酸鹽、碳酸鹽分別進(jìn)行滅菌，然後再混合，避免形成沉淀；高壓蒸汽滅菌後，培養(yǎng)基pH會(huì)發(fā)生改變（壹般使pH降低），可根據(jù)所培養(yǎng)微生物的要求，在培養(yǎng)基滅菌前後加以調(diào)整。在配制培養(yǎng)基過(guò)程中,泡沫的存在對(duì)滅菌處理極不利,因?yàn)榕菽械目諝庑纬筛魺釋?使泡沫中微生物難以被殺死。因而有時(shí)需要在培養(yǎng)基中加入消泡沫劑以減少泡沫的產(chǎn)生，或適當(dāng)提高滅菌溫度，延長(zhǎng)滅菌時(shí)間。二、培養(yǎng)基的類型及應(yīng)用培養(yǎng)基種類繁多,根據(jù)其成份、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類型。1．按成份不同劃分(1)天然培養(yǎng)基(complexmedium)這類培養(yǎng)基主要以化學(xué)成分還不清楚或化學(xué)成分不恒定的天然有機(jī)物組成,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和麥芽汁培養(yǎng)基就屬于此類。基因克隆技術(shù)中常用的LB(Luria-Bertani)培養(yǎng)基也是壹種復(fù)合培養(yǎng)基,其組成見(jiàn)表4-10。常用的天然有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏(表4-11)、豆芽汁、玉米粉、土壤浸液、麩皮、牛奶、血清、稻草浸汁、羽毛浸汁、胡羅卜汁、椰子汁等,嗜糞微生物(coprophilousmicroorganisms)可以利用糞水作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。復(fù)合培養(yǎng)基成本較低,除在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用外,也適于用來(lái)進(jìn)行工業(yè)上大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)。表4-11牛肉浸膏、蛋白胨及酵母浸膏的來(lái)源及主要成份營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源主要成份牛肉浸膏瘦牛肉組織浸出汁濃縮而成的膏狀物質(zhì)富含水溶性碳水化合物、有機(jī)氮化合物、維生素、鹽等蛋白胨將肉、酪素或明膠用酸或蛋白酶水解後干燥而成的粉末狀物質(zhì)富含有機(jī)氮化合物、也含有壹些維生素和碳水化合物酵母浸膏酵母細(xì)胞的水溶性提取物濃縮而成的膏狀物質(zhì)富含B類維生素,也含有有機(jī)氮化合物和碳水化合物(2)合成培養(yǎng)基(syntheticmedium)合成培養(yǎng)基是由化學(xué)成份完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基，也稱化學(xué)限定培養(yǎng)基(chemicallydefinedmedium),高氏1號(hào)培養(yǎng)基和查氏培養(yǎng)基就屬于此種類型。配制合成培養(yǎng)基時(shí)重復(fù)性強(qiáng),但與天然培養(yǎng)基相比其成本較高,微生物在其中生長(zhǎng)速度較慢,壹般適于在實(shí)驗(yàn)室用來(lái)進(jìn)行有關(guān)微生物營(yíng)養(yǎng)需求、代謝、分類鑒定、生物量測(cè)定、菌種選育及遺傳分析等方面的研究工作。2．根據(jù)物理狀態(tài)劃分根據(jù)培養(yǎng)基中凝固劑的有無(wú)及含量的多少,可將培養(yǎng)基劃分為固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基三種類型。(1)固體培養(yǎng)基(solidmedium)在液體培養(yǎng)基中加入壹定量凝固劑即為固體培養(yǎng)基。理想的凝固劑應(yīng)具備以下條件:1.不被所培養(yǎng)的微生物分解利用;2.在微生物生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)保持固體狀態(tài)。在培養(yǎng)嗜熱細(xì)菌時(shí),由于高溫容易引起培養(yǎng)基液化,通常在培養(yǎng)基中適當(dāng)增加凝固劑來(lái)解決這壹問(wèn)題;3.凝固劑凝固點(diǎn)溫度不能太低,否則將不利于微生物的生長(zhǎng);4.凝固劑對(duì)所培養(yǎng)的微生物無(wú)毒害作用;5.凝固劑在滅菌過(guò)程中不會(huì)被破壞;6.透明度好,粘著力強(qiáng);7.配制方便且價(jià)格低廉。常用的凝固劑有瓊脂(agar)、明膠(gelatin)和硅膠(silicagel)。表4-12列出瓊脂和明膠的壹些主要特征。對(duì)絕大多數(shù)微生物而言,瓊脂是最理想的凝固劑,瓊脂是由藻類(海產(chǎn)石花菜)中提取的壹種高度分支的復(fù)雜多糖；明膠是由膠原蛋白制備得到的產(chǎn)物,是最早用來(lái)作為凝固劑的物質(zhì),但由于其凝固點(diǎn)太低,而且某些細(xì)菌和許多真菌產(chǎn)生的非特異性胞外蛋白酶以及梭菌產(chǎn)生的特異性膠原酶都能液化明膠,目前已較少作為凝固劑；硅膠是由無(wú)機(jī)的硅酸鈉(Na2SiO3)及硅酸鉀(K2SiO3)被鹽酸及硫酸中和時(shí)凝聚而成的膠體,它不含有機(jī)物,適合配制分離與培養(yǎng)自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基。表4-12瓊脂與明膠主要特征比較內(nèi)容瓊脂明膠常用濃度(%)1.5~25~12溶點(diǎn)(℃)9625凝固點(diǎn)(℃)4020pH微酸酸性灰份(%)1614~15氧化鈣(%)1.150氧化鎂(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力絕大多數(shù)微生物不能利用許多微生物能利用除在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑制備的固體培養(yǎng)基外,壹些由天然固體基質(zhì)制成的培養(yǎng)基也屬于固體培養(yǎng)基。例如,由馬鈴薯塊、胡羅卜條、小米、麩皮及米糠等制成固體狀態(tài)的培養(yǎng)基就屬于此類。如生產(chǎn)酒的酒曲，生產(chǎn)食用菌的棉子殼培養(yǎng)基。在實(shí)驗(yàn)室中,固體培養(yǎng)基壹般是加入平皿或試管中，制成培養(yǎng)微生物的平板或斜面。固體培養(yǎng)基為微生物提供壹個(gè)營(yíng)養(yǎng)表面,單個(gè)微生物細(xì)胞在這個(gè)營(yíng)養(yǎng)表面進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖,可以形成單個(gè)菌落。固體培養(yǎng)基常用來(lái)進(jìn)行微生物的分離、鑒定、活菌計(jì)數(shù)及菌種保藏等。(2)半固體培養(yǎng)基(semisolidmedium)半固體培養(yǎng)基中凝固劑的含量比固體培養(yǎng)基少,培養(yǎng)基中瓊脂量壹般為0.2~0.7%。半固體培養(yǎng)基常用來(lái)觀察微生物的運(yùn)動(dòng)特征、分類鑒定及噬菌體效價(jià)滴定等。(3)液體培養(yǎng)基(liquidmedium)液體培養(yǎng)基中未加任何凝固劑。在用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物時(shí),通過(guò)振蕩或攪拌可以增加培養(yǎng)基的通氣量,同時(shí)使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)分布均勻。液體培養(yǎng)基常用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)以及在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究。3．按用途劃分(1)基礎(chǔ)培養(yǎng)基(minimummedium)盡管不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需求各不相同,但大多數(shù)微生物所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是相同的?；A(chǔ)培養(yǎng)基是含有壹般微生物生長(zhǎng)繁殖所需的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基?；A(chǔ)培養(yǎng)基也可以作為壹些特殊培養(yǎng)基的基礎(chǔ)成份,再根據(jù)某種微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。(2)加富培養(yǎng)基(enrichmentmedium)加富培養(yǎng)基也稱營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基,即在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入某些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制成的壹類營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基,這些特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括血液、血清、酵母浸膏、動(dòng)植物組織液等。加富培養(yǎng)基壹般用來(lái)培養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)要求比較苛刻的異養(yǎng)型微生物,如培養(yǎng)百曰咳博德氏菌(Bordetellapertussis)需要含有血液的加富培養(yǎng)基。加富培養(yǎng)基還可以用來(lái)富集和分離某種微生物,這是因?yàn)榧痈慌囵B(yǎng)基含有某種微生物所需的特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),該種微生物在這種培養(yǎng)基中較其他微生物生長(zhǎng)速度快,并逐漸富集而占優(yōu)勢(shì),逐步淘汰其他微生物,從而容易達(dá)到分離該種微生物的目的。從某種意義上講,加富培養(yǎng)基類似選擇培養(yǎng)基,兩者區(qū)別在于，加富培養(yǎng)基是用來(lái)增加所要分離的微生物的數(shù)量，使其形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而分離到該種微生物；選擇培養(yǎng)基則壹般是抑制不需要的微生物的生長(zhǎng)，使所需要的微生物增殖，從而達(dá)到分離所需微生物的目的。(3)鑒別培養(yǎng)基(differentialmedium)鑒別培養(yǎng)基是用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基。在培養(yǎng)基中加入某種特殊化學(xué)物質(zhì),某種微生物在培養(yǎng)基中生長(zhǎng)後能產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物,而這種代謝產(chǎn)物可以與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生明顯的特征性變化,根據(jù)這種特征性變化,可將該種微生物與其他微生物區(qū)分開(kāi)來(lái)。鑒別培養(yǎng)基主要用于微生物的快速分類鑒定，以及分離和篩選產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物的微生物菌種。常用的壹些鑒別培養(yǎng)基見(jiàn)表4-13。表4-13壹些鑒別培養(yǎng)基培養(yǎng)基名稱加入化學(xué)物質(zhì)微生物代謝產(chǎn)物培養(yǎng)基特征性變化主要用途酪素培養(yǎng)基酪素胞外蛋白酶蛋白水解圈鑒別產(chǎn)蛋白酶菌株明膠培養(yǎng)基明膠胞外蛋白酶明膠液化鑒別產(chǎn)蛋白酶菌株油脂培養(yǎng)基食用油、土溫、中性紅指示劑胞外脂肪酶由淡紅色變成深紅色鑒別產(chǎn)脂肪酶菌株淀粉培養(yǎng)基可溶性淀粉胞外淀粉酶淀粉水解圈鑒別產(chǎn)淀粉酶菌株H2S試驗(yàn)培養(yǎng)基醋酸鉛H2S產(chǎn)生黑色沉淀鑒別產(chǎn)H2S菌株糖發(fā)酵培養(yǎng)基溴甲酚紫乳酸、醋酸、丙酸等由紫色變成黃色鑒別腸道細(xì)菌遠(yuǎn)藤氏培養(yǎng)基堿性復(fù)紅、亞硫酸鈉酸、乙醛帶金屬光澤深紅色菌落鑒別水中大腸菌群伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基伊紅、美藍(lán)酸帶金屬光澤深紫色菌落鑒別水中大腸菌群(4)選擇培養(yǎng)基(selectivemedium)選擇培養(yǎng)基是用來(lái)將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來(lái)的培養(yǎng)基。根據(jù)不同種類微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求或?qū)δ撤N化學(xué)物質(zhì)的敏感性不同,在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)的特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì),抑制不需要的微生物的生長(zhǎng),有利于所需微生物的生長(zhǎng)。壹種類型選擇培養(yǎng)基是依據(jù)某些微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)需求設(shè)計(jì)的,例如，利用以纖維素或石蠟油作為唯壹碳源的選擇培養(yǎng)基，可以從混雜的微生物群體中分離出能分解纖維素或石蠟油的微生物;利用以蛋白質(zhì)作為唯壹氮源的選擇培養(yǎng)基，可以分離產(chǎn)胞外蛋白酶的微生物;缺乏氮源的選擇培養(yǎng)基可用來(lái)分離固氮微生物。另壹類選擇培養(yǎng)基是在培養(yǎng)基中加入某種化學(xué)物質(zhì),這種化學(xué)物質(zhì)沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)作用,對(duì)所需分離的微生物無(wú)害,但可以抑制或殺死其他微生物,例如,在培養(yǎng)基中加入數(shù)滴10%酚可以抑制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng),從而由混雜的微生物群體中分離出放線菌;在培養(yǎng)基中加入亞硫酸鉍,可以抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和絕大多數(shù)革蘭氏陰性細(xì)菌的生長(zhǎng),而革蘭氏陰性的傷寒沙門(mén)氏菌(Salmonellatyphi)可以在這種培養(yǎng)基上生長(zhǎng);在培養(yǎng)基中加入染料亮綠(brilliantgreen)或結(jié)晶紫(crystalviolet),可以抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的生長(zhǎng),從而達(dá)到分離革蘭氏陰性細(xì)菌的目的;在培養(yǎng)基中加入青霉素、四環(huán)素或鏈霉素,可以抑制細(xì)菌和放線菌生長(zhǎng),而將酵母菌和霉菌分離出來(lái)?，F(xiàn)代基因克隆技術(shù)中也常用選擇培養(yǎng)基,在篩選含有重組質(zhì)粒的基因工程菌株過(guò)程中,利用質(zhì)粒上具有的對(duì)某種(些)抗生素的抗性選擇標(biāo)記,在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)抗生素,就能比較方便地淘汰非重組菌株,以減少篩選目標(biāo)菌株的工作量。在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)需要配制既有選擇作用又有鑒別作用的培養(yǎng)基。例如，當(dāng)要分離金黃色葡萄球菌時(shí),在培養(yǎng)基中加入7.5%NaCl、甘露糖醇和酸堿指示劑,金黃色葡萄球菌可耐高濃度NaCl,且能利用甘露糖醇產(chǎn)酸。因此，能在上述培養(yǎng)基生長(zhǎng)，而且菌落周圍培養(yǎng)基顏色發(fā)生變化，則該菌落有可能是金黃色葡萄球菌,再通過(guò)進(jìn)壹步鑒定加以確定。

第六章發(fā)酵工藝控制第壹節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制壹.溫度的影響（壹）溫度對(duì)生長(zhǎng)的影響每種微生物對(duì)溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來(lái)表征。（二）溫度對(duì)發(fā)酵的影響1、溫度影響反應(yīng)速率2、溫度影響發(fā)酵方向3、溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)二.影響發(fā)酵溫度的因素——發(fā)酵熱Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射1. 產(chǎn)熱因素：①生物熱生物熱：是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。 用途：合成高能化合物， 供微生物生命代謝活動(dòng)熱能散發(fā) 影響生物熱的因素：生物熱隨菌株， 培養(yǎng)基， 發(fā)酵時(shí)期的不同而 不同 。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 培養(yǎng)過(guò)程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性。生物熱的大小與呼吸作用強(qiáng)弱有關(guān)在培養(yǎng)初期，菌體處于適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。培養(yǎng)後期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內(nèi)的酶系進(jìn)行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說(shuō)明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌，此外培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。②攪拌熱攪拌熱：由于攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。2. 散熱因素：1 蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱：空氣進(jìn)入發(fā)酵罐後，與發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換,必然會(huì)引起水分的蒸發(fā)，蒸發(fā)所需的熱量。②輻射熱輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過(guò)罐體向外輻射的熱量。三.發(fā)酵熱的測(cè)定1.壹種是用冷卻水進(jìn)出口溫度差計(jì)算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過(guò)測(cè)量冷卻水進(jìn)出口的水溫，再?gòu)乃砩系弥啃r(shí)冷卻水流量來(lái)計(jì)算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進(jìn))Cm——水的比熱G——冷卻水流量2.另壹種是根據(jù)罐溫上升速率來(lái)計(jì)算。先自控，讓發(fā)酵液達(dá)到某壹溫度，然後停止加熱或冷卻，使罐溫自然上升或下降，根據(jù)罐溫變化的速率計(jì)算出發(fā)酵熱。通過(guò)罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按公式可求得發(fā)酵熱。四.最適溫度的確定（壹）最適溫度的選擇1.根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長(zhǎng)溫度為37℃，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長(zhǎng)溫度為30～32℃，青霉菌生長(zhǎng)溫度為30℃。在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達(dá)到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長(zhǎng)迅速；在中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長(zhǎng)中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低壹些，可以推遲衰老。因?yàn)樵谏缘蜏囟认掳被岷铣傻鞍踪|(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。發(fā)酵後期，產(chǎn)物合成能力降低，延長(zhǎng)發(fā)酵周期沒(méi)有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如四環(huán)素生長(zhǎng)階段28℃，合成期26℃後期再升溫；黑曲霉生長(zhǎng)37℃，產(chǎn)糖化酶32～34℃。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長(zhǎng)溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長(zhǎng)30～32℃，產(chǎn)酸34～37℃。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。2.根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過(guò)早自溶。3.根據(jù)菌生長(zhǎng)情況選擇菌生長(zhǎng)快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些。培養(yǎng)條件適宜，如營(yíng)養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，溫度的選擇根據(jù)菌種生長(zhǎng)階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過(guò)反復(fù)實(shí)踐來(lái)定出最適溫度。（二）溫度的控制1.夾套2.盤(pán)管（蛇管）第二節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響與控制引起pH下降的因素： 碳源過(guò)量 消泡油添加過(guò)量 生理酸性物質(zhì)的存在引起pH上升的因素： 氮源過(guò)多 生理堿性物質(zhì)的存在 中間補(bǔ)料， 堿性物質(zhì)添加過(guò)多壹、發(fā)酵過(guò)程pH變化的原因1、基質(zhì)代謝（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之壹。（2）氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用後pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用後pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源充當(dāng)碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用後pH會(huì)上升或下降。2、產(chǎn)物形成某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵後期，pH上升。二、pH對(duì)發(fā)酵的影響1、pH對(duì)發(fā)酵的影響（1）pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用（4）pH影響代謝方向2、pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響3、最佳pH的確定三、pH的控制1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH。基礎(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消後pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.8。2、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等。3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH4、當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH5、不同調(diào)pH方法的影響6、發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值生長(zhǎng)：控制菌株最適生長(zhǎng)pH，不同pH值對(duì)菌體的形態(tài)影響很大；發(fā)酵：采用階段pH控制模式進(jìn)行發(fā)酵。小結(jié)pH控制是壹項(xiàng)非常細(xì)致的工作，不僅考慮最佳pH值，而且要根據(jù)生長(zhǎng)階段考察對(duì)pH的要求。在pH控制中還要采用合適的調(diào)節(jié)方法。第三節(jié)氧對(duì)發(fā)酵的影響溶解氧（DO）濃度 氧是微生物體內(nèi)壹系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體， 也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。 利用DO濃度的變化， 可以了解微生物對(duì)氧利用的規(guī)律， 反映發(fā)酵的異常情況， 是壹個(gè)重要的控制參數(shù)。 氧利用率：抗生素發(fā)酵：2%谷氨酸發(fā)酵：10~30%（壹）微生物對(duì)氧的需求壹、描述微生物需氧的物理量1.比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣（mmolO2g菌-1h-1）。2.攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。（單位：mmolO2L-1h-1）r=QO2.X二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響三、影響需氧的因素1.菌體濃度2.QO2遺傳因素菌齡營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件（二）反應(yīng)器中氧的傳遞發(fā)酵過(guò)程中，空氣中的氧進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程有以下幾個(gè)步驟： 空氣泡中的氧轉(zhuǎn)移入發(fā)酵液； 溶解的氧通過(guò)發(fā)酵液進(jìn)入微生物細(xì)胞； 細(xì)胞吸收溶氧。氣體的溶解過(guò)程---雙膜理論壹、發(fā)酵液中氧的傳遞方程影響氧傳遞的因素 溶氧系數(shù)Kla 傳質(zhì)推動(dòng)力(c*-cL)氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力： 供氧方面：液膜阻力是主要限制因素 耗氧方面：對(duì)于菌絲叢或團(tuán)擴(kuò)散阻力最顯著。 主要與菌種特性有關(guān)二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于壹個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中三、供氧的調(diào)節(jié)C有壹定的工藝要求，所以可以通過(guò)Kla和C*來(lái)調(diào)節(jié)其中C*＝P/H調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的