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第四章 发酵工程——微生物的工程
一、微生物有关的基础知识
二、发酵工程的概论
三、微生物发酵的过程
四、典型产品的发酵过程
一、微生物有关的基础知识
1、什么是微生物
微生物是指个体微小，结构简单,肉眼看
不见或看不清的低等生物的统称，并非一
个生物分类学专门名词。包括细菌、真菌、
原生动物、显微藻类。
1. 细菌域：例如细菌、放线菌、蓝藻
2. 古菌域：各种古菌（嗜热/冷/盐菌、甲烷菌等）
3. 真核域：例如真菌（酵母菌）、原生生物
（草履虫、变形虫等）
4. 病毒：例如艾滋病毒、脊髓灰质炎病毒
微生物的类群庞杂,目前已经知道的微生物约有10万种，分布在以下各界中：
rRNA系统发育树
细 菌1、细菌的结构
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细 菌
2、细菌的繁殖：
细菌主要是以二分裂的方式进行繁殖
细 菌
3、细菌的菌落1. 定义：单个或者少数细菌在固体培养基上大量繁殖
时，会形成一个肉眼可见的、具有一定形态结构的
子细胞群体，叫做群落。
2. 特征：大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度
等。
3. 功能：每种细菌在一定条件下所形成的菌落，可以
作为菌种鉴定的重要依据。
几种菌落
放线菌
1、放线菌的形态
放线菌
2、放线菌的结构
气生菌丝
孢子丝
孢子
基内菌丝培养基
放线菌
3、放线菌的分布
放线菌在自然界分布很广，在土壤、堆肥和湖
底、河底的淤泥等处，尤其在土壤中种类和数
量很多。
4、放线菌的繁殖
放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性抱子
形式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢
子在适宜环境里发芽形成新的菌丝体。
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酵 母2、微生物的代谢调节
(1) 酶合成的调节
组成酶和诱导酶
酶合成的诱导和阻遏
葡萄糖
乳糖大肠杆菌 组成酶只利用葡萄糖
大肠杆菌乳糖
诱导酶分解乳糖的酶诱导
组成酶是微生物细胞内一直存在的酶，它们的合
成只受遗传物质的控制
诱导酶则是在环境中存在某种物质的情况下才能
够合成的酶。
酶合成的阻遏
A、终产物阻遏：
这种现象在氨基酸、维生素
和核苷酸等合成途径中普遍
存在。
天门冬氨酸
高丝氨酸
胱氨酸
高半光氨酸
蛋氨酸
蛋氨酸反馈阻遏大肠杆菌合成蛋
氨酸的酶的生成
B、分解代谢物阻遏
如：1942年研究大肠杆菌对各种不同混合碳源的利
用时发现，当葡萄糖存在时，细菌不利用其他糖。
葡萄糖效应是由葡萄糖的某种分解代谢物引起的，
这种代谢物阻遏了降解其他糖类的酶的生成。
酶合成调节的意义:
保证代谢需要，避免物质和能量的浪费，
增强适应能力。
A、别构调节
代谢产物与酶结合，使酶结构产
生变化(可逆)，来改变已有酶的
催化活性，调节代谢速率。
（2）酶活性的调节
调节的意义：
使代谢产物维持在
一定水平。
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B、共价修饰
酶合成的调节 酶活性的调节
调节原理
调节效果
联系
通过影响酶的合成
来调节代谢过程
(粗调)
通过改变已有酶的活性
来调节代谢速率（细调）
间接、缓慢 直接、快速、精细
细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、
准确控制代谢的正常进行
例1：黄色短杆菌生产
赖氨酸的代谢途径
微生物代谢的人工控制
（1）改变微生物遗传特性
a. 诱变选育出的不能合成
高丝氨酸脱氢酶的菌种。
c. “工程菌”.“超级细菌”
诱变
育种85000 µg/ml
b. 青霉素
20 µg/ml
例2：谷氨酸棒杆菌生产谷氨酸
通过改变细胞膜的透性，
使谷氨酸排出细胞外。
排出代谢产物
营养物质要全面，
比例和浓度要合适
（2）控制生产过程中的各种条件
补充营养物质
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3、微生物的生长
1.延滞期
2.对数期 ——菌种
3.稳定期 ——代谢产物
4.衰亡期
4、代谢产物
初级代谢产物
在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、
蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，
这些产物叫做初级代谢产物。
次级代谢产物
在菌体生长稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功
能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长因子等，这
些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢
产物。
产物
类型
作用 产生
时期
存在
部位
种的
特异性
举例
初级
代谢
产物
次级代谢产物
微生物的代谢产物
氨基酸、核苷酸、
多糖、脂类、维
生素等
抗生素、毒素、
色素、激素等
自身生长
繁殖必需生长全
过程细胞内 无
对自身无
明显生理
作用
生长一定
阶段以后
细胞内
或细胞
外
有
二、发酵工程概论
历史
内容
应用
原料和设备
（一）发展简史
1、传统的微生物发酵技术——天然发酵
对微生物完全不了解，靠经验进行家庭作坊式地生
产
特点：
固体发酵
混菌发酵
多为厌氧发酵
凭经验传授技术
产品质量不稳定
2、第一代微生物发酵技术
——纯培养技术的建立
发酵工程的先行者及奠基人
17世纪，人类认识到微生物的存在
列文.胡克(Leeuwen hoek)(1632-1723)
微生物学的创始人（发酵工程的奠基者）
巴斯德（Pasteur）1822-1895）
柯赫（Koch）(1843-1910)
毕希纳（Buchner）(1843-1910)
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巴斯德的主要贡献：
每种发酵都是由一种特殊微生
物生命活动的结果
各种传染病都是由一种特殊微
生物，在生物体内生命活动的
结果
把一种传染病的微生物在某种
不利于生长条件下培养，就可
以减弱其致病力，把病原菌变
成了预防疫苗
柯赫的主要贡献
--微生物分离、培养技术的建立
建立了一套研究微生物的技
术：菌种分离、培养、接种、
染色
对病原微生物的确定提出了
一整套严格的准则，获1905
年诺贝尔奖。
3、第二代（近代）微生物发酵技术
——深层培养技术
1945年，随着青霉素的大规
模生产，采用发酵罐进行深
层培养、通气搅拌技术，推
动了抗生素工业乃至整个发
酵工业的飞速发展。
作坊式的混菌、厌氧、固体
发酵 纯种、大罐通
气、液体深层发酵的工业化
之路 密闭式发酵罐
4、第三代微生物发酵技术
——微生物工程
1953年，美国的Waston和Crick发现了DNA双螺旋结构。
1973年，质粒的酶切、连接、转导技术建立，构建“工
程菌”、“超级微生物”
将工程学运用到菌种的选育、改造——微生物工程
5、发酵工程的现状及发展前景
在发达国家，发酵工业的产值占国民生产总
值的5%。在医药产品中，发酵产品的产值占20%。
在医药、食品、化工、冶金、资源、能源、环境
等诸多领域有着广泛的应用。
（二）发酵工程的内容
1、什么是发酵工程
利用微生物的生长和代谢活动来生产
各种有用物质的工程技术
2、基本原理
微生物学，生物化学，化学工程学
3、特点
简单：过程，设备，原料
高效：选择性的合成复杂化合物
无菌
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4、发酵工程的生产类型（产品）
微生物菌体
酵母，香菇，冬虫夏草，灵芝，微生物杀虫剂（苏云金杆菌）
微生物代谢产物（37类）
初级代谢产物：氨基酸，蛋白质，糖
次级代谢产物：抗生素、维生素、激素
微生物酶
淀粉酶，糖化酶，青霉素酰化酶
微生物的转化产物
乙醇转化为乙酸
生物工程细胞的发酵
5. 发酵过程的种类
根据微生物的种类: 好氧发酵、厌氧发酵和
兼性发酵
根据培养基的状态: 固体发酵和液体发酵
根据发酵设备: 敞口发酵、密闭发酵、
浅盘发酵和深层发酵
微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，
特殊化学物质和食品添加剂 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸
谷氨酸是味精的主要成分
发酵工程生产实例
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
葡萄糖
中间产物 a－酮戊二酸
谷 氨 酸
谷氨酸脱氢酶
NH4＋
抑 制
只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷
氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大
量的谷氨酸。
发酵工程生产实例
1. 菌种的选育
谷氨酸发酵 重要的无疑就是选择菌种了，
应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种
呢?
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发酵工程生产实例
2. 培养基的选择
成 分 酸碱度水 无机盐 氮源 碳源 生长因子
豆饼水解液、玉米浆中的水
磷酸二氢钾
氧化钾
硫酸镁
尿素豆饼水解液、玉米浆
生物素pH
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发酵工程生产实例
3. 发酵罐示意图电动机
pH检测及控制装置
培养液
无菌空气
排气口
冷却水出口
冷却水进口
搅拌器
加料口
放料口
发酵工程概念
采用现代工程技术手段，利用微生物的某
些特定功能，为人类生产有用的产品，或
直接把微生物应用于工业生产过程中的一
种新技术。
发酵工程的基本步骤
1. 菌种的选育
2. 培养基的配置
3. 灭菌
4. 扩大培养和接种
5. 发酵过程
6. 分离提纯
1、菌种的选育
选育的方法：
从自然界中先分离出相应的菌种；
利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；
利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞或工程菌。
举例：
可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。
2、培养基的配置
培养基配置的原则：
根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、
水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的
pH。
培养基的营养要协调，以利于产物的合成。
培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产
成本，以得到更高的经济效益。
举例：
发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且经常用植物
淀粉、甘蔗渣、秸秆，以及乙醇、醋酸等石化产品代替粮
食来配制培养基。
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3、灭菌
灭菌的原因：
在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形
成竞争关系，对发酵过程造成不良影响 。
举例：
如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线
菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌
死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，
这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素
分解掉。
4、扩大培养和接种
扩大培养：
扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分
头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能
在短时间里得到大量的菌体
接种：
有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注
意什么事项呢？
接种过程中要注意防止杂菌污染
菌种筛选
摇瓶试验
发酵罐试验 5、发酵过程
发酵产物：
发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。
发酵进程
在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、
产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培
养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得
到更多的发酵产物。
发酵条件
发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有
重大影响。
微生物深层培养的设备—发酵罐
分类：
（1）好氧型—机械型和通风型
机械搅拌式：打碎空气气泡，混合充分发酵液
通用式：从罐顶伸入，空气分布管，罐内为正压
自吸式：从罐底伸入，中央带有吸气口，罐内为负压
通风搅拌式：利用空气搅拌
（2）厌氧型：酒精，乳酸和啤酒
发酵液尽量装满，培养基预先还原，大剂量接种
Biostat B2
Biostat ED10
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液体深层发酵的操作方式
1、分批发酵：封闭
营养和菌种一次加入进行培养，直到结束放出
2、连续发酵：开放
指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以
相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持
稳定，微生物在稳定状态下生长
3、补料分批发酵：半开放
是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加
一定物料的培养技术
CTN-BL智能补料控制器
工艺控制参数
温度： 适发酵温度
pH值
通过加料装置，添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液
溶解氧浓度
是好氧发酵 为重要的参数之一
通气量和搅拌速度加以调节
6、分离提纯
发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不同
产物分离、提纯的一般方法是：
代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法。
菌体本身：过滤、沉淀。
下游加工过程
（1）预处理：酸化，加热，加絮凝剂
固液分离：破碎，分离（过滤，离心）
（2）初步纯化：提取产物
小分子： 吸附，超滤，沉淀,溶剂萃取
蛋白质（大分子)：沉淀法,两相萃取
极性化合物：离子交换
（3）精制
小分子：结晶
蛋白质：层析分离
（4）成品加工：浓缩，除菌过滤，干燥
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从自然界分离的菌种
产 品
基因工程诱变育种 细胞工程
生产用菌种
扩大培养原 料
微生物菌体 代谢产物
分离 提纯
发酵罐发酵条件控制
接种培养基配置
灭菌
固体发酵
原料：疏松而含有必需营养物质的
固体培养基，大部分为工农业废品
特点：
简单：开放式，无菌要求不高
不便于机械化
实例：蘑菇生产，泡菜，酱油
发酵技术的应用
1）医药工业
抗生素、维生素、胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等；
2）食品工业
生产传统的发酵产品、食品添加剂、微生物菌体——单细胞蛋白
3）能源工业
酒精、沼气、微生物采油；
4）化学工业
各种酶、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物表面活性剂；
5）农牧业
生物固氮、生物杀虫剂、微生物饲料；
6）冶金工业和环境保护
