發酵工藝學原理

開課背景（1）何為工藝學？

原先的工藝學的特性：

（2）現在：強化工藝學的差不多理論背景，減小課時數,

以單元操作為主線條的工藝學原理

第一章緒論

§1-1發酵工藝學的差不多概念

發酵工業的差不多概念

微生物學中的發酵的定義：

微生物發酵工業的概念：

1.發酵工業生產的差不多模式

講述生物工業的差不多生產模式，引出生物技術、生物工

程的概念，講述兩者之間的區不與聯系

2.發酵工業的分類

釀酒業（啤）,、葡萄酒、白酒……）0

厭色發酵調味品（醬油、醋）。

酵母工業一一自然發酵。

氨基酸發酵一一典型的代謝操

縱發酵。

抗菌素發酵一一次級代謝操縱發酵。

酶制劑工業一一具有重要的意義，是工業進展

的基礎、科學研

究的基礎

有機酸工業一卜檬酸、葡萄酸、乳酸、琥珀酸等。

石油發酵一一降低石油熔點（石油脫臘）有機溶劑工

業——乙醇、丙醇等

.人氧發酵維生素發酵——VC、VB2

生理活性物質一一白介一一2

環境工業一一廢水的生物處理，廢棄

物的生物降解'

微生物發酵的差不多特點

1.微生物發酵過程是一個典型的化工過程

由于微生物生理特性決定了微生物在發酵過程中需要

穩固的環境、專門的條件以及以氧作為底物的供給，這些多涉

及到化工生產的一下領域：

質量的傳遞一一氧的供給、代謝物的排泄等

熱量的傳遞一一微生物呼吸產熱，微生物生長于代謝需要

穩固的而嚴格的溫度條件。

動量的傳遞一一涉及到攪拌軸功率的運算，他與溶氧、氣

液混合的關系

微生物的反應工程一一涉及到微生物的生長動力學模型的

建立，產物生成動力學模型的建立。

2.微生物發酵過程是一個典型的代謝操縱發酵

從微生物發酵的歷史角度看，最早的微生物發酵是一個自

然發酵過程，現代微生物工業通常是指微生物的代謝操縱發

酵？

定義：是指利用生物的、物里的、化學的方法，人為的改

變了微生物的生長代謝途徑，使之合成、積存、分泌我們所需

要的產品的過程。

以GA發酵為例，建樹微生物代謝操縱發酵的意義。

3.微生物發酵工業又是一個有不于化工過程的一個工業

有以下幾個特點：

反應條件溫順

通常由于微生物的生理特性，要求溫度為3(rc-4(rc

pH值中性偏酸性——酵母、霉菌、放線菌等

pH值中性偏堿性——細菌的發酵

無菌發酵

整個反應過程要求無菌：培養基無菌、空氣無菌、補料和

取樣要求無菌操作、某些工程菌，其尾氣也要求進行無菌處理。

非連續性生產

微生物的生理特性決定了發酵過程的非連續性

大部分的工業發酵是以間歇操作為基礎進行的，目前能夠

實現連續化生產的是：啤酒的連續化生產……

§1-2微生物工業發酵的歷史及進展方向

微生物工業發酵的歷史

微生物發酵有著悠久的歷史，幾千年前的釀造實質上

確實是一個典型的微生物發酵過程，盡管……

近幾十年的來微生物發酵不但在應用領域上更加廣泛,

更重要的是建立了許多新的微生物發酵理論體系，諸如：代謝

操縱發酵、基因工程菌發酵等……微生物發酵的進展能夠分為

以下幾個時期：

1.自然發酵時期

傳統的釀造業，目前在國民經濟和人民生活中仍舊占有重

要的地位。

2.純培養時期

這一時期是微生物發酵工業從自然發酵進展到今天的代謝

操縱發酵的轉折點，由于微生物純培養技術的建立和進展，大

大推動了發酵過程的操縱，提升了發酵生產效率，更重要的是

推動了微生物學科的進展，使人們從簡單的發酵現象中發覺了

微生物的存在，進而對微生物有了進一步的認識和了解；在此

基礎上進展起來的菌種的分離、無菌技術、純培養技術、菌種

誘變等為后來的微生物進展奠(dian)定了基礎。

3.通氣攪拌發酵時期

1929年，弗萊明發覺了青霉素，并證明了其在醫學上的作

用，然而青霉素的工業化生產卻限制了他的廣泛應用，專門是

20世紀的三、四十年代廣泛流行的肺結核，以及第二次世界大

戰期間大量的傷病員，推動了青霉素工業化生產的科學研究與

開發。當時，1000個300ml的三角瓶連續搖動7天，方能生產

出80萬單位的青霉素1只，可見……。后來美國的化學工程師

參與了青霉素的工業化生產的研究，發明了一個2噸的通氣攪

拌發酵罐，……

4.代謝操縱發酵時期

代謝操縱發酵的概念的提出最早源于日本人在GA發

酵上取得的成功。1956年日本人“木下”，利用……成功地進

行了GA的發酵法生產，從此以后，“木下”等人致力于有關

的發酵的理論研究，并正式提出了“代謝操縱發酵”的概念。

利用代謝操縱發酵的差不多理論，目前已成功地進行了大多數

的氨基酸的發酵法生產，同時也完成了諸如：肌甘酸（AMP）、

干擾素等新型藥物的開發生產。

代謝操縱發酵理論的建了和應用為微生物工業發酵的理論

和實踐作出了重大奉獻，也是以后微生物發酵工業研究和進展

的方向（為何如此講？）大多數的工業產品并不是微生物代謝

的末端產物，而是微生物代謝的中間性物質，要合成、積存這

些物質，必須解除他們的代謝調控機制……

微生物發酵工業的進展方向

微生物發酵工業有著悠久的歷史，在國名經濟中占有重要

的地位，21世紀又是生物的，體現在哪里？

從工業領域看

微生物發酵將占據越來越重要的地位，具體的講：

通過生物工程解決能源咨詢題

能源咨詢題是全球面臨的咨詢題，生物工程如何解決？

太陽劇淀粉、纖維素嚼壬程G一發酵乙醇能源

乙烯

V

(目前已取得突破性進展)

生物工程作為橋梁，2000年世界產值已達50億美元

取代部分化工工業

許多化工產品的生產由于嚴峻的污染和生產效率咨詢題,

而為生物工程取代，例如：乙醇、甘油、乳酸等

(3)農業：生物農業、農產品加工等方面

(4)醫藥：

2.從產品角度看，應圍繞下列領域：

(1)酶制劑工業：即是生產工具，又是科學研

究的工具和基礎

(2)新型抗菌素工業和維生素行業

(3)氨基酸及多肽發酵

(4)生物免疫物質：白介素-2、干擾素、抗腫瘤

物質等

(5)細胞工程及疫苗

3.從科學技術角度看

底物基質的轉變

以葡萄糖為底物的發酵轉變為以更為廣泛的基質為原

料，專門是以廢棄物為基質的發酵，廢棄物資源化是其進展方

向。

開發新產品

利用現代生物技術為基礎，開發新產品，新的產品層出不

窮，使得微生物發酵向國民經濟的各個角落滲透。

微生物發酵向著大型化、自動化、連續化的方向進展。

0

英國帝國化學公司，甲烷菌發酵罐的容積

已達到3000m2

自動化：電子運算機的廣泛應用以及發酵

過程中的各種參數的自動檢測，使得……

建國50周年，發酵工業回憶？

本課程的內容和任務

本課程是生物工程專業本科生的專業基礎必修課程，是一

門以微生物、生物化學、化工原理等課程為基礎，以微生物發

酵過程中各種單元操作為主線條，對微生物發酵過程中的差不

多原理進行闡述的課程。

其差不多內容如下：

發酵生產用菌種及其有關知識

菌種選F

包括菌，保藏

［產過程中菌種的擴大培養

培養基的制備及滅菌

包括：工業發酵用原料的選擇與處理

培養基的滅菌原理和方法

工業滅菌的工程運算

發酵機制

包括：乙醇、甘油、谷氨酸、檸檬酸、賴氨酸、抗生素等

發酵過程及操縱

包括：溫度的變化及操縱

pH值的變化及操縱

氧傳遞動力學

泡沫的消長規律及操縱

教材：酶樂和：生化生產工藝，浙江大學出版社

參考書：

姚淑華：微生物工程工藝原理，華南理工大學出版社

劉如林：微生物工程概論，南開大學出版社

張克旭：氨基酸工藝學，輕工業出版社

陳寧:代謝操縱發酵，輕工業出版社

摸索題：

能源咨詢題是全球面臨的咨詢題，生物工程將如何解

決？寫出一遍綜述。

第二章微生物發酵用菌種及其擴大培養

§2-1微生物發酵工業用菌種

微生物發酵工業用菌種的特點及要求

微生物發酵工業用菌種因不同的發酵對其要求各異，

確實是同一種產品的發酵生產，其菌種的特點和要求因不同的

原料和生產設備的不同也有專門大差異，例如：GA的發酵：

以淀粉質為原料：要求VH-,

以糖蜜為原料：因為糖蜜本身含有專門豐富的V

H...

然而作為工業微生物發酵使用的菌種，通常有下列特點:

1.具有穩固的遺傳學特性

這關于工業化生產是專門重要的，通常工業化生產整

個周期專門長，在一個發周期中，菌體至少應該增殖一次，在

增殖過程中，菌體應該保證原菌的遺傳學特點，（盡管菌體生長

的環境改變了，壓力、基質、溶氧等）

2.微生物生長和產物的合成關于基質沒有嚴格的要求

換言之，能夠廣泛的使用各種原料作為生產用的底物，某

些微生物關于底物有著嚴格的要求，關于碳源要求單一，這關

于微生物的發酵工業提出了嚴格的要求，增加了生產成本。

3.生長條件易于滿足

在微生物的工業化生產過程中，某些環境條件專門難

實現。氧的傳遞和供給確實是一個專門難完全滿足的條件，專

門是關于高粘度、高濃度的發酵體系。

關于微生物的生長往往存在一個“臨界溶氧濃度”，低

于那個溶氧濃度，氧就成了微生物生長的限制性因子，那個溶

氧濃度越高，講明菌體生長條件越易滿足，從另一種意義上講,

工業化的生產成本就越低。

pH值:中性偏酸性，偏堿性，強烈的pH值易改變產物

和底物的狀態。

4.關于細菌，期望具有抗Phage的能力。

5.具有較高的各種酶活力，能夠在一定的范疇內提升生

長速率和反應速度，進而能夠縮短發酵周期，降低生產成本。

6.關于胞外產品，細胞膜具有良好的滲透性，或者細胞

膜的滲透性能夠調劑，細胞不易發生菌體自溶。

關于胞內產品，要求菌體易分離和收集，菌體易破裂;

關于基因工程菌，通常目的產物存在于包含體內，關

于包含體，要求在細胞破裂是不易破裂，而在目的產物的分離

提出時，則易破裂。

二微生物發酵工業用菌種的種類

「野生型

從菌種的遺傳學特點上能夠用菌種分為：

培養：營養缺陷型...

從微生物分類學的角度，分為

細菌率：短桿菌:GA,Gln,lys……

枯草芽匏桿菌：淀粉酶（BF7658）、堿性蛋

白酶等《

地衣芽抱桿菌：HASS（耐高溫a-淀粉酶）a

-AmylaseI

蘇云金芽抱桿菌：BT生物農藥……

梭狀芽袍桿菌：丙酮、丁酸等的發酵

酵母中啤酒酵母：釀酒酵母、輔酶類物質的發酵

I酒精酵母：

漢遜酵母：食品工業，用于乙酸乙酯的發酵

、假絲酵母：scp生產，石油發酵

3.卑菌黑曲霉：檸檬酸工業、釀酒業（UV-ll,UV-48）、

酶制劑工業（糖化酶）

黃曲霉:醬油生產（3042）,面醬

《青霉菌：青霉素的生產

紅曲霉：紅曲制造，用于南方紅曲酒（女兒紅）

的生產使用紅色色

1素的生產；豆腐乳的生產等

赤霉菌：赤霉素的生產，是一種植物生長激素

4.放線菌：各種抗生素，鏈、土、慶大等

§2-2微生物用菌種的擴大培養

菌種擴大培養的目的

L提供大量而新奇的、具有較高活力的菌種。

目的確實是：a、縮短發酵周期

降低能耗、減少染菌的機會（空氣過濾設備有效時刻是有

限的）

b、為了使培養菌在數量上取得絕對的優勢，抑制

雜菌的生長。

從對數殘留定律上看，任何滅菌過程都不能夠做到絕對無

菌，抑制雜菌生長除了嚴格環境以外，在數量上讓培養菌占絕

對優勢也是一種方法，往往是一種行之有效的方法。例如：啤

酒的發酵……

2.讓菌種從固試管、液體試管，逐步適應，

例如：啤酒發酵

3.菌種通過擴大培養，能夠提升生產的成功率，減少“倒

罐”現象。

許多生產菌種往往差不多上“溶原性”的？

通過連續的擴大培養，每一級都要進行嚴格的檢查，

關于不合格的嚴禁使用，無疑增加了生產的可靠性。

二、擴大培養的方法

通常有兩種方法：固體法：用于釀造業（醬油、白酒等）,

也是源于釀造業，有霉菌的純培養，也有混合培養如：大曲

液體法：液體深層培養，適合于眾多發酵行業

液體擴培流程

固體試管f三角瓶大三角瓶一^種子

二級種子’

級種子

發酵罐

固體擴培流程

固體試管三角嘛升曲萩曲（機械通

風制曲）

兩者的優缺點比較：

固體培養

（1）酶活力高。（因為菌絲體密度大）

（2）生產過程中無菌程度要求不是專門嚴格。

（3）關于固體培養，通常用于固體發酵，由于產物濃度大,

易于分離，能夠有效的降低產品分離成本。

缺點：

（1）生產勞動強度較大，占地面積大，不宜自動化生產。

（2）周期長。

（3）培養過程中環境條件操縱較難。

（4）生產過程中，由于無菌程度較低，其菌種菌類不純。

液體培養

（1）生產效率高，便于自動化治理。

（2）生產過程中溫度、溶氧、pH值等參數能夠實現全面

操縱。

（3）通常生產液體種子，整個生產周期較短。

缺點：

（1）無菌程度要求高，相對生產設備投資較大。

（2）關于某些種類的發酵，液體培養因投資大、生產密度

大而難以實現。

現代生物技術的進展是以基因工程菌為主導的微生物

發酵領域，其菌種的培養要求無菌程度高，而且培養過程中的

條件要求也專門嚴格（否則易發生變異導致質粒丟失），從這種

意義上講，固體菌種的制備是難以實現的，因此，應以液體培

養為主導方式。

應該指出的是：

隨著生物工程與技術的進展，許多傳統的應用微生物工

業的菌種已形成了產業化。例如：酒精的生產

原生產工藝流程為：……

其中以酵母為線條的生產工藝為：

以霉菌為線條的生產工藝為：

現在：（1）酵母使用粉末酵噂鮮壓榨，酵母固定

化酵母細胞

（2）霉菌則由各種液化、糖化酶取代

三、菌種擴大培養的條件：

菌種擴大培養條件因不同的菌種差異是專門大的，通

常是與菌種的性質有關的，也與后續的發酵工藝有關。然而，

與發酵工藝卻有著專門大的差不。

1.培養基：

種子培養基因不同的微生物種類差不是專門大的，同一種

微生物因不同的擴大培養過程（一級、二級）其培養基往往也

有較大差異。

例如：啤酒酵母擴大培養用的培養基組成如下：

固體試管一液體試管一?三角而＞大三角

（無酒花）（有酒花）（有酒花）

漢遜罐

通常，關于種子用的培養基，搖瓶與種子罐用的培養

基也不相同，搖瓶要求培養基用的原材料精細，碳源濃度較低

而且是用微生物較易利用的碳源；關于種子罐用培養基，要求

使用接近大生產用的原材料，氮源濃度較高，有利于菌體的增

殖。

例如：HASS（高溫淀粉酶）

三角瓶用碳源：葡萄糖+乳糖

3m3種子罐：液化淀粉

2.溫度

種子擴大培養的溫度，從試管到三角瓶到種子罐，其

溫度也應逐步調整，最后接近大生產的溫度，目的在于使菌種

逐步適應。

例如：啤酒酵母擴大培養

固缽瞰體F角瓶犬三角瓶漢

遜罐

28℃25℃20℃15℃10

-15℃

需要指出的是：

（1）許多微生物其最適生長溫度與最適發酵溫度往往

有差異的，例如：谷氨酸發酵，谷氨酸產生菌的最適合生長溫

度為：30℃,而產物合成溫度為32-34P

（2）種子擴大培養的溫度的選擇，應該考慮的是菌體

的快速增殖上，一方面能夠縮短周期，另一方面有利于抑制其

他雜菌的生長。

3.氧的供給

菌種擴大培養的目的確實是提供大量的強壯的菌體，

因此在擴培過程要求菌體增殖速度越快越好，增殖期消耗的底

物葡萄糖越少越好，從那個意義上講，擴培過程中應提供足夠

的氧氣，不管是厭氧發酵依舊好氧發酵。

足夠的溶氧取決于：攪拌轉速、通氣量、攪拌軸功率等,

后述。

4.pH值

菌種擴大培養的pH值專門重要，直截了當阻礙到

菌體的正常生長，需要注意以下兩點：

(1)擴培選擇的pH值是菌體的最適生長pH值，往往與

發酵最適pH值不同。

(2)培養基滅菌后，通常其pH值要下降0.5——1.

0個單位，因此，……

(三角瓶滅菌后，不能夠調整pH值，不宜無菌

操作)

摸索題：

1.比較固體培養與液體培養的優缺點。

2.講明菌種擴大培養的條件。

3.菌種擴大培養的目的和意義是什么？

4.工業生產用菌種的差不多要求有什么？

第三章微生物用培養基及滅菌

本章的要緊內容：

1.培養基的制備

2.starch的水解

3.培養基的滅菌

約4學時

§3-1培養基的制備及要求

一、培養基用原材料及要求

微生物發酵領域其本質，也能夠明白得為物質形式的

轉化過程，確實是利用微生物生長所需的底物轉化成特定的產

物，在那個過程中，有兩個咨詢題是工業化需要解決的：(1)

產物的社會效益，

(2)物質轉變過程中產生的經濟效益，即：低價值

的原材料、低能耗等

關于特定的已知產物，在選擇培養基原料時，則應注意以

下幾個原則：

1、培養基原材料的要求

（1）價格低廉，易得到（價格低，但不一定易得到，例

如：地瓜干）

（2）對微生物的生長繁育和代謝無抑制作用的物質

（3）微生物的代謝產物無有害物質。

2、培養基用原材料的種類

碳不starch及其水解糖液

Y含有starch及其水解產物的廢棄物：味精廢水、

粉絲好廢水等

I化工石油產品：醋酸、甲醇、乙醇、甲烷等

'氨水、尿素（有腺酶的微生物），弋流加形式使用

（NH4）2SO4、NH4NO3,NH4CL#

*源豆粕、玉米漿、酵母粉、睜浸出物、魚粉、

菌體蛋白？、玉米蛋白粉土

二、培養基的種類f固體發酵

‘生H培養基厭氧發酵

I需氧發酵

按用途“分為：種子培養基

（搖瓶培養基（優化工藝……）

檢查培養基：HASS發酵用的檢查培養基:

營養瓊月旨0.5%—0.55%、Sarch

2%,Glycol0.5%

平板培養，按照透亮圈的大小

本章涉及到的培養基為：生產使用的培養基

三、培養基的制備

1.培養基配制的原則

培養基制備是發酵成功與否的第一個要點，制備一個完

整而科學的培養基是專門重要的，也是專門艱巨的任務。通常

制備培養基需要考慮以下幾個方面的咨詢題：

(1)合適的C/N,

不同的微生物、同一種微生物不同的菌株，其對培養

基中的C/N要求是不一樣的，同一菌株在不同的發酵時期，其

對C/N的要求也不一樣。

例如：黃源膠(XanthanGum發酵)：前期，較低的C/

N,目的是強化菌體的生長和增殖：然而，在黃源膠的生物合

成期，則需要較高的C/N,如果在這一時期，培養基中氮源仍

舊專門高，其導致的發酵結果是，底物消耗了但產物的產率卻

專門低。

在大多數情形下，C/N要求在0.2——2.0。關于一些專

門的情形，例如谷氨酸發酵，在谷氨酸生物合成期，則要求C/

N為:100/15-21o

(2)在確定了C/N的前提下，需要研究的是不同的氮源，

對發酵的阻礙。

盡管C/N確定，然而氮源的利用其本質確實是fr肽

AA,通過AA而被利用，不同的氮源，其AA的組成與比例

也不相同，對其發酵結果的阻礙也不相同。有人在HASS(高溫

淀粉酶)的發酵過程中，向培養基中添加某些AA(亮，異亮)

則有利于高溫淀粉酶的合成基因的表達，發酵液中的酶活力則

明顯得到提升。

(3)大多數的工業培養基都使用玉米漿。

玉米漿內含有VH,它是菌體生長和代謝的所必需的一

種輔酶，通常玉米漿與：

菌體的增殖速度有關

與菌體細胞膜的合成有關，從而阻礙到細胞膜的通透性

關于某些菌體，與代謝途徑和代謝機制有關。

(4)生長因子：

大多數菌體的生長因子如下：

維生素：大多數維生素是微生物生長的輔酶，需要量專門

小，1一50|1g/L0

AA,凡是微生物自身不能合成的AA則必須以游離的AA

或者小分子的肽提供，通常，以小分子的肽提供，微生物更易

通過細胞膜進入菌體內部?,如果提供外援氨基酸，需要注意

的是各種氨基酸的平穩。

喋吟及其衍生物

2.培養基的優化方法

一種合成培養基的設計，需要考慮的因素是專門多的，

需要研究的成分也是專門復雜的，其中包括碳源、氮源、玉米

漿等，即便是碳源還能夠是幾種碳源的混合體，再加上述幾種

因素之間的相互阻礙，要確定一個科學的培養基配方是需要做

大量的工作的，采納一個合理的數學方法，就能夠在減少工作

量的前提下，得到科學的結果。

介紹一種數學方法：平均實驗設計方法一一旋轉正交實

驗方法.這是在正交實驗的基礎上進展起來的一種關于多因

素、多水平的一種實驗設計方法。

參考文獻：方開泰:平均正交實驗方法

雄宗貴:發酵工藝學原理

§3-2培養基用材料及處理

發酵培養基用原料是專門廣泛的，許多原材料需要通過處

理后方能夠使用，專門是以淀粉質為原料的發酵工業，大多數

的情形下需要將淀粉進行水解處理。

本節內容：starch的水解；糖蜜的預處理；工業用添加劑

一、淀粉的水解

許多微生物由于其本身的生理生化特性而決定了其代

謝所需的底物只能使Glucose等單糖，要緊有下列菌種：

酵母：G、F、蔗糖、半乳糖、以及部分麥芽糖等

大部分的細菌：GA產生菌、Lys產生菌、蘇云

金芽窕卜菌等

其中：地衣芽泡桿菌、枯草

芽袍桿￡則能夠以淀粉為原料。

霉菌：大部分的霉菌能夠直截了當使用淀粉

為原料，他們本身具有淀粉的水解能力。

淀粉的水解方法要緊有酸法、酶法以及介于這兩者之間

的酸酶法、酶酸法，分不介紹如下：

1.淀粉的水解方法

(1)淀粉的酸法水解

水解原理：

淀粉是由葡萄糖通過a-1,4或a-1,6葡萄糖甘健連接

而成的含有多個葡萄糖的大分子長鏈物質，按照其葡萄糖連接

的糖昔健的不同，可分為枝鏈淀粉和直練淀粉，能夠使用重合

度來表示淀粉分子的大小，所含有的葡萄糖昔健的數量，稱之

為淀粉的重合度，用DP來表示。淀粉內部的葡萄糖普健在一

定的溫度和酸性的條件下能夠水解，而使淀粉分子鏈斷裂，高

溫可加速葡萄糖昔健的水解速度。

水解條件：高溫，i2(rc以上，

H+,0.2MPa的壓力

缺點：反應條件比較強烈，產生的副產物較多.

要緊有下列副產物：

雙分子葡萄糖脫水，形成復合二糖，分不是異麥芽糖、龍

膽二糖，

前者不利于產物的結晶提出，后者關于菌體的生長有抑制

作用。

一分子葡萄糖脫水，形成5-羥甲基糠醛，關于菌體的生長

有抑制作用。

一分子葡萄糖和一NH2反應，形成氨糖，是淀粉水解糖液

有色物質的要緊來源。(美拉得反應)

2.酸酶法

3.酶酸法

4.雙酶法：使用兩種淀粉水解酶：a-淀粉酶

淀粉a-1,4；1,6葡萄糖昔酶。

a-淀粉酶：又稱為淀粉液化酶，只作用于淀粉a-1,4

葡萄糖甘健，其作用特點是能夠快速將長鏈的淀粉水解成短鏈

糊精，液化的含義？其水解速度隨著淀粉鏈長度的降低而變得

越來越慢，換言之，該酶不可能將淀粉完全水解成葡萄糖(從

水解葡萄糖甘健的種類，水解速度到最后已無工業意義三個方

面)，因此該酶的淀粉水解產物中以短鏈的糊精為主，含有少量

的葡萄糖。

淀粉a-1,4；1,6葡萄糖昔酶，又稱為糖化酶，能夠水

解淀粉分子的a-1,4；或a-1,6葡萄糖昔健，其作用特點是,

淀粉的分子鏈越短水解速度越快，水解產物為葡萄糖。

酸法與雙酶法的優缺點比較：

(1)酶促反應條件溫順，水解產生的副產物少，對微

生物的生長有利。

有的人會咨詢？目前采納的耐高溫

a-淀粉酶的作用溫度也是較高，突破100(,和酸法水解的溫

度相差不多。雙酶法淀粉水解第一使用耐高a.淀粉酶進行淀粉

的液化，現在水解液中的葡萄糖專門少，不具備生成副產物的

物質條件。

（2）正因為上述緣故，淀粉水解產率

較高，通常糖的轉化率能夠提升10%以上。這能夠給味精、制

藥的領域帶來龐大的經濟效益。

例如：關于年產10000噸的小型味精廠，年增產100噸味

精，直截了當經濟效益可達到：0.8*100=80萬元。

（3）能夠直截了當使用糧食進行雙酶法水解，因

為雙酶法水解的條件溫順，關于糧食中的蛋白質等其他物質的

破壞較少。

（4）雙酶法水解使用的淀粉乳濃度較高，能夠達

至U20Be以上，而采納酸法水解，淀粉乳的濃度通常只有12Be,

緣故？（副產物）意義？（設備利用率）

介紹液體濃度Be的概念：

波美度（Be）是表示液體濃度（比重）的一種方法,

其和液體比重之間有下列關系：

d=X/X-Be

式中——d：液體的比重

入：模數

人因標定的溫度不同可將波美表分為：

美國：15.6℃標定，入=145

<合理：15℃標定，X=144.3

荷蘭：12.5℃標定，入=144

標定方法：

輕表：“0”Be的位置，把表放在一定溫度下的蒸僧水中的

位置；

“10”Be的位置，把表放在一定溫度下的比重為0.

9351

的溶液中的位置。

重表：“0”Be的位置，該位置是把表放在一定溫度下的蒸

情水中;

“66”Be的位置，該位置是把表放在一定溫度下的

比重為1.842的濃硫酸溶液中。

表示溶液的比重的方法還能夠使用Bx（玻利克斯）：

定義：某一溶液的Bx,表示該溶液的比重和相同濃度

（為Bx%）的蔗糖溶液的比重相等。

注意：Bx的概念不同于波美度，他與比重之間是沒

有運算公式的，然而能夠查找有關換算關系。

2.淀粉的雙酶法水解工藝

淀粉些窣化—薄化濾

糖液

漿液濃度：20—30Be,調pH值6.0—7.0,

添加CaCL2,使用量,0.01mol/L（目的？）

液化：耐高溫a-淀粉酶，酶的使用量：5—8單位/g淀粉

溫度:105℃；時刻，20—30分鐘

降溫：采納噴射冷卻方法：

糖化：使用淀粉a-1,4；1,6葡萄糖昔酶；

使用量：按照液化淀粉的濃度，30%的濃度，80—100單位

/g淀粉

溫度：65℃

終點判定：時刻，2—3小時。

二、糖蜜的處理

1.糖蜜的要緊成分

糖，49-50%,因不同的原料和生產方法不同而異，要緊

是蔗糖

膠體物質，5—10%,來自于原料

灰分，10—12%

生物素，1—10mg/Kg（甘蔗），0.04—0.06mg/Kg（甜菜）

pH值6.2（甘蔗），7.4（甜菜）

關于發酵工業能夠利用得的要緊成分是：糖和生物素

2.用途

發酵工業用原料，國內發酵生產的有：味精、酵母

目前，國內酵母工業使用進口糖蜜為原料，帶來了較大

的工業污染，...

使用糖蜜生產酒精

使用糖蜜生產蒸俺酒一一姥姆酒，世界名酒，牙買加的國

酒，在西方國家要緊用于雞尾酒的勾兌上。

作為添加劑使用，檸檬酸發酵，作為添加劑使用。

使用糖蜜發酵生產黃源膠，已有研究報道。

3.處理方法

處理目的：

a.除去膠體性物質，降低糖蜜的粘度，提升發酵液的流淌

性，有

利于改善發酵過程中氧的傳遞。

b.脫色，除去有色物質（有色物質的來

源？），對產品的質量有阻礙，對微生物的生長和代謝有阻礙。

c.中和過量的酸堿性物質，除去部分對

pH值有阻礙的緩沖性物質。

方法：a.冷酸通風沉淀法，即加酸后，通風，使之沉

淀

糖蜜經酸化后要緊是除去糖蜜中

膠體性物質，通風的目的是除去一些揮發性物質。（教材中提到

的通風是為了提升KLa是錯誤的）

b.加絮凝劑（PAM）

聚丙烯酰胺（PAM）作為絮凝

劑，能夠促進大分子物質的沉降，有利于糖蜜的澄清。

工藝過程：

原溶液釋）一?40Bx調pH>（37>8）絮凝

靜置

絮凝劑的用量：8mg/L,靜置時刻：1小肘

加熱到90℃

C.活性炭吸附法

能夠除去糖蜜中的有色物質，明顯的降低糖蜜的色

澤，對發酵的產品的提出和產品質量有益。

缺點：活性炭的使用量較大，處理成本較高。

三、工業培養基的添加劑

添加劑通常是指除了培養基中的C、N、無機鹽、金

屬離子以外的其它物質，要緊有：

1.前驅物質

專門是關于某些氨基酸、核甘酸和抗菌素的發酵

生產，添加一定量的前驅物質(前體)其作用是專門明顯的。

差不多原理：

——a苒您物質>產物

反饋抑制的存在，需要添加前產區物質

不存在抑制或阻遏I

(2)S.前驅物質的和成效專門低，需要添

加前驅物而f一

色——>X—前驅物質產物

存在分枝代謝，不能夠專門好的解決分枝代謝對X的

反饋抑制作用，須要有添加劑

注意：

前驅物質的使用，因不同的菌種、不同的產物、不同的代

謝機制而使用的方法不同，使用的濃度也不同，但差不多上建

立在對其代謝調劑機制有從分的了解的基礎上的。

2.代謝促進劑和代謝抑制劑

促進劑要緊是指誘導物，在酶的生產；抑制劑要緊在

抗菌素的生產中使用的較多。

例如：(1)四環素發酵過程中，添加NaBr,能夠抑制金霉素

的生物合成，從而提升四環素的產率。

(2)頭抱霉素C,添加L—Met,能夠抑制頭抱霉素

N的生物合成，從而提升頭施霉素C的產率。

上述這些情形，抑制劑對代謝的抑制作用是發生在代

謝鏈具有分枝代謝上的，如下圖所示：

—二—C產物

樂勒"X)抑制劑作用點，通常是X

的結構類似物

§2-3培養基的滅菌

一、滅菌原理

所謂滅菌確實是殺死一切微生物，包括微生物的營養

體和芽抱，這一概念不同于消毒。后者是指消滅一切致病微生

物(病原體)

滅菌的方法專門多，在實驗室能夠使用干熱滅菌、關

于環境能夠使用化學試劑滅菌，但化學試劑的滅菌方法有專門

大的限制。

在工業生產中，關于培養基、管道、設備的滅菌，通

常采納蒸汽加熱到一定的溫度，并保溫一段時刻的滅菌方法，

稱之為濕熱滅菌？

濕熱滅菌的明顯優點是：使用方便，無污染，而且其冷凝

水能夠直截了當冷凝在培養基中，也能夠通過管道排出。

下述內容確實是針對濕熱滅菌的。

第一討論幾個差不多概念：

1.微生物的熱阻

定義：微生物的熱阻確實是指微生物對熱的抗擊能力。

其對熱的抗擊能力越大，能夠明白得為熱阻越大，衡量不同的

微生物對熱的抗擊能力的大小，能夠使用相對熱阻的概念。

相對熱阻：兩種微生物的熱阻之比。

例如：芽抱/大腸桿菌=3000000/1；病毒/大腸桿菌=1—5/1

等

2.理論滅菌時刻

微生物的濕熱滅菌過程，其本質上確實是微生物細胞內蛋

白質的變性的過程。因此，能夠把滅菌過程看成是蛋白質的變

性的過程，從那個意義上講，滅菌過程應遵循單分子反應的速

度理論，那么，則有下列方程：

-dN/dt=k*N

式中----dN/dt：表示滅菌過程中某瞬時活菌的減少速率

N：表示表示滅菌過程中某瞬時的活菌數

K：表示滅菌過程中菌體死亡的速度常數，

K=f(滅菌溫度、菌種、培養基等)

上式的積分形式為：

t=2.303/k*InNO/NS

式中一一NO,NS：分不表示滅菌前、滅菌后培養基

中菌體的濃度(個/ml)

k：意義同上

t：表示理論滅菌時刻

理論滅菌時刻的運算需要注意以下幾個咨詢題：

(1)K值因不同的微生物種類不同、不同的生理狀

態、不同的外界環境，差不專門大，實質上，它是微生物熱阻

的一種表示形式，微生物的熱阻越大，K值也越大。

例如：芽抱，在12UC時，K=60/s

營養體，在121℃,k=60—6*1010/s

(2)在運算過程中，NO,NS如何取值？

NO=芽抱性細菌總數+芽泡數

滅j時溫度升高，營養體即可變成芽胞

關于NS,如果取NS=0,那么，t=8,這明

顯是與現實情形不符。

關于如何NS取值？通常取NS=10-3,那個數值

如何明白得？滅菌1000次，有一次是失敗的，殘留了一個活菌

體。那個數值的取值的大小，也間接反應了該生產過程中的技

術治理水平。

（3）上述滅菌時刻，通常稱之為理論滅菌時刻，只能

夠用于工程運算中，在實踐過程中，因蒸汽的壓力咨詢題（不

穩固）、蒸汽的流量咨詢題有專門大差不，甚至培養基中的固體

顆粒的大小、培養基的粘度等因素，都會阻礙滅菌成效，因此

在實際生產中，通常采納體會數值：

間歇滅菌，121℃,20—30分鐘

連續滅菌，137℃,15—30s,在堅持罐中保溫8—

20分鐘。

3.滅菌溫度的選擇

滅菌溫度的選擇應考慮的因素要緊有：

「a.微生物的熱致死溫度，應高于該溫度。通常以芽

苑為“。何為熱致死溫度？（10分鐘，全部死亡的溫度）

Ib.營養成分的破壞，滅菌的過程實質上也是營養

成分4環的過程因此，滅菌溫度的選擇，應是在保證滅菌成效

的前提下，盡可能減少培養基中營養成分的破壞。

許多實驗研究結果表明，培養基在高溫滅菌

的過程中，其營養成分的破壞在專門大程度上能夠用一級反應

來描述其反應速度：

dc/dt=-K,XC

式中----dc/dt：表示營養成分破環的速率，

C：表示營養成分的濃度

K,：為反應速度常數，1/s,K=f(t,……)

反應速度常數K,與溫度的關系，能夠使用阿累尼烏

斯公式表示之：

K,=A,Xe[-E/RT].......(1)

式中——K,：反應速度常數，1/S

E,：反應的活化能(J/mol)

R：氣體常數，1.987M.18J/mol*k

T：反應的絕對溫度，k

同樣，滅菌過程中的反應速度常數也能夠用下式表示出：

K=AXexp[-E/RT].......(2)

(1)、(2)式能夠改寫成下列形式：

lg(k,2/k,l)=E,/RX(1/T1-T2).......(3)

lg(k2/kl)=E/RX(1/T1-T2)……(4)

(3)(4)的意義是指：反應的溫度從T1升高到T2,其

反應的速度常數分不從k,l增加到k,2；kl增加到k2；

培養基的滅菌過程實際上是營養成分破壞、菌體死亡的兩

個平行性反應，

如下所示：B~

C

關于平行性反應，反應溫度的提升，其兩個平行性反應的

速度常數都增加，但增加的幅度（大小）卻不同，其比值能夠

表不為：

lg（k2/kl）/lg（k,2/k,l）=E/E,……（5）

實驗證明：營養成分為破壞的反應的活化能E的值為

E,=8.36—83.6*103J/mol

而菌體死亡的活化能E

…芽抱：E=418*103J/mol

YE=

無芽抱：E=209—250*103J/mo

1

明顯，（5）式的比值〉1,講明提升溫度關于第二個平行

反應，即菌體死亡的反應是有利的。提升溫度，盡管兩個平行

性反應的反應速度常數都提升了，然而，達到同樣的滅菌成效,

所需要的時刻卻縮短了，由于第一個反應也確實是營養成分破

壞的反應速度常速增加的少，因此，有利于減少培養基在滅菌

過程中營養成分的破壞。換言之，高溫短時滅菌關于培養基營

養成分是有利的。通常所講的高溫短時滅菌能夠提升生產效

益，其理論按照就在于此。

然而高溫短時滅菌是需要一定的設備條件的，通常需要連

續化的滅菌工藝流程？（高溫后的快速冷卻在大型的生物反應

器內是專門難實現的……）這就給中小型生產企業帶來了一定

的困難，設備投資的增加，技術治理水平的提升（培養基連續

滅菌后，后述設備的無菌化治理關于整個體系的無菌操作是必

需的……)

高溫短時滅菌的優點還能夠表現在：節約能量上，培養基

的預熱？

二、培養基的工業滅菌方法

培養基的工業滅菌通常涉及到以下幾個概念：

1.空消：

意義：由于空消時反應器內的死角少，蒸汽的傳熱效率

高，關于反應器滅菌成效好，通常在較長時刻沒有使用的反應

器、染菌的反應器、更換菌種時都要進行空消。

采納培養基連續滅菌的工藝，需要空消。

2.實消：定義？

優點：不需要特定的設備，操作、治理比較靈活。

3.連消:定義？

優F：營養成分破壞少，生產效率高

J熱綜合利用率高

大型企業自動化程度高

I管，高溫短時滅菌的優點專門明顯，但不能講發酵

領域采納高溫短時滅菌是唯獨的選擇。一個生產企業滅菌方法

的選擇是要從生產工藝、設備、操作、技術治理、固定資產投

資等多個方面整體考慮。

目前，我國發酵領域仍舊是以分批操作的

實消為主，因此我們的后述內容要緊是介紹分批操作的實消滅

菌工藝。

三、分批滅菌操作要點

將配置好培養基打入生物反應器內進行實消，操作要

點如下：

定期檢查設備、管道有無滲漏，要緊是：冷卻管道，夾套。

培養基升溫時，打開所有的排氣閥門，排掉空氣？當培養

基的溫度升到滅菌溫度時，進入保溫操作時期，現在要求與反

應器相連的所有管道出于兩個狀態：進汽或出汽，目的是對管

道進行滅菌。講一下，閥門的專門性？

培養基升溫時開動攪拌系統，以使培養基內部傳熱平均，

當溫度升溫到100℃時，停止攪拌，一方面是為了愛護軸承，

另一方面，當培養基的溫度升溫到100℃時，培養基的沸騰，

能夠起到攪拌作用。

注意輔助設備的滅菌：空氣過濾器、計量罐、流加管道與

流加液貯罐，空氣流量計等。

保溫期間，要求罐壓：0.09—0.1OMPa,溫度：118—121℃,

時刻：30分鐘。

滅菌終止后，需要趕忙引入無菌空氣，保證罐內壓力后方

可冷卻，目的是防止培養基的冷卻使罐內形成負壓，易染菌。

配制培養基時，應充分考慮培養基在滅菌時的稀釋（體積

的增加），通常體積可增加20%左右，滅菌時刻越長，體積增加

的越多。

四、分批滅菌的工程運算

要緊介紹一下傳熱運算（與畢業設計教學環節有關，

與今后的實際工作關系更大）。

1.升溫時期

培養基在反應器內的升溫有兩種加熱方式：

r(1)使用夾套、冷卻排管

1(2)蒸汽直截了當加熱

(1)使用夾套、冷卻排管

t=W*C/K*FXin(tl-t2s)/(tl-t2f)

式中一一t：升溫所需要的時刻(小時)

W：培養基的重量，(Kg)

F：總的傳熱面積，m2

tl:加熱蒸汽的溫度，。C

t2s：培養基加熱的起始溫度，℃

t2f：培養基滅菌的溫度，。C

k：平均傳熱系數，KJ/m2*hr*℃

因為在加熱過程中，培養基的溫度在持續升溫，溫差

在變化，屬于不穩固傳熱過程，其傳熱系數k,應取平均值：

夾套加熱:k=830—1254KJ/m2*hr*℃

排管加熱:k=1254—1881KJ/m2*hr*℃

C：培養基的比熱，KJ/Kg*℃

比熱C的運算方法：采納線性疊加法：

C=0.37X4.18*X+4.18X(1-X)

醪液中固形物的重量普分數％

0.37X4.18：固形物的比熱，KJ/Kg*℃

任何以谷物、淀粉為原料的醪液，其比熱都能夠如此

運算。

(2)蒸汽直截了當加熱

加熱的速度專門快，時刻不需要運算，需要運算的是

蒸汽的消耗量：

S=[W*C((t2f-t2s)+Ql]/(x-t2f)

式中——S：蒸汽的消耗量，Kg

Q1：發酵罐散失的熱量，Q1=(^總X

(10——20)%

入：蒸汽的熱含，KJ/kg(與蒸汽的壓力有

關)

t2f、t2s：與上述相同

2.保溫時期

現在，打開發酵罐頂部的所有排氣閥門，排蒸汽滅菌:

蒸汽的消耗量S運算如下：

S=1.19XFXTX(P/Y)0.5

式中——S：蒸汽的消耗量，Kg

F：蒸汽排出口總面積，cm2

T：排氣的時刻，分鐘

P：罐內絕對壓力，MPa

V：蒸汽的比容，m3/kg

3.冷卻時期

需要運算的是冷卻的時刻，盡可能快的降溫，減少培養

基營養成分的缺失。

T=W*C1/G*C2X(A/1-A)Xin(tls-t2s/tlf

-t2s)

式中——W、Cl：分不表示培養基的重量和比熱，Kg、KJ

/Kg*℃

G、C2：分不表示冷卻水的流量和比熱，Kg/hr、KJ

/Kg*℃

tls：培養基開始冷卻的溫度，即滅菌溫度，。C

tlf:培養基需要冷卻到的溫度，即接種的溫度，。C

t2S：冷卻水進口的溫度，。C

A=exp[KF/GC2|X(tl-t2s/tl-t2)

式中——G、C2：分不表示冷卻水的流量和比熱，Kg/hr、

KJ/Kg*℃

F、K：意義同前

t2S：冷卻水進口的溫度，℃

tl：被冷卻介質的任何一個溫度，。C

t2：與被冷卻介質溫度tl相對應的冷卻水的出口溫

度，。C

摸索題：

1.微生物發酵培養基的碳源要緊有哪幾種？

2.微生物發酵培養基的氮源要緊有哪幾種？

3.淀粉的水解方法要緊有什么？試進行有缺點比較？

4.雙酶法淀粉的水解通常使用哪2種酶？其作用特點分不

是什么？

5.培養基工業滅菌的方法要緊是采納蒸汽滅菌，其滅菌的

原理是什么？

滅菌過程符合對數殘留定律，寫出理論滅菌時刻的運算公

式。

6.生物反應器滅菌的操作要點有什么，繪圖講明操作過程。

7.以化學反應動力學為基礎，講明高溫短時滅菌能夠減少

培養基營養成分缺失的緣故。

8.把握以下幾個概念：

理論滅菌時刻、對數殘留定律、實消、空消、連消、波美

度

第四章發醛機制與代謝操縱

微生物的代謝產物專門多，要緊有乙醇、丙酮、乳酸、氨

基酸、酶制劑、抗生素等，在這些產物中，乙醇、丙酮、乳酸

等，微生物能夠在特定的外部環境下生成，這類發酵我們稱之

為：自然發酵。

而有些產物諸如：氨基酸、酶制劑等，正常的微生物是不

能在培養基中大量的合成與積存，是需要通過：化學的、物理

的、生物的等方法人為的改變其原先的代謝途徑，使之能夠分

泌并積存特定的產物，這類發酵稱之為：

代謝操縱發酵？

關于前者，人們能夠在簡單了解其代謝合成機制的條件

下，通過對環境的操縱，來提升其產量和產率，而實現大規模

的工業生產。（產量和產率？產量是指：一批次的產量；產率是

指底物與產物的轉化率，產量高不一定產率高；相反，產率高

不一定產量高，兩者關于大規模的工業化生產都專門重要）

關于后者，人們不但需要嚴格的操縱環境，通常還需要

對其代謝機制有系統地了解，才能夠提升其產量和產率。

本章的要緊內容確實是研究微生物的各種代謝調劑機

制，有助于提升對微生物發酵的本質的認識。

§4-1糖的代謝與調劑

本節要緊介紹糖代謝的幾條代謝途徑，和其調劑機制，并

簡單介紹糖代謝的直截了當產物：甘油、乙醇等厭氧發酵。

一、糖代謝的途徑

糖代謝的要緊途徑有：

1.糖的酵解途徑——EMP途徑

其產物是：丙酮酸

丙酮酸還原：乳酸發酵「

j1y脫羚，生成乙醛，

乙醛還原1

在有氧的條件下，在厭氧的條件下：生成乙醇

2.TCA循環

丙酮酸在有氧的條件下，在丙酮酸氧化脫斐酶系(脫

氫酶)的作用下，氧化脫竣生成乙酰輔酶A,CH3-CO-SCoA,

進入TCA循環，完全氧化成CO2和H2O。

反應式如下：「TCA一圈，即

每分子乙酰輔酶A氧化，有：

C6H12O6=6CO2+6H2048ATP+3NAD(P)H3

ATP*3=9ATP

、—?1FADH

2.5ATP

1GTP

總計：12.5ATP*3=37.5+2ATP（EMP）?

3.HMP途徑（磷酸戊糖途徑）

將葡萄糖完全氧化成CO2和H2O,并有35分子的ATP生

成，

特點：（1）中間代謝產物中有，C7、C5、C4有利

于微生物的合成代謝。

（2）只有NADP參入氧化脫氫反應，能夠產生

大量的NADPH

（3）是一條高產能的氧化途徑。

反應式：C6H12O6=6CO2+6H2O+38ATP

4.ED途徑

常見的是細菌的ED途徑，發酵生產乙醇。

應式：C6H12O6=2丙酮酸+2TP+NADPH+

NADH

上述這些代謝途徑在許多微生物體內能夠同時存在，只

有極少數的細菌是以HMP為唯獨的有氧氧化途徑（醋酸細菌、

工業醋酸細菌等）。當EMP、HMP、TCA、ED中的任意兩條

途徑同時存在于同一種微生物體內時，其比例因不同的菌株、

同一菌株也因不同的生長和環境條件不同而異。

例如：在谷氨酸發酵中，菌體生長期：EMP/EMP=38%

GA合成期，EMP/EMP=26%

二、糖代謝的調劑機制

1.糖代謝的能荷調劑

能荷=[ATP]+1/2[ADP]/[ATP]+[ADP]+[AMP]

明顯，能荷在o——1之間。

廠G磷酸

化酶

<

酸果糖激酶

空國葡萄糖產生煜P,關鍵酶

檸檬酸合成酶—A

異檸檬酸脫氫酶”

能荷降低，則激活上述關鍵酶的活性，同時抑制糖原合成

酶的酶活性,加速糖分解，產生APTP,使能荷增加；

能荷增加，則抑制上述關鍵酶的活性，使糖的降解速度下

降，ATP的生成速度降低，同時激活糖原合成酶的酶活性，糖

原合成速度的增加，一方面減少了ATP的生成，又消耗了ATP

（糖原合成需消耗能量），糖代謝流發生了轉變。

因此，能荷對糖代謝的調劑是方向性的。

2.生物素的調劑

生物素對糖代謝的調劑與能荷的調劑是不同的，后者是

對糖代謝流的調劑，而前者（生物素）的要緊作用是對糖降解

速率的調劑，通常生物素能夠促進糖的EPM途徑，對TCA循

環也有促進作用，對糖的HMP途徑也有促進作用，然而，對

上述三條途徑的促進作用的大小卻不同，對