生 命 科 学 导 论 第 14 讲 发 酵 工 程
目 录 发 酵 工 程 及 特 点 古 老 的 新 技 术 : 发 酵 技 术 发 展 历 程 发 酵 原 理 : 人 类 如 何 利 用 微 生 物 发 酵 产 品 的 生 产 : 现 代 发 酵 工 业
发 酵 工 程 及 特 点 发 酵 的 概 念 发 酵 工 程 的 特 点
发 酵 的 概 念 发 酵 (Fermentation) 英 文 来 自 拉 丁 语 ferver, 意 思 是 发 泡. 描 述 果 汁 或 谷 物 发 酵 时 产 生 CO 2 的 现 象. 实 际 上, 在 后 来 的 啤 酒 果 酒 生 产 中, 起 泡 现 象 一 直 作 为 重 要 的 直 观 指 标.
发 酵 的 概 念 巴 斯 德 认 为 : 发 酵 是 酵 母 在 无 氧 状 态 下 的 呼 吸 过 程, 是 生 物 获 得 能 量 的 一 种 形 式.
发 酵 的 概 念 现 代 发 酵 定 义 : 利 用 微 生 物 在 有 氧 或 无 氧 条 件 下 的 生 命 活 动 来 制 造 产 品 的 过 程.
葡 萄 糖 代 谢
发 酵 的 特 点 微 生 物 的 共 性 发 酵 工 程 的 特 点
微 生 物 的 共 性 体 积 小, 面 积 大 吸 收 多, 转 化 快 生 长 旺, 繁 殖 快 适 应 强, 易 变 异 分 布 广, 种 类 多
发 酵 工 程 的 特 点 反 应 条 件 温 和 : 常 温 常 压 原 料 来 源 广 泛 并 无 需 精 制 众 多 反 应 都 在 同 一 发 酵 罐 内 完 成
发 酵 技 术 发 展 历 程 古 代 发 酵 近 代 发 酵 现 代 发 酵
古 代 发 酵 距 今 8000 至 4500 年 前 开 始 ( 中 国 ), 距 今 4000 至 3000 年 前 开 始 ( 外 国 ) 特 点 只 知 现 象, 不 知 本 质 产 品 米 酒 啤 酒
近 代 发 酵 纯 培 养 技 术 的 建 立 巴 斯 德 (Louis Pasteur,1822-1895) 于 1857 年 发 现 了 发 酵 是 由 微 生 物 引 起 的, 从 而 使 传 统 的 经 验 发 酵 变 成 了 一 门 科 学.
巴 斯 德 发 明 的 消 毒 器
毒 法 现 代 化 工 厂 仍 采 用 巴 氏 消
人 们 心 中 的 巴 斯 德
近 代 发 酵 纯 培 养 技 术 的 建 立 布 雷 费 尔 德 (Brefeld) 于 1872 年 创 立 了 霉 菌 纯 培 养 技 术. 丹 麦 科 学 家 汉 逊 (Hansen)1878 年 创 立 了 酵 母 纯 培 养 技 术 德 国 科 学 家 科 赫 (Robert Koch,1843-1910) 于 1881 年 创 立 了 细 菌 纯 培 养 技 术.
近 代 发 酵 纯 培 养 技 术 的 建 立 上 述 技 术 突 破, 人 们 可 以 控 制 发 酵 进 程, 从 而 使 发 酵 技 术 从 天 然 发 酵 走 向 纯 种 发 酵. 完 成 了 发 酵 技 术 的 第 一 次 转 折. 主 要 产 品 : 酒 精 甘 油 丙 酮 - 丁 醇
现 代 发 酵 通 气 搅 拌 发 酵 代 谢 控 制 发 酵 基 因 工 程 菌 发 酵
通 气 搅 拌 发 酵 英 国 科 学 家 弗 莱 明 (A.Fleming),1929 年 发 现 了 青 霉 素 英 国 科 学 家 弗 洛 里 (Haward.Flory) 和 钱 恩 (E.B.Chain) 精 制 分 离 出 青 霉 素 (1940 年 ) 第 二 次 世 界 大 战 对 青 霉 素 的 急 切 需 求 推 动 了 工 业 化 生 产 (1944 年 ) 技 术 关 键 无 菌 空 气 制 备, 通 风 搅 拌 发 酵 代 表 产 品 青 霉 素 意 义 完 成 了 发 酵 技 术 的 第 二 次 技 术 转 折
代 谢 控 制 发 酵 代 谢 控 制 发 酵 1959 年 木 下 祝 郎 发 明 了 用 微 生 物 发 酵 发 生 产 谷 氨 酸. 味 精 的 分 子 式 为 : HOOC-(CH 2 ) 2 CHNH 2 COONa.H 2 O 技 术 特 点 从 DNA 分 子 水 平 上 控 制 ( 无 定 向 诱 变 ) 微 生 物 代 谢 途 径, 进 行 最 合 理 代 谢. 该 技 术 的 发 展 完 成 了 发 酵 技 术 的 第 三 次 转 折. 代 表 产 品 : 氨 基 酸 核 苷 酸 等
基 因 工 程 菌 发 酵 1970S 以 来 基 因 工 程 技 术 的 飞 速 发 展, 为 发 酵 工 程 技 术 插 上 了 腾 飞 的 翅 膀, 人 们 可 以 定 向 改 变 生 物 的 性 状 和 功 能, 创 造 新 的 物 种, 是 发 酵 工 业 能 够 生 产 出 超 出 自 然 界 微 生 物 所 不 能 合 成 的 产 物. 技 术 特 点 : 可 定 向 改 造 生 物 基 因, 按 人 们 的 意 志 生 产 产 品. 意 义 : 将 引 起 发 酵 工 程 的 技 术 革 命. 产 品 : 人 生 长 素, 干 扰 素, 疫 苗
发 酵 原 理 与 机 制 黄 色 短 杆 菌 赖 氨 酸 的 合 成 与 调 节 机 制 细 胞 膜 通 透 性 的 改 造 发 酵 中 如 何 控 制 关 键 条 件
回 忆 一 个 概 念 反 馈 抑 制 : 代 谢 途 径 的 末 端 产 物 ( 即 终 产 物 ) 过 量 时, 这 个 产 物 反 过 来 直 接 抑 制 该 途 径 第 一 个 酶 的 活 性, 使 整 个 反 应 过 程 减 慢 或 停 止.
反 馈 抑 制
协 同 反 馈 抑 制 分 支 代 谢 途 径 中 的 几 个 末 端 产 物 同 时 过 量 时 才 能 抑 制 共 同 途 径 中 的 第 一 个 酶 的 一 种 反 馈 调 节 方 式. 单 独 一 种 产 物 过 量 并 不 能 引 起 抑 制 作 用.
协 同 反 馈 抑 制
黄 色 短 杆 菌 生 物 合 成 调 节 机 制 Lys
三 羧 酸 循 环
黄 色 短 杆 菌 生 物 合 成 Lys 调 节 机 制 酶 3 活 性 比 酶 2 高 15 倍, 代 谢 优 先 生 成 高 丝 氨 酸 酶 4 活 性 比 高 丝 氨 酸 激 酶 高, 代 谢 优 先 向 蛋 氨 酸 方 向 进 行 蛋 氨 酸 过 量 反 馈 阻 遏 酶 4,3 的 合 成 异 亮 氨 酸 过 量 反 馈 抑 制 酶 5 的 活 性 苏 氨 酸 过 量 反 馈 抑 制 酶 3 的 活 性, 并 且 与 过 量 赖 氨 酸 协 同 抑 制 酶 1 的 活 性
积 累 赖 氨 酸 的 菌 株 特 性 通 过 基 因 突 变 使 酶 3 失 去 活 性, 切 断 向 苏 氨 酸 方 向 的 代 谢 流 在 培 养 液 中 加 入 限 制 量 的 高 丝 氨 酸 ( 或 苏 氨 酸 和 蛋 氨 酸 )
细 胞 膜 通 透 性 的 改 造 用 能 积 累 谷 氨 酸 菌 株 做 如 下 实 验 : 生 物 素 充 足 时, 细 胞 内 含 大 量 谷 氨 酸, 但 培 养 液 里 几 乎 不 含 谷 氨 酸. 用 溶 菌 酶 消 化 细 胞 壁 得 到 的 原 生 质 体 仍 不 分 泌 谷 氨 酸. 当 把 原 生 质 体 放 入 低 渗 溶 液 里, 将 其 涨 破, 谷 氨 酸 才 排 出. 生 物 素 亚 适 量 时, 培 养 液 里 含 大 量 谷 氨 酸, 细 胞 里 含 量 少.
结 论 谷 氨 酸 的 分 泌 是 由 细 胞 膜 控 制 细 胞 膜 的 结 构 怎 样?
磷 脂 分 子 形 成 细 胞 膜
磷 脂 分 子 结 构 式
生 物 素 缺 陷 型 可 分 泌 谷 氨 酸 营 养 缺 陷 型 : 微 生 物 因 突 变 不 能 合 成 某 种 必 需 生 长 因 子, 需 外 加 该 因 子 才 能 生 长 的 菌 株. 如 高 丝 氨 酸 营 养 缺 陷 型. 生 物 素 是 脂 肪 酸 合 成 最 初 反 应 关 键 酶 的 辅 酶, 生 物 素 缺 陷 型 菌 株 不 能 合 成 生 物 素, 通 过 控 制 生 物 素 亚 适 量, 使 磷 脂 合 成 不 完 全 而 导 致 细 胞 膜 渗 漏. 从 而 使 谷 氨 酸 分 泌 到 细 胞 外
发 酵 工 艺 发 酵 工 艺 流 程 发 酵 工 艺 主 要 组 成 部 分 微 生 物 生 长 得 数 学 模 型
发 酵 工 艺 流 程
发 酵 工 艺 组 成 部 分 培 养 基 制 备 种 子 培 养 发 酵 罐 产 物 的 提 取 精 制 无 菌 空 气
微 生 物 的 营 养 元 素 水 平 :C H O N P S Cl K 化 合 物 水 平 C: 糖, 脂, 有 机 酸, 醇, 烃 等 N: 氨 基 酸, 蛋 白 质, 尿 素 等 O: 溶 解 氧 P,S,Cl,K 等 : 主 要 来 自 含 该 元 素 的 无 机 盐.
原 料 水 平 C: 葡 萄 糖, 蔗 糖, 淀 粉, 糖 蜜, 天 然 气, 乙 酸, 乙 醇 及 氨 基 酸 和 蛋 白 质 类 物 质 等. N: 各 种 氨 基 酸, 蛋 白 胨, 酵 母 粉, 鱼 粉, 豆 饼 粉, 麦 皮, 尿 素, 硝 酸 胺 等. O: 空 气 或 氧 气 等. P,S,Cl,K 等 :K 2 HPO 4,KH 2 PO 4,NH 4 Cl,MgSO 4.
好 氧 发 酵 的 氧 为 何 如 此 重 要 氧 是 一 种 难 溶 气 体, 在 标 准 条 件 下, 空 气 中 的 氧 在 纯 水 中 的 溶 解 度 为 0.25mol/m 3 左 右 对 于 菌 体 浓 度 为 10 15 个 / 的 发 酵 液, 假 定 每 个 菌 体 的 体 积 为 10-16 m 3 ( 直 径 为 5.8μ), 细 胞 呼 吸 强 度 为 2.6*10-3 molo 2 /(kg 干 细 胞 s), 菌 体 密 度 为 1000kg/m 3, 含 水 量 为 80%, 则 每 立 方 米 发 酵 液 的 需 氧 量 为 :
2.6 10-3 10-16 10 15 1000 0.2 =0.052molO 2 /m 3 S =187.2 molo 2 /m 3 h 在 1 小 时 里 菌 体 的 需 氧 量 是 溶 解 量 的 750 倍 因 此, 溶 解 氧 的 供 给 常 常 是 好 氧 发 酵 的 限 制 性 因 素
微 生 物 生 长 的 化 学 计 量 对 产 黄 青 霉 以 葡 萄 糖 和 NH 3 为 原 料 进 行 通 气 培 养, 经 测 得 菌 体 的 元 素 组 成 为 CH 1.92 O 0.61 N 0.16, 只 与 菌 体 生 长 有 关 的 葡 萄 糖 消 耗 转 化 系 数 为 Y=88 6g 菌 体 /mol 葡 萄 糖. 菌 体 生 长 原 料 消 耗 的 计 量 关 系 C 6 H 12 O 6 +NH 3 +O 2 CH 1.92 O 0. 61 N 0.16 +CO 2 +H 2 O 求 出 1 摩 尔 C 对 应 菌 体 所 含 元 素 总 摩 尔 数 ( 相 当 于 分 子 量 ) 为 12+1 1.92 +16 0.61+14 0.16=25.92 Y=88.6g 菌 体 /mol 葡 萄 糖 =3.42mol 菌 体 /mol 葡 萄 糖 然 后 按 顺 序 配 平 C,N,H,O C 6 H 12 O 6 + 0.55NH 3 + 2.39O 2 3.42CH 1.92 O 0. 61 N 0.16 + 2.58CO 2 + 3.54H 2 O
微 生 物 生 长 的 数 学 模 型 假 设 发 酵 微 生 物 是 细 菌 ( 分 裂 方 式 为 一 分 为 二 ), 发 酵 刚 开 始 细 胞 浓 度 为 X 0, 在 一 小 时 内 有 部 分 细 胞 分 裂. 设 分 裂 细 胞 的 分 率 为 µ,1h 分 裂 的 细 胞 数 为 µx 0. 经 1 小 时 后 细 胞 的 浓 度 为 X 1 : X 1 =µx 0 +X 0 =X 0 (1+ µ)
经 2 小 时 后 细 胞 的 浓 度 为 X 2 : X 2 =X 1 (1+ µ)=x 0 (1+ µ) 2 经 t 小 时 后 细 胞 的 浓 度 为 Xt: Xt=X 0 (1+ µ) t
我 们 把 一 小 时 分 成 ξ 个 无 穷 小 的 单 位 时 间, 则 在 一 个 无 穷 小 的 时 间 单 位 内 分 裂 的 细 胞 的 分 率 为 ε=µ/ ξ, 并 且 有 : X 1 =X 0 (1+ ε) X 2 =X 1 (1+ ε)=x 0 (1+ ε) 2
X 1 =X 0 (1+ ε) ξ (1+ε) ξ =(1+ µ) Xt=X 0 (1+ ε) ξt =X 0 ((1+ ε) 1/ ε ) µt
Lim( 1+ ε) 1/ ε =e ε 0 Xt=X 0 e µt dx/dt=x 0 de µt /dt= µ X 0 e µt = µx 实 际 生 长 比 速 dx/xdt= µ-kx
解 上 述 微 分 方 程, 设 U=1/X 得 du/dt+ µ U=k 求 解 得 1/X=A e -µt +k/µ 边 界 条 件 t=0,x=x 0 解 得 X= k/µ/(1+((k/µ -X 0 )/X 0 )e- µt)
思 考 题 基 本 概 念 : 发 酵, 反 馈 抑 制, 营 养 缺 陷 型. 发 酵 工 程 的 特 点 及 微 生 物 的 共 性. 发 酵 工 程 发 展 的 四 个 阶 段 技 术 特 点 和 代 表 产 品. 发 酵 工 程 由 那 几 个 主 要 部 分 组 成? 为 什 么 氧 的 供 给 常 常 是 好 氧 发 酵 的 限 制 因 素?