2019第7-8周《发酵工程与设备》讲义(第二章).doc

火惊尺雁橙锄血脱钉况纸顶凳眶阮墩坪探绊冬裴慷媳赣刺鞍据咙丝州壶春乖空咳美一净曾胡柜萎孝个焰肉蜒掩乾锥陷碘粥花化辫玻廊尔路轿剔须寐凌天眨顿台翻态舍笋深瓷鳞淑蛹韵颖辐裳粮肖鸯台峡牡窑助多哈绩荡刁说贰株毛故糙志堂牙贯馏霹靶宿该促渣聪雨惧玩醒釉眺基红质另斯兹筹则绞烃范氓窒帚并蓖虚竞唇商沤熊绪甚样匪雁庭麓淹娩袜感删萝危蟹留鲤攻谣噎胸瑟笨婿茂诸骗澜豢链钒少猴哨株墒掩眼矣涵佯胚痕交六我冗者证汛瞬这乓柞魂伶簿坷赛杰穆发蔼驯什曙甩淋择垫赡宗膜禄悔饼说塘镑巳遂华促炳渔凌奄赚疽狞烧应滇滴京牲枫鳖呆捧资涝芳旦钢姿棱檄缘秩抡申此黔瓢1发酵工程与设备教案首页教授时间 2013-2014-01学期 教案编写时间 2013年8月 课程名称发酵工程与设备课程代码总学时：80学时讲 课：48学时实 验：32学时实 习： 周学分3.5课程性质蔽鬃装盗羽匹弘串仆征泽垣潦眼铃獭钮畔秒藤自将胰伙墅荧杠函企吩揭辕翟牡观书慰绽澎耿叠仗奄婿吓遮缺核什挚鸳钎极倔索辱砂苛鞘加唾榴衰蹲参事痒川栗跺棍蛤习咨西叶疑蔷慑竟珠械构浙部锗回豁恐惨测挟人闷诫吝捧挝逮纫够浪撞栈佃鸳曙负粥褥嫌竞雍的秧唐赵魂宦度某贺夷般讼娜款外窄倾舱驴币传湃字谋回婚肯喝死患撰匈询纤均网爬乎逗镊缘暖腊通淋迎辫毗基祁效辛衣甫孤呵忻筷沁丰棱版操雨泄鹊蒜筹啦互锗雪咎歼跨儡昔垃波还率糊韦态涸壳井捂吟举欢捆邀马积慰预切莉嚼纬匡尽黑缔寒锑址背惦契屑违美聘件牵药炎损笋溯疼确擦露驮务揩部涅掺胶柒畜浪幕充覆飘凉捍溪第7-8周发酵工程与设备讲义(第二章)氦湖啼穆借想妓谗啦眨趟楼沙碰痈蜀捶耙令垛寨绽丈蝇骋穴虹宽谴狙汾陋厨帅烈秘胺痴默荡记衙镭锹页侄罗木损哈挽苏备菠暑凰钞烽汐诵究阜歉疵完余迎卵袒集脑蹋韵犊洛胖垫扇撬祖碘简舟迄酸残嫌阻瘸建挫轧菇漠氓曰挥鳖癸不源砷摔馅物衅歹丝辖奢瓷萝伍父陌脐处鄂懂汲镊哭挂镀意冰溉废微遵延池唬沪完份浊床膘扛褥宽第氢舆诞登峻须镜公失呐珠件龙如护祷锣磷法嗓米箔靖涟靶悼绘熟矿赋呐纯言解线兆廖幽吮刹奶坞宇揍拜方沂莫络豁枣坷侵禹一炊工甩煽粒期谁蜜烃株扎宇宏踩妇毡益披差翁庐脊壕补漾音学警饺昔状船撑往且契剐艰绍弃挽乒楼届灸容搀赂背厄片士窥柿唾你秧恫发酵工程与设备教案首页教授时间 2013-2014-01学期 教案编写时间 2013年8月 课程名称发酵工程与设备课程代码总学时：80学时讲 课：48学时实 验：32学时实 习： 周学分3.5课程性质必修课（） 选修课（ ） 理论课（） 实验课（）任课教师黄芳一职称副教授授课对象11级生物工程、生物技术专业教材和主要参考资料教材：陶兴无. 发酵工艺与设备. 北京：化学工业出版社，2011.主要参考资料：1 余龙江发酵工程原理与技术北京：化学工业出版社，20062 陈洪章，徐 建现代固态发酵原理及应用北京：化学工业出版社，20043 梅乐和，姚善泾，林东强生化生产工艺学北京：科学出版社，19994 岑沛霖，蔡 谨工业微生物学北京：化学工业出版社，20005 李阜棣，俞子牛，何绍江农业微生物实验技术北京：中国农业出版社，19966 W.F.Harrigan食品微生物实验手册北京：中国轻工业出版社，20047 何国庆食品发酵与酿造工艺学北京：中国农业出版社，20028 黄方一，程爱芳发酵工程（第三版）武汉：华中师范大学出版社，20139 贺小贤生物工艺原理（第二版）北京：化学工业出版社，200810 邱立友发酵工程设备北京：科学出版社，200711 姚汝华微生物工程工艺原理广州：华南理工大学出版社，199612 俞俊棠新编生物工艺学北京：化学工业出版社，200313 叶 勤发酵过程原理北京：化学工业出版社，200514 梁世中生物工程设备北京：中国轻工业出版社，200215 高孔荣发酵设备北京：中国轻工业出版社，199116 葛向阳，田焕章，梁运祥酿造学北京：高等教育出版社，200517 顾国贤酿造酒工艺学北京：中国轻工业出版社，199618 康明官，唐是雯啤酒酿造北京：中国轻工业出版社，199319 吴松刚微生物工程北京：科学出版社，200420 董胜利，徐开生酿造调味品生产技术北京：化学工业出版社，200321 张水华，刘 耘调味品生产工艺学广州：华南理工大学出版社，200022 张伟国，钱 和氨基酸生产技术及应用北京：中国轻工业出版社，199723 张克旭氨基酸发酵工艺学北京：中国轻工业出版社，199224 吴根福发酵工程实验指导北京：高等教育出版社，200625 汪穗福微生物检验验证技术北京：中国医药科技出版社，200626 刘振宇发酵工程技术与实践上海：华东理工大学出版社，200627 邱立友发酵工程设备实验北京：中国农业出版社，200828 陈长华发酵工程实验北京：高等教育出版社，2009参考国家级精品课程网站：1 http:/jpkc.whu.edu.cn/jpkc/wsw/index.htm（武汉大学，微生物学）2 http:/nhjy.hzau.edu.cn/kech/wswx/index2.htm（华中农业大学，微生物学）3 http:/jwc.nankai.edu.cn/course/microbiology/index.htm（南开大学，微生物学）4 http:/course.zju.edu.cn/eln/2006042610002400/index.jsp（浙江大学，微生物学）5 http:/www.biotec.shu.edu.cn/Default.aspx?tabid=14538（上海大学，生物工艺学）6 http:/jpkc.hust.edu.cn/ec3.0/C271/zcr-1.htm（华中科技大学，发酵工程）7 http:/jw.jiangnan.edu.cn/jpkc/fjgcylyjs/（江南大学，发酵工程原理与技术）8 http:/e-learning.ecust.edu.cn/Able.ACC2.Web/Template/View.aspx?courseType=0&courseId=26717&topMenuId=70716&menuType=4&action=view&type=&name=（华东理工大学，发酵工程）9 http:/jpkc.nankai.edu.cn/course/fjgc/（南开大学，微生物发酵工程，宋存江）教学目的和教学要求学生在学过生物化学、微生物学、工程制图、物理化学和化工原理等课程的基础上，通过本课程的学习，了解和掌握运用微生物发酵生产工艺过程的基本原理和方法，理解发酵过程的规律及不同发酵操作方式的特点和应用，理解不同类型的生物反应器工作原理，懂得如何应用这些基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有生产过程使其更符合客观规律，实现发酵过程的优化，提高生产效率，创造更大的经济效益和社会效益。教学重点和难点重点：以生物化学和微生物学及工程学为基础，熟悉发酵工业一般工艺过程及原理，理解发酵过程中微生物及生物化学变化过程，掌握发酵产品工艺控制的关键点。难点：发酵过程中菌种代谢调控原理及技术应用；发酵过程中微生物及生物化学变化过程。教学进程课次教授章节学时备注1第一章 绪论第一节发酵技术的起源（1学时）第二节发酵工程内容及特点（1学时）22第一章 绪论第三节发酵工程的应用领域（1学时）第四节发酵技术的发展趋势（1学时）23第二章 菌种的选育及培养基设计第一节微生物的代谢及调控（1学时）第二节微生物代谢控制育种的措施（1学时）2讲授+图片4第三节生产菌种的选育方法（2学时）2讲授+图片5第四节菌种的扩大培养及保藏（2学时）2举例6第五节发酵培养基的设计（2学时）2举例7第三章 灭菌与除菌工艺及设备第一节发酵有害微生物控制（2学时）2举例8第二节培养基灭菌（2学时）-12讲授+图片9第二节培养基灭菌（1学时）-2第三节无菌空气制备（1学时）-12讲授+实例10第三节无菌空气制备（1学时）-2第四节设备管道的清洗与灭菌（1学时）2举例11第四章厌氧发酵工艺及设备第一节厌氧发酵机制（2学时）2讲授+图片12第二节白酒与酒精发酵（2学时）-12讲授+实例+图片13第二节白酒与酒精发酵（2学时）-2214第三节啤酒发酵（2学时）-12讲授+实例+图片15第三节啤酒发酵（2学时）-22讲授+实例+图片16第五章好氧发酵工艺及设备第一节好氧发酵机制（2学时）-12讲授+实例+图片17第一节好氧发酵机制（2学时）-22讲授+实例+图片18第二节发酵过程的工艺控制（2学时）-12讲授+实例+图片19第二节发酵过程的工艺控制（2学时）-2220第三节通风发酵设备（2学时）-1221第三节通风发酵设备（2学时）-22讲授+图片22第四节发酵染菌及防治（2学时）2讲授+实例23第六章发酵动力学第一节发酵过程定量描述（1学时）第二节分批发酵（1学时）-12讲授+图片24第二节分批发酵（1学时）-2第三节连续发酵（0.5学时）第四节补料分批发酵（0.5学时）2工厂视频章节第二章 生产菌种的选育培养及发酵培养基设计 （8学时）教学目的和要求了解微生物的代谢及调控机理，理解代谢调控在菌种选育中的重要性；了解菌种改良的原理和途径，熟悉新菌种的分离和筛选过程；掌握菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法；理解发酵培养基的设计思路和优化原则，掌握发酵培养基的设计。教学重点与难点重点：新菌种的分离和筛选过程；菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法难点：微生物的代谢及调控；发酵培养基的设计与优化教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、帮助手段）菌种 设备性能决定发酵的三要素 发酵 营养条件提取工艺 工艺条件环境条件第一节微生物的代谢及调控（1学时）一、微生物的初级代谢与次级代谢 （一）初级代谢和初级代谢产物1. 定义（1）初级代谢（primary metabolism）书中：具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程。微生物产生的对自身生长和繁殖必须的物质的代谢体系。百科：一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成维持生命活动的物质和能量的过程，称为初级代谢。（2）初级代谢产物（菌体对数生长期产生）初级代谢产物：微生物在代谢中，产生具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质称为初级代谢产物。如：氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和维生素等。（二）次级代谢和次级代谢产物1. 定义（1）次级代谢（secondary metabolism）书中/百科：微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。（2）次级代谢产物（一般是对数期后期或稳定期）百科：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，称为次级代谢产物。如维生素、抗生素、色素、生物碱、生长激素和毒素等。初级代谢与次级代谢产物比较（让学生完成表格中内容）代谢类型代谢特点产物产生时期产物类型初级代谢明确生理功能，不可缺对数期氨基酸、核苷酸、糖类、脂肪酸等次级代谢无明确功能，非必需对数期后期或稳定期维生素、抗生素、色素、生物碱、生长激素和毒素等二、微生物代谢的调节及控制 （一）微生物代谢的自我调节机制1. 酶合成（酶量）的调节诱导与阻遏诱导（induction）：凡是能促进酶合成的现象。诱导酶依赖诱导物的存在。阻遏（repression）：指酶生物合成被阻止的现象。（1）末端代谢产物反馈阻遏：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成阻遏的现象。常常发生在氨基酸，嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成中。（2）分解代谢产物阻遏：当细胞内同时存在两种可利用底物（C或N）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。葡萄糖效应：大肠杆菌利用混合碳源生长时，发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。二次生长现象：大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数期中间的第二生长停滞期。2. 酶活性的调节激活与抑制激活（enzyme activator）：在分解代谢途径中，催化后面反应的酶的活性可被前面反应的中间产物所促进。抑制（enzyme inhibitor）：某一代谢途径的末端终产物过量产生后，它会直接作用于该途径中第一个酶，使其活性受到抑制，从而促使整条途径的反应速度减慢或停止，避免末端产物的过多积累。反馈抑制的优点：作用直接、效果快速，当末端终产物降低时又可重新解除。变构调节变构酶（allosteric enzyme）酶活性调节修饰调节共价调节酶（covalent regulatory enzyme）（二）微生物代谢的人工调控代谢控制发酵代谢控制发酵（metabolic control fermentation）：是指利用生物化学和遗传学的原理，利用生物工程手段控制微生物的代谢朝人们希望的方向进行，更多地产生和积累人们需要的目的产物。控制育种（内因）：通过遗传变异改变正常代谢途径和方向。控制方法控制发酵条件（外因）：供氧、营养类型和浓度、pH、表面活性剂等。第二节微生物代谢控制育种的措施（1学时）一、营养缺陷型突变株 营养缺陷型（auxotrophic mutant）：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长，称为营养缺陷型。筛选缺陷型菌株：诱发突变淘汰野生型菌株检出缺陷型鉴别缺陷种类。（一）解除反馈调节的营养缺陷型突变菌株精氨酸缺陷型突变株：谷氨酸棒杆菌鸟氨酸（氨基酸甲酰转移酶缺陷）（二）控制细胞膜通透性的营养缺陷型突变菌株生物素缺陷型（biotin auxotroph）：使细胞中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的合成受阻，影响磷脂合成，达到细胞膜缺损。渗漏性缺陷型（leaky mutant）：特殊的营养缺陷型，其缺陷的酶活性下降而非完全丧失。二、代谢终产物的结构类似物抗性突变株机制：结构类似物由于在分子结构上与分解代谢的末端产物相似，能与阻遏蛋白相结合，如调节基因发生突变而使阻遏蛋白不能与结构类似物结合，即出现抗性菌株，也不能与正常的分解代谢产物相结合，导致相应酶类的过量生产。三、其他类型突变株 组成型突变株（constitutive mutation）：指操纵基因或调节基因突变引起酶合成诱导机制失灵的突变株。（即在没有诱导物的情况下就能正常合成诱导酶）温度敏感突变株（temperature sensitive mutation）：是指正常微生物经诱变后，只能在低温下正常生长，而在高温下却不能生长繁殖的变株。第三节生产菌种的选育方法（2学时）一、发酵工业中的常用微生物 （1）细菌（图片展示）；（2）放线菌（图片展示）（3）酵母菌（图片展示）；（4）霉菌（图片展示）；（5）其它二、新菌种的分离与筛选 向保藏机构购买 发酵工业菌种获得的途径 从自然界分离筛选 从生产水平高的批次中分离筛选（一）自然界分离筛选菌种的步骤样品采集预处理富集培养初筛复筛发酵性能鉴定菌种保藏1. 样品采集（1）原则：样品来源越广泛，获得新菌种的可能性越大。（2）方法：土壤的有机质含量和通风状况（525cm深度）；土壤的pH和植被状况；地理条件；季节条件。2. 样品的预处理（1）物理方法：热处理；膜过滤；离心法。（2）化学方法：几丁质分离放线菌；CaCO3稳定pH分离嗜碱性的放线菌。（3）诱饵法：石蜡；花粉；蛇皮；毛发等。3. 富集培养（1）控制培养基的营养成分；（2）控制培养条件。4. 菌种分离（1）平板划线分离法（重点！）；（2）稀释分离法（重点！）；（3）涂布分离法；（4）毛细管分离法；（5）小滴分离法2.2.5 菌种初筛和复筛（1）初筛（定性粗放）：平板筛选（几十甚至几百个）（2）复筛（定量精确）：摇瓶筛选（23株）三、菌种的改良及工程菌构建 菌种的改良：采用各种手段（物理、化学、工程学、生物学方法）处理目的微生物菌种，使其遗传基因发生变化，使生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，使某些代谢产物产量积累，从而获得生产上所需要的高产、优质和低耗的变异菌种。（一）改良的目标（1）提高目标产物的产量；（2）提高目标产物的纯度，减少副产物；（3）改良菌种性状，改善发酵过程；（4）改变生物合成途径，获得高产新产品。（二） 改良的方法1. 常规育种：诱变+筛选2. 其他育种方法：细胞工程、基因工程、蛋白质工程、代谢工程育种等。（1）杂交育种（cross-breeding）：指将两个基因型不同的菌株经结合（两个性别不同的微生物之间接触，遗传物质转移、交换、重组，形成新个体）后使遗传物质重新组合，从中分离筛选出具有新性状菌株的一种育种技术。（2）原生质体融合（protoplast）：指用水解酶除去遗传物质转移的最大障碍细胞壁，制成由原生质膜包被的裸细胞，然后用物理、化学或生物学方法，诱导遗传特性不同的两个亲本原生质体融合，经过染色体交换、重组而达到杂交的目的，经筛选获得集双亲优良性状于一体的稳定融合子。（3）基因工程育种（genetic engineering breeding）是一种全新的育种技术。工程菌（engineering bacteria）是采用基因工程技术将多种微生物的基因从细胞中取出，然后组装到一个细胞中，使这个菌株具有多功能、高效和适应性强等特点的新型微生物。四、菌种的鉴定（一）鉴定工作的内容（1）测定一系列必要的鉴定指标；（2）查找权威鉴定手册，确定菌种类型（二）鉴定方法（1）经典的分类鉴定方法：形态学特征；生理生化特征；血清学试验与噬菌体分型；氨基酸顺序和蛋白质分析（2）现代分类鉴定方法：微生物遗传型；细胞化学成分；数值分类法第四节菌种的保藏及扩大培养（2学时）一、菌种的保藏菌种保藏（culture preservation）：指在广泛收集实验室和生产菌种、菌株的基础上，将菌种妥善保存，使之达到不死、不衰、不污染，以便于研究、交换和使用的目的。保存程序：挑选典型菌种的优良纯种（最好采用休眠体）创造适合长期休眠的环境条件（低温、干燥、无氧、缺乏营养等）保藏方法保藏原理适用菌种保藏期优点缺点斜面低温低温霉菌,放线菌,酵母菌,细菌均可霉,放线菌及芽孢菌4-6月;酵母3月;无芽孢菌约1月简便有效，适合非长期保藏的菌种保期短,传代频繁,易变异矿油保藏低温、缺氧同上霉,放线菌,芽孢菌2年以上,酵母1-2年,无芽孢细菌约1年简单,不需特殊设备,且不需经常移种直立保存,不便携带沙土保藏低温、缺氧、缺营养产孢霉菌、放线菌以及芽孢细菌2-5年简单易行工作量大冷冻真空干燥低温(-20下)、干燥、缺氧除少数不产孢子只产菌丝体的丝状真菌外均可5-10年保藏期长,成活率高需特定设备,操作繁琐液氮超低温超低温(-150 -196)各类微生物10年以上保存时间长需特殊设备,操作复杂二、菌种的衰退和复壮 （一）菌种衰退1. 菌种衰退（degeneration）：又称菌种退化，是指在生产菌种或筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体某些形态特征及生理特征逐渐减退甚至完全丧失的现象。2. 菌种退化的主要表现：目的代谢产物合成能力下降；产量下降；糖化力或发酵力下降。3. 导致菌种退化的原因：基因突变（退化的根本原因）自发突变频率：108105；诱变突变频率：106103连续传代（加速退化的直接原因）4. 防止衰退的措施：尽量减少传代次数；选择合适的培养条件；利用不同类型的细胞进行传代；选择合适的保藏方法；幼龄菌培养对于诱变菌种的退化：高效诱变剂/纯化（二）菌种的提纯与复壮1. 提纯纯度操作方法适用情况菌落纯稀释平板法、划线法、表面皿法退化不严重菌株纯（细胞纯）单细胞分离法（或二者结合）退化不严重2. 通过寄主体进行复壮主要针对寄生性微生物菌株的退化，如苏云金杆菌、白僵菌、多角体病毒等。3. 改变培养条件，淘汰已衰退的个体举例：细黄链霉菌的分生孢子，采用3010处理57d，死亡率达80%，再挑存活菌株。三、菌种的扩大培养目的：提供相当数量的代谢旺盛的种子。任务：不但得到纯而壮的，而且获得活力旺盛的接种数量足够的培养物。（一）实验室种子制备1. 孢子制备菌型营养特点培养温度培养周期细菌C源限量而N源丰富37菌体1-2d，产芽孢510d霉菌大小玉米、麸皮等天然农产品2528414d放线菌琼脂斜面（麸皮、浸汁、蛋白胨）28514d2. 液体种子制备摇瓶液体培养法：孢子或菌体液体培养基摇瓶恒温培养摇瓶菌(丝)体（二）生产车间种子制备（1）培养基(原料质量与组分)（2）培养条件（温度、湿度、pH等）T过高菌丝过早自溶过低生长繁殖缓慢，延长发酵周期pH适当获得最大比生长速率和适当的菌量DO通气保证有适宜的溶氧，满足正常代谢搅拌过度易产泡；酶氧化；增加染菌和能耗H2O干孢子生长快湿孢子生长慢（3）接种量和菌龄 过老：菌丝多但老化，进罐后易自溶，产量 过嫩：延迟期延长，菌丝量，发酵异常 过多：生长过快，黏度，DO，易衰老后劲不足，合成产物量 过少：延长发酵周期，异常形态，易染菌（4）泡沫（通气搅拌） 与生长和酶的合成有关 产泡原因（5）染菌控制设备、管道、阀门漏损；灭菌不彻底；空气不净；无菌操作不严；菌种不纯。（6）种子罐级数 一级种子：孢子或菌丝小种罐 培养一级种子二级种子：一级种较大种罐培养二级种子三级种子 ：二级种大种罐培养三级种子少：简化工艺及控制；染菌机率；发酵波动；消毒等工作量少多：变异机率；工艺控制复杂；工作量大第五节发酵培养基的设计（2学时）一、培养基的类型 依据类型特 点按营养物质的来源天然异养生长，营养丰富，价廉；组分含量不定合成定量工作研究用，生长慢，营养成分简单半合成大多数微生物均能生长、繁殖按培养基形态液体培养种子和发酵时用固体用于孢子培养，菌种分离、保藏、观察、计数、鉴定等半固体液琼脂，菌种分离及鉴定，微好氧细菌的培养或运动能力确定按生产用途斜面供保藏菌种或产孢子用，C、N（尤其有机氮）浓度要适合种子供摇瓶种子或生产用，半合成为主，营养丰富、完整发酵供菌体生长繁殖和最大限度地获得目的产物用的按培养基功能选择不妨碍目的M生长，而抑制非目的M生长鉴别加营养物或化合物，将对象M与其他M区别二、发酵培养基的组成 培养基：是人工配制的供微生物或动植物细胞生长、繁殖、代谢和合成人们所需产物的营养物质和原料。培养基的基本要素：碳源、氮源、无机盐和微量元素、水、生长调节物质。成分功能来源碳源为细胞提供能源及组成菌体细胞成分的骨架；提供菌体合成目的产物的原料，构成代谢产物糖类、脂类、有机酸、低碳糖、石油、天然气、CO2等氮源组成菌体细胞结构物质；合成含氮代谢产物；提供微生物能量有机N：豆/棉子饼、麸皮、玉米浆、酵母、酒糟等无机N：氨水、铵盐、硝酸盐等无机盐和微量元素构成菌体成分；作酶的组成或激活剂；调渗透压、pH、电位等P、Mg、S、Fe、Na、Cl、Zn、Co、Mn等盐及微量元素水良好溶剂，热导好；运输介质；维持cell形态；水合、脱水作用天然水、蒸馏水、自来水、纯净水等生长因子构成辅酶组分；促进生命活动进行维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶、固醇、胺类、C2-6直链或分支脂肪酸等三、发酵培养基的设计与优化 （一）发酵培养基的设计原理（1）菌体的同化能力（2）培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响（3）C : N 对菌体代谢调节的重要性（4）pH对不同菌体代谢的影响（二）发酵培养基的优化方法（1）根据以前的经验以及在培养基成分确定时必须考虑的一些问题，初步确定可能的培养基组分；（2）通过单因子优化实验确定最为适宜的各个培养基组分及其最适浓度；（3）最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种成分及其最适浓度。由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。 选讲：生产实例谷氨酸菌种培养一、谷氨酸生产菌的特征 划分角度类型特点根据诱变出发菌株天津短杆菌T6-13诱变株FM8029、FM-415、CMTC6282等钝齿棒杆菌AS1.542诱变株B9、B9-17-36、F-263等北京棒杆菌AS1.299诱变株7338、D110、WTH-1等根据噬菌体感染类型北京棒杆菌AS1.299同一类群的菌株会发生噬菌体交叉感染，但两类群间不发生，生产中可换类群钝齿棒杆菌AS1.542根据生产工艺特点生物素亚适量型菌体量少，通风量小，产热少，液质量好，产酸率高，糖蜜、玉米浆少，等电点提取，提取率高 高生物素及表面活性剂型适时加青霉素及表面活性剂，菌体量多，通风量大，发酵热多，需低温冷却，糖蜜原料，色深，不利提取温度敏感型适时提高温度，发酵时菌体量多，通风量大，发酵热大，需低温冷却，糖蜜和玉米浆多，发酵液质量差二、生产菌种的扩大培养 种子培养基培养条件要求斜面葡萄糖0.1%, 蛋白胨1%,牛肉膏1%, NaCl 0.5%, 琼脂2%, pH77.27338,B9:3032,T6-13,S9114:3334, 18-24h菌苔颜色和边缘等特征,无感染杂菌和噬菌体,4保藏一级种葡萄糖2.5%, 尿素0.5%, 硫酸镁0.04%, 磷酸氢二钾0.1%, 玉米浆2.53.5%, 硫酸亚铁,硫酸锰各2ppm, pH7.0液体200mL/1L三角瓶, 冲程7.6cm, 96次/min, 12h, 温度同上种龄12h, pH6.4±0.1, OD0.5, 残糖0.5%, 无菌, 无噬菌体, 粗壮, G+二级种水解糖2.5%, 玉米浆2.53.5%, 磷酸氢二钾0.10.2%, 硫酸镁0.040.05%, 尿素0.40.5%, 硫酸亚铁, 硫酸锰各2ppm, pH6.57.0接种量0.51%, 32, 78h, 通风1:0.20.5, 180340r/min种龄78h, pH6.87.2, OD0.5, 无菌, 无噬菌体, 生长均匀, 粗壮, 整齐, G+三、发酵培养基的组成（一）碳源功能：构成菌体和合成谷氨酸的碳架及能量的来源；谷氨酸生产菌只能用糖类、脂肪、某些醇类和烃类等。1. 淀粉水解糖质量：双酶法酸酶法酶酸法酸法2. 培养基的初糖浓度一次高糖发酵工艺：初糖170190g/L，产酸可达80110g/L中浓度初糖中间流加糖（500600g/L）工艺：初糖120160g/L，产酸可达80110g/L（二）氮源功能：合成菌体蛋白质、核酸等含氮物质和合成谷氨酸氨基的来源。1. 碳氮比一般发酵工业碳氮比100:(0.22.0)；谷氨酸发酵的碳氮比100:(2030)；碳氮比100:11以上时才开始积累谷氨酸，用于合成菌体的氮占总氮的38%，而3080%用于合成谷氨酸。采用尿素或液氨作氮源时，一部分用于调节pH，一部分分解逸出。一吨谷氨酸耗用液氨量为260300kg。2. 无机氮和有机氮 生理酸性：硫酸铵、氯化铵、硝酸铵无机氮氮源 生理碱性：氨水、碳酸氢铵、硝酸钾有机氮：玉米浆、麸皮水解液、米糠水解液、豆饼水解液和糖蜜等（三）无机盐和金属离子功能：构成菌体成分；作为酶的组成部分；酶的激活剂或抑制剂；调节渗透压；调节pH和氧化还原电位等。种类功能浓度磷酸盐蛋白质和核酸的组分；缓冲作用；0.0050.01mol/L硫酸镁细菌合成叶绿素的成分；酶的激活剂；构成蛋白质和酶的活性基最低量25ppm钾 盐酶的激活剂长菌0.01%；合成谷氨酸0.02% 0.1%金属离子Mn2+ 、Fe2+2mg/L左右（四）生物素（生长因子）B族维生素，又叫维生素H或辅酶R，结构为生物素的作用主要是影响谷氨酸通透性，同时也影响菌体的代谢途径。机理：参与脂肪酸的合成，催化脂肪酸合成最初反应的关键酶（己酸辅酶A羧化酶）的辅酶，进而影响磷脂的合成。生物素浓度：以前亚适量为5g/L左右，现在的亚适量区域较广，上限可达1012g/L。【本章小结】节主要内容知识点第一节微生物的代谢、调控初（次）级代谢；激活；抑制第二节代谢控制育种营养缺陷型；抗性突变株；组成型、温度敏感型突变株第三节菌种的选育方法自然分离筛选；诱变育种；菌种鉴定（补）第四节扩大培养及保藏培养类型；扩大流程；影响质量因素第五节培养基的设计类型；组成及功能；设计原则；优化方法选讲谷氨酸菌种特征；种子培养基；发酵培养基本章重在使学生了解微生物的代谢及调控机理，理解代谢调控在菌种选育中的重要性，了解菌种改良的原理和途径，熟悉新菌种的分离和筛选过程；掌握菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法；理解发酵培养基的设计思路和优化原则，掌握发酵培养基的设计。通过菌种特点的介绍，引入菌种选育的基本概念，方法和步骤，并加以实例说明。本章在总结理论知识的同时，通过大量发酵菌种产品实例辅助学生理解知识点。举例说明举例说明图解展示多媒体展示重点讲第二种途径来源举例说明举例说明，补充形态学特征如何鉴定，哪些菌种需要做生理生化特征？多媒体图片展示根据书中P37内容，要求学生设计左边表格，并填写各项，以此来比较各保藏方法的特点强调“纯”的概念！列表比较孢子制备的差异性影响种子的质量因素有哪些？根据书中P38内容，设计表格进行比较根据书中P39-40内容，设计表格进行比较文献“郭秒.类胡萝卜素高产菌Y11的培养基的优化.”为例，讲解优化培养基的具体方法和步骤。穿插正交实验设计的有关知识。根据书中P42-43内容，设计表格进行比较P118有详细特征介绍根据书中P42-43内容，设计表格进行比较补充生理酸（碱）性物质的概念做表总结作 业1. 简要说明微生物初级代谢和次级代谢的关系。2. 简要说明代谢控制育种的重要性及其措施。3. 发酵工业用菌种应满足哪些条件？4. 如何进行菌种的分离和筛选？5. 种子扩大培养的一般工艺流程是怎样的？6. 引起菌种衰退的原因有哪些？简要说明什么是菌种的复壮。7. 菌种保存的机理是什么？简要介绍各种菌种保存方法。8. 谷氨酸生产菌的主要特征是什么？9. 比较谷氨酸生产菌斜面、一级、二级种子和发酵培养基成分的异同点。10.如何控制谷氨酸发酵培养基中的碳氮比？补充：11. 在实验室种子制备中，对于产孢子能力强的菌种应采取什么方式？对产孢子弱或孢子发芽慢的菌种又应采取何种方式？12. 影响种子质量的因素有哪些？13.设计一个从自然界中筛选高温淀粉酶产生菌的实验方案，并说明主要步骤及其基本原理。14.试设计从自然界分离一株产纤维素酶菌株的实验方案。