第八章 发酵过程 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应 过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、 生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。微生物发酵的生产水平不仅取决于生产 菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出 来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培 养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的 代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时， 为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定 随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中 的培养温度 pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产 物合成的优化环境之中。 第一节 发酵过程的代谢变化规律 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等） 和产物形成速率三者间的关系。 了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对 基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。 代谢曲线：代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培 养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图， 就成为所说的代谢曲线。发酵过程按进行过程有三种方式： （1）分批发酵(Batch fermentation) （2）补料分批发酵(Fed-batch fermentation) （3）连续发酵(Continuous fermentation) 本节主要介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的 代谢特征。 一、分批发酵 1、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧 气、消泡剂及控制 pH 的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基 成分减少，微生物得到繁殖。 2、分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时
第八章 发酵过程 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应 过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、 生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。微生物发酵的生产水平不仅取决于生产 菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出 来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培 养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的 代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时， 为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定 随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中 的培养温度 pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产 物合成的优化环境之中。 第一节 发酵过程的代谢变化规律 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等） 和产物形成速率三者间的关系。 了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对 基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。 代谢曲线：代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培 养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图， 就成为所说的代谢曲线。发酵过程按进行过程有三种方式： （1）分批发酵(Batch fermentation) （2）补料分批发酵(Fed-batch fermentation) （3）连续发酵(Continuous fermentation) 本节主要介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的 代谢特征。 一、分批发酵 1、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧 气、消泡剂及控制 pH 的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基 成分减少，微生物得到繁殖。 2、分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时
间而变化，是一个不稳定的过程。 3、分批发酵的优缺点 优点： ⚫ 操作简单； ⚫ 操作引起染菌的概率低。 ⚫ 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点： 非生产时间较长、设备利用率低。 4、分批发酵的生长曲线 单细胞微生物的生长曲线 （2）丝状真菌的生长曲线 在液体振荡培养(或深层通气培养)中，以菌丝干重作为衡量生长的指标，可 获得如图所示的生长曲线。在静止培养中也可获得类似的生长曲线。 丝状真菌的生长过程大致可分为；①生长延滞期；②迅速生长期；③衰退期。 ①生长延滞期 造成生长延滞的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的延滞期，另一种是生 长已开始但却无法测量。对真菌的生长延滞期尚未作过仔细研究。 ②迅速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直线关系。因为真菌不是单细 胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而没有对数生长期。真菌的生长常表现为菌丝 尖端的生长和菌丝的分枝，因此受到邻近细胞竞争营养物质的影响。尤其在静止 培养时，许多菌丝在空气中生长，必须从邻近的细胞吸收营养物质供生长需要， 在迅速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物如酸类 可出现或不出现。静止培养时，在迅速生长期的后期的菌膜上格出现孢子。 ③衰退期 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。一般是在一短期内失重很快， 以后不再变化。但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生的酶类催化几 丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合 物等。处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生质比较稠密均匀外， 大多数细胞都出现大的空泡。 生长的停止由以下两种因素之一所决定。在高浓度培养基中，可能是因为有 毒代谢产物的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机
间而变化，是一个不稳定的过程。 3、分批发酵的优缺点 优点： ⚫ 操作简单； ⚫ 操作引起染菌的概率低。 ⚫ 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点： 非生产时间较长、设备利用率低。 4、分批发酵的生长曲线 单细胞微生物的生长曲线 （2）丝状真菌的生长曲线 在液体振荡培养(或深层通气培养)中，以菌丝干重作为衡量生长的指标，可 获得如图所示的生长曲线。在静止培养中也可获得类似的生长曲线。 丝状真菌的生长过程大致可分为；①生长延滞期；②迅速生长期；③衰退期。 ①生长延滞期 造成生长延滞的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的延滞期，另一种是生 长已开始但却无法测量。对真菌的生长延滞期尚未作过仔细研究。 ②迅速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直线关系。因为真菌不是单细 胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而没有对数生长期。真菌的生长常表现为菌丝 尖端的生长和菌丝的分枝，因此受到邻近细胞竞争营养物质的影响。尤其在静止 培养时，许多菌丝在空气中生长，必须从邻近的细胞吸收营养物质供生长需要， 在迅速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物如酸类 可出现或不出现。静止培养时，在迅速生长期的后期的菌膜上格出现孢子。 ③衰退期 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。一般是在一短期内失重很快， 以后不再变化。但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生的酶类催化几 丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合 物等。处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生质比较稠密均匀外， 大多数细胞都出现大的空泡。 生长的停止由以下两种因素之一所决定。在高浓度培养基中，可能是因为有 毒代谢产物的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机
酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。多数次生物质，如抗生素等，也是在此 时合成的。在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是 碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性和 培养条件而导。 5、分批发酵的类型 通常有两种分类方式： （1）Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生 成的变化） ①第一类型（生长关联型） 产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产 物形成不分开（见下图）。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵。 其动力学方程为：
酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。多数次生物质，如抗生素等，也是在此 时合成的。在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是 碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性和 培养条件而导。 5、分批发酵的类型 通常有两种分类方式： （1）Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生 成的变化） ①第一类型（生长关联型） 产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产 物形成不分开（见下图）。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵。 其动力学方程为：
②第二类型（部分生长关联型） 产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次 级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰（见下图）。 例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。 其动力学方程为 ③第三类型 产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产 物的形成和初级代谢是分开的（见下图）。如抗生素发酵。 其动力学方程为： （2）Piret's fermentation classification （按照产物生成与菌体生长是否同步） ①生长关联型 (第一类型) 形成与生长有关，如酒精、某些酶等。 ：产物合成的比速率 ：生长关联型产物的形成比例（ 产物 菌体） 或 Q Q P Xdt dP P dt dP g g x / = = = = = + = + Xdt dP P dt dP Q X X = = = Xdt dP P dt dP Q X
②第二类型（部分生长关联型） 产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次 级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰（见下图）。 例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。 其动力学方程为 ③第三类型 产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产 物的形成和初级代谢是分开的（见下图）。如抗生素发酵。 其动力学方程为： （2）Piret's fermentation classification （按照产物生成与菌体生长是否同步） ①生长关联型 (第一类型) 形成与生长有关，如酒精、某些酶等。 ：产物合成的比速率 ：生长关联型产物的形成比例（ 产物 菌体） 或 Q Q P Xdt dP P dt dP g g x / = = = = = + = + Xdt dP P dt dP Q X X = = = Xdt dP P dt dP Q X
其动力学方程为： ②生长无关联型（第二，三类型）产物的形成速度与生长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生素。杀念珠菌素发酵中葡萄糖、DNA、抗生素产量的代谢 变化 A：DNA；B：葡萄糖；C：杀念珠菌素产量 6，分批发酵的分类对实践的指导意 义 从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数 生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期， 并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。7，典型的分批发酵 工艺流程 ：比生长速率（ ） ：菌体生长为基准的产物的率（ ） 产物形成比速率（ ） h Y Q Q Y g g g h L P x P P P x 1 / / / : / − =
其动力学方程为： ②生长无关联型（第二，三类型）产物的形成速度与生长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生素。杀念珠菌素发酵中葡萄糖、DNA、抗生素产量的代谢 变化 A：DNA；B：葡萄糖；C：杀念珠菌素产量 6，分批发酵的分类对实践的指导意 义 从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级 代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数 生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期， 并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。7，典型的分批发酵 工艺流程 ：比生长速率（ ） ：菌体生长为基准的产物的率（ ） 产物形成比速率（ ） h Y Q Q Y g g g h L P x P P P x 1 / / / : / − =