图2唱1 发酵工程的应用
与化学工程相比，发酵工程反应过程具有以下
特点：
（１）作为生物化学反应，通常是在温和的条件（如常温、常 压、弱酸、弱碱等）下 进行。
（２）原料来源广泛，通常以糖、淀粉等碳水化合物为主。
（３）反应以生命体的自动调节方式进行，若干个反应过程能够像单一反应一样，在单一 反应器内很容易地进行。
（４）发酵产品多数为小分子产品，但也能很容易地生产出复杂的高分子化合物，如酶、 核苷酸的生产等。
（５）生产发酵产物的微生物菌体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物 质。除特殊情况外，发酵液一般对生物体无害。
（６）由于生命体特有的反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的氧化、 还原官能团导入等反应。
（７）要特别注意防止发酵生产操作中的杂菌污染，一旦发生杂菌污染，一般都会遭受损 失。
（８）通过微生物菌种的改良，能够利用原有设备较大幅度地提高生产水平。
发酵过程中也有一些问题应引起注意，如：
（１）底物不可能完全转化为目标产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制的 困难。
（２）微生物反应是活细胞的反应，产物除受环境因素影响外，还受细胞内因素的影响，
并且容易发生变异，影响反应物的生成率，实际控制也相当困难。
（３）生产前准备工作量大，花费高。相对化学的反应而言，反应器效率较低。 （４）发酵中，因底物浓度不能过高，从而导致要使用较大体积的反应器。 （５）发酵废水常具有较高的COD和BOD，需要进行处理方可排放。
·
注意：
第二节 微生物工业菌种与培养基
微生物：个体微小、构造简单、必须借助显微镜才能
看清它们的外形的一群微小生物。其中细菌、放线菌、酵母和霉菌等已广泛应用于发酵工业。
微生物具有种类多、繁殖快、分布广、易培养、代谢能力强和容易变异等特点，并且在 生产中不易受时间、季节、地区的限制。
一、发酵工业对菌种的要求 选择菌种应遵循以下原则：
（１）能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，并生成所需的代谢产物，产量高。 （２）可以在易于控制的培养条件下（糖浓度、温度、pH、溶氧量、渗透压等）迅速生 长和发酵，且所需酶活力高。
（３）生长速度和反应速度较快，发酵周期短。
（４）根据代谢控制要求，选择单产高的营养缺陷型突变菌株、调节突变菌株或野生 菌 株。
（５）选择抗噬菌体能力强的菌株，使其不易感染噬菌体。
（６）菌株性状稳定，不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定性。
（７）菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素（包括抗生素、激素、毒素）。 二、工业常用的微生物菌种 １ ．细菌
细菌是自然界中分布最广、数量最大，与人类关系极为密切的一类微生物。属
单细胞原
核生物，具有典型的核分裂或二分裂繁殖。一般体形微小，通常在１０００倍的光学
显微镜或
电子显微镜下才能看到。
（１）形态和大小
细菌种类繁多，但外形不外乎以下３种，即（２）细菌的结构
球状、杆状和螺旋状。
细
胞壁、细胞膜、细胞质、核质体和内含物等。由于细菌属于原核生物，细胞内没
有一个结构完善的核，所以只有一个核质体，它的主要成分是脱氧核糖核酸（D N A） ，功能
细菌的细胞结构分为基本结构和特殊结构。其中基本结构指一般细菌都有的结构，如是传递遗传特性。
细菌还有一些特殊结构，如鞭（３）细菌的繁殖方式 细菌以
毛、菌毛、荚膜、芽孢等
分裂方式进行繁殖，即一个细胞分裂为二个子细胞。
一般的湿热灭菌，是在１２１ ℃下灭菌１５min，以杀死在自然界
中抗热性最强的热脂肪芽孢杆菌的芽孢为灭菌标准。（考填空）
（４）发酵工业上常用的细菌· ２ １ ·
发酵工业生产中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、大肠杆菌、棒状杆
菌、丙酮－丁醇梭状芽孢杆菌和短杆菌等。
２ ．放线菌
（１）放线菌的形态和构造
基内菌丝体，又称营养菌丝体，长
在培养基内或表面，其主要功能是吸收水分和营养物质。另一型为气生菌丝体，这是由基内
放线菌的菌体由菌丝体构成。菌丝体有两型：一型为
菌丝分枝向培养基上空伸展的二级菌丝，气生菌丝体发育到一定阶段，在它上面形成孢子 丝，然后形成孢子。
单细胞。菌丝和孢子内不具有完整的核，没
有核膜、核仁、线粒体等。因此，放线菌属于原核微生物。
放线菌虽然有良好的菌丝体，但无横隔，为（２）放线菌的繁殖 放线菌以
无性方式繁殖，主要是形成孢子，也可通过菌丝断裂繁殖。放线菌生长到一
定
阶段，一部分气生菌丝分化为孢子丝，孢子丝成熟便形成许多孢子。
（３）发酵工业中常用的放线菌
发酵工业中常用的放线菌主要用于
生产抗生素。如龟裂链霉菌产土霉素；金霉素链霉菌
产四环素；灰色链霉菌产链霉素；红霉素链霉菌产红霉素。
３ ．酵母菌
酵母菌（Yeast）是一类
单细胞微生物，属于真菌类。在自然界分布很广，用于
各种酒类生产，面包制造，甘油发酵，饲料、药用及食用单细胞蛋白生产，从酵母菌体提取核酸、麦角甾醇、辅酶A、细胞色素C、凝血质和维生素等生化药物。
（1）酵母菌的形状与大小 （２）酵母菌的细胞结构
细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、
液泡、线粒体以及 各种贮藏物。
酵母菌具有典型的细胞结构，有
酵母菌为真核生物，细胞中有明显的细胞核，有核膜、核仁和染色体。 （３）酵母的繁殖方式
酵母菌的繁殖分有性和无性两种方式，以无性繁殖为主。 无性繁殖分为芽殖和裂殖两种方式。（４）发酵工业常用的酵母菌
1．啤酒酵母 2．卡尔斯伯酵母
3．汉逊氏酵母能利用酒精为碳源，因而是酒精发酵工业的有害。4．假丝酵母属 5．红酵母属
6．毕赤氏酵母属该属酵母也是饮料酒类的污染菌，常在酒的表面生成白色、干燥的
菌醭。４ ．霉菌 ①工业应用：
柠檬酸、葡萄糖酸
等多种有机酸，淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶等多种酶制剂，青霉素和头孢霉素等抗生素，核 黄素等维生素，麦角碱等生物碱，真菌多糖和植物生长刺激素（赤霉素）等产品的生产；
②食品酿造：酿酒、制酱及酱油等；
③基础理论研究
④危害：霉菌能引起粮食、水果、蔬菜等农副产品及各种工业原料、产 品、电器和光学设备的发霉或变质。
（３）工业常用的霉菌 工业上常用的霉菌，有
曲霉；半知菌类 的曲霉及青霉等。
三、培养基的制备（
藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉；子囊菌纲的红
大题
）
培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按一定比例配制的多
种营养物质的混合物。它的组成对于微生物生长繁殖、酶的活性及产量都有直接的影响。
１ ．培养基的营养成分及来源
微生物为了生长、繁殖需要从外界不断地吸收营养物质，加以利用，从中获得能量并合 成新的细胞物质，同时排出废物。我们研究微生物的营养，主要是为了解微生物的营养特性 和培养条件，以便进一步控制和利用它们，更好地为工业生产服务。微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶，将周围环境中大分子的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小 分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。因此，微生物所需 要的营养物质主要是碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、能源。它们在微生物生命活动
中的主要功能是： （１）水 （２）碳源
碳在细胞的干物质中约占５０ ％ ，所以微生物对碳的需求最大。凡是作为微生物细胞结
构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源。大多数微生物是异养型，以有机化合物为碳源。能够利用的碳源种类很多，其中糖类是最好的碳源。 （３）氮源 （４）无机盐
无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是：构成细胞的组成成分。（５）生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入
才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些 脂肪酸及其他膜成分。（６）能源
能源是指为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物的能源谱如 下：
有机物：化能异养型微生物的能源（与碳源相同）
化学物质 无机物：化能自养型微生物的能源（不同于碳源）
能源谱 辐射能———光能自养和光能异养型微生物的能源
２ ．
培养基的类型 （要考的）
培养基的种类很多，可根据不同的依据来进行划分。 （１）根据培养基的营养来源划分 ①天然培养基：采用天然的动植物原料配制而成，其化学成分不明确。用于异养型微
生物的常规培养。②合成培养基：用化学成分十分明确的物质配制而成。适合定量工作的研究。 ③综合培养基：在合成培养基中加入某些天然成分的物质配制而成，是实验室中常用 的培养基。
（２）根据培养基原物质状态划分
①液体培养基：在常温下呈液体状态的培养基。常用于摇瓶培养，观察微生物的生理 生化和生长型式，也可以用于大规模生产，使微生物均匀弥散于液体中。
②固体培养基：在液体培养基中加入凝固剂或直接采用固体材料（如马铃薯等）与水 和盐混合制成，还可以用能提供固体表面的滤膜制成。一般用于纯种分离、鉴定、计数、观 察菌落形态、选种、育种、保藏菌种等方面。
（３）根据培养基用途划分
①基础培养基：可满足一般微生物野生型菌株最低营养要求而制成的培养基。 ②增殖培养基（加富培养基） ：在基础培养基中加入额外的营养物质，促进某一类菌生 长，抑制其他菌生长的培养基。它主要用于培养某种或某类对营养要求苛刻的异养微生物。
③鉴别培养基：在基础培养基中加入某种物质（如指示剂）后就可以分出不同微生物 类型的培养基。
④选择培养基：在基础培养基内加入某种杀菌作用的物质（如染色剂、抗生素等）后 就可使某类微生物生长而其他微生物不能生长，使用这类培养基可以把某种或某类微生物从 混杂的微生物群体中分离出来。
⑤活体培养基：是指用某些活的动植物体或离体的生活细胞来作为培养基，一般用于 寄生菌的培养。
（４）根据生产目的来划分
①种子培养基：是为了保证在生产中获得大量优质孢子和营养细胞的培养基。目的是 为下步发酵提供数量较多、强壮而整齐的种子细胞。一般要求营养丰富，含氮量高。用于种 子培养。
②发酵培养基：是生产中供菌种生长繁殖并积累代谢产物的培养基，一般要求数量大， 配料粗，价格低廉，有利于产物的分离提取并便于管理。用于发酵生产方面。
３ ．发酵培养基的选择 选择和配制发酵培养基时应考虑以下
基本原则：
（１）必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。
（２）有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成的产物数量或最大产 率。
（３）有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。 （４）有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。 （５）尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。 （６）原料价格低廉，质量稳定，取材容易。
（７）所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，有利于提高氧的利用率，降低 能耗。
（８）有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”的物质。