第一代生物技術產品的出現1857年法國著名生物學家巴斯德用實驗證明了酒精發酵是由活的酵母引起的，其它不同的發酵產物則是由不同微生物的作用而形成。后來發現是因為它們分泌了一種具有發酵能力的物質，稱為酶。其它如制造醋、醬（油）、奶制品、面包，醫學上的以霉治瘍技術。

第一代生物技術產品的出現1857年法國著名生物學家巴斯德用實1第二代近代生物技術產品發展40年代初，第二次世界大戰爆發。醫生們急需一種比磺胺藥物更為效而毒副作用小的抗菌感染的藥物來治療傷員和平民因創傷引起的感染及繼發性疾病。于是，1928年英國Flemingfa發現的青霉素成為此類抗菌消炎藥的首選。時至今日，青霉素仍被認為是20世紀醫學史上最偉大的發現。

第二代近代生物技術產品發展40年代初，第二次世界大戰爆發。醫2第三代現代生物技術產品

從1953年美國的Watson及Crick發現了DNA分子的雙螺旋結構，由此而來21世界克隆等基因工程的快速發展。1953年Grubhofer及Schleith提出了酶的固定化技術。1956年，中國首次人工合成了結晶牛胰島素。到現在，干擾素、生長激素、淋巴細胞活素、疫苗、白蛋白、心鈉素等各種DNA重組技術產品已逐漸被廣泛運用。第三代現代生物技術產品從1953年美國的Watson及Cr3(1)發酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)(2)酒精飲料(白酒、啤酒、葡萄酒等)(3)菌體(面包酵母、SCP、綠藻、螺旋藻等)(4)有機酸(醋酸、檸檬酸、乳酸、衣康酸等)(5)氨基酸(谷氨酸、賴氨酸、色氨酸等)(6)核酸類物質(7)抗生素(青霉素、頭孢菌素、鏈霉素、氯霉素等)(8)油脂及相關化合物(γ-亞油酸、EPA、DHA等)(9)具有生理活性的低分子量物質(維生素類、激素等)(10)高分子物質(酶；多糖類；生理活性蛋白）(11)其它微生物工業生產的物質(1)發酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)微生物工4紅細胞生產素、白細胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動物細胞生產的物質用植物細胞生產的物質紫草素類化合物、人參、紫杉醇等紅細胞生產素、白細胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動物5微生物是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細菌、酵母、霉菌、真菌、藻類和原生動物和病毒等。2.1微生物基礎知識2.1.1微生物的分類與命名微生物是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖6分類：界（Kingdom）門（Phylum）綱（Class）目（Order）科（Family）屬（Genus）種（Species）分類：7種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“雙名法”。屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，用以描述微生物的主要特征；種名：小寫字母打頭，是一個拉丁詞的形容詞，用以描述微生物的次要特征。種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（St8例如：Staphylococcusaureus，前一個詞是屬名，是拉丁語的名詞，是“葡萄球菌”的意思。第二個詞字是種名，是拉丁語的形容詞，意思是“金黃色”。所以學名是“金黃色葡萄球菌”。例如：Staphylococcusaureus，前一個詞是9細菌是單細胞微生物，有不同的形狀及大小，以典型的二分裂殖方式繁殖。細菌具有一定的形態，形狀近似圓形稱作球菌；形狀近似圓柱形的成為桿菌。細菌是單細胞微生物，有不同的形狀及大小，以典型的二分裂殖方式10霉菌是絲狀真菌的一個通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長所要求的相對溫度比細菌低。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3～10μm，多分枝，有或無隔膜。霉菌多為腐生菌，也有少數寄生于動物或植物體內。它們具有廣泛的降解和合成能力，是發酵生產某些重要物質的主力軍。霉菌是絲狀真菌的一個通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長所要求11酵母菌是一個通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細胞，有的也呈絲狀。有的酵母通過出芽進行無性繁殖，也有的酵母進行分裂繁殖。酵母既可進行好氧呼吸，又能進行厭氧呼吸。酵母菌在酒類釀造中是不可缺少的。酵母菌是一個通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細胞，有的也呈12病毒是存在于動物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細菌細胞內的專性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具備或具備最低的合成和代謝能力，只能在寄主細胞內生長繁殖，常導致寄主細胞被破壞和死亡。寄生于細菌細胞內的病毒又稱為噬菌體。噬菌體是危害細菌發酵的重要根源。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）病毒是存在于動物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細菌細胞內的專性寄132.1.2微生物的化學組成微生物菌體的80%左右是水分。濕菌體所含水分是指菌體在100℃前后干燥直到恒重時減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體。微生物菌體中除水分外，其余為蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機物等化學物質。2.1.2微生物的化學組成14細胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。

細胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷152.1.3生長特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長特性亦有很大差別。細菌以分裂方式進行的繁殖。在適宜的生長條件下，某些細菌的世代時間可達10～20min。2.1.3生長特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長特性16然而，比較典型的世代時間為40～60min。當細菌分裂為二分裂時，世代時間等于倍增時間（菌體量增加一倍所需時間）。酵母菌的生長方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌絲生長）三種。在最適條件下，酵母在45min內就可以分裂，比較典型的分裂時間為90～120min。然而，比較典型的世代時間為40～60min。當細菌分裂為二17霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝。從菌絲體（頂端生長）的頂端細胞間形成隔膜進行生長，一旦形成一個細胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增時間可短至60～90min，但典型的霉菌倍增時間為4～8h。霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝。從菌絲體（頂端生長）的頂端細18病毒能在活細胞內繁殖，但不能在一般培養基中繁殖。病毒是通過復制方式進行繁殖，即感染細胞后“接管”寄主細胞的生物合成機構，按病毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質，并且以指數方式進行復制，冪大于2。流行性感冒病毒病毒能在活細胞內繁殖，但不能在一般培養基中繁殖。病毒是通過復19分為碳源、氮源、無機元素、微量營養素或生長因素等。2.1.4影響微生物反應的環境因素1營養物質分為碳源、氮源、無機元素、微量營養素或生長因素等。2.1.420可構成微生物細胞和代謝產物中碳架來源的營養物質。碳源的主要作用是構成細胞物質和供給微生物生長發育所需的能量。大多微生物以有機含碳化合物作為碳源和能源，例如糖類、淀粉、油脂等。光能自養微生物是利用光為能源，二氧化碳為主要碳源。(1)碳源可構成微生物細胞和代謝產物中碳架來源的營養物質。碳源21氮源主要是提供合成原生質和細胞其它結構的原料，一般不提供能量。在微生物工業中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等是較為常用的氮源。(2)氮源氮源主要是提供合成原生質和細胞其它結構的原料，22無機元素的主要功能是：構成細胞的組成成分；作為酶的組成成分；維持酶的作用；調節細胞滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等。需要量較大的無機元素是磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等，還需要幾種微量的金屬元素，如錳，鈷，銅，鋅等。(3)無機元素無機元素的主要功能是：構成細胞的組成成分；作為23微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根據化學結構和代謝功能可將其分為三類：即維生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工業生產中，常利用玉米漿等作生長因素的來源。(4)生長因素微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。(24溫度是影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。在一定范圍內，微生物的代謝活動與生長繁殖隨著溫度的上升而增加，溫度上升到一定程度，開始對機體產生不利影響，如溫度繼續提高，細胞功能急驟下降，以至死亡。2溫度溫度是影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。在一定25各種生物有其最適生長溫度、最高生長溫度與最低生長溫度，并且，最適、最高和最低溫度會因環境條件變化而變化。各種生物有其最適生長溫度、最高生長溫度與最低生長溫度26微

生

物生長

溫

度最低生長溫度（一般-5~-10℃，極端為~-30℃）嗜冷菌（＜20℃）中溫菌最適生長溫度（20~45℃）嗜熱菌（＞45℃）最高生長溫度（一般80~95℃，極端為105~300℃微

生

物生長

溫

度最低生長溫度（一般-5~-10℃，極端27氧是在溶解狀態下被微生物利用的，可用培養基的氧化還原電位Eh作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關外，Eh還受pH的影響。pH值低時，氧化還原電位高；pH值高時，氧化原電位低。當pH一定時，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃度（DO）的對數成正比。所以，由所測得的Eh可求得所需的DO值。3溶解氧與氧化還原電位Eh氧是在溶解狀態下被微生物利用的，可用培養基的28好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長，以Eh等于+0.3～+0.4伏時為適。厭氧微生物,產甲烷菌,只能在Eh值小于+0.1伏以下生長。兼性厭氧微生物,如酵母,在+0.1伏以上或以下均能生長。好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長，以E29不同微生物有其最適生長的pH值范圍。大多數自然環境的pH值為5～9，許多微生物的最適生長pH也在此范圍內，只有少數種類可生長在pH值低于2或高于10的環境中。大多數酵母與霉菌在微酸性（pH5～6）環境中生長最好，而細菌、放線菌則在中性或微堿性條件下生長最好。4pH不同微生物有其最適生長的pH值范圍。大多數自然環境的30細菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在0.90～0.99之間；大多數酵母菌的為0.80～0.90；真菌及少數酵母菌要求在0.60～0.70。因此，固態發酵常用真菌的原因就是其對水活度要求低，可以排除其它雜菌的污染。5濕度細菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在316滲透壓

微生物一般在高滲透壓下難以生長。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在30％以上濃度的食鹽中仍有生長的霉菌存在，在70％濃度的蔗糖中也有生長的酵母生存。

6滲透壓微生物一般在高滲透壓下難以生長。但是327壓力一般微生物甚至可在幾十個大氣壓的水壓下也不受影響，對于通常的微生物反應過程，壓力的影響可以不考慮。

7壓力一般微生物甚至可在幾十個大氣壓的水壓下也不受影338光線

紅色或綠色細菌及綠藻類的生長需要光，而一般的微生物在明亮處的生長不如暗處好，日光甚至是有害的。

8光線紅色或綠色細菌及綠藻類的生長需要光，而一般的微34特點：微生物反應是生物化學反應，通常是在常溫、常壓下進行；原料多為農產品，來源豐富；易于生產復雜的高分子化合物和光學活性物質；除產生產物外，菌體自身也可是一種產物。如果其富含維生素或蛋白質或酶等的有用產物時，可用于提取這些物質；通過菌種改良，有可能使同一生產設備的生產能力大大提高；微生物反應是自催化反應。2.1.5微生物反應的特性特點：微生物反應是生物化學反應，通常是在常溫、常壓下進行；原35微生物常能分泌或誘導分泌有用的生物化學物質；容易篩選出分泌型突變株；微生物的生長速率快；微生物的代謝產物的產率較高等。優點：微生物常能分泌或誘導分泌有用的生物化學物質；優點：36不足：副產物的產生不可避免。影響微生物反應的因素多實際控制有難度；原料是農副產品，受價格變動影響大；產前準備工作量大，相對化學反應器而言，反應器效率低。對于好氧反應，需氧，故增加了生產成本，且氧的利用率不高；廢水有較高BOD值。不足：副產物的產生不可避免。372.2微生物反應過程的質量與衡算通過質量和能量衡算，可以了解反應物和生成物之間定量關系，反應過程需要消耗和釋放多少能量。通過反應過程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反應過程的一個有效手段，對解決工程問題特別有用。2.2微生物反應過程的質量與衡算通過質量和能量衡算38反應計量學是對反應物的組成和反應轉化程度的數量化研究。通過計量學，可知道反應過程中有關組分的組成變化規律以及各反應之間的數量關系。知道了這些數量關系，就可以由一個物質的消耗或生成速率來推知其他物質的消耗或生成速率。2.2.1微生物反應過程的質量衡算1細胞反應過程計量學反應計量學是對反應物的組成和反應轉化程度的數量39由于細胞反應過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯綜復雜，在細胞生長和繁殖的同時還伴隨著代謝產物的生成，因此其過程很難象化學反應一樣用正確的系數加以表達。這就要求用另外一些方法來加以簡化處理。由于細胞反應過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯綜402微生物反應過程2微生物反應過程413質量和能量衡算意義(1)可以了解反應物和生成物之間的定量關系。(2)反應過程需要消耗或釋放多少能量，即通過反應過程衡算式由已知量求未知量。3質量和能量衡算意義(1)可以了解反應物和生成物之間的42為了表示出微生物反應過程中各物質和各組分之間的數量關系，最常用的方法是對各元素進行原子衡算。4反應過程計算方法為了表示出微生物反應過程中各物質和各組分之間的數量關43如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此時用碳的定量關系式表示微生物反應的計量關系是可行的。如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式44式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組成，CHuOvNw為產物的元素組成。下標m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對應的氫、氧、氮的原子數。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組45對各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d、e和f六個未知數，需六個方程才能解。對各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d46例1：葡萄糖為基質進行面包酵母(S.cerevisiae)培養，培養的反應式可用下式表示，求計量關系中的系數a、b、c、d。例1：葡萄糖為基質進行面包酵母(S.cerevisiae)47C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+2×3=3b+c+2dN:a=b以上方程聯立求解得：a=b=0.48c=4.32d=3.12解：C:6=6b+d以上方程聯立求解得：a=b=0.48c=48O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養中微生物生物代謝機能的重要指標之一的呼吸商，其定義式為：呼吸商O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養中微生物生49例2：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：呼吸商RQ=0.6。求各系數a、b、c、d、e。根據RQ得：d/a=0.6C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:6=0.15c解：例2：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：呼吸商RQ=0.50解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d=1.436;e=2.634解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d51例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進行酵母厭氧培養。培養中分析結果表明，消耗100mol葡萄糖和12molNH3生成57mol菌體、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求酵母經驗分子式。例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進行酵母厭氧培養。培養中分析52酵母的化學結構CH1.84N0.21O0.52C:600=57w+43×3+154+130×2H:1200+12×3=57x+43×8+130×6+3.6×2O:600=57z+43×3+154×2+130+3.6N:12=57y解得：w=1;x=1.84;y=0.21;z=0.52解：酵母的化學結構CH1.84N0.21O0.52C:60532.2.2微生物反應過程的得率系數消耗1g基質生成細胞的克數稱為細胞得率或稱生長得率Yx/s。

得率系數是對碳源等物質生成細胞或其他產物的潛力進行定量評價的重要參數。1細胞得率系數2.2.2微生物反應過程的得率系數消耗1g基質生成細胞的克54細胞得率的單位是g細胞/g基質。這里的細胞是指干細胞的質量（除特殊說明外，以下細胞的質量均指干細胞）。細胞得率的單位是g細胞/g基質。這里的細胞是指干細胞的質量（55式中：rx—微生物細胞的生長速率，rs—是基質的消耗速率。某一瞬間的細胞得率稱為微分細胞得率（或瞬時細胞得率）式中：rx—微生物細胞的生長速率，某一瞬間的細胞得率稱為微分56同一菌種，同一培養基，好氧培養的Yx/s比厭氧培養的Yx/s大的多。同一菌種在不同培養基中，YX/S大小順序為：復合培養基＞合成培養基＞基本培養基同一菌種，同一培養基，好氧培養的Yx/s比厭氧培養的Yx/s57當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被同化為細胞的組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示2基于碳元素消耗的細胞得率YC當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被58式中Xc和Sc分別為單位質量細胞和單位質量基質中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式中Xc和Sc分別為單位質量細胞和單位質量基質中所含碳源59例：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：求YX/S和YX/O、YC例：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：求YX/S和YX/60生物反應動力學細胞反應課件61生物反應動力學細胞反應課件62碳源通過氧化釋放能量，一部分進入ATP供細胞生長，所有物質氧化總伴隨著電子的轉移。有效電子轉移：物質在氧化過程中伴隨著能量釋放所進行的電子轉移。每分子氧可接受4個電子，即有效電子轉移數是4。3基于有效電子數的細胞得率Yave-碳源通過氧化釋放能量，一部分進入ATP供細胞生長，所有物質氧63例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O，同時放出241.1KJ熱量，過程中有效電子轉移數為2，記作2(ave-)。當1mol葡萄糖完全氧化時，需要消耗6mol的氧分子，相應有效電子轉移數為6×4＝24(ave-/mol)例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O64根據大量的實驗，有機化合物氧化時每轉移一個有效電子，平均釋放出111kJ的熱量，記作：與量熱器測定葡萄糖燃燒過程得到的ΔHS＝-2813KJ/mol，相差5%。這在工程上是可接受的，因此可以用有效電子轉移數來計算有機物氧化過程釋放的能量。因此葡萄糖完全氧化時，釋放能量應為：根據大量的實驗，有機化合物氧化時每轉移一個有效電子，平均釋放65如產氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子轉移數為24ave-/molYave-=72.7/24=3g/ave-

如產氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子66微生物反應的特點之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。4以基質異化代謝產生ATP為基準的細胞得率YATP微生物反應的特點之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成A67式中：YATP—相對于基質的ATP生成得率（molATP/mol基質），Ms—基質的分子量。式中：68根據大量的實驗發現，在厭氧培養時，YATP與細胞、底物的種類無關，基本上為常數，即YATP?10，并且該值可看作為細胞生長的普遍特征值好氧反應中，除底物水平磷酸化生成ATP外，還通過氧化磷酸化生成大量ATP。因此，好氧的YX/S值大于厭氧的YX/S根據大量的實驗發現，在厭氧培養時，YATP與細胞、69氧化磷酸化的反應效率常采用其被酯化的無機磷酸分子數和此時消耗的氧原子數之比(簡稱P/O)來表示，即每消耗1原子氧生成ATP的分子數量來表示。一般酵母菌P/O約等于1，細菌P/O等于0.5~1.0氧化磷酸化的反應效率常采用其被酯化的無機磷酸分子數70微生物反應中可以用YkJ表示微生物對能量的利用情況，5微生物對能量的得率YKJ微生物反應中可以用YkJ表示微生物對能量的利用情況，5微生71式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，即菌體所保持的能量Ea和分解代謝的能量Eb。前者可采用干細胞的燃燒熱，后者可采用所消耗的碳源和代謝產物各自的燃燒熱之差來計算。多數微生物在好氧培養時的YKJ值為0.028g細胞/kJ，在厭氧培養時YKJ的平均值為0.031g細胞/kJ。對于光能自養型微生物，如藻類的YKJ約等于0.002g細胞/kJ。式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，即菌體所保持的能量72例：葡萄糖為碳源，NH3為氮源，進行某種細菌好氧培養，消耗的葡萄糖中2/3碳源轉化為細胞中的碳。反應式為計算上述反應中得率系數YX/S和YX/O。例：葡萄糖為碳源，NH3為氮源，進行某種細菌好氧培養，消耗的731mol葡萄糖中含有碳為72g，轉化為細胞內的碳為72×2/3=48(g)所以c=48/(4.4×12)=0.91轉化為CO2的碳量為：72-48＝24(g)所以e=24/12=21mol葡萄糖中含有碳為72g，轉化為細胞內的碳為72×2/74N平衡：14b=0.86c×14得b=0.78H平衡：12+3b=7.3c+2d得d=3.85O平衡：6×16+2×16a=1.2×16c+2×16e+16d得a=1.47消耗1mol葡萄糖生成的菌體量：0.91×(4.4×12+7.3×1+0.86×14+1.2×16)=83.1(g)YX/S=83.1/180=0.46(g/g)YX/O=83.1/(1.47×32)=1.77(g/g)N平衡：14b=0.86c×14得b=0.78H平衡：1275微生物反應是放熱反應。儲存于碳源中能源，在好氧反應中約有40%～50%的能量轉化為ATP，供微生物的生長、代謝之需，其余的能量作為熱量被排放。2.2.3微生物反應中的能量衡算微生物反應是放熱反應。儲存于碳源中能源，在好氧反應中約76在微生物放熱過程中，放熱量ΔQ可用下式計算:-ΔHS為碳源物質的燃燒熱；-ΔCS為利用的底物量；-ΔHN為氮源物質的燃燒熱；-ΔCN為利用的底物量；-ΔHC為微生物細胞的燃燒熱；ΔCX為產生的微生物細胞量；-ΔHPi為第i種產物的燃燒熱；ΔCPi為產生的第i種產物的量在微生物放熱過程中，放熱量ΔQ可用下式計算:-ΔHS為碳源物77可從有關手冊查到。若查不到，可近似計算。各種物質燃燒熱值例如：微生物燃燒產熱量（kJ/g細胞）可用下式計算。其中C,H,和O是微生物細胞的碳、氫和氧的質量分數。可從有關手冊查到。若查不到，可近似計算。各種物質燃燒熱值例如78兩種情況能量衡算：復合培養基、基本培養基微生物反應中的能量衡算兩種情況能量衡算：復合培養基、基本培養基微生物反應中的能量衡79微生物在復合培養基中的同化和異化代謝O2ADPATP2ADPATP143異化（厭氧）異化（好氧）同化(H)(脫氫)CO2(脫羧)H2O微生物在復合培養基中的同化和異化代謝O2ADPATP2ADP80微生物在基本培養基中的同化和異化代謝ADPATPADPATPATPADPADPATP異化（厭氧）異化（好氧）同化同化CO2H2O(H)O2H2O微生物在基本培養基中的同化和異化代謝ADPATPADPATP81復合培養基中，葡萄糖作為碳源完全分解不完全分解生成酒精和乳酸酒精發酵放熱為：2871－1368×2＝136kJ乳酸發酵放熱為：2871－1337×2＝197kJ復合培養基中，葡萄糖作為碳源完全分解不完全分解生成酒精和乳酸82第一代生物技術產品的出現1857年法國著名生物學家巴斯德用實驗證明了酒精發酵是由活的酵母引起的，其它不同的發酵產物則是由不同微生物的作用而形成。后來發現是因為它們分泌了一種具有發酵能力的物質，稱為酶。其它如制造醋、醬（油）、奶制品、面包，醫學上的以霉治瘍技術。

第一代生物技術產品的出現1857年法國著名生物學家巴斯德用實83第二代近代生物技術產品發展40年代初，第二次世界大戰爆發。醫生們急需一種比磺胺藥物更為效而毒副作用小的抗菌感染的藥物來治療傷員和平民因創傷引起的感染及繼發性疾病。于是，1928年英國Flemingfa發現的青霉素成為此類抗菌消炎藥的首選。時至今日，青霉素仍被認為是20世紀醫學史上最偉大的發現。

第二代近代生物技術產品發展40年代初，第二次世界大戰爆發。醫84第三代現代生物技術產品

從1953年美國的Watson及Crick發現了DNA分子的雙螺旋結構，由此而來21世界克隆等基因工程的快速發展。1953年Grubhofer及Schleith提出了酶的固定化技術。1956年，中國首次人工合成了結晶牛胰島素。到現在，干擾素、生長激素、淋巴細胞活素、疫苗、白蛋白、心鈉素等各種DNA重組技術產品已逐漸被廣泛運用。第三代現代生物技術產品從1953年美國的Watson及Cr85(1)發酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)(2)酒精飲料(白酒、啤酒、葡萄酒等)(3)菌體(面包酵母、SCP、綠藻、螺旋藻等)(4)有機酸(醋酸、檸檬酸、乳酸、衣康酸等)(5)氨基酸(谷氨酸、賴氨酸、色氨酸等)(6)核酸類物質(7)抗生素(青霉素、頭孢菌素、鏈霉素、氯霉素等)(8)油脂及相關化合物(γ-亞油酸、EPA、DHA等)(9)具有生理活性的低分子量物質(維生素類、激素等)(10)高分子物質(酶；多糖類；生理活性蛋白）(11)其它微生物工業生產的物質(1)發酵食品(醬、納豆、酸奶、奶酪、乳酸飲料等)微生物工86紅細胞生產素、白細胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動物細胞生產的物質用植物細胞生產的物質紫草素類化合物、人參、紫杉醇等紅細胞生產素、白細胞介素、G-CSF、單克隆抗體等用動物87微生物是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細菌、酵母、霉菌、真菌、藻類和原生動物和病毒等。2.1微生物基礎知識2.1.1微生物的分類與命名微生物是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖88分類：界（Kingdom）門（Phylum）綱（Class）目（Order）科（Family）屬（Genus）種（Species）分類：89種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“雙名法”。屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，用以描述微生物的主要特征；種名：小寫字母打頭，是一個拉丁詞的形容詞，用以描述微生物的次要特征。種以下有：變種（Variety）、型（Form）、品系（St90例如：Staphylococcusaureus，前一個詞是屬名，是拉丁語的名詞，是“葡萄球菌”的意思。第二個詞字是種名，是拉丁語的形容詞，意思是“金黃色”。所以學名是“金黃色葡萄球菌”。例如：Staphylococcusaureus，前一個詞是91細菌是單細胞微生物，有不同的形狀及大小，以典型的二分裂殖方式繁殖。細菌具有一定的形態，形狀近似圓形稱作球菌；形狀近似圓柱形的成為桿菌。細菌是單細胞微生物，有不同的形狀及大小，以典型的二分裂殖方式92霉菌是絲狀真菌的一個通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長所要求的相對溫度比細菌低。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3～10μm，多分枝，有或無隔膜。霉菌多為腐生菌，也有少數寄生于動物或植物體內。它們具有廣泛的降解和合成能力，是發酵生產某些重要物質的主力軍。霉菌是絲狀真菌的一個通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長所要求93酵母菌是一個通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細胞，有的也呈絲狀。有的酵母通過出芽進行無性繁殖，也有的酵母進行分裂繁殖。酵母既可進行好氧呼吸，又能進行厭氧呼吸。酵母菌在酒類釀造中是不可缺少的。酵母菌是一個通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細胞，有的也呈94病毒是存在于動物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細菌細胞內的專性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具備或具備最低的合成和代謝能力，只能在寄主細胞內生長繁殖，常導致寄主細胞被破壞和死亡。寄生于細菌細胞內的病毒又稱為噬菌體。噬菌體是危害細菌發酵的重要根源。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）病毒是存在于動物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細菌細胞內的專性寄952.1.2微生物的化學組成微生物菌體的80%左右是水分。濕菌體所含水分是指菌體在100℃前后干燥直到恒重時減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體。微生物菌體中除水分外，其余為蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機物等化學物質。2.1.2微生物的化學組成96細胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。

細胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷972.1.3生長特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長特性亦有很大差別。細菌以分裂方式進行的繁殖。在適宜的生長條件下，某些細菌的世代時間可達10～20min。2.1.3生長特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長特性98然而，比較典型的世代時間為40～60min。當細菌分裂為二分裂時，世代時間等于倍增時間（菌體量增加一倍所需時間）。酵母菌的生長方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌絲生長）三種。在最適條件下，酵母在45min內就可以分裂，比較典型的分裂時間為90～120min。然而，比較典型的世代時間為40～60min。當細菌分裂為二99霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝。從菌絲體（頂端生長）的頂端細胞間形成隔膜進行生長，一旦形成一個細胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增時間可短至60～90min，但典型的霉菌倍增時間為4～8h。霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝。從菌絲體（頂端生長）的頂端細100病毒能在活細胞內繁殖，但不能在一般培養基中繁殖。病毒是通過復制方式進行繁殖，即感染細胞后“接管”寄主細胞的生物合成機構，按病毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質，并且以指數方式進行復制，冪大于2。流行性感冒病毒病毒能在活細胞內繁殖，但不能在一般培養基中繁殖。病毒是通過復101分為碳源、氮源、無機元素、微量營養素或生長因素等。2.1.4影響微生物反應的環境因素1營養物質分為碳源、氮源、無機元素、微量營養素或生長因素等。2.1.4102可構成微生物細胞和代謝產物中碳架來源的營養物質。碳源的主要作用是構成細胞物質和供給微生物生長發育所需的能量。大多微生物以有機含碳化合物作為碳源和能源，例如糖類、淀粉、油脂等。光能自養微生物是利用光為能源，二氧化碳為主要碳源。(1)碳源可構成微生物細胞和代謝產物中碳架來源的營養物質。碳源103氮源主要是提供合成原生質和細胞其它結構的原料，一般不提供能量。在微生物工業中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等是較為常用的氮源。(2)氮源氮源主要是提供合成原生質和細胞其它結構的原料，104無機元素的主要功能是：構成細胞的組成成分；作為酶的組成成分；維持酶的作用；調節細胞滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等。需要量較大的無機元素是磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等，還需要幾種微量的金屬元素，如錳，鈷，銅，鋅等。(3)無機元素無機元素的主要功能是：構成細胞的組成成分；作為105微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根據化學結構和代謝功能可將其分為三類：即維生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工業生產中，常利用玉米漿等作生長因素的來源。(4)生長因素微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。(106溫度是影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。在一定范圍內，微生物的代謝活動與生長繁殖隨著溫度的上升而增加，溫度上升到一定程度，開始對機體產生不利影響，如溫度繼續提高，細胞功能急驟下降，以至死亡。2溫度溫度是影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。在一定107各種生物有其最適生長溫度、最高生長溫度與最低生長溫度，并且，最適、最高和最低溫度會因環境條件變化而變化。各種生物有其最適生長溫度、最高生長溫度與最低生長溫度108微

生

物生長

溫

度最低生長溫度（一般-5~-10℃，極端為~-30℃）嗜冷菌（＜20℃）中溫菌最適生長溫度（20~45℃）嗜熱菌（＞45℃）最高生長溫度（一般80~95℃，極端為105~300℃微

生

物生長

溫

度最低生長溫度（一般-5~-10℃，極端109氧是在溶解狀態下被微生物利用的，可用培養基的氧化還原電位Eh作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關外，Eh還受pH的影響。pH值低時，氧化還原電位高；pH值高時，氧化原電位低。當pH一定時，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃度（DO）的對數成正比。所以，由所測得的Eh可求得所需的DO值。3溶解氧與氧化還原電位Eh氧是在溶解狀態下被微生物利用的，可用培養基的110好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長，以Eh等于+0.3～+0.4伏時為適。厭氧微生物,產甲烷菌,只能在Eh值小于+0.1伏以下生長。兼性厭氧微生物,如酵母,在+0.1伏以上或以下均能生長。好氧性微生物,如霉菌,在Eh值為+0.1伏以上均可生長，以E111不同微生物有其最適生長的pH值范圍。大多數自然環境的pH值為5～9，許多微生物的最適生長pH也在此范圍內，只有少數種類可生長在pH值低于2或高于10的環境中。大多數酵母與霉菌在微酸性（pH5～6）環境中生長最好，而細菌、放線菌則在中性或微堿性條件下生長最好。4pH不同微生物有其最適生長的pH值范圍。大多數自然環境的112細菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在0.90～0.99之間；大多數酵母菌的為0.80～0.90；真菌及少數酵母菌要求在0.60～0.70。因此，固態發酵常用真菌的原因就是其對水活度要求低，可以排除其它雜菌的污染。5濕度細菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在1136滲透壓

微生物一般在高滲透壓下難以生長。但是，嗜高滲菌、嗜鹽菌和嗜糖菌例外，在30％以上濃度的食鹽中仍有生長的霉菌存在，在70％濃度的蔗糖中也有生長的酵母生存。

6滲透壓微生物一般在高滲透壓下難以生長。但是1147壓力一般微生物甚至可在幾十個大氣壓的水壓下也不受影響，對于通常的微生物反應過程，壓力的影響可以不考慮。

7壓力一般微生物甚至可在幾十個大氣壓的水壓下也不受影1158光線

紅色或綠色細菌及綠藻類的生長需要光，而一般的微生物在明亮處的生長不如暗處好，日光甚至是有害的。

8光線紅色或綠色細菌及綠藻類的生長需要光，而一般的微116特點：微生物反應是生物化學反應，通常是在常溫、常壓下進行；原料多為農產品，來源豐富；易于生產復雜的高分子化合物和光學活性物質；除產生產物外，菌體自身也可是一種產物。如果其富含維生素或蛋白質或酶等的有用產物時，可用于提取這些物質；通過菌種改良，有可能使同一生產設備的生產能力大大提高；微生物反應是自催化反應。2.1.5微生物反應的特性特點：微生物反應是生物化學反應，通常是在常溫、常壓下進行；原117微生物常能分泌或誘導分泌有用的生物化學物質；容易篩選出分泌型突變株；微生物的生長速率快；微生物的代謝產物的產率較高等。優點：微生物常能分泌或誘導分泌有用的生物化學物質；優點：118不足：副產物的產生不可避免。影響微生物反應的因素多實際控制有難度；原料是農副產品，受價格變動影響大；產前準備工作量大，相對化學反應器而言，反應器效率低。對于好氧反應，需氧，故增加了生產成本，且氧的利用率不高；廢水有較高BOD值。不足：副產物的產生不可避免。1192.2微生物反應過程的質量與衡算通過質量和能量衡算，可以了解反應物和生成物之間定量關系，反應過程需要消耗和釋放多少能量。通過反應過程衡算式有已知量可以求出未知量。所以它是研究反應過程的一個有效手段，對解決工程問題特別有用。2.2微生物反應過程的質量與衡算通過質量和能量衡算120反應計量學是對反應物的組成和反應轉化程度的數量化研究。通過計量學，可知道反應過程中有關組分的組成變化規律以及各反應之間的數量關系。知道了這些數量關系，就可以由一個物質的消耗或生成速率來推知其他物質的消耗或生成速率。2.2.1微生物反應過程的質量衡算1細胞反應過程計量學反應計量學是對反應物的組成和反應轉化程度的數量121由于細胞反應過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯綜復雜，在細胞生長和繁殖的同時還伴隨著代謝產物的生成，因此其過程很難象化學反應一樣用正確的系數加以表達。這就要求用另外一些方法來加以簡化處理。由于細胞反應過程由眾多組分參與，且代謝途徑錯綜1222微生物反應過程2微生物反應過程1233質量和能量衡算意義(1)可以了解反應物和生成物之間的定量關系。(2)反應過程需要消耗或釋放多少能量，即通過反應過程衡算式由已知量求未知量。3質量和能量衡算意義(1)可以了解反應物和生成物之間的124為了表示出微生物反應過程中各物質和各組分之間的數量關系，最常用的方法是對各元素進行原子衡算。4反應過程計算方法為了表示出微生物反應過程中各物質和各組分之間的數量關125如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此時用碳的定量關系式表示微生物反應的計量關系是可行的。如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式126式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組成，CHuOvNw為產物的元素組成。下標m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對應的氫、氧、氮的原子數。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組127對各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d、e和f六個未知數，需六個方程才能解。對各元素做元素平衡，得到如下方程：方程組中有a、b、c、d128例1：葡萄糖為基質進行面包酵母(S.cerevisiae)培養，培養的反應式可用下式表示，求計量關系中的系數a、b、c、d。例1：葡萄糖為基質進行面包酵母(S.cerevisiae)129C:6=6b+dH:12+3a=10b+2cO:6+2×3=3b+c+2dN:a=b以上方程聯立求解得：a=b=0.48c=4.32d=3.12解：C:6=6b+d以上方程聯立求解得：a=b=0.48c=130O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養中微生物生物代謝機能的重要指標之一的呼吸商，其定義式為：呼吸商O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養中微生物生131例2：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：呼吸商RQ=0.6。求各系數a、b、c、d、e。根據RQ得：d/a=0.6C:2=c+dH:6+3b=1.75c+2eO:1+2a=0.5c+2d+eN:6=0.15c解：例2：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：呼吸商RQ=0.132解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d=1.436;e=2.634解得：a=2.394;b=0.085;c=0.564;d133例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進行酵母厭氧培養。培養中分析結果表明，消耗100mol葡萄糖和12molNH3生成57mol菌體、43mol甘油、130mol乙醇、154molCO2和3.6molH2O，求酵母經驗分子式。例3：葡萄糖為碳源，NH3為氮源進行酵母厭氧培養。培養中分析134酵母的化學結構CH1.84N0.21O0.52C:600=57w+43×3+154+130×2H:1200+12×3=57x+43×8+130×6+3.6×2O:600=57z+43×3+154×2+130+3.6N:12=57y解得：w=1;x=1.84;y=0.21;z=0.52解：酵母的化學結構CH1.84N0.21O0.52C:601352.2.2微生物反應過程的得率系數消耗1g基質生成細胞的克數稱為細胞得率或稱生長得率Yx/s。

得率系數是對碳源等物質生成細胞或其他產物的潛力進行定量評價的重要參數。1細胞得率系數2.2.2微生物反應過程的得率系數消耗1g基質生成細胞的克136細胞得率的單位是g細胞/g基質。這里的細胞是指干細胞的質量（除特殊說明外，以下細胞的質量均指干細胞）。細胞得率的單位是g細胞/g基質。這里的細胞是指干細胞的質量（137式中：rx—微生物細胞的生長速率，rs—是基質的消耗速率。某一瞬間的細胞得率稱為微分細胞得率（或瞬時細胞得率）式中：rx—微生物細胞的生長速率，某一瞬間的細胞得率稱為微分138同一菌種，同一培養基，好氧培養的Yx/s比厭氧培養的Yx/s大的多。同一菌種在不同培養基中，YX/S大小順序為：復合培養基＞合成培養基＞基本培養基同一菌種，同一培養基，好氧培養的Yx/s比厭氧培養的Yx/s139當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被同化為細胞的組成成分，其余部分被異化分解為CO2和代謝產物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示2基于碳元素消耗的細胞得率YC當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被140式中Xc和Sc分別為單位質量細胞和單位質量基質中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式中Xc和Sc分別為單位質量細胞和單位質量基質中所含碳源141例：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：求YX/S和YX/O、YC例：乙醇為基質好氧培養酵母，反應方程式為：求YX/S和YX/142生物反應動力學細胞反應課件143生物反應動力學細胞反應課件144碳源通過氧化釋放能量，一部分進入ATP供細胞生長，所有物質氧化總伴隨著電子的轉移。有效電子轉移：物質在氧化過程中伴隨著能量釋放所進行的電子轉移。每分子氧可接受4個電子，即有效電子轉移數是4。3基于有效電子數的細胞得率Yave-碳源通過氧化釋放能量，一部分進入ATP供細胞生長，所有物質氧145例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O，同時放出241.1KJ熱量，過程中有效電子轉移數為2，記作2(ave-)。當1mol葡萄糖完全氧化時，需要消耗6mol的氧分子，相應有效電子轉移數為6×4＝24(ave-/mol)例如：0.5molO2與1molH2合成1molH2O146根據大量的實驗，有機化合物氧化時每轉移一個有效電子，平均釋放出111kJ的熱量，記作：與量熱器測定葡萄糖燃燒過程得到的ΔHS＝-2813KJ/mol，相差5%。這在工程上是可接受的，因此可以用有效電子轉移數來計算有機物氧化過程釋放的能量。因此葡萄糖完全氧化時，釋放能量應為：根據大量的實驗，有機化合物氧化時每轉移一個有效電子，平均釋放147如產氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子轉移數為24ave-/molYave-=72.7/24=3g/ave-

如產氣桿菌YX/S=72.7g/mol葡萄糖，葡萄糖有效電子148微生物反