发酵工程复习模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。发酵工程周家浩一、绪论1、传统概念发酵最初是来自于拉丁语”发泡”,是指酵母作用于果汁或发芽的谷物时产生二氧化碳的现象。2、生化和生理学意义的发酵指微生物在无氧条件下,分解各种有机物质产生能量的一种方式;或者更严格地说,发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。3、工业上的发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。4、发酵工程:是应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理,利用微生物等生物细胞进行酶促转化,将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。5、发酵工程基本组成部分上游工程、发酵工程、下游工程。6、发酵工程产业化的重要环节三个环节:投产试验、规模化生产和市场营销。7、发酵工业面临问题①菌种的纯种问题(遗传稳定性,安全,周期短、转化率高产率高,抗污染能力强:噬菌体、蛭弧菌);②合适的反应器(基生产规模化,原料利用量大,而且具有一定选择性,节能,结构多样化、操作制动化,节省劳力);③基质的选择(价廉,原料利用量大,而且具有一定选择性,易被利用,副产物少,满足工艺要求)。8、中国发酵工业要走的产业路线实施”三步走”战略,第一步为技术积累阶段(力争前完成);第二步为产业崛起阶段(力争左右完成);第三步为持续发展阶段(2020年左右完成)。9、发酵工程的发展前景①基因工程的发展为发酵工程带来新的活力;②新型发酵设备的研制为发酵工程提供先进工具;③大型化、连续化、自动化控制技术的应用为发酵工程的发展拓展了新空间。;④生态型发酵工业的兴起开拓了发酵的新领域。二、微生物育种选育1、菌种分离的一般过程标本采集→预处理→富集培养→菌种分离(初筛、复筛)→发酵性能鉴定→菌种保藏。菌种常规分离法:平板划线法、稀释分离法和涂布法。生化反应分离法:透明圈法、变色圈法、抑菌圈法、生长圈法。2、富集的目的:让目的微生物在种群中占优势,使筛选变得可能。富集培养方法:(1)分批式富集培养;(2)恒化式富集培养。3、自然选育:不经人工处理,利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为自然选育。4、自然选育在工艺生产中的意义:自然选育是一种简单易行的方法,可达到纯化菌种、防止菌种退化、稳定生产、提高产量的目的。虽然其突变率很低,但却是工厂保证稳产高产的重要措施。5、诱变育种:人工利用各种诱变剂诱发基因突变,再经过适当的筛选方法获得所需要的优良菌种的育种方法,称为诱变育种。6、诱变育种对出发菌株的要求★对菌株产量,形态、生理等情况了解;★生长繁殖快,营养要求低,产孢子多且早;★对诱变剂敏感;★菌株要有一定的生产能力;★多出发菌株:一般采用3~4个出发菌株,在逐代处理后,将产量高、特性好的菌株留作继续诱变的出发菌株。7、诱变筛选流程出发菌种→斜面→单孢子悬液→诱变处理→稀释涂平板→挑取单菌落200个→摇瓶初筛50株→挑出高产斜面→留种保藏菌种→传种斜面→摇瓶复筛5株→挑出高产菌株→放大罐试验→中试考查,大型投产试验。8、工业上优良生产菌种应具备的基本特性(1)菌种细胞的生长活力强;(2)生理性状稳定;(3)纯、具有抗噬菌体感染的能力;(4)稳定高产,与目标产品性质相近的副产物及其它产物少;(5)能采用价格便宜,来源广泛的原料,而且转化效率高。9、种子接种量:指移入种子液的体积和接种后培养液体积之比。10、种子种龄:指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。11、影响种子质量的因素①原材料质量;②种龄;③培养条件;④斜面冷藏时间。12、保证种子质量的控制措施①菌种的稳定性;②提供种子培养的适宜环境;③无杂菌侵入。13、工业上接种的方法火焰接种法、微孔法、压差法。三、发酵工业培养基及原料处理1、发酵培养基的要求①培养基能够满足产物最经济的合成;②发酵后所形成的副产物尽可能的少;③培养基的原料应因地制宜,价格低廉,且性能稳定,资源丰富,便于采购运输,适合大规模储藏,能保证生产上的供应;④所选用的培养基应能满足总体工艺的要求,如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。2、常见的碳源:①糖类;②油脂;③有机酸;④正烷烃。常见的糖类:①葡萄糖(速效碳源);②糖蜜;③淀粉、糊精。3、(1)生理酸性物质:无机氮源被菌体作为氮源利用后,培养液中就留下了酸性或碱性物质,这种经微生物生理作用(代谢)后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质,如硫酸铵;(2)生理碱性物质:若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质,如硝酸钠。4、(1)无机氮源:铵盐、硝酸盐和氨水;(2)有机氮源:花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。5、有机氮源在发酵培养及中的作用微生物在有机氮源培养基上生长要比在无机氮源培养基上旺盛,有机氮源成分复杂,营养也较无机氮源丰富,有机氮源中除含有一定比例的蛋白质、多肽及游离氨基酸外,还含有少量的糖类、脂类及各种无机盐、维生素、碱基等,微生物能够直接从其中获得这些营养成分,因此生长较无机氮源的较好。6、前体:指某些化合物加入到发酵培养基中后,能直接使微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去,而其自身的结构并没有多大变化,可是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。7、前体使用时普遍采用流加的方法。8、生长因子:从广义上讲,凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。9、生长因子的来源:有机氮源、酵母膏、酵母粉等。10、(1)培养基设计方法①生态模拟;②参阅文献;③精心设计;④试验比较。(2)培养基设计的步骤①根据前人的经验和培养基成分,初步确定可能的培养基成分;②经过单因素实验最终确定出最为适宜的培养基成分;③当培养基成分确定后,剩下的问题就是各成分最适的浓度,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。(3)举例:原培养基:类球红细菌RhodobactersphaeroidesNH4Cl1g,丁二酸钠1g,KH2PO40.2g,MgSO4·7H2O0.005g,Na2CO30.2g,酵母膏0.1g,复合无机盐溶液1mL,水1000mL,pH7.0。优化后的培养基:NH4Cl2g,乙酸钠2g,KH2PO40.1g,MgSO4·7H2O0.01g,Na2CO30.1g,酵母膏0.5g,复合无机盐溶液0.05mL,水1000mL,pH7.0。11、优良种子的条件(1)菌体浓度及总量能满足大规模发酵罐接种量的要求;(2)生理状态稳定,如菌丝形态、菌丝生长速率等;(3)生长活力强,移种至发酵罐后,能够迅速生长;(4)无杂菌污染,保证纯种发酵;(5)菌种适应性强,能保持稳定的生产能力。四、发酵工程的灭菌与空气除菌1、消毒:指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病原微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。2、灭菌:用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物,包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。消毒不一定能达到灭菌要求,而灭菌则可达到消毒的目的。3、灭菌的方法:(1)培养基的加热灭菌;(2)空气的过滤除菌;(3)紫外线或电离辐射;(4)化学药物灭菌。4、(1)化学试剂灭菌法:甲醛、乙醇或新洁尔灭、高锰酸钾等,适用范围:环境、皮肤及器械的表面消毒;(2)射线灭菌法:电磁波、紫外线或放射性物质,适用范围:无菌室、接种箱;(3)干热灭菌法:常见烘箱,灭菌条件:160℃下保温1h,适用范围:金属或玻璃器皿;(4)湿热灭菌法:利用饱和蒸汽灭菌,条件:121℃,30min,适用范围:生产设备及培养基灭菌;(5)过滤除菌法:利用过滤方法阻留微生物,适用范围:制备无菌空气;(6)火焰灭菌法:火焰;适用范围:接种针、玻璃棒、三角瓶口。5、间歇灭菌与连续灭菌的比较优点缺点连续灭菌1.高温短时灭菌,培养基营养成分损失少。2.发酵罐占用时间缩短,利用率高。1.设备复杂,操作麻烦,染菌机会多。2.不适合含大量固体物料的灭菌。间歇灭菌1.设备要求低,不需另外加热、冷却装置。2.操作要求低,适合小批量生产规模3.适合含大量固体物料的灭菌1.培养基的营养物质损失大,灭菌后培养基质量下降2.发酵罐的利用率较低3.不适合大规模生产的灭菌影响培养基灭菌的因素(1)培养基成分;(2)培养基成分的颗粒度;(3)培养基的pH;(4)微生物细胞的含水量;(5)微生物性质与数量;(6)冷空气排除情况;(7)泡沫;(8)搅拌。7、深层介质过滤的原理微粒随气流经过滤层时,由于滤层纤维的层层阻碍,使气流出现无数次改变运动速度和方向的绕流运动,引起微粒与滤层纤维间产生惯性冲击、拦截、布朗扩散、重力沉降、静电引力等作用把微粒滞留在纤维表面上,实现过滤的目的。8、空气除菌的方法(1)辐射杀菌;(2)热杀菌;(3)静电除菌;(4)过滤除菌。9、提高过滤除菌效率的措施①设计合理的空气预处理设备,选择合适的空气净化流程,以达到除油、水和杂质的目的;②设计和安装合理的空气过滤器,选用除菌效率高的过滤介质;③保证进口空气清洁度,减少进口空气的含菌数;④降低进入空气过滤器的空气相对湿度,保证过滤介质能在干燥状态下工作。10、影响过滤除菌的因素P142(《发酵工程》韦革宏杨祥主编科学出版社)五、发酵条件及过程控制1、发酵过程引起pH变化的原因(1)基质代谢(糖代谢、氮代谢、生理酸性物质、生理碱性物质利用);(2)产物形成(有机酸类产生使pH下降、红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性,使pH上升);(3)菌体自溶,pH上升;发酵后期,pH上升。2、pH对发酵的影响(1)影响菌体的生长;(2)pH影响酶的活性;(3)pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变;(4)pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离;(5)pH影响代谢方向;(6)影响产物稳定性。3、最佳pH的确定配制不同初始pH的培养基,摇瓶考察发酵情况。4、发酵过程的Ph控制采取的措施(1)改变搅拌转速或通气量,以改变溶解氧浓度,控制有机酸的积累量及其代谢速度;(2)改变温度,以控制微生物代谢速度;(3)改变罐压及通气量,降低CO2的溶解量;(4)改变加油或加糖量等,调节有机酸的积累量。5、发酵用复合pH电极要求(1)能高温灭菌,过高的温度将对玻璃膜材质和参比电极性质产生影响,造成不可逆转的破坏;(2)具有长时间的稳定性,应保证转换系数和不对称电位能适应发酵周期长、中途不能更换和不能标定的要求;(3)要求一定的液络部流通,维持的液接界电位稳定,防止使用过程中液络部被含硫物、蛋白质和非水溶液污染,造成电极测量漂移;(4)外加不锈钢护套或工程塑料护套后安装于罐内。6、是否染菌的无菌检查方法(1)显微镜检查法;(2)肉汤培养法;(3)平板培养法;(4)发酵过程的异常观察法。溶氧1、比耗氧速率或呼吸强度(QO2):单位重量的细胞(干重)在单位时间内所消耗的氧气,mmolO2/(g菌·h)。2、临界溶氧浓度:指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如果对产物而言,便是不影响产物合成所允许的最低浓度。氧饱和度:常指样品中的氧含量对该样品最大氧含量的百分比。3、摄氧率(r):单位体积的发酵液在单位时间内所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。4、影响需氧的因素(1)遗传因素;(2)菌龄;(3)代谢类型;(4)培养基的成分与浓度;(5)发酵条件。5、、发酵液中氧的传递方程:N:传氧速率kmol/m2.h,kg:气膜传质系数kmol/m2.h.atm,kL:液膜传质系数m/h6、Na:体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-17、供氧水平的调节kLa是最常见的方法,kLa反映了设备的供氧能力。影响摇瓶发酵供氧的条件:装液量和摇瓶机的种类。8、如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平?……发酵过程中溶解氧的控制:发酵液的溶氧浓度,是由供氧和需氧两方面所决定的。因此要控制好发酵液中的溶氧,需从这两方面着手。溶氧控制的一般策略:前期大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长,中后期满足产物的形成。一般认为,发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力,对菌体的生长有时会产生不利的影响,因此有时发酵初期采用小通风,停搅拌,不但有利于降低能耗,而且在工艺上也是必须的。可是增大通气的时间一定要把握好。★影响发酵罐中kLa的因素(1)设备参数:发酵罐的形状结构、搅拌器(直径d)、挡板、空气分布器等;(2)操作条件:通气量Q、搅拌转速N、搅拌功率PG、罐压、发酵液体积V、液柱高度HL等;(3)发酵液的性质:密度、黏度、表面张力和扩散系数等;(4)氧载体。9、经过在发酵液中引入一种新的液相,以减少气液传氧阻力,从而提高传氧效率。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力,且与发酵液互不相溶,称为氧载体。一般使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、豆油等。10、如何测定发酵液中的溶氧浓度,以及发酵罐的Kla。泡沫1、泡沫形成的原因:气液接触,含助泡物,起泡速度高于破泡速度。2、发酵中控制泡沫的途径有哪些?①调整培养基的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)、或改变某些物理化学参数(如pH、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制,以减少泡沫形成的机会。但效果有限;②选育在生长期不产生泡沫的微生物突变株。如有人已用杂交育种方法选育出不产生泡沫的土霉素菌株;③机械消泡;④化学消泡:加消泡剂,当今发酵工业中常见的方法。3、泡沫:是气体在液体中的粗分散体,属于气液非均相体系。4、起泡的危害(1)降低生产能力;(2)引起原料浪费;(3)影响菌的呼吸;(4)引起染菌。温度1、根据微生物对温度的要求大致可分为四类(1)嗜冷菌:0～260C生长;(2)嗜温菌:15～430C生长;(3)嗜热菌:37～650C生长;(4)嗜高温菌:>650C生长。2、温度对发酵的影响(1)温度影响微生物细胞的生长;(2)温度影响反应速率(产物形成);(3)温度会改变发酵液的理化性质;(4)温度影响生物合成的方向。3、发酵热:发酵过程中释放出来的净热量。4、生物热:在发酵过程中,菌体不断利用培养基中的营养物质,将其分解氧化而产生的能量,其中一部分用于合成高能化合物(如ATP)提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量,其余一部分以热的形式散发出来,这散发出来的热就叫生物热。5、生物热与发酵类型有关,生物热的大小与呼吸作用强弱有关6、发酵温度的选择(1)根据菌种不同选择;(2)根据发酵阶段选择(