发酵工程知识点

发酵工程知识点发酵（fermentation）无氧条件下，有机化合物进行不彻底分解代谢释放能量的过程。利用生物体或生物细胞（含动物、植物和微生物细胞），在合适的条件下，经特定的代谢途径生产所需产物或菌体的过程。发酵工程（FermentationEngineering）：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用生物体或生物细胞的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把生物体或生物细胞应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的特点1安全、简单：常温常压条件要求简单2原料来源广，价格低：淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，矿石资源、石油产品甚至废水、废料亦可。3反应专一：发酵通过生物体的自动调节完成，专一性强，可得较为单一的代谢产物。4代谢多样：即使是极其复杂的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代谢产物。5.易受污染：培养基营养丰富，适合非目的微生物的生长6.菌种易变异：通过变异和菌种筛选，可获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。时间 时期 主要技术1900年前 自然发酵 天然接种1900~1939年 纯培养 单种微生物分离与纯培养技术1940~1956年 通气培养 通气搅拌的好气性发酵工程技术1957~1959年 代谢控制 人工诱变育种与代谢控制发酵1960~1978年 全面发展 发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术；微生物生物合成和化学反应合成相结合工程技术1979年至今 基因工程 原生质体融合技术和DNA重组技术发酵生产方式：根据生产用微生物种类进行分类：自然发酵自然环境或原料中天然存在的微生物菌群（传统发酵：酿酒、制醋、做酱等）单菌纯种发酵现在发酵工业常用（谷氨酸、抗生素、酶制剂）混菌纯种发酵2种及2种以上纯培养的微生物进行混合发酵，现代发酵技术应用到传统发酵食品的形式。（直投式发酵剂生产酸乳、液体酿酒新工艺）根据培养基的物理状态进行分类固态发酵发酵基质呈不流动状态，传统发酵常用。（食用菌的培养、大曲酒发酵、好氧菌的曲法培养、厌氧性的堆积发酵等）半固态发酵发酵基质为半流动状态（黄酒发酵、酱油稀醪发酵）液态发酵发酵基质为流动状态，主要方式为浅盘培养和深层液体培养。浅盘发酵：劳动强度大、生产效率低、易污染；简单易行、投资少、适用于小型生产获得优质的生产菌种是实现高水平发酵工程工业生产的前提。工业用菌种的要求：具备高产稳产目的代谢产物的能力具备稳定的遗传特性，不易变异和退化安全性（不是病源菌，不产毒素）生长繁殖能力强，有较高的生长速率，发酵周期短生产原料价格便宜、来源广泛培养要求不高，培养条件易于控制不产生或少产生非目标产物工业微生物菌种分离筛选的步骤：采集、富集、培养、筛选、产物分析工业菌种选育的思路：(1)进：增加菌种利用底物或前体物的水平(2)通：解除或绕过代谢途径中的限速步骤(3)截：改变代谢途径，减少无用副产品的生成(4)堵：抑制或消除菌种对产品的利用和分解(5)出：改进菌种外泌产品的能力种子扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。作用：形成生长优势、抑制杂菌污染获得生长活力旺盛、繁殖能力强的种子，缩短发酵周期逐步适应大规模生产。目的：为发酵罐的投料提供一定数量代谢旺盛的种子。目标：不但得到纯而壮的培养物，而且要获得活力旺盛、数量足够的培养物。优质种子的标准菌种细胞的生长活力强、同步性好，移种至发酵罐后能迅速生长，迟缓期短；生理状态稳定，保持稳定的生产能力；菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；无杂菌及噬菌体污染。实验室扩大培养主要有三种方法孢子进罐法菌丝进罐法细胞进罐法生产车间扩大培养：常用接种方法：胞子悬浮液-----微孔接种法摇瓶菌丝体------火焰保护接种法或压差法影响种子质量的因素：一、培养基原材料质量波动琼脂牌号的不同水质二、培养条件温度湿度通气量种龄接种量培养时间和冷藏时间种子质量的控制措施：菌种稳定性的检查无（杂菌）检查创造良好的培养条件菌种退化（degeneration）主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的优质菌株，由于连续传代保藏之后，菌株的某些生理性状和形态特征逐渐退化或完全丧失的现象。菌种退化的防治：从菌种选育方面考虑在育种过程中，应尽可能使用孢子或单核菌株，避免对多核细胞进行处理；在使单链突变的同时，使另一条单链丧失模板作用，以减少出现分离回复现象；诱变处理后应进行充分的分离纯化，以保证菌株的“纯度”。从菌种保藏方面考虑控制传代次数利用不易衰退的细胞传代选择合适的菌种保藏方法其他方面创造良好的培养条件真空冷冻干燥保藏法1）冷冻干燥原理水分在冰冻状态下直接升华而干燥2）冷冻干燥的三要素：真空——降低水的蒸汽压以加速水分的蒸发冷冻——使水蒸气冷凝以减轻真空泵负荷,加速干燥温度——达到进一步加速干燥的目的3）冷冻干燥的优点：对微生物的生物活性影响小所得干粉疏松，溶解性好；水分含量低；由于同时满足干燥和真空两个菌保要素，因而保存时间长,保存过程不易失活和退化真空冷冻干燥操作流程：冷冻干燥管准备脱脂牛奶的准备菌悬液的制备冷冻干燥真空封口质量检验液氮冷冻保藏法：冷冻保护剂在液氮冷冻保藏中，最常用的冷冻保护剂是二甲亚砜和甘油，最终使用浓度一般为甘油10％、二甲亚砜5％。液氮冷冻保藏微生物菌种的步骤：待冷冻保藏菌种悬液的制备从液体培养物制备菌悬液：液氮冷冻保藏菌种的活化微生物代谢的控制：是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。实现初级代谢产物代谢控制发酵的方法：控制发酵条件培养基（各种营养物质，不同的氮、碳源等）pH

温度

溶氧

诱导物、前体

改变细胞透性生理学方法

谷氨酸发酵生产，生物素浓度的控制；

添加青霉素；

表面活性剂

遗传学方法

营养缺陷型菌株。如谷氨酸生产菌的油酸营养缺陷型，控制油酸，细胞膜合成不完整。

3、改变菌种的遗传特性调节性或组成型突变株抗反馈突变菌株营养缺陷型菌株双重营养缺陷型菌株次级代谢产物的调节方式：酶合成的诱导调节次级代谢产物的反馈调节产生菌生长速率调节初级代谢产物调节磷酸盐调节实现次级代谢产物代谢控制发酵的方法

1、补加前体或其类似物2、加入诱导物3、防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生4、防止氮、磷代谢阻遏或抑制的发生5、筛选耐前体或前体类似物的突变株6、选育抗性突变株或营养缺陷型突变株7、调节性或组成型突变株生产用培养基要求：满足生产用菌种生长繁殖需求满足生产目标产物的需求连续灭菌与间歇灭菌的比较：连续灭菌的优点–保留较多的营养质量；–容易放大；–较易自动控制；–缩短灭菌周期；–在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；–发酵罐利用率高；–蒸汽负荷均匀。分批灭菌的优点–设备投资较少–染菌的危险性较小–人工操作较方便，适于小规模生产–对培养基中固体物质含量较多时更为适宜如何解决高温灭菌对培养基的破坏：不耐热成分单独灭菌采用过滤除菌、降低灭菌温度、缩短灭菌时间产生沉淀反应的成分分开灭菌采用连续灭菌的方法发酵动力学（fermentationkinetics）：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物合成等变化速率，以及反应速率与各种影响因素之间内在规律的科学，并以数学、工程学的原理，进行定量描述。研究发酵动力学的目的：认识发酵过程的规律优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧等提高发酵产量、效率和转化率等

分批发酵（）：指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物合成存在以下三种关系：与生长相关→生长偶联型与生长部分相关→生长部分偶联型与生长不相关→无关联补料分批式操作Fed-batchfermentation:在分批过程中，间歇或连续地以某种方式向培养系统中补加一定物料。连续发酵概念：当发酵过程启动到一定阶段（如产物合成最适时期），一边连续补充发酵培养液，一边又以相近的流速放出发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。引起pH变化的因素：1）基质代谢（1）糖代谢特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一（2）氮代谢当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降2）产物形成某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使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，发酵后期，pH上升。引起发酵液pH值变化的常见因素(1)下降①培养基中C/N不当，有机酸积累；②消沫油加得过多；③生理酸性物质过多；(2)上升①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放；②生理碱性物质过多；③中间补料时碱性物加入量过大；发酵过程中pH值的调节及控制：1）发酵pH值的确定（范围，时间）一般是在5～8之间，如谷氨酸发酵的最适pH值为7.5～8.0。随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH，使产量最大。pH的控制方法常用方法调节好基础料的pH。基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.5-6.8。在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等通过补料调节pH在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH，如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH（2）当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH泡沫对发酵的不利影响：降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难泡沫的控制：①调整培养基中的成分(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值、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。但这些方法的效果有一定的限度。②采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素如：杂交选育不产流态泡沫的土霉素生产菌株对于已形成的泡沫，工业上可以采用机械消泡和化学消泡剂消泡或两者同时使用消泡。③采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫：通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原来受力平衡而破裂。什么叫发酵染菌?在发酵过程中，生产菌以外的其他微生物侵入了发酵液，从而使发酵过程失去了真正意义上的纯种培养。染菌会对发酵工业造成哪些不良影响？染菌仍是发酵工业的致命伤。轻者影响产率、产物提取收得率和产品质量；严重者造成生产失败，浪费大量原材料，造成严重经济损失，而且扰乱生产秩序，破坏生产计划。遇到连续染菌，特别是又找不到染菌原因，未有防治措施时，往往会影响人们的情绪和生产积极性，造成无法估量的危害。发酵异常现象及染菌原因分析：溶解氧的异常变化当杂菌是好气性微生物时，溶解氧的变化是在较短时间内下降，直至接近于零，且在长时间内不能回升；当杂菌是非好气性微生物，而生产菌由于受污染而抑制生长，使耗氧量减少，溶解氧升高。排气的CO2异常变化对于特定的发酵