发酵工程复习资料

发酵工程复习资料一、发酵工程概述1.发酵的定义发酵是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。它是一种古老而又现代的生物技术，涵盖了从传统的酿造工艺到现代大规模工业生产的各个领域。2.发酵工程的概念发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。它包括菌种选育、培养基的配置、灭菌、种子扩大培养、发酵过程控制、产品的分离纯化等一系列环节。3.发酵工程的发展历程传统发酵阶段：早在数千年前，人类就开始利用微生物进行酿酒、制醋、发酵面包等活动，但当时对微生物的认识有限，发酵过程多凭经验操作。近代发酵工程阶段：随着显微镜的发明和微生物学的发展，人们逐渐认识到发酵是由微生物引起的，并开始对发酵微生物进行研究和纯种培养技术的开发，发酵工业逐渐从家庭作坊式走向规模化生产。现代发酵工程阶段：20世纪中叶以来，随着DNA重组技术、细胞融合技术等现代生物技术的兴起，发酵工程进入了一个新的发展阶段，能够通过基因工程手段构建高产、优质的工程菌，生产各种高附加值的产品。二、发酵工程的基本要素1.发酵菌种菌种的来源自然界分离：从土壤、水、空气等环境中筛选出具有特定功能的微生物，这是获取新菌种的重要途径之一。工业生产菌种的改良：对现有的工业生产菌种进行诱变育种、基因工程改造等，以提高其生产性能。优良菌种的特点生长迅速：能够在较短的时间内达到较高的细胞浓度，缩短发酵周期。产物产量高：具有较高的生产目标产物的能力，提高发酵经济效益。遗传稳定性好：保证在发酵过程中菌种的特性不发生改变，维持生产的稳定性。对环境适应性强：能够在一定的温度、pH值、溶氧等条件下良好生长和发酵。2.培养基培养基的成分碳源：为微生物生长提供能量和碳骨架，常见的有葡萄糖、蔗糖、淀粉等。氮源：提供合成蛋白质、核酸等含氮物质的原料，包括有机氮源（如蛋白胨、酵母粉）和无机氮源（如铵盐、硝酸盐）。无机盐：维持微生物正常生理功能，如磷、钾、镁、钙等。生长因子：某些微生物生长必需的微量有机物质，如维生素、氨基酸等。水：是微生物生长和代谢必不可少的溶剂。培养基的类型天然培养基：含有化学成分不明确的天然物质，如麦芽汁、牛肉膏蛋白胨培养基等，营养丰富，常用于实验室微生物的培养。合成培养基：由化学成分已知的物质组成，成分精确，可用于研究微生物的营养需求和代谢途径。半合成培养基：由天然成分和部分已知成分组成，兼具两者优点，广泛应用于工业发酵生产。3.发酵设备发酵罐的类型与结构机械搅拌式发酵罐：通过机械搅拌使发酵液均匀混合，保证溶氧和营养物质的传递，具有较强的适应性，是目前应用最广泛的发酵罐类型。气升式发酵罐：利用气体上升推动发酵液循环，结构简单，能耗低，但对溶氧控制要求较高。自吸式发酵罐：通过特殊的吸气装置吸入空气，实现溶氧供应，适用于一些对剪切力敏感的微生物发酵。发酵罐的附属设备通气系统：保证无菌空气的供应，包括空气过滤器、空气压缩机等。搅拌系统：使发酵液充分混合，提高传质传热效率。温度控制系统：维持发酵过程中适宜的温度。pH控制系统：调节发酵液的pH值，保持微生物生长和代谢的最佳环境。消泡系统：消除发酵过程中产生的泡沫，防止泡沫过多影响发酵正常进行。三、发酵工程的工艺流程1.菌种选育自然选育：从自然界分离的菌种中，通过筛选获得性能优良的菌株，操作简单，但获得优良菌株的概率较低。诱变育种：利用物理或化学诱变剂处理微生物细胞，使其发生基因突变，再通过筛选获得高产突变株。常用的诱变剂有紫外线、X射线、亚硝酸等。基因工程育种：将目的基因导入受体菌中，使其获得新的遗传特性，可定向改造菌种。例如，将编码特定酶的基因导入发酵菌种中，提高产物合成能力。2.培养基的制备原料选择：根据发酵菌种的营养需求，选择合适的碳源、氮源、无机盐等原料。培养基的配制：按照配方准确称量各种原料，加水溶解，调节pH值至合适范围，然后进行灭菌处理。3.灭菌灭菌的目的：杀灭培养基、发酵设备及管道中的微生物，防止杂菌污染，保证发酵过程的纯种培养。灭菌方法湿热灭菌：利用高温高压蒸汽进行灭菌，是发酵工业中最常用的灭菌方法，能有效杀灭各种微生物。干热灭菌：适用于玻璃器皿、金属器械等的灭菌，通过高温烘烤使微生物蛋白质变性。射线灭菌：如紫外线灭菌，常用于无菌室、接种室等空间的消毒。4.种子扩大培养种子制备的目的：将保藏的菌种经过活化、扩大培养，获得足够数量、活力强的种子，接种到发酵罐中，使发酵能快速启动并正常进行。种子制备的过程斜面菌种培养：将保藏的菌种接种到斜面上，在适宜条件下培养，获得少量生长良好的菌体。摇瓶种子培养：将斜面上的菌种接入摇瓶培养基中，在摇床上振荡培养，使菌体大量繁殖，达到一定细胞浓度。种子罐培养：摇瓶种子接入种子罐中，进行逐级扩大培养，进一步增加细胞数量，为发酵罐提供足够的接种量。5.发酵过程发酵条件的控制温度：不同的微生物有其最适生长温度，发酵过程中需将温度控制在适宜范围内。例如，酿酒酵母的最适发酵温度一般在2832℃。pH值：通过添加酸碱调节剂维持发酵液的pH值稳定。如谷氨酸发酵，pH值一般控制在7.07.2。溶氧：根据微生物的需氧特性，采用通气、搅拌等方式保证发酵液中有足够的溶解氧。好氧发酵需维持较高的溶氧水平，而厌氧发酵则需严格控制无氧环境。发酵过程的监测参数监测：实时监测发酵罐中的温度、pH值、溶氧、罐压、发酵液体积、菌体浓度、产物浓度等参数，以便及时调整发酵条件。异常情况处理：当发酵过程出现异常，如染菌、发酵液泡沫过多、代谢异常等，要及时分析原因并采取相应措施，确保发酵正常进行。6.产物的分离与纯化分离方法过滤：通过过滤介质将菌体与发酵液分离，常用的过滤介质有滤纸、滤布、微孔膜等。离心：利用离心力使发酵液中的菌体和其他固体颗粒沉淀，实现固液分离。纯化方法萃取：利用溶质在互不相溶的溶剂中的溶解度差异，将目标产物从发酵液中萃取到有机相中，然后再进行反萃取得到纯化产物。蒸馏：适用于分离沸点不同的物质，可用于发酵产物中挥发性成分的分离和纯化。色谱分离：如离子交换色谱、凝胶过滤色谱、高效液相色谱等，能根据物质的物理化学性质差异进行高效分离，得到高纯度的产物。四、发酵工程的应用1.食品工业酒类发酵：利用酵母菌发酵糖类生产啤酒、葡萄酒、白酒等。不同种类的酒在原料选择、发酵工艺等方面有所不同，但都是通过酵母菌将糖分转化为酒精。调味品发酵：酱油、醋、味精等调味品的生产都离不开发酵工程。例如，酱油是由米曲霉等微生物发酵大豆、小麦等原料制成，醋则是通过醋酸菌发酵酒精产生醋酸。面包发酵：面包制作中使用酵母发酵面团，产生二氧化碳气体使面团膨胀，同时赋予面包独特的风味和口感。2.医药工业抗生素生产：青霉素、链霉素、头孢菌素等抗生素是发酵工程在医药领域的重要产品。通过筛选和改造高产菌种，利用发酵技术大规模生产抗生素，挽救了无数人的生命。生物制药：利用基因工程技术构建工程菌，生产胰岛素、干扰素、生长激素等生物药物。这些药物具有高效、低毒等优点，为治疗各种疾病提供了新的手段。疫苗生产：许多疫苗是通过发酵工程生产的，如乙肝疫苗、流感疫苗等。通过培养特定的微生物或细胞系，生产出具有免疫原性的疫苗，用于预防传染病。3.化工工业氨基酸发酵：谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等氨基酸是重要的化工原料，通过发酵工程可以实现大规模生产。氨基酸广泛应用于食品、饲料、医药等行业。酶制剂生产：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等酶制剂在食品加工、纺织、洗涤剂等行业有广泛应用。利用发酵工程生产酶制剂，具有产量高、成本低、质量稳定等优点。生物能源生产：利用微生物发酵糖类、淀粉、纤维素等原料生产乙醇、生物柴油等生物能源，是解决能源问题的重要途径之一。例如，以玉米、木薯等为原料发酵生产乙醇，可作为汽车燃料的替代品。4.环境工程污水处理：利用微生物的代谢作用，将污水中的有机物分解为二氧化碳和水，实现污水的净化。例如，活性污泥法就是通过培养含有多种微生物的活性污泥来处理污水。废气处理：某些微生物能够降解废气中的有害物质，如硫化氢、苯等。通过构建生物滤池、生物滴滤塔等装置，利用微生物进行废气处理，具有成本低、效果好等优点。五、发酵工程的前沿进展1.合成生物学在发酵工程中的应用合成生物学旨在设计和构建新的生物系统或对现有生物系统进行改造，以实现特定的功能。在发酵工程中，合成生物学可用于构建定制化的工程菌，精确调控代谢途径，提高目标产物的产量和质量。例如，通过合成生物学方法重新设计酿酒酵母的代谢途径，使其能够生产出具有特殊风味和功能的新型酒类产品。2.系统生物学与发酵过程优化系统生物学整合了基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学技术，全面研究细胞内基因、转录、翻译、代谢等各个层面的相互作用和动态变化。将系统生物学方法应用于发酵工程，可以深入了解发酵过程中微生物的生理代谢机制，为发酵过程的优化提供理论依据。通过对发酵过程中代谢网络的分析，找出关键节点和限制因素，从而有针对性地调整发酵条件，提高发酵效率。3.新型发酵技术的发展固态发酵技术：固态发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态基质上生长繁殖，并进行代谢的过程。与传统的液态发酵相比，固态发酵具有能耗低、产物浓度高、环境污染小等优点，在食品、饲料、生物农药等领域有广阔的应用前景。例如，利用固态发酵生产豆豉、腐乳等传统发酵豆制品，以及生产纤维素酶、木聚糖酶等酶制剂。连续发酵技术：连续发酵是指在发酵过程中，一边连续加入新鲜培养基，一边连续排出发酵液，使发酵罐内的微生物处于稳定的生长环境中，持续进行发酵生产的技术。连续发酵可提高设备利用率，降低生产成本，实现自动化生产，适用于一些对发酵条件要求相对稳定的产品生产，如酒精、啤酒等的大规模工业化生产。六、发酵工程的未来展望1.可持续发展随着全球对环境保护和资源可持续利用的关注度不断提高，发酵工程将朝着更加绿色、环保、可持续的方向发展。未来，发酵原料将更多地采用可再生资源，如农业废弃物、林业废弃物等，减少对传统化石资源的依赖。同时，发酵过程中的节能减排技术将不断创新，降低发酵工业的能源消耗和环境污染。2.智能化与自动化借助人工智能、大数据、物联网等现代信息技术，发酵工程将实现智能化和自动化控制。通过实时监测发酵过程中的各种参数，并利用数据分析和模型预测，自动调整发酵条件，实现发酵过程的最优控制。这将提高发酵生产的稳定性和效率，降低人工成本，减少人为因素对发酵过程的影响。3.拓展应用领域随着对微生物代谢机制的深入研究和技术的不断创新，发酵工程