發酵工程期末複習重點

《發酵工程》

第二章

發酵工程菌種

1、發酵工程菌

：發酵工業的微生物種類很多，可分為兩二類，即可培養微生物和未培養微生物。其中，可培養微生物包括四大類：1）細菌：單細胞原核微生物，分佈最廣、數量最多，工業上常用的有枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等，用於各種酶製劑、有機酸、氨基酸等； 2）放線菌：單細胞原核，因菌落呈放線狀而得名，最大的經濟價值在於能產生多種抗生素，常用的放線菌主要來自鏈黴菌屬、小單孢菌屬和諾卡菌屬，如鏈黴素、紅黴素、金黴素；

3）酵母菌

：一類單細胞，兼性厭氧，

出芽

生殖真核微生物，啤酒酵母、假絲酵母、類酵母用於生產啤酒、製造麵包、生產脂肪酶和可食用、藥用和飼料用酵母菌體蛋白； 4）黴菌：發黴的真菌，根黴、毛黴、紅曲黴、青黴，它們廣泛用於生產酶製劑等。

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2、發酵工程菌種的分離篩選：

發酵工業對菌種的要求：1）能在廉價原料製成的培養基上生長，目的產物產量高、易回收；2）生長快，發酵週期短；3）培養條件易於控制；4）抗噬菌體和雜菌汙染能力強；5）菌種不易變異退化；6）對放大裝置的適應性強；7）菌種不是病原菌，不產生任何有害的生物活性物質和毒素。 菌種的獲得途徑：1）從菌種儲存機構直接購買（CCCCM中、ATCC美）；2）從自然屆分離篩選；3）從發酵水平高的批號中重新進行分離篩選。 菌種的分離篩選過程：樣品的採集（土壤、海洋、空氣、極端環境微生物、動植物中，總原則是來源越廣泛，獲得新菌種的可能性越大）————材料的預處理（熱處理、膜過濾、離心法、新增幾丁質分離放線菌）————富集培養（控制營養成分和條件篩選目的菌）————菌種分離（平板劃線分離法、塗布分離法）見P18————-菌種的初篩和復篩——菌種鑑定，確定菌種型別。

3、菌種的代謝：

1）初級代謝產物：把微生物產生的對自身生長和繁殖必需的物質稱為初級代謝產物。2）次級代謝產物：由生物體合成，但對其自身的生長、繁殖和發育並沒有影響的一類物質，如抗生素、生物鹼、色素、毒素等。 代謝控制機制包括酶合成的調節（誘導和阻遏）和酶活性的調節。

4、菌種的選育方法：

自然選育（利用菌種的自然突變而進行菌種的篩選）、誘變育種（理論基礎是基因突變，誘變和篩選不斷重複）、細胞工程育種、雜交育種（將兩個基因型不同的菌株接合）、原生質體融合（去除細胞壁後選PEG作為助融劑）、基因工程育種、蛋白質工程育種、組合生物合成育種（利用重組工程酶對一些藥物和化合物直接進行衍生化）、反向生物工程育種。

5、以抗生素為例簡述篩選菌種的方法和過程：

物件確定——採集樣本——富集培養（投其所好、取其所抗之原則）——-初篩——-復篩——較優菌株斜面————效能測定——-菌種保藏

6、接種齡：

種子罐中培養的菌體從開始移入下一級種子罐或發酵罐時的培養時間；

接種量：

移入的種子懸浮液體積和接種後培養液體的體積的比例。

第三章

培養基

1、培養基的分類：

1）按純度分：合成培養基、天然培養基； 2）按狀態分：固體培養基、半固體培養基、液體培養基；3）按用途分：孢子培養基、種子培養基、發酵培養基；

2、選擇性培養基：

是指根據某種微生物的特殊營養要求或其對某種化學、物理因素的抗性而設計的培養基。其功能是使混合菌樣中的劣勢菌變成優勢菌，從而提高改菌的篩選效率。

3、培養基的成分：

1）碳源：常用的碳源有糖類（葡萄糖、糖蜜、澱粉糊）、油脂（豆油、菜油、魚油）、有機酸（乳酸、檸檬酸、乙酸）和烴醇（正烷烴）等。

2）氮源：有機氮源（花生餅粉、黃豆餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白腖、酵母粉、魚粉）、無機氮源（NH4Cl、硫酸銨、硝酸銨、磷酸銨、氨水）

3）無機鹽及微量元素：P、S、Mg、Fe、K、Na、Cu、Zn、Mn、Gu等。

4）水：

5）生長因子（氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等）、前體、產物促進劑和抑制劑（在次級代謝產物發酵過程中，往往抑制某一代謝途徑就會使另一代謝途徑活躍）

● 生理酸性物質

：經微生物生理作用後能形成酸性物質的無機氮源。如硫酸銨；如菌體代謝後能產生鹼性物質的則此種無機氮源稱為

生理鹼性物質

，如硝酸鈉。

● 前體：

能被微生物直接利用，以構成次級代謝產物結構的一部分，而其本身結構沒有大的變化，這種物質稱為前體，如玉米漿中的苯乙胺。

4、發酵培養基的配製條件：

1）都必須含有合成細胞組成所必需的原料；2）滿足一般生化反應的基本條件；3）一定的pH條件等；4）工業生產上選擇的培養基俗稱發酵培養基，還應包括能夠促進微生物合成產物所必需的成分。

第四章

滅菌

1、滅菌

：用物理或化學的方法殺滅或去除物料或裝置中所有生命物質的過程。包括化學滅菌、射線滅菌、乾熱滅菌、溼熱滅菌（原理是高溫下微生物細胞的蛋白變性而死亡）和過濾除菌。

2、對數殘留定律

：溼熱滅菌時，微生物死亡速率與殘留菌數成正比叫對數殘留定律。

-dN/dt=K*N N—殘存的活菌數；t—滅菌時間（s）；K—滅菌速度常數（1/s）與微生物種類和加熱溫度有關；dN/dt-活菌數瞬時變化速率，即死亡速率。

● 為什麼高溫滅菌優於其他滅菌方法？

從理論研究和生產實踐都證明，在滅菌過程中，同時會發生微生物死亡和培養基破壞這兩個過程，微生物死亡速率的提高超過培養基成分破壞速率的增加，要減少營養成分的破壞，可升高溫度滅菌。因此，對於同一滅菌效果，選擇較高的溫度、較短的時間，這樣既可達到需要的滅菌程度，同時又可減少營養物質的損失。

3、分批滅菌：

是將配製好的培養基放在發酵罐或其他容器中，通入蒸汽將培養基和所有裝置一起滅菌的操作過程。包括升溫、保溫、降溫三個階段。滅菌主要是在保溫過程中實現，在升溫階段後期，也有一定的滅菌作用。

4、連續滅菌：

將配製好的培養基在通入發酵罐時進行加熱、保溫、降溫的滅菌過程，也稱之為連消。 其

流程

為：配料—預熱（預熱桶作用是定容和預熱，目的是使培養基在後續加熱過程中能快速地升溫到指定的滅菌溫度）——-加熱（用連消泵打入加熱器，使培養基與蒸汽混合並迅速達到滅菌溫度，加熱器有塔式和噴射式兩種）——保溫（維持滅菌溫度一段時間，是殺滅微生物的主要過程，維持罐和管式維持器）——降溫（迅速降溫）

5、空氣除菌：

好氧性微生物需要空氣，為保證純種培養，需要空氣滅菌。方法有：輻射殺菌（高能陰極射線、X、β、γ射線、紫外線能破壞蛋白質活性而殺菌，紫外線用的最多）

化學、蒸汽滅菌、靜電除菌（利用靜電引力吸附帶電粒子）、熱殺菌、過濾除菌（介質過濾是採用定期滅菌的介質來阻截流過的空氣所含的微生物，

常用的介質有

棉花、活性炭和玻璃纖維、礦渣、金屬絲纖維、合成纖維等。 棉花要選用未經脫脂的，這樣壓緊後仍有彈性，纖維長度要適中，填充率為8。5%-10%。

●

空氣過濾除菌包括絕對過濾和深層過濾：

1）絕對過濾是介質孔隙小於被攔截的微生物大小，如用聚四氟乙烯或纖維素酯材料製成的微孔濾膜，孔徑0。22um。

2）

深層過濾

是指介質孔隙大於被攔截的微生物大小，但介質有一定的厚度，機理是靜電、擴散、慣性及攔截作用。如棉花過濾器、石棉濾板、金屬燒結管等。 深層過濾效率是濾層所濾去的微粒與原來微粒的比值，即穿透濾層微粒與原有微粒的比。

● 對數穿透定律：空氣透過單位濾層後微粒下降的速度與進入空氣微粒的濃度成正比；進入濾層的微粒數與穿透濾層的微粒數之比的對數是濾層厚度的函式。

6、空氣的預處理流程：

前置過濾器（可降低過濾器負荷，即多次過濾）——-空壓機（提供動力，以克服隨後各裝置的阻力，包括往復式、螺旋杆式、渦輪式）——-空氣貯罐——冷卻器——氣液分離器（冷卻後的壓縮空氣，會有來自空壓機的潤滑油，如果冷卻溫度低於露點，空氣中還會有水，除去空氣中的水和油，以保護過濾介質）——冷卻器——氣液分離器絲——絲網過濾器——加熱器——總過濾器——分過濾器

7、空氣過濾的機理：

1）慣性衝擊滯留機理；2）攔截滯留機理；3）布朗擴散作用機理；

4）重力沉降；5）靜電吸附

第五章

生物反應動力及過程分析

1、酶：

生物酶分為六大類：氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶、異構酶、合成酶。

2、代謝產物形成的動力學模型，gaden根據產物生產速率和細胞生長速率之間的關係，將其分成三種類型：

1）相關模型（伴隨生長的產物形成模型）：

指產物的生成與細胞的生長相關的過程，此時產物通常是基質的分解代謝產物，代謝產物的生成與細胞的生長是同步的。（各高峰幾乎同時出現，有平行總量關係，這些發酵的產物有菌體本身）

2）部分相關模型（不完全伴隨生長的產物形成模型）：

反應產物的生成與細胞生長僅有間接關係。在細胞生長期內，基本無產物生成（菌體生長與細胞生成的兩個主峰分別出現在兩個期，在菌體生長期不合成或很少合成，產物生成期菌體生長率出現微弱回升，有檸檬酸發酵和氨基酸發酵等）

3）非相關模型（不伴隨生長的產物形成模型）：

產物的生成與細胞的生長無直接聯絡。它的特點是當細胞處於生長階段時，並無產物積累，而當細胞停止生長後，產物卻大量生成。（菌體生長與產物合成形成不相關的兩個階段，第一期長菌，在產物合成期無菌體生長的回升現象，產品有抗生素、維生素、色素等次級代謝產物）

3、Monod方程：

在培養基無抑制劑的情況下，細胞的比生長速率與限制性基質濃度之間的關係

● 幾個概念：1、

比生產速率μ

是菌體繁殖速率與培養基中菌體濃度之比μ=（dx/dt）/x；單位為1/h，其中X——菌體濃度單位為g/L。對數期為常數； 2、

基質比消耗速率qs

是指單位時間內單位菌體消耗基質的量（ds/dt）/x；單位為1/h，其中S—底物濃度單位為g/L； 3、

產物生產比速率qp

是指單位時間內單位體積發酵液生產產物的量（dp/dt/dv）。 X為菌體濃度，u為比生長速率；

4、得率係數

：表示消耗單位營養物所生產的細胞或產物數量。其包括生長得率係數和產物得率係數：

1）生長得率係數Yx/S、Yx/O2、Yx/Kcal

分別表示消耗每克營養物、每摩爾氧和每千卡能量所生產的細胞數；

2）產物得率係數Yp/S、YCO2/S、YATP/S、YCO2/O2

表示消耗每克營養物（S）或每摩爾氧（O2）生產的產物（P）或ATP和CO2的克數。

5

、

分批發酵、補料分批發酵、連續發酵：

1）分批發酵：

是一種準封閉式系統，是指一次性投料、接種直到發酵結束，此過程中發酵液始終留在發酵罐內，所有液體的流量為零。

圖：

說明：1）延遲期：細胞濃度無明顯變化；2）對數期：細胞濃度隨時間呈指數生長；3）減速期：細胞的生長速率開始減慢；4）靜止期：細胞濃度不再增加，為最大值；5）衰亡期：細胞開始死亡，細胞生長速率為負值。

2）補料分批發酵：

指在分批發酵過程中補充培養基，而不從發酵體系中排出發酵液，使發酵液體積隨著發酵時間逐漸增加。

3）連續發酵：

指以一定的速度向發酵罐內新增新鮮培養基，同時以相同速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恆定，使微生物細胞能在近似恆定狀態下生長的微生物培養方式。

稀釋速率D：

等於培養液在罐中平均停留時間的倒數，在穩定狀態下，細胞的比生長速率等於稀釋速率。

D=F/V=u

6、單級連續發酵：

反應器中的培養基接種後，通常先進行一段時間的分批培養，待細胞濃度達到一定程度後，以恆定的流量F將新鮮培養基送入培養基，同時用泵將反應器中的培養液以同樣的流量抽出，於是反應器中的培養液體積V保持不變。

7、多級連續培養

：將多個攪拌罐反應器串聯起來，前一反應器的出料作為後一反應器的進料，即成為多級連續培養系統。

第六章

發酵工業中氧的供需

1、呼吸強度

：單位質量幹菌體在單位時間內所吸取的氧量，以Qo2表示。

2、攝氧率（好氧速率）：

指單位體積培養液在單位時間內的耗氧量，以γ表示。

3、氧的傳遞過程：

1）供氧（空氣中氧——-氣膜——-氣液介面——-液膜——-液體主流中）

2）耗氧（液體主流——-液膜——-菌絲叢——-細胞膜——-細胞內）

4、氧的傳遞阻力：1）供氧阻力：

① 氧從氣相主體擴散到氣—液介面的阻力；② 透過氣—液介面的阻力；③ 透過細胞外側的滯流液膜，達到液相主體的阻力；④ 液相主體中的傳遞阻力

2)秏氧阻力：

⑤ 透過細胞或細胞團外的滯流液膜，到達細胞團與液體介面的阻力；⑥ 透過液體與細胞團之間介面的阻力；⑦ 細胞團在細胞與細胞之間的介質中的擴散阻力；⑧ 進入細胞的阻力；⑨ 細胞內反應阻力。

注：供氧方面的主要阻力是氣膜和液膜阻力；耗氧方面的阻力主要是細胞團與細胞膜阻力引起！

第七章

發酵工程控制

1、發酵工業中溶解氧為什麼很容易成為控制因素？

答：溶氧是需氧微生物生長所必須的，對細胞生長和產物合成有較大影響，由於氧在水中的溶解度很低，所以在需氧微生物發酵過程中溶解氧往往最易成限制因素。溶解氧在發酵過程控制中起重要作用：溶解氧判斷操作故障或事故引起的異常現象；溶解氧判斷中間補料是否恰當；溶解氧判斷髮酵體系是否汙染雜菌；溶氧作為控制代謝方向的指標。

2、最佳pH的選擇：

選擇最適發酵pH的準則是獲得最大比生產速率和適當的菌量，一夥的最高產量。

一般pH調控有以下幾種方法：

① 配製合適的培養基，調節培養基初始pH至合適範圍並使其也很好的緩衝能力；② 培養過程中加入非營養基質的酸鹼調節劑，如CaCO3等防止pH過度下降；③ 培養過程中加入基質性酸鹼調節劑，如氨水等；④ 加生理酸性或鹼性鹽基質，透過代謝調節pH；⑤ 將pH控制與代謝調節結合起來，透過補料來控制pH。

3、溫度對發酵的影響：

在過程最佳化中應瞭解溫度對生長和生產的影響是不同的，溫度對菌的生長和生產的影響的各種因素綜合表現的結果。從酶動力學看，溫度升高，反應速率加大，生長代謝速度加快，生產期提前，但因酶本身很容易因過熱而失去活性，溫度越高，酶的失活也越快，表現為菌體易於衰老，發酵週期縮短，影響產物的最終產量。溫度除了直接影響過程的各種反應速率外，還透過改變發酵液的物理性質來年影響產物的合成，溫度還會影響生物合成的方向，對代謝有調節作用，一般生物的活化能越高，對溫度越敏感。

最適溫度：是

指最適於菌的生長或產物的生成的溫度，它是一個相對概念，是在一定發酵條件下測定的結果。不同的菌種、不同培養條件以及不同的生長階段，最適溫度會有所不同。

由於最適合菌體生長的溫度不一定適合發酵產物的合成，故在實際發酵過程中往往不能在整個發酵週期內僅選一個最適培養溫度，而需建立二階段發酵工藝。

4、泡沫對發酵的影響及控制：

一般在含有複合氮源的通氣發酵中會產生大量泡沫，引起“逃液”，給發酵帶來許多副作用，主要表現在：1）降低了發酵罐的裝料係數；2）增加了菌群的非均一性；3）增加了汙染雜菌的機會；4）大量氣泡，控制不及時，會引起逃液，招致產物的流失；5）消泡劑的加入會影響發酵或給提煉工序帶來麻煩。

控制泡沫的方法

有機械消泡和消泡劑消泡。

5、高密度發酵：

指培養液中工程菌的濃度在50g乾重/L以上，理論上最高值可達200g乾重/L。

6、呼吸商：

指生物體在同一時間內，釋放二氧化碳與吸收氧氣的體積之比或摩爾數之比，即指呼吸作用所釋放的CO2和吸收的O2的分子比。

第八章

發酵裝置

1.通風發酵罐的型別：

機械攪拌發酵罐、氣升式發酵罐、自吸式發酵罐、伍式發酵罐、文氏管發酵罐

2、攪拌的作用：

①液體通風后進入的氣泡在攪拌中隨著液體旋轉使之所走路程延長，使發酵液中保持的空氣數量增加，實際上是增加了傳質量；②透過攪拌，大氣泡被攪拌器打碎，增加比表面積，增加氣液接觸面積；③攪拌速度越快，攪拌雷諾準數增加，增加了傳氧速率。

3、啤酒發酵罐由於操作失誤就可能造成罐內真空甚至被吸癟?

答：因為放料速度和倒灌速度過快，洗滌劑是鹼性的，與二氧化碳中和，導致真空。

4、通氣式攪拌發酵罐中的平直葉渦輪攪拌器為什麼要安一個圓盤呢？

答：因為不安圓盤的話，氣泡直接將進入發酵罐中，對發酵不利；安裝了圓盤的話，可以將氣泡打碎，增加氣液接觸面積，使全體攪拌更均勻，避免造成浪費。清洗也更方便。

5、擋板的作用：

改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。

消泡器的作用：

將泡沫打碎。

輻射的作用：

使灌頂和罐底軸之間的縫隙加以密封，防止洩漏和汙染雜菌。