发酵工程知识点

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1、发酵工程:是根据生物学,化学和工程学的原理进行工业规划的经营和开 发微生物,动植物细胞及其亚细胞组分,进而利用生物体所具有的功能元 件来提供商品而服务于社会的一门综合性科学技术. 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， 或者更严格的说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 自然选育:再生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进 行菌种筛选的过程。诱变育种:一般采用物理，化学诱变因素使微生物DNA的碱基排列发生 变化，以使排列错误DNA模板形成异常的遗传信息，造成某些蛋白结 构变异，而是细胞功能发生改变。代谢控制发酵:用人工诱变的方法，有意识的改变微生

2、物的代谢途径， 最大限度的积累产物，这种发酵形象的称为代谢控制发酵。回复突变:高产菌株在传代过程中，由于自然突变导致高产性状的丢失， 生产性能下降的情况称之为、。葡萄糖效应:葡萄糖被快速分解代谢所积累的分解代谢产物在抑制抗生 素合成的同时也抑制其他某些碳，氮源的分解利用。结构类似物:在化学和空间结构上和代谢的中间产物相似，因而在代谢 调节方面可以替代代谢中间产物的功能但，细胞不能以其作为自身的营 养物质。蛋白质工程:是以蛋白质结构与功能的关系为基础，通过周密的分子设 计，把蛋白质改造为合乎人类需要的新型蛋白质。代谢工程:利用重组DNA技术对细胞物质代谢，能量代谢及调控网络信 号进行修饰与改造，

3、进而优化细胞生理代谢，提高或修饰目标代谢产物 以及合成全新的目标产物的新学科。渗漏缺陷型:遗传性障碍不完全的营养缺陷型。突变使某一种酶的活性 下降而不是完全丧失，所以这种营养缺陷型能够少量的合成某一代谢产 物，能在基本培养基上少量的生长。灭菌:采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其 生长繁殖能力的措施。热阻:是指微生物在某一特定条件下的致死时间。 相对热阻：是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同 条件下的致死时间的比值。连续灭菌:将培养基在发酵罐处连续不断的进行加热，维持和冷却，然 后才进入发酵罐。间歇灭菌:将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定美军温度后，

4、维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，叫做、 同型乳酸发酵:进行乳酸发酵的主要细菌，利用糖经糖酵解途径生成丙 酮酸，丙酮酸还原产生乳酸，发酵产物中只有乳酸的称之为、。 双歧途径:双歧杆菌进行的乳酸发酵有两个磷酸酮解酶参与，在没有氧 化作用和脱氢作用下，2分子G分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘 油醛，转化为乳酸。次级代谢产物:由微生物产生的，是微生物生长繁殖所必需的物质如蛋 白质，氨基酸，核酸。次级代谢产物:由微生物生产，但与微生物的生长，繁殖无关的一类物 质。如抗生素，色素，毒素。Ml量描述微生物生长和产物形成的过程. 菌体比生长速率:菌体浓度除菌体的生长速率或菌体浓度除菌体的繁殖

5、速.不但受到细胞自身遗传信息的影响,还受到环境因素的影响. 基质比消耗速率:指每克菌体在一小时内消耗营养物质的.表示细胞对 营养物质的利用速率或效率. 产物比生产速率:指每克菌体在一小时内合成产物的,它表示细胞合成 产物的速度和能力.反馈抑制:代谢产物对菌体的生长或产物的形成产生抑制作用,影响目标 产物的进一步提高.静息细胞:指细胞在培养基内虽基本停止生长,但却能维持其生存与产活 细胞.单一限制性基质:指在培养基微生物的营养物中,对微生物的生长起到 限制作用的营养物.耗氧速率:指单位体积的培养液在单位时间的耗氧量.呼吸速率:单位质量的细胞干重在单位时间的耗氧量. 临界溶氧浓度:培养液中维持微生

6、物呼吸的最低氧浓度. 菌体浓度:指单位体积培养液中菌体的含量.呼吸商:CO2的释放率与细菌耗氧速率称为呼吸商 发酵工程内容：菌种的选育,培养基的配制,灭菌,扩大培养和接种,发酵 过程,产品的分离提等方面.生物反应过程特点发酵原料的选择和预处理菌种的选育和扩大 培养微生物发酵和控制产品的分离和纯化.微生物发酵工业产品的类型：生产微生物细胞物质微生物酶发 酵微生物代谢产物发酵微生物的生物转化微生物特殊技能的利用.微生物工业对菌种的要求：廉价原料，生长迅速，目的产物产量 高易于控制培养条件，酶活力高，发酵周期短抗杂菌和噬菌体的能 力强菌种纯，不易变异和退化，不产生有害于活性的物质和毒素，保 证安全生

7、产。对放大设备的适应性强。菌种衰退的原因:菌种保藏不妥菌种生长要求不达标或失去某些 需要的条件诱变新菌种发生回复突变，丧失新的特征连续传代 衰退菌种的特点:个体或群体特征发生变化生产能力降低代谢能 力降低发酵周期延长抗不良环境能力降低预防措施:菌种的分离菌种的复壮提供良好的环境条件使用优 良的保存方法定期纯化菌种工业生产菌种的基本方法:自然选育，诱变育种，抗性菌种选育， 代谢控制育种及基因重组定向育种等。灭菌的方法:干热灭菌法火焰灭菌法湿热灭菌法电磁波射 线灭菌法化学药剂灭菌法过滤除菌法影响培养基灭菌效果的因素:培养基成分PH影响培养基中的 颗粒物质泡沫 空气灭菌的方法:热灭菌法静电除菌辐射灭

8、菌法介质过滤除 菌连续灭菌和分批灭菌比较：1）连续灭菌：高温快速，养分损失少, 有利于提高发酵产率发酵罐利用率高节能适宜自动控制2）分批 灭菌:适宜固体培养基或泡沫较多的培养基 氨基酸发酵的代谢控制:控制发酵的环境条件控制细胞渗透压 控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度消除终产物的反馈抑制与阻遏作用促进ATP积累，以利于氨基酸的生物合成 繁殖，菌体衰老进而结束发酵，最终提出产物。2）特点:微生物所处的 环境是不断变化的，发生杂菌污染能够很容易结束操作，当运转条件发 生变化或需要生产新产品时，以改变对策。对原料组成要求比较粗放。分批发酵法的特点:1）概念:每一个分批发酵过程都经历接种，生长连续发酵法

9、特点1）概念:连续发酵过程是当微生物培养到对数期时， 一方面以一定速度连续不断的给发酵罐中添加新鲜的液体培养液另，一 方面又以同样的速度连续不断的将发酵液排出的方法。2）特点:微生物 的生长和代谢活动始终保持旺盛的稳定状态，押H,温度，营养成分的浓度，溶解氧等都保持一致，并从系统外部给与调整，使菌体维持在 恒定生长速度下进行连续生长和发酵，这样就大大提高了发酵的生长效 率和设备利用率。发酵生产工艺控制最优化：明确控制目的明确影响因素确定 实现目标值的方法确定最佳工艺实施最佳工艺 代谢参数：物理参数，化学参数，生物参数 温度对发酵的影响:影响各种酶反应的速率改变菌体代谢产物的 合成方向，影响微生

10、物的代谢调控机制影响发酵液的理化性质进而 影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。不同染菌时间对发酵的影响:1）种子培养期:菌体浓度低，培养基丰 富，易感染菌，灭菌后除去，并对种子罐，管道进行检查和彻底灭菌。2）发酵前染菌:杂菌与生产菌争夺营养成分，干扰生产菌的繁殖和产物 的形成。易染菌，应特别防止，可重新灭菌，补充营养，重新接种发酵。3）发酵中期染菌:严重干扰生产菌的繁殖和产物的生产，挽救处理困难，危险性大.4）发酵后期染菌:如杂菌量不大，可继续发酵。如染菌严重 可采取措施提前放罐.设备渗漏或“死角”造成的染菌及其防治:设备渗漏主要是指发酵罐、 补糖罐、冷却盘管、管道阀门等，由于化学腐蚀（发酵

11、代谢所产生的有 机酸等发生腐蚀作用）、电化学腐蚀（如氧溶解于水，使金属不断失去电 子，加快腐蚀作用）、磨蚀（如金属与原料中的泥沙之间磨损）、加工制作 不良等原因形成微小漏孔后发生渗漏染菌。噬菌体污染及其防治:利用细菌或放线菌进行的发酵生产容易受噬菌 体的污染，由于噬菌体的感染力非常强，传播蔓延迅速，且较难防治 对发酵生产有很大威胁。防治噬菌体染菌的方法具体归纳以下几点 严禁活菌体排放，切 断噬菌体的“根源”;做好环境卫生，消灭噬菌体与杂菌严防噬菌体 与杂菌进入种子罐或发酵罐内；抑制罐内噬菌体的生长泡沫的控制，可以采用三种途径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

12、（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。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。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培养基灭菌时间计算1) 分批灭菌例如;某发酵罐内装培养基40m3,在12FC下进行分批灭菌。 设培养基中含耐热芽抱为2X105/mL，求理论灭菌时间t = (2.303/k)log(N0/Nt) NO = 40 X 106X2

13、X 105=8X 1012 个 Nt = 0.001 (灭菌失败几率)k=1.8 min-1, 121C 时灭菌速度常数1 = (2.303/1.8)log(X 1012/0.001)= 20.34 min2) 连续灭菌：按下式计算.但培养基中的含菌数.应改为 1ml 培养基的含 菌数。例如；某发酵罐，内装培养基40m3，在121C下进行连续灭菌 设培养基中含耐热芽抱为2X105/mL，求理论灭菌时间t = (2.303/k)log(Co/Cs) C0 = 2X105 个/ ml，灭菌前含菌数；Cs = 0.001/40X 106 =2.5X10-11 个/ml，灭菌后的含菌数；k=15min

14、-1，121 C时灭菌速度常数；t= (2.303/15)log(2X 105/ 2.5X 10-11 ) = 2.37 min莫诺德方程(微生物分批培养的生长动力学方程):分批配养过程中, 虽然培养基中的培养物质随时间的变化而变化,但通常在特定条件下其 比生长速率往往是恒定的Monod提出了在特定温度pH值，营养物类型 营养物浓度等条件下,微生物的比生长速率与限制性营养物质的浓度之 间存在如下的关系:p =M c(S)/(K+ c(S).p :微生物的最大比生 mSm长速率;在工业生产中有很大意义细菌的p大于真菌.温度升高，p mm 增大.c(S):限制性营养物质的浓度.K :饱和常数.意义

15、:当比生长 S速率为最大比生长速率的一半时底物浓度K越大，表示微生物对营养S 物质的吸收亲和力越小， 反之就越大. 溶解氧方程补料分批发酵法的特点：1)(与分批发叫比较)可以解除培养过程中 的底物抑制，产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应对好氧过程, 可以避免分批配养过程中应一次性投糖过多造成的细胞大量生长,耗氧 过多以致通风搅拌设备不能匹配的状况.在某种程度上可减少微生物细 胞的生成量提高目标产物的转化率微生物细胞可以被投掷在一系列 连续的过渡态阶段,可用来控制细胞的质量.并可重复某个时期细胞培养 的过渡态可用于理论研究.2）（与连续培养方式比较）不需要严格的无 菌条件不会产生微生物菌种的老

16、化和变异最终产物浓度较高有利 于产物的分离适用范围广.柠檬酸积累原理 由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而导致细 胞内的NH4+的浓度升高，促进了EMP途径的畅通由组成型的丙酮 酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸在控制Fe2+含量的情况下，顺乌头 酸酶活性低，从而使柠檬酸积累丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅鶴和 丙酮酸固定CO2反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增强了合 成柠檬酸的能力柠檬酸积累增加， PH 降低，在低 PH 条件下，顺乌 头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促进了柠檬酸自身的积 累。杂菌污染的途径和防治种子带菌及其防治1）种子带菌的原因2）生 产上的一些措施严格控制无菌室的污染，

17、根据生产工艺的要求和特 点，建立相应的无菌室，交替使用各种灭菌手段对无菌室进行处理; 在制备种子时对沙土管、斜面、三角瓶及摇瓶均严格进行管理，防止杂 菌的进入而受到污染;对每一级种子的培养物均应进行严格的无菌检 查，确保任何一级种子均未受杂菌感染后才能使用对菌种培养基或 器具进行严格的灭菌处理，保证在利用灭菌锅进行灭菌前，先完全排除 锅内的空气，以免造成假压，使灭菌的温度达不到预定值，造成灭菌不 彻底而使种子染菌空气带菌及其防治：要杜绝无菌空气带菌，就必 须从空气的净化工艺和设备的设计、过滤介质的选用和装填、过滤介质 的灭菌和管理等方面完善空气净化系统.操作失误导致染菌及其防 治：1）淀粉质原

18、料容易结块“夹生”:搅拌混合或加入一定量的a-淀粉酶或罐外预先配料混均.2）灭菌时压力表显示“假压”:打开排气阀门及有关 联接管的边阀、压力表接管边阀等排汽.3）培养基灭菌中产生泡沫:添加 消泡剂.4）工人操作不当:加强技术培训和责任心教育.PH对发酵的影响：影响酶的活性，当其抑制酶的活性时，会阻碍 菌体的新陈代谢影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变膜的通透 性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄影响培养基中某 些组分的分解PH不同，引起菌体的代谢过程不同，使代谢产物的质 量和比例改变PH还会影响某些霉菌的形态调节PH的方法：调节培养基的配方，使PH发生变化添加缓冲 剂补料控制直接加酸加碱