发酵工程原理知识点总结

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1、1、发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程。2、发酵工程：利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，它是生物工程和生物技术学科的重要组成部分，又叫微生物工程3、发酵工程技术的发展史: 1900年以前-自然发酵阶段19001940-纯培养技术的建立（第一个转折点）19401950通气搅拌纯培养发酵技术的建立（第二个转折点）1950-1960代谢控制发酵技术的建立(第三个转折点）19601970-开发发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后-进入基因工程菌发酵时期以及细胞大规模培养技术的全面发展4、工业发酵的类型: 按微生物

2、对氧的不同需求：厌氧发酵、需氧发酵、兼性厌氧发酵 按培养基的物理性状：固体发酵、液体发酵 按发酵工艺流程：分批发酵、补料发酵、连续发酵5、发酵生产的流程:（重要） 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的制备 培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌 扩大培养有活性的适量纯种，以一定比例将菌种接入发酵罐中 控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大料的代谢产物 将产物提取并精制，以得到合格的产品 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质6、常用的工业微生物： 细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等 放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属 酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母7、未培养微生物：指迄今所采

3、用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物8、rRNA序列分析：通过比较各类原核生物的16S和真核生物的18S的基因序列，从序列差异计算它们之间的进化距离，从而绘制进化树。 选用16S和18S的原因是：它们为原核和真核所特有，其功能同源且较为古老，既含有保守序列又含有可变序列，分子大小适合操作，它的序列变化与进化距离相适应。9、菌种选育改良的具体目标： 提高目标产物的产量 提高目标产物的纯度 改良菌种性状，改善发酵过程 改变生物合成途径，以获得高产的新产品10、发酵工业菌种改良方法： 常规育种：诱变和筛选，最常用。关键是用物理、化学或生物的方法修改目的微生物的基因组，产生突变。 细胞

4、工程育种：杂交育种和原生质体融合育种 代谢工程育种:组成型突变株的选育、抗分解调节突变株的选育、营养缺陷型在代谢调节育种中的应用、抗反馈调节突变株的选育、细胞膜透性突变株的选育 基因工程育种：原核表达系统、真核表达系统 蛋白质工程育种：定点突变技术、定向进化技术 代谢工程育种:改变代谢途径、扩展代谢途径 组成生物合成育种：通过合成化合物库进行高效率的筛选 反向生物工程育种：希望表型的确定-确定表型的决定基因-重组DNA技术将该基因在特定生物中表达。11、发酵工业菌种保藏的必要性和技术： 必要性：菌种退化：主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理

5、特征和形态特征逐渐减退或丧失的现象. 技术：斜面低温保藏法、砂土管保藏法、冷冻真空干燥法、液氮超低温保藏法12、适宜于大规模工业微生物发酵的培养基的共性:（1)单位培养基能够生产最大量的目的产物(2）能够使目的产物的合成速率最大（3）能够使副产物合成的量最少(4)所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、易于长期获得（5)所采用的培养基尽量不影响工业好气发酵中的通气搅拌性能及发酵产物的后处理13、培养基中的碳源：作用：a提供微生物菌体生长繁殖所需要的能源以及合成菌体所需的碳骨架b提供菌体合成目的产物的原料。 常用的碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等14、培养基中的氮源：作用:主要用于构成菌体细胞物

6、质(氨基酸、蛋白质、核酸等）和含氮代谢物常用的氮源：a 无机氮源(速效氮源）：铵盐、硝酸盐和氨水 b 有机氮源：如花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、蛋白胨 、酵母粉、酒糟15、生理酸性物质：经微生物代谢后能形成酸性物质的无机氮源（硫酸铵)生理碱性物质：菌体代谢后能产生碱性物质的无机氮源（硝酸钠）16、前体：指加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去,其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因其加入二有较大提高的一类化合物17、产物合成促进剂:指那些细胞生长非必需的,但加入后能显著提高发酵产量的一些物质18、发酵培养基的设计原理：首先确定培养基的组成成分，然后再决定各组

7、分之间的最佳配比。培养基的组分配比、缓冲能力、黏度、灭菌是否彻底、灭菌后营养破坏的程度以及原料中杂质的含量等因素对菌体生长和产物合成有影响.从微生物生长、产物合成的角度需考虑:菌体的同化能力、培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响、碳氮比对菌体代谢调节的重要性、pH对不同菌体代谢的影响19、发酵培养基的优化方法： 根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分培养基成分确定后，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：正交实验、响应面法、响应面法:利用合理的实验设计，建立

8、多元二次方程模型来拟合因素和响应值之间的函数关系，通过对回归方程 的分析来寻求最优工艺，解决多变量问题的一种统计学方法，该法被广泛应用于农、生物、食品、化工等领域.（了解）20、灭菌：用化学或物理方法杀死物料或设备中所有有生命物质的过程u 消毒:用物理或化学方法杀死空气、地表以及容器和器具表面的微生物u 除菌：用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子u 防腐：用物理或化学方法杀死或抑制微生物的生长和繁殖21、发酵工业污染的危害: 染菌对不同菌种发酵有不同的影响（消耗营养、合成新产物、改变pH、分解产物、噬菌体破坏极大 不同发酵时期染菌对发酵有不同的影响（种子扩大时，发酵前期、中期、后期染菌）

9、 杂菌污染对发酵产物提取和产品质量有一定的影响 22、杂菌污染的防治: 染菌的检查与类型的判断：显微镜检查法、平板划线培养检查法、肉汤培养检查法、发酵过程中的异常现象观察法 污染的原因分析：从污染杂菌的种类、污染时间、染菌的程度进行分析杂菌污染的途径及其预防:种子带菌：培养基及器具灭菌要彻底、避免菌种在移接过程中受污染、避免菌种培养过程或保藏过程中受污染u过滤空气带菌：正确选择采气口、根据气候条件设计合理的空气处理流程、设计安装合理的空气过滤器设备的渗漏或“死角”造成染菌:a发酵罐的“死角”：加强清洗并定期铲除污垢、安装放汽边阀b管道安装不当或配置不合理形成的“死角”：法兰的加工、焊接和安装要

10、符合灭菌要求，使衔接处管道畅通、光滑、密封性好，尽可能减少连接法兰培养基灭菌不彻底造成的染菌：彻底灭菌 操作不当造成染菌:操作要严格规范 噬菌体染菌：以净化环境为中心的综合防治23、设备的“死角”：由于操作、设备结构或人为因素造成的屏障等原因，使蒸汽不能到达预定的灭菌部位或该部位的冷空气不易在加热过程中排净，从而不能达到彻底灭菌要求的设备的渗漏：指发酵设备、管道、阀门等在长期使用过程中,由于化学腐蚀、电化学腐蚀、磨蚀、加工制作不良等原因形成微小漏孔后发生渗漏染菌24、 致死温度:杀死微生物的极限温度对数残留定律：在一定温度下，微生物受热致死遵循分子反应速率理论，微生物受热死亡的速率dN/dt与

11、任何瞬间残留的活菌数N成正比：dN/dt = kN非对数残留定律:实际过程中某些微生物受热死亡的速率不符合对数残留定律，Nt/No对灭菌时间t在半对数坐标中标绘得到的残留曲线不是直线。（微生物芽孢）在T相同时,对数与非对数定律的灭菌时间t不同。25、 当灭菌温度升高时，微生物死亡速率大于培养基成分破坏的速率（高温加快灭菌法)26、 分批灭菌：将配制好的培养基放入发酵罐或其它装置中,通入蒸汽将培养基和所用设备仪器进行灭菌的操作,也称为实罐灭菌。分批灭菌的阶段:升温、保温、冷却27、 连续灭菌：将配制好的培养基向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却等灭菌操作.发酵罐应在连续灭菌开始前先进

12、行空罐灭菌，以容纳经过灭菌的培养基28、 空气过滤除菌:采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。流程：前置空气过滤器进行粗虑空压机升压一级冷凝器对压缩空气降温二级甚至多级进行降温除水、除油空气加热器降低湿度空气储罐稳压空气过滤器除菌无菌空气进入发酵罐典型的设备流程：压缩空气两级冷却析水：两次析水、两次分离、适当加热流程：高位吸风塔吸入空气粗过滤空气压缩机加热冷却析水（两次)再加热空气过滤器除菌一次冷却、冷热空气直接混合式的空气过滤除菌：总之,要满足好氧发酵，必须保证空气无菌、温度和相对湿度合适，并

13、具有一定的压力.29、 空气预处理的步骤：外源空气的前处理：提高空气吸风口的位置、加强吸入空气的前过滤空气压缩及压缩空气的冷却压缩空气冷却后的除水、除油为什么要进行空气压缩?为了克服输送过程中过滤介质的阻力为什么空气压缩后要进行冷却？ 高压空气直接通入空气过滤器，可能引起过滤介质碳化或燃烧,而且增大发酵罐的降温负荷，给发酵带来困难，导致菌种损伤。为什么要除水、除油?除水:冷却降温后压缩空气的相对湿度增大，会析出水来，致使过滤介质受潮失效除油：若压缩空气是由含油压缩机制得，会不可避免地夹带润滑油30、 空气的绝对湿度：1m湿空气中含有的水蒸气绝对量（kg)空气的相对湿度(）:空寂的绝对湿度与同温

14、下饱和绝对湿度之比值或者空气中水蒸气分压与同温度时的饱和水蒸气压之比值空气的湿含量（x）：1kg干空气中含有的水汽量露点：当空气的相对湿度等于1时，空气中水蒸气已饱和，此时的温度称为露点Td当TTd 时，有水析出,空气的湿含量降低。31、 种子扩大的级数:制备种子需逐级扩大培养的次数，这要根据菌体的生长繁殖速率、包子发芽速率以及发酵罐的容积综合确定。32、 种子培养:将冷冻干燥管、沙土管中处于休眠状体的工业菌种接入斜面活化后,在经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。33、 优良种子应具备的条件：菌种细胞的生长活力强菌种生理状态稳定菌体浓度及总量满足大容量发酵罐接种量的要

15、求无杂菌污染,保证纯种发酵菌种适应性强,能保持稳定的生产能力34、 种子制备的步骤:活化培养扩大培养一级种子罐（可变)发酵罐进行发酵种子制备分成两个阶段：实验室种子制备阶段、生产车间种子制备阶段种子罐的作用是使有限数量的包子或菌丝生长繁殖成大量的菌丝体35、 种龄：种子的培养时间接种龄：种子罐中培养的菌丝体转入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间接种量：移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例36、 影响种子质量的因素：原材料质量、培养温度、湿度、通气与搅拌、斜面冷藏时间、培养基、pH37、 丝状真菌发酵的种子扩大培养:利用孢子作为接种物：在固化的培养基上产生孢子、在固体培养基上产生孢子、在液体深

16、层培养基中产生孢子用丝状真菌的菌丝体作为接种物:难以获得均一的接种物38、 发酵动力学：研究微生物生长、发酵产物合成、底物消耗之间动态定量关系，是对微生物生长和产物形成过程的定量描述。39、 微生物生产通常要经过延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期和衰亡期五个阶段。40、 底物消耗动力学：底物主要消耗在:用于合成新的细胞物质、合成代谢产物、提供细胞生命活动的能量41、 发酵动力学分类：生长相关型：产物的生成与细胞的生长密切相关的动力学过程，产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果。 生长部分相关型:指代谢产物是能量代谢的间接结果，不是底物的直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过程的主流产物非生长

17、相关型：指代谢产物的生成与能量代谢无关，与细胞生长也无直接关系，即产物生成与微生物细胞生长不偶联42、 分批发酵的优缺点：优点：操作简单、周期短、染菌的机会减少，且生产过程、产品质量易控制缺点:不利于测定过程动力学,对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等就不适合用分批发酵，养分消耗快,非生产时间长、产率低43、 连续发酵：在发酵过程中,连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液 稀释率D：将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与发酵罐内的培养液总体积的比值称为稀释率。D=F/V在稳态时，比生长速率等于稀释率,即比生长速率收到稀释率的控制细胞的生长可导致底物的

18、消耗,直至底物的浓度足以支持比生长速率与稀释率相等为止临界稀释率D:导致菌体开始从系统中洗出时的稀释率44、 恒化器：连续培养系统。培养物的比生长速率收到化学环境的控制，即培养基中某一西安执行组分的控制作用恒浊器：通过控制补充培养基的流速，使得发酵管内发酵液细胞浓度保持恒定，即将发酵液的浊度保持在某一窄小的范围内45、 培养物产率：单位发酵时间形成的菌体量46、 分配补料发酵：分批发酵过程中补充培养基，不从发酵体系中排出发酵液，使发酵液的体积随着发酵时间逐渐增加半稳态：虽然细胞的总量随着时间的延长而增加,但细胞浓度实际上仍是一个常数，这种状态称为半稳态7章 之后1、 呼吸强度:单位质量干菌体在

19、单位时间内所吸取的氧量 耗氧速率（摄氧率）：单位体积培养液在单位时间内的耗氧量2、 影响微生物耗氧的因素：微生物本身遗传特征的影响培养基的成分和浓度：碳源种类、培养基浓度、是否有生长抑制剂菌龄发酵条件代谢类型3、 控制溶解氧的意义：溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响是不同的，须了解生长期和生产期的最适需氧量氧传递率已成为许多好气性发酵产量的限制因素发酵工业上氧的利用率很低，提高传氧效率,能大大降低空气消耗量，从而降低设备费用和动力消耗,且减少泡沫形成和染菌的机会，大大提高设备利用率 4、 发酵过程中氧的传递氧的传递可分为供氧和耗氧两个方面,供氧是指空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液

20、膜扩散到液体主流中；耗氧是自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内.供氧方面的主要阻力使气膜和液膜阻力5、 双膜理论假说：气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面,在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于流层状态，氧以浓度差方式透过双膜；气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态,称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，氧在两膜间的传递在定态下进行，因此，氧在气膜和液膜间的传递速率相等。在双膜之间界面上,氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系氧传递过程处于稳定态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而

21、变化，且其与该点的氧气分压的平衡关系遵循亨利定律6、 气体溶解于液体中，液膜阻力使主要因素7、 气体传质的基本方程：OTR=KLa（C-CL）OTR单位体积培养液的氧传递速率KLa以浓度差为推动力的体积溶氧系数a内界面，即气液比表面积供氧与耗氧达到平衡时：OTR=（摄氧率）8、 无量纲数Da为Damkohler数，物理意义是细胞的最大耗氧量与最大供氧量之比 当Da1时,细胞的耗氧量小于最大供氧量，整个过程受呼吸速率控制 当Da1时，细胞的耗氧量超过最大供氧能力,存在供氧限制，整个过程受氧传递速率控制9、 影响推动力的因素：温度：氧传递过程中的推动力将随发酵液温度的升高而下降溶质：电解质、非电解

22、质、混合溶液,氧的溶解度随溶质浓度的增加而下降溶剂:合理添加有机溶剂可降低水的极性从而增加溶解氧的浓度氧分压：增加氧分压也能通过提高氧的溶解度来增加氧传递的推动力10、 影响KLa的因素：设备参数、操作条件、发酵液性质11、 溶解氧的测定方法：化学法、极谱法、复膜氧电极法摄氧率的测定方法：瓦式呼吸仪法、物料衡算法、氧电极法KLa的测定方法:亚硫酸盐氧化法、取样极谱法、物料衡算法、动态法、排气法、复膜电极法12、 发酵过程参数的检测分为两种方式，一是利用仪器进行在线检测，而是从发酵罐中取出样品进行离线检测13、 直接状态参数:能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数间接状态参数：采用直接状态

23、参数计算求得的参数14、 发酵热：在发酵过程中,引起温度变化的原因是由于发酵过程中所产的净热量发酵热=生物热+搅拌热+通气热蒸发热辐射热生物热：指微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热量15、 最适温度:最适于菌的生长或产物的生成的温度,是一个相对概念16、 pH调控的方法:配置合适的培养基加入非营养基质的酸碱调节剂,碳酸钙加入基质性酸碱调节剂，氨水加生理酸性或碱性盐基质将pH控制欲代谢调节结合起来，通过补料控制pH17、 临界氧浓度:指不影响呼吸系统所允许的最低溶氧浓度18、 二氧化碳对细胞的作用机制是影响细胞膜的结构,使细胞处于“麻醉”状态，生长受到抑制19、 呼吸商RQ:二氧化碳的释放

24、率（CER）与摄氧率（OUR）的比值20、 泡沫对发酵的影响:降低了发酵罐的装料系数增加了菌群的非均一性增加了污染杂菌的机会大量起泡，控制不及时会引起“逃液”，导致产物流失消泡剂的加入有时会影响发酵产量或给下游分离纯化与精致工序带来麻烦21、 泡沫的控制方法：机械消泡消泡剂消泡：表面活性剂,有一定的亲水性，在水中的溶解度小，对发酵过程无毒,不干扰溶氧、pH等仪表的使用,消泡剂来源方便、价格便宜生产菌种本身的特性22、 对基因工程菌发酵过程进行控制的关键在于宿主的生理遗传特性影响着外源基因的表达,而外源基因的表达又影响着宿主的生长特性23、 外源基因表达的控制机制:外源基因的表达由组成型基因或构

25、建质粒时加入的Lac、Trp、PL、PR等启动子控制24、 基因工程菌发酵的生物反应器主要有：机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐25、 基因工程菌不稳定性包括：质粒的不稳定性、表达产物的不稳定性表现形式为：质粒的丢失、重组质粒发生DNA片段脱落、表达产物不稳定26、 清洁生产：是一种创新性思想,该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效率和减少人类及环境的污染具体内容：对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒材料,减少、降低废弃物的数量和毒性 对产品，要求减少从原材料利用到产品最终处置的全生命周期的不利影响对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中实行清洁生产包括

26、清洁生产过程、清洁产品和服务三个方面27、 清洁生产的与方法:污染防治：产品改进，采用代替原材料,技术革新、工艺自动化、生产过程优化，内部管理优化、减少废物产生、加强排放的管理消减有毒物品使用：注重产品配方，原料代替，改变或重新设计生产工艺单元，改善工艺、实现现代化，改善工艺过程和管理维护，工艺再循环为保护环境而设计:核心是在不影响产品性能和寿命的前提下，尽可能体现环保目标28、 影响发酵产品成本的主要因素：菌株性能、培养基成分、无菌空气用量、搅拌功率、发酵生产方式、发酵产物的分离纯化、发酵规模、三废的综合利用与循环使用菌株应达到的目标：产酶单位高、活力强，遗传性能稳定，不产或少产杂酶、杂蛋白

27、，同化培养基的能力强，能充分利用培养基29、 淀粉、糖蜜等农副产品是碳源的主要来源，价格受种植面积和收获情况以及市场需求量的影响供培养基用的磷酸盐要求是食用级的而不是肥料级30、 发酵工厂为节约冷却水用量的办法：采用气升式发酵罐选育嗜热或耐热的生产菌株改变原料路线,少用烃类原料,以降低发酵产能31、 当微生物不受底物抑制,具有较强的基质转化能力和生产效率时,可采用分批发酵当微生物能高效的利用基质、菌种遗传性能稳定以及空杂菌污染能力强,采用连续发酵以发酵后处理成本为主的发酵类型不适于进行连续发酵,因为连续发酵的培养液中产物浓度较低，提取成本高，尽管其总生产率较高,但总成本费用会高得多。此时多用分

28、批补料发酵（产物浓度高，易于分离纯化。32、 发酵规模的成本分析：设备可获得的最大通气能力冷却能力制造技术水平和运输安装等问题33、 生产效率：又称发酵速率，指单位操作时间、单位发酵体积所产生的发酵产物量，是评价发酵生产的主要指标之一。关系到固定成本的经济效益发酵过程生产速率：指发酵过程中单位时间内单位发酵体积所产生的发酵产物量 发酵设备的生产能力:指在一定时间内单位发酵罐容积所产生的发酵产物量40、 基质转化率：指发酵工艺中所使用的主要基质（一般指碳源或其他成本较高的基质）转化为发酵产物的得率。是原材料成本效益的指示值41、 维生素C的生产原理与技术： 维生素C二步发酵法是我国维生素C工业生

29、产的主要方法，它是在莱氏法第一步发酵后，用微生物继续发酵将L-山梨糖转变为维生素C前体2酮基L古龙酸(2-KGA）的一种方法。第二步发酵菌系为混和菌系，其中氧化葡萄糖酸杆菌负责山梨糖到维生素C前体2KGA的转化,俗称小菌.另一种为伴生菌,帮助小菌生长与产酸,生产上常用的是巨大芽孢杆菌俗称大菌。在混合培养发酵过程中大小菌之间既有共生作用，又有拮抗作用，有多种因子影响二菌间的相互作用.控制混菌中大菌的浓度，延长其稳定生长期有利于混菌体系的产酸。流程：一步菌种液一步一级种子一步二级种子一步发酵80，10min山梨醇培养基、辅料 混合菌种液二步一级种子二步二级种子二步发酵静置上清液离心处理 减压浓缩2酮基L古龙酸化学转化维生素C