發(fā)酵課程總結(jié)

課程總結(jié)

魯彬彬100201*044

一、課程簡介

《發(fā)酵工程》是一門由化學、生物學和工程學相互融合的交叉學科。不僅涉及生物技術(shù)的前沿領(lǐng)域，而且是其他生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化得重要技術(shù)基礎(chǔ)，更是當今生物技術(shù)第三次浪潮工業(yè)生物技術(shù)的核心內(nèi)容。發(fā)酵工程是包括上游的微生物菌種選育與培養(yǎng)技術(shù)、生化過程工程技術(shù)、下游的發(fā)酵產(chǎn)物的提取精制技術(shù)在內(nèi)的綜合性技術(shù)。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)日新月異、突飛猛進的發(fā)展，尤其是組學、系統(tǒng)生物學的發(fā)展，作為生物技術(shù)的重要組成部分的發(fā)酵工程也增加了更多的豐富內(nèi)涵，也更加廣泛地應用在包括輕工、食品、化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保等在內(nèi)的國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域中持續(xù)地造福人類。與傳統(tǒng)化學工程相比，發(fā)酵工程有一下突出特點：1、主要以可在生資源為主料

2、反應條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效

率高的生產(chǎn)過程3、環(huán)境污染較小4、投資較小

5、能生產(chǎn)目前化學法不能生產(chǎn)的或用化學法生產(chǎn)教困難的性

能優(yōu)異的產(chǎn)品。二、學習心得

學習了發(fā)酵工程這門課程，才發(fā)現(xiàn)自己正真的進入了自己的生物專業(yè)，才知道自己的專業(yè)原來學問這么高深。通過對發(fā)酵課程的學習，充分了解了發(fā)酵工程學的特點，研究領(lǐng)域，工藝條件控制和一些重要的發(fā)酵工程原理。例如：發(fā)酵動力學及一系列知識。同時也學習了發(fā)酵設(shè)備的知識。對實際工廠發(fā)酵流程有了充分的了解，這對以后進入工廠進行實際操作打下基礎(chǔ)。其中，對通風發(fā)酵設(shè)備、厭氣發(fā)酵設(shè)備和固態(tài)發(fā)酵設(shè)備進行了詳細的學習。這使我們對發(fā)酵工藝流程有了非常的具體的掌握。最后、簡單總結(jié)一下學習這門課程總結(jié)的一些注意點：1、發(fā)酵工程學是一門理論結(jié)合實際的課程，所以在學習書本

知識的同時要注意實際操作。

2、在學習發(fā)酵設(shè)備時一定要注意整體流程，儀器注意事項要

牢記，以免出現(xiàn)安全隱患。

擴展閱讀：發(fā)酵總結(jié)

第一章緒論

1、發(fā)酵：通過微生物的生長繁殖和代謝活動，產(chǎn)生和積累人們所需產(chǎn)品的生物反應過程。

2、發(fā)酵工程：是指利用微生物的生長繁殖和代謝活動來大量生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品過程的理論和工程體系，是生物工程技術(shù)學科的重要組成部分。包括菌種的選育和保藏、菌種的擴大生產(chǎn)、微生物代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化、微生物生理功能的工業(yè)化應用。

3、工業(yè)發(fā)酵的類型：按對氧的需求：需氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵，兼性厭氧發(fā)酵。按培養(yǎng)基的物理性狀：液體發(fā)酵，固體發(fā)酵。

按發(fā)酵工藝流程：分批發(fā)酵，連續(xù)發(fā)酵，補料分批發(fā)酵。

4、通常將現(xiàn)代生物技術(shù)劃分為基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程。

5、路易斯巴斯德（LouisPasteur），法國微生物學家、化學家，開辟了微生物領(lǐng)域，近代微生物學的奠基人。巴斯德證明了三個科學問題：

（1）每一種發(fā)酵作用都是由于一種微菌的發(fā)展。“巴氏殺菌法”便應用在各種食物和飲料上。

（2）每一傳染病都是一種微菌在生物體內(nèi)的發(fā)展。

（3）傳染病的微菌，在特殊的培養(yǎng)之下可以減輕毒力，使他們從病菌變成防病的藥苗。

巴氏滅菌法又稱低溫滅菌法，先將要求滅菌的物質(zhì)加熱到65℃30分鐘或72℃15分鐘，隨后迅速冷卻到10℃以下。既不破壞營養(yǎng)成分，又能殺死細菌的營養(yǎng)體，巴斯德發(fā)明的這種方法解決了酒質(zhì)變酸的問題，拯救了法國釀酒業(yè)。

7、發(fā)酵工業(yè)的三個轉(zhuǎn)折點：純培養(yǎng)技術(shù)的建立，深層液體通氣攪拌純種培養(yǎng)，代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的建立。6、發(fā)酵工業(yè)的特點

發(fā)酵工業(yè)：利用微生物具有的加工和生物轉(zhuǎn)化能力，將廉價的發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物的產(chǎn)業(yè)。

①發(fā)酵過程一般都是在常溫常壓下進行的生物生化反應，反應條件比較溫和。②可以選擇廉價的原料生產(chǎn)較高價值的產(chǎn)品。

③發(fā)酵過程是通過生物體的自適應調(diào)節(jié)來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較專一的代謝產(chǎn)物。

④由于生物體本身具有的反應機制，能專一性地和高度選擇性地對某些較復雜的化合物進行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾，也可產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。⑤發(fā)酵生產(chǎn)不受地理、氣候、季節(jié)等自然條件的限制。7、發(fā)酵工業(yè)的范圍及例子。①微生物菌體：酵母（面包）、單細胞蛋白（SCP）。②酶制劑：淀粉酶（葡萄糖）、果膠酶（澄清果汁、精煉植物纖維）、蛋白酶（皮革加工、飼料添加劑。③代謝產(chǎn)物：

初級代謝產(chǎn)物：對數(shù)生長期產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，是細胞生長和繁殖所必需的物質(zhì)。具有重要的應用價值，供商業(yè)開發(fā)。

◇初級代謝產(chǎn)物：與菌體生長相伴隨的產(chǎn)物，如：氨基酸、核苷酸、維生素、有機酸、溶劑，菌體對其合成反饋控制嚴密，一般不過量積累。

次級代謝產(chǎn)物：微生物進入緩慢生長期或者停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的物質(zhì)。藥物篩選和開發(fā)的重要資源。

◇次級代謝產(chǎn)物：與菌體生長不相伴隨，以初級代謝產(chǎn)物為原料而合成，如：抗生素、生物堿、毒素、胞外多糖等結(jié)構(gòu)常較復雜對環(huán)境條件敏感

④生物轉(zhuǎn)化：利用微生物細胞或酶對某些化合物的特定部位進行催化修飾，使之轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)相似具有更大經(jīng)濟價值的化合物。

范疇：脫氫，氧化，羥化，縮合，還原，脫羧，氨化以及異構(gòu)作用等。優(yōu)點：效率高、專一性強、條件溫和。

8、發(fā)酵工藝流程：菌種制備、培養(yǎng)基的制備、滅菌、接種、控制發(fā)酵條件、產(chǎn)物的提取與精制、回收處理三廢物質(zhì)。

①用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基的配置；②培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；

③擴大培養(yǎng)有活性的適量純種，以一定比例將菌種接入發(fā)酵罐中；

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④控制最適的發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產(chǎn)物；⑤將產(chǎn)物提取并精致，以得到合格的產(chǎn)品；⑥回收和處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。9、發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟中的應用①醫(yī)藥工業(yè)：

⊙抗生素：1201*余種

青霉素、金霉素、四環(huán)素、鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、頭孢霉素等

⊙氨基酸：可發(fā)酵生產(chǎn)的有谷、賴、丙、組、異亮、亮、苯丙、脯、蘇、色、酪、纈、瓜、鳥氨酸（國內(nèi)40億元，占發(fā)酵業(yè)產(chǎn)值12%）⊙維生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等

生物制品：亞單位疫苗、重組疫苗、DNA疫苗等⊙酶抑制劑：

棒酸（可抑制-內(nèi)酰胺酶對青霉素的破壞）淀粉酶的抑制劑可治療糖尿病膽固醇抑制劑可治療高血壓高血脂

②食品工業(yè)：酵母、有機酸谷氨酸、調(diào)味料、紅茶和烏龍茶、酒類、酒精、發(fā)酵乳制品；

③能源工業(yè)：生物乙醇、沼氣、微生物采油、生物電池；④化學工業(yè)：

醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等

有機酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、衣康酸、水楊酸等多糖：黃原膠、海藻糖等⑤冶金工業(yè)：

⊙概念：將微生物及其代謝產(chǎn)物作為浸礦劑，噴在礦石上，從浸取液中得到有用金屬

⊙應用：金、銀、銅、錳、鈷等⑥農(nóng)業(yè)：

⊙生物肥料（固氮菌、鉀細菌、磷細菌）、生物農(nóng)藥（蘇云金桿菌或其變種所產(chǎn)生的伴孢晶體能殺死蛾類幼蟲的毒蛋白等）、獸類抗生素（泰樂霉

素、抗金黃色葡萄球菌素）、食品和飼料添加劑、農(nóng)用酶制劑、動物生長調(diào)節(jié)素、單

細胞蛋白飼料；

⑦環(huán)境保護：工業(yè)三廢、生活垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等變廢為寶凈化環(huán)境

無色桿菌具有清除氰、腈劇毒化合物的功能；產(chǎn)堿桿菌、無色桿菌、短芽孢桿菌對聯(lián)苯類致癌物質(zhì)具有降解能力。

第二章發(fā)酵工業(yè)菌種

1、發(fā)酵工業(yè)的微生物可以分為兩類：可培養(yǎng)微生物和未培養(yǎng)微生物。

2、發(fā)酵工業(yè)應用的可培養(yǎng)微生物可分為四類：細菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌。細菌：單細胞的原核生物，自然界分布最廣，數(shù)量最多，與人類關(guān)系最密切。二

分裂方式繁殖。最常用的：枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌。放線菌：放線菌是一類呈菌絲狀生長，主要以孢子繁殖和陸生性強的原核生物。

存在：有機質(zhì)豐富的微堿性土壤，大多腐生，少數(shù)寄生。作用：生產(chǎn)各種維生素。以無性孢子進行繁殖，菌絲片段進行繁殖。酵母菌：

形態(tài)結(jié)構(gòu)：單細胞真核生物，無鞭毛，有一定形態(tài)大小，隨菌齡和環(huán)境條件的變化而異，一般為圓形、橢圓形、卵圓形、檸檬形等，有的可形成假菌絲。繁殖方式：無性繁殖：芽殖、裂殖；有性繁殖：子囊孢子。

菌種特征：與細菌相似，比之大而厚。菌落表面光滑，濕潤，粘稠，大部分為乳白色，少數(shù)呈現(xiàn)紅色或黃色。

分布：含糖較多的酸性環(huán)境，水果、蔬菜、花蜜和植物葉子以及果園土壤中。霉菌：

形態(tài)結(jié)構(gòu)：由分枝或不分枝的菌絲構(gòu)成，菌絲交織形成菌絲體。細胞結(jié)構(gòu)有明顯的分化。菌落呈大小和顏色等特征，不同菌種差別很大，蜘蛛網(wǎng)狀，棉絮狀和絲絨狀。繁殖方式：繁殖能力很強，產(chǎn)生有性和無性孢子進行繁殖，菌絲片段亦可繁殖。3、發(fā)酵工業(yè)所需菌種：

細菌類如短桿菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、棒桿菌、梭狀芽孢桿菌等；

酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、漢遜酵母和假絲酵母等；霉菌如黃曲霉、紅曲霉、青霉菌和赤霉菌等；

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放線菌如各種抗生素，鏈霉素、慶大霉素等。

4、未培養(yǎng)微生物：采用現(xiàn)有的微生物純培養(yǎng)分離和培養(yǎng)方法還沒有獲得純培養(yǎng)的微生物。

極端微生物：在極端環(huán)境下能夠生長的微生物。

未培養(yǎng)微生物的研究方法：模擬自然培養(yǎng)法和宏基因組分析法。

模擬微生物生長的自然環(huán)境進行可培養(yǎng)研究。集中在原位培養(yǎng)，培養(yǎng)條件優(yōu)化和單細胞操作等方面。依據(jù)基因或基因組、蛋白質(zhì)序列及其調(diào)節(jié)表達機制構(gòu)建高效表達的工程菌等途徑進行開發(fā)利用。5、發(fā)酵工業(yè)菌種的分離篩選：

概念：將混雜有各種微生物的樣品按照實際需要和菌株的特性采取快速，準確有效的方法進行分離和篩選，從而得到所需微生物的過程。

方法設(shè)計依據(jù)：生產(chǎn)的實際需要、目的代謝產(chǎn)物的性質(zhì)、產(chǎn)生目的產(chǎn)物的微生物種類、微生物的分布、特性和生活環(huán)境。

獲得目的菌種的兩個重要環(huán)節(jié)：菌種分離和菌種篩選。篩選必須注意：采用方法的選擇性和靈敏度。6、發(fā)酵工業(yè)對菌種的要求：

①在廉價原料制成培養(yǎng)基上生長，目的產(chǎn)物產(chǎn)量高，易回收；②生長速度快，發(fā)酵期短；③培養(yǎng)條件易控制；

④抗噬菌體和雜菌污染能力強；

⑤穩(wěn)定的遺傳學特性：菌種質(zhì)量穩(wěn)定，不易變異退化；⑥對放大設(shè)備的適應性強；

⑦菌種不是病原菌，無有害的生物活性物質(zhì)和毒素產(chǎn)生；7、符合要求的菌種獲取途徑:①從菌種保存機構(gòu)直接購買；②從自然界分離篩選；

③發(fā)酵水平的批號中重新分離篩選。

8、從自然界中獲取就菌種的步驟：樣品采集→樣品的預處理→目的菌富集培養(yǎng)→菌種初篩→菌種復篩→菌種發(fā)酵性能鑒定→菌種保藏。※樣品的采集原則：來源越廣泛，得到新菌種可能性越大；目標產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)生目標產(chǎn)物的微生物性質(zhì)以及生理特性。

※土壤特點：土壤的有機質(zhì)含量和通風狀況；土壤酸堿度和植被狀況；地理條件；季節(jié)條件。

※樣品的預處理方法：物理法（熱處理、膜過濾法、離心法）、化學法（幾丁質(zhì)放線菌、CaCO3穩(wěn)定PH嗜堿性放線菌）、誘餌法。

※富集培養(yǎng)：使混合微生物群體中某特定微生物比例激增的培養(yǎng)方法。目的：增加待分離微生物的數(shù)量，提高分離效率；

原理：不同種類微生物生長繁殖對環(huán)境和營養(yǎng)的要求不同，創(chuàng)造合適條件，使目的微生物迅速生長繁殖，成優(yōu)勢菌種；

方法：控制培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分、控制培養(yǎng)條件；分類：分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)。※菌種分離：

目的：把目的微生物從混合的多種微生物中分離出來；

方法：平板劃線分離法、稀釋分離法、簡單平板分離法、涂布分離法、毛細管分離法、小滴分離法�！�菌種初篩與復篩：

目的：選擇產(chǎn)物合成能力較高的菌株；

菌種的鑒定：產(chǎn)物可和指示劑、顯色劑或底物等發(fā)生反應直接定性鑒定；生產(chǎn)性能測定初篩和復篩。

初篩：把具有目的產(chǎn)物合成能力的微生物從分離后的大量微生物中篩選出來。方法：平板篩選；搖瓶發(fā)酵篩選。

復篩：在初篩基礎(chǔ)上進一步鑒定菌株生產(chǎn)能力的篩選；方法：搖瓶培養(yǎng)。野生型菌株：直接從自然界的樣品中分離得到的具有一定生產(chǎn)性能的菌株�！�發(fā)酵工業(yè)菌種鑒定：

內(nèi)容：測定必要的鑒定指標、查權(quán)威鑒定手冊，確定菌種類型。

技術(shù)水平：細胞的形態(tài)和習性水平；細胞組分水平；蛋白質(zhì)水平；基因或核酸水平。

指標：形態(tài)、生理、生化以及遺傳等指標。

鑒定方法：經(jīng)典分類鑒定方法；現(xiàn)代分類鑒定方法；權(quán)威鑒定機構(gòu)鑒定。

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經(jīng)典分類鑒定方法指標：形態(tài)學特征、生理生化特征、血清學實驗與噬菌體分型、氨基酸序列與蛋白質(zhì)分析。

現(xiàn)代分類鑒定方法：微生物遺傳型的鑒定（DNA的堿基組成、核酸的分子雜交、遺傳重組特性分析、rRNA序列分析）、細胞化學成分特征分類法、數(shù)值分類法。※發(fā)酵工業(yè)菌種改良：

目的：改變微生物的遺傳結(jié)構(gòu)，打破原來的代謝調(diào)節(jié)機制；根據(jù)需要，

進行目的產(chǎn)物的過量生產(chǎn)。

目標：提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量、提高目標產(chǎn)物的純度，減少副產(chǎn)物、改良

菌種性狀，改善發(fā)酵過程、改良產(chǎn)物合成途徑，以獲得高產(chǎn)的新產(chǎn)品。

育種方法：常規(guī)育種、細胞工程育種、基于代謝調(diào)節(jié)的育種技術(shù)、蛋白

質(zhì)工程育種、基因工程育種、代謝工程育種、組合生物合成育種、反向生物工程育種

育種：利用物理或化學誘變劑處理微生物群體，促使突變率顯著提高。育種優(yōu)點：提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，改進產(chǎn)品品質(zhì)、擴大品種和簡化生

產(chǎn)工藝；簡單易行、工作進度快、收效顯著

基因工程育種原理：人為的方法將供體遺傳物質(zhì)的DNA分子提取出來，

離體條件下切割，獲得目的基因，把此基因與合適的載體連接起來。導入受體的細胞內(nèi)，目的基因在受體細胞內(nèi)進行復制和表達，得到目的產(chǎn)物。

蛋白質(zhì)工程育種技術(shù)：

、定向進化技術(shù)：在不知道蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或根據(jù)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)知識不能進行有效的定點突變時，借鑒實驗室手段體外模擬自然進化的過程，使基因發(fā)生大量變異并從中定向選出所需性質(zhì)和功能的蛋白質(zhì)的過程。

、定點突變技術(shù)：以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的計算機預測為基礎(chǔ)，設(shè)計新蛋白質(zhì)的氨基酸序列，運用重組DNA技術(shù)設(shè)計并構(gòu)建具有新性質(zhì)的蛋白質(zhì)或酶的過程。

※發(fā)酵工業(yè)菌種保藏：菌種退化：生產(chǎn)菌種或篩選出來的優(yōu)良菌種，在接種傳代或保藏后，某些生理特征和形態(tài)特征逐漸減退或完全喪失的現(xiàn)象；原因：基因突變、連續(xù)傳代。

退化的防止：控制傳代次數(shù)：避免不必要的移種和傳代，將必要的傳代降低到最低限度。

經(jīng)常純化、創(chuàng)造良好的培養(yǎng)條件、利用單細胞移植傳代、采用有效的菌種保藏方法。菌種的復壯：在菌種的生產(chǎn)性能未衰退前，有意識的進行純種的分離和性能的測定，以期菌種的性能逐步提高。

復壯方法：純種分離、在宿主體內(nèi)生長進行復壯、淘汰衰退的個體。

菌種保藏原理：根據(jù)微生物的生理、生化特點，人工地創(chuàng)造條件，使微生物的帶謝處于不活潑、生長繁殖受抑制的休眠狀態(tài)。保藏的方法：

1、斜面低溫保藏法4C；3-6個月原理：低溫；

2、砂土管保藏法產(chǎn)孢子或芽孢微生物，1年原理：低溫、干燥、隔氧和無營養(yǎng)物

3、菌絲速凍法甘油或二甲基亞砜作為保護劑，-20C4、石蠟油封存法1年左右

5、冷凍真空干燥保藏法任何微生物；一般5年以上原理：低溫、干燥、缺氧。6、液氮超低溫保藏法-196C；保護劑；保存期長保藏菌種的質(zhì)量控制：

1、保藏樣品制備前，應反復核對，檢測生理生化指標，與親本特征比較。2、保藏樣品制備后，仍要按3%抽樣檢查，一旦有誤，此批全部廢掉。3、注重菌種保藏的連續(xù)性。冷凍保藏：代謝作用停止。

1、細胞體積大者要比小者對低溫更敏感，而無細胞壁者則比有細胞壁敏感。其原因是低溫會使細胞內(nèi)水分形成冰晶，從而引起細胞，尤其是細胞膜的損傷。2、速凍及快速解凍可減少損傷；還可加一些保護劑，如0.5%左右的甘油或二甲亞砜可透入細胞，并通過降低強烈的脫水作用而保護細胞；

3、大分子物質(zhì)因此在采用冷凍法保藏菌種時，一般應加入各種保護劑以提高培養(yǎng)物的存活率。

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4、用水升華的方式除去水分，手段比較溫和，細胞受損傷的程度相對比較小，存活率及保藏效果均不錯，是目前使用最普遍，也是最重要的微生物保藏方法。

第三章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計

培養(yǎng)基：用于維持微生物生長繁殖和產(chǎn)物形成的營養(yǎng)物質(zhì)。

培養(yǎng)基的共性：最大量的目的產(chǎn)物、合成速率最大、副產(chǎn)物最少、培養(yǎng)基穩(wěn)定，價格便宜、不影響攪拌性能和產(chǎn)物分離。

設(shè)計培養(yǎng)基的步驟：對發(fā)酵培養(yǎng)的成分和原材料的特性具有詳細的了解、結(jié)合微生物和發(fā)酵產(chǎn)品的代謝特點進行合理選擇和優(yōu)化。一、發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的要求

1、工業(yè)培養(yǎng)基：提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的，按照一定比例配制而成的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基組成對菌體生長繁殖、產(chǎn)物的生物合成、產(chǎn)品的分離精制、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量都有重大影響。2、制備工業(yè)培養(yǎng)基的原則：

①提供合成微生物細胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分；②提高單位營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率；

③有利于提高產(chǎn)物的濃度，以提高單位發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力；④提高產(chǎn)物的合成速度，縮短發(fā)酵周期；

⑤減少副產(chǎn)物的生成，便于產(chǎn)物的分離純化，減少三廢物質(zhì)；⑥原料價格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易；

⑦盡可能的減少對發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，提高氧的利用率，降低能耗。二、發(fā)酵工業(yè)的培養(yǎng)基成分及來源

從工藝角度來看，凡是能被生物細胞利用并轉(zhuǎn)化成所需的代謝產(chǎn)物或菌體的物料，都可作為發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的原料。

薯類：甘薯、馬鈴薯、木薯、山藥等。

糧谷類：高粱、玉米、大米、谷子、大麥、小麥、燕麥、黍和稷等。野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金剛頭、香符子等。農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物：米糠餅、麩皮、高粱糠、淀粉渣等。

培養(yǎng)基中必須有足夠的碳源、氮源、水和無機鹽，部分微生物還需要加入生長輔助類物質(zhì)，才能正常生長。1、碳源：

功能：提供能源，合成碳骨架，合成目的產(chǎn)物的原料。

種類：糖類、油脂、有機酸、烴和醇類。碳源不足時，蛋白質(zhì)水解物和氨基酸亦可。①糖類：葡萄糖、淀粉、蔗糖

葡萄糖：最易利用，幾乎所有微生物都能利用；糖蜜：制糖的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物；

淀粉糊精：多糖，也是常用的碳源；需經(jīng)胞外酶水解成單糖后再被吸收利用。②油和脂肪：

具有活躍的脂肪酶的微生物可利用該物質(zhì)作為碳源，需要更多的溶解氧。

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種類：豆油、菜子油、葵花油、棉子油等。

③有機酸：發(fā)酵體系的PH值因利用有機酸作為碳源而升高，不同的碳源影響代謝的同時，也對發(fā)酵過程中PH值的調(diào)節(jié)和控制有著影響。

④烴和醇類：石油工業(yè)的發(fā)展，微生物工業(yè)的碳源范圍擴大，能同化乙醇的微生物和能同化糖質(zhì)的微生物一樣多。2、氮源：

功能：成菌體細胞物質(zhì)；合成含氮代謝物；種類：有機氮源和無機氮源。

①有機氮源：蛋白胨、牛肉膏、豆粕、魚粉等。②有機氮源：銨鹽、硝酸鹽、氨水。

有機氮源不僅提供菌體生長繁殖的營養(yǎng)，有的還是產(chǎn)物的前體，無機氮源，有機氮源容易吸收，會PH的變化，防止PH過高的措施：加強攪拌；少量多次加入。

3、無機鹽與微量元素：

無機鹽：微生物生理活性物質(zhì)的組成成分或生理活性物質(zhì)的調(diào)節(jié)物；在較低的濃度下對微生物的生長和產(chǎn)物合成有促進作用。大量元素：生長所需濃度在10-3-10-4mol/l范圍內(nèi)的元素。加入化學試劑；微量元素：生長所需濃度在10-6-10-8mol/l范圍內(nèi)的元素。不必加入。4、生長調(diào)節(jié)物質(zhì)：

有助于調(diào)節(jié)產(chǎn)物形成的物質(zhì)；

分類：生長因子；前體；產(chǎn)物抑制劑；促進劑。

①生長因子：微生物生長不可缺少的微量有機物質(zhì)；注意：不是所有的微生物都需要生長因子；來源：有機氮源是生長因子的重要；來源：種類玉米漿是多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)品良好的氮源。

②前體：加入到發(fā)酵培養(yǎng)基，能直接被微生物在生物合成過程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，其自身結(jié)構(gòu)并無多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因前體的加入而有較大提高的一類化合物。

大多數(shù)前體對微生物的生長有毒性，少量多次加入。

③抑制劑：加入后會抑制某些代謝途徑的進行，使另一途徑活躍，從而獲得人們所需要的某種代謝產(chǎn)物，或使正常代謝的某一代謝中間物積累。應用：最初應用于甘油發(fā)酵，抗生素工業(yè)應用最多。如酵母厭氧發(fā)酵中加入亞硫酸鹽或堿類，可以使酒精發(fā)酵受到抑制，而轉(zhuǎn)入甘油發(fā)酵。

④產(chǎn)物合成促進劑：既不是營養(yǎng)物，又不是前體，是提高產(chǎn)量的添加劑，如酶生產(chǎn)中的誘導物或表面活性劑等。誘導劑能增加細胞的產(chǎn)酶速度，提高產(chǎn)酶量，但不能從根本上改變細胞原有的蛋白質(zhì)模板。表面活性劑（洗滌劑，吐溫等）：增加酶產(chǎn)量，機理不清楚。例如

◇巴比妥可增加鏈霉素產(chǎn)生菌的抗自溶能力，推遲自溶時間，增加鏈霉素積累。◇谷氨酸棒桿菌生產(chǎn)賴氨酸時，加入紅霉素可提高產(chǎn)量25%以上。5、水：

比熱大，吸收代謝過程中產(chǎn)生的熱量，避免細胞的溫度驟然升高；熱的良導體，有利于調(diào)節(jié)菌體溫度。微生物機體的重要組成成分；直接參與代謝；代謝的內(nèi)部介質(zhì)，為微生物的生長繁殖和目的產(chǎn)物的合成提供必需的生理環(huán)境。三、微生物的培養(yǎng)基類型：

根據(jù)成分：天然培養(yǎng)基，半合成培養(yǎng)基，合成培養(yǎng)基；根據(jù)物理狀態(tài)：固體培養(yǎng)基，半固體培養(yǎng)基，液體培養(yǎng)基；根據(jù)生產(chǎn)流程和作用：斜面培養(yǎng)基，種子培養(yǎng)基，發(fā)酵培養(yǎng)基。斜面培養(yǎng)基：生長繁殖和保藏菌種。富含有機氮源；種子培養(yǎng)基：供孢子發(fā)芽、生長和菌體繁殖的培養(yǎng)基；

發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌體生長、繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的培養(yǎng)基。

選擇培養(yǎng)基：培養(yǎng)基中加入某些化學藥品，抑制不需要的微生物生長，促進需要微生物的生長。一般指含有抑菌劑或殺菌劑的培養(yǎng)基，加入的物質(zhì)沒有營養(yǎng)作用；加富培養(yǎng)基：按照某種微生物營養(yǎng)要求，配制適合這種微生物生長而不適合其他微生物生長的培養(yǎng)基，達到分離這種微生物的目的。培養(yǎng)出來的是營養(yǎng)要求相同的一類微生物；

鑒別培養(yǎng)基：根據(jù)微生物能否利用培養(yǎng)基中的某些成分，依靠指示劑的顏色變化來鑒別不同種類微生物的培養(yǎng)基。四、培養(yǎng)基的設(shè)計原理和優(yōu)化方法：

完善的培養(yǎng)基設(shè)計是實驗室的試驗、實驗工廠和生產(chǎn)規(guī)模的放大的一個重要步驟。在發(fā)酵過程的目的產(chǎn)品是菌體或代謝產(chǎn)物。而發(fā)酵培養(yǎng)基是否適合于菌體的生長或

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積累代謝產(chǎn)物，對最終產(chǎn)品的得率具有非常大的影響。1、的基本原則：培養(yǎng)基的組成必需滿足細胞的生長和代謝產(chǎn)物所需的元素，并能提供生物合成和細胞維持活力所需要的能量。目的明確；營養(yǎng)協(xié)調(diào)；理化條件適宜；經(jīng)濟節(jié)約。

以粗代精，以野代家；以廢代好，以簡代繁；以烴代糧，以纖代糖；以氮代朊，以國代進。

2、考慮因素：菌體的同化能力，對菌體代謝的阻遏和誘導作用，碳氮比對菌體代謝調(diào)節(jié)的重要性，PH值對不同菌體代謝的影響。

體的同化能力：一般只有小分子能夠通過細胞膜進入細胞內(nèi)進行代謝；微生物能夠利用復雜的大分子是由于分泌各種水解酶，在體外將大分子水解為微生物能直接利用的小分子；微生物來源和種類不同，所分泌的水解酶系不同；有的微生物由于水解酶系的缺乏，只能利用簡單物質(zhì)；在碳源和氮源的選取時特別要注意，許多碳源和氮源都是復雜的有機大分子，如淀粉、黃豆餅粉等；用這類原料，微生物須具備分泌胞外淀粉酶和蛋白酶。培養(yǎng)不能分泌淀粉酶的菌株，可先將淀粉糖化，有些微生物，如大多數(shù)氨基酸產(chǎn)生菌，缺乏蛋白水解酶，可先將有機氮源水解。

代謝的阻遏和誘導：根據(jù)微生物的特性和培養(yǎng)目的，注意快速利用的碳（氮）源和慢速利用的碳（氮）源的配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，避其所短。菌體利用葡萄糖時產(chǎn)生的分解代謝物可能阻遏或抑制某些產(chǎn)物合成所需的酶系的形成或酶的活性（葡萄糖效應）；在抗生素發(fā)酵時，種子培養(yǎng)基所含的快速利用碳源和氮源往往比發(fā)酵培養(yǎng)基多；有時需考慮分批補料或連續(xù)補料。酶制劑的生產(chǎn)，也應考慮碳源的分解代謝阻遏的影響，對于許多誘導酶來說，易被利用的碳源（如葡萄糖或果糖）不利于產(chǎn)酶。有些產(chǎn)物會受氮源的誘導與阻遏，如通常蛋白酶的生產(chǎn)受培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)或多肽的誘導，而受銨鹽、硝酸鹽、氨基酸的阻遏，應考慮氮源以有機氮源（如蛋白質(zhì)）為主。

合適的碳氮比：碳氮比對生長繁殖以及產(chǎn)物合成的影響極其顯著；源過多，會使菌體生長過旺，pH偏高，不利代謝產(chǎn)物的積累；氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量；碳源過多則易形成較低的pH；碳源不足則容易引起菌體的衰老和自溶。碳氮比也隨碳源及氮源的種類以及通氣攪拌等

條件而異。不同生長階段，對碳氮比的最適要求可能不同。一般來講，因為碳源既作為碳架參與菌體和產(chǎn)物的合成，又作為生命過程中的能源，故比例要求比氮源高。一般工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的碳氮比為100:(0.2-2.0）;但在谷氨酸發(fā)酵中因產(chǎn)物含氮量較高，所以氮源比例相對高些，一般取100:(15-20）。如碳氮比為100:(0.5-2.0），則只長菌體而不合成谷氨酸。

pH的要求：pH是微生物生長和代謝的極為重要的環(huán)境因子；微生物在利用營養(yǎng)物質(zhì)后，由于酸堿物質(zhì)的積累或代謝酸堿物質(zhì)的形成，會造成培養(yǎng)體系中pH的波動；發(fā)酵過程中調(diào)節(jié)pH的方式一般不主張直接用酸堿來調(diào)節(jié)；要保證發(fā)酵過程中pH能滿足工藝的要求，合理配制培養(yǎng)基是決定因素，因而在配制培養(yǎng)基選取營養(yǎng)成分時，除了考慮營養(yǎng)需求外，也要考慮其代謝后對培養(yǎng)體系pH緩沖能力的影響。

3、發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化步驟：根據(jù)以前的經(jīng)驗以及在培養(yǎng)基成分確定時必須考慮的一些問題，初步確定培養(yǎng)基的組成；通過單因子優(yōu)化實驗確定最為適宜的各個培養(yǎng)基組分及其最適濃度；最后通過多因子實驗，進一步優(yōu)化培養(yǎng)基的各種成分及其濃度。

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第四章發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)

滅菌的意義：在培養(yǎng)過程中污染雜菌，便會在較短時間內(nèi)大量繁殖，與生產(chǎn)菌爭奪營養(yǎng)成分或分泌代謝產(chǎn)物抑制生產(chǎn)菌的生長和代謝，從而干擾生產(chǎn)菌正常發(fā)酵，甚至造成倒灌，嚴重影響生產(chǎn)。

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發(fā)酵工業(yè)中允許的染菌概率是10，即滅菌1000批次的發(fā)酵中只允許有1次染菌。

滅菌的范圍：培養(yǎng)基、氣系統(tǒng)、加料、酵罐、道系統(tǒng)。一、發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)滅菌（sterilization）：用物理或化學方法殺死物料或設(shè)備中所有生命物質(zhì)的過程。

消毒（disinfection）：用物理或化學方法殺死空氣、地表以及容器和器皿表面的微生物。除菌（degerming）：用過濾方法除去空氣或液體中的微生物及其孢子。防腐（antisepsis）：用物理或化學方法殺死或抑制微生物的生長和繁殖。二、發(fā)酵工業(yè)污染的防治策略

1、污染的危害

①由于雜菌污染，使發(fā)酵培養(yǎng)基因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降；②雜菌合成一些新的代謝產(chǎn)物，或雜菌污染后改變了發(fā)酵液的某些理化性質(zhì)，使發(fā)酵產(chǎn)物的提取和分離變得困難，造成產(chǎn)物收率降低或產(chǎn)品質(zhì)量下降；③雜菌代謝會改變原反應體系的PH，使發(fā)酵發(fā)生異常變化；④雜菌降解產(chǎn)物，使發(fā)酵失�。�

⑤細菌發(fā)生噬菌體污染，微生物細胞被裂解，導致整個發(fā)酵失敗。2、不同情況下污染情況分析（1）染菌對不同菌種發(fā)酵的影響

細菌發(fā)酵：發(fā)酵周期短，防止噬菌體污染；

霉菌發(fā)酵：發(fā)酵周期長，產(chǎn)物類型不同，染菌情況復雜；酵母菌發(fā)酵：防止細菌和野生酵母菌污染；疫苗發(fā)酵：采用基因工程菌。

（2）不同發(fā)酵時期染菌對發(fā)酵的影響；

種子擴大時期：種子受到污染后，滅菌棄去；

發(fā)酵前期：迅速重新滅菌，再接種，從頭開始發(fā)酵；

發(fā)酵中期：危害極大。影響生產(chǎn)菌生長和產(chǎn)物的積累。早發(fā)現(xiàn)、快處理；發(fā)酵后期：可繼續(xù)進行發(fā)酵或提前放罐。

（3）雜菌污染對發(fā)酵產(chǎn)物提取和產(chǎn)品質(zhì)量的影響增加產(chǎn)物的提取難度、影響產(chǎn)品質(zhì)量。3、雜菌污染的防治

（1）污染的檢查與類型的判斷

①顯微鏡檢查法；②平板劃線培養(yǎng)檢查法；③肉湯培養(yǎng)檢查法；④發(fā)酵過程中異�，F(xiàn)象觀察法。

◎顯微鏡檢查法：染色→低倍鏡（生產(chǎn)菌）→高倍鏡（雜菌的存在）；此方法需要一定時間，對于發(fā)酵周期短的生產(chǎn)菌，要結(jié)合其他方法。

◎平板劃線培養(yǎng)檢查法：待檢樣品在無菌板上劃線，27°C或37°C培養(yǎng)，8小時后觀察有無雜菌污染；

◎肉湯培養(yǎng)檢查法：待檢樣品接入無菌的肉湯培養(yǎng)基中，分別于27°C和37°C培養(yǎng)，隨時觀察微生物生長情況，取樣鏡檢是否有雜菌污染；

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◎發(fā)酵過程中異�，F(xiàn)象觀察法：溶解氧水平異常變化、PH值的變化、尾氣中CO2的異常變化、發(fā)酵液黏度、泡沫的增多、發(fā)酵液顏色的變化4、污染的原因分析

種子帶菌、空氣帶菌、設(shè)備滲漏、滅菌不徹底、操作失誤和技術(shù)管理不善等。

（1）從污染雜菌的種類進行分析：如果是耐熱芽孢桿菌，可能是培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底造成的。如果是球菌、無芽孢桿菌等不耐熱雜菌，可能是種子帶菌、空氣滅菌不徹底、設(shè)備滲漏或操作問題。污染的是淺綠色菌落的雜菌，可能是冷卻盤管滲漏。污染的是霉菌，無菌室滅菌不徹底或無菌操作問題。污染的是酵母菌，主要是糖基滅菌不徹底，特別是糖液放置時間較長引起的。

（2）從發(fā)酵時間進行分析：前期染菌，種子帶菌、培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底、接種操作不當、無菌空氣帶菌。后期染菌：中間補料、設(shè)備泄露、操作問題。（3）從污染的程度分析：多數(shù)發(fā)酵罐染同一種菌，一般是空氣系統(tǒng)有問題，如，空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、空氣過濾器介質(zhì)失效；個別發(fā)酵罐染菌，一般是某個設(shè)備存在問題。5、雜菌污染的途徑及防治（1）種子帶菌及防治①培養(yǎng)基及器具徹底滅菌②避免菌種移接過程中污染

③避免菌種在培養(yǎng)或保藏過程中受到污染

（2）過濾空氣帶菌及防治①正確選擇采氣口②結(jié)合氣候，設(shè)計空氣預處理流程，設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器；盡量減少過濾空氣的含油量和濕度；提高進入過濾器的空氣溫度，降低空氣的相對濕度；保持過濾介質(zhì)的干燥狀態(tài)；防止空氣冷卻器滲漏。

（3）設(shè)備的滲漏或“死角”造成的染菌及防治①發(fā)酵罐的死角加強清洗、定期除垢

②管道安裝不當、配置不合理形成“死角”、安裝符合要求。

（4）培養(yǎng)基滅菌不徹底導致染菌及防治①原料性狀的影響；②滅菌時溫度和壓力不對應造成染菌；③泡沫造成染菌；④滅菌時間不夠或壓力波動

大而染菌；⑤滅菌后期罐壓驟變造成染菌。

（5）操作不當造成染菌①罐內(nèi)壓力驟跌；②泡沫頂蓋；③管道閥門操作不當。（6）噬菌體染菌及防治①在細菌或放線菌發(fā)酵中，噬菌體的感染力很強。②噬菌體容易在空氣中傳播，環(huán)境污染是根源所在，凈化環(huán)境。三、發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)

1、干熱滅菌法：160°C-170°C,保溫1-2h.保持干燥的實驗器具和材料2、濕熱滅菌法：121°C，30分

3、射線滅菌法：抑制DNA復制；臭氧4、化學藥劑滅菌法5、過濾除菌法6、火焰除菌法

濕熱滅菌的原理：由于蒸汽具有很強的穿透能力，而且在冷凝時回放出大量熱能，使微生物細胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學鍵，特別是氫鍵受到破壞，引起不可逆的變化，造成微生物死亡。

四、發(fā)酵培養(yǎng)基及設(shè)備管道滅菌

1、濕熱滅菌的原理：每一種微生物都有一定的最適生長溫度范圍。處于最低溫度以下時，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)；超過最高限度時，微生物細胞中的原生質(zhì)膠體和酶起了不可逆的凝固變性，使微生物在很短時間內(nèi)死亡�！駳⑺牢⑸�物的極限溫度稱為致死溫度。

●在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時間稱為致死時間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時間愈短。

●微生物的熱阻：是指微生物在某一特定條件下的致死時間。

●相對熱阻是指某一微生物在某條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。

D值：利用一定溫度進行加熱,90%的活菌被殺死時所需的時間(min)即為D值。又稱1/10衰減時間。

Z值：在加熱致死時間曲線中，加熱時間縮短90%所需升高的溫度，即為Z值。

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2.303lgtkN0Nt；N0開始滅菌時原有的活菌數(shù)，個；Nt經(jīng)過t時間滅菌后

例：含有某種細菌的懸液，含菌數(shù)為105/ml,在100℃（212°F）的水浴溫度中，活菌數(shù)降低到104/ml時所需的時間為10min,則該菌的D值即為10min。

D100=10min

如果加熱的溫度為121℃，則常寫成Dr

2、濕熱滅菌的優(yōu)點：蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；蒸汽有很大的潛熱；操作方便，易管理。3、微生物的熱死規(guī)律對數(shù)殘留定律

的殘留菌數(shù)，個。

4、培養(yǎng)基滅菌高溫短時的原因：隨著溫度的上升，微生物比死亡速率常數(shù)增加倍數(shù)要大于培養(yǎng)基成分破壞分解速率常數(shù)的增加倍數(shù)。溫度升高時，微生物死亡速率大于培養(yǎng)基的破壞速率。

5、影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素（1）培養(yǎng)基成分對滅菌的影響

油脂、糖類及一定濃度的蛋白質(zhì)可增加微生物的耐熱性，另一些物質(zhì)，如高濃度的鹽類，色素等可削弱其耐熱性。

（2）培養(yǎng)基的物理狀態(tài)對滅菌的影響（3）培養(yǎng)基中微生物數(shù)量對滅菌的影響

（4）微生物細胞中水分對滅菌的影響細胞含水越多，蛋白質(zhì)變性的溫度越低（5）微生物細胞菌齡對滅菌的影響老細胞水分含量低、低齡細胞水分含量高（6）空氣排除情況對滅菌的影響

（7）培養(yǎng)基中氫離子濃度對滅菌的影響培養(yǎng)基中氫離子濃度直接影響滅菌效果。◆微生物在pH6.0～8.0范圍內(nèi)耐熱性最大

◆pH低于6.0時，氫離子極易滲入微生物細胞，從而改變細胞的生理反應而促進其死亡，故培養(yǎng)基酸度愈高，則所需的殺菌時間愈短。（8）泡沫對滅菌的影響

◆泡沫中的空氣形成隔熱層，使熱量難以滲透進去殺死其中潛伏的微生物；◆易產(chǎn)生泡沫的培養(yǎng)基在滅菌時，可加入少量消泡劑。

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6、分批滅菌：配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐和其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和設(shè)備一起滅菌的過程。也稱實罐滅菌。全過程包括升溫、保溫、降溫三個過程。7、分批滅菌操作（實罐滅菌）

（1）在進行培養(yǎng)基滅菌之前，通常應先把發(fā)酵罐的分空氣過濾器滅菌并用無菌空氣吹干。

（若已先行空罐滅菌，此步可不進行）

（2）預熱：向夾套或蛇管中通入蒸汽，間接將培養(yǎng)基加熱至70℃左右。作用：利于糊化；減少冷凝水的生成；減輕噪音。（有的工廠省卻此步；需通過試驗掌握冷凝水的生成量，確保培養(yǎng)基的濃度。）（3）開啟蒸汽管，向培養(yǎng)基中通入蒸汽，升溫。（升溫過程）

（4）罐壓達1kg/cm2(0.1MPa)時，安裝在發(fā)酵罐封頭的接種管、補料管、消泡劑管等應排汽。（升溫過程）（5）保溫調(diào)節(jié)好各進汽和排汽閥門，使罐壓和溫度保持在一穩(wěn)定水平，

維持一定時間。

在保溫階段，凡進口在培養(yǎng)基液面下的各管道都應通入蒸汽；在液面上的

其余管道則應排放蒸汽，這樣才能保證滅菌徹底，不留死角。（保溫過程）

（6）保溫結(jié)束后，依次關(guān)閉各排汽、進汽閥；待罐壓力降至0.5kg/cm2左

右時，向罐內(nèi)通入無菌空氣，向夾套或蛇管中通入冷水，使培養(yǎng)基降至所需溫度。（降溫過程）

通入無菌空氣的作用：加速降溫；保持罐內(nèi)正壓。（7）滅菌時間的計算

保溫階段時間的計算方法：

V=V加熱+V維持+V冷卻

R：氣體常數(shù)；=1.986[卡/克分子K]

E：耐熱孢子致死的活化能；=65000[卡/克分子]T：滅菌維持溫度；121℃（393K）

T0：開始計算滅菌效果的溫度；100℃（373K）

例：1）小型發(fā)酵罐在120℃滅菌維持15分鐘，由100℃（100℃以下滅菌效果不計）加熱至120℃的時間為5分鐘，由120℃冷卻到100℃的時間為3分鐘，計算總的滅菌時間。V加熱1.986×3932(65000-2×1.986×393)51.152(393-373)×65000V冷卻1.986×3932(65000-2×1.986×393)30.692(393-373)×65000V=V加熱+V維持+V冷卻

=1.15+15+0.69=16.6(min)

例２：如果滅菌條件不變，大罐由１００℃加熱到１２０℃需２４分鐘；冷卻至１００℃的時間為１６分鐘；求大罐的維持時間。

V加熱V冷卻1.986×3932(65000-21.986×393)(2416)9.2min2(393-373)×650002.303N0tlgkNP；

V加熱RT2(E2RT)t加熱(T-T0)E2；

V冷卻RT2(E2RT)t冷卻2(T-T0)E大罐維持時間V維持=V－（V加熱＋V冷卻）＝16.69.2=7.4min（8）分批滅菌的特點

優(yōu)點：設(shè)備投資較少；染菌的危險性較��；人工操作較方便；對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時更適宜。

缺點：滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置；

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冷卻水用量大。

8、連續(xù)滅菌：配制好的培養(yǎng)基向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻的過程。

連續(xù)滅菌流程：配料罐（兼作預熱）→輸料泵→連消塔（器）→維持罐（管）→冷卻器→發(fā)酵罐（1）預熱

可在專門的預熱罐，也可用配料罐兼作；溫度：一般預熱至70℃左右；預熱的物料用泵泵入連消裝置；輸料泵：常用旋渦泵、往復泵、螺桿泵。（2）加熱

物料泵入加熱器，培養(yǎng)基與蒸汽混合，溫度迅速上升至130～140℃；常用連消裝置有三類：套管式連消器、汽液混合式連消器、噴射式加熱器。（3）保溫

保溫設(shè)備（維持設(shè)備）溫材料包裹；兩種形式：罐式；管式。（4）冷卻

類型：噴淋冷卻器、板式冷卻器、真空冷卻器。（5）連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點及注意事項

優(yōu)點：1）可采用高溫短時滅菌，培養(yǎng)基受熱時間短，營養(yǎng)成分破壞少，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)率；2）蒸汽負荷均衡，鍋爐利用率高，操作方便。3）適于自動控制，降低勞動強度。缺點：設(shè)備復雜，投資大。連消注意事項：

1）連消前，應先進行空罐、維持罐（管）、冷卻系統(tǒng)的滅菌；2）確保管路無滲漏；

3）當培養(yǎng)基含有較大固體顆�；蛴休^多泡沫時，采用連消容易發(fā)生滅菌不徹底。

9、發(fā)酵培養(yǎng)基和設(shè)備管道滅菌技術(shù)

空罐滅菌和管道滅菌；空氣總過濾器和分過濾器滅菌；種子培養(yǎng)基實罐滅菌；發(fā)酵培養(yǎng)基實罐滅菌；發(fā)酵培養(yǎng)基連續(xù)滅菌:130°C/5min；補料實罐滅菌。

五、空氣除菌實際生產(chǎn)中所需的除菌程度根據(jù)發(fā)酵工藝要求而定：既要避免染茵，又要盡量簡化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運轉(zhuǎn)的動力消耗。

無菌空氣：發(fā)酵工業(yè)應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。1、除菌方法：輻射滅菌、加熱殺菌、靜電除菌、過濾除菌等。

2、介質(zhì)過濾：采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻截流過的空氣中所含的微生物，從而制得無菌空氣。

常用的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機合成纖維、有機和無機燒結(jié)材料等。

空氣過濾除菌原理：采用定期滅菌的介質(zhì)阻截流過的空氣中所含的微生物制得無菌壓縮空氣。

3、提高過濾除菌效率的措施1）減少進口空氣的含菌量2）設(shè)計安裝合理的空氣過濾器

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3）針對不同地區(qū)設(shè)計合理的空氣預處理流程

4）降低進入的空氣的相對濕度，保證過濾介質(zhì)在干燥狀態(tài)下工作5）穩(wěn)定壓縮空氣的壓力

第五章發(fā)酵工業(yè)的種子制備

一、種子制備原理與技術(shù)

種子培養(yǎng)：是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的工業(yè)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過搖瓶及種子罐逐級放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。

種子培養(yǎng)的任務：為每次發(fā)酵罐的投料提供純而壯的、活力旺盛的、接種數(shù)量足夠的菌種。1、種子的條件：

①菌種細胞的生長活力強，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長，遲緩期短；②生理性狀穩(wěn)定；

③菌體總量及濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求；④無雜菌污染，保證純種發(fā)酵；

⑤菌種適應性強，能保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。2、種子制備過程：

①把砂土管、冷凍干燥管中的菌種接入斜面培養(yǎng)基活化培養(yǎng)；

②把生長良好的斜面孢子或菌絲接種到搖瓶液體培養(yǎng)基中或扁瓶固體培養(yǎng)基中擴大培養(yǎng)；

③擴大培養(yǎng)的菌絲體或孢子接種到一級種子罐，制備生產(chǎn)用種子；④制備好的種子轉(zhuǎn)種到發(fā)酵罐發(fā)酵。

3、種子的制備包括兩個階段：實驗室種子制備階段和生產(chǎn)車間種子制備階段。①實驗室種子制備階段：把保藏在砂土管或冷凍管中的菌種，經(jīng)過無菌操作接入合適的培養(yǎng)基將菌種活化。

一般采用兩種方式

◆對于產(chǎn)孢子能力強的及孢子發(fā)芽、生長繁殖快的菌種可以采用固體培養(yǎng)基培養(yǎng)孢子，孢子可直接作為種子罐的種子，這樣操作簡便，不易污染雜菌。

◆對于產(chǎn)孢子能力不強或孢子發(fā)芽慢的菌種，可以用液體培養(yǎng)法。

②生產(chǎn)車間種子制備：實驗室制備的孢子或液體種子移種至種子罐擴大培養(yǎng)。種子罐的培養(yǎng)基雖因不同菌種而異，但其原則為采用易被菌利用的成分如葡萄糖、玉米漿、磷酸鹽等，如果是需氧菌，同時還需供給足夠的無菌空氣，并不斷攪拌，使菌（絲）體在培養(yǎng)液中均勻分布，獲得相同的培養(yǎng)條件。

種子罐級數(shù)的確定：種子罐級數(shù)：是指制備種子需逐級擴大培養(yǎng)的次數(shù)，取決于：菌種生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度；所采用發(fā)酵罐的容積

細菌：生長快，種子用量比例少，級數(shù)也較少，二級發(fā)酵。如谷氨酸生產(chǎn)為二級發(fā)酵;

茄子瓶→種子罐→發(fā)酵罐霉菌：生長較慢，如青霉菌，三級發(fā)酵

孢子懸浮液→一級種子罐（27C,40小時孢子發(fā)芽產(chǎn)生菌絲）→二級種子罐（27C,10~24小時，菌體迅速繁殖，粗壯菌絲體）→發(fā)酵罐放線菌：生長更慢，采用四級發(fā)酵。鏈霉素生產(chǎn)為四級發(fā)酵酵母：比細菌慢，比霉菌、放線菌快，通常用一級種子

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4、種齡與接種量

種齡：指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體開始轉(zhuǎn)入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間。

接種量：指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。①接種量過大或者過小，均會影響發(fā)酵。

過大會引起溶氧不足，影響產(chǎn)物合成；而且會過多移入代謝廢物，也不經(jīng)濟；

過小會延長培養(yǎng)時間，降低發(fā)酵罐的生產(chǎn)率。

②影響種子質(zhì)量的因素：原材料質(zhì)量；培養(yǎng)條件；斜面冷藏時間；培養(yǎng)基；PH值；種齡。

總的原則:種子培養(yǎng)通常都是傾向于快速細胞生成,而不是為了產(chǎn)物生成。5、種子質(zhì)量的控制措施：種子質(zhì)量的最終指標是考察其在發(fā)酵罐中所表現(xiàn)出來的生產(chǎn)能力。因此首先必須保證生產(chǎn)菌種的穩(wěn)定性，其次是提供種子培養(yǎng)的適宜環(huán)境保證無雜菌侵入，以獲得優(yōu)良種子。菌種穩(wěn)定性的檢查；適宜的生長環(huán)境；種子無雜菌檢查。6、種子制備的放大原理與技術(shù)：細菌發(fā)酵時的種子擴大培養(yǎng)

目的：獲得大量活力強的種子，盡可能縮短延遲期，在對數(shù)生長期接種。

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第六章發(fā)酵動力學

發(fā)酵動力學：是對微生物生長和產(chǎn)物形成過程的定量描述，研究各種過程之間的動態(tài)變量關(guān)系，確定發(fā)酵動力學參數(shù)特征以及各種發(fā)酵條件對這些參數(shù)的影響，并建立相應的數(shù)學模型，實現(xiàn)認識發(fā)酵規(guī)律、優(yōu)化工藝、提高產(chǎn)量和效率的目的。

究內(nèi)容包括了解發(fā)酵過程中菌體生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生產(chǎn)速率的相互關(guān)系，環(huán)境因素對三者的影響，以及影響其反應速率的條件。一、分批發(fā)酵動力學

分批發(fā)酵是向反應器中一次投入所需的培養(yǎng)基，然后接種培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中除控制溫度、氧、泡沫和pH外不進行其他任何控制，反應結(jié)束后將全部培養(yǎng)液排出進行處理。

優(yōu)點：操作簡單；操作引起染菌的概率低；不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。

缺點：非生產(chǎn)時間較長、設(shè)備利用率低。（一）微生物生長動力學

1、微生物的生長是指細胞體積的增大和細胞數(shù)目的增多。

2、分批發(fā)酵過程中，微生物的生長要經(jīng)歷延滯期、對數(shù)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個時期。

3、延滯期：分裂遲緩當細胞接種到新的環(huán)境(如從固體培養(yǎng)接種至液體培養(yǎng)基)后，需要適應新的環(huán)境。

延遲期的長短與菌種的遺傳性、菌齡以及移種前后所處的環(huán)境條件等因素有關(guān)。

采取縮短延遲期的措施.。

在生產(chǎn)實踐中，通常采取的措施有增加接種量，在種子培養(yǎng)中加入發(fā)酵培養(yǎng)基的某些營養(yǎng)成分，采用最適種齡(即處于對數(shù)期的菌種)的健壯菌種接種以及選用繁殖快的菌種等措施，以縮短延遲期，加速發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率。

4、對數(shù)期：細胞代謝活性最強，組成新細胞物質(zhì)最快，所有分裂形成的新細胞都生活旺盛。這一階段的突出特點是細菌數(shù)以幾何級數(shù)增加。

微生物的生長特性用細胞濃度和細胞數(shù)量倍增時間來表示。

處于對數(shù)期的微生物，其個體形態(tài)、化學組成和生理特性等均較一致，代謝旺盛，生長迅速，是研究基本代謝的良好材料，也是發(fā)酵生產(chǎn)的良好種子，如果用作菌種，往往延遲期很短以至檢查不出，這樣可在短時間內(nèi)得到大量微生物，以縮短發(fā)酵周期。

5、穩(wěn)定期：生長速度逐漸趨向零。

對數(shù)期細菌活躍生長引起周圍環(huán)境條件條件發(fā)生了一系列變化，某些營養(yǎng)物質(zhì)消耗，有害代謝產(chǎn)物的積累，以及諸如pH、氧化還原電位、溫度等的改變，限制了菌體細胞繼續(xù)以高速度進行生長和分裂。

穩(wěn)定期的細胞內(nèi)開始積累貯藏物，如肝糖、異染顆粒、脂肪粒等，大多數(shù)芽孢細菌也在此階段形成芽孢。如果為了獲得大量菌體，就應在此階段收獲，因這時細胞總數(shù)量最高；這一時期也是發(fā)酵過程積累代謝產(chǎn)物的重要階段，某些放線菌抗生素的大量形成也在此時期。

穩(wěn)定期的微生物，在數(shù)量上達到了最高水平，產(chǎn)物的積累也達到了高峰，菌體的總產(chǎn)量與所消耗的營養(yǎng)物質(zhì)之間存在著一定關(guān)系，這種關(guān)系，生產(chǎn)上稱為產(chǎn)量常數(shù)，可用下式表示：γ=菌體總生長量/消耗營養(yǎng)物質(zhì)總量。

式中γ值的大小可說明該種細菌同化效率的高低。穩(wěn)定期的長短與菌種和外界環(huán)境條件有關(guān)。生產(chǎn)上常常通過補料、調(diào)節(jié)pH、調(diào)整溫度等措施，延長穩(wěn)定期，以積累更多的代謝產(chǎn)物。

6、衰亡期：發(fā)酵罐內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)耗盡，對生長有害的代謝物在發(fā)酵液中大量積累的時期，此時α＞，出現(xiàn)微生物死亡、自溶，總細胞數(shù)呈負增長。

該階段的細胞，有的開始自溶，產(chǎn)生或釋放出一些產(chǎn)物，如氨基酸、轉(zhuǎn)化酶、外肽酶或抗生素等。菌體細胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，有時產(chǎn)生畸形，細胞大小懸殊，有的細胞內(nèi)多液泡，革蘭氏染色反應的陽性菌變成陰性反應等。7、細胞生長動力學模型：

lnXtlnX0μt或lnNtlnN0μnt

Xt：培養(yǎng)時間t后的微生物細胞濃度，g/lX0：初始微生物濃度t：培養(yǎng)時間：比生長速率

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8、無抑制作用的細胞生長動力學Monod方程：

Monod發(fā)現(xiàn)細菌的比生長速率與單一限制性基質(zhì)(growthlimitingnutrient)之間存在著一定模式關(guān)系（飽和雙曲線函數(shù)），創(chuàng)建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。

μμmaxSt

KsStKS，底物親和常數(shù),與親和力成反比。

其值越大，親和力越低，比生長速率越小。當μ=1/2μmax，S=KS

Monod方程中單一限制性底物可以是培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長有關(guān)的營養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對貧乏，就成為限制性生長因子。實際過程中，可能出現(xiàn)多種限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了Monod方程的適用性。（二）產(chǎn)物合成動力學：

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細胞生長速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型：

類型Ⅰ∶也稱為生長相關(guān)型（醇類、葡萄糖酸、乳酸）類型Ⅱ∶也稱為生長部分相關(guān)型（檸檬酸、氨基酸）類型Ⅲ∶也稱為非相關(guān)型（抗生素、酶、維生素、多糖）

Pint把其分為：生長偶聯(lián)型和生長非偶聯(lián)型。

①生長相關(guān)型：產(chǎn)物的生成與細胞的生長密切相關(guān)的動力學過程，產(chǎn)物的生成是微生物細胞主要能量代謝的直接結(jié)果。即產(chǎn)物通常是基質(zhì)分解代謝產(chǎn)物或合成細胞生長必須的代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物的形成和細胞的生長時同步的和完全偶聯(lián)的，且產(chǎn)物的生成和底物的消耗有直接的化學計量關(guān)系。

②生長部分相關(guān)型：代謝產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果，不是底物的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體內(nèi)生物氧化過程的主流產(chǎn)物。產(chǎn)物的生成與底物的消耗僅有時間關(guān)系，并無直接的化學計量關(guān)系，產(chǎn)物的生成與微生物生長部分偶聯(lián)，屬于中間發(fā)酵類型。③非生長關(guān)聯(lián)性：產(chǎn)物的生成與能量代謝無關(guān)，與細胞生長也無直接關(guān)系，即產(chǎn)物的生成與微生物細胞的生長不偶聯(lián)。產(chǎn)物為次級代謝產(chǎn)物。特點：細胞處于生長階段，并無產(chǎn)物的積累，當細胞進入穩(wěn)定期后，產(chǎn)物才開始大量生成。產(chǎn)物的積累之于細胞的積累量有關(guān)。1、

dPdXαβXdtdt16

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dP產(chǎn)物生成速率；dtα與菌體生長相關(guān)的產(chǎn)物生長系數(shù)；β與菌體密度相關(guān)的產(chǎn)物生長系數(shù)。α>0,β=0，生長偶聯(lián)型

α>0,β>0，部分生長偶聯(lián)型，混合型α=0,β>0，非生長偶聯(lián)型（三）底物消耗動力學：

基質(zhì)包括細胞生長與代謝所需的各種營養(yǎng)成分，其消耗分為三個方面：細胞生長，合成新細胞；細胞維持生命所消耗能量的需求；合成代謝產(chǎn)物。1、底物消耗動力學參數(shù)：底物比消耗速率，攝氧率。

底物比消耗速率：單位質(zhì)量細胞在單位時間內(nèi)底物消耗量。

底物消耗速率可通過菌體得率（生長得率）與菌體生長速率關(guān)聯(lián)起來。底物比消耗速率：qS1μSμSmqS,maxm；YX/SKSSKSS單位體積培養(yǎng)液中的細胞在單位時間內(nèi)攝取溶解氧的量稱為攝氧率

（γ）或溶解氧的消耗速率（以Ro2表示）。比耗氧速率：qO2rO2X1r1XμXYX/OYX/O（四）分批發(fā)酵的分類對實踐的指導意義：

如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是生長關(guān)聯(lián)型（如菌體與初級代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期；如果產(chǎn)品是非生長關(guān)聯(lián)型（如次級代謝產(chǎn)物），則宜縮短對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細胞后延長平衡期，以提高產(chǎn)量。二、連續(xù)發(fā)酵動力學：

培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長

的發(fā)酵方式。

優(yōu)點：能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量；便于自動控制。

缺點：菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴格的無菌條件。1、連續(xù)發(fā)酵的類型：

恒化培養(yǎng)：使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定。恒濁培養(yǎng)：使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定。

加入新鮮培養(yǎng)基的同時，放出等體積的發(fā)酵液，獲得連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)過程。分為單級和多級連續(xù)發(fā)酵。

恒化器：使培養(yǎng)液流速保持不變，微生物始終在低于其最高生長速率的條件下生長繁殖的連續(xù)培養(yǎng)裝置,是一種通過控制某一種營養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長限制因子的條件下達到的，因而可稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置。

在恒化器中:一方面菌體密度會隨時間的增長而增高，另一方面，限制生長因子的濃度又會隨時間的增長而降低．兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長速率正好與恒速流入的新鮮培養(yǎng)基流速相平衡。這樣，既可獲得一定生長速率的均一菌體，又可獲得雖低于最高菌體產(chǎn)量，卻能保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。

恒濁器：根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長密度，借助光電控制系統(tǒng)，控制培養(yǎng)液的流速，獲得高菌體密度、生長速度恒定的微生物細胞的連續(xù)培養(yǎng)器。

培養(yǎng)基的流速低于微生物生長速度時，菌體密度增高，通過光電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，促使培養(yǎng)液流速加快，反之亦然。微生物始終以最高生長速率生長

2、積累的細胞=(進入-流出)的細胞+(生長-死亡)的細胞

3、稀釋率：單位時間內(nèi)連續(xù)流入發(fā)酵罐中的新鮮培養(yǎng)基體積與發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液總體積的比值即為稀釋率。D=F/V

穩(wěn)態(tài)時，比生長速率等于比死亡速率，即比生長速率受稀釋率的控制。4、積累的底物=（進入-流出）的底物-（生長+形成產(chǎn)物+維持代謝）消耗的底物

X=YX/S(Sin-Sout)

5、連續(xù)培養(yǎng)的菌體產(chǎn)率：Rcount=DX(1-tiii/T)

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Rcount為連續(xù)培養(yǎng)菌體得輸出；DX為菌體產(chǎn)率；tiii為連續(xù)培養(yǎng)前（包括罐的準備、滅菌和分批培養(yǎng)前直到穩(wěn)態(tài)）所需的時間；T為連續(xù)培養(yǎng)前到發(fā)酵穩(wěn)態(tài)結(jié)束的時間。D為稀釋率；X為菌體濃度。

6、雜菌積累速率=雜菌（流入流出）速率+雜菌生長速率

對于雜菌Y：在底物濃度為S時，雜菌Y的生長速率μY比系統(tǒng)的稀釋速率D要小，dY/dt=μYYDY

3、影響因素：

①微生物本身遺傳特征的影響；②培養(yǎng)基成分和濃度；

耗氧速率：油脂或烴類>葡萄糖>蔗糖>乳糖③菌齡；④發(fā)酵條件；⑤發(fā)酵類型；

三羧酸循環(huán)（TCA），呼吸強度高，耗氧量大，如谷氨酸、天冬氨酸；糖酵解途徑（EMP），呼吸強度低，耗氧量小，如苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸。

4、控制溶解氧（DO;DissolvedOxygen)的意義：

◆溶解氧濃度影響細胞的生長和產(chǎn)物的合成，發(fā)酵的不同階段對溶解氧濃度的要求不同；

◆了解菌體生長階段和產(chǎn)物合成階段的最適耗氧量，控制氧的供應，提高生產(chǎn)效率；

◆氧的溶解度低，導致了大量的浪費，提高傳氧效率，降低空氣的消耗量，降低設(shè)備和動力消耗，減少泡末的形成和染菌機會，提高設(shè)備利用率；二、發(fā)酵過程中氧的傳遞

傳遞途徑：氣相中氧的溶解、細胞內(nèi)氧的利用；供氧和耗氧兩方面。傳遞阻力

供氧阻力：氣膜和液膜阻力；耗氧阻力：細胞團內(nèi)與細胞膜阻力。

供氧：空氣中的氧氣從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴散到液體主流中。

耗氧：氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜擴散到細胞內(nèi)。1、氧傳遞方程：

OTR=KLa(C*-CL)氣液傳質(zhì)基本方程

OTR:單位體積培養(yǎng)液的氧傳遞速率KLa:以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù)C*:與氣相中氧的分壓平衡時氧的濃度

CL:液相中氧的濃度

若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)＞r，此時發(fā)酵液中溶解氧濃度CL會不斷增加，趨近于C*。

若需氧速率大于供氧速率，則CL逐漸下降而趨向于零（盡管此時通氣和攪拌可能仍在進行）。

2、要提高推動力，只能設(shè)法提高C*或減少CL影響推動力的因素：

溫度:

溶質(zhì)：電解質(zhì)、非電解質(zhì)、混合液溶劑：添加有機溶劑，增加氧的濃度氧的分壓：增加罐壓；提高氧分壓提高氧飽和濃度（C*）：要提高C*，可降低培養(yǎng)溫度、提高氧分壓和降低培養(yǎng)基濃度等。

降低溶氧濃度（CL）：降低CL可通過減少空氣流量等方法來達到，但溶氧濃度不能低于臨解氧濃度。另外，減少空氣流量本身會使KLa下降。3、影響發(fā)酵罐中Kla的因素KLa的準數(shù)關(guān)聯(lián)式

設(shè)備參數(shù)：罐的形狀、攪拌器的直徑等

操作條件：表觀線速度、功率、發(fā)酵液體積、攪拌轉(zhuǎn)速等發(fā)酵液性質(zhì)：密度、黏度、表面張力等4、攪拌的作用：

a把空氣分散成小的氣泡，增大液相的接觸面積b產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間

c造成湍流，減少氣泡外滯留液膜的厚度，減小傳遞過程的阻力

d成分均勻分布，細胞均勻懸浮，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和產(chǎn)物的分散

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第八章發(fā)酵過程控制

發(fā)酵過程即細胞的生物反應過程，是指由生長繁殖的細胞所引起的生物反應過程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細胞的反應過程、生物法廢水處理過程和細菌采礦等過程。

發(fā)酵體系的特征：微生物細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和代謝反應的復雜性；生物反應器環(huán)境的復雜性；系統(tǒng)狀態(tài)的時變性及包含參數(shù)的復雜性。一、發(fā)酵過程控制概述1、發(fā)酵過程優(yōu)化控制步驟

a確定能反應過程變化的各種理化參數(shù)及檢測方法

b研究參數(shù)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機制，獲得最佳范圍和最適水平

c建立數(shù)學模型定量描述各參數(shù)隨時間變化的量化關(guān)系，為發(fā)酵過程的優(yōu)化控制提供依據(jù)。

d計算機在線自動化檢測和控制2、發(fā)酵過程參數(shù)檢測

發(fā)酵過程參數(shù)的檢測是控制發(fā)酵過程的重要依據(jù)

檢測方法

通過儀器在線檢測發(fā)酵罐中取樣離線檢測常用的檢測儀器在線檢測：傳感器

離線檢測：分光光度計、氣相和液相色譜儀等

3、直接狀態(tài)參數(shù)：直接反應發(fā)酵過程中微生物生理代謝狀況的參數(shù)對傳感器的要求：耐高溫、高壓；避免表面被微生物堵塞有價值的狀態(tài)參數(shù)：尾氣分析和空氣流量的檢測間接狀態(tài)參數(shù)：采用直接狀態(tài)參數(shù)計算得到的參數(shù)

直接狀態(tài)參數(shù)：溫度、PH值、攪拌轉(zhuǎn)速、液位、補料速率等間接狀態(tài)參數(shù)：產(chǎn)物濃度、溶解氧、溶解CO2等4、離線發(fā)酵分析法

沒有一種可在線監(jiān)測培養(yǎng)基成分和代謝產(chǎn)物的傳感器

發(fā)酵液的基質(zhì)、前體、代謝產(chǎn)物和菌量的監(jiān)測通過人工取樣和離線分析缺點：不連貫性和滯后性5、發(fā)酵過程的代謝控制

a調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)通過細胞膜進入細胞的能力b通過酶的定位限制與其他相應底物的接近c調(diào)節(jié)代謝流

調(diào)節(jié)酶的合成量,“粗調(diào)”調(diào)節(jié)酶的催化活力“細調(diào)”二、溫度對發(fā)酵的影響及控制

發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌+Q通氣-Q蒸發(fā)-Q輻射

生物熱：微生物在生長繁殖過程中，本身產(chǎn)生的大量熱量。

用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動；合成產(chǎn)物；熱能散發(fā)。生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時期的不同而不同。

攪拌熱：通風發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機械運動造成液體之間、液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

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蒸發(fā)熱：在發(fā)酵過程中以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐的液面，再由排氣管帶走的熱量。

輻射熱：因罐內(nèi)外溫差，使發(fā)酵罐液中有部分熱通過罐體向外輻射。在發(fā)酵罐上安裝夾套或盤管調(diào)節(jié)：溫度高時，通過循環(huán)冷卻水控制；溫度低時，通過加熱使夾套或盤管中水的循環(huán)實現(xiàn)對溫度的控制。1、溫度對發(fā)酵的影響

A影響各種酶的反應速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)；

B影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)：影響氧的溶解和傳遞；影響對基質(zhì)的分解和吸收速；;

C影響生物合成的方向；2、微生物的適宜溫度

多數(shù)微生物：20C-40C嗜冷菌：20C以下生長速率最大；嗜中溫菌：30-35C嗜熱菌：50C以上生長3、篩選高溫菌株具有重要的實踐意義

既可以減少雜菌的污染機會，又可減少由于發(fā)酵熱及夏季培養(yǎng)所需的降溫輔助設(shè)備和能耗。

4、溫度和微生物生長的關(guān)系：一方面在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速度隨溫度升高的增加；另一方面，不同生長階段的微生物對溫度的反應不同。5不同生長階段的微生物對溫度的反應不同

延遲期敏感最是溫度附近縮短延遲期對數(shù)生長期最適范圍內(nèi)提高溫度有利于生長生長后期：取決于溶解氧的濃度，提高通氣量6、溫度對基質(zhì)消耗的影響

▲溫度的變化影響基質(zhì)消耗和比生長速率；

▲生產(chǎn)中，適當抑制生長(菌體的過量生長導致群體的退化和產(chǎn)率降低）；▲溫度對產(chǎn)物合成影響不大時，適當提高溫度抑制生長，有利于生產(chǎn)節(jié)能；7、溫度對產(chǎn)物合成的影響▲影響各種反應速率

▲改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，影響產(chǎn)物的合成▲影響生物合成的方向▲對代謝有調(diào)節(jié)作用

低溫時，氨基酸合成途徑的終產(chǎn)物對第一個酶的反饋抑制比正常溫度時大，因此在抗生素發(fā)酵后期，降低溫度，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑關(guān)閉，轉(zhuǎn)向目的產(chǎn)物的合成

例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強。當溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。8、最適溫度的確定

最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。

▲最適發(fā)酵溫度的選擇：在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應考慮培養(yǎng)基成分和濃度�！�二階段發(fā)酵

菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同。通過實驗來確定不同菌種各發(fā)酵階段的最適溫度，采取分段控制。▲其他發(fā)酵條件

通氣條件較差時，最適發(fā)酵溫度稍微低些，較低的溫度下，氧的溶解度大，菌體的生長速率小，防止因通氣不足造成的代謝異常。

培養(yǎng)基成分和濃度的影響：在使用基質(zhì)濃度較稀或較易利用的培養(yǎng)基時，提高溫度會使養(yǎng)料過早耗盡，導致菌絲自溶，發(fā)酵產(chǎn)量下降。9、變溫培養(yǎng)

抗生素生產(chǎn)中，通過變溫培養(yǎng)比恒溫培養(yǎng)得到的產(chǎn)物多。最適溫度的選擇和控制，可有效的提高產(chǎn)物的產(chǎn)率。例如：

青霉素產(chǎn)生菌的最適生長溫度是30℃，而最適于青霉素合成的溫度是20℃。發(fā)酵過程中，在生長初期抗生素還未開始合成，菌絲還未長濃，這時的溫度應適于微生物的生長；到抗生素分泌期，菌絲已長到一定濃度，積累抗生素是重點考慮，此時應滿足生物合成的最適溫度。三、pH對發(fā)酵的影響及控制

pH值變化的原因：微生物代謝活動分泌酸或堿性物質(zhì)；利用培養(yǎng)基中的生

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理酸性鹽或堿性鹽。

1、幾種抗生素合成的最適PH值鏈霉素、紅霉素：中偏堿性6.8-7.4金霉素、四環(huán)素：5.9-6.33青霉素：6.5-6.8

2、pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響▲pH影響酶的活性

▲pH影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)

▲pH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解

▲pH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變

例如：黑曲霉在pH2-3時，發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH接近中性時，則產(chǎn)生草酸。

又如：丙酮丁醇發(fā)酵中，發(fā)酵后期pH為4.3-5.3時積累丙酮丁醇，pH升高則丙酮丁醇產(chǎn)量減少，而丁酸、乙酸含量增加。3、發(fā)酵過程中pH的變化及影響pH變化的因素▲發(fā)酵過程中pH的變化1）生長階段

pH有上升或下降趨勢（相對于接種后起始pH而言）

如：利福霉素B發(fā)酵起始pH為中性，但生長初期由于菌體產(chǎn)生的蛋白酶水解蛋白胨而生成銨離子，使pH上升至堿性；接著，隨著銨離子的利用及葡萄糖利用過程中產(chǎn)生的有機酸使pH下降到酸性范圍。2）生產(chǎn)階段

在生產(chǎn)階段，pH趨于穩(wěn)定，維持在最適產(chǎn)物合成的范圍。3）自溶階段

菌絲自溶階段，隨著基質(zhì)的耗盡，菌體蛋白酶的活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pH上升，此時菌絲趨于自溶而代謝活動終止�！�引起發(fā)酵液中pH變化的因素

◇發(fā)酵過程中pH的變化取決于微生物的種類、培養(yǎng)基的組成和發(fā)酵條件�！笤诰�體代謝過程中，菌體本身有建成其生長最適pH的能力，但外界條件發(fā)生較大變化時，pH將會不斷波動。

◇引起pH下降的因素：碳源過量；消泡油添加過量；生理酸性物質(zhì)的存在。◇引起pH上升的因素：氮源過多；生理堿性物質(zhì)的存在；中間補料，堿性物質(zhì)添加過多。

4、最適pH的選擇

原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實驗結(jié)果確定。

最適pH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH范圍。

微生物生長階段和產(chǎn)物合成階段的最適pH往往不同，這不僅與菌種特性有關(guān)，也取決于產(chǎn)物的化學性質(zhì)。

例如：

一般產(chǎn)生堿性抗生素的，如灰色鏈霉菌生產(chǎn)鏈霉素、紅色鏈霉菌產(chǎn)生紅霉素，其合成產(chǎn)物的最適pH為6.8-7.3，中性偏堿；而產(chǎn)生兩性抗生素的，如金色鏈霉菌生產(chǎn)金霉素，其合成產(chǎn)物的最適pH為5.9-6.3,弱酸性。應用：青霉素發(fā)酵：

通過調(diào)節(jié)加糖速率來控制pH值的方法，與恒速加糖和酸堿控制法相比，產(chǎn)量提高了1/4。鏈霉素發(fā)酵：

補充氨控制pH值，控制的同時補充了產(chǎn)物合成所需的氨。5、pH控制的常用方法①配制合適的培養(yǎng)基；

②加入非營養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑；③加入基質(zhì)性的酸堿調(diào)節(jié)劑；④加入生理酸性鹽或堿性鹽基質(zhì)；

⑤把pH的控制和代謝調(diào)節(jié)結(jié)合，通過補料控制。6、pH值的具體調(diào)節(jié)方法：

1)添加CaCO3。采用生理酸性銨鹽作為氮源時，由于NH4+被利用，剩下的酸根引起pH下降；有機酸發(fā)酵時形成鈣鹽沉淀。但是，碳酸鈣用量大，消毒困難，易堵塞管道，在操作上易引起染菌，而且對產(chǎn)物的提取有影響。此法在工業(yè)上不使用。

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2)氨水流加法3)尿素流加法

四、溶解氧對發(fā)酵的影響及其調(diào)控

微生物細胞耗氧狀況：在線監(jiān)測發(fā)酵液中溶解氧的濃度，了解氧的供需規(guī)律及其對微生物生長和產(chǎn)物合成的影響。在發(fā)酵罐內(nèi)安裝溶氧電極測定。

電極的要求：耐高溫、高壓、長時間滅菌以及具有長期的穩(wěn)定性，精度和準確度±3%左右。1、發(fā)酵過程的溶氧變化：

◆發(fā)酵前期菌絲體大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出現(xiàn)一個低峰。◆在生長階段，產(chǎn)物合成期，需氧量減少，溶氧穩(wěn)定，但受補料、加油等條件大影響。

◆補糖后，攝氧率就會增加，引起溶氧濃度的下降，經(jīng)過一段時間以后又逐步回升并接近原來的溶解氧濃度。如繼續(xù)補糖，又會繼續(xù)下降，甚至引起生產(chǎn)受到限制。

◆發(fā)酵后期，由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度上升，一旦菌體自溶，溶氧濃度會明顯上升。

2、發(fā)酵中溶氧異常下降的原因：

a污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗掉；b菌體異常代謝；

c設(shè)備或者工藝控制發(fā)生故障，攪拌速度明顯下降、加消泡劑過多，引起溶氧下降。

3、發(fā)酵中溶氧異常上升的原因

菌體異常代謝，污染烈性噬菌體，菌體破裂后完全失去呼吸能力，溶氧就直接上升。

4、臨界氧濃度（C臨）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。

-2-5、氧的有害作用：形成新生O、超氧化物基O2或過氧化物基O2或羥自由

-基OH，破壞細胞及細胞膜。6、控制溶氧的作用：

◆判斷操作故障或事故引起的異�，F(xiàn)象◆判斷中間補料是否恰當◆判斷發(fā)酵體系是否污染雜菌◆控制代謝方向的指標

7、發(fā)酵過

程的溶氧變化

發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明顯下降

發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補料的數(shù)量、時機和方式等

發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯地上升。8、影響溶解氧的因素：

◆增加C*：提高氧分壓、提高罐壓、改變通氣速率

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◆生產(chǎn)中提高KLa，改善設(shè)備的供氧能力；□增加通氣量；□改善攪拌條件：改變攪拌器直徑或轉(zhuǎn)速；改變擋板的位置和數(shù)目�！魯嚢柁D(zhuǎn)速的影響◆發(fā)酵液黏度的影響◆培養(yǎng)基豐富程度的影響◆溫度的影響

◆氣體組成成分對DO值的影響五、CO2呼吸商對發(fā)酵的影響及調(diào)控

CO2對發(fā)酵影響的機理：CO2及HCO3-主要是影響細胞膜的結(jié)構(gòu)，導致膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細胞膜的輸送效率，導致細胞生長受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細胞膜的脂質(zhì)核心部位；HCO3-影響細胞膜的膜蛋白。

1、呼吸商：生物體在同一時間內(nèi)CO2產(chǎn)生量與O2的消耗量的比值叫做呼

吸商。

2、RQ可以反映菌的代謝情況：酵母發(fā)酵

RQ=1，糖有氧代謝，僅生成菌體，無產(chǎn)物形成；RQ>1.1，糖經(jīng)EMP生成乙醇。

不同基質(zhì)，菌的RQ不同

E.coli以延胡索酸為基質(zhì)，RQ=1.44；以丙酮酸為基質(zhì)，RQ=1.26；以琥珀酸為基質(zhì)，RQ=1.12；以乳酸、葡萄糖為基質(zhì)，RQ分別為1.02和1.00。產(chǎn)物形成對RQ的影響較為明顯，如產(chǎn)物還原性比基質(zhì)大，RQ增加；產(chǎn)物氧化性比基質(zhì)大，RQ就減少。其偏離程度決定于每單位菌體利用基質(zhì)所形成的產(chǎn)物量。

實際生產(chǎn)中測定的RQ值明顯低于理論值，說明發(fā)酵過程中存在著不完全氧化的中間代謝物和除葡萄糖以外的其他碳源。如發(fā)酵過程中加入消泡劑，由于它具有不飽和性和還原性，使RQ值低于葡萄糖為惟一碳源時RQ值。

六、基質(zhì)對發(fā)酵的影響

基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。對于發(fā)酵控制來說，基質(zhì)是生產(chǎn)菌代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，既涉及菌體的生長繁殖，又涉及代謝產(chǎn)物的形成。因此基質(zhì)的種類和濃度與發(fā)酵代謝有著密切的關(guān)系。所以選擇適當?shù)幕�質(zhì)和控制適當?shù)臐舛�，是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要方法。補料控制目的

◆解除基質(zhì)過濃的抑制◆解除產(chǎn)物的反饋抑制

◆解除葡萄糖分解代謝阻遏效應

◆避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖（料）過多造成細胞大量生長，耗氧過多而供氧不足的狀況，通常采用中間補料工藝。補料的原則

◆控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。

◆為實現(xiàn)這一目標，在中間補料控制時，必須選擇恰當?shù)姆答伩刂茀��?shù)和補料速率。七、通氣攪拌對發(fā)酵的影響和控制

通氣：供給微生物適量的無菌空氣，滿足菌體生長繁殖和積累代謝產(chǎn)物的需要氧傳遞速率的影響因素：攪拌器的形式、直徑、組數(shù)、攪拌器間距和轉(zhuǎn)速等。攪拌器的形式◆軸向式和徑向式

軸向式：槳式、錨式、框式和推進式徑向式：渦輪式

◆氣液混合系統(tǒng)采用圓盤渦輪式攪拌器

特點：直徑小、轉(zhuǎn)速快、攪拌效率高、功率消耗低，產(chǎn)生徑向液流，形成循環(huán)的翻騰，延長空氣的停留時間

◆上組攪拌器：混合作用，采用平槳式◆下組攪拌器：打碎氣泡，采用圓盤渦輪式攪拌轉(zhuǎn)速和槳葉直徑

◆低轉(zhuǎn)速、大葉徑或高轉(zhuǎn)速、小葉徑可達到同樣功率

◆增大直徑，利于液體混合；增大轉(zhuǎn)速，提高溶氧水平，根據(jù)具體情況確◆定直徑和轉(zhuǎn)速

空氣流量小、動力消耗小：小葉徑和高轉(zhuǎn)速；空氣流量小、動力消耗大：直徑影響不大；

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空氣流量大、動力消耗�。捍笕~徑和低轉(zhuǎn)速；空氣流量大、動力消耗大：小葉徑和高轉(zhuǎn)速非牛頓型發(fā)酵液：大葉徑、低轉(zhuǎn)速和多組攪拌器牛頓型發(fā)酵液：小葉徑和高轉(zhuǎn)速八、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制泡沫產(chǎn)生的原因與機理：

◆由外界引進的氣流因通氣、攪拌被機械地分散形成；◆發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成蛋白質(zhì)和代謝物等穩(wěn)定泡沫的物質(zhì)存在

培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)以及微生物菌體等為起泡物質(zhì)，具有穩(wěn)定泡沫的作用培養(yǎng)基的成分、溫度、酸堿度、濃度及泡沫的表面積對泡沫的穩(wěn)定性都有一定影響。

泡沫對發(fā)酵的不利影響：

①降低了裝料系數(shù)，降低設(shè)備的利用率；②增加了菌群的非均一性；③增加了染菌的機會；④導致產(chǎn)物的損失（逃液）；⑤消泡劑會給后提取工序帶來困難。

1、發(fā)酵過程泡沫控制的方法：機械消泡法和化學消泡劑消泡。機械消泡法原理

靠機械力引起強烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。

方法：罐內(nèi)消沫法；罐外消沫法。

優(yōu)點：不需要引進外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機會缺點：不能從根本消除引起穩(wěn)定泡沫的因素�；瘜W消泡法機理

當泡沫表層存在由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機械強度或加入某些具有強極性的物質(zhì)，降低液膜強度，使泡沫破裂。

當泡沫的液膜具有較大的表面粘度時，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導致泡沫破裂。八、高密度發(fā)酵：

九、發(fā)酵終點的判斷與控制

判斷標準：產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

發(fā)酵時間長短對后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響

如果發(fā)酵時間太短，過多營養(yǎng)物質(zhì)(如可溶性蛋白、脂肪等)殘留在發(fā)酵液中，對下游操作提取、分離等工序都不利。

發(fā)酵時間太長，菌體會自溶，釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，又會顯著改變發(fā)酵液的性質(zhì)，增加過濾工序的難度，這不僅使過濾時間延長，甚至使一些不穩(wěn)定的產(chǎn)物遭到破壞。都可能使產(chǎn)物質(zhì)量下降，雜質(zhì)含量增加，故要考慮發(fā)酵周期長短對提取工序的影響。

合理的放罐時間是由實驗來確定的，即根據(jù)不同的發(fā)酵時間所得的產(chǎn)物產(chǎn)量計算出發(fā)酵罐的生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本，采用生產(chǎn)率高而成本又低的時間，作為放罐時間。

不同發(fā)酵類型，達到的目標不同，對終點的判斷標準也不同","p":{"h":15.839,"w":7.92,"x":1088.61,"y":481.138,"z":115},"ps":{"_enter":1},"t":"

位下跌，擾亂提取工段的作業(yè)計劃。十、發(fā)酵過程的計算機控制原理

計算機對發(fā)酵的控制有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制：計算機只對被控制的對象輸出數(shù)據(jù)和命令，不需要得到被控制對象反饋的信息。

閉環(huán)控制：一種具有雙向控制的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即帶有反饋的控制系統(tǒng)。計算機在發(fā)酵過程中的主要功能：過程數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)分析，過程控制。

第九章發(fā)酵罐的放大與設(shè)計

一、發(fā)酵罐的類型及結(jié)構(gòu)

發(fā)酵罐的組成：包括釜體、攪拌裝置、傳熱裝置、軸封裝置。釜體是由筒體和兩個封頭組成。

作用：為物料進行化學反應提供一定的空間。

攪拌裝置是由傳動裝置、攪拌軸和攪拌器組成，作用：參加反應的各種物料均勻混合，使物料很好地接觸而加速化學反應的進行。

發(fā)酵罐的特點：必須具備足夠的強度、密封性、耐蝕性及穩(wěn)定性。發(fā)酵罐的工作要求

清潔衛(wèi)生；反應過程能保持恒定的溫度，以利于發(fā)酵菌很好地進行發(fā)酵；攪拌器使物料混合均勻、加快反應速度、縮短發(fā)酵周期、強化傳熱；將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量及時帶走，保證反應正常進行。一、發(fā)酵罐的類型

1、通用式發(fā)酵罐：通用式發(fā)酵罐是指帶有通氣和攪拌裝置的發(fā)酵罐，是工業(yè)生產(chǎn)中

最常用的發(fā)酵罐。其中，機械攪拌的作用是使發(fā)酵液充分混合，保持液體中的固性物料呈懸浮狀態(tài)，并能打碎空氣氣泡以提高氣液間的傳氧速率。

2、氣升式發(fā)酵罐：此類發(fā)酵罐是依靠無菌壓縮空氣作為液體的提升力，使罐內(nèi)發(fā)酵

液通過上下翻動實現(xiàn)混合和傳質(zhì)傳熱過程。特點：結(jié)構(gòu)簡單、無軸封就，不易污染，氧傳質(zhì)效率高，能耗低，安裝維修方便。

3、管道式發(fā)酵罐：是以發(fā)酵液的流動代替攪拌，依靠液體的流動，實現(xiàn)通氣混合和

傳質(zhì)目的。尚處于試驗階段，對無菌要求不高的發(fā)酵可以考慮。4、固定化發(fā)酵罐：一種在圓筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物進行生物催

化反應的裝置。優(yōu)點：生物利用率高，主要有填充床和流化床兩種。

5、自吸式發(fā)酵罐：是無需其他氣源供應壓縮空氣的發(fā)酵罐，其關(guān)鍵部位是帶有中央

吸氣口的攪拌器。在攪拌過程中可以自吸入過濾空氣，適合于耗氧很低的發(fā)酵類型。

6、伍式發(fā)酵罐：伍式發(fā)酵罐主要部位是套筒、攪拌器。攪拌時液體沿著套筒外向上

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升至液面，然后由套內(nèi)返回罐底，攪拌器是用6根彎曲的中空不銹鋼管焊于圓盤上，兼做空氣分配器。無菌空氣由空心軸導入，經(jīng)過攪拌器甩出的液體混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升，由套管內(nèi)部下降，形成循環(huán)。多用于紙漿發(fā)酵液發(fā)發(fā)酵生產(chǎn)酵母。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，清潔套筒較困難，消耗功率高。二、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)：

（1）外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸

（2）攪拌裝置

（3）擋板

擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。

全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。

（4）空氣分布裝置

空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等。常用的分布裝置是單管式，單管式管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下，管口與罐低的距離約40mm，并且空氣分散效果較好。若距離過大，空氣分散效果較差。該距離可根據(jù)溶氧情況適當調(diào)整。

空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。環(huán)形管的分布裝置，以環(huán)徑di等于0.8Di（攪拌器直徑）時最為有效。噴孔直徑為5~8mm，噴孔直徑向下，噴孔的總截面積約等于通風管的截面積。這種空氣分布裝置的空氣分散效果不及單管式分布裝置，噴孔容易被堵塞。（5）消泡器

破碎氣泡；改善供氧；防止染菌。（6）發(fā)酵罐的換熱裝置夾套式換熱裝置

這種裝置多應用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐；

夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設(shè)計。

這種裝置的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。

其缺點是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差。

帶夾套的發(fā)酵罐罐體壁厚要按外壓計算[即0.3MPa（絕對壓力）]夾套內(nèi)設(shè)置螺旋片導板，來增加換熱效果，同時對罐身起加強作用。三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計與放大

1、原則：是否適合生產(chǎn)工藝的放大要求以及獲得最大的生產(chǎn)效率�？紤]下列因素（1）微生物生長速率和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率；（2）發(fā)酵罐的傳遞性能，包括傳質(zhì)效率、傳熱效率及其混合效率。

提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力就是解決放大過程中出現(xiàn)的傳遞性能下降問題，即改善發(fā)酵罐的傳質(zhì)、傳熱和混合效果。2、設(shè)計的基本要求：適宜的徑高比承受一定的壓力

破碎氣泡并混合良好，保證充足的溶解氧。良好的循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)

內(nèi)壁拋光，較少死角，易于徹底滅菌

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軸封嚴密，避免泄露能耗低，傳遞效率高具有機械消泡裝置

安裝必要的傳感器和補料裝置，提高發(fā)酵水平。四、發(fā)酵罐的放大設(shè)計單位相似原則：

放大準則：單位體積溶氧系數(shù)；單位體積功率；末端剪切力。放大方法：經(jīng)驗放大法；量綱分析法；時間常數(shù)法。經(jīng)驗放大法：幾何相似法和非幾何相似法電機的選配：

通常按照不通氣的情況選擇攪拌功率考慮啟動因素

考慮減速傳動裝置的機械效率

高速小直徑利于微觀混合，但損傷大；低速大直徑利于宏觀混合，傳遞差。1-3.5kW/m3

第十一章發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制

發(fā)酵產(chǎn)物提取與精制的意義：實現(xiàn)發(fā)酵的最終目標獲得高品質(zhì)的產(chǎn)物；產(chǎn)物的提取和精制技術(shù)的進步以及工藝優(yōu)化對上游提出新的技術(shù)和工藝改進要求，使下游的產(chǎn)物易于提取和精制，降低成本，提高競爭力。粗分離階段

發(fā)酵結(jié)束后產(chǎn)物的提取和初步分離階段，包括菌體和發(fā)酵液的固液分離、細胞破碎、目標產(chǎn)物的浸提、細胞浸提液或發(fā)酵液萃取、萃取液分離濃縮等純化精制階段

初步分離的基礎(chǔ)上，采用特異性強、選擇性高的分離技術(shù)，把目標產(chǎn)物和雜質(zhì)分開，目標產(chǎn)物達到一定的要求

分離純化條件：低溫、適宜的PH值、盡可能小的剪切力、防止微生物和雜質(zhì)污染；要求：快速操作、低溫環(huán)境、溫和條件、盡可能小的剪切力、防止污染、生物安全等；

關(guān)鍵：深入研究發(fā)酵體系特性和產(chǎn)物特點。一般的工藝流程：

四個階段：發(fā)酵液的預處理和固液分離階段、初步提取分離階段、純化精制階段、成品加工階段。

1、提取精制方法的優(yōu)化與工藝設(shè)計

目標：產(chǎn)率高、成本低、品質(zhì)優(yōu)、操作簡便、沒有環(huán)境污染純化方法的選擇：離子交換法（用于蛋白質(zhì)和酶分離純化）各單元操作順序

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注意：固液分離前進行發(fā)酵液預處理

一般情況下，收率高、純度低的方法在前面；純度高的方法在后面發(fā)酵產(chǎn)物分離純化的操作順序

固液分離；細胞破碎；目標產(chǎn)物的浸提或萃�。患毎�液的浸提或發(fā)酵液的萃取液濃縮；柱色譜分離；結(jié)晶；干燥2、發(fā)酵培養(yǎng)物的特性①濃度低，處理體積大

②微生物細胞顆粒小，相對密度與液相相差不大③細胞含水量大，可壓縮性大

④液體流變特性復雜，液相粘度大易吸附在濾布上，⑤產(chǎn)物性質(zhì)不穩(wěn)定3、預處理：

通過預處理，改變流體特性、降低濾餅比阻或離心沉淀特性、使發(fā)酵液相對純化等提高固液分離效率、后續(xù)分離效率以及收率等

4、過濾特性的改變：降低發(fā)酵液粘度；添加絮凝劑；調(diào)整PH值；加入反應劑、助濾劑等。5、降低發(fā)酵液粘度

意義：濾液通過率餅的速率與粘度成反比，因此降低發(fā)酵液的粘度可以提高過濾效率

方法：加水稀釋法、加熱升溫法、酶解法�！鸭铀�稀釋法

優(yōu)點：降低液體粘度

缺點：增加發(fā)酵液的體積，降低產(chǎn)物濃度，加大后續(xù)處理量。要求：稀釋后過濾速率提高的百分比必須大于加水比�！鸭訜嵘郎胤�

優(yōu)點：降低液體粘度，提高過濾速率

注意：加熱溫度和時間控制在不影響產(chǎn)物活性的范圍內(nèi)；防止加熱導致的細胞溶解，造成胞內(nèi)物質(zhì)外溢，增加產(chǎn)物分離純化的難度�！衙附夥�

利用酶將發(fā)酵液中的多糖類物質(zhì)，降解為寡糖或單糖，提高過濾效率一、凝聚與絮凝

原理：改變菌體細胞和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，凝聚成較大的顆粒，利于過濾。常用于菌體細小和粘度大的發(fā)酵液的處理。1、凝聚

定義：在中性鹽的作用下，膠體粒子的雙電子層排斥電位的降低，膠體體系不穩(wěn)定出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象。方法：加入電解質(zhì)；

凝聚值：膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度；常用電解質(zhì)：硫酸鋁、氯化鐵和氯化鋁；2、絮凝

定義：在高分子絮凝劑的情況下，使膠粒形成絮凝團的作用。

絮凝劑的要求：分子必須含有相當多的活性官能團，能與膠粒表面結(jié)合；具有長鏈的線性結(jié)構(gòu)，同時與多個膠粒吸附形成較大的絮團；分子量不宜過大，以免影響溶解性。

原理：高分子聚合物，具有長鏈結(jié)構(gòu)，鏈上有許多活性官能團，包括陰離子和非離子型基團，通過靜電力、范德華力或氫鍵的作用，吸附在膠粒的表面。當高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面時產(chǎn)生架橋連接，形成較大的絮團，產(chǎn)生絮凝作用

種類：有機高分子類；無機高分子聚合物；天然有機高分子。

用量：通過實驗確定。較多的絮凝劑有利于架橋充分，但過多引起吸附飽和，在膠粒上形成覆蓋層，膠粒再次穩(wěn)定。二、混凝

概念：同時包括凝聚和絮凝作用應用：

對于帶電負荷的菌體或蛋白質(zhì)來說，采用陽離子型高分子絮凝劑同時具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附架橋的雙重機理，所以可單獨使用。

對于非離子型和陰離子型的高分子絮凝劑，則主要通過分子間引力和氫鍵產(chǎn)生吸附架橋，所以它們常與無機電解質(zhì)結(jié)合使用

加入蛋白質(zhì)，懸浮粒子的雙電層電位降低，凝聚成微粒再加入絮凝劑凝聚成較大顆粒

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電解質(zhì)的凝聚作用為高分子絮凝劑的架橋創(chuàng)造了良好的條件，提高了絮凝的效果，此時為混凝三、調(diào)整PH值⊙影響：

a電離度和電荷性質(zhì)

b細胞、細胞碎片以及膠體物質(zhì)在某PH時可能趨于絮凝而形成大顆粒，利于過濾

c改變某些物質(zhì)的電荷性質(zhì)，轉(zhuǎn)入液相，減少膜過濾的堵塞和污染

四、加入反應劑：利用反應劑和某些可溶性鹽生成不溶性沉淀，消除發(fā)酵液中雜質(zhì)對過濾的影響。五、加入助濾劑

原理：在含有大量細小粒子的發(fā)酵液中加入助濾劑，助濾劑作為膠體粒子的載體，把粒子吸附在助濾劑的微粒上，均勻分布在濾餅層中，改變了濾餅的結(jié)構(gòu)，降低濾餅的可壓縮性，減小過濾阻力。

種類：硅藻土、珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素等使用方法：在過濾介質(zhì)表面預涂助濾劑；直接加入到發(fā)酵液中兩種方法同時用。六、發(fā)酵液相對純化

對后提取分離影響最大的因素雜蛋白和高價無機離子雜蛋白的危害和去除方法

降低樹脂的吸附能力；易產(chǎn)生乳化，使兩相分離困難加熱、有機溶劑去除七、高價無機離子的影響

干擾樹脂對對活性物質(zhì)的交換容量

常規(guī)過濾或膜過濾時，使濾速下降，膜受到污染去除方法：

鈣離子：草酸（注意回收）鎂離子：草酸和三聚磷酸鈉鐵離子：黃血鹽

第十五章發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)原理與技術(shù)運用

一、酒精

1、發(fā)酵菌種要求：高的發(fā)酵能力、高的比生長速率、高的耐酒精性。2、原料：

淀粉質(zhì)原料：谷物原料和薯類原料；糖質(zhì)原料：甘蔗和甜菜糖蜜；

纖維質(zhì)原料：森林和木材工業(yè)下角料、秸桿、廢纖維垃圾、甘蔗渣和玉米芯。3、酒精發(fā)酵生化機制

不同生產(chǎn)原料，酒精發(fā)酵生化過程不同。對糖質(zhì)原料，可直接利用酵母將糖轉(zhuǎn)化成乙醇。對于淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料，首先要進行淀粉和纖維質(zhì)的水解（糖化），再由酒精發(fā)酵菌將糖發(fā)酵成乙醇。4、原料預處理

淀粉質(zhì)原料：糊化、糖化

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祝大家考出好成績，整理倉促，如有錯誤請原諒。糖蜜：沉淀、離心分離、過濾纖維質(zhì)原料：酸解、酶解

二、氨基酸類產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)（自己總結(jié)）

三、青霉素（自己總結(jié)）

考試題型：

一、名詞解釋：5題10分二、填空題：40空20分三、選擇題：20題20分祝大家考出好成績，整理倉促，如有錯誤請原諒。

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祝大家考出好成績，整理倉促，如有錯誤請原諒。32

四、判斷題：10題10分五、簡答題：6題30分六、綜合題：1題10分

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