發(fā)酵工程重點(diǎn)（6801)

1、 .第一章 緒論1、什么是發(fā)酵狹義“發(fā)酵”定義:在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用生成乙醇并放出二氧化碳,同時(shí)獲得能量；丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。廣義“發(fā)酵”的定義:工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過(guò)程。2、什么是發(fā)酵工程定義:應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會(huì)性服務(wù)的一門(mén)科學(xué)。3、發(fā)酵工程的特點(diǎn)主要特點(diǎn)：以高產(chǎn)量、高轉(zhuǎn)化率和高效率及低成本為目標(biāo)的發(fā)酵過(guò)程

2、(1)發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。(2)所用原料主要是農(nóng)副產(chǎn)品及其加工產(chǎn)品通常以淀粉、糖蜜或其它農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)。(3)發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(4)發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。(5)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍院透?/p>

3、度選擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。(6)微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。4、發(fā)酵工程的主要問(wèn)題發(fā)酵工程的主要問(wèn)題過(guò)程優(yōu)化與放大:在高產(chǎn)菌株的基礎(chǔ)上，如何把高產(chǎn)菌種在培養(yǎng)過(guò)程中進(jìn)一步考察它的生理生化特性，穩(wěn)定或改進(jìn)微生物反應(yīng)工藝過(guò)程，要求對(duì)生物物性的動(dòng)態(tài)有詳盡的了解，對(duì)生化反應(yīng)做定量的和動(dòng)力學(xué)方面的考察。第二章 菌種選育1、與篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷型有關(guān)的三類培養(yǎng)基？答：基本培養(yǎng)基、補(bǔ)充培養(yǎng)基、完全培養(yǎng)基2、誘變育種的步驟？ 出

4、發(fā)菌株的選擇 處理菌懸液的制備 誘變處理 中間培養(yǎng) 分離和篩選3、什么叫營(yíng)養(yǎng)缺陷性菌株？它的篩選步驟？營(yíng)養(yǎng)缺陷型是指因發(fā)生基因突變而喪失合成一種或幾種生長(zhǎng)因子、氨基酸、維生素和堿基等的能力，無(wú)法再基本培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng)繁殖的突變類型，稱為營(yíng)養(yǎng)缺陷型。篩選步驟：誘變 淘汰野生型 檢出缺陷型 確定生長(zhǎng)譜4、工業(yè)微生物有哪些要求營(yíng)養(yǎng)特征：能在廉價(jià)或來(lái)源豐富的原料制成的培養(yǎng)基上迅速生長(zhǎng)；培養(yǎng)條件：生長(zhǎng)速度較快，發(fā)酵周期較短，易于控制，抗噬菌體及雜菌污染的能力強(qiáng),生長(zhǎng)溫度應(yīng)高于40，降低冷卻成本；產(chǎn)物得率和濃度：生成的目的產(chǎn)物產(chǎn)量高、易于回收； 5、從自然界分離篩選新菌株需哪些步驟定方案：首先要查閱資料，

5、了解所需菌種的生長(zhǎng)培養(yǎng)特性。采樣：有針對(duì)性地采集樣品。增殖：人為地通過(guò)控制養(yǎng)分或培養(yǎng)條件，使所需菌種增殖培養(yǎng)后，在數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)。分離：利用分離技術(shù)得到純種。發(fā)酵性能測(cè)定：進(jìn)行生產(chǎn)性能測(cè)定（形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)要求、生理生化特性、發(fā)酵周期、耐受最高溫度、生長(zhǎng)和發(fā)酵最適溫度、最適pH值等）。6、富集培養(yǎng)：根據(jù)目的微生物的生理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種選擇性培養(yǎng)基，創(chuàng)造有利于目的微生物生長(zhǎng)的條件，使目的微生物迅速地生長(zhǎng)繁殖，數(shù)量增加，由原來(lái)的劣勢(shì)種變的優(yōu)勢(shì)種，以利分離到所需要的菌株。7、利用平皿的生化反應(yīng)進(jìn)行分離透明圈法：平板培養(yǎng)基中加入溶解性較差的底物，使培養(yǎng)基渾濁。 變色圈法 ：在底物平板中加入指示劑或顯色劑，使所需

6、微生物能被快速鑒別出來(lái)。 生長(zhǎng)圈法 :生長(zhǎng)圈法通常用于分離篩選氨基酸、核苷酸和維生素的產(chǎn)生菌。抑菌圈法 抑菌圈法是抗生素篩選常用的初篩方法。8、工業(yè)微生物育種目的 防止菌種退化 解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題 提高目標(biāo)產(chǎn)物的能力 提高產(chǎn)品質(zhì)量 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品9、自然選育: 稱為菌種的分離純化在生產(chǎn)過(guò)程中,不經(jīng)過(guò)人工處理,利用菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過(guò)程叫自然選育.10、菌種衰退（degeneration） ：由于自發(fā)突變的結(jié)果，而使某物種原有的一系列生物學(xué)性狀發(fā)生量變到質(zhì)變的現(xiàn)象。11、菌種保藏原理：根據(jù)菌株生理生化特性，人工創(chuàng)造條件（低溫、干燥、真空）使菌體的代謝活動(dòng)休眠期狀態(tài)。12、菌種保藏的目的要求

7、：經(jīng)長(zhǎng)期保藏后菌種存活健在，保證菌種不改變表型和基因型，特別是不改變菌種代謝產(chǎn)物生產(chǎn)能力13、菌種保藏的方法1、冷凍保藏 冷凍保藏（-20以下）：將菌種加入菌種保護(hù)劑（甘油或二甲基亞砜）通過(guò)冷凍，使微生物代謝活動(dòng)停止。冷凍溫度愈低，效果愈好。同時(shí)要掌握好冷凍速度和解凍速變。冷凍保藏的缺點(diǎn)運(yùn)輸較困難。主要冷凍保藏方法：普通冷凍保藏技術(shù)(-20) 超低溫冷凍保藏技術(shù)(-60-80) 液氮冷凍保藏技術(shù) （ -130-150 ）2、凍干保藏 保藏方法：將混有保護(hù)劑冰凍至-60菌種迅速轉(zhuǎn)移至-40時(shí)啟動(dòng)真空泵，使真空度減壓到2.674.00Pa條件下使凍結(jié)的細(xì)胞懸液中的水分升華，使菌種干燥成粉，分裝密封

8、安瓿，低于5下保藏。是微生物菌種長(zhǎng)期保藏的最為有效的方法之一。保藏期限： 10年以上注意事項(xiàng)：冷凍干燥過(guò)程中必須使用冷凍保護(hù)劑，如脫脂乳和蔗糖，凍干后的菌株無(wú)需進(jìn)行冷凍保藏，便于運(yùn)輸。3、其他保藏方法 傳代保藏 礦物油中浸沒(méi)保藏 第三章 微生物培養(yǎng)基一、培養(yǎng)基的分類：按純度 合成培養(yǎng)基: 原料其化學(xué)成分明確、穩(wěn)定 天然培養(yǎng)基: 采用天然原料按狀態(tài) 固體培養(yǎng)基 半固體培養(yǎng)基 液體培養(yǎng)基按用途 孢子（斜面）培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基二、孢子、種子、發(fā)酵培養(yǎng)基的用途及要求：孢子（斜面）培養(yǎng)基供菌體繁殖產(chǎn)孢子的一種常用固體培養(yǎng)基，要求使菌體生長(zhǎng)快，產(chǎn)生較多優(yōu)質(zhì)的孢子。要求：1、營(yíng)養(yǎng)不要太豐富（特別

9、是有機(jī)氮源）； 2、無(wú)機(jī)鹽濃度要適量，否則影響孢子的顏色和數(shù)量； 3、要注意培養(yǎng)基的pH和濕度。種子培養(yǎng)基：是供孢子發(fā)芽、生長(zhǎng)和大量繁殖菌絲體，并使菌絲體長(zhǎng)得粗壯，成為活力強(qiáng)的種子 要求：1、營(yíng)養(yǎng)要求比較豐富和完全; 2、氮源和維生素含量要求高，供菌體生長(zhǎng)和繁殖； 3、最后一級(jí)種子培養(yǎng)基的成分要接近發(fā)酵培養(yǎng)基。發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌體生長(zhǎng)、繁殖和合成產(chǎn)物之用。要求：1、滿足菌體生長(zhǎng)必需的元素和化合物； 2、有合成產(chǎn)物所需的特定元素、前體和促進(jìn)劑；三、碳源作用：提供微生物菌體的生長(zhǎng)繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳骨架； 氮源作用：氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。

10、生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源，如硫酸銨； 生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源，如硝酸鈉。 生長(zhǎng)因子：凡是微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長(zhǎng)因子。 前體：某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過(guò)程中合成到產(chǎn)物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。四、培養(yǎng)基成分選擇的原則 1、 菌種的同化能力 2、代謝的阻遏和誘導(dǎo) 3、合適的C、N比1000.22.0 4、 pH的要求第四章 滅菌一、濕熱滅菌的原理高溫的蒸汽使微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶

11、和核酸分子等大分子發(fā)生變性，使微生物死亡。熱阻:不同種類的微生物對(duì)熱的抵抗力不同，微生物對(duì)熱的抵抗力稱為熱阻。噁3二、濕熱滅菌理論時(shí)間的計(jì)算(書(shū)121-125)升溫、冷卻兩階段也有一定的滅菌效果，考慮到滅菌的可靠性主要在保溫階段進(jìn)行，故可以簡(jiǎn)單地利用式 (N/N0) =-kt 來(lái)粗略估算滅菌所需時(shí)間。有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在1210C溫度下實(shí)罐滅菌，原污染程度為每1ml有2×105個(gè)耐熱細(xì)菌芽孢，已知1210C時(shí)滅菌速度常數(shù)k=1.8min-1，求滅菌失敗機(jī)率為0.001時(shí)所需時(shí)間。解：N0=40×106×2×105=8×1012(個(gè))

12、 Nt=0.001(個(gè)) k=1.8(min-1) (Nt/N0)=-kt t=2.303/klg(N0/Nt)=2.303/1.8lg(8×1015) 三、培養(yǎng)基分批滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)(書(shū)122)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需專門(mén)的滅菌設(shè)備,設(shè)備投資少,滅菌效果可靠,對(duì)滅菌用蒸汽要求低缺點(diǎn): 對(duì)培養(yǎng)基成分破壞大,升溫時(shí)間長(zhǎng),難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.四、培養(yǎng)基連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)：（適用于大型罐） 1、可采用高溫短時(shí)滅菌，營(yíng)養(yǎng)成分破壞少，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)率；2、 發(fā)酵罐利用率高；3、蒸汽負(fù)荷均衡；4、采用板式換熱器時(shí)，可節(jié)約大量能量；5、適宜采用自動(dòng)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度小；6、可實(shí)現(xiàn)將耐熱性物料和不耐熱性物料在

13、不同溫度下分開(kāi)滅菌，減少營(yíng)養(yǎng)成分的破壞。缺點(diǎn)： 1、對(duì)小型罐無(wú)優(yōu)勢(shì)，不方便，對(duì)設(shè)備要求高；2、 蒸汽波動(dòng)時(shí)滅菌不徹底；3、當(dāng)培養(yǎng)基中含有固體顆?；蛴休^多泡沫時(shí)，以分批滅菌好，防止滅菌不徹底。五、熱阻定義：是指微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時(shí)間。可用比死亡速率常數(shù)k來(lái)表示 。六、 空氣除菌的方法1、輻射滅菌原理射線、X射線、射線、射線、紫外線、超聲波等能破壞微生物的核酸或蛋白質(zhì)，從而起到殺菌作用。2.加熱滅菌加熱方法可用蒸汽、電和空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量3、靜電除菌原理 高壓產(chǎn)生電暈，電暈使空氣分子電離為帶正電和負(fù)電荷的空氣離子，遇到空氣中固體微粒和液體微粒，使后者帶上電荷分別

14、向兩極運(yùn)動(dòng)，利用靜電引力來(lái)吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的4.介質(zhì)過(guò)濾除菌法原理: 利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物?？諝庵械奈⑸锞w是依靠氣流通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，由于濾層纖維的層層阻礙，迫使空氣在流動(dòng)過(guò)程中多次改變氣流速度大小和方向的繞行運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致微生物微粒與濾層纖維間的產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗運(yùn)動(dòng)、重力及靜電引力等運(yùn)動(dòng)，從而把微生物微粒截留、捕捉在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾的目的。第五章 種子擴(kuò)大培養(yǎng)一、什么是種子擴(kuò)大培養(yǎng)指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),最終獲得一定發(fā)酵產(chǎn)量高、數(shù)量充足、無(wú)污染的生產(chǎn)菌種的過(guò)程。二、種子擴(kuò)大培養(yǎng)

15、的目的和要求目的：接種量的需要、菌種的馴化、縮短發(fā)酵時(shí)間、保證生產(chǎn)水平。要求：應(yīng)根據(jù)菌種的生理特性選擇合適的培養(yǎng)條件獲得代謝旺盛、數(shù)量足夠的種子。三、制備種子的準(zhǔn)則1、細(xì)胞生長(zhǎng)活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長(zhǎng)，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(wú)雜菌污染； 5、保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。 四、種子罐的級(jí)數(shù)的概念種子罐級(jí)數(shù)：指制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)，取決于菌種生長(zhǎng)特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度；所采用發(fā)酵罐的容積 五、接種量：移入種子的體積除以接種后培養(yǎng)液的體積的值。六、種齡：指種子罐中培養(yǎng)的菌體開(kāi)始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。7雙種: 兩個(gè)

16、種子罐接種到一個(gè)發(fā)酵罐中。七、倒種: 一部分種子來(lái)源于種子罐，一部分來(lái)源于發(fā)酵罐。 第六章 種子擴(kuò)大培養(yǎng)一、什么是種子擴(kuò)大培養(yǎng)指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),最終獲得一定發(fā)酵產(chǎn)量高、數(shù)量充足、無(wú)污染的生產(chǎn)菌種的過(guò)程。二、種子擴(kuò)大培養(yǎng)的目的和要求答：目的：接種量的需要、菌種的馴化、縮短發(fā)酵時(shí)間、保證生產(chǎn)水平。要求：應(yīng)根據(jù)菌種的生理特性選擇合適的培養(yǎng)條件獲得代謝旺盛、數(shù)量足夠的種子。三、制備種子的準(zhǔn)則答：1.細(xì)胞生長(zhǎng)活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長(zhǎng)，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

17、.無(wú)雜菌污染； 5.保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。 第七章 發(fā)酵工藝控制一、分批發(fā)酵：指在一封閉系統(tǒng)一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束的發(fā)酵方式分批發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)通常要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個(gè)時(shí)期。二、分批發(fā)酵優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、投資少；運(yùn)行周期短；染菌機(jī)會(huì)減少；生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制缺點(diǎn)：1、不利于測(cè)定過(guò)程動(dòng)力學(xué)，存在底物限制或抑制問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)及二次生長(zhǎng)現(xiàn)象。2、對(duì)底物類型及初始高濃度敏感的次級(jí)代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長(zhǎng)與合成條件差別大）3、養(yǎng)分會(huì)耗竭快，無(wú)法維持微生物繼續(xù)生長(zhǎng)和生產(chǎn)4、非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率較低 三、連續(xù)發(fā)

18、酵：在發(fā)酵過(guò)程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時(shí)以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。連續(xù)培養(yǎng)與發(fā)酵的特點(diǎn)屬于穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)酵方法，環(huán)境條件（溫度、 pH、培養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、溶解氧、氧化還原電位）不發(fā)生變化，可以無(wú)限期延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，保持微生物穩(wěn)定的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率，維持發(fā)酵罐中細(xì)胞濃度、總菌體量和培養(yǎng)基的體積恒定不變；可以減少分批培養(yǎng)與發(fā)酵中每次清洗、裝料、消毒、接種、放罐等作業(yè)時(shí)間，節(jié)省人力物力，降低成本，提高生產(chǎn)效率；設(shè)備體積縮小，投資減少，可采用多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)與發(fā)酵，便于機(jī)械化、自動(dòng)化控制；產(chǎn)品性能穩(wěn)定；便于進(jìn)行微生物生理生化和遺傳特性的研究；易發(fā)生菌種變異、退化、雜菌污

19、染；單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)方程是： 優(yōu)點(diǎn)：添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的發(fā)酵過(guò)程過(guò)早結(jié)束，延長(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，增加生物量等；缺點(diǎn)：在長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并容易染上雜菌；如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培養(yǎng)基不易完全混合。四、補(bǔ)料分批發(fā)酵：分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時(shí)間逐漸增加 。優(yōu)點(diǎn)：1、可以解除底物的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)。2、避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況。3、菌體可被控制在一系列連續(xù)的過(guò)渡態(tài)階段，可用來(lái)作為控制細(xì)胞質(zhì)量的手段。與連續(xù)發(fā)酵相比，補(bǔ)料分批發(fā)

20、酵的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)菌要求低；菌種變異，退化少；適用范圍更廣。稀釋率：表示單位時(shí)間內(nèi)新鮮培養(yǎng)基流入培養(yǎng)器的體積與培養(yǎng)器中培養(yǎng)基總體積之比。分批發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)通常要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個(gè)時(shí)期。分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)率系數(shù):指得消耗單位營(yíng)養(yǎng)物所生成的細(xì)胞或產(chǎn)物數(shù)量。其大小取決于生物學(xué)參數(shù)（µ,x ）和化學(xué)參數(shù)（DO,C/N,磷含量等）產(chǎn)物得率系數(shù)：消耗每克營(yíng)養(yǎng)物（s）或每克分子氧(O2)生成的產(chǎn)物(P)、ATP或CO2的克數(shù)。 專一性得率 專一性用于生長(zhǎng)的底物量S不含用于維持能耗及產(chǎn)物形成部分的用量。 根據(jù)發(fā)酵時(shí)

21、間過(guò)程分析，微生物生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成存在以下三種關(guān)系：l 與生長(zhǎng)相關(guān)生長(zhǎng)偶聯(lián)型l 與生長(zhǎng)部分相關(guān)生長(zhǎng)部分偶聯(lián)型l 與生長(zhǎng)不相關(guān)無(wú)關(guān)聯(lián) 初級(jí)代謝物：一類低分子量的終點(diǎn)產(chǎn)物及這些終點(diǎn)產(chǎn)物的生物合成途徑中的中間體。 次級(jí)代謝產(chǎn)物:是指生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對(duì)該生物無(wú)明顯生理功能，或并非是該生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，如抗生素、毒素、激素、色素等。不同種次級(jí)代謝的特點(diǎn)及與初級(jí)代謝的關(guān)系次級(jí)代謝酶的特異性較初級(jí)代謝酶的特異性低，故受遺傳及環(huán)境因素的影響大。 次級(jí)代謝物的合成途徑比初級(jí)代謝的種類多，但大多數(shù)次級(jí)代謝物都是由少數(shù)關(guān)鍵中間代謝物組裝的。次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成一般是在生長(zhǎng)期后，即培

22、養(yǎng)基中的養(yǎng)分快耗盡，菌的比生長(zhǎng)速率降低時(shí)才合成類的生物所產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物不相同，它們可能積累在細(xì)胞內(nèi)，也可能排到外環(huán)境中。溫度對(duì)發(fā)酵的影響1.在其最適溫度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)最適生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)速率隨溫度增加而迅速下降。 2.不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同 處于延遲期的細(xì)菌對(duì)溫度的影響十分敏感。對(duì)于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)菌，如果在略低于最適溫度的條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過(guò)程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。 處于生長(zhǎng)后期的細(xì)菌，其生長(zhǎng)速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。 3.酶本身很易因過(guò)熱而失去活性，表現(xiàn)在菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短，影響最終產(chǎn)量。大題:溫度對(duì)發(fā)酵的影響：1

23、.溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)速率實(shí)際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個(gè)最適溫度。從阿累尼烏斯方程式可以看到 K與溫度有關(guān)E越大，溫度變化對(duì)K的影響越大2.溫度影響發(fā)酵方向影響發(fā)酵過(guò)程中各種反應(yīng)速率，從而影響微生物的生長(zhǎng)代謝與產(chǎn)物生成。最適溫度的選擇:1.根據(jù)菌種微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。2.生長(zhǎng)階段選擇在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達(dá)到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長(zhǎng)迅速；在中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長(zhǎng)中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因?yàn)樵谏缘蜏囟认掳被岷铣傻鞍踪|(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得

24、比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長(zhǎng)發(fā)酵周期沒(méi)有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。3.根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過(guò)早自溶。4.菌種的生長(zhǎng)情況菌生長(zhǎng)快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些。發(fā)酵熱:所謂發(fā)酵熱是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。1、生物熱Q生物2、攪拌熱Q攪拌3、蒸發(fā)熱Q蒸發(fā) 4、輻射熱Q輻射Q發(fā)酵Q生物Q攪拌Q蒸發(fā)Q輻射(填空)一、發(fā)酵過(guò)程pH變化的原因 1、基質(zhì)代謝 （1）糖代謝

25、特別是快速利用的糖，分解成小分子酸，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。 （2）氮代謝 當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。 （3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降。2、產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。 3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。 2、pH對(duì)發(fā)酵的影響 （1）pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻。（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)

26、胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行。 （3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用。（4）pH影響代謝方向(5)pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響 三、pH的控制 1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.56.8 2、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3 ,或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH 在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒(méi)有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)pH 4、當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)

27、pH 、發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值臨界氧濃度（CCr）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度。二. 溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響（1）溶解氧對(duì)生長(zhǎng)的影響（2）溶解氧對(duì)產(chǎn)物合成的影響（3）CCr與Cm比較：通常Cm與CCr不一致呼吸商（RQ）：指菌體呼吸過(guò)程中，CO2釋放率和菌的耗氧速率之比，RQ反映菌的代謝情況。補(bǔ)料的目的解除基質(zhì)過(guò)濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除分解代謝物阻遏作用避免因一次性投糖過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多而造成波谷現(xiàn)象。在生產(chǎn)上，補(bǔ)料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個(gè)重要手段。 第八章 發(fā)酵工藝控制及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)一、分批發(fā)酵：指在一封閉系統(tǒng)一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束的發(fā)酵方式優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)

28、單、投資少；運(yùn)行周期短；染菌機(jī)會(huì)減少；生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量較易控制缺點(diǎn)： 1、不利于測(cè)定過(guò)程動(dòng)力學(xué)，存在底物限制或抑制問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)底物分解阻遏效應(yīng)及二次生長(zhǎng)現(xiàn)象。 2、對(duì)底物類型及初始高濃度敏感的次級(jí)代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長(zhǎng)與合成條件差別大） 3、養(yǎng)分會(huì)耗竭快，無(wú)法維持微生物繼續(xù)生長(zhǎng)和生產(chǎn) 4、非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率較低 二、連續(xù)發(fā)酵：在發(fā)酵過(guò)程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同時(shí)以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。特點(diǎn)：1、屬于穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)酵方法，環(huán)境條件（溫度、pH、培養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、溶解氧、氧化還原電位）不發(fā)生變化，可以無(wú)限期延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中微生物的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，保持微生物穩(wěn)定的

29、生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率，維持發(fā)酵罐中細(xì)胞濃度、總菌體量和培養(yǎng)基的體積恒定不變；2、可以減少分批培養(yǎng)與發(fā)酵中每次清洗、裝料、消毒、接種、放罐等作業(yè)時(shí)間，節(jié)省人力物力，降低成本，提高生產(chǎn)效率；3、設(shè)備體積縮小，投資減少，可采用多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)與發(fā)酵，便于機(jī)械化、自動(dòng)化控制；4、產(chǎn)品性能穩(wěn)定；5、便于進(jìn)行微生物生理生化和遺傳特性的研究； 優(yōu)點(diǎn)：添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導(dǎo)致的發(fā)酵過(guò)程過(guò)早結(jié)束，延長(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，增加生物量等；缺點(diǎn)：在長(zhǎng)時(shí)間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變異，并容易染上雜菌；如果操作不當(dāng)，新加入的培養(yǎng)基與原有培養(yǎng)基不易完全混合。3、 補(bǔ)料分批發(fā)酵：分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，

30、使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時(shí)間逐漸增加 。特點(diǎn)： 1、與分批發(fā)酵相比，解除了由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)高而形成的阻遏效應(yīng)；避免了由于代謝產(chǎn)物積累過(guò)渡而造成的反饋抑制作用；使菌體濃度和細(xì)胞濃度生長(zhǎng)量控制在適當(dāng)?shù)乃缴?，防止菌體大量生長(zhǎng)而供氧不足；在某些情況下，通過(guò)控制菌體的生長(zhǎng)量，可以提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。 2、與連續(xù)發(fā)酵相比，不需要嚴(yán)格的無(wú)菌操作條件，不易發(fā)生菌種衰老退化或雜菌污染。優(yōu)點(diǎn)： 1、可以解除底物的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)。 2、避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況。 3、菌體可被控制在一系列連續(xù)的過(guò)渡態(tài)階段，可用來(lái)作為控制細(xì)胞質(zhì)量

31、的手段。4、與連續(xù)發(fā)酵相比，補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)菌要求低；菌種變異，退化少；適用范圍更廣。四、半連續(xù)發(fā)酵：在發(fā)酵過(guò)程中，每隔一定時(shí)間，取出一定體積的發(fā)酵液，同時(shí)在同一時(shí)間間隔內(nèi)加入相等體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進(jìn)行的發(fā)酵方式。 特點(diǎn)：稀釋率、比生長(zhǎng)速率以及其它與代謝有關(guān)的參數(shù)都將發(fā)生周期性的變化。5、 單級(jí)連續(xù)發(fā)酵：反應(yīng)器中的培養(yǎng)基接種后，通常先進(jìn)行一段時(shí)間的分批培養(yǎng)，待細(xì)胞濃度達(dá)到一定程度后，以恒定流量F將新鮮培養(yǎng)基送入反應(yīng)器，以同樣的流量將反應(yīng)器中培養(yǎng)液抽出，反應(yīng)器中培養(yǎng)液體積V不發(fā)生變化。六、稀釋率：表示單位時(shí)間內(nèi)新鮮培養(yǎng)基流入培養(yǎng)器的體積與培養(yǎng)器中培養(yǎng)基總體積之比。單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)方程是： 七、初級(jí)代線產(chǎn)物：一類低分子量的終點(diǎn)產(chǎn)物及這些終點(diǎn)產(chǎn)物的生物合成途徑中的中間體。 次級(jí)代謝產(chǎn)物：次級(jí)代謝產(chǎn)物是指生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對(duì)該生物無(wú)明顯生理功能，或并非是該生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。八、發(fā)酵熱：引起發(fā)酵過(guò)程中溫度變化的原因是在發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱。發(fā)酵熱組成元素：生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱、輻射熱。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射九、溫度對(duì)發(fā)酵的影響：溫度影響反應(yīng)速率、溫度影響發(fā)酵方向。最適溫度的選擇：根據(jù)菌種、生