發(fā)酵工程課程總結(jié)

發(fā)酵工程概圖微生物特點(diǎn)：①微生物比外表積大；②轉(zhuǎn)化才干強(qiáng)；③敏殖速度快；④變異率高；⑤分布范圍廣泛。發(fā)酵:是指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或其代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵工業(yè)是指利用微生物生命活動產(chǎn)生的酶，對無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)展酶加工獲得產(chǎn)品的工業(yè)。其主體是利用微生物酶進(jìn)展生化反響的工業(yè)。發(fā)酵工業(yè)：傳統(tǒng)發(fā)酵〔也稱釀造，如醋、醬、酒等〕近代發(fā)酵工業(yè)〔如酒精、乳酸等〕現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)〔抗生素、氨基酸、酶制劑等〕發(fā)酵工程：是指具有工程技術(shù)的微生物學(xué)在工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域運(yùn)用，而構(gòu)成的一門多學(xué)科交叉的學(xué)科。實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：①某種功能的微生物；②控制微生物生長和代謝的各種條件；③微生物發(fā)酵設(shè)備；④發(fā)酵產(chǎn)物提取、精制的條件和設(shè)備。發(fā)酵工業(yè)大致閱歷如下幾個階段：1．自然發(fā)酵階段2．純培育技術(shù)的建立3．通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立4．代謝控制發(fā)酵技術(shù)5．開辟發(fā)酵原料時期6．基因工程階段1、微生物菌體發(fā)酵2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵5．微生物特殊機(jī)能的利用發(fā)酵工程的范圍發(fā)酵工程的未來

1．利用基因工程技術(shù)改良菌種2．動植物細(xì)胞培育技術(shù)3．固定化酶或細(xì)胞技術(shù)微生物代謝代謝：生物體內(nèi)所進(jìn)展的全部化學(xué)反響的總和。代謝----物質(zhì)代謝和能量代謝〔酶〕；物質(zhì)代謝--分解代謝與合成代謝〔酶〕；能量代謝--產(chǎn)生、儲運(yùn)和利用〔酶〕。微生物代謝：初級代謝：普通把具有明確的生理功能，對維持生命活動不可短少的物質(zhì)代謝過程。其產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和維生素等。次級代謝：把一些沒有明確的生理功能，不是維持生命活動所必需的物質(zhì)的代謝過程。其產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，如某些色素、抗生素、毒素、生物堿等。代謝過程錯綜復(fù)雜，但受體內(nèi)調(diào)理系統(tǒng)嚴(yán)厲控制，并按照順序、協(xié)調(diào)有效地進(jìn)展，維持體內(nèi)代謝平衡。對微生物而言：代謝過程----細(xì)胞內(nèi)自我調(diào)理微生物代謝調(diào)理方式:1.細(xì)胞透性調(diào)理；2.代謝途徑調(diào)理；3.代謝流向調(diào)理；4.代謝速度調(diào)理(酶活性或酶數(shù)量)。發(fā)酵工程消費(fèi)程度由消費(fèi)菌種性能、發(fā)酵條件、提取工藝和消費(fèi)設(shè)備。其中消費(fèi)菌種是最重要的，消費(fèi)菌種最初都來源于自然界。①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的才干。②在發(fā)酵過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生與目的產(chǎn)品性質(zhì)相近的副產(chǎn)物及其他產(chǎn)物。③生長繁衍才干強(qiáng)，生長速率快。優(yōu)良的消費(fèi)菌種應(yīng)具備根本特性：④可以高效地將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。⑤有廣泛利用不同來源原資料的才干，并對發(fā)酵原料成分動搖敏感性較小。⑥對需求添加的前體物質(zhì)有耐受才干，并且不能將這些前體物質(zhì)作為普通碳源利用。⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。⑧具有抗噬菌體感染才干。⑨遺傳特性穩(wěn)定，保證發(fā)酵過程可以長期、穩(wěn)定地進(jìn)展，同時有利于實(shí)施最正確工藝控制。消費(fèi)菌種選育方法：自然選育、誘變選育、抗噬菌體菌種選育、雜交育種、原生質(zhì)體交融技術(shù)、基因工程技術(shù)等。自然選育:不經(jīng)人工處置，利用微生物自然突變進(jìn)展菌種選育的過程。自然突變緣由：1.多要素低劑量的誘變效應(yīng)，2.互變異構(gòu)效應(yīng)。自然選育程序:取樣→菌懸液→稀釋→平板分別→單菌落→才干檢測→菌種。誘變育種：是利用物理、化學(xué)誘變劑處置微生物細(xì)胞，提高基因突變頻率，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶暨x方法獲得所需求的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種的育種方法。常用的誘變劑--物理、化學(xué)和生物的三大類。誘變育種根本方法誘變育種----誘變和挑選誘變----包括出發(fā)菌株選擇、誘變劑種類和劑量選擇，以及合理運(yùn)用方法。挑選----初篩和復(fù)篩，測定菌種的消費(fèi)才干。誘變劑的運(yùn)用方法誘變的方法：單一誘變和復(fù)合誘變。單一誘變：指只用一種誘變劑處置菌種。復(fù)合誘變：指兩種以上誘變劑處置菌種。復(fù)合誘變處置包括同一誘變劑多次處置、兩種以上誘變劑同時、先后處置或多次處置。原生質(zhì)體交融技術(shù)基因工程技術(shù)雜交育種菌種保藏的原理和方法發(fā)酵類型：1.分零售酵2.補(bǔ)料分零售酵3.半延續(xù)發(fā)酵4.延續(xù)發(fā)酵5.細(xì)胞高濃度發(fā)酵是研討各種環(huán)境要素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化－－即生物反響速度的規(guī)律。微生物發(fā)酵動力學(xué)研討方法：是用數(shù)學(xué)模型定量地描畫發(fā)酵過程中細(xì)胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速度等要素的變化，以到達(dá)對發(fā)酵過程有效的控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低消費(fèi)本錢的目的。發(fā)酵動力學(xué)模型：發(fā)酵動力學(xué)模型，是為了描畫菌體生長、碳源利用與代謝產(chǎn)物構(gòu)成速度變化，以及它們相互之間的動力學(xué)關(guān)系。目前有多種動力學(xué)分型。碳源利用與產(chǎn)物構(gòu)成速度的關(guān)系動力學(xué)分型，它將發(fā)酵過程分成了三個類型。1〕Ⅰ型——產(chǎn)物直接與碳源利用有關(guān)；2〕Ⅱ型——產(chǎn)物間接與碳源利用有關(guān)；3〕Ⅲ型——產(chǎn)物外表與碳源利用無關(guān)。分零售酵動力學(xué)分批培育：是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培育方式。這種培育方式操作簡單，發(fā)酵液中細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷變化。就細(xì)胞濃度變化而言，在分批培育中要閱歷延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期〔圖4-2〕。延續(xù)培育動力學(xué)延續(xù)培育或延續(xù)發(fā)酵是指在培育過程中，延續(xù)地向發(fā)酵罐中加人培育基，同時以一樣流速從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)品的培育基。普通延續(xù)培育方式可歸納為兩種根本方式：一種是罐式或攪拌發(fā)酵罐，另一種是管式反響器。微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制營養(yǎng)物質(zhì)：可以滿足微生物生長、繁衍和各種生理活動所需的物質(zhì)。生長因子種類：維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶、卟啉及其衍生物、固醇、胺類、C2～C6直鏈或分支脂肪酸等，還有一些特殊的輔酶。能提供生長因子的天然物質(zhì)有酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、玉米漿、動植物組織或細(xì)胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液等。微生物發(fā)酵pH控制發(fā)酵液pH變化，與發(fā)酵關(guān)系極為親密，對菌體生長繁衍和產(chǎn)物積累影響極大，因此是一項(xiàng)重點(diǎn)檢測的發(fā)酵參數(shù)。pH影響結(jié)果1.菌體大小、長度縮短、直徑和數(shù)量。2.pH影響細(xì)胞膜的電荷形狀，進(jìn)而引起膜的浸透性發(fā)生改動，再進(jìn)而影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝產(chǎn)物的構(gòu)成。對產(chǎn)物的穩(wěn)定性同樣有影響。3.pH對某些生物合成途徑有顯著影響引起pH變化緣由：①取決于微生物本身的代謝，②還與培育基的成分有極大關(guān)系。生理堿性物質(zhì):某些物質(zhì)被微生物利用、氧化復(fù)原后，可使pH上升，這些物質(zhì)稱為生理堿性物質(zhì)。如有機(jī)氮源、硝酸鹽、有機(jī)酸等。生理酸性物質(zhì):某些物質(zhì)被微生物利用、氧化復(fù)原后，使pH下降，這些物質(zhì)稱為生理酸性物質(zhì)。碳源代謝往往起到降低pH作用，例如，糖類氧化不完全時產(chǎn)生的有機(jī)酸；脂肪不完全氧化產(chǎn)生的脂肪酸、硅鹽氧化后產(chǎn)生的硫酸等。發(fā)酵過程pH控制方法①主要思索培育基中生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)的配比；②經(jīng)過中間補(bǔ)料進(jìn)一步加以控制。生理酸性物質(zhì)－－〔NH4〕2SO4；生理堿性物質(zhì)－－氨水。當(dāng)pH和氨氮含量均低時，補(bǔ)加氨水；假設(shè)pH較高，而氨氮較低時，應(yīng)該補(bǔ)加〔NH4〕2SO4微生物發(fā)酵溫度控制溫度是影響有機(jī)體生長繁衍最重要的要素之一。任何生物化學(xué)酶促反響都直接與溫度變化有關(guān)的。對微生物發(fā)酵來說，溫度影響是多方面的，可以影響各種發(fā)酵條件，最終影響微生物生長和產(chǎn)物構(gòu)成。溫度對發(fā)酵影響:酶反響看，溫度上升→生長、繁衍、代謝。酶促反響動力學(xué)看，溫度升高→反響速度加快→呼吸加強(qiáng)→細(xì)胞生長、繁衍加快。但隨著溫度上升→酶失活速度加快→菌體衰老提早→發(fā)酵周期縮短→對發(fā)酵消費(fèi)是極為不利。最適發(fā)酵溫度選擇與控制選擇最適發(fā)酵溫度應(yīng)該思索兩個方面：①微生物生長最適溫度，②產(chǎn)物合成最適溫度。不同菌種、菌種不同生長階段以及不同培育條件，最適溫度都不同。微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：是指菌種接入發(fā)酵基質(zhì)起至發(fā)酵終了為止的時間間隔。發(fā)酵時間盡能夠短、思索提高產(chǎn)物收得率、降低底物耗費(fèi)率、提高經(jīng)濟(jì)效益、利于后序處置及產(chǎn)質(zhì)量量等。過度延伸發(fā)酵時間缺陷：①消費(fèi)效率降低；②對后續(xù)提取工序不利，如菌體自溶釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，改動發(fā)酵液性質(zhì)，使發(fā)酵液過濾困難，會使一些不穩(wěn)定產(chǎn)物遭到破壞，降低不穩(wěn)定發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。過度縮短發(fā)酵時間：①會減少產(chǎn)物產(chǎn)量，降低了消費(fèi)效率；②發(fā)酵液還殘存較多的糖、氨基酸、消沫劑、無機(jī)鹽離子等對發(fā)酵液過濾和產(chǎn)物提取時的樹脂交換有影響。微生物發(fā)酵溶氧控制氧是細(xì)胞呼吸底物。溶氧量是指溶于培育液中的氧氣量。適宜溶氧量能保證菌體內(nèi)正常氧化復(fù)原反響。溶氧量少，導(dǎo)致能量供應(yīng)缺乏，微生物將從有氧代謝轉(zhuǎn)化為無氧代謝來供應(yīng)能量；碳源物質(zhì)不完全氧化產(chǎn)生乙醇、乳酸、短鏈脂肪酸等有機(jī)酸的積累，都將抑制菌體生長與代謝。溶氧量高，導(dǎo)致培育基過度氧化；細(xì)胞成分由于氧化而分解，也不利于菌體生長。溶解氧對產(chǎn)物構(gòu)成影響是多樣性：①大量供氧才干高產(chǎn)，供氧缺乏，產(chǎn)量下降。如谷氨酸、精氨酸發(fā)酵。②對氧不敏感，雖然氧充足時高產(chǎn)，但限制供氧量對產(chǎn)量影響不明顯，如賴氨酸、蘇氨酸等發(fā)酵。③供氧充足，產(chǎn)物合成遭到抑制，只需在供氧遭到限制時才干高產(chǎn)，如亮氨酸、苯丙氨酸等發(fā)酵。發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關(guān)，假設(shè)代謝途徑中產(chǎn)生NADH越多，呼吸鏈需求氧就越多，必需多供氧。有的發(fā)酵需求在不同階段進(jìn)展不同供氧。如天冬酷胺酶消費(fèi)，前期好氧發(fā)酵，后期厭氧發(fā)酵，能提高酶活性。消費(fèi)上影響需氧要素主要有以下幾方面:①溶解氧濃度：溶解氧濃度高時普通需氧量相對較低。②消費(fèi)菌種：不同菌種對氧的要求不同，即使同一菌種的不同時期對氧的需求亦不一樣。如：在發(fā)酵初期，呼吸最強(qiáng)但總菌量小，總需氧量不大，通氣量可減小些；進(jìn)入對數(shù)期，菌體大量添加，呼吸又在較高程度上，此時需氧量增大，直到最高，這時通氣量要加大，直到最大。③培育基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物的需氧量影響明顯。當(dāng)碳源濃度添加，菌種需氧量也添加；如發(fā)酵中補(bǔ)料會添加微生物對氧的需求量；無機(jī)濃度對微生物需氧量也有較大影響，如磷酸鹽濃度升高，金霉素產(chǎn)生菌對氧氣的需求也大大添加。④有毒產(chǎn)物的構(gòu)成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳等代謝產(chǎn)物假設(shè)不能及時從培育液中排出，讓其在發(fā)酵罐中積累，就會抑制微生物的呼吸并對微生物有毒害作用，減小氧的需求量。⑤消沫劑的影響：如運(yùn)用消沫劑可被微生物利用，那么會加強(qiáng)需氧量。⑥其它要素：發(fā)酵接種量大，微生物生長快，菌體濃度大需氧量多；幼齡菌體呼吸強(qiáng)度高，需氧量大。影響供氧要素：供氧是指氧溶于培育液中的過程。氧在培育液中溶解度很低，對于好氧發(fā)酵必需不斷通人空氣并攪拌，以滿足對溶解氧的需求。溶解氧濃度與發(fā)酵液物理化學(xué)性質(zhì)、溫度等有關(guān)。消費(fèi)上影響供氧主要要素有以下幾方面。①攪拌，在深層培育過程中機(jī)械攪拌是加速氧溶解的重要條件。②空氣流速，普通空氣流速提高，可提高供氧量，但空氣流速過大，攪拌器葉輪發(fā)生過載，即葉輪不能分散空氣，此時氣流構(gòu)成大氣泡在軸的周圍逸出。當(dāng)空氣流速超越過載速度時，通氣效率就不再添加，反而添加動力耗費(fèi)。③罐壓，罐壓增大，普通溶氧量增大，但也會增大二氧化碳溶解度，影響發(fā)酵。④空氣分布器，良好分布器可增大供氧量。⑤溫度，溫度升高氧溶解量下降。⑥空氣含氧量，富氧空氣可提高溶解氧量，即提高氧供應(yīng)量。工藝控制：氧的供應(yīng)是用空氣緊縮機(jī)將空氣緊縮，經(jīng)除菌后經(jīng)過分布管通入發(fā)酵罐內(nèi)，并經(jīng)過攪拌把培育液內(nèi)的空氣打碎，使之與培育液充分混合，添加通氣效果。溶氧量的調(diào)理普通可經(jīng)過調(diào)理通氣量大小及攪拌強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)〔空氣流量增大、添加攪拌轉(zhuǎn)速可使供氧量提高，反之下降〕。另外，控制發(fā)酵液中菌體濃度也可調(diào)理氧的供需情況；經(jīng)過控制培育基濃度來實(shí)現(xiàn)調(diào)理氧。如青霉素發(fā)酵消費(fèi)中就是經(jīng)過控制補(bǔ)料中葡萄糖濃度來控制發(fā)酵液中菌絲濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氧供需情況的調(diào)理。此外，工業(yè)消費(fèi)中還可以經(jīng)過調(diào)理罐溫、排二氧化碳、改善發(fā)酵液的物理性質(zhì)、液化培育基、中間加水、運(yùn)用外表活性劑等方法來控制溶氧濃度；經(jīng)過控制補(bǔ)料速率及罐壓及空氣中氧氣含量也可調(diào)理溶氧量。發(fā)酵染菌危害——產(chǎn)物收得率低；——產(chǎn)質(zhì)量量差；——浪費(fèi)原資料；——經(jīng)濟(jì)效益差；——呵斥環(huán)境污染。發(fā)酵過程異常景象判別〔1〕溶解氧程度異常；〔2〕排氣中CO2異常；

〔3〕pH變化及菌體酶活力異常?！?〕種子帶菌〔2〕無菌空氣系統(tǒng)染菌〔3〕培育基滅菌不徹底〔4〕設(shè)備管道滅菌不徹底〔5〕設(shè)備管道系統(tǒng)滲漏雜菌污染緣由分析呵斥雜菌污染主要緣由:——設(shè)備問題為主，如設(shè)備滲漏、管道不嚴(yán)密、設(shè)備中存在死角、空氣過濾系統(tǒng)失效等；——其次是種子〔主要是二