發(fā)酵課程總結(jié)

課程總結(jié)

魯彬彬100201*044

一、課程簡(jiǎn)介

《發(fā)酵工程》是一門由化學(xué)、生物學(xué)和工程學(xué)相互融合的交叉學(xué)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(dāng)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(guò)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(jìn)的發(fā)展，尤其是組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)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(yīng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域中持續(xù)地造福人類。與傳統(tǒng)化學(xué)工程相比，發(fā)酵工程有一下突出特點(diǎn)：1、主要以可在生資源為主料

2、反應(yīng)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(guò)程3、環(huán)境污染較小4、投資較小

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

能優(yōu)異的產(chǎn)品。二、學(xué)習(xí)心得

學(xué)習(xí)了發(fā)酵工程這門課程，才發(fā)現(xiàn)自己正真的進(jìn)入了自己的生物專業(yè)，才知道自己的專業(yè)原來(lái)學(xué)問(wèn)這么高深。通過(guò)對(duì)發(fā)酵課程的學(xué)習(xí)，充分了解了發(fā)酵工程學(xué)的特點(diǎn)，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(dòng)力學(xué)及一系列知識(shí)。同時(shí)也學(xué)習(xí)了發(fā)酵設(shè)備的知識(shí)。對(duì)實(shí)際工廠發(fā)酵流程有了充分的了解，這對(duì)以后進(jìn)入工廠進(jìn)行實(shí)際操作打下基礎(chǔ)。其中，對(duì)通風(fēng)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(jìn)行了詳細(xì)的學(xué)習(xí)。這使我們對(duì)發(fā)酵工藝流程有了非常的具體的掌握。最后、簡(jiǎn)單總結(jié)一下學(xué)習(xí)這門課程總結(jié)的一些注意點(diǎn)：1、發(fā)酵工程學(xué)是一門理論結(jié)合實(shí)際的課程，所以在學(xué)習(xí)書本

知識(shí)的同時(shí)要注意實(shí)際操作。

2、在學(xué)習(xí)發(fā)酵設(shè)備時(shí)一定要注意整體流程，儀器注意事項(xiàng)要

牢記，以免出現(xiàn)安全隱患。

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第一章緒論

1、發(fā)酵：通過(guò)微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)，產(chǎn)生和積累人們所需產(chǎn)品的生物反應(yīng)過(guò)程。

2、發(fā)酵工程：是指利用微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)來(lái)大量生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品過(guò)程的理論和工程體系，是生物工程技術(shù)學(xué)科的重要組成部分。包括菌種的選育和保藏、菌種的擴(kuò)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(yīng)用。

3、工業(yè)發(fā)酵的類型：按對(duì)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(bǔ)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(xì)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(guó)微生物學(xué)家、化學(xué)家，開辟了微生物領(lǐng)域，近代微生物學(xué)的奠基人。巴斯德證明了三個(gè)科學(xué)問(wèn)題：

（1）每一種發(fā)酵作用都是由于一種微菌的發(fā)展�！鞍褪蠚⒕�法”便應(yīng)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(yíng)養(yǎng)成分，又能殺死細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)體，巴斯德發(fā)明的這種方法解決了酒質(zhì)變酸的問(wèn)題，拯救了法國(guó)釀酒業(yè)。

7、發(fā)酵工業(yè)的三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：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(diǎn)

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(jià)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(guò)程一般都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物生化反應(yīng)，反應(yīng)條件比較溫和。②可以選擇廉價(jià)的原料生產(chǎn)較高價(jià)值的產(chǎn)品。

③發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自適應(yīng)調(diào)節(jié)來(lái)完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，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(yīng)機(jī)制，能專一性地和高度選擇性地對(duì)某些較復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位的生物轉(zhuǎn)化修飾，也可產(chǎn)生比較復(fù)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(xì)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(jí)代謝產(chǎn)物：對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，是細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。具有重要的應(yīng)用價(jià)值，供商業(yè)開發(fā)。

◇初級(jí)代謝產(chǎn)物：與菌體生長(zhǎng)相伴隨的產(chǎn)物，如：氨基酸、核苷酸、維生素、有機(jī)酸、溶劑，菌體對(duì)其合成反饋控制嚴(yán)密，一般不過(guò)量積累。

次級(jí)代謝產(chǎn)物：微生物進(jìn)入緩慢生長(zhǎng)期或者停止生長(zhǎng)時(shí)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(jí)代謝產(chǎn)物：與菌體生長(zhǎng)不相伴隨，以初級(jí)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(fù)雜對(duì)環(huán)境條件敏感

④生物轉(zhuǎn)化：利用微生物細(xì)胞或酶對(duì)某些化合物的特定部位進(jìn)行催化修飾，使之轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)相似具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)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(diǎn)：效率高、專一性強(qiáng)、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(kuò)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(kuò)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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祝大家考出好成績(jī)，整理倉(cāng)促，如有錯(cuò)誤請(qǐng)?jiān)�諒�?/p>

④控制最適的發(fā)酵條件使微生物生長(zhǎng)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(guò)程中產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。9、發(fā)酵工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)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(guó)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(duì)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(jī)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(xué)工業(yè)：

醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等

有機(jī)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(yīng)用：金、銀、銅、錳、鈷等⑥農(nóng)業(yè)：

⊙生物肥料（固氮菌、鉀細(xì)菌、磷細(xì)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(dòng)物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)素、單

細(xì)胞蛋白飼料；

⑦環(huán)境保護(hù)：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(wú)色桿菌具有清除氰、腈劇毒化合物的功能；產(chǎn)堿桿菌、無(wú)色桿菌、短芽孢桿菌對(duì)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(yīng)用的可培養(yǎng)微生物可分為四類：細(xì)菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌。細(xì)菌：?jiǎn)渭?xì)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(zhǎng)，主要以孢子繁殖和陸生性強(qiáng)的原核生物。

存在：有機(jī)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(wú)性孢子進(jìn)行繁殖，菌絲片段進(jìn)行繁殖。酵母菌：

形態(tài)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)渭?xì)胞真核生物，無(wú)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(wú)性繁殖：芽殖、裂殖；有性繁殖：子囊孢子。

菌種特征：與細(xì)菌相似，比之大而厚。菌落表面光滑，濕潤(rùn)，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(xì)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(qiáng)，產(chǎn)生有性和無(wú)性孢子進(jìn)行繁殖，菌絲片段亦可繁殖。3、發(fā)酵工業(yè)所需菌種：

細(xì)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(zhǎng)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(zhǎng)的自然環(huán)境進(jìn)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(xì)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(dá)機(jī)制構(gòu)建高效表達(dá)的工程菌等途徑進(jìn)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(shí)際需要和菌株的特性采取快速，準(zhǔn)確有效的方法進(jìn)行分離和篩選，從而得到所需微生物的過(guò)程。

方法設(shè)計(jì)依據(jù)：生產(chǎn)的實(shí)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(gè)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(duì)菌種的要求：

①在廉價(jià)原料制成培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，目的產(chǎn)物產(chǎn)量高，易回收；②生長(zhǎng)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(qiáng)；

⑤穩(wěn)定的遺傳學(xué)特性：菌種質(zhì)量穩(wěn)定，不易變異退化；⑥對(duì)放大設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)；

⑦菌種不是病原菌，無(wú)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?gòu)木�種保存機(jī)構(gòu)直接購(gòu)買；②從自然界分離篩選；

③發(fā)酵水平的批號(hào)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(yù)處理→目的菌富集培養(yǎng)→菌種初篩→菌種復(fù)篩→菌種發(fā)酵性能鑒定→菌種保藏�！鶚悠返牟杉�原則：來(lái)源越廣泛，得到新菌種可能性越大；目標(biāo)產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物的微生物性質(zhì)以及生理特性。

※土壤特點(diǎn)：土壤的有機(jī)質(zhì)含量和通風(fēng)狀況；土壤酸堿度和植被狀況；地理?xiàng)l件；季節(jié)條件。

※樣品的預(yù)處理方法：物理法（熱處理、膜過(guò)濾法、離心法）、化學(xué)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(zhǎng)繁殖對(duì)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)的要求不同，創(chuàng)造合適條件，使目的微生物迅速生長(zhǎng)繁殖，成優(yōu)勢(shì)菌種；

方法：控制培養(yǎng)基的營(yíng)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(lái)；

方法：平板劃線分離法、稀釋分離法、簡(jiǎn)單平板分離法、涂布分離法、毛細(xì)管分離法、小滴分離法�！�菌種初篩與復(fù)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(yīng)直接定性鑒定；生產(chǎn)性能測(cè)定初篩和復(fù)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(lái)。方法：平板篩選；搖瓶發(fā)酵篩選。

復(fù)篩：在初篩基礎(chǔ)上進(jìn)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(cè)定必要的鑒定指標(biāo)、查權(quán)威鑒定手冊(cè)，確定菌種類型。

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

指標(biāo)：形態(tài)、生理、生化以及遺傳等指標(biāo)。

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(jī)構(gòu)鑒定。

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經(jīng)典分類鑒定方法指標(biāo)：形態(tài)學(xué)特征、生理生化特征、血清學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xì)胞化學(xué)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(lái)的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制；根據(jù)需要，

進(jìn)行目的產(chǎn)物的過(guò)量生產(chǎn)。

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

菌種性狀，改善發(fā)酵過(guò)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(xì)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(xué)誘變劑處理微生物群體，促使突變率顯著提高。育種優(yōu)點(diǎn)：提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì)、擴(kuò)大品種和簡(jiǎn)化生

產(chǎn)工藝；簡(jiǎn)單易行、工作進(jìn)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(lái)，

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(lái)。導(dǎo)入受體的細(xì)胞內(nèi)，目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)，得到目的產(chǎn)物。

蛋白質(zhì)工程育種技術(shù)：

、定向進(jìn)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(shí)不能進(jìn)行有效的定點(diǎn)突變時(shí)，借鑒實(shí)驗(yàn)室手段體外模擬自然進(jìn)化的過(guò)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(guò)程。

、定點(diǎn)突變技術(shù)：以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)的氨基酸序列，運(yùn)用重組DNA技術(shù)設(shè)計(jì)并構(gòu)建具有新性質(zhì)的蛋白質(zhì)或酶的過(guò)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(lái)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(xì)胞移植傳代、采用有效的菌種保藏方法。菌種的復(fù)壯：在菌種的生產(chǎn)性能未衰退前，有意識(shí)的進(jìn)行純種的分離和性能的測(cè)定，以期菌種的性能逐步提高。

復(fù)壯方法：純種分離、在宿主體內(nèi)生長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)壯、淘汰衰退的個(gè)體。

菌種保藏原理：根據(jù)微生物的生理、生化特點(diǎn)，人工地創(chuàng)造條件，使微生物的帶謝處于不活潑、生長(zhǎng)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(gè)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(wú)營(yíng)養(yǎng)物

3、菌絲速凍法甘油或二甲基亞砜作為保護(hù)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(hù)劑；保存期長(zhǎng)保藏菌種的質(zhì)量控制：

1、保藏樣品制備前，應(yīng)反復(fù)核對(duì)，檢測(cè)生理生化指標(biāo)，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(xì)胞體積大者要比小者對(duì)低溫更敏感，而無(wú)細(xì)胞壁者則比有細(xì)胞壁敏感。其原因是低溫會(huì)使細(xì)胞內(nèi)水分形成冰晶，從而引起細(xì)胞，尤其是細(xì)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(hù)劑，如0.5%左右的甘油或二甲亞砜可透入細(xì)胞，并通過(guò)降低強(qiáng)烈的脫水作用而保護(hù)細(xì)胞；

3、大分子物質(zhì)因此在采用冷凍法保藏菌種時(shí)，一般應(yīng)加入各種保護(hù)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(xì)胞受損傷的程度相對(duì)比較小，存活率及保藏效果均不錯(cuò)，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(jì)

培養(yǎng)基：用于維持微生物生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物形成的營(yíng)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(jià)格便宜、不影響攪拌性能和產(chǎn)物分離。

設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的步驟：對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)的成分和原材料的特性具有詳細(xì)的了解、結(jié)合微生物和發(fā)酵產(chǎn)品的代謝特點(diǎn)進(jìn)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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基組成對(duì)菌體生長(zhǎng)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(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分；②提高單位營(yíng)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(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易；

⑦盡可能的減少對(duì)發(fā)酵過(guò)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(lái)源

從工藝角度來(lái)看，凡是能被生物細(xì)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(wú)機(jī)鹽，部分微生物還需要加入生長(zhǎng)輔助類物質(zhì)，才能正常生長(zhǎng)。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(jī)酸、烴和醇類。碳源不足時(shí)，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(jī)酸：發(fā)酵體系的PH值因利用有機(jī)酸作為碳源而升高，不同的碳源影響代謝的同時(shí)，也對(duì)發(fā)酵過(guò)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(kuò)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(xì)胞物質(zhì)；合成含氮代謝物；種類：有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源。

①有機(jī)氮源：蛋白胨、牛肉膏、豆粕、魚粉等。②有機(jī)氮源：銨鹽、硝酸鹽、氨水。

有機(jī)氮源不僅提供菌體生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)，有的還是產(chǎn)物的前體，無(wú)機(jī)氮源，有機(jī)氮源容易吸收，會(huì)PH的變化，防止PH過(guò)高的措施：加強(qiáng)攪拌；少量多次加入。

3、無(wú)機(jī)鹽與微量元素：

無(wú)機(jī)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(duì)微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有促進(jìn)作用。大量元素：生長(zhǎng)所需濃度在10-3-10-4mol/l范圍內(nèi)的元素。加入化學(xué)試劑；微量元素：生長(zhǎng)所需濃度在10-6-10-8mol/l范圍內(nèi)的元素。不必加入。4、生長(zhǎng)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(zhǎng)因子；前體；產(chǎn)物抑制劑；促進(jìn)劑。

①生長(zhǎng)因子：微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量有機(jī)物質(zhì)；注意：不是所有的微生物都需要生長(zhǎng)因子；來(lái)源：有機(jī)氮源是生長(zhǎng)因子的重要；來(lái)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(guò)程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，其自身結(jié)構(gòu)并無(wú)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(duì)微生物的生長(zhǎng)有毒性，少量多次加入。

③抑制劑：加入后會(huì)抑制某些代謝途徑的進(jìn)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(yīng)用：最初應(yīng)用于甘油發(fā)酵，抗生素工業(yè)應(yīng)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(jìn)劑：既不是營(yíng)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(dǎo)物或表面活性劑等。誘導(dǎo)劑能增加細(xì)胞的產(chǎn)酶速度，提高產(chǎn)酶量，但不能從根本上改變細(xì)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(jī)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(shí)間，增加鏈霉素積累�！蠊劝彼岚魲U菌生產(chǎn)賴氨酸時(shí)，加入紅霉素可提高產(chǎn)量25%以上。5、水：

比熱大，吸收代謝過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，避免細(xì)胞的溫度驟然升高；熱的良導(dǎo)體，有利于調(diào)節(jié)菌體溫度。微生物機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)繁殖和保藏菌種。富含有機(jī)氮源；種子培養(yǎng)基：供孢子發(fā)芽、生長(zhǎng)和菌體繁殖的培養(yǎng)基；

發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌體生長(zhǎng)、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(xué)藥品，抑制不需要的微生物生長(zhǎng)，促進(jìn)需要微生物的生長(zhǎng)。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(yíng)養(yǎng)作用；加富培養(yǎng)基：按照某種微生物營(yíng)養(yǎng)要求，配制適合這種微生物生長(zhǎng)而不適合其他微生物生長(zhǎng)的培養(yǎng)基，達(dá)到分離這種微生物的目的。培養(yǎng)出來(lái)的是營(yíng)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(lái)鑒別不同種類微生物的培養(yǎng)基。四、培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)原理和優(yōu)化方法：

完善的培養(yǎng)基設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)工廠和生產(chǎn)規(guī)模的放大的一個(gè)重要步驟。在發(fā)酵過(guò)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(zhǎng)或

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積累代謝產(chǎn)物，對(duì)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(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物所需的元素，并能提供生物合成和細(xì)胞維持活力所需要的能量。目的明確；營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)；理化條件適宜；經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

以粗代精，以野代家；以廢代好，以簡(jiǎn)代繁；以烴代糧，以纖代糖；以氮代朊，以國(guó)代進(jìn)。

2、考慮因素：菌體的同化能力，對(duì)菌體代謝的阻遏和誘導(dǎo)作用，碳氮比對(duì)菌體代謝調(diào)節(jié)的重要性，PH值對(duì)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(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行代謝；微生物能夠利用復(fù)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(lái)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(jiǎn)單物質(zhì)；在碳源和氮源的選取時(shí)特別要注意，許多碳源和氮源都是復(fù)雜的有機(jī)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(jī)氮源水解。

代謝的阻遏和誘導(dǎo)：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(shì)，避其所短。菌體利用葡萄糖時(shí)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(yīng)）；在抗生素發(fā)酵時(shí)，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(shí)需考慮分批補(bǔ)料或連續(xù)補(bǔ)料。酶制劑的生產(chǎn)，也應(yīng)考慮碳源的分解代謝阻遏的影響，對(duì)于許多誘導(dǎo)酶來(lái)說(shuō)，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(huì)受氮源的誘導(dǎo)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(dǎo)，而受銨鹽、硝酸鹽、氨基酸的阻遏，應(yīng)考慮氮源以有機(jī)氮源（如蛋白質(zhì)）為主。

合適的碳氮比：碳氮比對(duì)生長(zhǎng)繁殖以及產(chǎn)物合成的影響極其顯著；源過(guò)多，會(huì)使菌體生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)階段，對(duì)碳氮比的最適要求可能不同。一般來(lái)講，因?yàn)樘荚醇茸鳛樘技軈⑴c菌體和產(chǎn)物的合成，又作為生命過(guò)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(duì)高些，一般取100:(15-20）。如碳氮比為100:(0.5-2.0），則只長(zhǎng)菌體而不合成谷氨酸。

pH的要求：pH是微生物生長(zhǎng)和代謝的極為重要的環(huán)境因子；微生物在利用營(yíng)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(huì)造成培養(yǎng)體系中pH的波動(dòng)；發(fā)酵過(guò)程中調(diào)節(jié)pH的方式一般不主張直接用酸堿來(lái)調(diào)節(jié)；要保證發(fā)酵過(guò)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(yíng)養(yǎng)成分時(shí)，除了考慮營(yíng)養(yǎng)需求外，也要考慮其代謝后對(duì)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(yàn)以及在培養(yǎng)基成分確定時(shí)必須考慮的一些問(wèn)題，初步確定培養(yǎng)基的組成；通過(guò)單因子優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定最為適宜的各個(gè)培養(yǎng)基組分及其最適濃度；最后通過(guò)多因子實(shí)驗(yàn)，進(jìn)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(wú)菌技術(shù)

滅菌的意義：在培養(yǎng)過(guò)程中污染雜菌，便會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，與生產(chǎn)菌爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)成分或分泌代謝產(chǎn)物抑制生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)和代謝，從而干擾生產(chǎn)菌正常發(fā)酵，甚至造成倒灌，嚴(yán)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(wú)菌技術(shù)滅菌（sterilization）：用物理或化學(xué)方法殺死物料或設(shè)備中所有生命物質(zhì)的過(guò)程。

消毒（disinfection）：用物理或化學(xué)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(guò)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(xué)方法殺死或抑制微生物的生長(zhǎng)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(huì)改變?cè)�反�?yīng)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)酵失敗；

⑤細(xì)菌發(fā)生噬菌體污染，微生物細(xì)胞被裂解，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵失敗。2、不同情況下污染情況分析（1）染菌對(duì)不同菌種發(fā)酵的影響

細(xì)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(zhǎng)，產(chǎn)物類型不同，染菌情況復(fù)雜；酵母菌發(fā)酵：防止細(xì)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(shí)期染菌對(duì)發(fā)酵的影響；

種子擴(kuò)大時(shí)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(zhǎng)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(jìn)行發(fā)酵或提前放罐。

（3）雜菌污染對(duì)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(guò)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(shí)間，對(duì)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(wú)菌板上劃線，27°C或37°C培養(yǎng)，8小時(shí)后觀察有無(wú)雜菌污染；

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

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◎發(fā)酵過(guò)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(jìn)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(wú)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(wèn)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(wú)菌室滅菌不徹底或無(wú)菌操作問(wèn)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(shí)間較長(zhǎng)引起的。

（2）從發(fā)酵時(shí)間進(jìn)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(dāng)、無(wú)菌空氣帶菌。后期染菌：中間補(bǔ)料、設(shè)備泄露、操作問(wèn)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(wèn)題，如，空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、空氣過(guò)濾器介質(zhì)失效；個(gè)別發(fā)酵罐染菌，一般是某個(gè)設(shè)備存在問(wèn)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(guò)程中污染

③避免菌種在培養(yǎng)或保藏過(guò)程中受到污染

（2）過(guò)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(jì)空氣預(yù)處理流程，設(shè)計(jì)和安裝合理的空氣過(guò)濾器；盡量減少過(guò)濾空氣的含油量和濕度；提高進(jìn)入過(guò)濾器的空氣溫度，降低空氣的相對(duì)濕度；保持過(guò)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(qiáng)清洗、定期除垢

②管道安裝不當(dāng)、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(dǎo)致染菌及防治①原料性狀的影響；②滅菌時(shí)溫度和壓力不對(duì)應(yīng)造成染菌；③泡沫造成染菌；④滅菌時(shí)間不夠或壓力波動(dòng)

大而染菌；⑤滅菌后期罐壓驟變?cè)斐扇揪��?/p>

（5）操作不當(dāng)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(dāng)。（6）噬菌體染菌及防治①在細(xì)菌或放線菌發(fā)酵中，噬菌體的感染力很強(qiáng)。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(wú)菌技術(shù)

1、干熱滅菌法：160°C-170°C,保溫1-2h.保持干燥的實(shí)驗(yàn)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(fù)制；臭氧4、化學(xué)藥劑滅菌法5、過(guò)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(qiáng)的穿透能力，而且在冷凝時(shí)回放出大量熱能，使微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學(xué)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(zhǎng)溫度范圍。處于最低溫度以下時(shí)，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)；超過(guò)最高限度時(shí)，微生物細(xì)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(shí)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(shí)間稱為致死時(shí)間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時(shí)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(shí)間。

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

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

Z值：在加熱致死時(shí)間曲線中，加熱時(shí)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(shí)原有的活菌數(shù)，個(gè)；Nt經(jīng)過(guò)t時(shí)間滅菌后

例：含有某種細(xì)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(shí)所需的時(shí)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(diǎn)：蒸汽來(lái)源容易，操作費(fèi)用低，本身無(wú)毒；蒸汽有強(qiáng)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(duì)數(shù)殘留定律

的殘留菌數(shù)，個(gè)。

4、培養(yǎng)基滅菌高溫短時(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)滅菌的影響（3）培養(yǎng)基中微生物數(shù)量對(duì)滅菌的影響

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

（7）培養(yǎng)基中氫離子濃度對(duì)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(shí)，氫離子極易滲入微生物細(xì)胞，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)而促進(jìn)其死亡，故培養(yǎng)基酸度愈高，則所需的殺菌時(shí)間愈短。（8）泡沫對(duì)滅菌的影響

◆泡沫中的空氣形成隔熱層，使熱量難以滲透進(jìn)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(shí)，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(guò)程。也稱實(shí)罐滅菌。全過(guò)程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過(guò)程。7、分批滅菌操作（實(shí)罐滅菌）

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

（若已先行空罐滅菌，此步可不進(jìn)行）

（2）預(yù)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(guò)試驗(yàn)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(guò)程）

（4）罐壓達(dá)1kg/cm2(0.1MPa)時(shí)，安裝在發(fā)酵罐封頭的接種管、補(bǔ)料管、消泡劑管等應(yīng)排汽。（升溫過(guò)程）（5）保溫調(diào)節(jié)好各進(jìn)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(shí)間。

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

其余管道則應(yīng)排放蒸汽，這樣才能保證滅菌徹底，不留死角。（保溫過(guò)程）

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

右時(shí)，向罐內(nèi)通入無(wú)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(guò)程）

通入無(wú)菌空氣的作用：加速降溫；保持罐內(nèi)正壓。（7）滅菌時(shí)間的計(jì)算

保溫階段時(shí)間的計(jì)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(jì)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(jì)）加熱至120℃的時(shí)間為5分鐘，由120℃冷卻到100℃的時(shí)間為3分鐘，計(jì)算總的滅菌時(shí)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(shí)間為１６分鐘；求大罐的維持時(shí)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(shí)間V維持=V－（V加熱＋V冷卻）＝16.69.2=7.4min（8）分批滅菌的特點(diǎn)

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

缺點(diǎn)：滅菌過(guò)程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)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(shí)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻的過(guò)程。

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

可在專門的預(yù)熱罐，也可用配料罐兼作；溫度：一般預(yù)熱至70℃左右；預(yù)熱的物料用泵泵入連消裝置；輸料泵：常用旋渦泵、往復(fù)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(diǎn)及注意事項(xiàng)

優(yōu)點(diǎn)：1）可采用高溫短時(shí)滅菌，培養(yǎng)基受熱時(shí)間短，營(yíng)養(yǎng)成分破壞少，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)率；2）蒸汽負(fù)荷均衡，鍋爐利用率高，操作方便。3）適于自動(dòng)控制，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，投資大。連消注意事項(xiàng)：

1）連消前，應(yīng)先進(jìn)行空罐、維持罐（管）、冷卻系統(tǒng)的滅菌；2）確保管路無(wú)滲漏；

3）當(dāng)培養(yǎng)基含有較大固體顆�；蛴休^多泡沫時(shí)，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(guò)濾器和分過(guò)濾器滅菌；種子培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌；發(fā)酵培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌；發(fā)酵培養(yǎng)基連續(xù)滅菌:130°C/5min；補(bǔ)料實(shí)罐滅菌。

五、空氣除菌實(shí)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(jiǎn)化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力消耗。

無(wú)菌空氣：發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無(wú)菌空氣”是指通過(guò)除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。此種空氣稱為“無(wú)菌空氣”。1、除菌方法：輻射滅菌、加熱殺菌、靜電除菌、過(guò)濾除菌等。

2、介質(zhì)過(guò)濾：采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來(lái)阻截流過(guò)的空氣中所含的微生物，從而制得無(wú)菌空氣。

常用的過(guò)濾介質(zhì)有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無(wú)機(jī)燒結(jié)材料等。

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

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

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3）針對(duì)不同地區(qū)設(shè)計(jì)合理的空氣預(yù)處理流程

4）降低進(jìn)入的空氣的相對(duì)濕度，保證過(guò)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(guò)搖瓶及種子罐逐級(jí)放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過(guò)程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。

種子培養(yǎng)的任務(wù)：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(xì)胞的生長(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，保證純種發(fā)酵；

⑤菌種適應(yīng)性強(qiáng)，能保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。2、種子制備過(guò)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(zhǎng)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(kuò)大培養(yǎng)；

③擴(kuò)大培養(yǎng)的菌絲體或孢子接種到一級(jí)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(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室種子制備階段和生產(chǎn)車間種子制備階段。①實(shí)驗(yàn)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(guò)無(wú)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(duì)于產(chǎn)孢子能力強(qiáng)的及孢子發(fā)芽、生長(zhǎng)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(jiǎn)便，不易污染雜菌。

◆對(duì)于產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室制備的孢子或液體種子移種至種子罐擴(kuò)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(shí)還需供給足夠的無(wú)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(jí)數(shù)的確定：種子罐級(jí)數(shù)：是指制備種子需逐級(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

細(xì)菌：生長(zhǎng)快，種子用量比例少，級(jí)數(shù)也較少，二級(jí)發(fā)酵。如谷氨酸生產(chǎn)為二級(jí)發(fā)酵;

茄子瓶→種子罐→發(fā)酵罐霉菌：生長(zhǎng)較慢，如青霉菌，三級(jí)發(fā)酵

孢子懸浮液→一級(jí)種子罐（27C,40小時(shí)孢子發(fā)芽產(chǎn)生菌絲）→二級(jí)種子罐（27C,10~24小時(shí)，菌體迅速繁殖，粗壯菌絲體）→發(fā)酵罐放線菌：生長(zhǎng)更慢，采用四級(jí)發(fā)酵。鏈霉素生產(chǎn)為四級(jí)發(fā)酵酵母：比細(xì)菌慢，比霉菌、放線菌快，通常用一級(jí)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(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)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(guò)大或者過(guò)小，均會(huì)影響發(fā)酵。

過(guò)大會(huì)引起溶氧不足，影響產(chǎn)物合成；而且會(huì)過(guò)多移入代謝廢物，也不經(jīng)濟(jì)；

過(guò)小會(huì)延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)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(shí)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(xì)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(biāo)是考察其在發(fā)酵罐中所表現(xiàn)出來(lái)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(wú)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(zhǎng)環(huán)境；種子無(wú)雜菌檢查。6、種子制備的放大原理與技術(shù)：細(xì)菌發(fā)酵時(shí)的種子擴(kuò)大培養(yǎng)

目的：獲得大量活力強(qiáng)的種子，盡可能縮短延遲期，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期接種。

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第六章發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：是對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成過(guò)程的定量描述，研究各種過(guò)程之間的動(dòng)態(tài)變量關(guān)系，確定發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征以及各種發(fā)酵條件對(duì)這些參數(shù)的影響，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)發(fā)酵規(guī)律、優(yōu)化工藝、提高產(chǎn)量和效率的目的。

究?jī)?nèi)容包括了解發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)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(duì)三者的影響，以及影響其反應(yīng)速率的條件。一、分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

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

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低；不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。

缺點(diǎn)：非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。（一）微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

1、微生物的生長(zhǎng)是指細(xì)胞體積的增大和細(xì)胞數(shù)目的增多。

2、分批發(fā)酵過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)要經(jīng)歷延滯期、對(duì)數(shù)期、衰減期、穩(wěn)定期（靜止期）和衰亡期五個(gè)時(shí)期。

3、延滯期：分裂遲緩當(dāng)細(xì)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(yīng)新的環(huán)境。

延遲期的長(zhǎng)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(shí)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(yíng)養(yǎng)成分，采用最適種齡(即處于對(duì)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(duì)數(shù)期：細(xì)胞代謝活性最強(qiáng)，組成新細(xì)胞物質(zhì)最快，所有分裂形成的新細(xì)胞都生活旺盛。這一階段的突出特點(diǎn)是細(xì)菌數(shù)以幾何級(jí)數(shù)增加。

微生物的生長(zhǎng)特性用細(xì)胞濃度和細(xì)胞數(shù)量倍增時(shí)間來(lái)表示。

處于對(duì)數(shù)期的微生物，其個(gè)體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性等均較一致，代謝旺盛，生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)速度逐漸趨向零。

對(duì)數(shù)期細(xì)菌活躍生長(zhǎng)引起周圍環(huán)境條件條件發(fā)生了一系列變化，某些營(yíng)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(xì)胞繼續(xù)以高速度進(jìn)行生長(zhǎng)和分裂。

穩(wěn)定期的細(xì)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(xì)菌也在此階段形成芽孢。如果為了獲得大量菌體，就應(yīng)在此階段收獲，因這時(shí)細(xì)胞總數(shù)量最高；這一時(shí)期也是發(fā)酵過(guò)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(shí)期。

穩(wěn)定期的微生物，在數(shù)量上達(dá)到了最高水平，產(chǎn)物的積累也達(dá)到了高峰，菌體的總產(chǎn)量與所消耗的營(yíng)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(zhǎng)量/消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量。

式中γ值的大小可說(shuō)明該種細(xì)菌同化效率的高低。穩(wěn)定期的長(zhǎng)短與菌種和外界環(huán)境條件有關(guān)。生產(chǎn)上常常通過(guò)補(bǔ)料、調(diào)節(jié)pH、調(diào)整溫度等措施，延長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡，對(duì)生長(zhǎng)有害的代謝物在發(fā)酵液中大量積累的時(shí)期，此時(shí)α＞，出現(xiàn)微生物死亡、自溶，總細(xì)胞數(shù)呈負(fù)增長(zhǎng)。

該階段的細(xì)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(xì)胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，有時(shí)產(chǎn)生畸形，細(xì)胞大小懸殊，有的細(xì)胞內(nèi)多液泡，革蘭氏染色反應(yīng)的陽(yáng)性菌變成陰性反應(yīng)等。7、細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型：

lnXtlnX0μt或lnNtlnN0μnt

Xt：培養(yǎng)時(shí)間t后的微生物細(xì)胞濃度，g/lX0：初始微生物濃度t：培養(yǎng)時(shí)間：比生長(zhǎng)速率

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8、無(wú)抑制作用的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Monod方程：

Monod發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的比生長(zhǎng)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(zhǎng)速率越小。當(dāng)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(zhǎng)有關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對(duì)貧乏，就成為限制性生長(zhǎng)因子。實(shí)際過(guò)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(dòng)力學(xué)：

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)胞生長(zhǎng)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(zhǎng)相關(guān)型（醇類、葡萄糖酸、乳酸）類型Ⅱ∶也稱為生長(zhǎng)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(zhǎng)偶聯(lián)型和生長(zhǎng)非偶聯(lián)型。

①生長(zhǎng)相關(guān)型：產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)密切相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，產(chǎn)物的生成是微生物細(xì)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(xì)胞生長(zhǎng)必須的代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物的形成和細(xì)胞的生長(zhǎng)時(shí)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(xué)計(jì)量關(guān)系。

②生長(zhǎng)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(guò)程的主流產(chǎn)物。產(chǎn)物的生成與底物的消耗僅有時(shí)間關(guān)系，并無(wú)直接的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，產(chǎn)物的生成與微生物生長(zhǎng)部分偶聯(lián)，屬于中間發(fā)酵類型。③非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)性：產(chǎn)物的生成與能量代謝無(wú)關(guān)，與細(xì)胞生長(zhǎng)也無(wú)直接關(guān)系，即產(chǎn)物的生成與微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)不偶聯(lián)。產(chǎn)物為次級(jí)代謝產(chǎn)物。特點(diǎn)：細(xì)胞處于生長(zhǎng)階段，并無(wú)產(chǎn)物的積累，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)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(xì)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(zhǎng)相關(guān)的產(chǎn)物生長(zhǎng)系數(shù)；β與菌體密度相關(guān)的產(chǎn)物生長(zhǎng)系數(shù)。α>0,β=0，生長(zhǎng)偶聯(lián)型

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

基質(zhì)包括細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝所需的各種營(yíng)養(yǎng)成分，其消耗分為三個(gè)方面：細(xì)胞生長(zhǎng)，合成新細(xì)胞；細(xì)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(dòng)力學(xué)參數(shù)：底物比消耗速率，攝氧率。

底物比消耗速率：?jiǎn)挝毁|(zhì)量細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)底物消耗量。

底物消耗速率可通過(guò)菌體得率（生長(zhǎng)得率）與菌體生長(zhǎng)速率關(guān)聯(lián)起來(lái)。底物比消耗速率：qS1μSμSmqS,maxm；YX/SKSSKSS單位體積培養(yǎng)液中的細(xì)胞在單位時(shí)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(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義：

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

培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)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(zhǎng)速率）下生長(zhǎng)

的發(fā)酵方式。

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

缺點(diǎn)：菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴(yán)格的無(wú)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(shí)，放出等體積的發(fā)酵液，獲得連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程。分為單級(jí)和多級(jí)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(zhǎng)速率的條件下生長(zhǎng)繁殖的連續(xù)培養(yǎng)裝置,是一種通過(guò)控制某一種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長(zhǎng)限制因子的條件下達(dá)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(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增高，另一方面，限制生長(zhǎng)因子的濃度又會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低．兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速度恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)器。

培養(yǎng)基的流速低于微生物生長(zhǎng)速度時(shí)，菌體密度增高，通過(guò)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(zhǎng)速率生長(zhǎng)

2、積累的細(xì)胞=(進(jìn)入-流出)的細(xì)胞+(生長(zhǎng)-死亡)的細(xì)胞

3、稀釋率：?jiǎn)挝粫r(shí)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(shí)，比生長(zhǎng)速率等于比死亡速率，即比生長(zhǎng)速率受稀釋率的控制。4、積累的底物=（進(jìn)入-流出）的底物-（生長(zhǎng)+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(zhǔn)備、滅菌和分批培養(yǎng)前直到穩(wěn)態(tài)）所需的時(shí)間；T為連續(xù)培養(yǎng)前到發(fā)酵穩(wěn)態(tài)結(jié)束的時(shí)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(zhǎng)速率

對(duì)于雜菌Y：在底物濃度為S時(shí)，雜菌Y的生長(zhǎng)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(qiáng)度高，耗氧量大，如谷氨酸、天冬氨酸；糖酵解途徑（EMP），呼吸強(qiáng)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(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成，發(fā)酵的不同階段對(duì)溶解氧濃度的要求不同；

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

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

傳遞途徑：氣相中氧的溶解、細(xì)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(xì)胞團(tuán)內(nèi)與細(xì)胞膜阻力。

供氧：空氣中的氧氣從空氣泡里通過(guò)氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。

耗氧：氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)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(dòng)力的體積溶氧系數(shù)C*:與氣相中氧的分壓平衡時(shí)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(shí)發(fā)酵液中溶解氧濃度CL會(huì)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(shí)通氣和攪拌可能仍在進(jìn)行）。

2、要提高推動(dòng)力，只能設(shè)法提高C*或減少CL影響推動(dòng)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(jī)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(guò)減少空氣流量等方法來(lái)達(dá)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(huì)使KLa下降。3、影響發(fā)酵罐中Kla的因素KLa的準(zhǔn)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(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間

c造成湍流，減少氣泡外滯留液膜的厚度，減小傳遞過(guò)程的阻力

d成分均勻分布，細(xì)胞均勻懸浮，有利于營(yíng)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(guò)程控制

發(fā)酵過(guò)程即細(xì)胞的生物反應(yīng)過(guò)程，是指由生長(zhǎng)繁殖的細(xì)胞所引起的生物反應(yīng)過(guò)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(xì)胞的反應(yīng)過(guò)程、生物法廢水處理過(guò)程和細(xì)菌采礦等過(guò)程。

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

a確定能反應(yīng)過(guò)程變化的各種理化參數(shù)及檢測(cè)方法

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

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

d計(jì)算機(jī)在線自動(dòng)化檢測(cè)和控制2、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)

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

檢測(cè)方法

通過(guò)儀器在線檢測(cè)發(fā)酵罐中取樣離線檢測(cè)常用的檢測(cè)儀器在線檢測(cè)：傳感器

離線檢測(cè)：分光光度計(jì)、氣相和液相色譜儀等

3、直接狀態(tài)參數(shù)：直接反應(yīng)發(fā)酵過(guò)程中微生物生理代謝狀況的參數(shù)對(duì)傳感器的要求：耐高溫、高壓；避免表面被微生物堵塞有價(jià)值的狀態(tài)參數(shù)：尾氣分析和空氣流量的檢測(cè)間接狀態(tài)參數(shù)：采用直接狀態(tài)參數(shù)計(jì)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(bǔ)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(cè)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(cè)通過(guò)人工取樣和離線分析缺點(diǎn)：不連貫性和滯后性5、發(fā)酵過(guò)程的代謝控制

a調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的能力b通過(guò)酶的定位限制與其他相應(yīng)底物的接近c(diǎn)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(xì)調(diào)”二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制

發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)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(zhǎng)繁殖過(guò)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(dòng)；合成產(chǎn)物；熱能散發(fā)。生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。

攪拌熱：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guò)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(shí)，通過(guò)循環(huán)冷卻水控制；溫度低時(shí)，通過(guò)加熱使夾套或盤管中水的循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。1、溫度對(duì)發(fā)酵的影響

A影響各種酶的反應(yīng)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(duì)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(zhǎng)速率最大；嗜中溫菌：30-35C嗜熱菌：50C以上生長(zhǎng)3、篩選高溫菌株具有重要的實(shí)踐意義

既可以減少雜菌的污染機(jī)會(huì)，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(zhǎng)的關(guān)系：一方面在其最適溫度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速度隨溫度升高的增加；另一方面，不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同。5不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同

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

▲溫度的變化影響基質(zhì)消耗和比生長(zhǎng)速率；

▲生產(chǎn)中，適當(dāng)抑制生長(zhǎng)(菌體的過(guò)量生長(zhǎng)導(dǎo)致群體的退化和產(chǎn)率降低）；▲溫度對(duì)產(chǎn)物合成影響不大時(shí)，適當(dāng)提高溫度抑制生長(zhǎng)，有利于生產(chǎn)節(jié)能；7、溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響▲影響各種反應(yīng)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(duì)代謝有調(diào)節(jié)作用

低溫時(shí)，氨基酸合成途徑的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)酶的反饋抑制比正常溫度時(shí)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(shí)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(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)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(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)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(zhǎng)階段有關(guān)。

▲最適發(fā)酵溫度的選擇：在發(fā)酵的整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)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(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度�！�二階段發(fā)酵

菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(shí)，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(zhǎng)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(shí)，提高溫度會(huì)使養(yǎng)料過(guò)早耗盡，導(dǎo)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(guò)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(zhǎng)溫度是30℃，而最適于青霉素合成的溫度是20℃。發(fā)酵過(guò)程中，在生長(zhǎng)初期抗生素還未開始合成，菌絲還未長(zhǎng)濃，這時(shí)的溫度應(yīng)適于微生物的生長(zhǎng)；到抗生素分泌期，菌絲已長(zhǎng)到一定濃度，積累抗生素是重點(diǎn)考慮，此時(shí)應(yīng)滿足生物合成的最適溫度。三、pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制

pH值變化的原因：微生物代謝活動(dòng)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(duì)微生物的生長(zhǎng)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(xì)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(guò)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(shí)，發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH接近中性時(shí)，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(shí)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(guò)程中pH的變化及影響pH變化的因素▲發(fā)酵過(guò)程中pH的變化1）生長(zhǎng)階段

pH有上升或下降趨勢(shì)（相對(duì)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(zhǎng)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(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)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(shí)菌絲趨于自溶而代謝活動(dòng)終止�！�引起發(fā)酵液中pH變化的因素

◇發(fā)酵過(guò)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。◇在菌體代謝過(guò)程中，菌體本身有建成其生長(zhǎng)最適pH的能力，但外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，pH將會(huì)不斷波動(dòng)。

◇引起pH下降的因素：碳源過(guò)量；消泡油添加過(guò)量；生理酸性物質(zhì)的存在�！笠�起pH上升的因素：氮源過(guò)多；生理堿性物質(zhì)的存在；中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過(guò)多。

4、最適pH的選擇

原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yīng)按發(fā)酵過(guò)程的不同階段分別控制不同的pH范圍。

微生物生長(zhǎng)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(xué)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(yīng)用：青霉素發(fā)酵：

通過(guò)調(diào)節(jié)加糖速率來(lái)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(bǔ)充氨控制pH值，控制的同時(shí)補(bǔ)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(yíng)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(guò)補(bǔ)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(shí)，由于NH4+被利用，剩下的酸根引起pH下降；有機(jī)酸發(fā)酵時(shí)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(duì)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(duì)發(fā)酵的影響及其調(diào)控

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

電極的要求：耐高溫、高壓、長(zhǎng)時(shí)間滅菌以及具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，精度和準(zhǔn)確度±3%左右。1、發(fā)酵過(guò)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(gè)低峰�！粼谏�長(zhǎng)階段，產(chǎn)物合成期，需氧量減少，溶氧穩(wěn)定，但受補(bǔ)料、加油等條件大影響。

◆補(bǔ)糖后，攝氧率就會(huì)增加，引起溶氧濃度的下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后又逐步回升并接近原來(lái)的溶解氧濃度。如繼續(xù)補(bǔ)糖，又會(huì)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(huì)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(guò)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(duì)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(guò)氧化物基O2或羥自由

-基OH，破壞細(xì)胞及細(xì)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(bǔ)料是否恰當(dāng)◆判斷發(fā)酵體系是否污染雜菌◆控制代謝方向的指標(biāo)

7、發(fā)酵過(guò)

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(shí)需氧超過(guò)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(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)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(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)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(duì)DO值的影響五、CO2呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控

CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理：CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)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(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位；HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。

1、呼吸商：生物體在同一時(shí)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(wú)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(duì)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(shí)際生產(chǎn)中測(cè)定的RQ值明顯低于理論值，說(shuō)明發(fā)酵過(guò)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(guò)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(shí)RQ值。

六、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響

基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于發(fā)酵控制來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(dāng)?shù)幕�質(zhì)和控制適當(dāng)?shù)臐舛龋�是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要方法。補(bǔ)料控制目的

◆解除基質(zhì)過(guò)濃的抑制◆解除產(chǎn)物的反饋抑制

◆解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)

◆避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖（料）過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多而供氧不足的狀況，通常采用中間補(bǔ)料工藝。補(bǔ)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀��?shù)和補(bǔ)料速率。七、通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響和控制

通氣：供給微生物適量的無(wú)菌空氣，滿足菌體生長(zhǎng)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(jìn)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(diǎn)：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(zhǎng)空氣的停留時(shí)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(dá)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(dòng)力消耗�。盒∪~徑和高轉(zhuǎn)速；空氣流量小、動(dòng)力消耗大：直徑影響不大；

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空氣流量大、動(dòng)力消耗�。捍笕~徑和低轉(zhuǎn)速；空氣流量大、動(dòng)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(guò)程中的泡沫及其控制泡沫產(chǎn)生的原因與機(jī)理：

◆由外界引進(jìn)的氣流因通氣、攪拌被機(jī)械地分散形成；◆發(fā)酵過(guò)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(duì)泡沫的穩(wěn)定性都有一定影響。

泡沫對(duì)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(jī)會(huì)；④導(dǎo)致產(chǎn)物的損失（逃液）；⑤消泡劑會(huì)給后提取工序帶來(lái)困難。

1、發(fā)酵過(guò)程泡沫控制的方法：機(jī)械消泡法和化學(xué)消泡劑消泡。機(jī)械消泡法原理

靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)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(diǎn)：不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會(huì)缺點(diǎn)：不能從根本消除引起穩(wěn)定泡沫的因素�；瘜W(xué)消泡法機(jī)理

當(dāng)泡沫表層存在由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，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(jī)械強(qiáng)度或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。

當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，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(dǎo)致泡沫破裂。八、高密度發(fā)酵：

九、發(fā)酵終點(diǎn)的判斷與控制

判斷標(biāo)準(zhǔn)：產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響

如果發(fā)酵時(shí)間太短，過(guò)多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如可溶性蛋白、脂肪等)殘留在發(fā)酵液中，對(duì)下游操作提取、分離等工序都不利。

發(fā)酵時(shí)間太長(zhǎng)，菌體會(huì)自溶，釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，又會(huì)顯著改變發(fā)酵液的性質(zhì)，增加過(guò)濾工序的難度，這不僅使過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，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(zhǎng)短對(duì)提取工序的影響。

合理的放罐時(shí)間是由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的，即根據(jù)不同的發(fā)酵時(shí)間所得的產(chǎn)物產(chǎn)量計(jì)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(shí)間，作為放罐時(shí)間。

不同發(fā)酵類型，達(dá)到的目標(biāo)不同，對(duì)終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃。十、發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制原理

計(jì)算機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)只對(duì)被控制的對(duì)象輸出數(shù)據(jù)和命令，不需要得到被控制對(duì)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(jì)算機(jī)在發(fā)酵過(guò)程中的主要功能：過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)分析，過(guò)程控制。

第九章發(fā)酵罐的放大與設(shè)計(jì)

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(gè)封頭組成。

作用：為物料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)提供一定的空間。

攪拌裝置是由傳動(dòng)裝置、攪拌軸和攪拌器組成，作用：參加反應(yīng)的各種物料均勻混合，使物料很好地接觸而加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

發(fā)酵罐的特點(diǎn)：必須具備足夠的強(qiáng)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(yīng)過(guò)程能保持恒定的溫度，以利于發(fā)酵菌很好地進(jìn)行發(fā)酵；攪拌器使物料混合均勻、加快反應(yīng)速度、縮短發(fā)酵周期、強(qiáng)化傳熱；將發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，保證反應(yīng)正常進(jìn)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(jī)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(wú)菌壓縮空氣作為液體的提升力，使罐內(nèi)發(fā)酵

液通過(guò)上下翻動(dòng)實(shí)現(xiàn)混合和傳質(zhì)傳熱過(guò)程。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)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(dòng)代替攪拌，依靠液體的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通氣混合和

傳質(zhì)目的。尚處于試驗(yàn)階段，對(duì)無(wú)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(jìn)行生物催

化反應(yīng)的裝置。優(yōu)點(diǎn)：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(wú)需其他氣源供應(yīng)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(guò)程中可以自吸入過(guò)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(shí)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(wú)菌空氣由空心軸導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)，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(wú)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(duì)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(guò)大，空氣分散效果較差。該距離可根據(jù)溶氧情況適當(dāng)調(diào)整。

空氣由分布管噴出上升時(shí)，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(shí)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(fēng)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(yīng)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(wú)須進(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。

這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工容易，罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。

其缺點(diǎn)是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差。

帶夾套的發(fā)酵罐罐體壁厚要按外壓計(jì)算[即0.3MPa（絕對(duì)壓力）]夾套內(nèi)設(shè)置螺旋片導(dǎo)板，來(lái)增加換熱效果，同時(shí)對(duì)罐身起加強(qiáng)作用。三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(guò)程中出現(xiàn)的傳遞性能下降問(wèn)題，即改善發(fā)酵罐的傳質(zhì)、傳熱和混合效果。2、設(shè)計(jì)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(yán)密，避免泄露能耗低，傳遞效率高具有機(jī)械消泡裝置

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

放大準(zhǔn)則：?jiǎn)挝惑w積溶氧系數(shù)；單位體積功率；末端剪切力。放大方法：經(jīng)驗(yàn)放大法；量綱分析法；時(shí)間常數(shù)法。經(jīng)驗(yàn)放大法：幾何相似法和非幾何相似法電機(jī)的選配：

通常按照不通氣的情況選擇攪拌功率考慮啟動(dòng)因素

考慮減速傳動(dòng)裝置的機(jī)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(shí)現(xiàn)發(fā)酵的最終目標(biāo)獲得高品質(zhì)的產(chǎn)物；產(chǎn)物的提取和精制技術(shù)的進(jìn)步以及工藝優(yōu)化對(duì)上游提出新的技術(shù)和工藝改進(jìn)要求，使下游的產(chǎn)物易于提取和精制，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)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(xì)胞破碎、目標(biāo)產(chǎn)物的浸提、細(xì)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(qiáng)、選擇性高的分離技術(shù)，把目標(biāo)產(chǎn)物和雜質(zhì)分開，目標(biāo)產(chǎn)物達(dá)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(diǎn)。一般的工藝流程：

四個(gè)階段：發(fā)酵液的預(yù)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(jì)

目標(biāo)：產(chǎn)率高、成本低、品質(zhì)優(yōu)、操作簡(jiǎn)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(jìn)行發(fā)酵液預(yù)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(xì)胞破碎；目標(biāo)產(chǎn)物的浸提或萃��；細(xì)胞液的浸提或發(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(xì)胞顆粒小，相對(duì)密度與液相相差不大③細(xì)胞含水量大，可壓縮性大

④液體流變特性復(fù)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(yù)處理：

通過(guò)預(yù)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(duì)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(guò)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(yīng)劑、助濾劑等。5、降低發(fā)酵液粘度

意義：濾液通過(guò)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(guò)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(diǎn)：降低液體粘度

缺點(diǎn)：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(guò)濾速率提高的百分比必須大于加水比�！鸭訜嵘郎胤�

優(yōu)點(diǎn)：降低液體粘度，提高過(guò)濾速率

注意：加熱溫度和時(shí)間控制在不影響產(chǎn)物活性的范圍內(nèi)；防止加熱導(dǎo)致的細(xì)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(guò)濾效率一、凝聚與絮凝

原理：改變菌體細(xì)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(guò)濾。常用于菌體細(xì)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(tuán)的作用。

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

原理：高分子聚合物，具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，鏈上有許多活性官能團(tuán)，包括陰離子和非離子型基團(tuán)，通過(guò)靜電力、范德華力或氫鍵的作用，吸附在膠粒的表面。當(dāng)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(shí)產(chǎn)生架橋連接，形成較大的絮團(tuán)，產(chǎn)生絮凝作用

種類：有機(jī)高分子類；無(wú)機(jī)高分子聚合物；天然有機(jī)高分子。

用量：通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。較多的絮凝劑有利于架橋充分，但過(guò)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(shí)包括凝聚和絮凝作用應(yīng)用：

對(duì)于帶電負(fù)荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附架橋的雙重機(jī)理，所以可單獨(dú)使用。

對(duì)于非離子型和陰離子型的高分子絮凝劑，則主要通過(guò)分子間引力和氫鍵產(chǎn)生吸附架橋，所以它們常與無(wú)機(jī)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(shí)為混凝三、調(diào)整PH值⊙影響：

a電離度和電荷性質(zhì)

b細(xì)胞、細(xì)胞碎片以及膠體物質(zhì)在某PH時(shí)可能趨于絮凝而形成大顆粒，利于過(guò)濾

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

四、加入反應(yīng)劑：利用反應(yīng)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(duì)過(guò)濾的影響。五、加入助濾劑

原理：在含有大量細(xì)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(guò)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(guò)濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑；直接加入到發(fā)酵液中兩種方法同時(shí)用。六、發(fā)酵液相對(duì)純化

對(duì)后提取分離影響最大的因素雜蛋白和高價(jià)無(wú)機(jī)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(jī)溶劑去除七、高價(jià)無(wú)機(jī)離子的影響

干擾樹脂對(duì)對(duì)活性物質(zhì)的交換容量

常規(guī)過(guò)濾或膜過(guò)濾時(shí)，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(yùn)用

一、酒精

1、發(fā)酵菌種要求：高的發(fā)酵能力、高的比生長(zhǎng)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(jī)制

不同生產(chǎn)原料，酒精發(fā)酵生化過(guò)程不同。對(duì)糖質(zhì)原料，可直接利用酵母將糖轉(zhuǎn)化成乙醇。對(duì)于淀粉質(zhì)和纖維質(zhì)原料，首先要進(jìn)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(yù)處理

淀粉質(zhì)原料：糊化、糖化

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祝大家考出好成績(jī)，整理倉(cāng)促，如有錯(cuò)誤請(qǐng)?jiān)�諒。糖蜜：沉淀、離心分離、過(guò)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(jī)，整理倉(cāng)促，如有錯(cuò)誤請(qǐng)?jiān)�諒�?/p>31

祝大家考出好成績(jī)，整理倉(cāng)促，如有錯(cuò)誤請(qǐng)?jiān)�諒�?2

四、判斷題：10題10分五、簡(jiǎn)答題：6題30分六、綜合題：1題10分

友情提示：本文中關(guān)于《發(fā)酵課程總結(jié)》給出的范例僅供您參考拓展思維使用，發(fā)酵課程總結(jié)：該篇文章建議您自主創(chuàng)作。

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