发酵工程笔记

第一章发酵工程1．发酵工程定义定义1：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物细胞作为产品的工业生产过程。定义2：发酵工程是指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。2．发酵工程的发展历史大致可分为三个阶段：○1传统（古老）发酵技术阶段（纯培养技术建立之前）○2近代发酵技术阶段（20世纪20年代—70年代）○3现代发酵技术阶段（20世纪70年代以后）3．为什么能利用微生物进行发酵生产：微生物繁殖速度快，代谢能力强，易培养，容易改造代谢产物多样，能利用廉价的有机物、无机物。4．发酵工程的特点（与化学工业相比）1原料广泛2生产安全、设备简单3反应专一性强、副产物少4代谢多样、应用广泛5易受污染、无菌要求严格6菌种的优劣影响较大。第二章工业用微生物菌种1．工业用菌种的特点及要求：1具有稳定的遗传学特性2能利用低价的原材料3长条件易于满足4于细菌，具有抗Phage的能力5酵周期短，降低生产成本6谢产物无毒无害2．发酵工业常用微生物从菌种的遗传学特征上可以把菌种分为：野生型和改良型从微生物分类学的角度分为：1细菌类2酵母菌3霉菌4放线菌3．菌种选育的目的：防止菌种退化，提高生产能力，简化生产工艺，开发新产品4．菌种选育方法：○1基因突变—自然选育，诱变育种○2基因重组—杂交育种（原生质体融合），基因工程5．自然选育：利用微生物自然突变进行菌种选育的过程，一般习惯称为菌种的分离纯化。6．自然选育的目的：纯化菌种、复壮菌种、稳定生产、提高产量。自然选育方法步骤：○1通过表观形态来淘汰不良菌株（初筛）○2通过目的代谢物产量考察（副筛）○3菌种纯度试验（纯度验证）○4传代稳定性试验（传代试验）。7．各种生产菌适宜的保藏方法——酵母菌：定期移植斜面低温保藏法，石蜡油保藏法曲霉菌：砂土保藏法真菌（只长菌丝不长孢子的菌）：采用液氮超低温冻结保藏，石蜡油保藏法细菌：斜面低温保藏法，冷冻干燥保藏法放线菌：砂土或冷冻保藏法8．菌种的退化：生产菌株遗传标记的丢失，导致生产能力下降，即负突变,称为菌种的退化9．菌种退化的原因：内因—基因突变，分离现象，质粒脱落；外因：保藏方法不当，营养条件不适，传代次数过多10．防治菌种退化的措施：从菌种选育方面考虑：控制传代次数,合理传代，采用不易衰退细胞传代，采用有效的保藏方法11．菌种衰退时应采取的提纯复壮措施：分离纯化，通过寄主体进行复壮，淘汰衰退的个体12．种子扩大培养:指将保存的处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量纯种的过程。这些纯种培养物称为种子。13．扩大培养的目的：○1为发酵提供大量的、新鲜的、具有较高活力的菌种○2驯化菌种14．优质种子具备的特征①活力强②生理性状稳定③适宜的菌体总量和浓度④不带杂菌⑤良好的生产性能（高产、稳定）15．培养基选择的原则：培养基的原料比较精细，质量较高。C/N比大有利于长孢子N源丰富,有利于长菌丝16．车间种子接种方法:微孔接种法——孢子悬浮液接种，火焰保护接种法——摇瓶菌丝接种，压差接种法——罐与罐间的移种17．种子罐的级数:指制备种子需逐级扩大培养的次数。18．接种龄：菌体从开始至移入下一级罐的培养时间19．接种量：种子液体积和接种后培养液体积之比。20．影响种子质量的因素：○1培养基（C/N、无机盐、微量元素、原料产地、加工方法等）○2培养条件（温度、湿度、PH、DO、时间等）○3斜面菌种保藏时间○4种龄○5接种量第三章微生物的代谢理论及应用1．同工酶调节的意义同工酶是生物体对环境变化或代谢变化的另一种有利的调节方式。当其中一种同工酶受到抑制或缺损时，另外的同工酶仍在起作用，从而保证微生物细胞的代谢继续进行。2．多功能酶一般是指在结构上只有一条多肽链，但具有两种或两种以上的催化活力或结合功能的蛋白质。3．微生物代谢调节的主要方式：酶活性的调节，酶合成的调节4．阻止酶合成的现象称为阻遏5．营养阻遏：微生物细胞在其所处的环境条件下，首先利用其细胞中已有的酶系降解最易利用的生长底物，必要时才会去合成降解另一种生长底物的酶系。6．能荷(Energycharge,简写为EC):指对ATP、ADP、AMP系统中高能磷酸键的量度。表示细胞中的能量状态，可用下式来表示系统中：只有ATP时，EC值为100%；有AMP时，EC值等于零；全部为ADP时，EC值为50%7．能荷调节：即通过改变ATP、ADP、AMP三者的比例来调节代谢活动。也称腺苷酸调节。8．巴斯德效应：在有氧条件下，酵母菌进行呼吸作用,抑制发酵的现象称为巴斯德效应。巴斯德效应的本质：是能荷调节9．微生物代谢的人工控制目的：积累并分泌过量的代谢产物10．微生物代谢的人工控制的手段：控制发酵条件和改变微生物遗传特性11．提高诱导酶合成量，最好的诱导剂是底物结构类似物，不是底物，为什么？因为底物诱导剂可被酶分解，引起末端产物的阻遏；用量比较大，生产成本高。12．补加前体需满足以下两个条件：①前体是产物形成的限速因子，其合成受到众多的控制。②必须已知其代谢途径，且补加的前体物质对于其他酶系无抑制作用。13．抗反馈突变株又称为抗结构类似物突变株。第四章微生物发酵动力学1．发酵动力学是研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化的影响。2．研究发酵动力学的目的：在于按人们的需要控制发酵过程3．比生长速率：就是细胞浓度的变化率与培养基中菌体浓度之比。4．连续发酵优点:○1提高设备利用率,可减小设备的体积○2便于自动化控制○3产品稳定，生产费用低。5．根据控制模式,将连续发酵分为恒化器发酵和恒浊器发酵两种类型.6．恒化器发酵：在连续发酵过程中，基质流加速度恒定，以研究细胞的生长速度与生长密度。7．恒浊器发酵控制加入新鲜培养基的速度,使系统中的细胞密度维持不变.冲溃现象（又称“洗出”）当快速加料，快速放料时，由于培养基在罐内停留时间太短，微生物来不及利用其生长繁殖，培养基已流出灌外，这种现象称冲溃现象。发生冲溃现象时的稀释率称为极限稀释率第五章发酵培养基及原料精制1．有机氮源：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、酵母粉、麦麸、鱼粉、蚕蛹粉、玉米浆、蛋白胨、尿素、废菌体、酒糟等。无机氮常用的有:氨水、铵盐和硝酸盐，一般情况下是作为辅助氮源，又是pH调节剂2．生长因子:对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。广义的生长因子包括维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸。狭义的生长因子一般仅指维生素。3．前体：能用于产物的合成，提高产物产量的一类小分子物质4．培养基的类型按组成分：合成培养基和天然培养基；按状态分：固体、半固体和液体培养基；按用途为：孢子培养基、种子培养基和发酵培养基。5．配制孢子培养基的基本要求是：第一，营养不要太丰富(特别是有机氮源)，否则不易产孢子。第二，所用无机盐的浓度要适当，否则影响孢子量和颜色。第三，要注意孢子培养基的pH和湿度。6．种子培养基用途：供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌体生长得粗壮，成为活力强的“种子”。7．种子培养基要求：1）营养要丰富和完全，氮源和维生素的含量要高些2）总固形物含量较低为好，可提高溶氧含量3）最后一级种子培养基的成分应接近发酵培养基。8．工业上水解淀粉转化为葡萄糖有以下三种方法：酸解法，酸酶结合法，酶解法9．DE值指葡萄糖占干物质的百分率,用于表示淀粉水解程度及糖化程度,也称葡萄糖值。DE=还原糖/干物质*100%10．为什么要控制液化程度?①因为糖化酶水解时，需先与底物分子生成络合结构，然后才发生水解催化作用，DE值过大，不利于糖化酶生成络合结构，影响催化效率；②DE值过小，粘度大，易老化，难操作，糖化酶水解机会小，影响糖化速度，所以要控制液化程度。11．淀粉为什么先糊化再液化？淀粉是以结晶状的颗粒存在，酶不容易直接对其充分发生作用，如α－淀粉酶直接水解淀粉颗粒与水解已糊化淀粉浆的速度之比为1：20000,所以先糊化再液化。12．淀粉的糊化：加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，当温度升高到60～80℃时，淀粉颗粒的体积可膨胀到原体积的50～100倍，原来排列整齐的淀粉结晶结构受到破坏，变成糊状液体，停止搅拌，淀粉不再沉淀，这种现象称为“糊化”。13．糊化后，温度继续上升。当达到130℃左右时，支链淀粉也已几乎全部溶解，网状组织被彻底破坏，淀粉溶液变成黏度较低的流动性醪液，这种现象称为液化。不同作物淀粉液化温度也有差别。14．液化了的淀粉醪在温度降低时，黏度会逐步增加，降到60℃时，变得非常黏，到55℃以下会变成凝胶，时间一长，则会重新产生部分结晶，这种现象称为淀粉糊化醪的“反生”或老化现象。第六章发酵过程的工艺控制1．制约发酵的两个主要因素：菌种的遗传特性和发酵条件2．根据微生物利用速度的快慢，碳源分为：速效碳源和迟效碳源3．一般单糖的利用速度比双糖和多糖快，单糖中葡萄糖的利用速度最快。4．使用速效碳源，一定高产，对否？否，因为葡萄糖的迅速利用，首先会产生大量的有机酸，使pH值下降，而过低的pH值不利于产品的合成。其次，碳源的迅速消耗，会引起菌体的过早自溶。5．为什么补料发酵？（1）碳、氮源过于丰富会使菌体大量繁殖，消耗营养，菌体容易衰老、自溶，使产量降低。（2）基础料浓度过高，粘度大，搅拌动力消耗增加，溶氧下降，渗透压过高，不利于细胞的生长和发酵。6．补料发酵目的：控制菌体生长繁殖速度，提高产物的产量补料发酵关键：控制补料的时间、速率和配比补料的物质：包括碳、氮、硫酸盐、磷酸盐，前体等7．最适温度的选择应考虑生长最适温度和产物合成最适温度8．pH值对菌体生长和产物合成的影响1.影响酶的活性。2.影响细胞膜所带电荷及渗透性3.影响菌体的形态4.引起代谢途径改变，代谢产物发生变化9．引起发酵液pH值上升的因素1）培养基中，氮源过高，NH4+过剩2）生理碱性物质过多3）中间补加的氨水或尿素等碱性物质过多4）发酵后期，菌体自溶造成pH的上升10．发酵过程pH值的控制1.培养基的配制中使用缓冲性物质2。在发酵过程中直接加入弱酸、碱中和3.连续补料的方法调解（双重作用）11．呼吸强度(即比耗氧速率）：单位重量干菌体在单位时间内所吸收氧量，QO。12．摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧量。13．呼吸商RQ：反映菌体对营养基质代谢的情况，等于细胞生命活动产生的CO2摩尔数与所消耗的氧的摩尔数之比。14．好氧发酵为什么要强化供氧？氧是难溶气体，标准状况下，空气中氧在水中的溶解度为0.25mmol/L，在发酵液中为0.2mmol/L，需氧速率一般为25～100mmol/L.h，上述溶氧浓度只能维持10～30s。即氧的溶解度很低，微生物又不断消耗发酵液中的氧，所以，要强化供氧，否则，呼吸受到抑制，菌体生长不良或代谢产物异常。15．氧的传递过程可分为供氧和需氧两个方面16．泡沫产生的原因○1气、液两相共存（通气、搅拌、代谢气体的产生）○2有稳定泡沫的物质（蛋白质、糖份等）例如：啤酒泡沫17．泡沫对生产的影响：a.降低发酵罐的填料系数b.增加微生物菌群的非均一性c.“逃液”，导致产物损失d.增加污染杂菌的机会e.影响氧的传递，呼吸受影响，菌体易自溶f.代谢气体不能及时排出，对菌体产生毒害18．影响泡沫的因素：1通风量、搅拌转速2培养基的成分3与代谢物有关4与灭菌的操作有关19．泡沫消除方法有两类：机械消泡和消泡剂消泡。20．良好的消泡剂应具备以下几个条件：1对微生物、人、动物安全无毒B.消泡快，抑泡持久2高温灭菌不变性，对设备无腐蚀3对产品的后处理无影响4不干扰正常工作，DO、pH等5来源丰富，价格低廉21．发酵过程中常用的化学消泡剂主要有四类:1天然油脂类(玉米油、豆油、棉籽油、花生油)2聚醚类(GP、GPE、SPE等)3硅酮类（聚二甲基硅氧烷及其衍生物）4高碳醇、脂肪酸类第七章酒精与甘油发酵1．在酒精发酵过程中，主要产物是酒精和CO2，但同时