发酵工程与设备知识总结

1．发酵工程：即是应用生物学，化学和工程技术学原理，大规模培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。2．工业化发酵过程：1)微生物生物量2）微生物酶3）微生物代谢产物4）基因重组产物5）微生物转化3．初级代谢产物：在对数期产生，供给细胞生长的物质。（产生初级代谢的生长阶段又称营养期）4．次级代谢产物：在指数期后期的减速期和稳定期形成，对细胞代谢无明显影响的物质；在连续培养时，当微生物以低生长速率即缓慢生长而不是停止生长时也产生次级代谢。5．微生物转化：生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但经济上更有价值的化合物，这个过程称为微生物转化。6．菌种筛选的一般过程：土样的采取—预处理—培养—菌落的选择—产品的鉴定7．菌种的选育，改造目的：1.防止菌种退化2.解决生产实际问题3.提高生产能力4.提高产品质量5.产生新产品8．反馈调节系统：主要包括反馈抑制和反馈阻遏。反馈抑制是生物化学途径的末端产物抑制途径中某个催化酶的活性（通常是第一个反应）；反馈阻遏是生物化学途径的末端产物组织反应途径中某个催化酶的合成（阻遏发生在基因水平）9．无分支代谢途径：仅有一个产物的代谢途径。10．菌种保藏的基本原理：根据微生物的生理生化特性，人为的创造条件，使微生物处于代谢不活跃、生长繁殖受到抑制的休眠状态，以减少菌种的变异。11．菌种的退化：指整个菌体在多次接种传代过程中逐渐造成菌种发酵力或繁殖力下降或发酵产物得率降低的现象12．发酵工程菌种的扩大培养：具体指将保存砂土管或冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养，从而获得一定数量和质量的纯种。这些纯种培养物称为种子。13．菌种的扩大培养程序：实验室种子制备（斜面菌种的培养、摇瓶种子培养）；生产车间种子制备14．培养基：是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物(满足菌体的生长、促进产物的形成）。15．发酵工业培养基组成成分：碳源、氮源、无机盐及微量元素、水、生长因子、前体、产物促进剂、诱导物和抑制剂、螯合剂、缓冲剂、需氧量、消泡剂16．前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物利用在生物合成过程中结合到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物。产物促进剂：是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。17．淀粉酸水解原理：淀粉——各类糊精——麦芽糖——葡萄糖18．淀粉酸水解的工艺流程：原料（淀粉、水、盐酸）——调浆——糖化——冷却——中和、脱色——过滤除杂——糖液19．培养基灭菌的定义：是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去20．对数残留定律：微生物的热死亡速率与任一瞬时残活菌数成正比（通常的灭菌度为10-3）21．保证分批灭菌成功的要素1.内部结构合理(主要是无死角)，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象2.压力稳定的蒸汽3.合理的操作方法。22．灭菌过程中以下两种类型的反应会使营养物质质量下降：1.培养基中营养成分间相互反应，如美拉德反应（棕色反应，主要由碳水化合物和氨基酸类或蛋白质反应产生）2.热敏感物质的降解，如氨基酸、蛋白质、维生素在蒸汽灭菌时可被降解。23．发酵培养基的过滤除菌机理：1.惯性作用2.扩散作用3.静电吸附4.拦截作用24．过滤介质类型：1.过滤介质孔径小于颗粒直径2.过滤介质孔径大于颗粒直径（非固定孔径过滤主要通过惯性作用、扩散作用和静电吸附来阻滞颗粒；固定孔径过滤经拦截作用阻滞颗粒）一般地，发酵生产要求空气无菌度（染菌率）为10-325．单根纤维过滤除菌的机理：1.惯性捕集作用2.扩散作用3.静电吸附4.拦截捕集作用5.重力沉降作用26．空气过滤除菌设备：1粗过滤器2空气贮罐3空气冷却器4气液分离器5空气过滤器27．空气处理流程:1、高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程(两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降)2、冷热空气直接混合式空气除菌流程(特点：省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60%)28．发酵动力学：是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素，是发酵动力学研究的重要方法。29．分批发酵：是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方式。30．放分批培养过程中菌体生长曲线：可分为调整期、对数生长期、平衡期和衰亡期四个阶段31．稳定期和衰退期出现的原因：1、底物的消耗2、其他营养物质不足3、氧的供应不足4、抑制物的积累5、生物空间不足32．得率(或产率，转化率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。33．生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重量(g)，即Yx/s=ΔX/ΔS。34．产物得率：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物的克数(或mol数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量(So-S)。35．转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比36．基质比消耗速率[qs,g(或mo1)／g菌体·h]：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。37．产物比生产速率[qp，g(或mo1)／g菌体·h]：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。38．提高微生物生长得率的措施:1.要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。2.要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。3.须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按所需方向进行。39．气升式发酵罐：特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式40．自吸式发酵罐：是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同41．4.在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染42．发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上即从第一罐接种经发酵到结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期43．连续发酵:把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化，并且使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法44．固态发酵：微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵45．氧的传递速率：通入发酵液中的气泡愈小，气泡与液体的接触面积就愈大，液体中氧的溶解速率也就愈快。46．增加溶氧速率的方法：a）采用搅拌桨分散和打碎气泡b）利用循环管中的泵或螺旋桨增加液体的循环量，并使喷入或吸入的气体细化，增加气液两相的接触面积47．发酵罐的结构：主要包括罐体、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡罐、挡板、冷却装置、入孔、视镜以及管路48．罐体：1.防腐蚀，不锈钢2.清洗、灭菌要求3.安装、检修、观察要求4.各种用途的接管49．机械消泡装置类型：1.耙式消泡器2.涡轮式消泡器3.离心式消泡器4.碟片式消泡器50．空气分布装置：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。有单管和环形管51．动物细胞培养反应器：52．描述微生物需氧的物理量1.比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1;2.摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度（一般对于微生物：CCr:＝1～15%饱和浓度）。定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度。所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.53．影响需氧的因素：1.菌体浓度2.QO2中1）遗传因素2）菌龄3）营养的成分与浓度4）有害物质的积累5）培养条件54．氧从空气传到细胞以下3个步骤：1.氧从细胞传递到溶液2.溶氧从发酵液传递到微生物细胞3.细胞吸收溶氧55．补料分批发酵:补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵,它是以分批培养为基础，间歇或连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。56．补料分批培养特点:与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点:57．1.可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾2.避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏3.不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产58．供养和耗氧的平衡：1）控制生物量浓度2）控制比耗氧速率3）既控制生物量浓度也控制比耗氧速率59．PH对发酵的影响及控制：1.PH对发酵的影响：1）影响酶活性2）影响微生物细胞膜的带电状况3）影响培养基中某些营养物质的可给性4）可改变培养基氧化条件5）影响产物稳定性6）影响某些微生物的形态2.发酵过程中PH的调节：1）调节培养基配方2）补料控制60．二氧化碳对发酵的影响：影响菌体生长、代谢产物积累，抑制某些发酵作用，影响细胞膜结构61．菌体污染的方法：1.选育抗噬菌体菌种2.保护环境62．预处理即物料的除杂、筛选和粉碎，热处理即物料的糊化、糖化和灭菌63．固体物料的筛选除杂设备：1.大麦粗选机是带有风力除尘的振动筛，筛面倾斜作前后往复运动，称平摇倾斜筛2.磁力除铁器固定形磁钢装置3.大麦精选机4.大麦分级机（平板分级筛和圆筒分级64．固体物料的粉碎种类：挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂粉碎粉碎机械：锤式粉碎机、辊式粉碎机、盘磨机固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）：采用一级或二级粉碎，主要部分：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等65．下游过程：即是将发酵液经过一系列单元操作，把目标产物提取分离出来，精制成为合格的产品的过程。下游过程一般包括4个阶段：①发酵液的预处理和固液分离②初步纯化③高度纯化（精馏）④成品的最后加工66．发酵产物的提取﹑分离﹑纯化各阶段的每个步骤都有若干单元操作可以选用，其中包括常见的单元操作，如离心﹑过怒﹑萃取﹑浓缩﹑各种色谱技术等67．发酵产物的提取精制方法的优化与工艺设计的目标是产率高﹑品质优﹑成本低操作简便无环境污染。68．过滤速度的强化：①降低滤饼比阻力②降低绿叶黏度③悬浮液中悬浮固体的浓度④热处理⑤提高过滤压力差69．分离因数：在离心分离中同一颗粒的离心力Fc与所受重力Fg的比值表示离心分离强度的大小，该比值称为离心分离因数。用Kc表示70．膜分离技术：利用人工制造的多孔薄膜介质，在推动力的作用下，实现对不同大小分子进行过滤分离71．膜的定义：是指能将流体分隔成两部分，厚度小于0.5㎜，对流体中的物质可按大小不同进行分离的薄层物质72．膜的基本特性：1.耐压能力强2.热稳定性好3.耐酸碱4.化学稳定性5.生物稳定性73．膜的特性参数:1.孔道特征2.水通量为单位时间内通过单位面积的水体积流量，也叫透水率3.截留率和截留分子量4.压力特性5.浓差极化指在膜分离过程中，由于水透过膜，因而再膜表面的溶质浓度增高，形成溶质的浓度梯度，在浓度梯度的作用下，溶质与水以相反方向扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用6.膜的污染即随着操