发酵工程原理与技术应用

发酵工程原理与技术应用第一章绪论1.什么是发酵工程？发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术来生产有用物质或将微生物直接用于工业化体系的一门技术，是建立在微生物发酵工业基础上，与化学工程相结合而发展起来的。2.发酵工业的特点①一步生产②反应条件温和③原料纯度要求低④设备的通用性高⑤对环境的污染相对较小⑥生产受自然条件限制小3.发酵工程的类型：1.根据对通气的需求不同可以分为好氧发酵和厌氧发酵。2.根据培养基介质的性状不同可分为固态发酵和液态发酵。3.根据发酵菌种的不同可分为纯菌发酵和混菌发酵。4.根据发酵规模的不同可以分为研究规模发酵、中试规模发酵以及生产规模发酵。4.发酵工业现状：我国位居世界第一的发酵产品有：酱油、啤酒、食用菌、味精、抗生素、柠檬酸、维生素C等。我国已经是发酵工业大国，但不是强国。与发达国家相比，我国的发酵产业技术水平仍存在一点差距，具体表现为：1工业生产菌种的技术水平仍然较差。2发酵工艺相对落后。3.产品科技含量低。4.装备水平落后。5.发酵工业生产流程：1）原料预处理2）培养基的配置3）发酵设备和培养基灭菌4）无菌空气的制备5）菌种的制备和扩大培养6）发酵7）产品及分离提纯工艺3、发酵工业发展的历史进程、重要历史阶段和典型技术1）天然发酵阶段，从史前到19世纪酿酒技术2）纯培养技术的建立，主要为19世纪末到20世纪30年代，德国利斯特‘科赫完成细菌纯培养技术3）通气搅拌发酵技术建立，1929年开始到1942年青霉素发酵生产成功4）代谢控制发酵和现代发酵技术的发展，木下祝郎发明代谢控制发酵技术，使谷氨酸发酵生产实现产业化第二章发酵工业菌种1.发酵工业菌种的常用类型。①细菌②放线菌③酵母菌④霉菌⑤未培养微生物：2.发酵工业对菌种的要求。①能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成的目的产物产量高、易于回收。②生长较快，发酵周期短。③培养条件易于控制。④抗噬菌体及杂菌污染的能力强。⑤菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定。⑥对放大设备的适应性强。⑦菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。3.菌种的制备原理和方法①含微生物样品的采集：有针对性地采集样品。②样品预处理：可提高菌种分离效率。③含微生物样品的富集培养：人为地通过控制养分或培条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势，使筛选变得可能。富集培养方式：1.分批培养2.连续培养3.半连续培养④微生物的分离：利用分离技术得到纯种。微生物常用的分离方法：1.平板划线分离2.稀释分离3.涂布分离4.毛细管分离5.小滴分离⑤初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的菌株筛选出来的过程。⑥菌种复筛。⑦菌种发酵性能鉴定。【鉴定技术四个水平：细胞的形态和习性水平细胞组分水平蛋白质水平基因或核酸水平】⑧菌种保藏。1斜面保藏法2.液体石蜡油保藏法3.冷冻干燥保藏法4.真空干燥法5.液态超低温保藏法6.工程菌的保藏目的：①存活，不丢失，不污染②防止优良性状丢失③随时为生产、科研提供优良菌种原理：根据菌种的生理生化特点，人工地创造条件，使菌种的代谢活动处于不活泼状态、生长繁殖受抑制的休眠状态。4.代谢调控机制—阻遏阻遏的类型主要有：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏。末端产物阻遏：是指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。分解代谢物阻遏：是指有两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶的合成和积累。5.发酵工业菌种改良的目的。防止菌种退化，改良菌种性状，改善发酵过程，提高生产能力，提高产品质量开发新产品6.诱变育种的基本步骤。①菌出发菌株的选择②悬液的制备。③诱变处理④中间培养⑤分离和筛选7.菌种变异及退化机理及防止措施。①菌种变异及退化机理：菌种退化主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。【主要原因：基因突变，连续传代】②预防措施：减少传代、经常纯化、创造良好的培养条件、用单细胞移植传代、科学保藏。第三章发酵工业培养基设计1.工业大规模发酵的培养基应遵循的原则。①必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。②有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率。③有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。④有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。⑤尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质。⑥原料价格低廉，质量稳定，取材容易。⑦所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，能耗。2.发酵工业原料的种类及其组成：原料可以分为水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等五大类。几大营养成分的功能作用：碳源：碳源是组成培养基的主要成分之一，其主要功能有两个：一是提供微生物菌体生长繁殖所需的能源以及合成菌体所需的碳骨架；二是提供菌体合成目的产物的原料。氮源：主要用于构成菌体细胞物质和合成含氮代谢物。无机盐及微量元素：作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。水：水是所有培养基的主要组成成分，也是微生物机体的重要组成成分。生长调节物质：发酵培养基中某些成分的加入有助于调节产物的形成。常用的营养成分：常用碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等，常用氮源有有机氮源和无机氮源。无机盐类主要为：磷、镁、硫、钾、钠、铁、氯、锰、锌、钴等。常用的生长调节物质有生长因子、前体、产物合成促进剂。3.原料预处理的目的和方法目的：1.淀粉质原料预处理的目的：保证生产的正常进行和提高生产效益。分为原料除杂和原料粉碎；方法：○1除杂法：筛选、风选、磁力除杂○2粉碎方法：干法粉碎、湿法粉碎2.糖蜜原料预处理的目的：由于糖蜜干物质的浓度很大，糖分很高，胶体物质与灰分多，产酸细菌多，不但影响菌体生长发酵，特别是胶体的存在，致使发酵中出三大量泡沫，影响产品的提炼及产品的纯度。方法：○1糖蜜的澄清处理○2糖蜜的脱钙处理○3糖蜜的除生物素处理3.纤维素原料预处理的目的：改变原料的物理化学结构，如降低结晶度，减小聚合度，增加孔隙度和表面积度等，以促进酶与底物相互接触并反应，提高酶解速度和得糖率，降低成本。方法：物理法：机械粉碎、液态热水法、微波处理法、高能辐射；物理化学法；化学法：酸、碱、有机溶剂等；生物法。第四章发酵工业的无菌技术1.无菌空气制备的概述无菌空气的制备包括：除菌、除尘、除油水无菌空气并不是绝对无菌，而是使除菌后的空气微生物含量达到一个很低的水平空气除菌的方法：一类是利用加热或辐射等方法，使微生物细胞的蛋白质变性，使其失活。另一类是采用静电吸附或介质过滤直接去除微生物。2.介质过滤制备无菌空气的工艺流程采风—预过滤—空压机压缩（排污）—冷却—油水分离（排污）—除雾（排污)—加热—总过滤—罐前除雾（排污）—罐前过滤—除菌过滤（蒸汽灭菌）—无菌空气进罐第五章1.培养条件对发酵过程的影响培养基的成分和种类对发酵过程的影响；碳源种类和浓度，氮源种类和浓度，磷酸盐浓度等对发酵的影响；温度；PH；供氧；代谢物发酵过程工艺参数控制（如温度、PH值、溶解氧及旗袍等）对发酵的影响及控制策略？（1）温度对发酵的影响及其控制①对发酵的影响。影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特征和产物的生物合成。②如何控制。工业生产上所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热。（2）PH对发酵的影响及其控制：①影响：1、PH对微生物的生长繁殖和发酵产物合成的影响：a.影响酶的活性；b.影响微生物细胞膜所带的电荷状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；c.影响培养基中某些组分的解离，进而影响微生物对这些组分的吸收d.PH不同往往引起菌体代谢工程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变，影响产物的稳定性。2、PH影响菌体对基质的利用速度和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。3、影响产物的稳定性②如何控制：控制PH在合适的范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱或中间补料来控制。通常有一下几种方法：a)配置合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围并使其有很好的缓冲能力。b)培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如碳酸钙等来防止PH过度下降c)将PH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制PH。（3）溶解氧对发酵的影响及其控制：影响因素及控制方法：发酵液中溶氧值的任何变化都是氧的供需不平衡的结果，故控制溶氧水平可从氧的供需着手。其中，a)供氧方面OTR=KLa（C*—CL），具体方法：在通入空气中掺入纯氧，使氧分压增高，提高罐压，改变通气速率；提高设备供氧能力，改善搅拌、改变搅拌器直径及转速、改变挡板的数目和位置。b）需氧方面，微生物在发酵过程中的耗氧速率r=QO2×XC。在氧浓度处在暂时的稳定状态时则需供氧=需氧，此外养料的丰富程度影响菌的生长，温度也会影响。（4）泡沫对发酵的影响和控制影响：不仅会干扰通气与搅拌的进行，有碍微生物的代谢，严重的导致大量跑料，造成浪费，甚至引起杂菌感染，直接影响发酵的正常进行。方法：化学消跑法和机械消泡法2.发酵工业杂菌污染的危害及防止策略。污染的危害：①由于杂菌污染，使发酵培养基因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降，②杂菌合成一些新的代谢产物，造成产物收率降低或者产品质量下降③杂菌代谢会改变原反应体系的pH，使发酵发生异常变化；④杂菌分解常务，使生产失败；⑤细菌发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，导致整个发酵失败。3.反应器的分类与要求第七章：发酵过程监测与控制1.人工神经网络的发酵过程模式及其类型和组成。人工神经网络的基本类型为a阶层型的神经网络b。相互结合型的神经网络。组成：输入层，中间层，输出层。基本组成结构是由输入层，中间层输出层三层构成，各层各种神经元和神经元之间全职组成。2.发酵染菌及其防治和途径及影响。染菌的原因归结起来是设备管道阀门漏损，无菌不彻底，空气净化不好，无菌操作不严和菌种不纯的。染菌的原因归结起来是：设备管道阀门漏水，无菌不彻底，空气净化不好，无菌操作不严和菌种不纯。染菌途径一般归纳为四个方面1.菌株或一级种子不纯2.生产设备与工艺管路存在隐患3.生产操作不当，4..操作环境条件差。杂菌污染的防治：1加强操作环境空间的卫生管理，定期消毒，保持良好卫生。2严格无菌操作，对操作者进行无菌操作的要教育和培训。3设备设计，加工和安装过程，避免死角存在简化管路。4加强设备管理，定期检修.5经常清除罐内积垢，清除设备死角。6积极采用先进技术完善工艺和改造设备，降低染菌的概率。7对各个环节进行监控。8对染菌的发酵高度检查，积极分析原因.9选用粗放菌种和选用耐药性菌。影响：发酵生产中染菌程度较轻时，会造成发酵率第一产物的提取率低及产品质量差，如果严重染菌有可能导致倒灌，造成严重的经济损失，扰乱正常的生产秩序，甚至给活水处理带来极大的难度，如果找不到染菌原因，不能及时采取防治措施会出现继续染菌所造成的危害更是无法估计，在这种情况下，有些工厂被迫停产。发酵过程中泡沫的产生和消除形成的原因。好氧发酵过程中泡沫的形成是有一定规律的。泡沫的多少既与通风量，搅拌的剧烈程度有关，又与培养基友所用原材料的性质有关，发酵培养其中的ph原料越多越容易起泡，多糖水解不完全糊精含量多，也容易起泡沫，发酵液的菌体浓度越大，越容易起泡。危害：泡沫太多而不及时清除就会导致逃液，造成发酵液的损失，同时泡沫使发酵罐的装料系数降低，增加了菌体的非均一性，增加了污染杂菌的机会。消除：常用的消除方法分为机械销售法和化学消除两类。一机械消除，机械消耗是一种利用物理作用消除泡沫的方法。原理是借助机械的强烈震动或压力的变化，促使泡沫破碎，优点：是不用加入其他物质，减少了污染机会，缺点：是不能从根本上消除引起起泡沫的根本原因。化学消泡：是使用化学消消泡剂消除泡沫