發(fā)酵工程教案(打印

1、發(fā)酵工程 發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計算機(jī)軟硬件工程的一個多學(xué)科工程。 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。 發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1) 有嚴(yán)格的無菌生長環(huán)境： 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及

2、各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)； 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗，得到產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型，并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題微生物發(fā)酵技術(shù) 1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。”

3、 巴斯德認(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。 同時，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。 利用微生物的特點(diǎn) 發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特點(diǎn)： (1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力 (2)有極強(qiáng)的消化能力 (3)有極強(qiáng)的繁殖能力 一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵1、傳統(tǒng)發(fā)酵最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁

4、產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。3、工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程，包括：1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也有菌體細(xì)胞、酶等。二、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。2.獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件 適宜的微生物 保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各

5、種條件 進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備三、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史 天然發(fā)酵階段 純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。 通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立：青霉素的生產(chǎn)深層培養(yǎng) 代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。對微生物具有高度專一性的酶反應(yīng)作為合成手段的一部分加以利用，進(jìn)行合理的代謝。 開拓發(fā)酵原料時期：石油發(fā)酵，醋酸生產(chǎn)谷氨酸 基因工程階段：采用酶學(xué)的方法，將不同來源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功

6、能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。第二章 生產(chǎn)中常用菌種的分離、選育和保藏 第一節(jié) 菌種的分離簡介 一、菌種的來源 根據(jù)資料直接向有科研單位、高等院校、工廠或菌種保藏部門索取或購買； 從大自然中分離篩選新的微生物菌種。 二、分離思路 新菌種的分離是要從混雜的各類微生物中依照生產(chǎn)的要求、菌種的特性，采用各種篩選方法，快速、準(zhǔn)確地把所需要的菌種挑選出來。 實(shí)驗室或生產(chǎn)用菌種若不慎污染了雜菌，也必須重新進(jìn)行分離純化。 有了優(yōu)良的菌種，還要有合適的工藝條件和合理先進(jìn)的設(shè)備與之配合。三、新種分離與篩選的步驟 定方案：首先要查閱資料，了解所需菌種的生長培養(yǎng)特性。 采樣：有針對

7、性地采集樣品。 增殖：人為地通過控制養(yǎng)分或培條件，使所需菌種增殖培養(yǎng)后，在數(shù)量上占優(yōu)勢。 分離：利用分離技術(shù)得到純種。 發(fā)酵性能測定：進(jìn)行生產(chǎn)性能測定。這些特性包括形態(tài)、培養(yǎng)特征、營養(yǎng)要求、生理生化特性、發(fā)酵周期、產(chǎn)品品種和產(chǎn)量、耐受最高溫度、生長和發(fā)酵最適溫度、最適pH值、提取工藝等。（一）采樣1、采樣對象 以采集土壤為主。一般園田土和耕作過的沼澤土中，以細(xì)菌和放線菌為主，富含碳水化合物的土壤和沼澤地中，酵母和霉菌較多，如一些野果生長區(qū)和果園內(nèi)。采樣的對象也可以是植物，腐敗物品，某些水域等。 2、采樣季節(jié)：以溫度適中，雨量不多的秋初為好。 3、采土方式：在選好適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)后，用小薩子除去表土，取

8、離地面5-15cm處的土約10g，盛入清潔的牛皮紙袋或塑料袋中，扎好，標(biāo)記，記錄采樣時間、地點(diǎn)、環(huán)境條件等，以備查考。為了使土樣中微生物的數(shù)量和類型盡少變化，宜將樣品逐步分批寄回，以便及時分離。（二）增殖培養(yǎng) 為了容易分離到所需的菌種，讓無關(guān)的微生物至少是在數(shù)量上不要增加，可以通過配制選擇性培養(yǎng)基，選擇一定的培養(yǎng)條件來控制。 例如碳源利用的控制，可選定糖，淀粉、纖維素，或者石油等，以其中的一種為唯一碳源，那么只有利用這一碳源的微生物才能大量正常生長，而其它微生物就可能死亡或淘汰。這樣對下階段的純種分離就會順利得多。（三）培養(yǎng)分離 盡管通過增殖培養(yǎng)效果顯著，但還是處于微生物的混雜生長狀態(tài)。因此還

9、必須分離，純化。在這步，增殖培養(yǎng)的選擇性控制條件還應(yīng)進(jìn)一步應(yīng)用，而且控制得細(xì)一點(diǎn)，好一點(diǎn)。純種分離的方法有劃線分離法、稀釋分離法。 （四）篩 選 這一步是采用與生產(chǎn)相近的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件，通過三角瓶的容量進(jìn)行小型發(fā)酵試驗，以求得適合于工業(yè)生產(chǎn)用菌種。（五）毒性試驗 自然界的一些微生物是在一定條件下產(chǎn)毒的，將其作為生產(chǎn)菌種應(yīng)當(dāng)十分當(dāng)心，尤其與食品工業(yè)有關(guān)的菌種，更應(yīng)慎重。據(jù)有的國家規(guī)定，微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米曲霉和枯草桿菌作為食用無須作毒性試驗外，其他微生物作為食用，均需通過兩年以上的毒性試驗。七、生產(chǎn)選種 是在長年累月的生產(chǎn)實(shí)踐中，在培養(yǎng)工藝條件沒有任何可見變更情況下，突然發(fā)

10、現(xiàn)某些批次生產(chǎn)水平提高較大，這就有可能是個別自然變異朝更好的方向變的細(xì)胞，在這種條件下很適應(yīng)于培養(yǎng)條件，并逐漸顯示出它的生長優(yōu)勢，這種優(yōu)勢的發(fā)展，促使它優(yōu)良的生產(chǎn)性能表露。進(jìn)行類似新種篩選分離，達(dá)到獲得新的優(yōu)良生產(chǎn)菌種的目的。第二節(jié) 誘變育種以微生物的自然變異作為基礎(chǔ)的生產(chǎn)選種的機(jī)率并不很高，一個基因的自然突變頻率僅10-6-10-10左右。誘變育種：以誘發(fā)突變?yōu)榛A(chǔ)的育種，是迄今為止國內(nèi)外提高菌種產(chǎn)量、性能的主要手段。誘變 一、誘變劑和誘變處理 物理誘變劑：射線如紫外線、X射線、射線，快中子；物理因素中目前使用得最方便而且十分有效的是紫外線。許多高產(chǎn)菌株的選育都用過紫外線，對于一般實(shí)驗室、中

11、小型工廠都適用，也很安全。其他的幾種射線都是電離性質(zhì)的，有一定的穿透力，一般都由專業(yè)人員在專門的設(shè)備中使用，否則有一定危險性?；瘜W(xué)誘變劑：化學(xué)因子如堿基類似物、5氟尿嘧啶、烷化劑等。化學(xué)誘變劑中使用最多、最有效的是烷化劑。使用化學(xué)誘變劑的優(yōu)缺點(diǎn)：1、大多數(shù)情況下，就突變數(shù)量而言，要比電離輻射更有效。2、化學(xué)誘變劑是很經(jīng)濟(jì)的，因為只需要少量的合適的誘變劑，設(shè)備是實(shí)驗室的一般玻璃器皿，一個蒸氣罩。而用電離輻射行工作時，設(shè)備費(fèi)用大，并要注意安全性。3、大部分誘變劑是致癌劑，所以在使用中必須非常謹(jǐn)慎，要避免化學(xué)誘變劑與皮膚接觸，且切勿吸入其蒸氣，有人對某些誘變劑極其敏感，甚至未直接接觸就會過敏，這就更

12、要當(dāng)心。誘變劑的選擇1堿基類似物和羥胺具有很高的特異性，但很少使用，回復(fù)突變率高，效果不大。2亞硝酸和烷化劑應(yīng)用的范圍較廣，造成的遺傳損傷較多。其中亞硝基胍和甲基磺酸乙酯常被稱為“超誘變劑”，甲基磺酸乙酯是毒性最小的誘變劑之一。3吖啶類誘變劑可以造成生化代謝途徑的完全中斷。4紫外線仍十分有效。電離輻射是造成染色體巨大損傷的最好誘變劑，它能造成不可回復(fù)的缺突變。但它可能影響鄰近基因的性能。二、誘變育種步驟(一)出發(fā)菌株的選擇1自然界新分離的野生型菌株，對誘變處理較敏感，容易達(dá)到好的效果。2在生產(chǎn)中經(jīng)生產(chǎn)選種得到的菌株與野生型較相像，也是良好的出發(fā)菌株。3每次誘變處理都有一定提高的菌株，往往多次誘

13、變能積累較多的提高。4出發(fā)菌株開始時可以同時選23株，在處理比較后，將更適合的出發(fā)菌株留作繼續(xù)誘變。 5要盡量選擇單倍體細(xì)胞、單核或核少的多細(xì)胞體來作出發(fā)誘變細(xì)胞，這是由于變異性狀大部分是隱性的，特別是高產(chǎn)基因。 6根據(jù)采用的誘變劑或根據(jù)細(xì)胞生理狀態(tài)或誘變譜選擇誘變劑，因為同一誘變劑的重復(fù)處理會使細(xì)胞產(chǎn)生抗性，使誘變效果下降。有的誘變劑是作用于營養(yǎng)細(xì)胞，就要選對數(shù)期的細(xì)胞：有的作用于休止期，就可選用孢子。 (二)處理菌懸液的制備這一步驟的關(guān)鍵是制備單細(xì)胞和單孢子狀態(tài)的、活力類似的菌懸液，為此要進(jìn)行合適培養(yǎng)基的培養(yǎng)，并要離心，洗滌，過濾。(三)誘變處理 根據(jù)前面有關(guān)誘變劑及誘變處理的介紹，結(jié)合誘

14、變對象的實(shí)際，設(shè)計誘變處理方案。 (四)中間培養(yǎng) 由于在發(fā)生了突變尚未表現(xiàn)出來之前，有一個表現(xiàn)延遲的過程，即細(xì)胞內(nèi)原有酶量的稀釋過程(生理延遲)，需3代以上的繁殖才能將突變性狀表現(xiàn)出來。這個過程對今后的篩選和獲得穩(wěn)定菌株都是極為重要的。 方法： 讓變異處理后細(xì)胞在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)幾小時，以讓細(xì)胞的遺傳物質(zhì)復(fù)制，讓細(xì)胞繁殖幾代，以得到純的變異細(xì)胞。這樣，隱性的變異就會顯現(xiàn)出來，若不經(jīng)液體培養(yǎng)基的中間培養(yǎng)，直接在平皿上分離就會出現(xiàn)變異和不變異細(xì)胞同時存在于一個菌落內(nèi)的可能，形成混雜菌落，以致造成篩選結(jié)果的不穩(wěn)定和將來的菌株退化。(五)分離和篩選篩選分初篩和復(fù)篩。初篩以迅速篩出大量的達(dá)到初步要求的分

15、離菌落為目的，以量為主。復(fù)篩則是精選，以質(zhì)為主，也就是以精確度為主。因此在具體方法上就有差異. 例如初篩可以在平皿上直接以菌落的代謝產(chǎn)物與某些染料或基質(zhì)的作用形成的變色圈或透明圈的大小來挑取參加復(fù)篩者，而將90%的菌落淘汰。在數(shù)量減少后就要仔細(xì)比較參加復(fù)篩和再復(fù)篩的菌株，最后才能選得優(yōu)秀菌株。在以后的復(fù)篩階段，還應(yīng)不斷結(jié)合自然分離，純化菌株。紫外線的誘變育種 紫外線誘變一般采用15W紫外線殺菌燈，波長為2537A燈與處理物的距離為1530cm，照射時間依菌種而異，一般為幾秒至幾十分鐘。一般我們常以細(xì)胞的死亡率表示，希望照射的劑量死亡率控制在7080%為宜。 被照射的菌懸液細(xì)胞數(shù)，細(xì)菌為106個

16、ml左右，霉菌孢子和酵母細(xì)胞為106107個ml。由于紫外線穿透力不強(qiáng)，要求照射液不要太深，約0.51.0cm厚，同時要用電磁攪拌器或手工進(jìn)行攪拌，使照射均勻。由于紫外線照射后有光復(fù)活效應(yīng)，所以照射時和照射后的處理應(yīng)在紅燈下進(jìn)行。 (二)操作步驟 1將細(xì)菌培養(yǎng)液以3000rmin離心5min，傾去上清液，將菌體打散加入無菌生理鹽水再離心洗滌。 2將菌懸液放入一巳滅菌的，裝有玻璃珠的三角瓶內(nèi)用手搖動，以打散菌體。將菌液倒入有定性濾紙的漏斗內(nèi)過濾，單細(xì)胞濾液裝入試管內(nèi)，一般處于渾濁態(tài)的細(xì)胞液含細(xì)胞數(shù)可達(dá)108個ml左右，作為待處理菌懸液。 3取24m1制備的菌液加到直徑9cm培養(yǎng)皿內(nèi)，放入一無菌磁

17、力攪拌子，然后置磁力攪拌器上、15W紫外線下30cm處。在正式照射前，應(yīng)先開紫外線10min，讓紫外燈預(yù)熱，然后開啟皿蓋正式在攪拌下照射1050s。操作均應(yīng)在紅燈下進(jìn)行，或用黑紙包住，避免白熾光。 4取未照射的制備菌液和照射菌液各o.5ml進(jìn)行稀釋分離，計數(shù)活菌細(xì)胞數(shù)。 5取照射菌液2ml于液體培養(yǎng)基中(300ml三角瓶內(nèi)裝30ml培養(yǎng)液)，120rmin振蕩培養(yǎng)46h。 6取中間培養(yǎng)液稀釋分離、培養(yǎng)。 7挑取菌落進(jìn)行篩選。第四節(jié) 菌種的衰退、復(fù)壯與保藏一、菌種的衰退 衰退的原因：1.菌種保藏不當(dāng)2.菌種生長條件沒有得到滿足二、 菌種的復(fù)壯 1. 純種分離 2. 通過寄主體進(jìn)行復(fù)壯 3. 淘汰

18、已衰退的個體三、菌種保藏 1.原理 人工創(chuàng)造條件使菌體的代謝活動處于休眠狀態(tài)。 低溫、干燥、缺氧、缺營養(yǎng)物質(zhì) 2. 方法 （1）斜面保藏法：用螺旋口試管防失水，盡量減少碳源含量 （2）干燥保藏法：沙土管，固體曲 （3）懸液保藏法：將微生物懸浮在不含養(yǎng)分的溶液中(水、生理鹽水、buffer) （4）冷凍干燥保藏法：冷凍，減壓蒸發(fā)除去水分，使生命活動停止 （5）低溫保藏法：大多數(shù)微生物可在-20以下的低溫中保藏，比冷凍干燥更為常用。 （6）液氮保藏法第三章 微生物的代謝一、微生物的代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物定義：微生物通過代謝活動所產(chǎn)生的、自身生長和繁殖所必需的物質(zhì)。舉例：氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維

19、生素等。特征：不同的微生物初級代謝產(chǎn)物基本相同；初級代謝產(chǎn)物合成過程是連續(xù)不斷的。一、微生物的代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物定義：微生物生長到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對該微生物無明顯生理功能，或并非是微生物生長和繁殖所必需的物質(zhì)。舉例：抗生物、毒素、激素、色素等。特征：不同的微生物初級代謝產(chǎn)物不同；抗生素是一類具有特異性抑菌和殺菌作用的有機(jī)化合物。二、微生物代謝的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞內(nèi)酶的種類：組成酶：微生物細(xì)胞內(nèi)一直存在，合成是受遺傳物質(zhì)控制。誘導(dǎo)酶：在環(huán)境中存在某種物質(zhì)的情況下才能夠合成的酶。舉例：亮白曲霉原來不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培養(yǎng)基內(nèi)加入蔗糖，一段時間后，可

20、合成蔗糖酶，并利用蔗糖。二、微生物代謝的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)二、微生物代謝的調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)的對比三、微生物代謝的人工控制目的最大限度積累對人類有用的代謝產(chǎn)物 措施改變微生物遺傳特性控制生產(chǎn)過程種各種條件實(shí)例人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸；人工控制谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)谷氨酸。人工控制黃色短桿菌的代謝過程生產(chǎn)賴氨酸黃色短桿菌的代謝過程 第四章 培養(yǎng)基及其制備從微生物營養(yǎng)要求看，所有微生物都需要碳源，氮源，無機(jī)元素，水及生長物質(zhì)。如果是好氧微生物還需要氧氣。在實(shí)驗室規(guī)模上配制含有純化合物的培養(yǎng)基非常簡單，但在大規(guī)模生產(chǎn)上是不合適的。第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基的作用： -滿足菌體的生長 -促進(jìn)產(chǎn)

21、物的形成一、工業(yè)上常用的碳源（carbon source）1. 應(yīng)用最廣的是谷物淀粉（玉米、馬鈴薯、木薯淀粉），淀粉水解后得葡萄糖。使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類。缺點(diǎn)： a.難利用、發(fā)酵液比較稠、一般2.0%時加入一定的-淀粉酶。 b.成分較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等。優(yōu)點(diǎn)： 來源廣泛、價格低，可解除葡萄糖效應(yīng)。 2. 葡萄糖-所有的微生物都能利用葡萄糖，但會引起葡萄糖效應(yīng)。-工業(yè)上常用淀粉水解糖,但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)。3.糖蜜制糖工業(yè)上的廢糖蜜或結(jié)晶母液 包括：甘蔗糖蜜糖高，氮少 甜菜糖蜜 糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖份外，含有較多的雜質(zhì)，對發(fā)酵產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)

22、行預(yù)處理。二、工業(yè)上常用的氮源（nitrogen source）1.無機(jī)氮(迅速利用的氮源)種類：氨水、銨鹽或硝酸鹽、尿素 特點(diǎn)：吸收快，但會引起pH值的變化 選擇合適的無機(jī)氮源有兩層意義： -滿足菌體生長 -穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的pH無機(jī)氮源的影響：硫酸銨硝酸銨硝酸鈉尿素2.有機(jī)氮：來源：一些廉價的原料，如玉米漿、豆餅粉、花生餅粉、魚粉、酵母浸出膏等。其中玉米漿（玉米提取淀粉后的副產(chǎn)品）和豆餅粉既能做氮源又能做碳源。成分復(fù)雜：除提供氮源外，還提供大量的無機(jī)鹽及生長因子。微生物早期容易利用無機(jī)氮，中期菌體的代謝酶系已形成有機(jī)氮源。有機(jī)氮源來源不穩(wěn)定，成份復(fù)雜，所以利用有機(jī)氮源時要考慮到原料波動

23、對發(fā)酵的影響。三、無機(jī)鹽（inorganic mineral） 硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物及一些微量元素。無機(jī)鹽含量對菌體生長和產(chǎn)物的生成影響很大。四、生長因子（growth factor）微生物生長不可缺少的微量有機(jī)物質(zhì)。如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素。生長因子不是所有微生物都必需的。只是對于某些自己不能合成這些成分的微生物才是必不可少的營養(yǎng)物。如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型（biotin auxotroph）,以生物素為生長因子。1.生物素作用: (1)主要影響細(xì)胞膜通透性。P263（2）影響菌體的代謝途徑。生物素濃度對菌體生長和谷氨酸積累均有影響。大量合成谷氨酸所需要的生物素

24、濃度比菌體生長的需要量低，即為菌體生長需要的“亞適量”。生物素過量：菌體大量繁殖，不產(chǎn)或少產(chǎn)谷氨酸。生物素不足：菌體生長不好，谷氨酸產(chǎn)量也低。 -谷氨酸產(chǎn)生菌為生物素缺陷型。 -要達(dá)到菌體生長需要的“亞適量”。生物素存在于動植物組織中，多與蛋白質(zhì)呈結(jié)合狀態(tài)存在。用酸水解可以分開。那么，生產(chǎn)上有哪些原料可以作為生物素來源呢？2.提供生長因子的農(nóng)副產(chǎn)品原料（1）玉米漿：（corn steep liquor, CSL） 最具代表性。雖然主要用作氮源，但含有乳酸，少量還原糖和多糖，含有豐富的氨基酸，核酸，維生素，無機(jī)鹽等。常作為提供生長因子的物質(zhì)。所以，從某種意義上說，玉米漿液用于配制發(fā)酵培養(yǎng)基是發(fā)酵

25、工業(yè)中的一個重大發(fā)現(xiàn)。（2）麩皮水解液：可代替玉米漿，但蛋白質(zhì)，氨基酸等營養(yǎng)成分比玉米漿少。（3）糖蜜：兩種糖蜜（cane molasses，beet molasses）均可代替玉米漿。但氨基酸等有機(jī)氮含量較低。（4）酵母：可用酵母膏，酵母浸出液或直接用酵母粉。第二節(jié) 淀粉水解糖的制備 在工業(yè)生產(chǎn)中，將淀粉水解為葡萄糖（glucose）的過程稱淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。其主要糖分是葡萄糖。根據(jù)水解條件不同，尚有數(shù)量不等的少量麥芽糖及其它一些二糖，低聚糖等復(fù)合糖。一、淀粉水解制糖的意義1.大多數(shù)微生物不能直接利用淀粉（所有的氨基酸生產(chǎn)菌不能直接利用）2.有些微生物能夠直接利用淀粉作原料

26、，但必須在微生物產(chǎn)生淀粉酶后才能進(jìn)行，過程緩慢，發(fā)酵周期延長。3.若直接利用淀粉作原料，滅菌過程的高溫會導(dǎo)致淀粉結(jié)塊，發(fā)酵液粘度劇增。二、淀粉水解糖的制備方法及原理（一）酸解法（acid hydrolysis method） 以酸為催化劑，在高溫高壓下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。1.水解過程：總反應(yīng)式： (C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6過程：(C6H10O5)n (C6H10O5)x C12H22O11 C6H12O6葡萄糖 淀粉 糊精 麥芽糖 H+對作用點(diǎn)無選擇性，A-1,4-糖苷鍵和A -1,6-糖苷鍵均被切斷。2.葡萄糖的復(fù)合反應(yīng)和分解反應(yīng)在水解過程中，由于受到酸和熱的作

27、用，一部分葡萄糖會發(fā)生復(fù)合反應(yīng)和分解反應(yīng)。 淀粉 鹽酸 復(fù)合反應(yīng) 葡萄糖 分解反應(yīng) 復(fù)合二糖 5羥甲基糠醛 復(fù)合低聚糖 有機(jī)酸、有色物質(zhì)損失葡萄糖量 7 1不利影響：（1）降低了葡萄糖的收率。（2）給產(chǎn)物提取和糖化液精制帶來困難。復(fù)合反應(yīng)：葡萄糖分子間經(jīng)1，6糖苷鍵結(jié)合成龍膽二糖（有苦味），異麥芽糖和其它低聚糖(復(fù)合低聚糖)。生成的多數(shù)復(fù)合糖不能被微生物利用，使發(fā)酵結(jié)束時殘?zhí)歉摺７纸夥磻?yīng)：生成的5羥甲基糠醛是產(chǎn)生色素的根源，增加了糖化液精制脫色的困難。如何控制分解反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生？（1）淀粉乳濃度（2）酸濃度 都不能過高（3）溫度3.評價優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，水解時間短，生產(chǎn)效率高，設(shè)備周轉(zhuǎn)快。

28、缺點(diǎn)：（1）副產(chǎn)物多，影響糖液純度，一般DE值(葡萄糖值)只有90左右。（2）對淀粉原料要求嚴(yán)格，不能用粗淀粉，只能用純度較高的精制淀粉。DE值：dextrose equivalent value （葡萄糖當(dāng)量值） 表示淀粉糖的含糖量。 還原糖含量（）DE值 - 100 干物質(zhì)含量（）（二）酶解法（enzyme hydrolysis method） 用專一性很強(qiáng)的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。分兩步：（1）液化：用A-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又稱葡萄糖淀粉酶）將糊精和低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。 所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下進(jìn)行，又稱雙酶法(double e

29、nzyme hydrolysis method)。液化（liquification）淀粉酶水解底物內(nèi)部的1,4糖苷鍵，不能水解1,6糖苷鍵，一般采用耐高溫淀粉酶，使液化速度加快。8590。淀粉的糊化與老化：由于淀粉顆粒的結(jié)晶性結(jié)構(gòu)對酶作用的抵抗力非常強(qiáng)，需要先加熱淀粉乳，使淀粉顆粒吸水膨脹，糊化，破壞結(jié)晶性結(jié)構(gòu)。糊化：淀粉受熱后，淀粉顆粒膨脹，晶體結(jié)構(gòu)消失，互相接觸變成糊狀液體，即使停止攪拌，淀粉也不會再沉淀的現(xiàn)象。老化：指分子間氫鍵已斷裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氫鍵的過程，也就是復(fù)結(jié)晶的過程。淀粉酶很難進(jìn)入老化淀粉的結(jié)晶區(qū)起作用，必須采取相應(yīng)的措施控制糊化淀粉的老化。液化程度的控制（液化

30、后需糖化的原因）：如果讓液化持續(xù)下去，雖然最終產(chǎn)物也是葡萄糖和麥芽糖，但：a.糖液的DE值低（-淀粉酶不能水解-1,6糖苷鍵）b.液化在較高溫度下進(jìn)行，液化時間加長，一部分已液化的淀粉又會重新結(jié)合成硬束狀態(tài)，老化，使糖化酶難以作用。c.液化的目的是為了給糖化酶的作用創(chuàng)造條件，而糖化酶水解糊精及低聚糖等分子時，需先與底物分子生成絡(luò)合結(jié)構(gòu)，然后發(fā)生水解作用，這就要求被作用的底物分子有一定的大小范圍才有利于糖化酶生成這種結(jié)構(gòu)，底物分子過大或過小都會妨礙酶的結(jié)合和水解速度。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，DE值在20-30之間為好，液化終點(diǎn)可通過碘液判斷，此時呈棕色。P25液化到終點(diǎn)后，為了避免液化酶對糖化酶的影響，需

31、對液化液進(jìn)行滅酶處理，升溫到100，保持10分鐘，降溫，供糖化用。2. 糖化（saccharification） 糖化酶從非還原性末端水解-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵。終點(diǎn)確定：DE值達(dá)最高時（DE值不再上升時），停止酶反應(yīng)（加熱至80，20min滅酶）。否則 DE值將由于葡萄糖經(jīng)-1,6糖苷鍵起復(fù)合反應(yīng)而降低。糖化的溫度（50-60）和pH值（4.0-5.0）決定于所用糖化劑的性質(zhì)。3.評價優(yōu)點(diǎn)： （1）反應(yīng)條件溫和，不需高溫、高壓設(shè)備。（2）副反應(yīng)少，水解糖液純度高。（3）對原料要求粗放，可用粗原料并在較高淀粉乳濃度下水解。（4）糖液顏色淺，質(zhì)量高。缺點(diǎn)：（1）生產(chǎn)周期長，一般需要48小

32、時。（2）需要更多的設(shè)備，且操作嚴(yán)格。（三）酸酶結(jié)合法（acid-enzyme hydrolysis method） 集酸解法和酶解法的優(yōu)點(diǎn)而采取的生產(chǎn)工藝。根據(jù)原料淀粉性質(zhì)分： 1.酸酶法：先將淀粉酸水解成糊精和低聚糖，再用糖化酶將其水解為葡萄糖。適用：淀粉顆粒堅硬（如玉米、小麥）的原料，若用-a淀粉酶液化，短時間液化，反應(yīng)往往不徹底。2.酶酸法：先用-a淀粉酶液化，再用酸水解。適用：顆粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸法，則水解不均勻?；蛘咝〉乃?，大的未水解；或者大的水解，時間長，小的則發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。 （四）不同糖化工藝的比較項目酸解法酸酶結(jié)合法酶解法DE值919598羥甲基糠醛

33、（）0.30.0080.003色度100.30.2淀粉轉(zhuǎn)化率909598工藝條件高溫加壓高溫加壓常溫過程耗能多多少副產(chǎn)物多中少生產(chǎn)周期短中長設(shè)備規(guī)模小中大防腐要求高較高低適合發(fā)酵工藝情況差中有利第三節(jié) 糖蜜原料糖蜜是很好的發(fā)酵原料，用其生產(chǎn)，可降低成本，節(jié)約能源，便于實(shí)現(xiàn)高糖發(fā)酵工藝，但有些成分不適合發(fā)酵，必須進(jìn)行預(yù)處理。一、糖蜜的分類及組成 含糖量 含氮量1.分類： cane molasses 高 低 beet molasses 低 高raw sugar molasses 精制粗糖時分離出的糖蜜 high test molasses( 高級糖蜜 ) glucose molasses 葡萄糖工

34、業(yè)不能再結(jié)晶葡萄糖的母液2.組成：粘稠、黑褐色、半流動狀液體。組成各不相同。除含有發(fā)酵性糖分外，還含有膠體物質(zhì)，灰分，維生素，氨基酸。甘蔗糖蜜中生物素含量較甜菜糖蜜中高。(國外大多以糖蜜為原料生產(chǎn)谷氨酸。二、糖蜜的預(yù)處理：膠體(產(chǎn)生大量泡沫)和灰分影響菌體生長及產(chǎn)品純度。1.澄清：加酸，加絮凝劑（石灰）2.脫鈣：加Na2CO33.降低生物素含量（谷氨酸發(fā)酵中）（1）去除生物素：活性炭及樹脂吸附（2）拮抗生物素：加表面活性劑（Tween 60），阻止油酸合成磷脂合成不足。（3）加青霉素：使新增殖的子細(xì)胞不具有完整的細(xì)胞壁，改善了細(xì)胞膜的滲透性。 另外，從菌種方面：使用油酸或甘油缺陷型，不受培養(yǎng)基

35、中高生物素的影響。第五章 培養(yǎng)基滅菌與空氣凈化 第一節(jié) 培養(yǎng)基滅菌一、滅菌的原理和方法 消毒（disinfection）與滅菌（sterilization）的區(qū)別？ 消毒是指用物理或化學(xué)方法殺死物料、容器、器具內(nèi)外的病原微生物。一般只能殺死營養(yǎng)細(xì)胞而不能殺死細(xì)菌芽孢或非病源微生物。例如，巴氏消毒法，是將物料加熱至60維持30min，以殺死不耐高溫的微生物營養(yǎng)細(xì)胞。 滅菌是用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子。包括全部病源和非病源微生物。 消毒不一定能達(dá)到滅菌要求，而滅菌則可達(dá)到消毒的目的。 抑菌（bacteriostasis）：抑制體內(nèi)或體外細(xì)菌的生長繁殖。

36、 無菌：不存在活的細(xì)菌。為防止雜菌的污染，哪些需要滅菌？ 培養(yǎng)基，發(fā)酵設(shè)備，空氣，菌種制作關(guān)于滅菌和消毒的不正確的理解是（ ） A滅菌是指殺滅環(huán)境中的一切微生物的細(xì)胞、芽孢和孢子 B消毒和滅菌實(shí)質(zhì)上是相同的 C接種環(huán)用灼燒法滅菌 D常用滅菌的方法有加熱法、過濾法、紫外線法、化學(xué)藥品法防腐（antisepsis）防腐就是利用某種理化因素完全抑制霉腐微生物的生長繁殖，從而達(dá)到防止食品等發(fā)生霉腐的措施。 （1）低溫 （4）高滲 （2）缺氧 （5）高酸度 （3）干燥 （6）防腐劑除菌的方法 -培養(yǎng)基的加熱滅菌-空氣的過濾除菌-紫外線或電離輻射-化學(xué)藥物滅菌 1.化學(xué)試劑滅菌法 方式：浸泡，添加，擦拭，

37、噴灑，氣態(tài)熏蒸甲醛、乙醇、過氧乙酸、酚類（苯酚）或新潔爾滅、高錳酸鉀等 高錳酸鉀：氧化 0.1%-0.25%漂白粉：氧化，對細(xì)菌和phage均有效，是發(fā)酵工業(yè)中最常用的化學(xué)殺菌劑。75%酒精：殺菌作用在于使細(xì)胞脫水，引起蛋白質(zhì)凝固變性。適用范圍：環(huán)境、皮膚及器械的表面消毒2.電磁波、射線滅菌法電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)。以紫外線最常用。紫外線對芽孢和營養(yǎng)細(xì)胞都能起作用，但細(xì)菌芽孢和霉菌孢子對紫外線的抵抗力強(qiáng)。紫外線的穿透力低，僅適用于表面滅菌和無菌室，培養(yǎng)間等空間的滅菌。波長在260nm左右滅菌效率最高。適用范圍：無菌室、接種箱3.干熱滅菌法 細(xì)胞的氧化作用是導(dǎo)致死亡的主要依據(jù)。由于微生物對干

38、熱的耐受力比對濕熱強(qiáng)的多，故干熱所需溫度高，時間長，一般160-170，1-1.5h.(對要求保持干燥的物品可用)常用烘箱，滅菌條件：160下保溫1h 適用范圍：金屬或玻璃器皿4.濕熱滅菌法 利用飽和蒸汽滅菌，條件：121，30min 熱能使蛋白質(zhì)變性。由于蒸汽有很強(qiáng)的穿透能力，來源方便，滅菌可靠，是常用的方法。適用范圍：生產(chǎn)設(shè)備及培養(yǎng)基滅菌5.過濾除菌法 利用過濾方法阻留微生物 。適用于澄清液體和氣體的除菌。適用范圍：制備無菌空氣 6.火焰滅菌法 方法簡單，滅菌徹底，但適用范圍有限。適用范圍：接種針、玻璃棒、三角瓶口 谷氨酸棒狀桿菌的培養(yǎng)液常采用的滅菌方法是（ ）A高壓蒸汽滅菌B高溫滅菌C加

39、入抗生素滅菌D酒精滅菌二、培養(yǎng)基的濕熱滅菌 濕熱滅菌原理蒸汽具有很強(qiáng)的穿透能力，而且在冷凝時會放出大量的冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺死各種微生物。 滅菌條件：121，30min。 滅菌不利方面：同時會破壞培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分，甚至產(chǎn)生不利于菌體生長的物質(zhì)。（一）間歇滅菌 （常用）又稱分批滅菌，是將配制好的培養(yǎng)基同時放在發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行加熱滅菌的過程，也稱實(shí)罐滅菌或?qū)嵪＿^程包括：升溫、保溫和冷卻三階段。各階段對滅菌的貢獻(xiàn)：20%、75%、5%。培養(yǎng)基間歇滅菌過程中的溫度變化情況：圖（二）連續(xù)滅菌（又稱連消） 將培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外通過連續(xù)滅菌裝置進(jìn)行加熱、保溫

40、和冷卻而進(jìn)行滅菌。 連續(xù)滅菌的基本設(shè)備有哪些 ？配料罐泵加熱塔維持罐冷卻管發(fā)酵罐連續(xù)滅菌的流程與設(shè)備（1）配料預(yù)熱罐，將配制好的料液預(yù)熱到60-70 C ，以免連續(xù)滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）連消塔，用高溫蒸汽使料液溫度很快升高到滅菌溫度（126-132C ）；（3）維持罐，使料液在滅菌溫度下保持5-7min。因為：連消塔加熱的時間很短，光靠這段時間的滅菌是不夠的；（4）冷卻管，使料液冷卻到40-50C后（冷水噴淋） ，輸送到預(yù)先滅菌過的罐內(nèi)。 連續(xù)滅菌過程中溫度的變化(虛線) ：由圖可看出連續(xù)滅菌可在短時間內(nèi)加熱到保溫溫度，由于滅菌溫度很高（比間歇滅菌高），保溫時

41、間可相應(yīng)縮短，有利于減少培養(yǎng)基中營養(yǎng)損失。 （三）間歇滅菌與連續(xù)滅菌的比較優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)連續(xù)滅菌1.高溫短時滅菌，培養(yǎng)基 營養(yǎng)成分損失少。2.發(fā)酵罐占用時間縮短， 利用率高。3.滅菌質(zhì)量穩(wěn)定，提高了熱利用率。1.設(shè)備復(fù)雜，操作麻煩, 染菌機(jī)會多。2.不適合含大量固體物 料的滅菌。間歇滅菌1.設(shè)備要求低，不需另外 加熱、冷卻裝置。2.操作要求低，適合小批 量生產(chǎn)規(guī)模3.適合含大量固體物料的 滅菌1.培養(yǎng)基的營養(yǎng)物質(zhì)損 失大，滅菌后培養(yǎng)基 質(zhì)量下降2.發(fā)酵罐的利用率較低3.不適合大規(guī)模生產(chǎn)的 滅菌4需反復(fù)加熱冷卻，能耗較高。罐頭食品在很長時間內(nèi)不會腐敗變質(zhì),是因為( )。 A.罐頭密封很嚴(yán)，細(xì)菌無法

42、侵入 B.罐頭密封很嚴(yán)，細(xì)菌無法呼吸 C.罐頭在封罐前經(jīng)過高溫高壓滅菌，封罐后罐內(nèi)沒有細(xì)菌 D.罐頭在封罐前經(jīng)過高溫高壓滅菌，封罐后罐內(nèi)細(xì)菌無法生存第二節(jié) 空氣凈化（除菌）發(fā)酵對空氣無菌程度的要求： 一般要求1000次使用周期中只允許有一個菌通過，即經(jīng)過濾后空氣的無菌程度為N=10-3。-空氣中微生物(包括細(xì)菌、酵母、霉菌和病毒) 含量一般為103 104個米3。一般附著在空氣中的灰塵上或霧滴上。-灰塵粒子的平均大小約0.6m左右，空氣除菌主要去除空氣中的微粒(0.61m）。一、空氣除菌的方法 （一） 輻射殺菌：紫外線，、射線，使DNA分子產(chǎn)生胸腺嘧啶二聚體，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，一般可用于無菌室，手

43、術(shù)室殺菌。（二） 熱殺菌：將空氣加熱到一定溫度后保溫一定時間，使微生物蛋白質(zhì)（酶）氧化而致死。（培養(yǎng)基滅菌利用的是蛋白質(zhì)的凝固）。熱殺菌是有效的，可靠的殺菌方法，但是如果采用蒸汽或電熱來加熱大量的空氣，以達(dá)到殺菌目的是十分不經(jīng)濟(jì)的。工業(yè)上是利用空氣壓縮時放出的熱量進(jìn)行殺菌。（三） 靜電除菌：利用靜電引力來吸附帶點(diǎn)粒子而達(dá)到除菌除塵的目的。懸浮于空氣中的微生物，微生物孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒在進(jìn)入高壓靜電場時都會被電離成帶電微粒。對于一些直徑很小的微粒，所帶電荷很小，所以靜電除菌對很小的微粒效率很低，迄今為止這種方法在無菌空氣制備中并不多見。（四） 過濾除菌 ：是目前工業(yè)上最常用

44、的獲得大量無菌空氣的方法。二、空氣過濾除菌的原理與介質(zhì)： 原理：使空氣通過高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒攔截在介質(zhì)層中達(dá)到除菌的目的。 1.過濾除菌的種類絕對過濾：過濾介質(zhì)的濾孔小于細(xì)胞和孢子。 孔徑0.3 m，菌體大小一般為0.5 -5m 。如聚乙烯醇縮甲醛樹脂（PVF）制成的mm0.3 的微孔濾膜。纖維素，聚四氟乙烯，聚乙烯醇縮甲醛樹脂經(jīng)熱處理后均可作為過濾介質(zhì)。一般用于醫(yī)療及特種發(fā)酵。深層介質(zhì)過濾：介質(zhì)的孔隙一般大于微生物細(xì)胞。如用棉花、玻璃纖維和顆?；钚蕴刻畛涞倪^濾器。2.深層介質(zhì)過濾的原理 微粒隨氣流通過濾層時，由于濾層纖維的層層阻礙，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運(yùn)動速度和方向

45、的繞流運(yùn)動，引起微粒與濾層纖維間產(chǎn)生慣性沖擊、攔截、布朗擴(kuò)散、重力沉降、靜電引力等作用把微粒滯留在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)過濾的目的。 目前工廠和實(shí)驗室大多采用該方法。3. 空氣過濾除菌介質(zhì)（）纖維狀或顆粒狀過濾介質(zhì)-棉花：常用（脫脂棉），有彈性，纖維長度適中，填充密度130-150kg/cm3。-玻璃纖維：直徑小，不易折斷，過濾效果好,填充密度130-280kg/cm3。-活性炭：要求質(zhì)地堅硬，顆粒均勻。常用小圓柱體的顆?；钚蕴?。對0.3 m以下顆粒的過濾效率僅為99% ，需多次過濾。 缺點(diǎn)：體積大，裝填費(fèi)時費(fèi)力，松緊度不易掌握，空氣壓降大。介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量蒸汽和空氣。（）紙類過濾介質(zhì)玻璃纖維

46、紙屬于深層過濾技術(shù)。 纖維間空隙約為1-1.5m，將3-6張疊在一起使用，過濾效率高，壓降小。對0.3 m以上顆粒的過濾效率為99.99% ，而且阻力小，壓力降較小。 缺點(diǎn)：強(qiáng)度不大（特別是受潮后）?？稍诩垵{中加7-50%的木漿或其他化學(xué)處理。（3）微孔濾膜類過濾介質(zhì) 空隙0.5m發(fā)酵生產(chǎn)中制備無菌空氣的大致過程 ：空氣 空壓機(jī) 貯氣罐 冷卻 除油水 加熱 總過濾器 分過濾器 無菌空氣 空氣預(yù)處理 空氣過濾除菌流程分析：要有一系列冷卻，分離和加熱設(shè)備保證空氣的相對濕度在50%-60%的條件下過濾。 三、空氣的預(yù)處理 目的：-提高壓縮前空氣的潔凈度-去除壓縮后空氣中的油和水1. 提高壓縮前空氣的

47、潔凈度措施：（1）提高空氣吸氣口的位置（高度每上升10m,空氣中微生物量下降一個數(shù)量級）（2）在空氣入口處設(shè)置粗過濾器 （或前置高效過濾器） 捕集較大的灰塵顆粒，并保護(hù)空壓機(jī)。高空取氣管 -為遠(yuǎn)離地面幾十米的管子。-每升高10米，空氣中雜菌降低一個數(shù)量級。因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。 高效前置過濾除菌流程高效前置過濾器壓縮機(jī)貯罐冷卻器 絲網(wǎng)分離器加熱器過濾器 2.空氣壓縮和壓縮空氣的冷卻（1）空氣壓縮：克服輸送過程中過濾介質(zhì)的阻力并維持一定的氣流速度。用空壓機(jī)：渦輪式，往復(fù)式。（2）壓縮后空氣溫度顯著上升，需冷卻。因為若直接通入過濾器會：-壓縮后的高溫空氣能引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒-

48、增大發(fā)酵罐的降溫負(fù)荷-增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā) 一般用列管式冷卻器進(jìn)行冷卻。還有翅板式換熱器。空氣貯罐（結(jié)構(gòu)圖）-消除壓縮機(jī)排出空氣量的脈沖，維持穩(wěn)定的空氣壓力。-利用重力沉降作用除去部分油霧。-緊接空壓機(jī)安裝。-有些裝有冷卻管。3. 壓縮空氣的除油除水 冷卻降溫后的空氣濕度增大，會使過濾介質(zhì)受潮失效。兩類設(shè)備：旋風(fēng)分離器利用離心力進(jìn)行沉降，對于mm10以上的微粒分離效率較高。絲網(wǎng)分離器利用慣性進(jìn)行攔截，分離效率較高，能除去2mm5的細(xì)小顆粒。P251采用慣性攔截等機(jī)理，有效去除空氣中的水、油霧、塵埃，不銹鋼絲網(wǎng)可清洗，使用壽命長。4.空氣的加熱 壓縮空氣冷卻除去油和水后，空氣的相對濕度仍為100

49、%。若不加熱，只要溫度稍有降低，可再度析出水分，使過濾介質(zhì)受潮。所以將除油水的空氣加熱（溫差在1015C 左右），降低相對濕度（達(dá)50%60%）后，輸入過濾器。 用列管換熱器。空氣過濾除菌設(shè)備流程粗過濾 空壓機(jī) 儲罐 二級冷卻 加熱器 空氣過濾四、空氣過濾器過濾除菌的關(guān)鍵設(shè)備（結(jié)構(gòu)圖：介質(zhì)層過濾器和超細(xì)玻璃纖維紙過濾器）180M3發(fā)酵罐車間大型空氣壓縮機(jī)發(fā)酵車間的空氣過濾器空氣凈化的流程-吸氣口吸入的空氣先經(jīng)過壓縮前的過濾-進(jìn)入空氣壓縮機(jī)（120-150C）-冷卻（20-25C），除去油、水，再加熱至30 -35C。-最后通過總過濾器和分過濾器，獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合要求的無菌空氣

50、。第六章 發(fā)酵工藝過程控制 第一節(jié) 發(fā)酵的操作方式一、 分批培養(yǎng)（batch culture or fermentation）又稱分批發(fā)酵，常用的培養(yǎng)方法。1.概念：在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)中微生物的生長圖遲滯期 對數(shù)生長期 穩(wěn)定期 死亡期2.特點(diǎn)：(1)整個培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其它物質(zhì)交換（O2、CO2、消泡劑、酸堿除外）(2)整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。即：在發(fā)酵罐中完成微生物生長的四個階段：lag phase, log phase ,s

51、tationary phase, decline phase 或death phase3.分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 操作簡單，周期短，染菌機(jī)會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點(diǎn): 產(chǎn)率低。二、連續(xù)培養(yǎng)（continuous culture）1. 概念： 微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時不斷放出代謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方式。2. 特點(diǎn)：最大特點(diǎn)是：微生物細(xì)胞的生長速率，產(chǎn)物的代謝均處于恒定狀態(tài)，有效地延長對數(shù)期到穩(wěn)定期的階段，可達(dá)到穩(wěn)定，高速培養(yǎng)微生物細(xì)胞或產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物的目的，菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度均處于恒定狀態(tài)。3. 連續(xù)培養(yǎng)

52、的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，產(chǎn)量高。缺點(diǎn): 長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。染菌機(jī)會增加。與分批培養(yǎng)比較：優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)運(yùn)行，生產(chǎn)周期短，提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。便于自動化控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)：連續(xù)操作，設(shè)備復(fù)雜，易受雜菌污染。收率和產(chǎn)物濃度低，不利于提取。營養(yǎng)物質(zhì)利用率低，增加了生產(chǎn)成本。需要復(fù)雜的檢測，控制系統(tǒng)。易受菌種退化的影響。應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。因此，連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)上并不多見，只局限于酒精，單細(xì)胞蛋白，丙酮，丁醇等少數(shù)幾個產(chǎn)品。在生產(chǎn)實(shí)踐中，完全封閉式的分批培養(yǎng)或者純粹的連續(xù)培養(yǎng)較少見，更多見的是兩者的折中形式：補(bǔ)料分批培養(yǎng)。三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（fed-batch culture） 介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。1.概念：根據(jù)菌體生長和初始培養(yǎng)基的特點(diǎn)，在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間延長。(克服營養(yǎng)不足，體積有