生物工藝學(xué)重點(diǎn)(上半部分)

1、發(fā)酵工藝學(xué)發(fā)酵工藝學(xué)的定義和特點(diǎn)生物工藝學(xué)：應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以及提供產(chǎn)品為社會(huì)服務(wù)。工業(yè)上的發(fā)酵：指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過(guò)程。生物作用劑（生物催化劑）：是游離的或固定化細(xì)胞、酶的總稱(chēng)微生物細(xì)胞，在生物過(guò)程中起著催化作用。生物反應(yīng)過(guò)程是六部分組成：原料預(yù)處理、種子培養(yǎng)（擴(kuò)大）、空氣除菌（好氣性發(fā)酵）、發(fā)酵（主要階段）、提煉、成品檢驗(yàn)發(fā)酵工程特點(diǎn)：（1） 發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單；（2） 發(fā)酵所用的原料簡(jiǎn)單粗放。通常以淀粉、糖蜜、或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主； （3） 發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的

2、自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物； （4） 發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌的污染防治至關(guān)重要； （5） 由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘暮透叨冗x擇性的對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位的氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物； （6） 微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此使得按常規(guī)方法； （7） 投資少、見(jiàn)效快、經(jīng)濟(jì)效率顯著。代謝控制發(fā)酵：利用生物化學(xué)或遺傳學(xué)的方法，人為地改變或控制微生物代謝，使其有用產(chǎn)物大量積累的方法。糖類(lèi)好氣性代謝產(chǎn)物特點(diǎn)：（1）好氣性微生物，有氧呼

3、吸好氣發(fā)酵。菌體生長(zhǎng)速度降低或停止生長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)物才能大量生長(zhǎng)；（2）代謝途徑清楚；產(chǎn)物可分為兩類(lèi)：1、糖類(lèi)經(jīng)過(guò)降解途徑TCA、DCA循環(huán)途徑的發(fā)酵產(chǎn)物。2、糖類(lèi)碳鏈不經(jīng)過(guò)降解的發(fā)酵產(chǎn)物。（3）與消耗碳源無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系。次級(jí)代謝產(chǎn)物定義：既不作為細(xì)菌或酶的結(jié)構(gòu)成分，也不是一般的細(xì)胞儲(chǔ)存物質(zhì)，它對(duì)產(chǎn)生菌本身的生理功能物不明確的一類(lèi)代謝產(chǎn)物。特點(diǎn)：（1）與消耗碳源無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系，產(chǎn)量很低； （2）菌生長(zhǎng)速度減低或停止后，產(chǎn)物較快合成，也有例外； （3）合成途徑復(fù)雜，多不明確甾體轉(zhuǎn)化物。產(chǎn)物： 抗生素類(lèi)：青霉素、鏈霉素、四環(huán)素、慶大霉素、維生素B12、植物激素、赤霉素、真菌毒素發(fā)酵法優(yōu)點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)化步驟；（2）

4、提高轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的療效；（3）反應(yīng)多，不同微生物進(jìn)行不同的反應(yīng)；（4）有利環(huán)境保護(hù)，提高人體健康。培養(yǎng)基定義：指一切可供微生物細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖所需的一組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時(shí)培養(yǎng)基也為微生物提供除營(yíng)養(yǎng)外的其他生長(zhǎng)所必需的條件。（營(yíng)養(yǎng)、環(huán)境條件）要求：（1）都必須要含有作為合成細(xì)胞組成的原料； （2）滿(mǎn)足一般生化反應(yīng)的基本條件； （3）一定的PH條件； （4）工業(yè)生產(chǎn)培養(yǎng)基所用的原材料還必須滿(mǎn)足：來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定；根據(jù)生產(chǎn)菌的營(yíng)養(yǎng)特性與產(chǎn)物合成兩者兼顧；符合工藝、設(shè)備的要求（配制培養(yǎng)基時(shí)要有利于發(fā)酵液質(zhì)量）。培養(yǎng)基成分碳源：形式：糖類(lèi)、油脂、有機(jī)酸、低碳醇等主要功能：為微生物菌種的生長(zhǎng)繁殖提供

5、能源和合成菌體所必需的碳成分；為合成目的產(chǎn)物提供所需的碳成分。快速利用的糖為培養(yǎng)基，有時(shí)反而會(huì)抑制產(chǎn)物合成，在菌體生長(zhǎng)過(guò)程作為碳源的來(lái)源。慢速利用的糖為培養(yǎng)基，常會(huì)促進(jìn)產(chǎn)物合成，在產(chǎn)物合成過(guò)程作為碳的來(lái)源。原因：快速利用碳源的分解產(chǎn)物抑制了產(chǎn)物形成的關(guān)鍵酶生產(chǎn)上采取的方法：（1）緩慢利用碳源的使用（2）流加葡萄糖（3）用混合碳源氮源：（1）種類(lèi)：有機(jī)、無(wú)機(jī)（2）作用：構(gòu)成細(xì)胞構(gòu)質(zhì)，含N代謝物（3）不同氮源差別有機(jī)氮源無(wú)機(jī)氮源 與有機(jī)N相比，更容易被微生物吸收 生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用，能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用，能形成堿性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源無(wú)機(jī)鹽及微量元素：作用：

6、為微生物生理活性物質(zhì)的組成或生理活性作用的調(diào)節(jié)物。一般低濃度時(shí)，對(duì)微生物合成產(chǎn)物促進(jìn)，高濃度對(duì)微生物合成產(chǎn)物形成抑制。各元素作用 P：核酸和蛋白質(zhì)必要成分，ATP，代謝調(diào)節(jié)；Ca：細(xì)胞透性；Mg：多數(shù)酶激活劑，芽孢的重要成分；S：含硫AA的組成和某些酶（CoA）活性劑；Fe：細(xì)胞色素，細(xì)胞色素氧化酶和過(guò)氧化酶成分；Cl：?jiǎn)}菌必需，改善啤酒味；Na+，K+：Na維持滲透性，K滲透壓和透性；微量元素：酶的輔基和激活劑，機(jī)體對(duì)其需求很少生長(zhǎng)因子：微量的一類(lèi)調(diào)節(jié)微生物正常代謝所必需，但不能用簡(jiǎn)單的碳、氮源自行合成的有機(jī)物。培養(yǎng)基配置原則：（1） 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)足微生物需要；（2）營(yíng)養(yǎng)物濃度及配比應(yīng)當(dāng)適

7、當(dāng)；（3）物理化學(xué)條件合適；（4）根據(jù)培養(yǎng)基的目的。種子擴(kuò)大培養(yǎng)定義：將休眠的生產(chǎn)菌種經(jīng)斜面培養(yǎng)基活化，經(jīng)扁平或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大數(shù)量，至一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過(guò)程。種子培養(yǎng)任務(wù)：保持生產(chǎn)菌種的優(yōu)良生產(chǎn)性能，得到比較純凈的種子，菌健壯，還要有足夠的量，以供大規(guī)模生產(chǎn)用，好壞關(guān)系到產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量。生產(chǎn)菌種的基本要求：（1）高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性能、合成能力高，遺傳性相對(duì)穩(wěn)定，菌種不衰退，難變異；（2）要求粗放，較易培養(yǎng)，生長(zhǎng)繁殖較快，可利用比較多的原料，比原料要求經(jīng)濟(jì)易得；（3）非病原菌，對(duì)發(fā)酵操作如此，且發(fā)酵產(chǎn)品用于食品、醫(yī)藥有很大部分，用于此類(lèi)的菌還要求不產(chǎn)生毒素；（4）最好能耐受自身代謝產(chǎn)物，最好是

8、可耐高低溫，可耐高溫則熱天可生產(chǎn)，省下冷卻水，最好可耐酸、堿，產(chǎn)泡沫少，泡沫多需消耗消泡劑多，產(chǎn)品提煉困難。防止菌種變異衰退：（1）適宜的保存方法，主要原理是利用低溫、干燥、真空，如斜面、砂土、礦物油；（2）限制使用期：斜面12月移植，砂土12年；（3）減少傳代次數(shù)，限制菌種的開(kāi)啟次數(shù)，為防染菌；（4）定期分純，用單細(xì)胞或單孢子分離，分離后的單細(xì)胞要進(jìn)行生產(chǎn)能力的測(cè)定，要求不低于原有菌種。大的接種量?jī)?yōu)點(diǎn)：（1）縮短發(fā)酵罐中菌的生長(zhǎng)期，產(chǎn)物合成時(shí)間提前，則整個(gè)合成時(shí)期就增加了，不少種子液中會(huì)有水解酶類(lèi)，利于發(fā)酵利用；（2）有效地防止，發(fā)酵罐的前期染菌。缺點(diǎn)：（1）要求種子罐多；（2）種子液中含代

9、謝廢物、副產(chǎn)物。發(fā)酵罐中可能抑制菌的生長(zhǎng)的產(chǎn)物的合成。細(xì)菌：生長(zhǎng)快，種子用量比例少，級(jí)數(shù)比較少，二級(jí)發(fā)酵霉菌：生長(zhǎng)較慢，如青霉，三級(jí)發(fā)酵放線菌：生長(zhǎng)慢，采用四級(jí)發(fā)酵酵母：比細(xì)菌慢，比霉菌、放線菌快，通常用一級(jí)種子注意：（1）級(jí)數(shù)越少越好，簡(jiǎn)化工藝控制，減少染菌機(jī)會(huì)； （2）種子罐太少，接種量少，發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，增加染菌機(jī)會(huì)； （3）工藝條件也會(huì)影響級(jí)數(shù)。種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：（1）細(xì)胞或菌體 菌絲濃度和培養(yǎng)液外觀（色素、顆粒等）（2）生化指標(biāo) 種子液：糖、氮、磷含量和PH變化（3）產(chǎn)物的生成量（4）酶活力 測(cè)關(guān)鍵酶活力種子質(zhì)量的判斷：（1） 培養(yǎng)基；（2）培養(yǎng)條件；（3）種齡（指種子罐里培養(yǎng)的菌絲體開(kāi)始

10、移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間）。分批發(fā)酵定義：一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。特點(diǎn)：環(huán)境在發(fā)酵過(guò)程中不斷變化。物理、化學(xué)、生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。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穩(wěn)定。缺點(diǎn)：非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備利用率低。連續(xù)發(fā)酵定義：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，可提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間產(chǎn)量，便于自動(dòng)控制。缺點(diǎn)：菌種發(fā)生變異可能性大，

11、要求嚴(yán)格的無(wú)菌條件。半連續(xù)（補(bǔ)料分配比）發(fā)酵定義：在發(fā)酵過(guò)程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。優(yōu)點(diǎn)：使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度和連續(xù)相比，不需要嚴(yán)格的無(wú)菌不產(chǎn)生菌種老化、變異等問(wèn)題。缺點(diǎn)：存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。類(lèi)型：（1）補(bǔ)料方式：連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加 （2）補(bǔ)料成分：?jiǎn)我唤M分流加多組分流加 （3）控制方式：反饋控制、無(wú)反饋控制類(lèi)型 （1）特點(diǎn)：分為兩個(gè)時(shí)期：菌體生長(zhǎng)期、產(chǎn)物形成期；C源利用的比速度有兩個(gè)高峰，在產(chǎn)物形成期菌株第二次生長(zhǎng)；C源利用和產(chǎn)物形成無(wú)明確的化學(xué)劑量關(guān)系，但還是有一定關(guān)系。（2）產(chǎn)物類(lèi)型：在產(chǎn)物形

12、成時(shí)有中間產(chǎn)物積累無(wú)中間產(chǎn)物積累連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)控制方法（1） 恒濁法：根據(jù)培養(yǎng)液的濁度與菌的濃度成正比，通過(guò)一種儀器（如光電效應(yīng)）控制菌的流量，使菌的濃度保持一致。（2）恒化法：培養(yǎng)基中有一種可限制菌的生長(zhǎng)速度，此為限制生長(zhǎng)基質(zhì)，控制菌濃度。溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制生物熱：在發(fā)酵過(guò)程中，由于菌體生長(zhǎng)繁殖和形成代謝產(chǎn)物，不斷地利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其成分分解氧化獲得能量（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)分解為二氧化碳、氨氣等），其中一部分能量用于合成高能化合物，供合成細(xì)胞物質(zhì)和合成代謝所需的能量。其余部分則以熱的形式散發(fā)出來(lái)。生物熱用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動(dòng)，熱量散發(fā)。發(fā)酵熱的測(cè)定：（1）冷卻

13、水流量，進(jìn)出口溫度；（2）罐溫自動(dòng)控制，罐溫達(dá)到恒定再關(guān)閉，測(cè)溫度隨時(shí)間上升的速率。溫度對(duì)發(fā)酵的影響1、T低，反應(yīng)速度低，周期長(zhǎng)；2、T高，反應(yīng)速度低，但菌易衰老，影響產(chǎn)量；3、菌合成與產(chǎn)物合成溫度要求不同。溫度通過(guò)以下方式影響發(fā)酵過(guò)程1、 影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)；2、 影響發(fā)酵液物理性質(zhì)；3、 影響生物合成的方向。最適溫度的確定：在該溫度下最適干菌的生長(zhǎng)或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。溫度的控制 發(fā)酵罐：夾套（10立方米以下）、盤(pán)管（10立方米以上）微生物的耗氧量及氧的供給影響：生長(zhǎng)代謝、改變代謝途徑需氧量與以下因素有關(guān)（1）菌種特性（2）生理狀態(tài)（3）培養(yǎng)基成分與濃度（4）細(xì)胞濃度（5）溫度氧

14、的傳遞：（1）攪拌成為細(xì)胞，阻力有培養(yǎng)液和微生物細(xì)胞；（2）氧不足，微生物缺氧窒息；（3）耗氧，溶氧要平衡；（4）溶氧低于耗氧，氧下降生長(zhǎng)受影響。提高培養(yǎng)液溶解氧速率常用方法：1、提高氧分壓（1）通入的空氣中摻入純氧（2）提高罐壓；2、提高氧的吸收速率（最重要的一種方法）（1）攪拌，適合細(xì)菌生產(chǎn)（2）提高通氣量，帶走液體水分使發(fā)酵液濃縮；3、降低培養(yǎng)液粘度，粘度越大，就湍流下降，液膜變厚，氣泡越穩(wěn)定性；4、降低培養(yǎng)液溫度，在允許的條件下降低，可增加溶解速率；5、添加某些物質(zhì)增加溶氧。表面活性劑可增加溶氧，但不得對(duì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，不使產(chǎn)物提純度難，要經(jīng)濟(jì)；6、與培養(yǎng)液液柱體積有關(guān)。PH對(duì)發(fā)酵影響

15、引起PH下降的因素：（1）CN比C過(guò)多，中間補(bǔ)空氣溶氧不足；（2）消泡油過(guò)多；（3）生理酸性物存在，氨被利用引起PH上升的因素：（1）CN比N過(guò)多，AA釋放；（2）中間補(bǔ)料中氨水或尿素等堿性物加入過(guò)多；（3）生理堿性物質(zhì)過(guò)多PH值控制：（1）培養(yǎng)基的配比；（2）中間補(bǔ)料控制PH值，補(bǔ)Glc或補(bǔ)氨水、尿素；（3）PH電極控制加補(bǔ)料或酸、堿來(lái)控制PH二氧化碳對(duì)發(fā)酵影響（1）二氧化碳對(duì)微生物的生長(zhǎng)速度具有刺激或抑制作用（2）影響發(fā)酵液酸堿平衡從而影響產(chǎn)物的合成控制：通常通過(guò)調(diào)節(jié)痛通風(fēng)和攪拌來(lái)控制基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵影響及補(bǔ)料控制補(bǔ)料的作用：（1） 可以控制抑制底物的濃度（2） 可以解除或減弱分解產(chǎn)物的阻遏

16、（3） 可以使發(fā)酵過(guò)程最佳化補(bǔ)料優(yōu)點(diǎn)：（1）控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度控制菌生長(zhǎng)速率，不致太快衰老，自溶推遲，達(dá)到增加合成時(shí)間，提高產(chǎn)量作用（2）作為控制，扭生異常發(fā)酵的手段（3）增加發(fā)酵液的總體積補(bǔ)料的依據(jù)和判斷 最常用的是殘?zhí)菨舛取⑷苎鯘舛群蚉H。糖的濃度大，代謝加快溶氧濃度降低。糖的濃度降低，利用氮源中提供能量造成氨積累，PH升高。泡沫的產(chǎn)生影響、控制泡沫產(chǎn)生原因：（1） 通氣和攪拌（2） 代謝氣體逸出，和生長(zhǎng)階段有關(guān)（3） 培養(yǎng)基中糖、蛋白質(zhì)、代謝物等表面活性物質(zhì)是產(chǎn)生泡沫的主要因素，糖增加了泡沫的穩(wěn)定性。（4） 滅菌溫度高，冷卻時(shí)間長(zhǎng)都會(huì)使泡沫增加。泡沫造成影響：（1） 降低裝料系數(shù)；（2）增

17、加菌群非均一性；（3）泡沫升至罐頂增加染菌機(jī)會(huì)；（4）導(dǎo)致產(chǎn)物損失；（5）消泡劑的加入增加提取困難。泡沫的控制：機(jī)械攪拌（不引入外界物質(zhì)，但未從根本解決）、消泡劑（效果好，但引入外界物質(zhì)影響提純）發(fā)酵染菌的防治處理污染：微生物發(fā)酵為純種發(fā)酵，如有其他菌侵入稱(chēng)為污染（雜菌污染、噬菌體污染）雜菌污染的防治與挽救表現(xiàn)：（1）生產(chǎn)菌生產(chǎn)受抑制，測(cè)OD值，菌濃度下降； （2）C、N消耗加速，PH值的不正常變化； （3）泡沫一般增多，粘稠顏色加深，使培養(yǎng)液發(fā)酵發(fā)臭； （4）發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)量下降。引起染菌的主要途徑和原因1、種子培養(yǎng)階段可能染菌生產(chǎn)菌種在保存、轉(zhuǎn)移時(shí)種子擴(kuò)大培養(yǎng)，種子罐可能染菌，培養(yǎng)基帶菌

18、防治方法：抗污染強(qiáng)的菌株，定期進(jìn)行分離，嚴(yán)格無(wú)菌操作，培養(yǎng)基首先要進(jìn)行無(wú)菌試驗(yàn)，種子本身也要無(wú)菌試驗(yàn)。2、培養(yǎng)基要求滅菌徹底。冷空氣排除不徹底造成假壓，有空氣混入水蒸汽（三路進(jìn)氣：列管、排料管、進(jìn)空氣管）防止蒸汽走短路，由于空氣走阻力小的管路負(fù)壓抽吸，無(wú)菌空氣保壓泡沫過(guò)多（由于其傳熱性差，使其中雜質(zhì)保留）3、空氣系統(tǒng) 過(guò)濾系統(tǒng)出問(wèn)題，主要是過(guò)濾介質(zhì)失效4、設(shè)備滲透 安裝不當(dāng)，有死角存在雜菌類(lèi)型 染芽孢：設(shè)備死角，使芽孢存活，培養(yǎng)基不徹底 染霉菌：培養(yǎng)基滅菌不徹底 染球菌：大部分從空氣來(lái)，主要是空氣過(guò)濾系統(tǒng)失效 染G-：大部分從水中來(lái)，是由于設(shè)備的滲透發(fā)酵染菌的原因及防止 1、種子帶菌的原因 無(wú)菌室的無(wú)菌條件不符合要求；培養(yǎng)基滅菌不徹底；操作不當(dāng)。種子罐染菌：先滅菌再倒灌，再空消取用備種或倒種發(fā)酵罐染菌：根據(jù)染菌時(shí)間不同采取相應(yīng)的方法 前期染菌：染菌危害不大，采取補(bǔ)種方法，使生產(chǎn)菌在發(fā)酵罐中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)染菌危害大先補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)再重新滅菌，再接種；染菌危害極大，先