發(fā)酵工程重點(diǎn)與相關(guān)答案

1、發(fā)酵工程重點(diǎn)1, 什么叫發(fā)酵工程？采用工程技術(shù)手段，利用生物（主要是微生物）機(jī)能，結(jié)合現(xiàn)代化學(xué)工程等將物料加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)（環(huán)保）的過程。是工業(yè)可續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)之一。什么是發(fā)酵：傳統(tǒng)定義是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。生化學(xué)中，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，工業(yè)上指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動(dòng)來獲得微生物菌體或代謝產(chǎn)物的過程2, 生物發(fā)酵工程的五大要素：（ 1）菌種：要求，特征，如何獲得，保藏，使用（擴(kuò)大培養(yǎng)和活化，）級(jí)數(shù)，生長規(guī)律 , 如何縮短適應(yīng)期，如何接種?常見菌種包括：細(xì)菌、酵母、霉菌、放線菌

2、。特征一般是大小、顏色、菌落特征等。影響斜面種子質(zhì)量的因素：原材料質(zhì)量，水質(zhì)，培養(yǎng)基pH, （2）滅菌條件，（3）接種量， （ 4） 培養(yǎng)室溫度、濕度、通風(fēng)、（ 5） 培養(yǎng)時(shí)間，（ 6） 有害氣體或揮發(fā)物（培養(yǎng)室內(nèi) 不要安紫外燈）（ 7） 冷藏條件。生產(chǎn)規(guī)模發(fā)酵罐的接種，包括兩個(gè)方面：從實(shí)驗(yàn)室搖瓶或抱子懸浮液容器中移種入一個(gè)種子罐，從一個(gè)種子罐移入另一個(gè)生產(chǎn)發(fā)酵罐中適應(yīng)期：糖不利用，要盡量得縮短，控制接種量和發(fā)酵條件。 對(duì)數(shù)生長期：糖耗快，各種成分的消耗使得罐內(nèi)的各種指標(biāo)開始變化如PH ,菌體濃度迅速增 大，及時(shí)地供給氮源，調(diào)整 PH 等外部條件，是菌體生長順利 穩(wěn)定期：開始合成各種產(chǎn)物，菌體

3、數(shù)量穩(wěn)定。必須供給各種營養(yǎng)物質(zhì)，控制外部條件，大量的通氣，以促進(jìn)產(chǎn)物產(chǎn)量。 衰退期：菌體衰老，糖耗慢，應(yīng)及時(shí)放罐。種齡和種量的控制 一級(jí)種子控制在 ll-12h, 二級(jí)控制在 7-8ho 種量為 1% 。過多，菌 體不強(qiáng)壯， 提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸量不高。 通風(fēng)：不同種齡、種量，培養(yǎng)基成分，發(fā)酵階段及發(fā)酵罐大小要求通風(fēng)量不同。在長菌體階段，通風(fēng)量過大，生物素缺乏，抑制菌體生長。在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，需要大量通風(fēng)供氧細(xì)致的分： 延滯期：細(xì)菌數(shù)目保持不變或略有下降，倍增速率為零（ 0-a ） 。加速生長期：細(xì)菌開始增殖，倍增速率（世代時(shí)間的倒數(shù)即單位時(shí)間內(nèi)的分裂次數(shù)）隨時(shí)間不斷增大 （ a-b ） o對(duì)

4、數(shù)生長期：倍增速率達(dá)到最大值且保持恒定，它說明平均世代時(shí)間不變，細(xì)菌數(shù)目以幾何級(jí)數(shù)增長 （ b c） o 減速生長期：倍增速率隨時(shí)間而減小，平均世代時(shí)間延長 （ C-d ） o 穩(wěn)定期：生長速率與死亡速率相等，倍增速率為零，活菌數(shù)目保持恒定（d-e） o 加速死亡期：死亡速率超過生長速率，并越來越大，活菌數(shù)目迅速減少（ e f） 。對(duì)數(shù)死亡期：死亡速率達(dá)到最大值并保持恒定（f-g） o 殘留期： 變化規(guī)律的曲線。生長曲線可分： 1.延滯期 將少量菌種接入新鮮培養(yǎng)基后，在開始一段時(shí)間內(nèi)菌數(shù)不立即增加，或增加很少，生長速度接近于零。也稱延遲期、適應(yīng)期。遲緩期的特點(diǎn)：分裂遲緩、代謝活躍 在工業(yè)發(fā)酵和

5、科研中通常采取一定的措施縮短延滯期： 通過遺傳學(xué)方法改變種的遺傳特性使遲緩期縮短；利用對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞作為 “種子 ”； 盡量使接種前后所使用的培養(yǎng)基組成不要相差太大； 適當(dāng)擴(kuò)大接種量等方式縮短遲緩期，克服不良的影響。2. 對(duì)數(shù)期以最大的速率生長和分裂，細(xì)菌數(shù)量呈對(duì)數(shù)增加， 細(xì)菌內(nèi)各成分按比例有規(guī)律地增加，表現(xiàn)為平衡生長。 對(duì)數(shù)生長期的細(xì)菌個(gè)體形態(tài)、化學(xué)組成和生理特性等均較一致，代謝旺盛、生長迅速、代時(shí)穩(wěn) 定， 所以是研究微生物基本代謝的良好材料。它也常在生產(chǎn)上用作種子，使微生物發(fā)酵的遲緩期縮短，提高經(jīng)濟(jì)效益。3. 穩(wěn)定期由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗，代謝產(chǎn)物積累和 pH 等環(huán)境變化，逐步不適宜于細(xì)菌生長

6、，導(dǎo)致生長速率 降低 直至零（即細(xì)菌分裂增加的數(shù)量等于細(xì)菌死亡數(shù)量），結(jié)束對(duì)數(shù)生長期，進(jìn)入穩(wěn)定生長期。獲得更多的菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物采取措施： 補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)或取走代謝產(chǎn)物或改善培養(yǎng)條件，如對(duì)好氧菌進(jìn)行通氣、攪拌或振蕩等4. 衰亡期現(xiàn)象：細(xì)菌代謝活性降低，細(xì)菌衰老并出現(xiàn)自溶，產(chǎn)生或釋放出一些產(chǎn)物，如氨基酸、轉(zhuǎn)化酶、外肽 酶或 抗生素等。細(xì)胞呈現(xiàn)多種形態(tài)，有時(shí)產(chǎn)生畸形，細(xì)胞大小懸殊，有些革蘭氏染色反應(yīng)陽性菌變成陰性反應(yīng)等。特點(diǎn)：該時(shí)期死亡的細(xì)菌以對(duì)數(shù)方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分細(xì)菌產(chǎn)生抗性也會(huì)使細(xì)菌死 亡的 速率降低。? （ 2） 發(fā)酵罐：發(fā)酵罐主要設(shè)備為發(fā)酵罐和種子罐，它們各自都附有原料（

7、培養(yǎng)基）調(diào)制、 蒸煮、滅菌和冷卻設(shè)備，通氣調(diào)節(jié)和除菌設(shè)備，以及攪拌器等。? 一個(gè)優(yōu)良的發(fā)酵罐裝置和組成：（ 1） 應(yīng)具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，（ 2）良好的液體混合特性（ 3） 好的傳質(zhì)相傳熱速率（ 4） 具有配套而又可靠的檢測、控制儀表種子制備設(shè)備。具體來說，應(yīng)包括：主發(fā)酵設(shè)備，輔助設(shè)備（無菌空氣和培養(yǎng)基的制備），發(fā)酵液預(yù)處理設(shè)備，粗產(chǎn)品的提取設(shè)備，產(chǎn)品精制與干燥設(shè)備，流出物回收、利用和處理設(shè)備，洗滌裝置（一般用水力噴射裝置）。?大型發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)?罐的耐壓要求?熱交換內(nèi)部清洗?啤酒發(fā)酵罐的容量正在逐步增大，這類發(fā)酵罐大部分安裝在室外，原來的清洗方法已不適用，必須采用自動(dòng)化的噴洗裝置。? 采用較多的是

8、CIP 清洗系統(tǒng)。, 所謂 CIP 系統(tǒng)，是 clean in place 的簡稱，意即內(nèi)部清洗系統(tǒng)。高徑比：罐的圓柱部分高度 H/ 罐的直徑 D發(fā)酵罐的基本條件(1) 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率較高。(2) 發(fā)酵罐能承受一定的壓力。(3) 要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。(4) 發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。(5) 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌了通 酵罐、強(qiáng)烈風(fēng)式和噴物生(6) 攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，防病量減少泄漏?發(fā)酵罐的種類：以前常用的是密封發(fā)酵罐，現(xiàn)今發(fā)酵工業(yè)上最常用的是通風(fēng)攪拌罐。除 風(fēng)攪拌發(fā)酵罐外，其它型式的發(fā)酵罐如：氣提式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵

9、罐、液提式發(fā) 壓力循環(huán)發(fā)酵罐、帶超濾膜的發(fā)酵罐等。具體來說：? 1. 按微生物生長代謝需要分類：?好氣：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等產(chǎn)品是在好氣發(fā)酵罐中進(jìn)行的；需要 的通風(fēng)攪拌，目的是提高氧在發(fā)酵液中的傳質(zhì)系數(shù)；?厭氣：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氣發(fā)酵罐。不需要通氣。? 2. 按照發(fā)酵罐設(shè)備特點(diǎn)分類：?機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式，如伍式發(fā)酵罐，文氏管發(fā)酵罐，以及非循環(huán)式的通 發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐等。?非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式的氣提式、液提式發(fā)酵罐，以及非循環(huán)式的排管式 射式發(fā)酵罐。?這兩類發(fā)酵罐是采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生 長和

10、產(chǎn)物形成對(duì)氧的需求。? 3. 按容積分類：? 一般認(rèn)為 500L 以下的是實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐；? 500-5000L 是中試發(fā)酵罐；? 5000L 以上是生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐。4 按微生物生長環(huán)境：有沒有包括懸浮生長系統(tǒng)和支持生長系統(tǒng)。5 按操作方式：批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵。?( 1 ) 密閉式 ( 厭氧 ) 發(fā)酵罐：對(duì)這類發(fā)酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設(shè)備；罐內(nèi)盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。酒精和啤酒都屬于 氣發(fā)酵產(chǎn)物?密閉式發(fā)酵槽優(yōu)點(diǎn)?(1)可回收二氧化碳?(2)減少前發(fā)酵室內(nèi)通風(fēng)換氣的耗冷量?(3)減少雜菌污染機(jī)會(huì)。?密閉式發(fā)酵槽組成?在槽內(nèi)裝置冷卻蛇管?在發(fā)酵室內(nèi)配置冷卻排，或

11、采用空調(diào)裝置，使室內(nèi)維持工藝所要求的溫度和濕度。新型啤酒發(fā)酵設(shè)備： 圓筒體錐底發(fā)酵耀、聯(lián)合罐、朝日罐、?（ 2） 通風(fēng)式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)：1、罐體2、攪拌器攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種其作用是打碎氣泡，使氧溶解于醪液中擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧3、消泡器4、聯(lián)軸器及軸承5、變速裝置6、空氣分布裝置空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。7、軸封8、冷卻裝置發(fā)酵輔助設(shè)備主要包括：無菌空氣系統(tǒng)，培養(yǎng)基配制和滅菌系統(tǒng)、發(fā)酵車間的管道及閥門等。?空氣除菌流程和設(shè)備?空氣預(yù)過濾空氣壓縮機(jī)冷卻器析水器加熱器空氣貯罐空氣過濾器發(fā)酵罐。培養(yǎng)基

12、滅菌設(shè)備加熱設(shè)備：在配料罐里培養(yǎng)基被加熱到70 ，然后，用泵送到加熱設(shè)備，在20秒的時(shí)間 內(nèi)繼續(xù)加熱到130? 140笆。常用的加熱設(shè)備有塔式和噴射式兩種。維持設(shè)備維持設(shè)備使加熱后的培養(yǎng)基保溫一定的時(shí)間，從而達(dá)到滅菌的目的。冷卻設(shè)備噴淋冷卻器套管冷卻器板式換熱器 螺旋板換熱器? 發(fā)酵罐的特點(diǎn)在于：（1）發(fā)酵罐與其他工業(yè)設(shè)備的突出差別是對(duì)純種培養(yǎng)的要求之高，幾乎達(dá)到十分苛刻的程度。因此，發(fā)酵罐的嚴(yán)密性，運(yùn)行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點(diǎn)。（2）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益，發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動(dòng)化發(fā)展。?（ 3）固體發(fā)酵：微生物在具有一定溫度和濕度的固體表面進(jìn)行生長和繁殖就稱作為固體

13、發(fā)酵。方式有：淺盤式、旋轉(zhuǎn)式、厚層式（3）培養(yǎng)基C:N速效性 生理（PH值）?培養(yǎng)基的作用 滿足微生物細(xì)胞生長；促進(jìn)產(chǎn)物積累。成分是：碳源（作用_:提供微生 物菌種的生長繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分。提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分，來遍：糖類、油脂、有機(jī)酸、正烷炷）、氮源（氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，無機(jī)氮源）、無蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和機(jī)鹽、特殊生長因子（硫酸鉉、生物素、肌醇等）、水分等。培養(yǎng)基的類型:狀態(tài)：固體、半固體和液體培養(yǎng)基。?組成：天然培養(yǎng)基、合成和半合成培養(yǎng)基。前者工業(yè)用、后者研究和育種用?用途：抱子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和

14、發(fā)酵培養(yǎng)基。?培養(yǎng)基配制原則：根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制?確定合適的碳氮比（C/N ratio）?控制pH條件?控制氧化還原電位?根據(jù)原料特點(diǎn)確定配比制備：原料預(yù)處理、原料混溶、調(diào)節(jié)pH和滅菌。（4）發(fā)酵條件（細(xì)胞濃度，溶氧系數(shù)）（5）產(chǎn)物的提?。ú僮鞣椒ǎ┦章剩涸诜蛛x純化處理的每一步或整個(gè)過程結(jié)束后獲得產(chǎn)物的量與待處理樣品（或中間樣品）中目標(biāo)產(chǎn)物量之比的百分?jǐn)?shù).4,滅菌：指用化學(xué)或物理的方法殺滅或去除物料及設(shè)備中所有生命物質(zhì)的技術(shù)或工藝過程。方法（物理，化學(xué)，高溫滅菌（原理，方法（干熱，濕熱），高溫瞬間滅菌，影響高溫滅菌效果因素，如何確定滅菌的時(shí)間，空氣除菌（方式：高空采氣？）a化學(xué)物質(zhì)滅

15、菌原理：藥物與微生物細(xì)胞中的成分反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性酶失活。器皿、雙手和實(shí)驗(yàn)室、無菌室的環(huán)境滅菌，不能用于培養(yǎng)基滅菌b輻射滅菌原理：利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡。使用范圍：用于室內(nèi)空氣及器皿表面滅菌c干熱滅菌原理：利用高溫對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物。常用方法：灼燒和電熱箱加熱，140-180 C 1-2小時(shí)使用范圍：玻璃及金屬用具及沙土管滅菌d濕熱滅菌原理：蒸汽冷凝放岀大量潛熱，具有穿透力，且在高溫有水分條件下，蛋白質(zhì)易變性。常用方法：水煮常壓滅菌：100 C飽和蒸汽滅菌：一般 121 C30分鐘使用范圍：培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備滅菌同時(shí)分批滅菌高壓

16、濕熱滅菌：將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐中，用蒸汽加熱，使培養(yǎng)基和設(shè)備 滅菌的一種滅菌方式。操作過程： 空罐準(zhǔn)備：清洗、檢修和檢測。 升溫：把培養(yǎng)基加熱到滅菌所需的溫度。 保溫維持：在滅菌溫度下保持滅菌所需時(shí)間。 冷卻保壓：把培養(yǎng)基的溫度降低到接種的溫度。連續(xù)高壓濕熱滅菌：將培養(yǎng)基通過專門設(shè)計(jì)的滅菌器，進(jìn)行連續(xù)流動(dòng)滅菌后，進(jìn)入預(yù)先滅 菌的發(fā)酵罐中的發(fā)酵的方式。2.流程：1） 由熱交換器組成的滅菌系統(tǒng)2 ） 蒸汽直接噴射型的連續(xù)滅菌系統(tǒng)3） 由連消塔、維持罐和噴淋冷卻組成的滅菌系統(tǒng) 分批滅菌 優(yōu)點(diǎn)：1. 不需附加設(shè)備2. 蒸汽利用率高3. 節(jié)約勞動(dòng)力缺點(diǎn)1. 培養(yǎng)基質(zhì)量比較差2. 罐的利用率低3.

17、冷卻水用量大連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn)：1 采用高溫快速滅菌法2. 可以把培養(yǎng)基按其性質(zhì)分開滅菌3. 有利于自動(dòng)控制4. 節(jié)省冷卻水 缺點(diǎn)1. 投資費(fèi)用高2.對(duì)物料要求高3. 蒸汽用量大選擇原則： 1.培養(yǎng)基成份（易降解成分、液化情況等）2. 設(shè)備狀況（冷卻面積、傳動(dòng)裝置等）3. 動(dòng)力條件E 過濾除菌：原理：利用微生物不能透過濾膜除菌。 方法： 0.010.45 gm 孔徑濾膜， 使用范圍：用于壓縮空氣、酶溶液及其他不耐熱化合物溶液除菌。過濾除菌包括介質(zhì)除菌和膜過濾除菌介質(zhì)除菌： 原理：過濾介質(zhì)填充到過濾器中，空氣流過時(shí)借助慣性碰撞、阻截、擴(kuò)散、靜電吸附、沉降等作用將塵埃微生物截留在介質(zhì)中，達(dá)到除菌的目的。

18、制備無菌空氣的流程一般是：高空取氣，經(jīng)過除塵器，空氣壓縮，放到儲(chǔ)氣罐；經(jīng)過一級(jí)冷卻器，經(jīng)過油水分離器，經(jīng)過二級(jí)分離器，除霧器；加熱器；經(jīng)過總過濾器，再經(jīng)過分過濾器，得到無菌空氣。?高空取氣管是遠(yuǎn)離地面幾十米的管子。一般而言，地面附近空氣中所含的微生物和灰塵等均比高空空氣中含的多，據(jù)資料介紹，每升高 10 米，空氣中雜菌可降低一個(gè)數(shù)量 級(jí)，因此 從高空取氣要比從低空取氣有利得多。膜過濾（絕對(duì)過濾）原理：利用微孔濾膜（ microporous membrane ）對(duì)空氣進(jìn)行過濾，膜的 孔徑0.2-0.45 微米，大于這一孔徑的微生物能絕對(duì)截留。高溫瞬間滅菌：廣泛地應(yīng)用于食品發(fā)酵工程，除了能快速高效地殺滅細(xì)菌外，對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的破壞作用相對(duì)較少。巴氏消毒法（ Pasteurization ） ：利用熱力殺死液體中的病原菌或一般的雜菌，同時(shí)不致嚴(yán) 重 損害其質(zhì)量的消耗方法。由巴斯德創(chuàng)用以消毒酒精類，故名。加溫61.1? 62.8 C半小時(shí)，或71.7 C15? 30 秒鐘。常用于消毒牛奶和酒類