發(fā)酵工程課程總結(jié)

發(fā)酵工程概圖2021/5/91微生物特點：①微生物比表面積大；②轉(zhuǎn)化能力強；③敏殖速度快；④變異率高；⑤分布范圍廣泛。2021/5/92發(fā)酵:

是指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或其代謝產(chǎn)物的過程。2021/5/93發(fā)酵工業(yè)

是指利用微生物生命活動產(chǎn)生的酶，對無機或有機原料進(jìn)行酶加工獲得產(chǎn)品的工業(yè)。其主體是利用微生物酶進(jìn)行生化反應(yīng)的工業(yè)。2021/5/94發(fā)酵工業(yè)：

傳統(tǒng)發(fā)酵（也稱釀造，如醋、醬、酒等）近代發(fā)酵工業(yè)（如酒精、乳酸等）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)（抗生素、氨基酸、酶制劑等）2021/5/95發(fā)酵工程：

是指具有工程技術(shù)的微生物學(xué)在工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域應(yīng)用，而形成的一門多學(xué)科交叉的學(xué)科。

2021/5/96實現(xiàn)發(fā)酵工程，必備條件：

①某種功能的微生物；②控制微生物生長和代謝的各種條件；③微生物發(fā)酵設(shè)備；④發(fā)酵產(chǎn)物提取、精制的條件和設(shè)備。

2021/5/97發(fā)酵工業(yè)大致經(jīng)歷如下幾個階段：

1．自然發(fā)酵階段

2．純培養(yǎng)技術(shù)的建立

3．通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立

4．代謝控制發(fā)酵技術(shù)

5．開拓發(fā)酵原料時期

6．基因工程階段2021/5/981、微生物菌體發(fā)酵

2．微生物酶發(fā)酵3．代謝產(chǎn)物發(fā)酵4．微生物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵5．微生物特殊機能的利用發(fā)酵工程的范圍2021/5/99發(fā)酵工程的未來

1．利用基因工程技術(shù)改良菌種2．動植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)3．固定化酶或細(xì)胞技術(shù)2021/5/910微生物代謝

代謝：生物體內(nèi)所進(jìn)行的全部化學(xué)反應(yīng)的總和。代謝----物質(zhì)代謝和能量代謝（酶）；物質(zhì)代謝--分解代謝與合成代謝（酶）；能量代謝--產(chǎn)生、儲運和利用（酶）。2021/5/911微生物代謝：初級代謝：一般把具有明確的生理功能，對維持生命活動不可缺少的物質(zhì)代謝過程。其產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和維生素等。次級代謝：把一些沒有明確的生理功能，不是維持生命活動所必須的物質(zhì)的代謝過程。其產(chǎn)物稱為次級代謝產(chǎn)物，如某些色素、抗生素、毒素、生物堿等。

2021/5/912

代謝過程錯綜復(fù)雜，但受體內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴(yán)格控制，并按照順序、協(xié)調(diào)有效地進(jìn)行，維持體內(nèi)代謝平衡。對微生物而言：

代謝過程----細(xì)胞內(nèi)自我調(diào)節(jié)2021/5/913微生物代謝調(diào)節(jié)方式:

1.細(xì)胞透性調(diào)節(jié)；

2.代謝途徑調(diào)節(jié)；

3.代謝流向調(diào)節(jié)；

4.代謝速度調(diào)節(jié)(酶活性或酶數(shù)量)。2021/5/914

發(fā)酵工程生產(chǎn)水平由生產(chǎn)菌種性能、發(fā)酵條件、提取工藝和生產(chǎn)設(shè)備。其中生產(chǎn)菌種是最重要的，生產(chǎn)菌種最初都來源于自然界。2021/5/915①具有在較短的發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)生大量發(fā)酵產(chǎn)物的能力。②在發(fā)酵過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生與目標(biāo)產(chǎn)品性質(zhì)相近的副產(chǎn)物及其他產(chǎn)物。③生長繁殖能力強，生長速率快。優(yōu)良的生產(chǎn)菌種應(yīng)具備基本特性：2021/5/916④能夠高效地將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。⑤有廣泛利用不同來源原材料的能力，并對發(fā)酵原料成分波動敏感性較小。⑥對需要添加的前體物質(zhì)有耐受能力，并且不能將這些前體物質(zhì)作為一般碳源利用。2021/5/917⑦發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫要少。⑧具有抗噬菌體感染能力。⑨遺傳特性穩(wěn)定，保證發(fā)酵過程能夠長期、穩(wěn)定地進(jìn)行，同時有利于實施最佳工藝控制。2021/5/918生產(chǎn)菌種選育方法：

自然選育、誘變選育、抗噬菌體菌種選育、雜交育種、原生質(zhì)體融合技術(shù)、基因工程技術(shù)等。2021/5/919自然選育:

不經(jīng)人工處理，利用微生物自然突變進(jìn)行菌種選育的過程。自然突變原因：

1.多因素低劑量的誘變效應(yīng)，

2.互變異構(gòu)效應(yīng)。2021/5/920自然選育程序:取樣→菌懸液→稀釋→平板分離→單菌落→能力檢測→菌種。

2021/5/921誘變育種：是利用物理、化學(xué)誘變劑處理微生物細(xì)胞，提高基因突變頻率，再通過適當(dāng)?shù)暮Y選方法獲得所需要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種的育種方法。

常用的誘變劑--物理、化學(xué)和生物的三大類。2021/5/922誘變育種基本方法

誘變育種----誘變和篩選誘變----包括出發(fā)菌株選擇、誘變劑種類和劑量選擇，以及合理使用方法。篩選----初篩和復(fù)篩，測定菌種的生產(chǎn)能力。2021/5/923誘變劑的使用方法誘變的方法：單一誘變和復(fù)合誘變。單一誘變：指只用一種誘變劑處理菌種。復(fù)合誘變：指兩種以上誘變劑處理菌種。復(fù)合誘變處理包括同一誘變劑多次處理、兩種以上誘變劑同時、先后處理或多次處理。2021/5/924原生質(zhì)體融合技術(shù)基因工程技術(shù)雜交育種菌種保藏的原理和方法2021/5/925發(fā)酵類型：1.分批發(fā)酵2.補料分批發(fā)酵3.半連續(xù)發(fā)酵4.連續(xù)發(fā)酵5.細(xì)胞高濃度發(fā)酵2021/5/926

是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化－－即生物反應(yīng)速度的規(guī)律。微生物發(fā)酵動力學(xué)2021/5/927研究方法：

是用數(shù)學(xué)模型定量地描述發(fā)酵過程中細(xì)胞生長速率、基質(zhì)利用速率和產(chǎn)物生成速度等因素的變化，以達(dá)到對發(fā)酵過程有效的控制，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本的目的。

2021/5/928發(fā)酵動力學(xué)模型：

發(fā)酵動力學(xué)模型，是為了描述菌體生長、碳源利用與代謝產(chǎn)物形成速度變化，以及它們相互之間的動力學(xué)關(guān)系。目前有多種動力學(xué)分型。2021/5/929

碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關(guān)系動力學(xué)分型，它將發(fā)酵過程分成了三個類型。1）Ⅰ型——產(chǎn)物直接與碳源利用有關(guān)；2）Ⅱ型——產(chǎn)物間接與碳源利用有關(guān)；3）Ⅲ型——產(chǎn)物表面與碳源利用無關(guān)。2021/5/930分批發(fā)酵動力學(xué)

分批培養(yǎng)：是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培養(yǎng)方式。這種培養(yǎng)方式操作簡單，發(fā)酵液中細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷變化。就細(xì)胞濃度變化而言，在分批培養(yǎng)中要經(jīng)歷延遲期、對數(shù)生長期、減速期、穩(wěn)定期和衰亡期（圖4-2）。

2021/5/931連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)

連續(xù)培養(yǎng)或連續(xù)發(fā)酵是指在培養(yǎng)過程中，連續(xù)地向發(fā)酵罐中加人培養(yǎng)基，同時以相同流速從發(fā)酵罐中排出含有產(chǎn)品的培養(yǎng)基。一般連續(xù)培養(yǎng)方式可歸納為兩種基本方式：一種是罐式或攪拌發(fā)酵罐，另一種是管式反應(yīng)器。2021/5/932微生物發(fā)酵營養(yǎng)基質(zhì)控制

營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足微生物生長、繁殖和各種生理活動所需的物質(zhì)。2021/5/933生長因子種類：

維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶、卟啉及其衍生物、固醇、胺類、C2～C6直鏈或分支脂肪酸等，還有一些特殊的輔酶。能提供生長因子的天然物質(zhì)有酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、玉米漿、動植物組織或細(xì)胞浸液以及微生物生長環(huán)境的提取液等。2021/5/934微生物發(fā)酵pH控制

發(fā)酵液pH變化，與發(fā)酵關(guān)系極為密切，對菌體生長繁殖和產(chǎn)物積累影響極大，因此是一項重點檢測的發(fā)酵參數(shù)。2021/5/935pH影響結(jié)果

1.菌體大小、長度縮短、直徑和數(shù)量。

2.pH影響細(xì)胞膜的電荷狀態(tài)，進(jìn)而引起膜的滲透性發(fā)生改變，再進(jìn)而影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝產(chǎn)物的形成。對產(chǎn)物的穩(wěn)定性同樣有影響。

3.pH對某些生物合成途徑有顯著影響2021/5/936引起pH變化原因：①取決于微生物自身的代謝，②還與培養(yǎng)基的成分有極大關(guān)系。2021/5/937生理堿性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，可使pH上升，這些物質(zhì)稱為生理堿性物質(zhì)。

如有機氮源、硝酸鹽、有機酸等。

2021/5/938生理酸性物質(zhì):

某些物質(zhì)被微生物利用、氧化還原后，使pH下降，這些物質(zhì)稱為生理酸性物質(zhì)。碳源代謝往往起到降低pH作用，例如，糖類氧化不完全時產(chǎn)生的有機酸；脂肪不完全氧化產(chǎn)生的脂肪酸、硅鹽氧化后產(chǎn)生的硫酸等。

2021/5/939發(fā)酵過程pH控制方法

①主要考慮培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)的配比；②通過中間補料進(jìn)一步加以控制。生理酸性物質(zhì)－－（NH4）2SO4；生理堿性物質(zhì)－－氨水。當(dāng)pH和氨氮含量均低時，補加氨水；若pH較高，而氨氮較低時，應(yīng)該補加（NH4）2SO42021/5/940微生物發(fā)酵溫度控制

溫度是影響有機體生長繁殖最重要的因素之一。任何生物化學(xué)酶促反應(yīng)都直接與溫度變化有關(guān)的。對微生物發(fā)酵來說，溫度影響是多方面的，可以影響各種發(fā)酵條件，最終影響微生物生長和產(chǎn)物形成。2021/5/941溫度對發(fā)酵影響:

酶反應(yīng)看，溫度上升→生長、繁殖、代謝。酶促反應(yīng)動力學(xué)看，溫度升高→反應(yīng)速度加快→呼吸加強→細(xì)胞生長、繁殖加快。但隨著溫度上升→酶失活速度加快→菌體衰老提前→發(fā)酵周期縮短→對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利。2021/5/942最適發(fā)酵溫度選擇與控制

選擇最適發(fā)酵溫度應(yīng)該考慮兩個方面：①微生物生長最適溫度，②產(chǎn)物合成最適溫度。不同菌種、菌種不同生長階段以及不同培養(yǎng)條件，最適溫度都不同。2021/5/943微生物發(fā)酵時間控制發(fā)酵時間：

是指菌種接入發(fā)酵基質(zhì)起至發(fā)酵結(jié)束為止的時間間隔。發(fā)酵時間盡可能短、考慮提高產(chǎn)物收得率、降低底物消耗率、提高經(jīng)濟效益、利于后序處理及產(chǎn)品質(zhì)量等。

2021/5/944過度延長發(fā)酵時間缺點：①生產(chǎn)效率降低；②對后續(xù)提取工序不利，如菌體自溶釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶，改變發(fā)酵液性質(zhì)，使發(fā)酵液過濾困難，會使一些不穩(wěn)定產(chǎn)物遭到破壞，降低不穩(wěn)定發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

2021/5/945過度縮短發(fā)酵時間：①會減少產(chǎn)物產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)效率；②發(fā)酵液還殘存較多的糖、氨基酸、消沫劑、無機鹽離子等對發(fā)酵液過濾和產(chǎn)物提取時的樹脂交換有影響。2021/5/946微生物發(fā)酵溶氧控制

氧是細(xì)胞呼吸底物。溶氧量是指溶于培養(yǎng)液中的氧氣量。適宜溶氧量能保證菌體內(nèi)正常氧化還原反應(yīng)。2021/5/947

溶氧量少，導(dǎo)致能量供應(yīng)不足，微生物將從有氧代謝轉(zhuǎn)化為無氧代謝來供應(yīng)能量；碳源物質(zhì)不完全氧化產(chǎn)生乙醇、乳酸、短鏈脂肪酸等有機酸的積累，都將抑制菌體生長與代謝。

溶氧量高，導(dǎo)致培養(yǎng)基過度氧化；細(xì)胞成分由于氧化而分解，也不利于菌體生長。2021/5/948溶解氧對產(chǎn)物形成影響是多樣性：①大量供氧才能高產(chǎn)，供氧不足，產(chǎn)量下降。如谷氨酸、精氨酸發(fā)酵。②對氧不敏感，雖然氧充足時高產(chǎn)，但限制供氧量對產(chǎn)量影響不明顯，如賴氨酸、蘇氨酸等發(fā)酵。③供氧充足，產(chǎn)物合成受到抑制，只有在供氧受到限制時才能高產(chǎn)，如亮氨酸、苯丙氨酸等發(fā)酵。2021/5/949

發(fā)酵過程對氧需求與產(chǎn)物合成代謝途徑有關(guān)，如果代謝途徑中產(chǎn)生NADH越多，呼吸鏈需要氧就越多，必須多供氧。有的發(fā)酵需要在不同階段進(jìn)行不同供氧。如天冬酷胺酶生產(chǎn)，前期好氧發(fā)酵，后期厭氧發(fā)酵，能提高酶活性。

2021/5/950生產(chǎn)上影響需氧因素主要有以下幾方面:①溶解氧濃度：溶解氧濃度高時一般需氧量相對較低。②生產(chǎn)菌種：不同菌種對氧的要求不同，即使同一菌種的不同時期對氧的需求亦不相同。

如：在發(fā)酵初期，呼吸最強但總菌量小，總需氧量不大，通氣量可減小些；進(jìn)入對數(shù)期，菌體大量增加，呼吸又在較高水平上，此時需氧量增大，直到最高，這時通氣量要加大，直到最大。

2021/5/951

③培養(yǎng)基：不同種類和不同濃度的碳源對微生物的需氧量影響明顯。當(dāng)碳源濃度增加，菌種需氧量也增加；如發(fā)酵中補料會增加微生物對氧的需求量；無機濃度對微生物需氧量也有較大影響，如磷酸鹽濃度升高，金霉素產(chǎn)生菌對氧氣的需求也大大增加。2021/5/952④有毒產(chǎn)物的形成和積累：發(fā)酵液中二氧化碳等代謝產(chǎn)物如果不能及時從培養(yǎng)液中排出，讓其在發(fā)酵罐中積累，就會抑制微生物的呼吸并對微生物有毒害作用，減小氧的需求量。2021/5/953⑤消沫劑的影響：如使用消沫劑可被微生物利用，則會增強需氧量。⑥其它因素：發(fā)酵接種量大，微生物生長快，菌體濃度大需氧量多；幼齡菌體呼吸強度高，需氧量大。2021/5/954影響供氧因素：

供氧是指氧溶于培養(yǎng)液中的過程。氧在培養(yǎng)液中溶解度很低，對于好氧發(fā)酵必須不斷通人空氣并攪拌，以滿足對溶解氧的需求。溶解氧濃度與發(fā)酵液物理化學(xué)性質(zhì)、溫度等有關(guān)。生產(chǎn)上影響供氧主要因素有以下幾方面。2021/5/955①攪拌，在深層培養(yǎng)過程中機械攪拌是加速氧溶解的重要條件。②空氣流速，一般空氣流速提高，可提高供氧量，但空氣流速過大，攪拌器葉輪發(fā)生過載，即葉輪不能分散空氣，此時氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。當(dāng)空氣流速超過過載速度時，通氣效率就不再增加，反而增加動力消耗。2021/5/956③罐壓，罐壓增大，一般溶氧量增大，但也會增大二氧化碳溶解度，影響發(fā)酵。④空氣分布器，良好分布器可增大供氧量。⑤溫度，溫度升高氧溶解量下降。⑥空氣含氧量，富氧空氣可提高溶解氧量，即提高氧供應(yīng)量。

2021/5/957工藝控制：

氧的供應(yīng)是用空氣壓縮機將空氣壓縮，經(jīng)除菌后通過分布管通入發(fā)酵罐內(nèi)，并通過攪拌把培養(yǎng)液內(nèi)的空氣打碎，使之與培養(yǎng)液充分混合，增加通氣效果。溶氧量的調(diào)節(jié)一般可通過調(diào)節(jié)通氣量大小及攪拌強度實現(xiàn)（空氣流量增大、增加攪拌轉(zhuǎn)速可使供氧量提高，反之下降）。2021/5/958

另外，控制發(fā)酵液中菌體濃度也可調(diào)節(jié)氧的供需情況；通過控制培養(yǎng)基濃度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)氧。如青霉素發(fā)酵生產(chǎn)中就是通過控制補料中葡萄糖濃度來控制發(fā)酵液中菌絲濃度，進(jìn)而實現(xiàn)氧供需情況的調(diào)節(jié)。

2021/5/959

此外，工業(yè)生產(chǎn)中還可以通過調(diào)節(jié)罐溫、排二氧化碳、改善發(fā)酵液的物理性質(zhì)、液化培養(yǎng)基、中間加水、使用表面活性劑等方法來控制溶氧濃度；通過控制補料速率及罐壓及空氣中氧氣含量也可調(diào)節(jié)溶氧量。

2021/5/960發(fā)酵染菌危害

——產(chǎn)物收得率低；

——產(chǎn)品質(zhì)量差；

——浪費原材料；

——經(jīng)濟效益差；

——造成環(huán)境污染。

2021/5/961發(fā)酵過程異?，F(xiàn)象判斷（1）溶解氧水平異常；（2）排氣中CO2異常；

（3）pH變化及菌體酶活力異常。2021/5/962（1）種子帶菌（2）無菌空氣系統(tǒng)染菌（3）培養(yǎng)基滅菌不徹底（4）設(shè)備管道滅菌不徹底（5）設(shè)備管道系統(tǒng)滲漏雜菌污染原因分析2021/5/963造成雜菌污染主要原因:——設(shè)備問題為主，如設(shè)備滲漏、管道不嚴(yán)密、設(shè)備中存在死角、空氣過濾系統(tǒng)失效等；

——其次是種子（主要