发酵工程重点.docx

发酵工程重点.docx

《发酵工程重点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵工程重点.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

发酵工程重点

发酵工程重点

第一章

1.发酵工程的概念

发酵工程是利用微生物特定形状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化的技术体系，是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合发展起来的发酵技术。

2.发酵工程技术特点

①发酵过程中以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成②反应通常在常温常压下进行，条件温和，耗能小，设备较简单。

③原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源，微生物本身能有选择的摄取所需的物质④容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应⑤发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。

3.近代发酵工程全面发展时期

近代发酵工程全面发展时期是指从20世纪40年代初到20世纪70年代末。

这一时期的起始标志是青霉素工业的迅速发展。

4.工业发酵方式

好氧发酵、厌氧发酵、液态发酵、固态发酵、补料分批发酵

5.实验室常见的发酵方式

①试管液体发酵②浅层液体培养③摇瓶培养

6.工业生产中常见的发酵方式

浅盘培养、发酵罐深层培养

7.厌氧发酵

厌氧发酵也称静止培养，是利用一些厌氧微生物进行的发酵，如丙酮、丁醇、乳酸、乙醇的生产。

8.分批发酵的定义

分批发酵又称分批培养。

所谓分批发酵是指将所有的物料一次加入发酵罐，然后灭菌、接种、培养，最后将整个罐的内容物放出，进行产物回收。

清罐结束后，从新开始新的装料发酵的发酵方式。

9.补料分批发酵定义及其优缺点

补料分批发酵过程中，由于到了中后期，养料快要消耗完毕，菌体逐渐走向衰老，代谢产物不能再继续分泌。

这是为了延长中期代谢活动，维持较高的发酵产物的增长幅度，需要给发酵罐间歇或连续的补加新鲜培养基的发酵方式。

又称半连续培养或半连续发酵，是介于分批发酵与连续发酵过程之间的一种过渡培养方式。

优缺点：

10连续发酵的定义

连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养液，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方式。

第二章

1.工业发酵常见微生物种类

①细菌②酵母菌③霉菌④放线菌⑤担子菌⑥藻类

酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）米曲霉（Asp.Oryzae）黑曲霉（Aspergillusniger）大肠杆菌（E.coli）苏云金芽孢杆菌（BucillusthuringiensisBT）

2.微生物菌种的选择性分离方法

采样、富集、分离、目的菌的筛选（方法:

涂布法、影印平板法）

3.营养缺陷型突变株是因为对反馈调节作用敏感的酶钝化或缺失等原因所致，发生回复突变后，虽然酶的催化活性回复了，但酶的结构发生了改变，对反馈调节作用不敏感，因此可过量积累末端代谢产物。

4.原生质体融合

原生质体融合是通过人工，使遗传性状不同的两个细胞的原因质体发生融合，并产生重组子的过程，亦可称细胞融合（cellfusion）

5.菌种退化定义及其原因

通常是指在较长时期传代保存后，菌株的一个或多个生理性状和形态特征逐渐减退或消失的现象。

原因：

基因突变、连续传代、其他因素（温度、湿度、培养基成分及各种培养条件都会引起菌种的基因突变）

6.退化菌种的复壮（广义）

在菌种复壮在菌种的生产性能尚未衰退前，就经常有意识地进行纯种分离和生产性能的测定工作，从而逐步提高菌种的生产特性。

7.微生物菌种保存的方法

①蒸馏水悬浮法②斜面传代保存③矿物油中浸没保存④干燥载体保存⑤冷冻保存⑥真空冻干保存⑦寄主保存⑧基因工程保存

8.菌种扩大培养定义

种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐渐放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程这种纯种培养物称为种子。

发酵工业生产过程中的种子必须满足以下条件

1菌种细胞的生长活力强，移种至发酵罐后能迅速生长，迟缓期短②生理性状稳定③菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求

④无杂菌污染⑤保持稳定的生产能力

第三章

P102的三个图

第四章

1.发酵培养基营养基质一般含有五大方面要素：

碳源、氮源、无机盐、微量元素、水、生长因子。

糖蜜是制糖工业的下脚料

2.氮源

无机氮源：

氨水、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐

有机氮源

玉米浆、尿素、蛋白胨

3.前体物质

前体是指一些添加到培养基中的物质，它们并不促进微生物的生长，但能直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子上去，自身结构基本不变，而产物产量却因此有较大提高。

4.培养基分类

①不同原料纯度的培养基

天然培养基（undefinedmedium）、合成培养基（definedmedium）、半合成培养基（semi-definedmedium）

2物理状态不同的培养基

固体培养基（solidmedium）、液体培养基（liquidmedium）、半固体培养基（semi-solidmedium）

3工业发酵中用途不同的培养基

选择培养基（selectedmedium）、鉴别培养基（differentalmedium）:

伊红美蓝

4按照用途划分可以分为：

孢子培养基、种子培养基、发酵培养基

5.正交试验的计算方法

编辑本段什么是正交试验设计

　　正交试验设计（Orthogonalexperimentaldesign）是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分析因式设计的主要方法。

是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

　　日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。

例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行3^3=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。

若按L9（3）正交表安排实验，只需作9次，按L18（3）正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。

因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。

　　正交表是一整套规则的设计表格，用L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。

例如L9（3^4）它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。

一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表，如L8（4×2），此表的5列中，有1列为4水平，4列为2水平。

编辑本段正交试验设计表

正交试验设计表[1]

　　正交试验因素水平表正交试验设计方案及试验结果极差分析表（或指标与因素关系图）方差分析表（简单分析时可无）

正交表的性质

（1）每一列中，不同的数字出现的次数相等。

例如在两水平正交表中，任何一列都有数码“1”与“2”，且任何一列中它们出现的次数是相等的；如在三水平正交表中，任何一列都有“1”、“2”、“3”，且在任一列的出现数均相等。

（2）任意两列中数字的排列方式齐全而且均衡。

例如在两水平正交表中，任何两列（同一横行内）有序对子共有4种：

（1，1）、（1，2）、（2，1）、（2，2）。

每种对数出现次数相等。

在三水平情况下，任何两列（同一横行内）有序对共有9种，1.1、1.2、1.3、2.1、2.2、2.3、3.1、3.2、3.3，且每对出现数也均相等。

　　以上两点充分的体现了正交表的两大优越性，即“均匀分散性，整齐可比”。

通俗的说，每个因素的每个水平与另一个因素各水平各碰一次，这就是正交性。

　　正交表的获得有专门的算法，对应用者来说，不必深究。

编辑本段正交试验设计的安排

　　正交试验设计的关键在于试验因素的安排。

通常，在不考虑交互作用的情况下，可以自由的将各个因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排两个因素即可（否则会出现混杂）。

但是当要考虑交互作用时，就会受到一定的限制，如果任意安排，将会导致交互效应与其它效应混杂的情况。

　　因素所在列是随意的，但是一旦安排完成，试验方案即确定，之后的试验以及后续分析将根据这一安排进行，不能再改变。

对于部分表，如L18（2*3^7）则没有交互作用列，如果需要考虑交互作用需要选择其它的正交表。

编辑本段正交试验设计的极差分析

　　在完成试验收集完数据后，将要进行的是极差分析（也称方差分析）。

　　极差分析就是在考虑A因素时，认为其它因素对结果的影响是均衡的，从而认为，A因素各水平的差异是由于A因素本身引起的。

　　用极差法分析正交试验结果应引出以下几个结论：

　　①在试验范围内，各列对试验指标的影响从大到小的排队。

　　某列的极差最大，表示该列的数值在试验范围内变化时，使试验指标数值的变化最大。

所以各列对试验指标的影响从大到小的排队，就是各列极差D的数值从大到小的排队。

　　②试验指标随各因素的变化趋势。

　　③使试验指标最好的适宜的操作条件（适宜的因素水平搭配）。

　　④对所得结论和进一步研究方向的讨论。

编辑本段较优条件选择

　　各因素的好水平加在一起，是否就是较优试验条件呢？

理论上，如果各因素都不受其它因素的水平变动影响的，那么，把各因素的优水平简单地组合起来就是较好试验条件。

但是，实际上选取较好生产条件时，还要考虑因素的主次，以便在同样满足指标要求的情况下，对于一些比较次要的因素按照优质、高产、低消耗的原则选取水平，得到更为结合试验实际要求的较好生产条件。

　　以上介绍如何分析各因素水平的变动对指标的影响。

讨论A因素时，不管其它因素处在什么水平，只从A的极差就可判断它所起作用的大小。

对其它因素也作同样的分析，在此基础上选取谙因素的较优水平。

　　实践中发现，有时不仅因素的水平变化对指标有影响，而且，有些因素间各水平的联合指配对指标也产生影响，这种联合搭配作用称为交互作用。

而交互作用应该在试验设计时考虑到。

编辑本段正交试验分析方法

　　一、直接对比法

　　直接对比法就是对试验结果进行简单的直接对比。

直接对比法虽然对试验结果给出了一定的说明，但是这个说明是定性的，而且不能肯定地告诉我们最佳的成分组合。

显然这种分析方法虽然简单，但是不能令人满意。

　　二、直观分析法

　　直观分析法是通过对每一因素的平均极差来分析问题。

所谓极差就是平均效果中最大值和最小值的差。

有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。

编辑本段正交试验设计的基本思想

　　考虑进行一个三因素、每个因素有三个水平的试验。

如果作全面试验，需作3^3=27次。

　　图:

正交试验设计示意图

　　若从27次试验中选取一部分试验，常将A和B分别固定在A1和B1水平上，与C的三个水平进行搭配，A1B1C1,A1B1C2,A1B1C3。

作完这3次试验后，若A1B1C3最优，则取定C3这个水平，让A1和C3固定，再分别与B因素的三个水平搭配，A1B1C3,A1B2C3,A1B3C3。

这3次试验作完以后，若A1B2C3最优，取定B2,C3这两个水平，再作两次试验A2B2C3,A3B2C3,然后与一起比较，若A3B2C3最优，则可断言A3B2C3是我们欲选取的最佳水平组合。

这样仅作了8次试验就选出了最佳水平组合。

　　我们发现，这些试验结果都分布在立方体的一角，代表性较差，所以按上述方法选出的试验水平组合并不是真正的最佳组合。

　　如果进行正交试验设计，利用正交表安排试验，对于三因素三水平的试验来说，需要作9次试验，用“Δ”表示，标在图中。

如果每个平面都表示一个水平，共有九个平面，可以看到每个平面上都有三个“Δ”点，立方体的每条直线上都有一个“Δ”点，并且这些“Δ”点是均衡地分布着，因此这9次试验的代表性很强，能较全面地反映出全面试验的结果，这就是正交实验设计所特有的均衡分散性。

我们正是利用这一特性来合理的设计和安排试验，以便通过尽可能少的试验次数，找出最佳水平组合。

编辑本段正交试验设计的过程[1]

　　1）确定试验因素及水平数;

　　2）选用合适的正交表;

　　3）列出试验方案及试验结果;

　　4）对正交试验设计结果进行分析，包括极差分析和方差分析;

　　5）确定最优或较优因素水平组合。

正交试验设计法与遗传算法的联系[2]　　

（1）正交试验设计法是遗传算法的一种特例，即正交试验设计法是一种初始种群固定的、只使用定向变异算子的、只进化一代的遗传算法。

（2）遗传算法的步骤比正交试验设计法复杂，所需的试验次数也要多于正交试验设计法的试验次数，但它产生的解要优于正交试验设计法产生的解。

　　（3）遗传算法的隐并行性使得它在处理交互作用项时，效率比正交试验设计法要高。

　　（4）正交试验设计法可解决一般遗传算法中的最小欺骗问题。

编辑本段正交试验设计的案例分析[3]

　　案例：

水稻播种机穴盘育秧播种装置

　　1.水稻播种机穴盘育秧播种装置的试验设计随着栽培技术的不断更新，高效、节本、高产的抛秧栽培法获得了迅速发展和推广。

为了改善原有播种装置中窝眼辊轮结构，我们研制成功了穴盘育秧播种装置，它不仅解决了手工操作进行育秧培育的劳动强度大，工作效率低等问题，而且能大幅度地提高播种量的稳定性和播种的均匀性，使水稻播种机械更趋实用与完善。

（1）试验目的考虑影响播种性能的主要因素对水稻播种机穴盘育秧播种装置播种性能的影响程度，以达到优化设计参数。

（2）试验条件种子品种：

杂交稻（协优46号）

　　种子状况：

经过脱芒、浸种、催芽露白、去杂质

　　秧盘规格：

600mm×340mm，561穴

　　种子千粒重：

26.9g

　　试验盘数：

100盘

　　秧盘运行速度与排种胶带线速度严格一致。

　　（3）试验因素A.可变因素

　　选用三个可变因素：

　　生产率（盘/小时）、播种量（粒/穴）、投种高度（mm）。

　　B.可变的水平数每个因素分别取三个水平数

　　C.实验因素与水平

　　为了研究生产率、播种量及投种高度对播种性能的影响，特安排了三因素三水平的正交试验，试验因素与水平见下表所示。

2.正交试验方案与试验结果分析

（1）正交试验方案与试验结果选用L9（34）正交表进行试验设计，试验方案与试验结果见下表所示。

其数据采集方法为：

在每种工况（每个试验号）条件下进行随机抽样5盘测定，测定播种合格率时，每盘随机连片抽样100穴。

最后，把5次测定的各项数据的平均值记入试验结果。

（2）试验结果分析如下表所示

注：

（1）T为因素试验结果之和，如T1=93.0+91.0+89.0=273.0。

（2）t为因素试验结果之和的均值，如

。

　　（3）R为t值中的大数-小数。

　　（4）播种合格率：

每盘随机测定的100穴，其中种子粒数合格的穴数所占的百分比（种子粒数合格范围为：

杂交稻（1-3粒/穴，常规稻3-6粒/穴）。

　　（5）播种变异系数V

x——每盘播种量；

——平均每盘播种量（g）；n——试验盘数，s——标准差。

　　（6）空穴率：

每盘随机测定的100穴，其中空穴数所占的百分比。

　　由上面两表得出影响3项指标的主次因素和较优水平为：

播种合格率C1A1B3；播种变异系数C1B3A1；空穴率C1B3A2。

　　考虑到水稻播种的实际需要，经综合分析，选取各试验因素的较优水平组合为：

A1B3C1、A2B3C1、A3B3C1。

因为在上述正交试验中未出现过A1B3C1以及A2B3C1，为此专门安排了单因素（播种量）三水平试验，试验结果见下表所示。

　　从上表可知，最佳组合为A2B3C1，播种合格率96.0%，播种变异系数1.9%，空穴率0.5%。

　　3.试验结论

（1）400盘/小时是该播种装置杂交稻播种的临界生产率，高出此值，则各项性能指标受重大影响。

（2）播种量越大，各项性能指标越好。

　　（3）投种高度对播种质量的影响十分显著，投种高度越低，播种质量越好。

第五章

1.常用的灭菌（sterilization）方法

化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、过滤除菌

2.微生物受热死亡定律

在微生物受热死亡过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随残留活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率（dN/dt）与任何一瞬间残存的活菌数成正比，称之为对数残留定律。

3.分批灭菌（实消、间歇灭菌）

将配制好的培养基全部输入到发酵罐内或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，再冷却到接种温度，这一工艺过程也称为实罐灭菌。

4.连续灭菌（连消）

连续灭菌是将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连续流动灭菌后，进入预先灭过菌的发酵罐中的灭菌方式，也称连消。

连续灭菌是在短时间加热使料液温度到灭菌温度126～132，在维持罐中保温5～8min。

5.影响培养基灭菌的因素

培养及成分、培养及成分的颗粒度

培养基的pH、微生物细胞含水量

微生物性质与数量、冷空气排除情况、泡沫、搅拌

6.无菌空气

通过除菌处理使空气中含菌量降到零或极低，从而使污染的可能性降至极小。

一般按染菌率为1/1000来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌。

7.空气预处理的目的

一是提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷；二是去除压缩空气中所带的油水，以适合的空气湿度和温度进入空气过滤器。

8.空气净化的方法

热杀菌、辐射杀菌、静电除菌、过滤除菌

9.介质过滤除菌的材料

棉花、玻璃纤维、活性炭、·超细玻璃纤维纸、烧结材料过滤介质、新型过滤介质

10.介质过滤除菌的原理

当气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而使微生物颗粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电力等作用，将其中的尘埃和微生物截留在介质层内，达到过滤除菌目的。

第六章

1.pH对发酵过程的影响

使微生物细胞原生质膜的电荷发生改变、直接影响酶的活性、直接影响代谢过程

2.发酵过程中pH的控制

添加碳酸钙法、氨水流加法、尿素流加法、通过补料控制pH

3.提高溶解氧的措施

搅拌、控制培养基浓度、控制空气流速、改善发酵罐的结构、加压、改善发酵液的黏度

4.泡沫的消除及控制

化学消泡（应用较多的是聚醚类的聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯丙烯甘油（俗称泡敌），用量为0.03%左右）、机械消泡

5.发酵终点判断

①影响放罐时间的因素：

经济因素、产品质量因素、特殊因素（染菌、代谢异常）

②发酵终点判断的依据：

（见书本174）

第七章

1.种子培养异常的表现

菌种生长缓慢、菌丝结团、代谢不正常

2.发酵异常的表现

菌体生长差、pH异常、溶解氧水平异常、泡沫过多、菌体浓度过高或过低