生物工艺学复习资料1.docx

1、生物工艺学复习资料1发酵工艺学发酵工艺学的定义和特点生物工艺学：应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以及提供产品为社会服务。工业上的发酵：指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。生物作用剂（生物催化剂）：是游离的或固定化细胞、酶的总称微生物细胞，在生物过程中起着催化作用。生物催化剂的特点：A、细胞（动、植、微）：游离，固定化（活细胞、灭活细胞）B、酶：游离、固定化 活细胞催化剂与酶催化剂的比较项目 活细胞 酶用途 系列的串联反应物可以是细胞本身 单酶单一反应或简单以致复杂的代谢产物 多酶若干串联反应或多产物的反应来源的价格 少量种子液繁殖，价廉 技术要求高，价格昂

2、贵稳定性 略高须不断保持 较差辅酶再生 新陈代谢中自行解决 技术经济问题难解决原料要求 粗放 简单、更高的纯度底物反应时间 长 短反应器及操作方法 体积较大，较简单 体积较少，但复杂过程控制 复杂 简单产品分离 复杂 简单工业应用 较多 较少生物反应过程是六部分组成：原料预处理、种子培养（扩大）、空气除菌（好气性发酵）、发酵（主要阶段）、提炼、成品检验发酵工程特点：1、发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单；2、发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜、或其他农副产品为主； 3、发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较

3、为单一的代谢产物； 4、发酵过程中对杂菌的污染防治至关重要； 5、由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性的和高度选择性的对某些较为复杂的化合物进行特定部位的氧化、还原等化学反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物； 6、微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此使得按常规方法； 7、投资少、见效快、经济效率显著。发展简史（转折点）：1、纯种分离培养技术建立；2、深层液体发酵，通过搅拌的好气发酵工程技术以及建立；3、人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立；4、发酵动力学、连续化、自动化、工程技术的建立；5、微生物生物合成、化

4、学反应合成结合工程。代谢控制发酵：利用生物化学或遗传学的方法，人为地改变或控制微生物代谢，使其有用产物大量积累的方法。细菌浸矿的优点：1、溶浸速度快；2、细菌浓度可很高，达到106108个/mol；3、可适合于溶浸低品位矿（尾矿）或冶炼金属中的炉渣。代谢产物糖类厌气代谢产物特点：（1）微生物类型，厌气性菌或兼性厌气菌，这种类型发酵都在厌气性环境下进行的厌气性发酵；（2）代谢途径明确，EMP、HMP、丙酮酸循环；（3）产物率高、产量大、原料广，与消耗碳源有准量关系，产物有：酒精、丙酮。糖类好气性代谢产物特点：（1）好气性微生物，有氧呼吸好气发酵。菌体生长速度降低或停止生长时，产物才能大量生长；（

5、2）代谢途径清楚；（3）与消耗碳源无准量关系。次级代谢产物定义：既不作为细菌或酶的结构成分，也不是一般的细胞储存物质，它对产生菌本身的生理功能物不明确的一类代谢产物。特点：（1）与消耗碳源无准量关系，产量很低； （2）菌生长速度减低或停止后，产物较快合成，也有例外； （3）合成途径复杂，多不明确甾体转化物。产物： 抗生素类：青霉素、链霉素、四环素、庆大霉素 维生素B12、植物激素、赤霉素、真菌毒素发酵法优点：（1）简化步骤；（2）提高转化产物的疗效；（3）反应多，不同微生物进行不同的反应；（4）有利环境保护，提高人体健康。微生物酶： 胞内酶、胞外酶、两者兼有 调节的生化基础 胞内：酶合成调节，

6、酶活性调节 变构蛋白质：变构酶：与效应物结合，其任性便改变；调节性变构蛋白质，无催化活力，其连接在细胞染色体结构基因的附近，从而控制基因的表达，以调节酶的合成。培养基定义：指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。同时培养基也为微生物提供除营养外的其他生长所必需的条件。（营养、环境条件）要求：（1）都必须要含有作为合成细胞组成的原料； （2）满足一般生化反应的基本条件； （3）一定的PH条件； （4）工业生产培养基所用的原材料还必须 来源丰富，价格低廉，质量稳定；根据生产菌的营养特性与产物合成两者兼顾；符合工艺、设备的要求（配制培养基时要有利于发酵液质量）。作用：培养基的组成和配比

7、是否恰当对微生物的生长、产物的形成、提取工艺选择、产品的质量和产量都有很大的影响。培养基成分碳源：（1）形式：糖类、油脂、有机酸、低碳醇等 （2）功能：为微生物菌种的生长繁殖提供能源和合成菌体所必需的碳成分；为合成目的产物提供所需的碳成分。1、快速利用的糖为培养基，有时反而会抑制产物合成，在菌体生长过程作为碳源的来源2、慢速利用的糖为培养基，常会促进产物合成，在产物合成过程作为碳的来源原因：快速利用碳源的分解产物抑制了产物形成的关键酶生产上采取的方法：（1）缓慢利用碳源的使用（2）流加葡萄糖（3）用混合碳源氮源：（1）种类：有机、无机（2）作用：构成细胞构质，含N代谢物（3）不同氮源差别有机氮

8、源无机氮源 与有机N相比，更容易被微生物吸收 1生理酸性物质：经微生物生理作用，能形成酸性物质的无机氮源2生理碱性物质：经微生物生理作用，能形成碱性物质的无机氮源无机盐及微量元素：（1）作用：为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。一般低浓度时，对微生物合成产物促进，高浓度对微生物合成产物形成抑制。（2）各元素作用 P：核酸和蛋白质必要成分，ATP，代谢调节Ca：细胞透性Mg：多数酶激活剂，芽孢的重要成分S：含硫AA的组成和某些酶（CoA）活性剂Fe：细胞色素，细胞色素氧化酶和过氧化酶成分Cl：啫盐菌必需，改善啤酒味Na+，K+：Na维持渗透性，K渗透压和透性微量元素：酶的辅基和激活

9、剂，机体对其需求很少前体：某些化合物加入到发酵培养基中可直接被微生物合成中结合到产物中去，而其自身的结构并没有多大变化，但产物的产量却因加入前体而有较大提高。促进剂：非常营养，非前体物，却能提高产量的添加剂。抑制剂：发酵中加入抑制剂会抑制某些代谢途径进行，同时使另一代谢途径活跃，从而获得人们所需的某种产物，或使正常代谢的某一中间代谢产物积累起来。生长因子：微量的一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。培养基配置原则：（1）营养物质应满足微生物需要；（2）营养物浓度及配比应当适当；（3）物理化学条件合适；（4）根据培养基的目的。培养基种类：（1）天然培养基：凡利用生

10、物的组织、器官及其他抽取或制品配成的培养基。 优点：配制方便，经济，营养 缺点：化学成分不清楚或不稳定 （2）合成培养基：使用成分完全了解的化学药物配制而成的培养基。优点：成分已知，精确，重复性好 缺点：价格昂贵，培养微生物生长较慢 （3）半合成培养基：由部分天然材料和部分已知的纯化药物组成的培养基。 （4）液体培养基：各营养成分按一定比例配制而成的液体状态或水溶液状的培养基。 （5）固体培养基：液体培养基中加入一定量的凝固剂配制而成的固体状态的培养基，此外，固体营养物与水和盐等混合构成的疏松状培养基也属于固体培养基。 理想固体培养基凝固剂条件：1、不被微生物液化、分解和利用 2、在微生物生长

11、的温度范围内保持固体状态，凝固点温度对微生物无害 3、不会因消毒、灭菌而破坏 4、配制方便，价格低，透明性好 （6）半固体培养基：指琼脂加入量为0.20.5%而配制的固体状态的培养基 （7）种子培养基：是为下一步发酵提供数量较多、强壮而整齐的种子细胞。一般要求氮源、维生素丰富、原料要精 （8）发酵培养基：碳为主要元素，用于生产预定发酵产物的培养基 （9）繁殖和保藏培养基：用于菌种保藏，采用斜面培养基 （10）基本培养基：满足某种野生型菌株最低营养要求的合成的培养基 （11）加富培养基：普通培养基加入血、血清、动植物组织液或其他营养物，用于培养某种或某些营养要求苛刻的异样型微生物或选择性培养（分

12、离、富集）某种微生物使本身大量繁殖，其他菌受抑制。 （12）选择性培养基：根据微生物某种对特定营养要求或物化条件，利用此根据把某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。 （13）鉴别培养基：一类在成分中加有能与目的菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂，从而达到只须用肉眼判别颜色就能方便地从近似菌落中找出目的菌菌落的培养基。种子扩大培养定义：将休眠的生产菌种经斜面培养基活化，经扁平或摇瓶及种子罐逐级扩大数量，至一定数量和质量的纯种的过程。种子培养任务：保持生产菌种的优良生产性能，得到比较纯净的种子，菌健壮，还要有足够的量，以供大规模生产用，好坏关系到产物产量和质量。生产菌种的基本要求：一个发

13、酵产物可有多种生产菌，但产生菌不等同于生产菌，作为生产菌要有一定条件和要求产生菌：可产出所需代谢产物的菌 生产菌：用于生产所用的产生菌（1）高产稳产性能、合成能力高，遗传性相对稳定，菌种不衰退，难变异；（2）要求粗放，较易培养，生长繁殖较快，可利用比较多的原料，比原料要求经济易得；（3）非病原菌，对发酵操作如此，且发酵产品用于食品、医药有很大部分，用于此类的菌还要求不产生毒素；（4）最好能耐受自身代谢产物，最好是可耐高低温，可耐高温则热天可生产，省下冷却水，最好可耐酸、碱，产泡沫少，泡沫多需消耗消泡剂多，产品提炼困难。防止菌种变异衰退：（1）适宜的保存方法，主要原理是利用低温、干燥、真空，如斜

14、面、砂土、矿物油；（2）限制使用期：斜面12月移植，砂土12年；（3）减少传代次数，限制菌种的开启次数，为防染菌；（4）定期分纯，用单细胞或单孢子分离，分离后的单细胞要进行生产能力的测定，要求不低于原有菌种。种子的制备过程包括实验室种子制备阶段和生产车间种子制备阶段两部分（1）实验室种子制备 过程：保存菌种斜面活化悬浮液或孢悬液制备：1、孢子的制备细菌孢子的制备：温度较霉菌高；霉菌孢子培养：2528,414天（相对细菌长）；放线菌孢子的制备：琼脂斜面，28,514天。2、液体种子制备好养培养：摇瓶方法培养，保证种子质量厌氧培养：试管三角瓶长试罐种子罐（2）车间种子制备 过程：一级种子罐二级种子

15、罐发酵罐原则：采用易被微生物利用的成分，葡萄糖、玉米浆、磷酸盐等，如果是需氧菌，同时还需供给足够的无菌空气，并不断搅拌，使菌丝体在培养液中均匀分布种子罐的作用：使孢子发芽，生长繁殖成菌丝体，接入发酵罐迅速生长，达到一定菌体量，以利于产物的合成级数的决定因素：（1）生产菌的特性（2）发酵罐的接种量大的接种量优点：（1）缩短发酵罐中菌的生长期，产物合成时间提前，则整个合成时期就增加了，不少种子液中会有水解酶类，利于发酵利用；（2）有效地防止，发酵罐的前期染菌。缺点：（1）要求种子罐多；（2）种子液中含代谢废物、副产物。发酵罐中可能抑制菌的生长的产物的合成。细菌：生长快，种子用量比例少，级数比较少，

16、二级发酵霉菌：生长较慢，如青霉，三级发酵放线菌：生长慢，采用四级发酵酵母：比细菌慢，比霉菌、放线菌快，通常用一级种子注意：（1）级数越少越好，简化工艺控制，减少染菌机会； （2）种子罐太少，接种量少，发酵时间延长，增加染菌机会； （3）工艺条件也会影响级数。种子质量的控制影响孢子质量的因素及控制：1、培养基（1）常会质量不稳，主要是原材料质量波动（2）水质影响、地区、季节、水源（3）氮源品种多，菌落多，不利生产措施：（1）经过发酵试验后合格才可使用（2）严格控制灭菌后培养基的质量（3）斜面培养基使用前，需在适当温度下放置一定时间（4）工生产用的孢子培养基用单一氮源，选种或分离用的培养基则采用较

17、复杂的有机氮源2、培养条件（1）温度 不一定是最佳代谢温度，常低于之 （2）湿度 相对湿度4045%，孢子多，色均匀3、培养时间、冷藏时间 衰老不如年轻，过于衰老的孢子会导致生产能力下降4、接种量 影响孢子数量，进而影响菌体的生理状况种子质量的控制措施：（1）菌种稳定性的检查（2）无（杂）菌检查种子质量标准：（1）细胞或菌体 菌丝浓度和培养液外观（色素、颗粒等） （2）生化指标 种子液：糖、氮、磷含量和PH变化 （3）产物的生成量 （4）酶活力 测关键酶活力种子质量的判断：（1）培养基；（2）培养条件；（3）种龄（指种子罐里培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间）。发酵生产方法的

18、类型按发酵过程状态分：（1）间歇培养基的加入和发酵液放出是一致的发酵一次一次进行 （2）连续培养液加入到放出是连续的培养罐中处于稳定状态 （3）半连续发酵：培养基连续加入发酵液分批或分别放出分批发酵定义：一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。特点：环境在发酵过程中不断变化。物理、化学、生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的体系。优点：操作简单，操作引起染菌的概率低，不会产生菌种老化和变异等稳定。缺点：非生产时间较长，设备利用率低。连续发酵定义：培养基料液连续输入发酵罐并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的PH

19、、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。优点：能维持低基质浓度，可提高设备利用率和单位时间产量，便于自动控制。缺点：菌种发生变异可能性大，要求严格的无菌条件。半连续（补料分配比）发酵定义：在发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度和连续相比，不需要严格的无菌不产生菌种老化、变异等问题。缺点：存在一定的非生产时间和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。类型：（1）补料方式：连续流加、不连续流加、多周期流加 （2）补料成分：单一组分流加多组分流加 （3）控制方式：反馈控制、无反馈控制发酵过程的动力学类型发酵动力学：各种发酵中变

20、量在活细胞下变化规律，以及各种条件对变量变化速度的影响，以数学、工程学的原理定量描述。产量常数=产物的量/基质的量=Z/S类型 类型 类型（一）类型 乳酸发酵1、特点：菌生长的比碳源消耗速率Mc比，产物形成速率Mp都有一个高峰；三个高峰同时出现，基本平行；产物和碳源消耗有一定的化学剂量关系，可进行理论计算。2、产物类型：菌体、代谢产物、次级代谢产物（二）类型 1、特点：分为两个时期：菌体生长期、产物形成期； c源利用的比速度有两个高峰，在产物形成期菌株第二次生长； c源利用和产物形成无明确的化学剂量关系，但还是有一定关系。2、产物类型：在产物形成时有中间产物积累无中间产物积累（三）类型 大多次

21、级代谢产物1、特点：分为两个时期，但产物形成比类型早，在菌体接近或达到最大值时产物开始生长； 菌体生长碳源利用无第二个高峰；c源利用与产物形成无量化关系，为次级代谢产物，产物量占发酵液0.12%。2、产物类型：将预知某个发酵按什么情况进展作为发酵的中间产物控制的理论基础，实践上指导生产、监督生产连续发酵的设计上，（）用于单级，（）（）用于二级以上使菌体生长和产物形成都得到保证连续发酵动力学控制方法1、恒浊法：根据培养液的浊度与菌的浓度成正比，通过一种仪器（如光电效应）控制菌的流量，使菌的浓度保持一致。2、恒化法：培养基中有一种可限制菌的生长速度，此为限制生长基质，控制菌浓度。连续发酵优点：1、

22、提高了生产率，罐利用率上升，减少菌的非旺盛生长期2、便于管理控制存在的问题：1、理论上最适D，最适浓度的理论推导不完全符合实际生产；2、退化与变异：连续发酵时间越长越好，但许多菌会发生退化，生产能力上退化，合成产物上发生变换，解决方法，变换菌种或种子；3、染菌问题：对设备严密度，无菌操作严格，及好气气体供给严格；4、均匀度：与输送能否顺利进行，主要是丝状菌。T温度对发酵的影响及其控制一、影响发酵温度的因素（1）产热因素：生物热，搅拌热（2）散热因素：蒸发热，辐射热生物热定义：分解营养物释放出大量能量用途：高能化合物，生长代谢，热量散发影响因素：利用营养速率越大，培养基成分越丰富，旺盛期，呼吸强

23、度发酵热的测定：（1）冷却水流量，进出口温度；（2）罐温自动控制，罐温达到恒定再关闭，测温度随时间上升的速率。二、温度对发酵的影响1、T低，反应速度低，周期长2、T高，反应速度低，但菌易衰老，影响产量3、菌合成与产物合成温度要求不同三、影响途径1、影响各种酶的反应速率和蛋白质性质；2、影响发酵液物理性质；3、影响生物合成的方向。四、最适温度的确定：在该温度下最适干菌的生长或发酵产物的生成。五、温度的控制 发酵罐：夹套（10立方米以下）、盘管（10立方米以上）微生物的耗氧量及氧的供给影响：生长代谢、改变代谢途径需氧量与以下因素有关（1）菌种特性（2）生理状态（3）培养基成分与浓度（4）细胞浓度（

24、5）温度氧的溶解度：25 1atm 氧气 水 1.26mmol/l25 1atm 空气 水 0.26mmol/l25 1atm 空气 发酵液 0.20mmol/l氧的传递：（1）搅拌成为细胞，阻力有培养液和微生物细胞（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，氧下降生长受影响溶氧速率：单位体积的培养液在单位时间里溶耗的氧量，单位mM/l.h提高培养液溶解氧速率常用方法：1、提高氧分压（1）通入的空气中掺入纯氧（2）提高罐压；2、提高氧的吸收速率（最重要的一种方法）（1）搅拌，适合细菌生产（2）提高通气量，带走液体水分使发酵液浓缩；3、降低培养液粘度，粘度越大，就湍流下

25、降，液膜变厚，气泡越稳定性；4、降低培养液温度，在允许的条件下降低，可增加溶解速率；5、添加某些物质增加溶氧。表面活性剂可增加溶氧，但不得对菌生长产生影响，不使产物提纯度难，要经济；6、与培养液液柱体积有关。PH值、二氧化碳、基质浓度对发酵的影响PH影响及控制背景（1）菌类在一定的PH内繁殖代谢（2）发酵过程中PH变化。外界变化不大时，菌本身可以调节，但有限引起PH下降的因素：（1）CN比C过多，中间补空气溶氧不足（2）消泡油过多（3）生理酸性物存在，氨被利用引起PH上升的因素：（1）CN比N过多，AA释放（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物加入过多（3）生理碱性物质过多PH值控制：（1）培养基

26、的配比（2）中间补料控制PH值，补Glc或补氨水、尿素（3）PH电极控制加补料或酸、碱来控制PH二氧化碳和呼吸商 RECEROURCER：二氧化碳释放率 RQ：呼吸商 OUR：菌的耗氧速率对发酵影响：（1）对菌体有抑制作用 微生物的糖代谢和呼吸率下降，对产物合成影响着具体产品，多为抑制，少为促进（2）对发酵的促进作用 半链球菌发酵生产多糖（3）影响发酵液酸碱平衡控制：通常通过调节痛通风和搅拌来控制基质浓度对发酵影响及补料控制补料：（1）采用丰富培养基，成分全，浓度高达1015%（2）补料：在发酵过程中，中途补加的料液，补偿作用优点：（1）控制营养物质浓度控制菌生长速率，不致太快衰老，自溶推迟，

27、达到增加合成时间，提高产量作用（2）作为控制，扭生异常发酵的手段（3）增加发酵液的总体积泡沫的产生影响、控制产生：通气搅拌，代谢气体逸出，培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂促进影响：（1）降低装料系数；（2）增加菌群非均一性；（3）增加染菌机会；（4）产物损失；（5）消泡剂的加入增加提取困难。控制：机械搅拌、消泡剂、分散剂发酵终点的判断：（1）放罐时间晚，菌自溶，延长过滤处理时间，产物不稳定；（2）放罐时间早，残留过多养分，不利提取；（3）缩短发酵周期，可提高总得生产率；（4）放罐前，补料慎重。生产率（kg/m3h）得率（kg产物/kg基质）发酵系数（kg产物/罐容积m3发酵周期h）污染的

28、防止与挽救污染：微生物发酵为纯种发酵，如有其他菌侵入称为污染（杂菌污染、噬菌体污染）杂菌污染的防治与挽救表现：（1）生产菌生产受抑制，测OD值，菌浓度下降； （2）C、N消耗加速，PH值的不正常变化； （3）泡沫一般增多，粘稠颜色加深，使培养液发酵发臭； （4）发酵周期缩短，产量下降。影响：1、产物产量2、影响产物提炼，使产物质量不得保证，如溶媒存在，使培养液乳化，不易分层有机溶剂萃取工艺； 离子交换工艺3、对产品质量的影响（内在质量和产品外观）4、对过滤的影响 粘度提高，菌体大多自溶，发酵不彻底，基质的残留浓度影响设备的周转使用，破坏生产平衡，大幅度降低过滤吸率5、染菌对三废处理的影响与危害

29、程度相关的几个方面1 与产品的品种有关，酒精和丙酮丁酸较小，AA破坏严重2 染菌与发酵周期有关，发酵周期长，较易染菌，如前中期染菌后果较严重3 染菌类型 时间越早、量多，危害越大 染菌原因：公共系数引起染菌，影响面大，后果严重，公共系数为空气，总过滤器，空气管道不严密、公共补料系数、公共系统染菌就会引起连续染菌、大面积染菌。发酵过程染菌的检查判断检查方法：显微镜检查平板划线检查肉汤培养检查检查中注意事项：（1）检查结果以A B结果为主要根据 （2）做三个平行样 （3）定期取样 （4）放罐后12h，确定为无菌时方可弃去 （5）取样时防外界杂菌混入引起染菌的主要途径和原因生产环节1、种子培养阶段可

30、能染菌生产菌种在保存、转移时种子扩大培养，种子罐可能染菌，培养基带菌防治方法：抗污染强的菌株，定期进行分离，严格无菌操作，培养基首先要进行无菌试验，种子本身也要无菌试验。2、培养基要求灭菌彻底，培养基尽量不能破坏，灭菌过程中培养基要达到预定体积，培养基灭菌后泡沫不可太多。培养基灭菌方法：连续灭菌（优点：高温、短时间、培养基破坏小）、实罐灭菌、空消培养基灭菌的几个环节易造成染菌的：冷空气排除不彻底造成假压，有空气混入水蒸汽（三路进气：列管、排料管、进空气管）防止蒸汽走短路，由于空气走阻力小的管路负压抽吸，无菌空气保压泡沫过多（由于其传热性差，使其中杂质保留）3、空气系数 过滤系统出问题，主要是过滤介质失效4、设备渗透 安装不当，有死角存在情况分析 1、杂菌类型 染芽孢：设备死角，使芽孢存活，培养基不彻底 染霉菌：培养基灭菌不彻底 染球菌：大部分从空气来，主要是空气过滤系数失效 染G-：大部分从水中来，是由于设备的渗透 2、染菌规模 多罐：同时，同类型公共系统染菌 单罐连续大多设