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1、发酵工程与设备 发酵工程与设备 2012-3-24重要文件发酵工程是应用生物（主要是微生物）的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系。也称作微生物工程发酵工程组成 从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程。工业发酵的类型 按微生物对氧的需求：厌氧发酵、好氧发酵、兼性厌氧发酵。按发酵工艺流程：分批发酵、连续发酵、补料分批发酵菌丝结团 液体培养条件下，繁殖的菌丝不分散舒展，而是聚成团状。菌丝粘壁：在种子培养过程中，菌丝正常发育生长，但再继续培养时菌丝逐步粘附在罐壁上。反馈抑制：是生物化学途径的末端产物抑制反应途径中某个催化酶的活性，是由于末端产物连接到该酶的

2、变构位点，从而影响酶与底物的接触。反馈阻遏：是生物化学途径的末端产物阻止反应途径中某个催化酶的合成。阻遏发生在基因水平，通过末端产物和基因组连接阻止某因子的转录，从而导致酶合成的阻断。抗体突变株：是诱变后能够在含有合适浓度的结构类似物的培养基中生长的菌落。诱变育种：利用物理或化学诱导剂处理均匀分散的微生物细胞群。育种方法具有：方法简单、快速、收效显著等特点。杂交育种：指两个基因型不同的菌株通过接合使遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。细胞的杂交可以通过 ：细菌结合、f因子转移、 转化和转导 等方法促使基因重组。代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度

3、地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用回复突变：高产菌株在传代的过程中，由于自然突变导致高产性状的丢失，生产性能下降，这种情况我们称为回复突变结构类似物：在化学和空间结构上和代谢的中间物（终产物）相似，因而在代谢调节方面可以代替代谢中间物（终产物）的功能，但细胞不能以其作为自身的营养物质。接种龄：指种子罐中培养的菌体从开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间，以对数生长期为宜。接种量：是指移入的种子悬浮体积和接种后培养液体的体积的比例。初级代谢产物：对数生长期形成的，细胞自身生长所必需的代谢产物。次级代谢产物：在稳定期所产生的自身生长非必需代谢产物。（微量、

4、特殊活性、明显种属特异性）培养基种类分类按成分不同划分：天然培养基、合成培养基、半合成培养基按物理状态不同划分：固体培养基、半固体培养基、液体培养基按生产工艺的要求：孢子（斜面）培养基、种子培养基、发酵培养基按用途不同划分：基本培养基、加富培养基、选择培养基、鉴别培养基糖蜜：糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。含有较丰富的糖、氨素化合物和无机维生素等，是微生物工业的价廉物美的原料。 无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质

5、，如硝酸钠。正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的ph有积极作用。 速效氮源：铵盐、硝酸盐、尿素等氮化物中的氮是水溶性的，玉米浆、牛肉膏、蛋白胨、醇母膏等有机氮化物中的氮主要是蛋白质的降解产物，都可以被菌体直接吸收利用，称为速效性氮源。迟效氮源：饼粕中氮主要以蛋白质的形式存在，属迟效性氮源。前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。老化：淀粉的老化实际上是分子间氢键已断裂的糊化淀粉重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶过程。动物细胞培养方法：贴壁培养、悬浮培养、固定化培养高温致

6、死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等。致死温度：杀死微生物的极限温度。致死时间：在致死温度下杀死全部微生物所需要的时间。微生物对热的抵抗力用“热阻”表示。热阻指微生物在某一条件下的致死时间。营养细胞和细菌芽孢对热的抵抗力不同。相对热阻：在相同条件下两种微生物热阻的比值。分批灭菌过程：升温、保温和降温，灭菌主要是在保温过程中实现的，在升温的后期和冷却的初期，培养基的温度很高，因而对灭菌也有一定贡献。分批灭菌：将配好的培养基打入发酵罐，通入蒸汽将培养基和所用的设备（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实

7、罐灭菌。连续灭菌（连消）：培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却，然后进入发酵罐的杀菌方法。衰减时间d值：活得微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10 (ns/n0=1/10)所需要的时间。过滤除菌机理：惯性作用、扩散作用、静电吸附、拦截作用过滤器的类型：机械过滤、介质过滤、绝对过滤空气除菌的方法：辐射杀菌、加热杀菌、化学药物杀菌、静电吸附、机械过滤为了获得无菌空气，一般采用三个主要工段： 提高空气的洁净度、除去空气中油和水、获得无菌空气空气压缩机：活塞式空气压缩机、离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机绝对过滤器：介质孔径小于被截留的微生物体积，如四氟乙烯、纤维素树脂微孔滤膜。深层过滤器：介质空

8、隙对于被截留的微生物体积，但有一定厚度，靠静电、扩散、惯性、拦截。棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉过滤、金属烧结管等。限制性底物是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是c源、n源、无机或有机因子。 产物形成动力学模型：生长偶联型、部分生长偶联型、非生长偶联型发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵到结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确地反映发酵设备的利用效率。微生物在具有一定温度和湿度的

9、固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵氧的传递速率：通入发酵液中的气泡愈小，气泡与液体的接触面积就愈大，液体中氧的溶解速率也就愈快。涡轮式搅拌器的类型:（1）圆盘平直叶涡轮（2）圆盘弯叶涡轮 （3）圆盘箭叶涡轮包埋培养：海藻酸钠包埋；海藻酸钙包埋；琼脂糖株包埋kl的测定方法有亚硫酸盐氧化法；极谱法；溶氧电极生物反应器搅拌方式：a、机械搅拌式 b、鼓泡式 c、环流式。比拟放大:是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。壁生长 :（可提高发酵液通过比色杯表面的速度；或将壁生长考虑在内的光电补偿）基本的自动

10、控制系统：前馈控制、反馈控制、自适应控制下游加工过程：从发酵液、反应液中分离、纯化有关产品的过程统称生物工程的下游加工过程。生化分离技术：指从发酵液或酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程（后处理技术）。凝聚：在中性盐的作用下，胶体粒子之间双电子层排斥电位降低，导致胶体体系不稳定出现聚集的现象。絮凝：形成大颗粒絮凝体，便于过滤。混凝：同时包括凝聚和絮凝作用的过程。沉降：利用分散质与分散介质之间的密度差异，将分散质与分散介质分开的作用。 悬浮夜沉降分离设备：间歇式沉降器、半连续式沉降器、连续式沉降器 结晶法：在固相析出过程中，析出物为晶体时称为结晶法。沉淀法：在固相析出过程中，析出

11、物为无定形固体时则称为沉淀法。常用的沉淀法主要有盐析法、有机溶剂沉淀法和等电点沉淀法等。萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。离子交换分离法是利用溶液中离子与离子交换剂发生交换反应进行分离的方法离子交换剂由三部分组成：不溶性载体；功能基团；可交换离子。如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。离子交换设备的分类分批法、固定床法、流动床法膜过滤法:指以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法，包括微滤（mf）、超滤（uf）、纳滤（nf）

12、和反渗透（ro）四种过程。通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化。 当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度，这种浓度差导致溶质自膜面反扩散至主体中，这种现象称为浓差极化。浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。 微滤：当压力推动流体透过膜或其他过滤介质，从流体中分离微米大小的粒子时，这个过程为微滤表面过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸大，粒子以其几何形状被阻挡，不能进入和通过膜，这种筛滤机理称为表面过滤。深度过滤：粒

13、子的尺寸比过滤介质的尺寸小，粒子能进入过滤介质，并粘附在其上，被除去。气体过滤器：去除气体中的微粒和胶体、菌体等超纯水生产中预处理和最终供水气液接触方式有三种：鼓泡接触状态、泡沫接触状态、喷雾接触状态简单蒸馏型可分为静止式、降膜式、离心式等几种。蒸发的分类按操作空间的压力可分为常压、加压或减压蒸发。按蒸汽利用情况可分为单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发按操作流程可分为间歇式、连续式。 按加热部分的结构可分为膜式和非膜式。 蒸发过程：将含有固体溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩，以获得固体产品或制取溶剂。蒸发过程实际上是不挥发性的溶质和挥发性的溶剂分离的过程。物质在溶解时一般要吸收热量，在结晶时放出热量，称

14、为结晶热。相反的情况，即溶解时放热，结晶时吸热，比较少见。因此结晶又是一个同时有质量和热量传递的过程。 起晶方法：自然起晶，刺激起晶，晶种起晶干燥方法 空气干燥、加热面传热干燥、红外线干燥、冷冻升华干燥、微波干燥空气干燥设备按工作原理分为：气流干燥、沸腾干燥和喷雾干燥。游离水游离水分多存在于生物产品的细胞外及多孔物料的毛细管中。结合水结合水分主要有渗透水分、结构水分等，它与物料的结合力较强，水分的活度小于 l 。固态发酵：广义：使用不溶性固体基质培养微生物，得到代谢产物的工艺过程自然富集固态发酵：强化微生物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵、单菌固态纯种发酵蒸料方法：常用的有罐式连续蒸煮，管

15、式连续蒸煮，柱式连续蒸煮等三种方法本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学研究。生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物反应器工程。其中反应器工程是指包括影响微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等 一、名称解释1、前体 指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。2、发酵生长因子 从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子3、菌浓度的测定 是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。4、搅拌热 ：在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关5、分批培养 ：简单的