發(fā)酵技術(shù)考前復(fù)習(xí)資料

1、一、緒論發(fā)酵：已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計算機(jī)軟硬件工程的一個多學(xué)科工程。現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。（理解記憶） 發(fā)酵的定義：通過微生物的生長繁殖和代謝活動，產(chǎn)生和積累人們所需產(chǎn)品的生物反應(yīng)過程。發(fā)酵工程定義：也稱為微生物工程，是指利用微生物的生長繁殖和代謝活

2、動來大量生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品過程的理論和工程技術(shù)體系，該體系主要包括菌種選育、保藏和擴(kuò)大生產(chǎn)，微生物代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化制備，以及微生物生理功能的工業(yè)化利用等在發(fā)酵技術(shù)中一般包括微生物細(xì)胞或動植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化酶，固定化細(xì)胞所做的反應(yīng)器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應(yīng)過程中提供各種所需的最適環(huán)境條件。如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無菌狀態(tài)發(fā)酵工程組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程發(fā)酵方法的類別：a.根據(jù)對氧的需要區(qū)分：厭氧和有氧發(fā)酵；b.根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分：液體和固體發(fā)酵；c.根據(jù)從微生物生長特性區(qū)分：分

3、批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵流程：保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵（這兩個步驟加入滅菌的空氣和碳源、氮源、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)）產(chǎn)品分離純化成品工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程：(1) 用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制(2) 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3) 將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā) 酵罐中(4) 將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產(chǎn)物(5) 將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6) 回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水發(fā)酵原料的預(yù)處理：原料不同處理方法也有所差異。1. 淀粉利用前需變成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高壓、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加熱殺

4、菌和用水沖稀，也可加酸處理后再補(bǔ)充無機(jī)鹽3. 碳?xì)浠衔铮菏兔撓炓欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10的油，加入適量無機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵斜面培養(yǎng)：菌種：已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種 方法：一般都是由保存于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開始，在正式使用前要先轉(zhuǎn)接到新鮮斜面培養(yǎng)基上活化后，再用于種子擴(kuò)大培養(yǎng)。發(fā)酵方式：固體發(fā)酵（適合于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來生產(chǎn)比較簡單的產(chǎn)品 ）液體深層發(fā)酵（適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)）影響發(fā)酵的因素；如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動態(tài)，并進(jìn)行雜菌的檢查和產(chǎn)物測定，使整個發(fā)酵過程順利進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)物的分離

5、提?。篹g：a.利用菌體：離心沉淀或板框壓濾法使菌體與醪液分開，也可以用噴霧干燥法直接做成粉劑。b.酒精發(fā)酵醪蒸餾塔蒸餾；c.抗菌素及有機(jī)酸根據(jù)產(chǎn)物的不同特性，采用離子交換樹脂吸附處理、脫色過濾、減壓濃縮等方法提取精制。(獲得的產(chǎn)物都要按照有關(guān)部門制定的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和性能測定，符合要求后才為合格產(chǎn)品)發(fā)酵工程的有關(guān)歷史：（1）天然發(fā)酵階段：古代釀酒、釀醋等。（2）純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。（3）通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立： 1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，從此生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品中增加一大類新的產(chǎn)品抗生素 ；20世紀(jì)40年代，以獲取細(xì)菌的次生代謝產(chǎn)物

6、抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)（4）代謝控制發(fā)酵技術(shù)： 20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的又一個成員。實(shí)現(xiàn)了對微生物的的代謝進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，這又使生物技術(shù)進(jìn)了一步20世紀(jì)60年代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)又增加了酶制劑工業(yè)這一成員 （5）開拓發(fā)酵原料時期：70年代，為了解決由于人迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，進(jìn)行污水處理，能源開發(fā)等（6）基因工程階段：80年代以來，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，可以按人類社會的需要，定向培養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術(shù)引入了遺傳程的技術(shù)，使生物

7、技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段 發(fā)酵工業(yè)的范圍：1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì)：定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細(xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點(diǎn)：細(xì)胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。微生物酶發(fā)酵：酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內(nèi)酶 和胞外酶。生物合成特點(diǎn)：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)控

8、作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵：包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。微生物的生物轉(zhuǎn)化：是利用生物細(xì)胞對一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更在經(jīng)濟(jì)價值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的微生物特殊機(jī)能的利用：a.利用微生物消除環(huán)境污染b.利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡c.微生物濕法冶金d.利用

9、基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域發(fā)酵工程的特點(diǎn)：1、利用微生物的特點(diǎn) ；發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌。利用微生物的特點(diǎn)： (1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力 （2)有極強(qiáng)的消化能力 (3)有極強(qiáng)的繁殖能力 2、發(fā)酵反應(yīng)過程的特點(diǎn)：a 采用可再生資源作為主要原料，因而來源豐富，價格低廉，過程中廢物的危害性較小，但由于原料的成分復(fù)雜，往往難以控制會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響。b. 由于采用的是生物催化劑，反應(yīng)過程一般在常溫常壓下進(jìn)行。但生物催化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長期使用。c. 與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單

10、，能耗較低。但某些生物反應(yīng)由于其特殊性質(zhì)而使反應(yīng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞或生物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所致，不僅使反應(yīng)器體積增大，而且也加大了提取的困難，因而反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低。d.盡管生物反應(yīng)過程成本低，應(yīng)用廣。但反應(yīng)極力復(fù)雜，較難檢測與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來了困難。 發(fā)酵反應(yīng)過程分類：1.酶催化反應(yīng)過程：采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應(yīng)過程。生物體中所進(jìn)行的反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。工業(yè)生產(chǎn)中所用的酶，或是經(jīng)提取分離得到的游離酶，或是固定在多種載體上的固定化酶 2.微生物反應(yīng)過程：采用活細(xì)胞為催化劑時的反應(yīng)過程。這既包括一

11、般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過程，也包括固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞的培養(yǎng)過程。 3.廢水的生物處理過程：它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力，除去廢水中污染物質(zhì)的過程。廢水的生物處理過程特點(diǎn)；a.由細(xì)菌等菌類、原生動物、微小原生動物等各種微生物構(gòu)成的混合培養(yǎng)系統(tǒng) 幾乎全部采用連續(xù)操作系統(tǒng) b.微生物所處的環(huán)境條件波動大 c.反應(yīng)的目的是消除有害物質(zhì)而不是代謝產(chǎn)物和微生物本身 發(fā)酵工業(yè)的意義與展望：a.利用遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)，人工選育和改良菌種采用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行高等動動植物細(xì)胞培養(yǎng)b.固定化技術(shù)廣泛應(yīng)用c.開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段d.應(yīng)用代謝控制技術(shù)，發(fā)酵

12、生產(chǎn)氨基酸e.將生物技術(shù)廣泛地用于環(huán)境工程二、菌種擴(kuò)大培養(yǎng)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)定義：菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)就是把保藏的菌種，即砂土管，冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化，再經(jīng)過扁瓶或藥瓶和種子罐，逐級擴(kuò)大培養(yǎng)后達(dá)到一定的數(shù)量和質(zhì)量的純種培養(yǎng)過程。這些純種的培養(yǎng)物稱為種子。種子必須具備的條件：菌種細(xì)胞的生長活力強(qiáng)，接種后在發(fā)酵罐中能迅速生長生理性狀穩(wěn)定菌體總量和濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求無雜菌污染（不帶雜菌）生產(chǎn)能力穩(wěn)定 種子制備過程：a.實(shí)驗(yàn)室種子制備階段：瓊脂斜面至固體培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)（如茄子瓶斜面培養(yǎng)等或液體搖瓶培養(yǎng) b.生產(chǎn)車間種子制備階段：種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室種子制備：在砂土管或冷凍干

13、燥管內(nèi)保藏的菌種以無菌的方式接至適合的斜面培養(yǎng)基上，培養(yǎng)成熟后挑選正常的菌落再接一次試管斜面并至搖瓶；生產(chǎn)車間種子制備 ：實(shí)驗(yàn)室制備的孢子斜面或搖瓶種子移接到種子罐進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)；種子罐培養(yǎng)一方面使菌種獲得足夠的數(shù)量，另一方面種子罐中的培養(yǎng)基更接近發(fā)酵罐培養(yǎng)的醪液成分和培養(yǎng)條件，譬如通無菌空氣，攪拌形式等等，以使菌體適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境 種子罐級數(shù)的確定 ：種子罐的級數(shù)是指制備種子需逐級擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù) ；對于生長快的細(xì)胞，種子用量的比例少，即需要的接種量少，所以相應(yīng)的種子罐也少 接種種齡和接種量：接種齡，種子罐中培養(yǎng)的菌體從開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間；接種量，接種量指的是移入的種子懸浮液體

14、積和接種后培養(yǎng)液體的體積的比例；種子質(zhì)量的判斷 種子質(zhì)量的控制措施 ：菌種穩(wěn)定性的檢查：將保藏菌株溶于無菌的生理鹽水中，逐級稀釋，然后在培養(yǎng)皿瓊脂固體培養(yǎng)基上劃線培養(yǎng)，長出菌落，選擇形態(tài)優(yōu)良的菌落接入三角瓶進(jìn)行液體搖瓶培養(yǎng)，檢測出生產(chǎn)率高的菌種備用； 雜菌檢查：顯微鏡觀察，或平板培養(yǎng)試驗(yàn)，即將種子液涂在平板培養(yǎng)皿上劃線培養(yǎng)，觀察有無異常菌落，定時檢查，防止漏檢 砂土管（冷凍干燥管）斜面搖瓶（或者固體斜面）種子罐發(fā)酵罐以啤酒麥芽汁為例：斜面10ml試管（2527/2-3d）5001000ml三角瓶子（250500ml麥芽汁/25、2d）510L麥芽汁（1520/35d）發(fā)酵罐三、滅菌滅菌的必要性

15、：1. 使生物反應(yīng)的基質(zhì)或產(chǎn)物，因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降。2. 雜菌也會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，這就使產(chǎn)物的提取更加困難，造成得率降低，產(chǎn)品質(zhì)量下降。3. 有些雜菌會分解產(chǎn)物，使生產(chǎn)失敗。4. 雜菌大量繁殖后，會改變反應(yīng)液的pH值，使反應(yīng)異常。5. 如果發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細(xì)胞將被裂解，使生產(chǎn)失敗。滅菌的定義：用物理或化學(xué)的方法殺滅或去除物料或設(shè)備中所有生命物質(zhì)的過程滅菌的方法：1化學(xué)藥劑滅菌：某些化學(xué)藥劑能與微生物細(xì)胞物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而具有殺菌作用。如甲醛、氯（或次氯酸鈉）、高錳酸鉀、環(huán)氧乙烷、季銨鹽（如新潔爾滅）等。因化學(xué)藥劑也會與培養(yǎng)基中的一些成分產(chǎn)生作用，而且加入培養(yǎng)基中后不易去除，

16、所以化學(xué)藥劑滅菌不用于培養(yǎng)基滅菌；2射線滅菌：紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子能起到滅菌的作用。波長為2.53710-7的紫外線有滅菌效果。但由于其穿透力低，所以只用于表面消毒和空氣消毒。X射線和由Co60產(chǎn)生的射線也可滅菌。3干熱滅菌：160保溫1 h。主要針對必須保持干燥的實(shí)驗(yàn)器具或材料（培養(yǎng)皿、接種針、固定化細(xì)胞用的載體材料等）。4濕熱滅菌：濕熱滅菌為最基本的滅菌方法，因?yàn)檎羝┩改芰?qiáng)，且在冷凝時放出大量的冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺滅微生物。但如果利用蒸汽直接通入培養(yǎng)基中加熱滅菌，應(yīng)考慮扣除冷凝水的體積，否則會降低培養(yǎng)基的濃度。濕熱滅菌一般是在120維持2030 min

17、。5過濾除菌：這是利用過濾方法阻攔微生物達(dá)到除菌的目的。工業(yè)上利用此方法制備無菌空氣。在產(chǎn)品的提取中，也可用過濾的方法（如超濾）處理料液，以得到無菌產(chǎn)品。培養(yǎng)基滅菌：培養(yǎng)基的滅菌有分批法和連續(xù)法兩種。分批滅菌是將配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐中，通入蒸汽，使培養(yǎng)基和所有設(shè)備一起滅菌。這一過程也稱為實(shí)罐滅菌。連續(xù)滅菌是在配制好的培養(yǎng)基向發(fā)酵罐輸送的同時加熱、保溫和冷卻，完成整個滅菌過程。連續(xù)滅菌時間短，滅菌溫度一般高于分批滅菌，所以可減少對營養(yǎng)物質(zhì)的破壞，滅菌效果優(yōu)于分批式，但滅菌設(shè)備較復(fù)雜，投資大，而且所有設(shè)備須事先進(jìn)行空罐滅菌，如發(fā)酵罐、加熱器、維持罐、冷卻器等?？諝獬嚎諝膺^濾除菌流程：空氣過

18、濾除菌流程是按生產(chǎn)對無菌空氣的要求，根據(jù)空氣的性質(zhì)制定的。此外，也要從吸氣環(huán)境的空氣條件和所采用設(shè)備的特性綜合考慮后設(shè)計。對一般要求的低壓無菌空氣，可直接采用鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入過濾器，經(jīng)過一至二次過濾除菌制得。如無菌室、超凈工作臺等的無菌空氣就是采用這一簡單流程。一般深層通風(fēng)發(fā)酵，除了要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還需具有一定的壓力，這即是比較復(fù)雜的空氣除菌流程。 1、高空采風(fēng)、兩次冷卻、兩次分油水、適當(dāng)加熱流程 特點(diǎn) ：兩次冷卻、兩次分油水、適當(dāng)加熱?？諝獾谝淮卫鋮s到3035，第二級冷卻至2025，經(jīng)分水后加熱到3035，因?yàn)闇囟壬?，相對濕度下降?、冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程：特點(diǎn)

19、 ：省去一級冷卻和分離設(shè)備及空氣再加熱設(shè)備，簡化了流程，使冷卻水用量也降低了。壓縮空氣從貯罐出來分兩路，一部分進(jìn)冷卻器，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合，使混合后的空氣溫度為3035，相對濕度為5060%深層過濾器除菌機(jī)理：1慣性沖擊滯留作用機(jī)理，當(dāng)氣流前進(jìn)時遇到前面的阻礙物而突然改變方向，但顆粒由于慣性力的作用仍然沿直線運(yùn)動與纖維碰撞而附著在纖維表面，此顆粒就被捕集了。2 攔截滯留作用機(jī)理，氣速降至Vc以下時，慣性沖擊作用已不存在，然而存在著另一種作用，即攔截作用來捕集微粒。這是因?yàn)轭w粒緊緊地隨著氣流流動，氣流改變流向時顆粒也跟著改變方向，當(dāng)顆粒與纖維表面接觸時就捕

20、集了。3布朗擴(kuò)散滯留作用機(jī)理，有些直徑微小的微粒在很慢的氣速下作不規(guī)則的直線運(yùn)動，這就是布朗擴(kuò)散。小顆粒呈布朗運(yùn)動而發(fā)生位移，當(dāng)它與纖維接觸就附著于纖維表面而被捕集了。前提是dp1m。當(dāng)氣流速度較高時，以慣性沖擊為主，而當(dāng)氣流速度低于一定限度時，以阻攔和擴(kuò)散為主，并可認(rèn)為慣性沖擊不起作用。此時的氣流速度稱為臨界速度Vc四、發(fā)酵動力學(xué)發(fā)酵動力學(xué)是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間的相互作用隨時間變化的規(guī)律的科學(xué)。研究發(fā)酵動力學(xué)的目的在于按人們的需要控制發(fā)酵過程產(chǎn)物合成動力學(xué)：在連續(xù)培養(yǎng)的條件下，由生長、基質(zhì)利用和產(chǎn)物形成的物料平衡方程，可以看出產(chǎn)物的形成與生長和細(xì)胞濃度的關(guān)系 代謝產(chǎn)物的動力學(xué)

21、模型：Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將其分為三種類型：類型稱為相關(guān)模型，或稱伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長的產(chǎn)物形成模型；類型稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長的產(chǎn)物形成模型發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律分批發(fā)酵：是指在一封閉培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)具有初始限制量基質(zhì)的一種發(fā)酵方式 分批發(fā)酵過程的典型類型：a、生長型：如產(chǎn)氣桿菌的生長 b、非生長型：如黑曲霉轉(zhuǎn)化葡萄糖成為葡萄糖酸 并行反應(yīng)：如粘紅酵母相繼反應(yīng)：如假單孢菌 分段反應(yīng) ：如大腸桿菌的二階段式生長 絲狀微生物發(fā)酵的產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)的利用：霉菌和其它絲狀微生物的發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率和基質(zhì)利用的動力學(xué)是很復(fù)雜的，典型的

22、例子是青霉素發(fā)酵絲狀微生物發(fā)酵過程獲得高產(chǎn)的一般規(guī)律：(1)在一固定的分批發(fā)酵時間內(nèi)，存在一種得到最佳產(chǎn)率的最適的基質(zhì)起始濃度。如果基質(zhì)濃度太高，菌絲體生長過度，消耗大量基質(zhì)導(dǎo)致“短周期發(fā)酵”現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成產(chǎn)物生成量減少；如果基質(zhì)濃度太低，菌絲體生長差，到產(chǎn)物生產(chǎn)期便沒有足夠的菌絲體制造產(chǎn)物（2）為了提高產(chǎn)物形成速率，對菌絲分枝程度也須加以優(yōu)化。如果菌絲體分枝過少，停滯期和發(fā)酵周期均延長。目前已知菌絲體的分枝程度與種子的生長狀況有關(guān)，因此需尋找最適的種子培養(yǎng)條件（3）為了提高氧的傳遞速率，對深層發(fā)酵過程似乎宜采用劇烈的攪拌，但是對于青霉素等利用絲狀微生物的發(fā)酵過程來說，中等程度的攪拌對高產(chǎn)有

23、利。對此有幾種解釋，普遍的認(rèn)為是劇烈的攪拌所施加的剪切力會影響霉菌的形態(tài)，促進(jìn)菌絲過多分枝，而使產(chǎn)量下降。連續(xù)發(fā)酵：把新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地供給均勻混合的發(fā)酵系統(tǒng)，同時又以相同的速度把含有細(xì)胞和產(chǎn)物的發(fā)酵液從發(fā)酵系統(tǒng)中抽出便可使發(fā)酵過程連續(xù)化，在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，微生物細(xì)胞的濃度、比生長速率和環(huán)境條件（如營養(yǎng)物質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度），均處于不隨時間而變化的穩(wěn)定狀態(tài)之下 恒化器的實(shí)際運(yùn)行情況與理論狀態(tài)的對比：碳源限制性恒化器 ； 受N或硫酸鹽限制的恒化器 ；受K、Mg或磷酸鹽限制的恒化器；非恒化連續(xù)培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng)中雜菌污染問題和：污染菌積累的速率污染菌進(jìn)入的速率污染菌流出的速率污染菌生長速率生產(chǎn)菌株突變問

24、題：微生物在復(fù)制過程中難免會出現(xiàn)差錯引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細(xì)胞群體中某一個細(xì)胞發(fā)生了突變，而且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得在給定條件下高速生長的能力，那么它就有可能像雜菌Z一樣，取代系統(tǒng)中原來的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過程失敗多種基質(zhì)的發(fā)酵作用：在連續(xù)培養(yǎng)中，微生物對多種碳源的利用是同時進(jìn)行的。使菌體同時利用多種碳源的關(guān)鍵因素是維持低濃度的分解代謝物。連續(xù)培養(yǎng)提供了利用多種基質(zhì)的有利條件 混合培養(yǎng)：多種微生物的聯(lián)合作用構(gòu)成了混合培養(yǎng)技術(shù) 。在一種穩(wěn)定的混合培養(yǎng)系統(tǒng)中，各種微生物群體的營養(yǎng)需求是各不相同的，而且是相互依賴的。連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)可以建立起這種系統(tǒng)，因?yàn)樗軇?chuàng)造一種具有高度選擇性

25、的只適于某一類微生物生存的條件，而使這類微生物得以積累。 補(bǔ)料分批發(fā)酵：補(bǔ)料分批發(fā)酵也叫半連續(xù)發(fā)酵、半連續(xù)培養(yǎng)，流加發(fā)酵，它是以分批培養(yǎng)為基礎(chǔ)，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的一種發(fā)酵方法 特點(diǎn)：使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)：可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧矛盾避免在培養(yǎng)基中積累有毒代謝物，即代謝阻遏。不需要嚴(yán)格的無菌條件，也不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題 固態(tài)發(fā)酵：微生物在固態(tài)培養(yǎng)基上發(fā)酵的一種形式五、生物反應(yīng)器中的物質(zhì)傳遞：微生物反應(yīng)過程傳質(zhì)的三種水平：胞內(nèi)傳質(zhì)、細(xì)胞膜胞外傳質(zhì)、超細(xì)胞傳質(zhì) ；對于需氧的微生物反應(yīng)，還存在一個氧從氣相通過擴(kuò)

26、散進(jìn)入液相，進(jìn)而又經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入絮凝體內(nèi)部供給細(xì)胞進(jìn)行呼吸的傳遞過程 氧在在傳遞過程中存在的阻力：氧從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面的阻力通過氣液界面的阻力通過氣泡外測的滯流液膜，到達(dá)液相主體的阻力液相主體中的傳遞阻力通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到達(dá)細(xì)胞團(tuán)與液體界面的阻力通過液體與細(xì)胞團(tuán)之間界面的阻力 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴(kuò)散阻力進(jìn)入細(xì)胞的阻力（結(jié)合ppt圖形記憶、項(xiàng)屬供氧方面的阻力；項(xiàng)為耗氧方面的阻力。當(dāng)單個細(xì)胞以游離狀態(tài)懸浮于液體中時第項(xiàng)阻力消失）氣體吸收：是氣相成分單向往液相擴(kuò)散溶解的物質(zhì)傳遞過程。物質(zhì)傳遞速度的機(jī)理，主要模型有根據(jù)Whiteman建議的穩(wěn)定模型（1923年提出）與H

27、igbie提供的不穩(wěn)定模型（1935年提出），前者以雙膜學(xué)說（two-film theory）著稱。后者以滲透學(xué)說（penetration theory）而聞名。從工程學(xué)角度說，前者簡便，主要適用于需氧微生物的反應(yīng)器設(shè)計穩(wěn)定模型：三種假定：1. 在氣、液兩相的主流內(nèi)，溶解氣體主要通過對流傳遞，可是沿著氣液界面的氣、液兩側(cè)各存在著層流薄膜，溶質(zhì)氣體只靠分子擴(kuò)散在兩界膜內(nèi)移動。2溶解氣體在兩界膜內(nèi)的濃度分布與時間無關(guān)（穩(wěn)定狀態(tài)）。3在界面處，氣相中的分壓與液相中的濃度之間常常達(dá)到平衡，在那里完全不存在物質(zhì)傳遞的阻力。不穩(wěn)定模型：這個模型是指氣體不穩(wěn)定地被吸收到不紊亂的液體（即靜止或?qū)恿髁鲃拥囊后w）

28、中的情況。如果含有某一溶解氣體的氣相與某液體相接觸時，則液側(cè)界面近傍的濃度分布隨時間變化，不成為穩(wěn)定狀態(tài)。體積溶氧系數(shù)的測定方法：亞硫酸鹽氧化法極譜法氧的物料衡算法溶氧電極法測定的三個用途：1對生物反應(yīng)器的傳氧性能進(jìn)行測定，以便選擇最佳條件進(jìn)行操作，并對其進(jìn)行評價。2對發(fā)酵過程傳氧性情況進(jìn)行了解，以便判斷發(fā)酵過程的供氧情況。3.為通風(fēng)罐的研究過程找出設(shè)備參數(shù)（如），操作變數(shù)（如N攪拌器轉(zhuǎn)數(shù) Q通風(fēng)量）與的關(guān)系，以便進(jìn)行運(yùn)用發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計。六、通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：(1) 傳質(zhì)和傳熱性能好；(2) 結(jié)構(gòu)密封、防雜菌污染；(3) 設(shè)備簡單、維修方便；(4) 生產(chǎn)能力高 (5)

29、能耗低； (6)檢測控制系統(tǒng)完善；(7) 易放大； (8)生產(chǎn)安全應(yīng)用：生產(chǎn)酵母、單細(xì)胞蛋白、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、抗生素、維生素等常用通風(fēng)發(fā)酵罐：機(jī)械攪拌發(fā)酵罐、氣升環(huán)流發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備。機(jī)械攪拌發(fā)酵罐：工作原理：利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣；發(fā)酵罐的基本條件：1) 具有適宜的徑高比； (2)能夠承擔(dān)一定壓力； (3)保證必需的溶解氧； (4)具有足夠的冷卻面積； (5) 盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌；(6)軸封嚴(yán)密罐體：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。為了滿足

30、工業(yè)要求，在一定壓力和溫度下操作，罐為一個受壓耐溫容器，通常要求耐受130和0.25MPa(絕對壓力)攪拌器：有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進(jìn)式等；其作用是打碎氣泡，使氧溶解于發(fā)酵液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體擋板：改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取(0.10.12)D，裝設(shè)46塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。軸封：作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌； 填料函軸封

31、：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。端面式軸封又稱機(jī)械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋等）的壓力使垂直軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達(dá)到密封?？諝夥植计鳎嚎諝夥植计鞯淖饔茫捍等霟o菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等，常用的分布裝置有單管式。空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。環(huán)形管的分布裝置的空氣分散效果不及單管式分布裝置。同時由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。通常通風(fēng)管的空氣流速取20m/s。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布

32、器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)。可延長罐底壽命消泡裝置：消泡裝置就是安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上的，可將泡沫打破或?qū)⑴菽扑榉蛛x成液態(tài)和氣態(tài)兩相的裝置，從而達(dá)到消泡的目的。兩種消泡方法: (1) 加入化學(xué)消泡劑；化學(xué)消泡劑：植物油脂，如玉米油、豆油等；動物油脂，如豬油等；高分子化合物。(2)使用機(jī)械消泡裝置：機(jī)械消泡裝置：最簡單實(shí)用為耙式消泡器，此外還有渦輪消泡器、旋風(fēng)離心式和葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等聯(lián)軸器及軸承：大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接、常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種（小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸

33、連接）軸 承：中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承；大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。冷卻裝置：1.夾套冷卻，用于5m3以下小發(fā)酵罐；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，罐內(nèi)死角少，容易清洗滅菌。缺點(diǎn)：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。2. 豎式蛇管冷卻：適用于大型發(fā)酵罐、優(yōu)點(diǎn)：流速大，傳熱系數(shù)大，降溫效果較好。缺點(diǎn)：冷卻水較高時，降溫困難，彎曲位置易腐蝕3. 豎式列管冷卻適用于：大型發(fā)酵罐氣溫較高的地區(qū)、優(yōu)點(diǎn)：加工方便，提高傳熱推動力的溫差，缺點(diǎn)：用水量較大氣升式發(fā)酵罐（氣升環(huán)流式、塔式、空氣噴射式）：工作原理：把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進(jìn)入發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動，而氣含