發(fā)酵工程復(fù)習(xí)知識點(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上原料的定義： 從工藝角度來看，凡是能被生物細(xì)胞利用并轉(zhuǎn)化成所需的代謝產(chǎn)物或菌體的物料，都可作為發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的原料 具體：一般是含有可發(fā)酵性糖或可轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖的物料，還包括前體物質(zhì)等等原料選擇的原則 1） 滿足生產(chǎn)工藝要求： 適合微生物需要、吸收利用、代謝產(chǎn)物生產(chǎn) 對生產(chǎn)中除發(fā)酵以外的其他方面，如通氣、 攪拌、精制、廢棄物的處理等所帶來的困難最少 2） 滿足管理和經(jīng)濟要求： 原料價格低廉（占成本的比例） 原料資源要豐富，容易收集（60-70s，石油烷烴生產(chǎn)谷氨酸） 因地制宜，就地取材 原料要容易貯藏 3） 滿足環(huán)保的要求 資源化 減少污染常用原料種類 薯類：甘薯、馬

2、鈴薯、木薯、山藥等 糧谷類：高粱、玉米、大米、谷子、大麥、小麥 、燕麥、黍和稷等（酒用原料） 野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜 、金剛頭、香符子等 農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物：米糠（餅）、麩皮、高粱糠 、淀粉渣等 糖蜜 非糧食生物質(zhì)原料：纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等 水果類原料：葡萄、蘋果、山楂等常用原料的化學(xué)組成 碳水化學(xué)物：主要是單糖和雙糖，發(fā)酵微 生物的碳源和能源。一些多糖則需轉(zhuǎn)化為單糖或雙糖后才被利用 蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶分解后產(chǎn)生的多 肽或氨基酸，是糖化菌和酵母菌生長繁殖的氮源 脂肪：針對不同的發(fā)酵產(chǎn)品其作用有較大差別 灰分：主要是P、Mg、K、S、Ca等元素， 是微生物生長和代謝所

3、必需糖蜜：英文名稱： molasses 定義：工業(yè)制糖過程中 ，蔗糖結(jié)晶后，剩余的不能結(jié)晶，但仍含有較多糖的液體殘留物。玉米漿：外文名corn steep liquor，是制玉米淀粉的副產(chǎn)物，原料為玉米糝、水、玉米汁。制造玉米淀粉須將玉米粒先用亞硫酸浸泡，浸泡液濃縮即制成黃褐色的液體，叫玉米漿，含有豐富的可溶性蛋白、生長素和一些前體物質(zhì)，含大約40%50%固體物質(zhì)。味道微咸，是微生物生長很普遍應(yīng)用的有機氮源，它還能促進青霉素等抗生素的生物合成。培養(yǎng)基設(shè)計的基本原則 1）培養(yǎng)基的組成必需滿足細(xì)胞的生長 和代謝產(chǎn)物所需的元素，并能提供 生物合成和細(xì)胞維持活力所需要的 能量 2）營養(yǎng)成分恰當(dāng)?shù)呐浔?

4、3）滲透壓（吸收、傳質(zhì)） 4）pH值 5）氧化還原電位（如：專性厭氧菌）如何進行培養(yǎng)基的設(shè)計 （1）理論計算法碳源和能源+氮源+其他需要細(xì)胞+產(chǎn)物+CO2+H2O+熱量通過計算可以獲得生產(chǎn)一定數(shù)量的細(xì)胞時 所需的營養(yǎng)物的最低數(shù)量。（2）組成微生物的元素包括C、H、O、 N、S、P、Mg和K（見下表），這些元 素都要在方程式中予以平衡（3）有些微生物無力的合成特定營 養(yǎng)物，如氨基酸、維生素或核苷酸 。一旦測出其中一種是生長因子， 就要在培養(yǎng)基中加入適量的純凈的化合物或含有該物質(zhì)的混合物。（4）碳源具有生物合成的底物和能源 的雙重作用，在需氧條件下，對碳 源的需要量可以從菌體對底物的產(chǎn) 率系數(shù)(Y

5、x/s)推算而得。發(fā)酵培養(yǎng)基的組成成分 水 碳源 氮源 無機鹽 維生素 緩沖劑 前體和代謝調(diào)節(jié)劑 消沫劑促進劑： 不促進微生物的生長、只是有助于調(diào)節(jié)產(chǎn)物的形成抑制劑： 加入后會抑制某些代謝途徑，使另一途徑活躍，從而獲得人們需要的代謝產(chǎn)物預(yù)處理的必要性 1，發(fā)酵工廠在進行生產(chǎn)前，必須先將原料中混雜的雜質(zhì)除去，保證后續(xù)工序生產(chǎn)的正常和順利進行 2，為保證后續(xù)工序生產(chǎn)的正常和順利進行，還需對原料進行適當(dāng)加工 3，為保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔，必須采用適當(dāng)?shù)妮斔头绞綄⒃蠌膫}庫運送至配料罐或反應(yīng)器。預(yù)處理的方法（方式）1，原料除雜 篩選 風(fēng)選 磁力除鐵2，原料的粉碎 （1）粉碎的目的： 增加原料受熱面積 粉末

6、狀原料加水混合后容易流動輸送 對于一些帶殼的原料，如高粱、大麥，在粉碎前， 則要求先把皮殼破碎（3）粉碎方法 干粉碎 粗砰常用的設(shè)備是軸向滾筒式粗碎機，也有用錘式粉碎機進行粗碎的例子，常用的細(xì)碎設(shè)備是錘式粉碎機 濕粉碎濕法粉碎工藝的優(yōu)點 徹底消除了粉塵的危害，改善了勞動條件，降低了原料的損耗 提高了原料的粉碎細(xì)度 節(jié)省了蒸煮時所消耗的蒸氣 粉碎機部件（特別是刀片）的磨損減少 設(shè)備簡單，對廠房要求不高（1）機械的輸送（2）氣流輸送 優(yōu)點 設(shè)備簡單 占地面積小 費用少 連續(xù)化自動化改善了勞動條件 輸送能力和距離有較大的變動范圍 在氣流輸送的同時，還可對物料進行加 熱、冷卻、干燥等操作原理： 氣流輸

7、送方法，是借助氣流的動能，使管道中的物料被懸浮輸送。氣流輸送的流程 吸引式流程（真空輸送） 壓送式流程（壓力輸送）流程的比較 吸引式流程，不需加料器，但要有封閉較好的排 料器； 壓送式流程，不需排料器，但要有封閉較好的加 料器； 對相同輸送量，壓送式流程較吸引式流程采用較 細(xì)的管道； 從幾個不同的地方，向一個卸料點時，吸引式流 程較適合；從一個加料點向幾個不同地方送料時 ，壓送式流程較適合淀粉在水-熱處理過程的中變化 （1）水-熱處理的概念 將淀粉質(zhì)原料與水一起，在高溫高壓或低溫低壓的條件下進行處理的過程。 （2）水-熱處理的目的 淀粉原料經(jīng)過水熱處理，使淀粉從細(xì)胞中游離出來，并轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)

8、，以便淀粉酶系統(tǒng)進行糖化作用，這就是原料水-熱處理的主要目的。淀粉的膨脹和溶解 膨脹：淀粉是一種親水膠體，遇水加熱后，水分 子滲入淀粉顆粒的內(nèi)部，使淀粉分子的體積和重量增加，這種現(xiàn)象稱為膨脹。 糊化：在溫水中，當(dāng)?shù)矸垲w粒無限膨脹形成均一 的粘稠液體的現(xiàn)象，稱為淀粉的糊化。此時的溫度稱為糊化溫度。溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高溫度至 130，由于支鏈淀粉的全部（幾乎）溶解，網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)徹底破壞，淀粉溶液的粘度迅速下降， 變?yōu)榱鲃有暂^好的醪液， 這種現(xiàn)象稱為淀粉的溶解或液化。淀粉的老化液化后的淀粉醪液在溫度降低時,黏度逐步增加,重到重新發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象,稱為老化焦糖化：當(dāng)溫度達(dá)到糖的熔點時（ 185

9、）， 糖分脫水形成黑色無定形物，統(tǒng)稱焦糖氨基糖反應(yīng)：還原糖與氨基酸之間產(chǎn) 生的呈色反應(yīng)稱為氨基糖反應(yīng)。酶解法液化、糖化淀粉常用的酶 -淀粉酶：其作用是將淀粉迅速水解為糊精及 少量麥芽糖，對淀粉的作用，可將長鏈從內(nèi)部 分裂成若干短鏈的糊精，所以也稱內(nèi)切淀粉酶 。淀粉受到-淀粉酶的作用后，遇碘呈色很快反應(yīng)，如下表現(xiàn)： 藍(lán)紫紅淺紅不顯色(即碘原色) 糖化酶：作用于淀粉的l，4鍵結(jié)合，能從葡萄糖鍵的非還原性末端起將葡萄糖單位一個一個 的切斷，因為是從鏈的一端逐漸地一個個地切斷為葡萄糖，所以稱為外切淀粉酶。 -淀粉酶： -淀粉酶能水解-1，4糖苷 鍵，不能水解- 1，6糖苷鍵，遇此鍵水解停止，也不能越過

10、繼續(xù)水解。-淀粉酶屆于外切酶，水解產(chǎn)物只有麥芽糖。 異淀粉酶： 異淀粉酶能水解支鏈淀粉和糖原分子中支叉地位的- 1，6糖苷鍵， 使支叉結(jié)構(gòu)斷裂。但對于直鏈結(jié)構(gòu)中的 - 1，6糖苷鍵卻不能水解。 普魯藍(lán)酶 能水解支叉結(jié)構(gòu)和直鏈 結(jié)構(gòu)的- 1，6糖苷鍵、支鏈淀粉、 糖原和其-極限糊精及普魯藍(lán)分子中的- 1，6鍵。脫支酶普魯蘭酶vs異淀粉酶 普魯蘭酶類型的淀粉脫支酶和異淀粉酶類型的淀粉脫支酶都能夠?qū)Ｒ坏厍虚_支鏈淀粉分支點中的-1,6糖苷鍵，將小單位的支鏈分解，從而切下整個側(cè)枝，最大限度地利用淀粉原料。 其不同在于：普魯蘭酶作用底物的最小單位是2個麥芽糖基含1個 -1,6-糖苷鍵 異淀粉酶作用底物的最

11、小單位是麥芽三糖基或麥芽四糖基含1個 -1,6-糖苷鍵，不能水解只有2個葡萄糖基的-1,6-糖苷鍵。表現(xiàn)為前者以普魯蘭和支鏈淀粉為底物，不能作用于植物和動物糖原 ；后者能夠去除支鏈淀粉和植物、動物糖原中的分支鏈，卻不能作用于普魯蘭。 異淀粉酶類型的淀粉脫枝酶相較普魯蘭類型的淀粉脫枝酶具有諸多優(yōu)點，首先它能同時從內(nèi)部和外部水解支鏈淀粉的分支點；其次它的催化反應(yīng)具有不可逆性；再者，異淀粉酶的催化活性不會被麥芽糖所抑制DE值：糖化液中還原糖含量（以葡萄糖計）占干物質(zhì)的百分率，用以表示淀粉糖的糖組成。還原糖用斐林法或碘量法測定，干物質(zhì)用阿貝折光儀測定。酶法液化方法 升溫液化法-間歇式 工藝：將濃度30

12、40%淀粉乳調(diào)整pH到 6.5，加入CaCl2(0.01mol/L)和一定量淀 粉酶(58u/克淀粉)，劇烈攪拌，加熱到 8590，保持3060分鐘，達(dá)到液化程 度( DE 1518 )，升溫到100，滅酶10 分鐘。 此方法簡便，但效果較差，能耗大，原 料利用率低，過濾性能差。 高溫液化法（噴淋連續(xù)進出料液化法） -半連續(xù)式 工藝：將淀粉乳調(diào)整到適當(dāng)pH和Ca2+濃度，加 入一定量的液化酶，用泵打給噴淋頭引入液化 罐中（其中已有90熱水），淀粉糊化后，立 即液化，至保溫罐90保溫40分鐘，達(dá)到液化 的程度。 優(yōu)點：設(shè)備和操作簡單，效果比間歇液化好。 缺點：不安全，蒸汽耗量大，溫度無法達(dá)到最

13、佳溫度，液化效果差，糖液過濾性能也差 噴射液化法-連續(xù)式利用噴射器將蒸汽直接噴射至淀粉薄層 ，以在短時間內(nèi)達(dá)到要求的溫度，完成 糊化和液化。噴射后，進入保溫罐， 8590保溫45分鐘。 優(yōu)點：設(shè)備小，便于連續(xù)操作，原料利用率高，轉(zhuǎn)化率高，蛋白質(zhì)凝聚好。但 要求一定壓力的蒸汽，進出料的速度要穩(wěn)定。液化程度的控制 淀粉液化的目的：為糖化酶作用創(chuàng)造條件； 合適的分子大小適合糖化酶作用 碘試/測定DE值(Dextrose Equivalent) 正常DE值1020（糊精、低聚糖、單糖） DE值高，糊精太小，不利于糖化酶作用，影響 催化效率，終點DE值低。 DE值低，液化不徹底，糖化速度慢，酶用量大 ，

14、時間長，過濾性能差。 透光率和澄清度液化效果的標(biāo)準(zhǔn) 液化要均勻 蛋白絮凝效果好 （滅酶，100/10min） 液化徹底（60C時液化液要穩(wěn)定，不出現(xiàn)老 化現(xiàn)象，不含不溶性淀粉顆粒，液化液透明 、清亮）糖化理論 糖化：以無機酸或酶為催化劑，在一定溫度 下使淀粉水解，將淀粉全部或部分轉(zhuǎn)化為葡萄糖等可發(fā)酵性糖的過程。 糖化劑 ：糖化過程中所用的催化劑。包括無 機酸和酶。 糖化的目的：將淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖。 理論收率（111.11%) 實際收率（105%108%） 淀粉轉(zhuǎn)化率淀粉水解過程的反應(yīng) 主反應(yīng)：糖化（水解作用） 副反應(yīng)： 復(fù)合反應(yīng)（在酸和熱作用下，部分葡萄糖經(jīng) 1，6鍵結(jié)合成龍膽二糖，異麥芽

15、糖和其他低 聚糖。） 分解反應(yīng)（葡萄糖分解為羥甲基糠醛，有機 酸和有色物質(zhì)等非糖產(chǎn)物）糖化的過程檢測 檢驗液化：是否有淀粉，用碘液，是否 呈蘭色； 檢驗糖化：是否水解完全 測定還原糖； 用無水酒精。（1） 酸解法（酸糖化法） 定義：以酸（無機酸或有機酸）為催化劑，在 高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。 優(yōu)點： 工藝簡單，設(shè)備較單一 水解時間短，設(shè)備周轉(zhuǎn)快 缺點： 需耐高溫、高壓和耐腐蝕的設(shè)備 副產(chǎn)物多，淀粉的轉(zhuǎn)化率低 對原料要求高 廢水難處理（2） 酶解法 定義：以酶為催化劑，在常溫常壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。包括液化和糖化兩個過程 ，故又稱雙酶水解法。 優(yōu)點： 反應(yīng)條件溫和 副反應(yīng)少，

16、淀粉質(zhì)量高 可在較高淀粉濃度下水解，對預(yù)料要求不高 糖液的質(zhì)量高、營養(yǎng)物質(zhì)較豐富 缺點： 水解時間長，夏天糖液容易變質(zhì) 設(shè)備較多糖化方法的比較 水解時間：酸法短，酶法長 水解程度：酶法高 糖液雜質(zhì)：酶法低，酸法高酶法糖化的工藝流程 液化糖化滅酶過濾貯糖計量發(fā)酵 工藝要點： 糖化pH4.2-4.5 溫度60左右 糖化酶用量150U/g淀粉 糖化時間32小時，用無水酒精檢驗無糊精存在 時，糖化結(jié)束，然后將pH調(diào)整至4.8-5.0，維持 20分鐘滅酶水解糖液的質(zhì)量要求和控制要點 （1） 水解糖液的質(zhì)量要求 色澤：呈強黃色透明液 糊精反應(yīng)：無 還原糖含量，18左右 DE值：90以上 透光率：6080左

17、右（650納米） pH值：4.64.8 淀粉轉(zhuǎn)化率：92%以上（實際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量）（2） 水解糖液的控制要點 合理控制淀粉乳濃度 糖液要清 溶液中不含糊精 糖液要新鮮 糖液貯存容器一定要保持清潔，定期清 理和清洗，防止酵母菌等浸入纖維質(zhì)原料的預(yù)處理 物理方法有： 剪切和研磨 高溫液態(tài)法 高溫分解 微波處理 蒸汽爆破 高能輻射 常用的化學(xué)法有： 臭氧法 酸水解法 堿法 氧化脫木素法 有機溶劑法 常用的物理化學(xué)法有： 蒸汽爆裂法 氨纖維爆裂 CO2爆破法 蒸汽爆裂與乙醇抽提結(jié)合法 氨冷凍爆破法生物合成的前體物質(zhì)指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能 被微生物在生物合成過程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，其自身

18、結(jié)構(gòu)并無多大變化，但產(chǎn)量卻因前體的加入有較大提高。 滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子 消毒：用物理或化學(xué)方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。工業(yè)上具體措施包括： 1）使用的培養(yǎng)基和設(shè)備須經(jīng)滅菌； 2）好氧培養(yǎng)中使用的空氣應(yīng)經(jīng)除菌處理 ； 3）設(shè)備應(yīng)嚴(yán)密，發(fā)酵罐維持正壓環(huán)境； 4）培養(yǎng)過程中加入的物料應(yīng)經(jīng)過滅菌； 5）使用無污染的純粹種子。培養(yǎng)基滅菌的目的 殺滅培養(yǎng)基中的微生物，為后續(xù)發(fā)酵過程創(chuàng)造無菌的條件。培養(yǎng)基滅菌的要求 達(dá)到要求的無菌程度（10-3） 盡量減少營養(yǎng)成分的破壞，在滅菌過程中，培養(yǎng)基組分的破壞，是由兩個基本類型的反應(yīng)引起的：

19、培養(yǎng)基中不同營養(yǎng)成分間的相互作用； 對熱不穩(wěn)定的組分如氨基酸和維生素等 的分解。濕熱滅菌的原理 每一種微生物都有一定的最適生長溫度 范圍。當(dāng)微生物處于最低溫度以下時， 代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)。當(dāng)溫度超過最高限度時，微生物細(xì)胞中的原生質(zhì)膠體和酶起了不可逆的凝固變性 ，使微生物在很短時間內(nèi)死亡，加熱滅菌即是根據(jù)微生物這一特性而進行的。濕熱滅菌中的相關(guān)定義 殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度。 在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時間稱為致死時間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時間愈短。 微生物的熱阻：是指微生物在某一特定 條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。相對熱阻是指某一微生物在某條件

20、下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。濕熱滅菌的優(yōu)點 蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒 ； 蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底； 蒸汽有很大的潛熱； 操作方便，易管理。保證間歇滅菌成功的要素 內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理(主要是無死角)，焊縫及軸封裝置可靠，蛇管無穿孔現(xiàn)象 壓力穩(wěn)定的蒸汽 合理的操作方法連續(xù)滅菌的流程噴射加熱-真空冷卻流程板式換熱器滅菌流程連消塔-噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程 維持罐 滅菌系統(tǒng)中的維持設(shè)備，主要是使加熱后的培養(yǎng)基在維持設(shè)備中保溫一段時間，以達(dá)到滅菌 的目的，也稱保溫設(shè)備噴射加熱器 可使料液和蒸汽迅速接觸，充分混合，加熱是 在瞬時內(nèi)完成的。連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點 優(yōu)點 保留較多的

21、營養(yǎng)質(zhì)量 容易放大 較易自動控制； 糖受蒸汽的影響較少； 縮短滅菌周期； 在某些情況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕減少； 發(fā)酵罐利用率高； 蒸汽負(fù)荷均勻。 缺點 設(shè)備比較復(fù)雜，投資較大。分批滅菌的優(yōu)缺點 優(yōu)點 設(shè)備投資較少 染菌的危險性較小 人工操作較方便 對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時更為適宜 缺點 滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負(fù)荷波動大 ，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。發(fā)酵罐的滅菌培養(yǎng)基的滅菌如果是采用連續(xù)滅菌法。則發(fā)酵罐應(yīng)在加入滅菌的培養(yǎng)基前先行單獨滅菌。在保溫結(jié)束后，關(guān)鍵是隨即通入無菌空氣，使容器保持正壓，防止形成真空而吸入帶菌的空氣。不同種類的雜菌對發(fā)酵的影響 青霉素發(fā)酵：污染細(xì)短產(chǎn)氣桿菌比

22、粗大桿菌的危害大 鏈霉素發(fā)酵：污染細(xì)短桿菌、假單 孢桿菌和產(chǎn)氣桿菌比粗大桿菌的危害大 四環(huán)素發(fā)酵：污染雙球菌、芽孢桿 菌和夾膜桿菌的危害較大 檸檬酸發(fā)酵：最怕污染青霉菌 肌苷、肌苷酸發(fā)酵：污染芽孢桿菌 的危害最大 谷氨酸發(fā)酵：最怕污染噬菌體 高溫淀粉酶發(fā)酵：污染芽孢桿菌和 噬菌體的危害較大不同染菌時間對發(fā)酵的影響 種子培養(yǎng)期染菌：菌體濃度低、培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富 發(fā)酵前期染菌：雜菌與生產(chǎn)菌爭奪營養(yǎng)成分， 干擾生產(chǎn)菌的繁殖和產(chǎn)物的形成 發(fā)酵中期染菌：嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的繁殖和產(chǎn)物的生成 發(fā)酵后期染菌：如雜菌量不大，可繼續(xù)發(fā)酵。 如污染嚴(yán)重，可采取措施提前放罐不同染菌途徑對發(fā)酵的影響 種子帶菌：種子帶菌可使

23、發(fā)酵染菌具有延續(xù)性 空氣帶菌：空氣帶菌也使發(fā)酵染菌具有延續(xù)性，導(dǎo)致染菌范圍擴大至所有發(fā)酵罐 培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底：一般為孤立 事件，不具有延續(xù)性 設(shè)備滲漏：這種途徑造成染菌的危害性較大染菌對產(chǎn)物提取和產(chǎn)品質(zhì)量的影響 對過濾的影響： v發(fā)酵液的粘度加大 v菌體大多自溶 v由于發(fā)酵不徹底，基質(zhì)的殘留濃度增加 造成的后果： v過濾時間拉長，影響設(shè)備的周轉(zhuǎn)使用，破壞生產(chǎn)平衡 v大幅度降低過濾收率 對提取的影響 v有機溶劑萃取工藝：染菌的發(fā)酵液含有更多 的水溶性蛋白質(zhì)，易發(fā)生乳化，使水相和溶劑相難以分開 v離子交換工藝：雜菌易粘附在離子交換樹脂 表面或被離子交換樹脂吸附，大大降低離子 交換樹脂的交換量

24、 對產(chǎn)品質(zhì)量的影響 v對內(nèi)在質(zhì)量的影響：染菌的發(fā)酵液含有較多的蛋白質(zhì)和其它雜質(zhì)。對產(chǎn)品的純度有較大影響。（內(nèi)毒素、熱原） v對產(chǎn)品外觀的影響：一些染菌的發(fā)酵液經(jīng) 處理過濾后得到澄清的發(fā)酵液，放置后會出現(xiàn)混濁，影響產(chǎn)品的外觀。目前生產(chǎn)上常用的雜菌檢查方法有： 顯微鏡檢查：染色 鏡檢 平板劃線檢查： 倒平板 空培養(yǎng) 待測樣品劃線 培養(yǎng)觀察 酚紅肉湯培養(yǎng)檢查： 無菌肉湯培養(yǎng)基空培養(yǎng) 接入樣品 培養(yǎng)觀察 判斷發(fā)酵是否染菌應(yīng)以無菌試驗結(jié)果為根據(jù) 無菌試驗的目的： 1，監(jiān)測培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及附屬設(shè)備滅菌是否徹 底 2，監(jiān)測發(fā)酵過程中是否有雜菌從外界侵入 3，了解整個生產(chǎn)過程中是否存在染菌的隱患和 死角各種檢

25、查方法的比較 顯微鏡檢查方法簡便、快速，能及時發(fā)現(xiàn)雜 菌，但由于鏡檢取樣少，視野的觀察面也小 ，因此不易檢出早期雜菌。 平板劃線法和肉湯培養(yǎng)方法的缺點是需經(jīng)較 長時間培養(yǎng)(一般要過夜)才能判斷結(jié)果，且操作較繁瑣，但它要比顯微鏡能檢出更少的雜菌，而且結(jié)果也更為準(zhǔn)確從染菌的規(guī)模來分析染菌原因 大批發(fā)酵罐染菌 ：空氣系統(tǒng) 部分發(fā)酵罐(或罐組)染菌：前期可能是種子 帶雜菌，或滅菌不徹底，中后期則可能是中 間補料系統(tǒng)或油管路系統(tǒng)發(fā)生問題所造成的 個別發(fā)酵罐連續(xù)染菌：設(shè)備問題(如閥門的滲 漏或罐體腐蝕磨損)，設(shè)備的腐蝕磨損所引起 的染菌會出現(xiàn)每批發(fā)酵的染菌時間向前推移 的現(xiàn)象 個別發(fā)酵罐偶然染菌：原因比較

26、復(fù)雜，因為 各種染菌途徑都可能引起。從染菌的時間來分析 發(fā)酵早期染菌：種子帶菌、培養(yǎng)基和設(shè) 備滅菌不徹底、設(shè)備或管道有死角 中、后期染菌：中間補料、設(shè)備滲漏、 操作不合理從染菌的類型來分析 耐熱性芽抱桿菌：死角或滅菌不徹底 球菌、酵母：可能是從蒸汽的冷凝水或空氣 中帶來的 淺綠色菌落(革蘭氏陰性桿菌) ：發(fā)酵罐的冷 卻管或夾套滲漏 霉菌：滅菌不徹底或無菌操作不嚴(yán)格種子帶菌的原因 無菌室的無菌條件不符合要求 培養(yǎng)基滅菌不徹底 操作不當(dāng)種子搖瓶培養(yǎng)的注意事項 保證搖瓶間的清潔衛(wèi)生 搖瓶內(nèi)液體裝料不宜過多 瓶口包扎的紗布一般為八層以上設(shè)備滲漏的原因 發(fā)酵液中腐蝕性物質(zhì)對設(shè)備的腐蝕 磨蝕 v發(fā)酵液中固

27、體物料因攪拌槳的攪動與冷卻管摩擦 而引起管外壁磨損 v冷卻介質(zhì)和加熱時蒸汽的沖擊，引起管內(nèi)壁的磨損 設(shè)備加工不良 v彎管時，彎頭處管壁變薄 v焊接不良盤管滲漏的防止 放罐后要認(rèn)真清洗發(fā)酵罐 控制冷卻水質(zhì)量，降低其中氯離子含量 對盤管定期檢查、試漏，及時發(fā)現(xiàn)漏隙 試漏方法 氣壓試驗 ：先在發(fā)酵罐內(nèi)放滿清水，用壓縮空氣通入管子，觀察水面有無氣泡產(chǎn)生以確定管子有否滲漏和滲漏的部位。 水壓試驗 ：用手動泵或試壓齒輪泵將水逐漸壓入冷卻管 ，泵到一定壓力時，觀察管子有否滲漏現(xiàn)象防漏 在發(fā)酵罐底的出料閥門和 空氣管道連接的蒸汽管道 上的閥門，可安裝雙重閥， 其優(yōu)點是： 即使閥門1有滲漏，蒸汽 也可通過閥門3

28、排除隔膜閥有以下優(yōu)點： 嚴(yán)密不漏。 無填料。 閥結(jié)構(gòu)為流線型，流量大，阻力小，無死角，無堆積物，在關(guān)閉時不會使緊密面軋壞。 檢修方便。但須定期檢查隔膜有否老化及脫落。膜隔閥的缺點： 制造不夠精密；體積較大，在管道上占用較大的面積和空間。 中心易引起滲漏。 隔膜閥開關(guān)費力，需要借助扳手。 橡膠隔膜是橡膠和簾布復(fù)合制成，如質(zhì) 量不好，簾布與橡膠易脫落，固定隔膜的螺栓也易脫落。管路的連接 螺紋連接 法蘭連接 焊接死角是指滅菌時因某些原因使滅菌溫度達(dá)不到或不易達(dá)到的局部地區(qū)。染菌后的挽救措施 種子培養(yǎng)或種子罐中發(fā)現(xiàn)污染 。 發(fā)酵早期染菌可以適當(dāng)添加營養(yǎng)物質(zhì)，重新滅菌后 再接種發(fā)酵。 中后期染菌，如果雜

29、菌的生長將影響發(fā)酵的正常進 行或影響產(chǎn)物的提取時，應(yīng)該提早放罐。 有些發(fā)酵染菌后發(fā)酵液中的碳、氮源還較多，如果 提早放罐，這些物質(zhì)會影響后處理提取使產(chǎn)品取不出，此時應(yīng)先設(shè)法使碳、氮源消耗，再放罐提取。引起噬菌體感染的原因 設(shè)備的滲漏 空氣系統(tǒng)、培養(yǎng)基滅菌不徹底預(yù)防噬菌體感染的措施 發(fā)酵罐的排氣管要用汽封或引入藥液(如高錳酸鉀、漂白粉或石灰水等溶液)槽中。 取樣、洗罐或倒罐的帶菌液體要處理后才允 許排入下水道。 把好種子關(guān)，實現(xiàn)嚴(yán)格的無菌操作。 搞好生產(chǎn)場地的環(huán)境衛(wèi)生。車間四周要經(jīng)常 進行檢查，如發(fā)現(xiàn)噬菌體即時用藥液噴灑。感染噬菌體后采用的理方法 選育抗性菌株。 輪換使用專一性不同的菌株。 加化

30、學(xué)藥物(如谷氨酸發(fā)酵可加24ppm氯霉素， 0.1%三聚磷酸鈉，0.6%檸檬酸鈉或銨等)。 將培養(yǎng)液重新滅菌再接種(噬菌體不耐熱，7080C 經(jīng)5分鐘即可殺死)。一般按染菌機率為10-3，即1000 次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許12次染菌。輻射滅菌原理 射線、X射線、射線、射線、紫外線 、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì) ，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。 通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。 缺點 殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要 結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。加熱滅菌 利用壓縮熱進行空氣滅菌靜電除菌 1，原理 利用靜電引力來吸附帶電粒子而 達(dá)到除塵、除菌的目的。 2，優(yōu)點 阻力小

31、染菌率低 除水、除油的效果好 耗電少 3，缺點 設(shè)備龐大 、一次性投資較大 、 捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。過濾介質(zhì)的類型 表面過濾介質(zhì): 編織網(wǎng)粉末燒結(jié) 深度過濾介質(zhì): 纖維材料結(jié)構(gòu) 棉花 活性炭或玻璃纖維 有機合成纖維 澆鑄膜結(jié)構(gòu)表面過濾介質(zhì)定義所有濾孔在一個平面上依靠直接攔截捕獲顆粒深度過濾介質(zhì)定義污染物被介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)捕獲的一種過濾介質(zhì)， 濾孔貫穿于整個介質(zhì)厚度。調(diào)整流道可以獲得高容污能力過濾機理4直接攔截 4慣性撞擊 4擴散攔截種子擴大培養(yǎng)：是指將保存在砂土管、 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后，在經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過

32、程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。作為種子的準(zhǔn)則 菌種細(xì)胞的生長活力強，移種至發(fā)酵罐 后能迅速生長，遲緩期短； 生理形狀穩(wěn)定； 菌體總量及濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的 要求； 無雜菌污染； 保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。種子制備的過程大致可分為： 實驗室種子制備階段 生產(chǎn)車間種子制備階段實驗室種子的制備一般采用兩種方式 對于產(chǎn)孢子能力強的及孢子發(fā)芽、生長繁 殖快的菌種可以采用固體培養(yǎng)基培養(yǎng)孢子 ，孢子可直接作為種子罐的種子，這樣操作簡便，不易污染雜菌。 對于產(chǎn)孢子能力不強或孢子發(fā)芽慢的菌種 ，可以用液體培養(yǎng)法。種子罐的作用： 主要是使孢子發(fā)芽，生長繁殖成菌（絲 ）體，接入發(fā)酵罐能迅速生長，達(dá)到一 定的菌體量，以利

33、于產(chǎn)物的合成。種子罐級數(shù)的確定 種子罐級數(shù)：是指制備種子需逐級擴大 培養(yǎng)的次數(shù)，取決于： 菌種生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度 ； 所采用發(fā)酵罐的容積影響種子質(zhì)量的因素及控制 孢子的質(zhì)量 培養(yǎng)基 培養(yǎng)條件 種齡 接種量影響孢子質(zhì)量的因素及控制 培養(yǎng)基 培養(yǎng)條件 培養(yǎng)時間和冷藏時間種齡：是指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體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：是指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。菌種衰退：菌種經(jīng)過長期人工培養(yǎng)或保 藏，由于自發(fā)突變的作用而引起某些優(yōu) 良特性變?nèi)趸蛳У默F(xiàn)象菌種退化的原因： 基因突變； 變異菌株性狀分離； 連續(xù)傳代 其它因素 菌種保藏不當(dāng) 生長條件不滿足（

34、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件防止菌種退化的措施 控制傳代次數(shù) 選擇合適的培養(yǎng)條件 選擇合適的保藏方法 菌種穩(wěn)定性檢查 分離復(fù)壯菌種復(fù)壯：使衰退的菌種重新恢復(fù)原來 的優(yōu)良特性。 復(fù)壯措施： 對已衰退菌種配合一定培養(yǎng)條件進行單細(xì)胞 分離純化 淘汰衰退的個體 選擇合適的培養(yǎng)基發(fā)酵工業(yè)菌種的來源 發(fā)酵工業(yè)水平高低的決定因素：菌種、發(fā)酵 工業(yè)和提純工藝 自然界：土壤、空氣、水體等 誘變菌株：化學(xué)誘變、高能射線（宇宙射線 、伽馬射線）、基因工程誘變 工程菌株（代謝途徑改造）：經(jīng)基因工程、 代謝工程或合成生物學(xué)方法進行改良工業(yè)發(fā)酵對微生物菌種的要求（1）產(chǎn)物（代謝性能） 終產(chǎn)物濃度（titer）高：發(fā)酵液中濃度高，

35、利 于純化，如以g/L表示。 生產(chǎn)效率（productivity）高:短時間內(nèi)產(chǎn)生大 量的發(fā)酵產(chǎn)物，如以單位g/L/h進行表征。（2）底物（代謝性能）： 原料成本低：能以廉價原料進行發(fā)酵（乙 醇發(fā)酵和ABE發(fā)酵的例子：淀粉木質(zhì)纖 維素合成氣） 轉(zhuǎn)化率（yield）高：副產(chǎn)物少，提高原料 利用率和分離純化難度 全細(xì)胞轉(zhuǎn)化發(fā)酵：不利用添加前體物質(zhì),舉 例如谷氨酸-氨基丁酸+CO2（3）菌株其他特征： 菌種一般為單菌，或明確的幾種菌組成， 能抗噬菌體和抗雜菌污染。 遺傳性狀穩(wěn)定，菌種不易變異退化，利于 長期使用和工藝的穩(wěn)定性 生產(chǎn)菌種不能是病原菌，不產(chǎn)任何毒素代謝變化是反映發(fā)酵過程中菌體的生長，發(fā)酵

36、參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng) 條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。把它們隨時間變化的過程繪 制成圖，就成為所說的代謝曲線。分批發(fā)酵的定義 是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。 除氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。分批發(fā)酵的特點微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時間而變化，是一個不穩(wěn)定的過程。優(yōu)點操作簡單；操作引起染菌的概率低。不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題缺點非生產(chǎn)時間較長、設(shè)備利用率低。（按照菌體生長，碳源利用和產(chǎn)物生成的變化 ） 第一類型:生長關(guān)聯(lián)型 產(chǎn)物直接來源于產(chǎn)能的初級代謝（自身繁殖所必需的代謝），菌體生長與產(chǎn)物形成不分開。例如單細(xì)胞

37、蛋白和葡萄糖酸的發(fā)酵 第二類型：部分生長關(guān)聯(lián)型 產(chǎn)物也來源于能量代謝所消耗的基質(zhì)，但產(chǎn)物的形成在與初級代謝分開的次級代謝中，出現(xiàn)兩個峰，菌體生長進入穩(wěn)定期，出現(xiàn)產(chǎn)物形成高峰。 例如，檸檬酸和某些 氨基酸的發(fā)酵。 第三類型:非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物是在基質(zhì)消耗和菌體生長之后， 菌體利用中間代謝反應(yīng)來形成的，即產(chǎn)物的形成和初級 代謝是分開的。 如抗生素發(fā)酵。分批發(fā)酵的分類對實踐的指導(dǎo)意義如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是生長關(guān)聯(lián)型（如菌體與初級代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細(xì)胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期；如果產(chǎn)品是非生長關(guān)聯(lián)型（如次級代謝產(chǎn)物），則宜縮短對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長平衡期，以

38、提高產(chǎn)量。補料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā) 酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地 補加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。 優(yōu)點 使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度； 和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無菌條件； 不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。 缺點 存在一定的非生產(chǎn)時間； 和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基， 增加了染菌的危險。連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液， 使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、 恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發(fā)酵方式。 優(yōu)點 能維持低基質(zhì)濃度； 可以提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量； 便于

39、自動控制。 缺點 菌種發(fā)生變異的可能性較大； 要求嚴(yán)格的無菌條件。連續(xù)發(fā)酵的類型 恒化培養(yǎng) 使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定 恒濁培養(yǎng) 使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射-Q顯溫度對發(fā)酵的影響 影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì) 影響生物合成的方向 影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 溫度影響代謝物比例最適溫度的確定最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下 最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成（最適生 長與最適生產(chǎn)溫度常不一致）。 最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條 件和菌體生長階段有關(guān)。 最適發(fā)酵溫度的選擇 在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。 溫度的選擇要參考其它

40、發(fā)酵條件。 溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度發(fā)酵過程中pH變化的原因1. 基質(zhì)代謝 （1）糖代謝：特別是快速利用的糖，分解成小分子的有機酸，使pH下降；產(chǎn)能過程中大量的CO2，使pH下降；糖缺少時，pH上升，是補料的標(biāo)志之一。 （2）氮代謝： NH4 +;氨基酸中的-NH2被利用后，pH 降低；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時氮源當(dāng)碳源利用pH上升。 （3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH上升或下降如，(NH4 )2SO4，生理酸性鹽；硝酸鈉利用后產(chǎn)生堿性。2. 產(chǎn)物形成代謝產(chǎn)物呈酸性（ABE發(fā)酵，丙酮酸發(fā)酵）；紅 霉素、螺旋霉素發(fā)酵pH上升。3. 菌體自溶（auto

41、lysis）：釋放氨基氮，pH上升， 大量DNA釋放，發(fā)酵液粘度增加，后續(xù)過濾困難pH對發(fā)酵過程的影響(1) pH影響微生物的生長 (2) pH影響酶活性，如細(xì)胞膜蛋白的構(gòu)象，對胞內(nèi)酶進行間接影響 (3) pH影響細(xì)胞膜電荷狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的透性 (4) pH影響培養(yǎng)基組分的解離與溶解度 (5) pH影響代謝方向和代謝強度：如黑曲霉在pH23產(chǎn)生 檸檬酸，在pH中性時產(chǎn)生草酸；谷氨酸棒桿菌在中性 或堿性產(chǎn)生谷氨酸，在酸性條件下產(chǎn)生谷氨酰胺。 (6) pH對同一種微生物的生長和產(chǎn)物合成可能具有不同的影響引起pH下降的因素v碳源過量v消泡油添加過量(脂肪代謝)v生理酸性物質(zhì)的存在引起pH上升的因素

42、v氮源過多v生理堿性物質(zhì)的存在v中間補料，堿性物質(zhì)添加過多pH在發(fā)酵過程中的控制1、調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方 v調(diào)節(jié)碳氮比（C/N） v添加緩沖劑，如CaCO3 2、補料控制 補加碳源 氮源 直接加酸加堿（最后選擇）臨界氧濃度（C臨）： 指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。根據(jù)需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為： a. 供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成 受強烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足條件下，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限， 產(chǎn)量受影響不明顯； 如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等 c.若供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時，才獲得最大量 產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等發(fā)酵過程的溶氧變化n發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明