發(fā)酵工程技術(shù)概論

第七章發(fā)酵工程技術(shù)概述本章重點(diǎn)：優(yōu)良菌種的選育發(fā)酵工藝的控制內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)優(yōu)良菌種的選育第三節(jié)發(fā)酵的根本過程第四節(jié)發(fā)酵方式第五節(jié)發(fā)酵工藝控制第六節(jié)發(fā)酵產(chǎn)物的提取第七節(jié)發(fā)酵設(shè)備第八節(jié)發(fā)酵工程產(chǎn)品的制造實(shí)例第九節(jié)基因工程在發(fā)酵中的運(yùn)用第十節(jié)發(fā)酵工程的開展展望第一章概述發(fā)酵工程發(fā)酵曾經(jīng)從過去簡單的消費(fèi)酒精類飲料、消費(fèi)醋酸和發(fā)酵面包開展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)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(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但消費(fèi)酒精類飲料、醋酸和面包，而且消費(fèi)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，消費(fèi)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用消費(fèi)資料，在化學(xué)工業(yè)上消費(fèi)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程組成

從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、發(fā)酵工程、下游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程FermentationengineeringDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16Fermentationengineering發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培育細(xì)胞和消費(fèi)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴(yán)厲的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開場前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種銜接納道進(jìn)展滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入枯燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培育和消費(fèi)培育的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)展任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必需在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)展大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模消費(fèi)的動(dòng)力學(xué)模型。(5)由于生物反響的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模消費(fèi)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。微生物發(fā)酵技術(shù)1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵實(shí)際：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。〞巴斯德以為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒蛻變也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的開展，可以用加熱處置等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生量變。

同時(shí)，也可以把發(fā)酵的微生物分別出來，經(jīng)過人工培育，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。

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)、浸透壓、酸堿度等條件有極大的順應(yīng)才干(2)有極強(qiáng)的消化才干(3)有極強(qiáng)的繁衍才干UseofMicroorganismsPositive〔益處〕BiomassProductionConversionNegative〔危害〕PathogensSpoilage一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵1、傳統(tǒng)發(fā)酵

最初發(fā)酵是用來描畫酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的景象，或者是指酒的消費(fèi)過程。2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)厲地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化復(fù)原產(chǎn)能反響。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。3、工業(yè)上的發(fā)酵

泛指利用微生物制造或消費(fèi)某些產(chǎn)品的過程包括：1.厭氧培育的消費(fèi)過程，如酒精，乳酸等。2.通氣〔有氧〕培育的消費(fèi)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。二、發(fā)酵工業(yè)1.定義：是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)展酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)展代謝的各種條件進(jìn)展微生物發(fā)酵的設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備2.獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件三、發(fā)酵工業(yè)的開展歷史發(fā)酵工程開展的4個(gè)階段〔了解〕人類利用微生物發(fā)酵制造所需產(chǎn)物有幾千年的歷史，但對其過程的原理、反響步驟、物量變化、調(diào)控機(jī)制等的認(rèn)識(shí)主要在20世紀(jì)完成的。其開展大體可分為以下4個(gè)階段：1.第一階段：傳統(tǒng)微生物階段20世紀(jì)以前時(shí)期主要消費(fèi)葡萄酒、酒、醋、醬、奶酪等。1675年荷蘭人列文虎克發(fā)明顯微鏡，初次察看到微生物1857-1876年，巴斯德提出“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果，發(fā)酵是沒有空氣的生命過程，微生物是引起化學(xué)變化的作用者。〞——生物工程之父像牛頓開辟出經(jīng)典力學(xué)一樣，巴斯德開辟了微生物領(lǐng)域，他也是一位科學(xué)巨人巴斯德·路易斯〔LouisPasteur〕，法國微生物學(xué)家、化學(xué)家，近代微生物學(xué)的奠基人巴斯德·路易斯曲頸瓶實(shí)驗(yàn)巴氏消毒法酒精發(fā)酵,醋酸發(fā)酵的機(jī)理減毒疫苗在食品工業(yè)上的運(yùn)用主要包括以下三方面。第一，消費(fèi)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如啤酒、果酒、食醋等，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量得到明顯的提高。第二，消費(fèi)各種食品的添加劑。第三，協(xié)助處理糧食問題。2.第二階段：1900-1940——有機(jī)酸工業(yè)新的發(fā)酵產(chǎn)品不斷問世，主要有酵母、甘油、乳酸、檸檬酸、丁醇和丙酮等。是第一個(gè)進(jìn)展大規(guī)模工業(yè)消費(fèi)的發(fā)酵過程，也是工業(yè)消費(fèi)中初次采用大量純培育技術(shù)的工藝。河南省鄲城金丹乳酸實(shí)業(yè)3.第三階段：1942-1952——抗生素工業(yè)世界上第一個(gè)抗生素產(chǎn)品是青霉素，第二個(gè)抗生素是鏈霉素。青霉素工業(yè)化勝利推進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的開展，主要標(biāo)志有：深層發(fā)酵、消費(fèi)大規(guī)?；⒍喾N抗生素、氨基酸、核酸發(fā)酵勝利，甾體的微生物轉(zhuǎn)化。谷氨酸發(fā)酵的消費(fèi)實(shí)例谷氨酸鈉是味精的主要成分谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑在工廠里是怎樣運(yùn)用谷氨酸棒狀桿菌來消費(fèi)谷氨酸的？4.第四階段從DNA雙螺旋構(gòu)造模型的提出到質(zhì)粒的不斷發(fā)現(xiàn)，生物工程的新飛躍已具備了一切條件。分子生物學(xué)和基因工程、細(xì)胞工程的開展為微生物工程的開展發(fā)明了條件。重組DNA和細(xì)胞交融技術(shù)能突破物種之間的屏障，獲得“雜交〞分子的新產(chǎn)物，而且經(jīng)過活化微生物的某些沉默基因，也可獲得一些新構(gòu)造的活性物質(zhì)。三、發(fā)酵工程的研討內(nèi)容主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培育細(xì)胞和消費(fèi)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴(yán)厲的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開場前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種銜接納道進(jìn)展滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入枯燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培育和消費(fèi)培育的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)展任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必需在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)展大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模消費(fèi)的動(dòng)力學(xué)模型。(5)由于生物反響的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模消費(fèi)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。發(fā)酵工業(yè)的消費(fèi)程度取決于三個(gè)要素：消費(fèi)菌種、發(fā)酵工藝和發(fā)酵設(shè)備。思索題填空1.在發(fā)酵工程開展過程中，——發(fā)明了顯微鏡，——被稱為“生物工程之父〞。2.世界上第二個(gè)抗生素是——。3.發(fā)酵工業(yè)的消費(fèi)程度取決于三個(gè)要素：——、——、——。第二節(jié)優(yōu)良菌種的選育發(fā)酵工業(yè)的消費(fèi)程度的決議要素之一是消費(fèi)菌種，故發(fā)酵工程產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵之一是挑選新的有用的物質(zhì)的消費(fèi)菌種。菌種的來源：根據(jù)資料直接向有科研單位、高等院校、工廠或菌種保藏部門索取或購買；從大自然中分別挑選新的微生物菌種。從自然界挑選目的提高消費(fèi)才干提高產(chǎn)質(zhì)量量開發(fā)新產(chǎn)品處理消費(fèi)實(shí)踐問題防止菌種退化菌株選育、分子改造菌種選育方法有：自然選育、誘變選育、雜交育種等，還包括控制雜交育種、原生質(zhì)體交融、基因工程育種等。一、菌種選育的物質(zhì)根底DNA是微生物遺傳的物質(zhì)根底，基因是遺傳物質(zhì)的根本功能單位，每個(gè)基因包含幾百對以上的核苷酸，只需其中一對發(fā)生交換或突變就會(huì)導(dǎo)致遺傳性狀的改動(dòng)。決議遺傳性狀的DNA主要集中在染色體上，只需少許游離在外DNA分子構(gòu)造的改動(dòng)是誘變育種的任務(wù)根據(jù)，染色體搭配的變化交換是雜交育種的根據(jù)。對DNA子構(gòu)造和它復(fù)制過程的了解將更有利于充實(shí)誘變育種的實(shí)際根據(jù)二、自然育種※定義：不經(jīng)人工處置，利用微生物的自然突變進(jìn)展菌種選育的過程。自然形狀下，堿基對發(fā)生自然突變的機(jī)率為10-8～10-9，一種是我們消費(fèi)上所不希望看到的，表現(xiàn)為菌株的衰退和消費(fèi)質(zhì)量的下降，這種突變成為負(fù)突變。另一種是我們消費(fèi)上希望看到的，對消費(fèi)有利，這種突變成為正突變。問題：高產(chǎn)菌株是正突變還是負(fù)突變？自然選育雖然突變率很低，但卻是工廠保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要措施。回復(fù)突變：高產(chǎn)菌株在傳代的過程中，由于自然突變導(dǎo)致高產(chǎn)性狀的喪失，消費(fèi)性能下降，這種情況我們稱為回復(fù)突變自然選育操作步驟：普通習(xí)慣上將自然選育稱為菌種的分別純化。單細(xì)胞(孢子)懸液的制備平板分別挑選單菌落(留意形狀的察看)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)三、誘變育種※定義：用各種物理、化學(xué)的要素人工誘發(fā)基因突變挑選高產(chǎn)菌種的過程。1.誘變機(jī)制：由誘變而導(dǎo)致微生物DNA的微細(xì)構(gòu)造發(fā)生的變化，主要分為微小損傷突變:堿基的置換、碼組挪動(dòng)突變?nèi)旧w畸變:易位、倒位、缺失、反復(fù)染色體組突變:細(xì)胞內(nèi)染色體組的改動(dòng)△2.誘變劑及其作用方式誘變劑：能誘發(fā)基因突變并使突變率提高到超越自發(fā)突變程度的物理化學(xué)因子。可分為三大類：物理誘變劑：UV、X射線、γ射線等化學(xué)誘變劑：亞硝酸胍、氮芥等生物誘變劑：噬菌體3.誘變和挑選首先要制定明確的挑選目的，其次是制定合理的步驟，再次是建立正確快速的測定方法和探求培育最適條件。誘變劑處置過程中幾個(gè)有關(guān)的問題化學(xué)誘變劑運(yùn)用過程的平安性；誘變劑量的選擇；誘變劑的選擇；出發(fā)菌株的選擇。挑選的方法：隨機(jī)挑選：形狀：理性化挑選：從產(chǎn)物構(gòu)成的生理生化途徑著手，進(jìn)展有的放矢的挑選。如構(gòu)造類似物抗性、營養(yǎng)缺陷型等，挑選而產(chǎn)生的這些特性，稱為遺傳標(biāo)志。四、原始質(zhì)體交融用脫壁酶除去細(xì)胞壁，制成原生質(zhì)體，再用聚乙二醇〔PEG〕促進(jìn)原生質(zhì)體發(fā)生交融，從而獲得異核體活重組子的技術(shù)。原生質(zhì)體交融于1978年第三屆國際工業(yè)微生物遺傳學(xué)討論會(huì)上提出，是基因重組的一種重要方法原生質(zhì)體育種技術(shù)主要有原生質(zhì)體交融、原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化技術(shù)，原生質(zhì)體誘變育種等。1.步驟〔1〕標(biāo)志菌株的挑選和穩(wěn)定性驗(yàn)證?！?〕原生質(zhì)體制備。〔3〕等量原生質(zhì)體加聚乙二醇促進(jìn)交融?！?〕涂布于再生培育基，再生出菌落。〔5〕選擇性培育基上劃線生長，分別驗(yàn)證，挑取交融子進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)、保藏?！?〕消費(fèi)性能挑選。2.影響要素〔1〕菌齡：普通采用對數(shù)前期的菌體進(jìn)展酶解。〔2〕培育基組分：限制性培育基上比在完全培育基上原生質(zhì)體形效果果好。〔3〕PEG：必需物質(zhì)，其分子量和濃度影響交融效果?！?〕外界要素：思索題一、名詞解釋自然育種誘變育種誘變劑原生質(zhì)體交融二、填空1.有誘變而導(dǎo)致微生物DNA的微細(xì)構(gòu)造發(fā)生變化，主要分為——、——和——。2.誘變劑有很多中，可分為——、——和——三大類。3.原生質(zhì)體交融育種普通選用——作為助融劑。三、選擇原生質(zhì)體交融時(shí)，菌齡對原生質(zhì)體的構(gòu)成影響很大，普通采用——的菌體進(jìn)展酶解，原生質(zhì)體構(gòu)成率較高。A.延遲期B.對數(shù)前期C.對數(shù)后期D.穩(wěn)定期第三節(jié)發(fā)酵的根本過程發(fā)酵的根本過程為：菌種種子制備發(fā)酵發(fā)酵液預(yù)處置提取精制(1)用作培育菌種、擴(kuò)展消費(fèi)的發(fā)酵罐、培育基的配制(2)培育基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3)將已培育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構(gòu)成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進(jìn)展精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處置發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水菌種挑選搖瓶實(shí)驗(yàn)發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)一、菌種菌種：已有的優(yōu)良消費(fèi)菌種和選育的新菌種方法：普通都是由保管于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開場，在正式運(yùn)用前要先轉(zhuǎn)接到新穎斜面培育基上活化后，再用于種子擴(kuò)展培育。留意：消費(fèi)菌種應(yīng)不斷純化，淘汰變異菌落，防止衰退。二、種子的制備目的：使菌種繁衍，以獲得足夠數(shù)量的菌體，以便接種到發(fā)酵罐中。方法：搖瓶培育：在錐形瓶內(nèi)裝入一定量的液體培育基，滅菌后接入菌種，搖床上恒溫培育。種子罐發(fā)酵：相當(dāng)于小型發(fā)酵罐，滅菌接種后在一定的空氣流量、罐溫、罐壓下進(jìn)展培育。三、發(fā)酵目的：使微生物產(chǎn)生大量的目的產(chǎn)物——關(guān)鍵階段。發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。固體發(fā)酵：適宜于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來消費(fèi)比較簡單的產(chǎn)品。液體深層發(fā)酵：適宜于大規(guī)模工業(yè)化消費(fèi)。影響發(fā)酵的要素很多，如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必需適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動(dòng)態(tài)，并進(jìn)展雜菌的檢查和產(chǎn)物測定，使整個(gè)發(fā)酵過程順利進(jìn)展。圓盤床式固體發(fā)酵罐四、產(chǎn)物提取發(fā)酵完成后得到的發(fā)酵液是一種混合物，其中除了含有表達(dá)的產(chǎn)物外，還有剩余的培育基、微生物代謝產(chǎn)生的各種雜質(zhì)和微生物菌體等。提取包括：發(fā)酵液的預(yù)處置和過濾提取精制獲得的產(chǎn)物都要按照有關(guān)部門制定的國家規(guī)范進(jìn)展質(zhì)量檢驗(yàn)和性能測定，符合要求后才為合格產(chǎn)品。思索題填空1.種子制備的目的是：——————，發(fā)酵的目的是：——————。2.發(fā)酵程度的高低與菌種的性能質(zhì)量有直接關(guān)系，菌種的——、——、——是決議發(fā)酵程度的內(nèi)在要素。3.從發(fā)酵液中提取產(chǎn)物主要包括三個(gè)方面：——、——、——。第五節(jié)發(fā)酵工藝控制〔※〕

發(fā)酵工藝過程，不同于化學(xué)反響過程，它既涉及生物細(xì)胞的生長、生理和繁衍等生命過程，又涉及生物細(xì)胞分泌的各種酶所催化的生化反響過程。為了使發(fā)酵消費(fèi)可以得到最正確效果，可測定與環(huán)境條件和內(nèi)在代謝變化有關(guān)的各個(gè)參數(shù)，以了解產(chǎn)生菌對環(huán)境條件的要求和代謝變化規(guī)律，并根據(jù)各個(gè)參數(shù)的變化情況，結(jié)合代謝調(diào)控實(shí)際，來有效的控制發(fā)酵。一、培育基的影響及其控制定義：用于維持細(xì)胞生長的營養(yǎng)物質(zhì)基質(zhì)。不同微生物對營養(yǎng)要求有很大的差別，培育基的成分和配比適宜與否，對產(chǎn)生菌的生長發(fā)育、發(fā)酵單位的增長，有相當(dāng)大的影響，同時(shí)還影響提取工藝及產(chǎn)品質(zhì)量。培育基主要包括以下幾個(gè)方面：1.碳源作用：構(gòu)成微生物細(xì)胞和各種代謝產(chǎn)物碳架的營養(yǎng)物質(zhì)；降解產(chǎn)生能量，供應(yīng)微生物生命活動(dòng)所需的能量。種類：葡萄糖優(yōu)點(diǎn)：吸收快，利用快，能迅速參與代謝合成菌體和產(chǎn)生能量缺陷：有些種類產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。碳源種類的影響及控制迅速利用的碳源緩慢利用的碳源種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油優(yōu)點(diǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。有利于延伸次級代謝產(chǎn)物的分泌期缺陷：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。

發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源滿足菌體生長的耗費(fèi)，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延伸合成期，提高產(chǎn)量，并可解除葡萄糖效應(yīng)。

2.氮源

作用：構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)，也是細(xì)胞合成代謝產(chǎn)物的成分。種類：氨水、銨鹽和玉米漿優(yōu)點(diǎn)：易被菌體利用，明顯促進(jìn)菌體生長缺陷：對于有些種類高濃度的銨離子抑制產(chǎn)物合成迅速利用的氮源緩慢利用的氮源種類：黃豆餅粉、花生餅粉、和棉子餅粉優(yōu)點(diǎn)：利用緩慢，有利于延伸次級代謝產(chǎn)物的分泌期。防止早衰。缺陷：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。

發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生長繁衍，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延伸合成期，延緩自溶期。氮源種類的控制：3.無機(jī)鹽和微量元素作用：構(gòu)成菌體原生質(zhì)體的成分〔如P、S)；作為酶的組成部分和維持酶的活性(如：Mg、Zn、Fe、Ca、P〕；調(diào)理細(xì)胞的浸透壓〔NaCl、KCl〕；參與產(chǎn)物的合成〔P、S〕4.水作用：構(gòu)成菌體細(xì)胞的主要成分，一切營養(yǎng)物質(zhì)傳送的介質(zhì)。二、溫度的影響及其控制1.溫度的影響〔1〕影響微生物各種酶催化反響的速度和蛋白質(zhì)的性質(zhì)；微生物可生長的溫度范圍較廣，總體說在-10—95℃。在生物學(xué)范圍內(nèi)溫度每升高10℃，生長速度通常就加快一倍；溫度每升高10℃酶反響速度添加2—3倍；〔2〕影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)如粘度，基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳送速率，基質(zhì)的分解和吸收速率，進(jìn)而影響產(chǎn)物合成。故溫度對菌體的生長和合成代謝的影響是及其復(fù)雜的，須綜合調(diào)查它對發(fā)酵的影響。2.影響發(fā)酵溫度的要素發(fā)酵液的溫度變化受生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱、輻射熱和顯熱的影響，用公式表示為：Q發(fā)酵＝Q生物+Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯〔1〕生物熱生物熱是菌體在生長繁衍過程中產(chǎn)生的熱能，來自菌體的分解代謝，生物熱的大小域菌種、培育基成分和菌體的呼吸強(qiáng)度有關(guān)。培育基愈豐富，生物熱愈大；細(xì)胞數(shù)量愈多，生物熱愈大；呼吸強(qiáng)度愈高，生物熱愈大?！?〕攪拌熱攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量?！?〕蒸發(fā)熱、顯熱和輻射熱空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，與發(fā)酵液充分混合，引起水分蒸所需的熱能為蒸發(fā)熱水分蒸發(fā)、進(jìn)氣和廢氣排出因溫度差別所帶走的部分熱能為顯熱〔４〕輻射熱發(fā)酵罐外壁與大氣間的溫度差別使發(fā)酵罐中的部分熱能經(jīng)過罐體向大氣輻射的熱能為輻射熱。輻射熱取決于罐內(nèi)溫度與外界氣溫的差值，差值越大，散熱越多。3.溫度的選擇與控制〔1〕最適溫度的選擇最適發(fā)酵溫度使既適宜菌體生長，有適宜代謝產(chǎn)物合成的溫度。最適菌體生長溫度和最適產(chǎn)物合成的溫度往往不一致。如乳酸鏈霉菌發(fā)酵消費(fèi)乳酸，最適菌體生長溫度為34℃，最適產(chǎn)物合成溫度為30℃；青霉素發(fā)酵，產(chǎn)黃青霉最適菌體生長溫度為30℃，最適產(chǎn)物合成溫度為24.7℃；最適發(fā)酵溫度隨菌種、基質(zhì)成分、培育條件和菌體生長階段而異；實(shí)際上講，發(fā)酵過程可以設(shè)置不同的發(fā)酵溫度時(shí)段，包括菌體生長發(fā)酵溫度和產(chǎn)物合成發(fā)酵溫度等。消費(fèi)上，由于發(fā)酵液體積大，少那么幾十立方米，多那么上百上千立方米，升降溫度時(shí)間長，難度大，通常采用一個(gè)發(fā)酵溫度?！?〕溫度的控制發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中普通不需加熱，選用微生物能接受稍高一些的溫度進(jìn)展生長和繁衍，這對消費(fèi)有很大的益處，即可減少污染雜菌的時(shí)機(jī)和夏季培育所需降溫的輔助設(shè)備，因此培育耐高溫的菌種有一定的現(xiàn)實(shí)意義。消費(fèi)中，溫度的控制是采用冷卻水通入發(fā)酵罐的蛇管或夾套中，熱交換堅(jiān)持恒溫發(fā)酵的。三、溶氧的影響和控制大部分工業(yè)微生物需求在有氧環(huán)境中生長，培育這類微生物需采取通氣發(fā)酵，適量的氧可維持其呼吸代謝和代謝產(chǎn)物的合成。1.溶氧的影響溶氧是需氧發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，氧的溶解度很小，氧的溶解度僅為6.4mg/L，只能保證氧化8.3mg葡萄糖。微生物對氧的需求不同，是由于依賴獲得能量的代謝方面的差別。好氣性菌主要是有氧呼吸或氧化代謝，厭氣菌為厭氣發(fā)酵(分子間呼吸)，兼性厭氣菌那么兩者兼而有之。溶氧大小對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生不同影響；例如，谷氨酸發(fā)酵時(shí)，通氣缺乏會(huì)積累大量乳酸和琥珀酸；不同微生物或同一微生物的不同生長階段對通風(fēng)量的要求也不一樣。例如，天氡酰胺酶發(fā)酵，前期為好氣培育，后期為厭氧培育，產(chǎn)酶才干會(huì)大大提高。故需氧發(fā)酵并不是溶氧越大越好。溶氧高雖然有利于菌體生長和產(chǎn)物合成，但溶氧過大反而抑制產(chǎn)物的構(gòu)成，須由實(shí)驗(yàn)確定最適溶氧濃度。臨界溶解氧：滿足微生物呼吸的發(fā)酵液中最低溶氧濃度。2.發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵前期〔生長期〕，菌體繁衍迅速，菌體攝氧率添加，醪液粘度上升，需氧量添加，溶氧下降。發(fā)酵中期〔靜止期〕，需氧量在有所減少，菌體和發(fā)酵液粘度均到達(dá)峰值；溶氧在較低程度維持一段時(shí)間后，開場上升，菌體進(jìn)入次生代謝物合成期；發(fā)酵后期，產(chǎn)物大量合成，呼吸強(qiáng)度比較穩(wěn)定，溶氧添加，假設(shè)此時(shí)補(bǔ)糖，可降低溶氧，否那么，菌體衰老，菌體進(jìn)入自溶階段。發(fā)酵過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生溶氧異常情況〔異常下降或升高〕異常下降緣由能夠有：污染好氧菌；或菌體向好氧代謝途徑遷移，或供氧設(shè)備發(fā)生缺點(diǎn)等。異常上升緣由能夠有：污染噬菌體，菌體完全北裂解；或菌體向厭氧代謝途徑遷移3.溶氧的控制溶氧濃度的控制可從供氧和需氧兩方面著手，其中供氧時(shí)主要的：需氧方面：需氧量手菌體濃度，基質(zhì)濃度和種類，培育條件有關(guān)。供氧方面：提高氧的傳送推進(jìn)力和液相體積氧的傳送系數(shù)KLa速率；消費(fèi)中常采用加大通氣速率，或提高攪拌轉(zhuǎn)速，或適當(dāng)添加罐壓；通氣可以供應(yīng)大量的氧：通氣量與菌種、培育基性質(zhì)、培育階段有關(guān)。通氣量的多少，最好按氧溶解的多少來決議。只需氧溶解的速度大于菌體的吸氧量時(shí)，菌體才干正常地生長和合成酶。因此隨著菌體繁衍，呼吸加強(qiáng)，必需按菌體的吸氧量加大通氣量，以添加溶解氧的量。攪拌那么能使新穎氧氣更好地與培育液混合，保證氧的最大限制溶解，并且攪拌有利于熱交換，使培育液的溫度一致，還有利于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的分散。此外，擋板那么有助于攪拌，發(fā)酵液為湍流形狀，使其效果更好。在工業(yè)上可采用調(diào)理溫度〔降低培育溫度可提高溶氧濃度〕、液化培育基、中間補(bǔ)水、添加外表活性劑等工藝措施，來改善溶氧程度。四、pH的影響及控制１.pH的影響培育基中的pH值與微生物生命活動(dòng)有著親密關(guān)系，各種微生物有其可以生長的和最適生長和最適消費(fèi)的pH范圍。普通微生物的最適生長pH范圍為：細(xì)菌：pH7.0—8.0放線菌：pH7.5—8.5酵母菌：pH3.8—6.0霉菌：pH4.0—5.8藻類：pH6.0—7.0原生動(dòng)物：pH6.0—8.0pH對發(fā)酵液或代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響，會(huì)影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性。發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵液的pH值是控制消費(fèi)的目的之一，pH值過高、過低都會(huì)影響微生物的生長繁衍以及代謝產(chǎn)物的積累?？刂苝H值不但可以保證微生物良好的生長，而且可以防止雜菌的污染。在發(fā)酵工業(yè)中，維持適宜的pH已成為消費(fèi)成敗的關(guān)鍵要素之一。2.pH的變化發(fā)酵過程中，pH的變化與菌種、培育基的成分和培育條件有關(guān)。微生物經(jīng)過其活動(dòng)也能改動(dòng)環(huán)境的pH值，菌體本身具有調(diào)理周圍pH的才干。例子：地中海諾卡氏發(fā)酵利福霉素SV時(shí)，起始pH為6.8及7.5時(shí)，最終pH均達(dá)7.5，產(chǎn)率正常；起始pH為6.0時(shí)，最終pH為4.5，產(chǎn)率為0；普通來說，高碳源培育基傾向