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1、發(fā)酵工程 第一章 緒論 1、 發(fā)酵及發(fā)酵工程的概念 1、傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象， 或者是指酒的生產(chǎn)過程。 2、生化和生理學意義的發(fā)酵 指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或 者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應。 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生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程 包括： 1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。

2、 2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。 產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。 發(fā)酵工程（Fermentation Biotechnology）: 應用微生物學等相關的 自然科學以及工程學原理，利用微生物等生物細胞進行酶促轉(zhuǎn)化，將 原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會性服務的一門科學。 2、發(fā)酵工程技術的發(fā)展大致可分為哪幾個階 段，每段的技術特點是 什么？ ? 1. 自然發(fā)酵時期:嫌氣性發(fā)酵用于酒類釀造，好氣性發(fā)酵用于 釀醋、制曲。 ? 2. 純培養(yǎng)技術的建立：人工控制環(huán)

3、境條件使發(fā)酵效率迅速提 高。 ? 3.通氣攪拌好氣發(fā)酵過程技術的建立：從分解代謝轉(zhuǎn)為生物合 成代謝，可以利用微生物合成積累大量有用的代謝產(chǎn)物。 ? 4.人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵工程技術的建立：遺傳水平上 控制微生物代謝。 ? 5. 發(fā)酵動力學、發(fā)酵工程連續(xù)化、自動化工程：以數(shù)學、動力 學、化工原理等為基礎，通過計算機實現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化控 制的研究，使發(fā)酵過程的工藝控制更為合理。 ? 6. 微生物酶反應生物合成與化學合成反應結(jié)合工程技術：可生 產(chǎn)許多過去不能生產(chǎn)的有用物質(zhì)。 3、 發(fā)酵工業(yè)的應用范圍

4、 1. 釀酒工業(yè)（啤酒、葡萄酒、白酒）2. 食品工業(yè)（醬、醬油、食 醋、腐乳、面包、乳酸）3. 抗生素工業(yè)（青霉素、鏈霉素、土霉素） 4. 有機酸工業(yè)（檸檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制劑工業(yè)（淀粉酶、蛋白 酶）6. 氨基酸工業(yè)（谷氨酸、賴氨酸）7. 核苷酸發(fā)酵工業(yè)(肌苷酸、 肌苷) 8. 有機溶劑工業(yè)（酒精、丙酮）9. 維生素工業(yè)(VB2、VB12)10. 生物能源工業(yè)（沼氣、生物柴油）11.環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)（廢水生物處理） 12.生理活性物質(zhì)發(fā)酵工業(yè) （激素） 13. 冶金工業(yè)(微生物探 礦、石油脫硫)14.微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè)（酵母、單細胞

5、蛋白） 4、發(fā)酵工業(yè)的特點 與化學工程相比，發(fā)酵工程具有以下特點： 1、發(fā)酵過程是極其復雜的生物化學反應，與微生物細胞息息相關 2、通常在常溫常壓下進行，反應安全，需求條件也比較簡單 3、發(fā)酵醪（包括固相、液相、氣相，還含有活細胞體或菌絲體），屬 非牛頓流體，其特性影響因素很多，對發(fā)酵工程都有關聯(lián) 4、具有嚴格的滅菌系統(tǒng)，以防止雜菌污染 如空氣除菌系統(tǒng)、培養(yǎng)基 滅菌系統(tǒng)、設備的沖洗滅菌等 5、反應以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行，因此數(shù)十個反應過程能夠像 單一反應一樣，在同一發(fā)酵罐內(nèi)進行 6

6、、后處理階段，為了適應菌體與發(fā)酵產(chǎn)物的特點，需采取一些特殊 的工藝措施并選用合適的設備。如酶類避免過熱。 5、液體發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝流程 (1)用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基的配制；（2）培養(yǎng)基、 發(fā)酵罐及其附屬設備的消毒滅菌；（3）擴大培養(yǎng)出有活性的適量純種， 以一定比例接種入發(fā)酵罐中；（4）控制最適發(fā)酵條件使微生物生長并 形成大量的代謝產(chǎn)物;(5)將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品。 6、發(fā)酵工業(yè)的類型 （1）按微生物對氧的不同需求：厭氧發(fā)酵、需氧發(fā)酵、兼性厭氧發(fā) 酵；（2）按培養(yǎng)基的物理性狀：液體發(fā)酵（包括液體深層發(fā)

7、酵）、 淺層固體發(fā)酵、深層固體發(fā)酵（機械通風制曲）；（3）按發(fā)酵工藝 流程：分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵;(4)按菌的種類：單菌種 發(fā)酵、多菌種混合發(fā)酵（混合菌發(fā)酵）。 第二章 菌種與菌種擴大培養(yǎng) 1、 微生物工業(yè)對菌種的要求 （1） 能夠利用廉價的原料，簡單的培養(yǎng)基，大量高效地合成 產(chǎn)物 （2） 有關合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡單，或者說菌種改造的 可操作 性要強 （3） 遺傳性能要相對穩(wěn)定;(4) 不易感染它種微生物或噬菌體 (5)產(chǎn)生菌及其產(chǎn)物的

8、毒性必須考慮（在分類學上最好與致病 菌無 關） (6) 生產(chǎn)特性要符合工藝要求 2、未培養(yǎng)微生物的概念 定義：指迄今所采用的微生物純培養(yǎng)分離及培養(yǎng)方法還未獲得純培養(yǎng) 的微生物，其在自然環(huán)境微生物群落中占有非常高的比例，約為99％。 3 菌種保藏方法及其特點 (1) 斜面低溫保藏法：操作簡單、使用方便，不需要特殊設備，能 隨時檢查所保藏的菌株是否死亡、變異與污染雜菌等。（2）石蠟 封存法：制作簡單，不需要特殊設備。（3）沙土管保藏法：多用 于產(chǎn)生孢子的微生物如霉菌、放線菌，因此在抗生素工業(yè)生產(chǎn)中 應用最廣，效果亦好，

9、可保存 2 年左右。（4）真空冷凍保藏法： 保存效果好，對各種微生物都適用。（5）液氮超低溫保藏法：適 用于一般微生物的保藏外，對于一些用于冷凍干燥法都難以保藏 的微生物如支原體、衣原體、氫細菌，難以形成孢子的霉菌、噬 菌體及動物細胞均可長期保藏，而且性狀不變異。 4、新種分離與篩選步驟 樣品的采集——>樣品的處理——>目的菌富集培養(yǎng)——>分離純化 ——>性能測定 菌種分離的一般過程: 土樣的采取→土樣預處理→ 富集培養(yǎng)→ 菌種初篩-----菌種復篩 ----性能鑒定--菌種保藏 5、樣品

10、采集注意的問題 1、采樣時應盡可能保持相對無菌； 2、所采集的樣本必須具有某種代表性； 3、采好的樣必須完整地標上樣本的種類及采集日期、地點以及采集 地點的地理、生態(tài)參數(shù)等； 4、應充分考慮采樣的季節(jié)性和時間因素，因為真正的原地菌群的出 現(xiàn)可能是短暫的； 5、采好的樣應及時處理，暫不能處理的也應貯存于 4℃下，但貯存 時間不宜過長。這是因為一旦采樣結(jié)束，試樣中的微生物群體就脫離 了原來的生態(tài)環(huán)境，其內(nèi)部生態(tài)環(huán)境就會發(fā)生變化，微生物群體之間 就會出現(xiàn)消長 6、如何防止菌種退化 （1）控制傳代次數(shù)；（2）選擇合適

11、的培養(yǎng)條件；（3）選擇合適的保 藏方法；（4）菌種穩(wěn)定性檢查；（5）分離復壯。 7、菌種選育分子改造具體有那些方法 8、種子擴大培養(yǎng)的目的與要求及一般步驟 目的與要求：不但要得到純而壯的培養(yǎng)物，而且要獲得活力旺盛的、 接種數(shù)量足夠的培養(yǎng)物。 一般步驟：斜面菌種—一級種子搖床培養(yǎng)—二級種子罐培養(yǎng)—三級種 子罐擴大培養(yǎng)—發(fā)酵罐 9、優(yōu)良種子具備的條件 (1).生長活力強，延遲期短；(2).生理狀態(tài)穩(wěn)定；(3).濃度及總量能 滿足發(fā)酵罐接種量的要求；(4).無雜菌污染，保證純種發(fā)酵；(5)適 應

12、性強，生產(chǎn)能力穩(wěn)定 10、 種子罐級數(shù)確定方法 （1） 菌種的性質(zhì)(如菌種傳代后的穩(wěn)定性)；（2）瓶中的孢子數(shù)，孢 子發(fā)芽及菌絲繁殖度 (3)發(fā)酵罐中種子培養(yǎng)液的最低接種量（4）種子罐與發(fā)酵罐的容積比 （5）生產(chǎn)規(guī)模（6）隨工藝條件的改變作適當?shù)恼{(diào)整 11、種齡、接種量、雙種和倒種的概念 種齡：是指種子的培養(yǎng)時間。 接種量：移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體的體積的比例 雙種：兩個種子罐接種到一個發(fā)酵罐中 倒種：一部分種子來源于種子罐，一部分來源詵⒔凸? 12、影響種子質(zhì)量的因素 1 原材料質(zhì)量 2.

13、培養(yǎng)溫度 3. 濕度 4. 通氣與攪拌 5. 斜面冷藏時 間 6. 培養(yǎng)基 7.PH 13、 種子質(zhì)量控制的措施 (1) 菌種穩(wěn)定性的檢查 ;(2)測定其生產(chǎn)能力，從中挑選高產(chǎn)菌株， 并及時對退化菌種進行復壯 (3)提供適宜的生長環(huán)境(4)種子無 雜菌檢查，保證純種發(fā)酵 第二章 培養(yǎng)基的制備與滅菌 1、培養(yǎng)基的組成成分及培養(yǎng)基的類型 組成成分：碳源、氮源、無機元素、生長因子及水、氧氣等 培養(yǎng)基的類型：按培養(yǎng)基組成物質(zhì)的化學成分 ：合成培養(yǎng)基、天然 培養(yǎng)基。 （2） 按物理性質(zhì)

14、 ： 固體，液體（3）按用途 ： 選擇性培養(yǎng)基、鑒 別培養(yǎng)基、富集培養(yǎng)基等 2、 淀粉水解糖的制備方法及其特點 （1.）酸解法：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：生產(chǎn)簡單、設備要求簡單、水解時間 短、設備生產(chǎn)能力大。 缺點：要求耐腐蝕、耐高溫、高壓的設備、有副反應、對原料要求嚴 格等。 （2）.酶解法（雙酶水解法）：用淀粉酶將淀粉水解為葡萄糖。 優(yōu)點：①反應條件溫和；②專一性強，轉(zhuǎn)化率高； ③可高濃度水解； ④可使發(fā)酵培養(yǎng)基的組成簡化；⑤糖液質(zhì)量高。缺點：反應時間長、 設備多

15、、需專門的培養(yǎng)條件、糖液過濾難。 3、糖蜜前處理的方法及其特點 （1）加酸通風沉淀法特點：可趕走SO2 或NO2 等有害氣體以及揮發(fā)性 酸和其他揮發(fā)物質(zhì)；可增加糖液中的含氧量，提高糖液的溶氧系數(shù)， 以利微生物的增殖。（2）加熱加酸沉淀法特點：對糖蜜中有害微生物 的滅菌作用和膠體物質(zhì)、灰分雜質(zhì)的澄清沉降作用均較強。（3）添加 絮凝劑澄清處理法特點：可大大縮短澄清時間。 4、生長因子、前體和促進劑的概念 生長因子：凡是微生物生長不可缺少的微量的有機物質(zhì)，如氨基酸、 嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長因子。

16、前體：指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接在微生物生物合成 過程中合成到產(chǎn)物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是 產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高 促進劑：指那些非細胞生長所必須的營養(yǎng)物，又稱非前體，但加入后 卻能提高產(chǎn)量的添加劑。 5、滅菌與消毒的區(qū)別 滅菌：采用強烈的理化因素使任何物體內(nèi)外部的一切微生物永遠喪失 其生長繁殖能力的措施，稱為滅菌，例如各種高溫滅菌措施等。 消毒：是一種采用較溫和的理化因素，僅殺死物體表面或內(nèi)部一部分 對人體有害的病原菌，而對被消毒的物體基本無害的措施。 6、 滅菌方法類型、微

17、生物熱阻、致死時間、致 死溫度概念 滅菌方法類型：（1）培養(yǎng)基的加熱滅菌（包括常壓或蒸汽高壓加熱法） (2)空氣的過濾除菌(3)紫外線或電離輻射(4)化學藥物滅菌 微生物熱阻: 微生物的熱阻就是指微生物對熱的抵抗能力。 致死時間: 在致死溫度下，殺死全部微生物所需 的時間。 致死溫度: 殺死微生物的極限溫度（10 分鐘，全部死亡的溫度） 7、濕熱滅菌優(yōu)缺點 優(yōu)點：1、蒸汽來源容易，操作費用低廉，本身無毒 2、蒸汽具有很 強的穿透力，滅菌易于徹底；3、蒸汽具有很大潛熱，蒸汽冷凝放出 20

18、93kj/kg 的熱量，蒸汽冷凝后的水分又有利于濕熱滅菌；4、蒸汽 輸送可借助本身的壓強，調(diào)節(jié)方便，技術管理容易。 缺點： 1、設備費用貴；2、不能用于怕受潮的物料滅菌。 8、分批滅菌的優(yōu)缺點 優(yōu)點：1.設備要求低，不需另外設置加熱、冷卻裝置；2.操作要求低， 適于手動操作；3.適合于小批量生產(chǎn)規(guī)模；4.適合于含有大量固體物 質(zhì)的培養(yǎng)基的滅菌。 缺點：1.培養(yǎng)基的營養(yǎng)物質(zhì)損失較多，滅菌后培養(yǎng)基的質(zhì)量下降；2. 需進行反復的加熱和冷卻能耗較高；3.不適合于大規(guī)模生產(chǎn)過程的滅 菌；4.發(fā)酵罐的利用率較低。 9、空氣除菌的

19、方法 （1）熱殺菌原理：基于加熱后微生物體內(nèi)的蛋白（酶）熱變性而得 以實現(xiàn)。 （2）靜電除菌原理：利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵滅菌 目的。 （3）介質(zhì)過濾除菌是使空氣通過經(jīng)高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣 中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，而達到除菌的目的。 （4）輻射殺菌：最常用的是用紫外光線進行無菌室滅菌。 10、介質(zhì)過濾機理 發(fā)酵機制 1、發(fā)酵機制概念 發(fā)酵機制:微生物通過其代謝活動，利用基 質(zhì)（底物）合成人們所需

20、 要的代謝產(chǎn)物的內(nèi)在規(guī)律。 2、巴斯德效應及其機制 巴斯德效應:在好氣條件下，酵母菌發(fā)酵能力下降（細胞內(nèi)糖代謝降 低，乙醇積累減少）；不僅存在于酵母中，也存在于具有呼吸和發(fā)酵 能力的其他細胞中。 機制: 在好氣條件下，糖代謝進入TCA 循環(huán)→檸檬酸↑、ATP↑ 抑制 磷酸果糖激酶的合成--- - 6-P-葡萄糖↑（積累） 反饋抑制己糖激 酶 ----抑制葡萄糖進入細胞內(nèi)---- 葡萄糖利用降低。同時，在好 氣條件下，丙酮酸激酶活性降低。另外，丙酮酸激酶活性降低也是由 于磷酸果糖激酶活性降低所致。丙酮酸激酶活性↓ 使磷酸烯醇式丙

21、 酮酸↑ 反饋抑制己糖激酶活性 糖酵解速度↓ 3、 檸檬酸發(fā)酵機制 (1) Mn 2+ 缺乏→抑制蛋白合成→NH4↑ 解除磷酸果糖激酶的代謝 調(diào)節(jié)，促進 EMP 途徑暢通有一條呼吸活動強的不產(chǎn)生 ATP 的側(cè)呼吸 鏈.(2)由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。丙酮酸氧化脫 羧生成乙酰CoA 和 CO2 的固定兩個反應的平衡，以及檸檬酸合成酶不 被調(diào)節(jié)，增強了合成檸檬酸的能力。(3)由于順烏頭酸水合酶在催化 時建立了以下平衡:檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7.同時控 制

22、 Fe 2+ 含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。(4)隨著檸檬 酸積累，pH 降低到一定程度時，使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失 活，更有利于檸檬酸的積累及排出細胞外。 4、 谷氨酸發(fā)酵機制 （1）內(nèi)在方面：①TCA 循環(huán)：在有機酸含量很高時，檸檬酸合成酶、 烏頭酸酶、異檸檬酸酶等活性很高，促使谷氨酸大量生成，而α -酮 戊二酸脫氫酶、異檸檬酸裂解酶的活力很弱，使糖代謝流入TCA 循環(huán) 后受阻在α -酮戊二酸處，在有NH4+的情況下，由谷氨酸脫氫酶催化 還原氨基化大量生成谷氨酸。②DCA 循環(huán)：菌體內(nèi)有機酸含量很低時，

23、 使DCA 運轉(zhuǎn)進而生成草酰乙酸，以補充 TCA 缺少的C4 二羧酸。③細 胞膜通透性的改變：在發(fā)酵液中加生物素、表面活性劑等，使細胞膜 通透性增大，終產(chǎn)物谷氨酸不斷地排出細胞外，加快糖代謝的速度。 （2）外在環(huán)境因素方面：①溶解氧：在O2 不足的情況下，谷氨酸會 生成乳酸或琥珀酸，充足時生成α -酮戊二酸；②PH 值：若 PH 值為 5~8 則會生成谷氨酰胺或其他物質(zhì)；③磷酸：若環(huán)境中充滿高濃度的 磷酸鹽則會生成纈氨酸；④氨的導入：NH4+充足的情況下，由谷氨酸 脫氫酶催化還原氨基化大量生成谷氨酸。若不足則會生成α -酮戊二 酸。

24、 第八章 發(fā)酵動力學 1、微生物培養(yǎng)方式及其特點 (1)分批發(fā)酵:準封閉培養(yǎng)，指一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束，屬典 型的非穩(wěn)態(tài)過程。 優(yōu)點：操作簡單、投資少;運行周期短;染菌機會減少;生產(chǎn)過程、產(chǎn) 品質(zhì)量較易控制 缺點：不利于測定過程動力學，存在底物限制或抑制問題，會出現(xiàn)底 物分解阻遏效應及二次生長現(xiàn)象。對底物類型及初始高濃度敏感的次 級代謝物如一些抗生素等就不適合用分批發(fā)酵（生長與合成條件差別 大）。養(yǎng)分會耗竭快，無法維持微生物繼續(xù)生長和生產(chǎn)。非生產(chǎn)時間 長

25、，生產(chǎn)率較低 （2）連續(xù)發(fā)酵概念：在發(fā)酵過程中，連續(xù)向發(fā)酵罐流加培養(yǎng)基，同 時以相同流量從發(fā)酵罐中取出培養(yǎng)液。 特點： 添加培養(yǎng)基的同時，放出等體積發(fā)酵液，形成連續(xù)生產(chǎn)過程， 獲得相對穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)。 補料分批培養(yǎng)：在發(fā)酵過程中，不連續(xù)地向發(fā)酵罐內(nèi)加入培養(yǎng)基，但 不取出發(fā)酵液的發(fā)酵方式。 特點：由于培養(yǎng)基的加入，發(fā)酵液體積不斷增加。 優(yōu)點：可以解除底物的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應。 避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多， 以至通風攪拌設備不能匹配的狀況。菌體可被控制在一系列連續(xù)的過

26、 渡態(tài)階段，可用來作為控制細胞質(zhì)量的手段。 與連續(xù)發(fā)酵相比，補料分批發(fā)酵的優(yōu)點在于：①無菌要求低；②菌種 變異，退化少；③適用范圍更廣。 2、補料培養(yǎng)的類型 （1）補料方式：連續(xù)流加；不連續(xù)流加；多周期流加。（2） 流加 方式：快速流加；恒速流加；變速流加。（3）以補加的培養(yǎng)基成分來 區(qū)分 ：單一組分補料；多組分補料。 3、連續(xù)培養(yǎng)的類型 （1） 罐式連續(xù)發(fā)酵：單級； 多級串聯(lián)； 細胞回流式 （2）活塞流 式連續(xù)發(fā)酵 4、連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點 優(yōu)缺點：添加新鮮培養(yǎng)基，克服養(yǎng)分不足所導致

27、的發(fā)酵過程過早結(jié)束， 延長對數(shù)生長期，增加生物量等；在長時間發(fā)酵中，菌種易于發(fā)生變 異，并容易染上雜菌；如果操作不當，新加入的培養(yǎng)基與原有培養(yǎng)基 不易完全混合。 第九章 發(fā)酵工業(yè)中氧的供需 1、呼吸強度、攝氧率的概念及其關系 呼吸強度（QO2）：表示單位重量干菌體在單位 時間內(nèi)所吸收的氧量。 單位為『mmolO2/（g 干菌體.h）』 耗氧速率（r）：表示單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的吸氧量單位為 『mmolO2/（L.h）』 關系：r＝ QO2X 式中X－－發(fā)酵液中菌體濃度（g/L) 2、臨界氧濃度的概念

28、 當氧濃度低時，呼吸強度 QO2 隨溶解氧濃度 CL 增加而增加； 當溶解氧濃度達某一值后，CL 增加而 QO2 不變，此時的溶解氧濃度稱 為呼吸臨界氧濃度用C 臨界表示。它是維持微生物細胞進行正常呼吸所 需的最低濃度. 3、影響微生物耗氧的因素 （一）微生物的種類和生長階段 1、微生物種類不同，其生理特性不同，代謝活動的需氧量不同；一 般為25～100mmolO2/（L.h） 2、同一菌種的不同生長階段，

29、其需氧量不同。一般生長階段的攝氧 率>合成期的攝氧率 種子培養(yǎng)階段總耗氧量C 長臨，生長較好，各種代謝活動不受干擾 CL

30、中的傳質(zhì)阻力有那些 供氧方面的阻力: 1）氣膜阻力（ 1/k1 ）：2）氣液界面阻力（1/k2）： 3）液膜阻力（1/k3）： 4）液流阻力（1/k4）： 耗氧方面的阻力:1）細胞周圍液膜阻力（1/k5），與發(fā)酵液的成分和 濃度有關。2）菌絲叢或團內(nèi)的擴散阻力（1/k6），與微生物的種類、 生理特性狀態(tài)有關，單細胞的細菌和酵母菌不存在這種阻力；對于菌 絲，這種阻力最為突出。3）細胞膜的阻力（1/k7）：與微生物的生理 特性有關。4）細胞內(nèi)反應阻力（1/k8） 5、氧傳遞方程、Kla 的概念及其物理意義

31、 氧傳遞方程 N＝ KLa （C*-CL） KLa －－以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù) 6、根據(jù)傳質(zhì)方程式分析影響氧傳遞的因素 根據(jù)氣液傳質(zhì)方程式 N＝ KLa （C*-CL）看出，影響發(fā)酵過程中傳遞 速率N（或供氧）的主要因素有推動力（C*-CL）和液相溶氧系數(shù)KLa。 若能改變這兩個因素，則能改變N，即改變發(fā)酵罐的供氧能力。 （一）、影響氧傳遞推動力的因素 若想 （C*-CL） C*或 CL （二）、影響KLa（液相體積溶氧系數(shù)）的因素 影響 KLa 的因素主要有攪拌、空氣線速度（或空氣流速

32、）、空氣分 布器的形成、發(fā)酵液的理化性質(zhì)、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)等。 7、 測定Kla 的方法 ? 用溶陽電極與氧氣分析儀相配合，可直接測量實際發(fā)酵液中的 容積傳氧系數(shù)Kla ? 式中Ｃ進，Ｃ＊為常量：Ｃ出可用氧氣分析儀自排出氣體測得， Ｃ為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測得。 8、什么是雙膜理論 氧首先由氣相擴散到氣液兩相的接觸界面，再進入液相，界面的一側(cè) 是氣膜，另一側(cè)是液膜，氧由氣相擴散到液相必須穿過這兩層－－雙 膜理論。 第十章 發(fā)酵過程的

33、控制 一、溫度控制 1、發(fā)酵熱概念及其組成 發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。它是引起發(fā)酵過程中溫 度變化的主要原因。 Q 發(fā)酵＝Q 生物＋Q 攪拌－Q 蒸發(fā)－Q 顯－Q 輻射 組成: 生物熱（Q 生物產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能）、攪拌熱 （Q 攪拌液體與攪拌器等設鋼淠Σ斂娜攘?）、 蒸發(fā)熱（（Q 蒸發(fā)） 和 Q 顯水份蒸發(fā)所需的熱量為蒸發(fā)熱。水的蒸發(fā)熱及排出氣體因溫度 差異所帶的部分顯熱（Q 顯）都散失到外界。）輻射熱（Q 輻射罐內(nèi)外溫 度差使發(fā)酵液中部分熱量通過罐體向大氣輻射。）

34、 2、溫度對發(fā)酵的影響 （1）影響酶反應速率和產(chǎn)物生成：溫度升高，反應速率加快，生長 代謝加快，產(chǎn)物分泌期提前。但溫度過高，易使酶失活，菌體易于衰 老，發(fā)酵周期縮短，影響最終產(chǎn)量。（2）影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間 接影響菌的生物合成（3）影響生物合成的方向（4）影響酶系組成及 酶的特性 3、最適溫度控制 所謂最適溫度是指在該溫度下最適于菌的生長或產(chǎn)物的合成。對于 不同的菌種和不同的培養(yǎng)條件以及不同的酶反應和不同的生長階段， 最適溫度應有所不同。 1、最適溫度的選擇應考慮不同的發(fā)酵階段：菌體生長（最適生

35、長溫 度）產(chǎn)物合成（最適生產(chǎn)溫度） 2、溫度的選擇還要參考其它發(fā)酵條件靈活掌握 如（1）通氣條件較 差的情況下，降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵有利 可提高氧的溶解度 降低菌體生長速率 減少氧的消耗量 彌補通氣條件差所帶來的不足 （2）培養(yǎng)基的成分和濃度大小也對溫度的確定有影響：在使用易利 用或較稀薄的培養(yǎng)基時，提高發(fā)酵溫度對發(fā)酵不利。 發(fā)酵溫度 營養(yǎng)物質(zhì)代謝快，耗竭過早

36、 導致菌體自溶 代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量下降 二、pH 的控制 1、pH 對菌體生長和代謝產(chǎn)物合成的影響 1、PH 影響酶的活性：當 PH 抑制菌體中某些酶的活性時，使菌體的 新陳代謝受阻； 2、PH 影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，從而改變細胞膜的滲透性， 影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的泄漏； 3、PH 影響培養(yǎng)基中某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生 物對這些物質(zhì)的利用 4、PH 不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比 例發(fā)生改變 2、pH

37、 的調(diào)節(jié)控制 PH 控制的方法： 應根據(jù)具體的情況，選用適宜的方法調(diào)節(jié)控制 PH 值。 ①使發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎配方有適當?shù)呐浔?，特別是代謝產(chǎn)酸、產(chǎn)堿物 質(zhì)以及緩沖劑（如磷酸鹽CaCO3 等）等成分的用量。②直接補加酸（如 H2SO4）或堿（如NaOH）來控制，現(xiàn)常用生理酸性物質(zhì)（NH4）2SO4 和堿 性物質(zhì)氨水來控制。③通過中間補料的方法調(diào)節(jié)控制PH 值 三、泡沫的控制 1、消泡方法 （1）機械消泡：是一種物理消泡的方法，利用機械強烈振動或壓力 變化而使泡沫破裂。 (2)化學消泡是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方

38、法 2、化學消泡劑的特點及類型 特點：①是表面活性劑，且具有較低的表面張力，消泡作用迅速，效 率高； ②對氣－液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速發(fā)揮它的消泡作用 ------要求消泡劑具有一定的親水性； ③在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡功能； ④對微生物、人、畜無毒無害，不影響產(chǎn)物的提取和產(chǎn)品的質(zhì)量； ⑤不干擾溶解氧、PH 值等測定儀表使用，最好不影響氧的傳遞； ⑥消泡劑來源方便，價格便宜。 類型：①天然油脂類；②高碳醇、脂肪酸和酯類；③聚醚類；④硅酮 類 3

39、、機械消泡類型 有罐內(nèi)消泡和罐外消泡兩種方法 罐內(nèi)消泡：耙式消泡漿的機械消泡；旋轉(zhuǎn)圓板式的機械消泡；氣流吸 入式的機械消泡；流體吹入式的機械消泡；沖擊反射板式的機械消泡； 碟式及超聲波的機械消泡 罐外消泡 ：旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡；噴霧消泡； 離心力消泡；旋風分離 器消泡; 轉(zhuǎn)向板式消泡 四、沽系目刂? 1、補料的作用 產(chǎn)生菌的自溶期被推遲，生物合成 期延長，可維持較高的產(chǎn)物增長 幅度和增加發(fā)酵的總體積，使產(chǎn)量大幅度上升；作為糾正異常發(fā)酵的 一個重要手段。 2、補料內(nèi)容 （一）補充

40、微生物能源和C 源如添加葡萄糖、液化淀粉、天然油脂等 （二）補充N 源 如蛋白胨、豆餅粉、花生餅、玉米漿、酵母粉、尿素等有機 N 源， 或采用通氨工藝 （三）補充微量元素或無機鹽如磷酸鹽、硫酸鹽、氯化鈷等（四）對 于產(chǎn)誘導酶的微生物，補充酶的作用底物，提高酶產(chǎn)量 3、補料原則 控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。 五、發(fā)酵終點判斷的因素 （1）經(jīng)濟因素：發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)能力是實際發(fā)酵時間和發(fā)酵準備時 間（放罐、洗罐、裝料、滅菌等）的綜合體現(xiàn)。實際發(fā)酵時間要以最 低的成本來獲得最大生產(chǎn)能力的時間為

41、發(fā)酵時間；盡量縮短準備時 間。（2）產(chǎn)品質(zhì)量因素：發(fā)酵時間長短對后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大 的影響。（3）特殊因素 六、染菌控制 1、染菌時間對發(fā)酵的影響 （1）種子培養(yǎng)期染菌：由于接種量較小，生產(chǎn)菌生長一開始不占優(yōu) 勢，而且培養(yǎng)液中幾乎沒有抗生素（產(chǎn)物）或只有很少抗生素（產(chǎn)物）。 因而它防御雜菌能力低，容易污染雜菌。（2）發(fā)酵前期染菌 ：發(fā)酵 前期菌量不很多，與雜菌沒有競爭優(yōu)勢；且還未合成產(chǎn)物（抗生素） 或產(chǎn)生很少，抵御雜菌能力弱。（3）發(fā)酵中期染菌 ：發(fā)酵中期染菌 會嚴重干擾產(chǎn)生菌的代謝。（4）發(fā)酵

42、后期染菌：如果染菌不多，對生 產(chǎn)影響不大。如果染菌嚴重，又破壞性較大，可以提前放罐。 2、發(fā)酵總?cè)揪矢拍? 總?cè)揪手敢荒臧l(fā)酵染菌的批（次）數(shù)與總投料批（次）數(shù)之比的百 分率。 3、染菌原因分析及其防止 （1）設備滲漏：設備滲漏包括夾套穿孔、盤管穿孔、接種管穿孔、 閥門滲漏、攪拌軸滲漏、罐蓋漏和其它設備漏等。防止：加強設備本 身及附屬零部件的嚴密度檢查，對制服染菌是極其主要的，也是重要 的。（2）空氣帶菌：因為空氣除菌系統(tǒng)較為復雜，環(huán)節(jié)多，偶遇不慎 便會導致空氣除菌失敗。（3）種子帶菌 : 種子帶菌又分為種子本身 帶菌和

43、種子培養(yǎng)過程中染菌。加強種子管理，嚴格無菌操作，種子本 身帶菌是可以克服的。種子培養(yǎng)過程染菌與發(fā)酵一樣有許多因素造 成。(4) 滅菌不徹底: 滅菌技術的好壞與滅菌質(zhì)量很有關系 (5)技術管理不善:技術管理就是要對發(fā)酵每個環(huán)節(jié)嚴格控制，發(fā)酵中 稍有不慎就可能染菌，所以不能有僥幸心理而放松管理 4、染菌后的處理方法 (1)染菌后的培養(yǎng)基必須滅菌后才可放下水道。（2）凡染菌的罐要找 染菌的原因，對癥下藥，該罐也要徹底清洗，進行空罐消毒，才可進 罐。（3）染菌厲害時，車間環(huán)境要用石灰消毒，空氣用甲醛熏蒸。特 別，若染噬菌體，空氣必須用甲醛蒸汽

44、消毒。 第十一章 發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制 1、 發(fā)酵產(chǎn)物的分類 (1)菌體:主要以菌體細胞作為發(fā)酵產(chǎn)品，如單細胞蛋白、食用酵母、 飼料酵母等。 (2)酶:發(fā)酵產(chǎn)物為酶制劑，包括胞外酶和胞內(nèi)酶。 (3)代謝產(chǎn)物:發(fā)酵產(chǎn)物為代謝產(chǎn)物，包括各種有機酸、有機溶劑、氨 基酸、核苷酸類物質(zhì)、抗生素、多糖、維生素等。 2、發(fā)酵醪預處理一般的要求 (1)菌體的分離;(2)固體懸浮物的去除;(3)蛋白質(zhì)的去除:(4)重金屬 離子的去除;(5)色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機雜質(zhì)的去除;(6)改

45、變 發(fā)酵醪的性質(zhì);(7)調(diào)節(jié)適宜的PH 值和溫度 3、提高過濾設備過濾能力的途徑 (1)等電點;(2)蛋白質(zhì)變性;(3)吸附;(4)凝聚和絮凝;(5)加入助濾 劑;(6)直接在發(fā)酵液中形成填充-凝固劑;(7)酶解作用 4、細胞破碎的方法 (1) 機械方法:1)球磨機2)高壓勻漿器3)X-press 法4)超聲波破碎 (2)非機械方法:1) 酶解 2)滲透壓沖擊 3)凍結(jié)和融化4)干燥法5)化 學法 5、萃取的概念及其類型、萃取工藝類型 萃?。菏抢靡后w混合物各組分在某有機溶劑中的溶解度的差異而實 現(xiàn)分離的。

46、 類型:單級萃取;多級錯流萃取;多級逆流萃取 萃取工藝類型:(1)單級提煉法（2）多次提煉法（3）多級對流萃?。?） 分餾萃取（5）微分萃取 6、影響溶媒萃取的主要因素 （1） 乳化與去乳化；（2）pH 值；（3）溫度；（4）鹽析；（5）帶溶劑;(6) 溶媒的選擇 7、影響萃取的因素 1．影響萃取操作的因素：pH、溫度、鹽析；2．有機溶劑的選擇；3．帶 溶劑；4．乳化與去乳化 8、離子交換概念 是應用合成的離子交換劑作為吸附劑，將溶液中的物質(zhì)，吸附在交換

47、 劑上，然后用合適的洗脫劑將吸附物質(zhì)從交換劑上洗脫下來，達到分 離、濃縮、提純的目的。 9、離子交換的過程 （1）原料液的預處理，使得流動相易于被吸附劑吸附；（2）原料液 和離子交換樹脂的充分接觸，使吸附進行；（3）淋洗離子交換樹脂， 以去除雜質(zhì)；（4）把離子交換樹脂上的有用物質(zhì)解吸并洗脫下來；（5） 離子交換樹脂的再生。 10、影響離子交換速度的因素 （1）樹脂顆粒大小；（2）樹脂的交聯(lián)度；（3）溶液中離子濃度；（4） 溫度；（5）離子的大??；（6）離子價；（7）樹脂的強弱；（8）樹脂層 裝填的松緊度 11、吸

48、附的概念、吸附的分類 吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力， 使其富集在吸附劑表面，再用適當?shù)南疵搫⑵浣馕_到分離純化的 過程。 分類：(1)物理吸附：溶質(zhì)與吸附劑之間由于范德華力而產(chǎn)生的吸附。 (2)化學吸附：溶質(zhì)與吸附劑發(fā)生化學反應，形成牢固的吸附化學鍵 和表面絡合物。(3)交換吸附：溶質(zhì)的離子由于靜電引力作用聚集在 吸附劑表面的帶電點上，并置換出原先固定在這些帶電點上的其他離 子。 12、吸附法的優(yōu)缺點 優(yōu)點：有機溶劑摻入少； 操作簡便，安全，設備簡單； pH 變化小

49、， 適于穩(wěn)定性差的物質(zhì) 缺點：選擇性差；收率低；無機吸附劑性能不穩(wěn)定；不能連續(xù)操作， 勞動強度大；碳粉等吸附劑有粉塵污染 13、膜分離的概念及其特點 膜分離：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。?， 以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，允許某些組分透過而保留混合 物中其它組分，從而達到分離目的的技術。 特點：①操作在常溫下進行；②是物理過程，不需加入化學試劑；③ 不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃 縮和純化可在一個步驟內(nèi)完成；⑥設備易放大，可以分批或連續(xù)操作 14、 膜的分類

50、 按孔徑大?。何V膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜 按膜結(jié)構(gòu)：對稱性膜、不對稱膜、復合膜 按材料分：合成有機聚合物膜、無機材料膜 多孔膜與致密膜：前者微濾膜、超濾膜、納濾膜，后者反滲透膜、滲 透蒸發(fā) 15、 濃差極化概念 在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透 過膜的溶質(zhì)受到膜的截流作用，在膜表面附近濃度升高。這種在膜表 面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化。 16、 凝膠層析的概念及其特點 概念：是指混合物隨流動相經(jīng)過凝膠層析柱時，由于各組分流經(jīng)體積

51、 的差異，使不同分子量的組分的以分離的層析方法。 特點：（1）凝膠層析操作簡便，所需設備簡單；（2）分離效果好，重 復性高；（3）分離條件緩和；（4）應用廣泛；（5）分辨率不高，分離 操作較慢。 發(fā)酵工藝實例 1、 啤酒、黃酒、白酒、葡萄酒的概念 啤酒以大麥芽﹑酒花﹑水為主要原料﹐經(jīng)酵母發(fā)酵作用釀制而成的 飽含二氧化碳的低酒精度酒。 黃酒以稻米、黍米、黑米、玉米、小麥等為原料，經(jīng)過蒸料，拌以麥 曲、米曲或酒藥，進行糖化和發(fā)酵釀制而成的各類黃酒。 白酒以曲類、酒母為糖化發(fā)酵劑，利用淀粉質(zhì)(或糖質(zhì))原料，經(jīng)蒸煮、 糖

52、化、發(fā)酵、蒸餾、陳釀和勾兌釀制而成的酒。 葡萄酒只能是破碎或未破碎的新鮮葡萄果實或葡萄汁經(jīng)完全或部分 酒精發(fā)酵后獲得的飲料，其酒度不能低于8.5 度。 2、 啤酒、黃酒、白酒、葡萄酒的分類 啤酒：（1.） 按酵母性質(zhì)不同分：上面發(fā)酵啤酒； 下面發(fā)酵啤酒： 最普遍 （2）根據(jù)是否巴氏滅菌分： 生啤酒：（鮮?。┪唇?jīng)巴氏滅菌 過濾除菌; 熟啤酒： 經(jīng)巴氏滅菌 (3. )根據(jù)麥芽度分 乙醇含量 低濃度啤酒：2.5~8 0.8~2.

53、2% 中濃度啤酒：9~12 2.5~3.5% 高濃度啤酒：13~22 3 .6~5.5% (4) . 根據(jù)色澤分 淡色啤酒：5~14EBC 色淺 濃色啤酒：15~40EBC 紅棕色 黑色啤酒：50~130EBC 紅褐或黑褐色 (5) 啤酒新品種 干?。╠ry beer）：發(fā)酵度高，殘?zhí)堑? 無醇（alcohol-free）（低醇）啤酒：0.5% 2.5% 稀釋啤酒：高濃度麥汁釀造后稀釋啤酒 黃酒: 按產(chǎn)地: 紹興酒、金華酒、丹陽酒

54、、九江封缸酒、山東蘭陵酒 等 按類型：花雕酒、加飯酒、封缸酒、善釀酒 按原料：糯米酒，黑米酒、玉米黃酒、粟米酒、青稞酒等 按外觀：清酒，濁酒，白酒，黃酒，紅酒 白酒：按原料分類：糧谷酒；薯類酒；代糧酒 按生產(chǎn)工藝分類：固態(tài)法白酒；液態(tài)法白酒；半固態(tài)法白酒 按用曲種分類 ：大曲酒；小曲酒；麩曲白酒 按香型分類：醬香型：以貴州茅臺酒為代表；濃香型：以五糧液、瀘 州特曲酒為代表；清香型：以汾酒為代表。米香型：以桂林三花酒、 廣西湘山酒為代表。特香型：惟“特香領袖”四特酒獨有；鳳香型： 以陜

55、西西鳳酒為代表。兼香型：以湖北白云邊酒、黑龍江玉泉酒為代 表 按酒度高低分類：高度白酒：酒精度為50％~68％（體積分數(shù)）的白 酒。 中度白酒：酒精度為40％~49％（體積分數(shù)）的白酒。 低度白酒：酒精度在40％（體積分數(shù)）以下的白酒，一般不低于20％ （體積分數(shù)）。 葡萄酒：按酒的顏色：紅葡萄酒；白葡萄酒;桃紅葡萄酒 按含糖量: 干葡萄酒;半干葡萄酒;半甜葡萄酒;甜葡萄酒 按釀造方法: 天然葡萄酒;加強葡萄酒;加香葡萄酒 按是否含有CO2: 平靜葡萄酒;起泡葡萄酒;葡萄汽酒 3、 抗生素的概念 由生物

56、（包括微生物、植物和動物）在其生命過程中所產(chǎn)生的一類在 微量濃度下就能選擇性地抑制它種生物或細胞生長的次級代謝產(chǎn)物。 4、 抗生素的分類 （一）根據(jù)抗生素的生物來源分類 1.放線菌 由它產(chǎn)生的抗生素數(shù)量最多。 如鏈霉菌屬產(chǎn)生的鏈霉 素，小單孢菌產(chǎn)生的慶大霉素、小諾霉素。 2.真菌 青霉菌屬產(chǎn)生的青霉素,頭孢菌屬產(chǎn)生的頭孢菌素。 3.細菌 多粘桿菌產(chǎn)生的多粘菌素。 4.動、植物 被子植物大蒜中得到的蒜素。 魚類（動物）臟器中 制得的魚素。 （二）根據(jù)抗生素的作用分

57、類 1．廣譜抗生素 如氨芐青霉素（半合成青霉素），既能抑制菌又能 抑制菌。 2．抗革蘭氏陽性細菌 如青霉素G。 3．抗革蘭氏陰性細菌 如鏈霉素。 4．抗真菌 如制霉菌素、灰黃霉素。 5．抗腫瘤 如阿霉素。 6．抗病毒、抗原蟲 如魚素。 （三）根據(jù)化學結(jié)構(gòu)分類 ? 1.β -內(nèi)酰胺類 2．氨基糖苷類（氨基環(huán)醇類） 3. 大 環(huán)內(nèi)酯類 ? 4．四環(huán)類 5．多肽類 6. 其他抗生素 ( 凡不屬于上述 5 類的抗生素，如林肯霉素、氯

58、霉素、阿霉素等) 5、 對醫(yī)用抗生素的評價的要求 （1）它應有較大的差異毒力，即對宿主人體組織和或正常細胞只是 輕微毒性而對某些致病菌或突變腫瘤細胞有強大的毒害。 （2）它能 在人體內(nèi)發(fā)揮其抗生效能、而不被人體中血液、腦脊液等所破壞，同 時它不應大量與體內(nèi)血清蛋白產(chǎn)生不可逆的結(jié)合。 （3）在給藥后應 較快地被吸收，并迅速分布至被感染的器官或組織中。 （4）致病菌 在體內(nèi)對該抗生素不易產(chǎn)生耐藥性。 （5）不易引起過敏反應。 （6） 具備較好的理化性質(zhì)和穩(wěn)定性，以利于提取、制劑和貯藏。 6、青霉素和四環(huán)素的作用機理 青霉素作用機理:干擾細菌細胞壁的合成:青霉素的結(jié)構(gòu)與細胞壁的 成分粘肽結(jié)構(gòu)中的 D 丙氨酰-D-丙氨酸近似，可與后者競爭轉(zhuǎn)肽酶， 阻礙粘肽的形成，造成細胞壁的缺損，使細菌失去細胞壁的滲透屏障， 對細菌起到殺滅作用。 其對革蘭陽性菌有效，由于革蘭陰性菌缺乏 五肽交連橋而青霉素對其作用不大。 !!!生長中的細胞有效，靜止細胞無效 高效、安全的抗細菌感染藥物 四環(huán)素的作用機理:與微生物核糖提30S 亞基結(jié)合，阻斷蛋白質(zhì)合成， 具有廣譜抑菌和殺菌能力。