发酵技术与酶技术 Microsoft Word 文档.doc

发酵技术与酶技术 定义：发酵技术是指人们利用微生物的发酵作用，运用一些技术手段控制发酵过程，大规模生产发酵产品的技术，称为发酵技术。 一 发酵过程中的代谢变化 （一 ） 初级代谢产物发酵的代谢变化 1 菌体浓度的变化 延迟期、对数生长期、静止期和死亡期。 延迟期的长短与培养条件和菌种生理状态有关。 在未达死亡期之前放罐。 2 营养基质浓度的变化 随发酵时间的延长不断降低，用于菌体的生长和产物的形成。 溶氧的变化规律(后面讲)。 3 产物浓度的变化 (1) 与菌体浓度平行； (2) 与培养条件有关 （二） 次级代谢产物发酵的代谢变化 次级代谢发酵的菌体生长(生长期)和产物合成期(生产期)是分开的。 发酵过程可分为：菌体生长、产物合成、菌体自溶三个阶段。 (1) 营养成分的变化 碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不断被消耗，浓度明显减少，而新菌 体不断合成，菌浓明显增加。 (2) 摄氧率的变化 随菌浓增加，摄氧率不断增加，溶氧浓度下降，菌浓至临界，溶氧至最低。 (三) pH 先下降后下升：利用葡萄糖产生酸，而后再被利用。 先上升后下降：利用氨基酸的碳骨架，剩下氨，而后氨又被利用。 限制性因素的出现，使菌体由生长向生产转化。 二 菌体浓度及其控制 定义：菌体浓度：单位体积培养液中菌体的含量。 （一） 影响菌体生长的因素 1 比生长速率：越大，菌体生长越快；决定于细胞的复杂性(越复杂越慢)； 2 营养物质和环境条件： 营养物质浓度在一定限度内，浓度与菌体生长成正比。其它环境条件越适合，生长越快。 （二 )菌浓对初级代谢和次级代谢的影响 1 营养物质消耗太快； 2 生产毒素； 3 溶氧供应不上。 三 营养基质影响及其控制 （一） 碳源的影响及其控制 1 碳源的种类影响代谢情况 迅速利用的碳源：迅速参与代谢，合成菌体和产生能量，并产生分解产物，因此有利于菌体生长，但对产物(特别是次级代谢)有抑制作用(例如葡萄糖)。 缓慢利用的碳源：可被菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成(例如乳糖、蔗糖、麦芽糖、糊精、饴糖等)。 （二） 氮源的影响和控制 1 氮源浓度的影响 以谷氨酸发酵为例： NH4+太高：合成谷氨酰氨； NH4+不足：积累-酮戊二酸。 2 氮源的种类的影响 速效氮源：氨基态氮和玉米浆，促进菌体生长，但对部分产物，特别是次级产物合成有抑制作用。 缓慢氮源：延长产物合成期。发酵培养基一般采用速效与缓慢氮源的混合物，且中间还要补充。 (1) 补加有机氮源 (2) 补加无机氮源(补氮和调pH双重功效)。 （三） 磷酸盐的影响和控制 适合微生物生长的磷盐浓度偏高； 适合微生物药物合成的磷盐浓度偏低。 发酵过程一般采用亚适量。 四 温度的影响及其控制 （一） 温度对发酵的影响 1 影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质； 菌体生长所需温度与产物合成温度不一致(如青霉素)；温度不同还可能影响产物合成的方向(如金霉素和四环素)。 2 影响发酵液的物理性质。(粘度、氧和基质的溶解与传递、分解和吸收) （二） 影响发酵温度变化的因素 产热的因素： 1 生物热(Q生物) 与培养基成分和培养阶段有关。 2 搅拌热(Q搅拌) 散热的因素： 1 蒸发热(Q蒸发) 2 辐射热(Q辐射) （三） 温度的控制 1 最适温度的选择 2 温度的控制 五 PH的影响及其控制 （一） pH对发酵的影响 1 影响微生物的生长及产物的合成(通过影响酶活性实现)； 生长最适pH与合成最适pH不一致 菌体内的pH近中性，因为发酵培养基中的pH是通过间接方式作用与胞内酶的 2 影响菌体对基质的利用速度和细胞结构(通过影响膜实现)； 例如产黄青霉在低pH 下为丝状，高pH为酵母状 3 影响产物的稳定性； 噻呐霉素在pH6.7-7.5时稳定； 青霉素在碱性条件下发酵产量低 （二） 发酵pH的变化(影响因素) 1 菌种的遗传特性 菌种具有自我调节pH能力，但能力有限度(地中海卡诺氏菌发酵生产利福霉素SV) 2 营养成分的分解代谢 碳源分解代谢产生中间产物丙酮酸，产生丙酮酸的多少与碳源种类和浓度有关。 pH变化是菌体产酸或产碱的综合作用结果，可能通过pH变化反应发酵情况。 （三）发酵pH的确定和控制 1 发酵 pH的确定 根据实验结果确定 2 pH控制 最适pH在微生物生长和产物形成相互关系： (1) 二者的pH相似且在较宽的内； (2) 生长的pH较宽，而合成的pH较窄； (3) 二者都敏感，但最适点相同； (4) 二者都敏感，但最适点不同 pH的控制方法： 1 培养基配比适当，使pH在合适的范围内变化； 2 直接补加酸碱或补料； 其中采用补料的方法可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH和改变培养基性质等几种目的。 六 溶氧影响及其控制 (一） 溶氧对发酵的影响 影响菌体生长、产物合成及产物的性质。 1 有时，氧充分促进产物合成，如谷氨酸和金霉素发酵； 2 有时，氧充足会对产物有抑制作用，如维生素B12发酵。 因此溶氧并非越高越好。 氨基酸发酵对氧的需求分三类： 1 谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必须供应充足，产量才大； 2 异亮氨酸、赖氨酸和苏氨酸，供氧充分可获得最高产量，但供氧受限时，不会有太大影响； 3 亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，供氧受限对产物合成有利。 (二) 发酵过程的溶氧变化 在一定的发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自身的规律。 总的规律：先下降，后上升，不同产物后期出现最低谷的时间不同。 溶氧异常下降的原因： 1 污染好气性杂菌； 2 菌体代谢异常； 3 某些设备或工艺控制发生故障，如搅拌。 引起溶氧异常升高的原因： 1 代谢异常，菌体过早衰老； 2 污染噬菌体。 (三) 溶氧浓度的控制 溶氧浓度是由氧的供需平衡所决定的。供大于需时，溶氧上升；供小于需时，溶氧下降。 提高供氧的方法： 提高氧传递动力和液相体积氧传递系数。 氧传递动力的提高受限，只能通过搅拌、通气及发酵液粘度控制。 控制需氧的方法： 需氧量受菌体浓度、营养基质的种类和浓度、培养条件影响，其中重要的是菌体浓度。菌体浓度可通过控制比生长速率来实现，这又要通过营养基质浓度的控制来实现。 七 二氧化碳影响及其控制 （一） 二氧化碳对发酵的影响 二氧化碳的作用：