发酵工程复习知识点

原料的定义 原料的定义 从工艺角度来看 凡是能被生物细胞利用并 转化成所需的代谢产物或菌体的物料 都可作 为发酵工业生产的原料 具体 一般是含有可发酵性糖或可转化为可 发酵性糖的物料 还包括前体物质等等 原料选择的原则原料选择的原则 1 满足生产工艺要求 适合微生物需要 吸收利用 代谢产物生产 对生产中除发酵以外的其他方面 如通气 搅拌 精制 废弃物的处理等所带来的困难最 少 2 满足管理和经济要求 原料价格低廉 占成本的比例 原料资源要丰富 容易收集 60 70 s 石 油烷烃生产谷氨酸 因地制宜 就地取材 原料要容易贮藏 3 满足环保的要求 资源化 减少污染 常用原料种类常用原料种类 薯类 甘薯 马铃薯 木薯 山药等 粮谷类 高粱 玉米 大米 谷子 大麦 小麦 燕麦 黍和稷等 酒用原料 野生植物 橡子仁 葛根 土茯苓 蕨根 石蒜 金刚头 香符子等 农产品加工副产物 米糠 饼 麸皮 高 粱糠 淀粉渣等 糖蜜 非粮食生物质原料 纤维素 木质素 半纤 维素等 水果类原料 葡萄 苹果 山楂等 常用原料的化学组成常用原料的化学组成 碳水化学物 主要是单糖和双糖 发酵微 生物的碳源和能源 一些多糖则需转化为单糖 或双糖后才被利用 蛋白质 蛋白质经蛋白酶分解后产生的多 肽或氨基酸 是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮 源 脂肪 针对不同的发酵产品其作用有较 大差别 灰分 主要是 P Mg K S Ca 等元素 是微生物生长和代谢所必需 糖蜜 糖蜜 英文名称 molasses 定义 工业制糖过程中 蔗糖结晶后 剩余 的不能结晶 但仍含有较多糖的液体残留物 玉米浆 玉米浆 外文名 corn steep liquor 是制玉米 淀粉的副产物 原料为玉米糁 水 玉米汁 制造玉米淀粉须将玉米粒先用亚硫酸浸泡 浸 泡液浓缩即制成黄褐色的液体 叫玉米浆 含 有丰富的可溶性蛋白 生长素和一些前体物质 含大约 40 50 固体物质 味道微咸 是微 生物生长很普遍应用的有机氮源 它还能促进 青霉素等抗生素的生物合成 培养基设计的基本原则培养基设计的基本原则 1 培养基的组成必需满足细胞的生长 和代谢 产物所需的元素 并能提供 生物合成和细胞 维持活力所需要的 能量 2 营养成分恰当的配比 3 渗透压 吸收 传质 4 pH 值 5 氧化还原电位 如 专性厌氧菌 如何进行培养基的设计如何进行培养基的设计 1 理论计算法 碳源和能源 氮源 其他需要 细胞 产物 CO2 H2O 热量 通过计算可以获得生产一定数量的细胞时 所 需的营养物的最低数量 2 组成微生物的元素包括 C H O N S P Mg 和 K 见下表 这些元 素都要 在方程式中予以平衡 3 有些微生物无力的合成特定营 养物 如 氨基酸 维生素或核苷酸 一旦测出其中一 种是生长因子 就要在培养基中加入适量的 纯净的化合物或含有该物质的混合物 4 碳源具有生物合成的底物和能源 的双重 作用 在需氧条件下 对碳 源的需要量可以 从菌体对底物的产 率系数 Yx s 推算而得 发酵培养基的组成成分发酵培养基的组成成分 水 碳源 氮源 无机盐 维生素 缓冲剂 前体和代谢调节剂 消沫剂 促进剂 促进剂 不促进微生物的生长 只是有助于 调节产物的形成 抑制剂 抑制剂 加入后会抑制某些代谢途径 使另 一途径活跃 从而获得人们需要的代谢产物 预处理的必要性预处理的必要性 1 发酵工厂在进行生产前 必须先将原料中 混杂的杂质除去 保证后续工序生产的正常和 顺利进行 2 为保证后续工序生产的正常和顺利进行 还需对原料进行适当加工 3 为保证生产环境的清洁 必须采用适当的 输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器 预处理的方法 方式 预处理的方法 方式 1 原料除杂 筛选 风选 磁力除铁 2 原料的粉碎 1 粉碎的目的 增加原料受热面积 粉末状原料加水混合后容易流动输送 对于一些带壳的原料 如高粱 大麦 在粉 碎前 则要求先把皮壳破碎 3 粉碎方法 干粉碎 粗砰常用的设备是轴向滚筒式粗碎机 也有用 锤式粉碎机进行粗碎的例子 常用的细碎设备 是锤式粉碎机 湿粉碎 湿法粉碎工艺的优点湿法粉碎工艺的优点 彻底消除了粉尘的危害 改善了劳动条件 降低了原料的损耗 提高了原料的粉碎细度 节省了蒸煮时所消耗的蒸气 粉碎机部件 特别是刀片 的磨损减少 设备简单 对厂房要求不高 1 机械的输送 2 气流输送 优点 设备简单 占地面积小 费用少 连续化自动化改善了劳动条件 输送能力和距离有较大的变动范围 在气流输送的同时 还可对物料进行加 热 冷却 干燥等操作 原理 气流输送方法 是借助气流的动能 使管道 中的物料被悬浮输送 气流输送的流程气流输送的流程 吸引式流程 真空输送 压送式流程 压力输送 流程的比较流程的比较 吸引式流程 不需加料器 但要有封闭较好 的排 料器 压送式流程 不需排料器 但要有封闭较好 的加 料器 对相同输送量 压送式流程较吸引式流程采 用较 细的管道 从几个不同的地方 向一个卸料点时 吸引 式流 程较适合 从一个加料点向几个不同地 方送料时 压送式流程较适合 淀粉在水淀粉在水 热处理过程的中变化热处理过程的中变化 1 水 热处理的概念 将淀粉质原料与水 一起 在高温高压或低温低压的条件下进行处 理的过程 2 水 热处理的目的 淀粉原料经过水热 处理 使淀粉从细胞中游离出来 并转化为溶 解状态 以便淀粉酶系统进行糖化作用 这就 是原料水 热处理的主要目的 淀粉的膨胀和溶解淀粉的膨胀和溶解 膨胀 淀粉是一种亲水胶体 遇水加热后 水分 子渗入淀粉颗粒的内部 使淀粉分子的 体积和重量增加 这种现象称为膨胀 糊化 在温水中 当淀粉颗粒无限膨胀形成 均一 的粘稠液体的现象 称为淀粉的糊化 此时的温度称为糊化温度 溶解或液化溶解或液化 淀粉糊化后 如果提高温度至 130 由于支链淀粉的全部 几乎 溶解 网 状结构彻底破坏 淀粉溶液的粘度迅速下 降 变为流动性较好的醪液 这种现象称为 淀粉的溶解或液化 淀粉的老化淀粉的老化 液化后的淀粉醪液在温度降低时 黏度逐步增 加 重到重新发生结晶的现象 称为老化 焦糖化焦糖化 当温度达到糖的熔点时 185 糖分脱水形成黑色无定形物 统称焦糖 氨基糖反应氨基糖反应 还原糖与氨基酸之间产 生的呈 色反应称为氨基糖反应 酶解法液化 糖化淀粉常用的酶酶解法液化 糖化淀粉常用的酶 淀粉酶 其作用是将淀粉迅速水解为糊精 及 少量麦芽糖 对淀粉的作用 可将长链从 内部 分裂成若干短链的糊精 所以也称内切 淀粉酶 淀粉受到 淀粉酶的作用后 遇碘 呈色很快反应 如下表现 蓝 紫 红 浅 红 不显色 即碘原色 糖化酶 作用于淀粉的 l 4 键结合 能从 葡萄糖键的非还原性末端起将葡萄糖单位一个 一个 的切断 因为是从链的一端逐渐地一个 个地切断为葡萄糖 所以称为外切淀粉酶 淀粉酶 淀粉酶能水解 1 4 糖苷 键 不能水解 1 6 糖苷键 遇此键水解停 止 也不能越过继续水解 淀粉酶届于外 切酶 水解产物只有麦芽糖 异淀粉酶 异淀粉酶能水解支链淀粉和糖 原分子中支叉地位的 1 6 糖苷键 使支 叉结构断裂 但对于直链结构中的 1 6 糖苷键却不能水解 普鲁蓝酶 能水解支叉结构和直链 结构的 1 6 糖苷键 支链淀粉 糖原和其 极 限糊精及普鲁蓝分子中的 1 6 键 脱支酶脱支酶 普鲁兰酶普鲁兰酶 vs 异淀粉酶异淀粉酶 普鲁兰酶类型的淀粉脱支酶和异淀粉酶类 型的淀粉脱支酶都能够专一地切开支链淀粉分 支点中的 1 6 糖苷键 将小单位的支链分 解 从而切下整个侧枝 最大限度地利用淀粉 原料 其不同在于 普鲁兰酶作用底物的最小单位 是 2 个麦芽糖基含 1 个 1 6 糖苷键 异淀粉酶作用底物的最小单位是麦芽三糖基 或麦芽四糖基含 1 个 1 6 糖苷键 不能水 解只有 2 个葡萄糖基的 1 6 糖苷键 表现 为前者以普鲁兰和支链淀粉为底物 不能作用 于植物和动物糖原 后者能够去除支链淀粉 和植物 动物糖原中的分支链 却不能作用于 普鲁兰 异淀粉酶类型的淀粉脱枝酶相较普鲁兰类型 的淀粉脱枝酶具有诸多优点 首先它能同时从 内部和外部水解支链淀粉的分支点 其次它的 催化反应具有不可逆性 再者 异淀粉酶的催 化活性不会被麦芽糖所抑制 DE 值值 糖化液中还原糖含量 以葡萄糖计 占干物质的百分率 用以表示淀粉糖的糖组成 还原糖用斐林法或碘量法测定 干物质用阿贝 折光仪测定 酶法液化方法酶法液化方法 升温液化法 间歇式 工艺 将浓度 30 40 淀粉乳调整 pH 到 6 5 加入 CaCl2 0 01mol L 和一定量淀 粉酶 5 8u 克淀粉 剧烈搅拌 加热到 85 90 保持 30 60 分钟 达到液化程 度 DE 15 18 升温 到 100 灭酶 10 分钟 此方法简便 但效果较差 能耗大 原 料利 用率低 过滤性能差 高温液化法 喷淋连续进出料液化法 半 连续式 工艺 将淀粉乳调整到适当 pH 和 Ca2 浓度 加 入一定量的液化酶 用泵打给喷淋头引入 液化 罐中 其中已有 90 热水 淀粉糊化 后 立 即液化 至保温罐 90 保温 40 分钟 达到液化 的程度 优点 设备和操作简单 效果比间歇液化好 缺点 不安全 蒸汽耗量大 温度无法达到最 佳温度 液化效果差 糖液过滤性能也差 喷射液化法 连续式 利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层 以 在短时间内达到要求的温度 完成 糊化和液 化 喷射后 进入保温罐 85 90 保温 45 分钟 优点 设备小 便于连续操作 原料 利用率高 转化率高 蛋白质凝聚好 但 要 求一定压力的蒸汽 进出料的速度要稳定 液化程度的控制液化程度的控制 淀粉液化的目的 为糖化酶作用创造条件 合适的分子大小适合糖化酶作用 碘试 测定 DE 值 Dextrose Equivalent 正常 DE 值 10 20 糊精 低聚糖 单糖 DE 值高 糊精太小 不利于糖化酶作用 影响 催化效率 终点 DE 值低 DE 值低 液化不彻底 糖化速度慢 酶用 量大 时间长 过滤性能差 透光率和澄清度 液化效果的标准液化效果的标准 液化要均匀 蛋白絮凝效果好 灭酶 100 10min 液化彻底 60 C 时液化液要稳定 不出现老 化现象 不含不溶性淀粉颗粒 液化液透明 清亮 糖化理论糖化理论 糖化 以无机酸或酶为催化剂 在一定温度 下使淀粉水解 将淀粉全部或部分转化为葡萄 糖等可发酵性糖的过程 糖化剂 糖化过程中所用的催化剂 包括 无 机酸和酶 糖化的目的 将淀粉转化为可发酵性糖 理论收率 理论收率 111 11 实际收率 实际收率 105 108 淀粉转化率淀粉转化率 淀粉水解过程的反应淀粉水解过程的反应 主反应 糖化 水解作用 副反应 复合反应 在酸和热作用下 部分葡萄糖 经 1 6 键结合成龙胆二糖 异麦芽糖和其他 低 聚糖 分解反应 葡萄糖分解为羟甲基糠醛 有 机 酸和有色物质等非糖产物 糖化的过程检测糖化的过程检测 检验液化 是否有淀粉 用碘液 是否 呈兰色 检验糖化 是否水解完全 测定还原糖 用无水酒精 1 酸解法 酸糖化法 酸解法 酸糖化法 定义 以酸 无机酸或有机酸 为催化剂 在 高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法 优点 工艺简单 设备较单一 水解时间短 设备周转快 缺点 需耐高温 高压和耐腐蚀的设备 副产物多 淀粉的转化率低 对原料要 求高 废水难处理 2 酶解法酶解法 定义 以酶为催化剂 在常温常压下将淀粉 水解为葡萄糖的方法 包括液化和糖化两个过 程 故又称双酶水解法 优点 反应条件温和 副反应少 淀粉质量高 可在较高淀粉浓度下水解 对预料要求不 高 糖液的质量高 营养物质较丰富 缺点 水解时间长 夏天糖液容易变质 设备较多 糖化方法的比较糖化方法的比较 水解时间 酸法短 酶法长 水解程度 酶法高 糖液杂质 酶法低 酸法高 酶法糖化的工艺流程酶法糖化的工艺流程 液化 糖化 灭酶 过滤 贮糖计量 发酵 工艺要点 糖化 pH4 2 4 5 温度 60 左右 糖化酶用量 150U g 淀粉 糖化时间 32 小时 用无水酒精检验无糊精 存在 时 糖化结束 然后将 pH 调整至 4 8 5 0 维持 20 分钟灭酶 水解糖液的质量要求和控制要点水解糖液的质量要求和控制要点 1 水解糖液的质量要求 色泽 呈强黄色透明液 糊精反应 无 还原糖含量 18 左右 DE 值 90 以上 透光率 60 80 左右 650 纳米 pH 值 4 6 4 8 淀粉转化率 92 以上 实际产量 理论产 量 2 水解糖液的控制要点 合理控制淀粉乳浓度 糖液要清 溶液中不含糊精 糖液要新鲜 糖液贮存容器一定要保持清洁 定期清 理 和清洗 防止酵母菌等浸入 纤维质原料的预处理纤维质原料的预处理 物理方法有 剪切和研磨 高温液态 法 高温分解 微波处理 蒸汽爆破 高能辐射 常用的化学法有 臭氧法 酸水解法 碱法 氧化脱木素法 有机溶剂法 常用的物理化学法有 蒸汽爆裂法 氨纤维爆裂 CO2 爆破法 蒸汽爆裂与乙 醇抽提结合法 氨冷冻爆破法 生物合成的前体物质前体物质指某些化合物加入到发酵 培养基中 能 被微生物在生物合成过程中结 合到产物分子中去 其自身结构并无多大变化 但产量却因前体的加入有较大提高 灭菌灭菌 用物理或化学方法杀死或除去环境中 所有微生物 包括营养细胞 细菌芽孢和孢子 消毒消毒 用物理或化学方法杀死物料 容器 器皿内外的病源微生物 工业上具体措施包括 工业上具体措施包括 1 使用的培养基和设备须经灭菌 2 好氧培养中使用的空气应经除菌处理 3 设备应严密 发酵罐维持正压环境 4 培养过程中加入的物料应经过灭菌 5 使用无污染的纯粹种子 培养基灭菌的目的培养基灭菌的目的 杀灭培养基中的微生物 为后续发酵过程创造无菌的条件 培养基灭菌的要求培养基灭菌的要求 达到要求的无菌程度 10 3 尽量减少营养成分的破坏 在灭菌过程中 培养基组分的破坏 是由两个基本类型的反应 引起的 培养基中不同营养成分间的相互作用 对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等 的 分解 湿热灭菌的原理湿热灭菌的原理 每一种微生物都有一定的最适生长温度 范围 当微生物处于最低温度以下时 代谢作用几 乎停止而处于休眠状态 当温度超过最高限度 时 微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可 逆的凝固变性 使微生物在很短时间内死亡 加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的 湿热灭菌中的相关定义湿热灭菌中的相关定义 杀死微生物的极限温度称为致死温度 在 致死温度下 杀死全部微生物所需的时间称为 致死时间 在致死温度以上 温度愈高 致死 时间愈短 微生物的热阻 是指微生物在某一特定 条 件 主要是温度和加热方式 下的致死时间 相对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时 间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比 值 湿热灭菌的优点湿热灭菌的优点 蒸汽来源容易 操作费用低 本身无毒 蒸汽有强的穿透力 灭菌易于彻底 蒸汽有很大的潜热 操作方便 易管理 保证间歇灭菌成功的要素保证间歇灭菌成功的要素 内部结构合理 主要是无死角 焊缝及轴封 装置可靠 蛇管无穿孔现象 压力稳定的蒸汽 合理的操作方法 连续灭菌的流程连续灭菌的流程 喷射加热 真空冷却流程 板式换热器灭菌流程 连消塔 喷淋冷却连续灭菌流程 维持罐维持罐 灭菌系统中的维持设备 主要是使加热后的培 养基在维持设备中保温一段时间 以达到灭菌 的目的 也称保温设备 喷射加热器喷射加热器 可使料液和蒸汽迅速接触 充分混合 加热是 在瞬时内完成的 连续灭菌的优缺点连续灭菌的优缺点 优点 保留较多的营养质量 容易放大 较易自动控制 糖受蒸汽的影响较少 缩短灭菌周期 在某些情况下 可使发酵罐的腐蚀减少 发酵罐利用率高 蒸汽负荷均匀 缺点 设备比较复杂 投资较大 分批灭菌的优缺点分批灭菌的优缺点 优点 设备投资较少 染菌的危险性较小 人工操作较方便 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜 缺点 灭菌过程中蒸汽用量变化大 造成锅炉负 荷波动大 一般只限于中小型发酵装置 发酵罐的灭菌发酵罐的灭菌 培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法 则发酵 罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌 在 保温结束后 关键是随即通入无菌空气 使容 器保持正压 防止形成真空而吸入带菌的空气 不同种类的杂菌对发酵的影响不同种类的杂菌对发酵的影响 青霉素发酵 污染细短产气杆菌比 粗大杆 菌的危害大 链霉素发酵 污染细短杆菌 假单 孢杆菌 和产气杆菌比粗大杆菌的危害大 四环素发酵 污染双球菌 芽孢杆 菌和夹 膜杆菌的危害较大 柠檬酸发酵 最怕污染青霉菌 肌苷 肌苷酸发酵 污染芽孢杆菌 的危害 最大 谷氨酸发酵 最怕污染噬菌体 高温淀粉酶发酵 污染芽孢杆菌和 噬菌体 的危害较大 不同染菌时间对发酵的影响不同染菌时间对发酵的影响 种子培养期染菌 菌体浓度低 培养基营养 丰富 发酵前期染菌 杂菌与生产菌争夺营养成分 干扰生产菌的繁殖和产物的形成 发酵中期染菌 严重干扰生产菌的繁殖和产 物的生成 发酵后期染菌 如杂菌量不大 可继续发酵 如污染严重 可采取措施提前放罐 不同染菌途径对发酵的影响不同染菌途径对发酵的影响 种子带菌 种子带菌可使发酵染菌具有延续 性 空气带菌 空气带菌也使发酵染菌具有延续 性 导致染菌范围扩大至所有发酵罐 培养基或设备灭菌不彻底 一般为孤立 事 件 不具有延续性 设备渗漏 这种途径造成染菌的危害性较大 染菌对产物提取和产品质量的影响染菌对产物提取和产品质量的影响 对过滤的影响 对过滤的影响 发酵液的粘度加大 菌体大多自溶 由于发酵不彻底 基质的残留浓度增加 造成的后果 过滤时间拉长 影响设备的周转使用 破坏 生产平衡 大幅度降低过滤收率 对提取的影响对提取的影响 有机溶剂萃取工艺 染菌的发酵液含有更多 的水溶性蛋白质 易发生乳化 使水相和溶剂 相难以分开 离子交换工艺 杂菌易粘附在离子交换树脂 表面或被离子交换树脂吸附 大大降低离子 交换树脂的交换量 对产品质量的影响对产品质量的影响 对内在质量的影响 染菌的发酵液含有较多 的蛋白质和其它杂质 对产品的纯度有较大影 响 内毒素 热原 对产品外观的影响 一些染菌的发酵液经 处 理过滤后得到澄清的发酵液 放置后会出现混 浊 影响产品的外观 目前生产上常用的杂菌检查方法有 显微镜检查 染色 镜检 平板划线检查 倒平板 空培养 待测样品划线 培养观察 酚红肉汤培养检查 无菌肉汤培养基空培 养 接入样品 培养观察 判断发酵是否染菌应以无菌试验结果为根据 无菌试验的目的 无菌试验的目的 1 监测培养基 发酵罐及附属设备灭菌是否 彻 底 2 监测发酵过程中是否有杂菌从外界侵入 3 了解整个生产过程中是否存在染菌的隐患 和 死角 各种检查方法的比较各种检查方法的比较 显微镜检查方法简便 快速 能及时发现杂 菌 但由于镜检取样少 视野的观察面也小 因此不易检出早期杂菌 平板划线法和肉汤培养方法的缺点是需经较 长时间培养 一般要过夜 才能判断结果 且操 作较繁琐 但它要比显微镜能检出更少的杂菌 而且结果也更为准确 从染菌的规模来分析染菌原因从染菌的规模来分析染菌原因 大批发酵罐染菌 空气系统 部分发酵罐 或罐组 染菌 前期可能是种子 带杂菌 或灭菌不彻底 中后期则可能是中 间补料系统或油管路系统发生问题所造成的 个别发酵罐连续染菌 设备问题 如阀门的 渗 漏或罐体腐蚀磨损 设备的腐蚀磨损所引 起 的染菌会出现每批发酵的染菌时间向前推 移 的现象 个别发酵罐偶然染菌 原因比较复杂 因为 各种染菌途径都可能引起 从染菌的时间来分析从染菌的时间来分析 发酵早期染菌 种子带菌 培养基和设 备 灭菌不彻底 设备或管道有死角 中 后期染菌 中间补料 设备渗漏 操 作不合理 从染菌的类型来分析从染菌的类型来分析 耐热性芽抱杆菌 死角或灭菌不彻底 球菌 酵母 可能是从蒸汽的冷凝水或空气 中带来的 浅绿色菌落 革兰氏阴性杆菌 发酵罐的冷 却管或夹套渗漏 霉菌 灭菌不彻底或无菌操作不严格 种子带菌的原因种子带菌的原因 无菌室的无菌条件不符合要求 培养基灭菌不彻底 操作不当 种子摇瓶培养的注意事项种子摇瓶培养的注意事项 保证摇瓶间的清洁卫生 摇瓶内液体装料不宜过多 瓶口包扎的纱布一般为八层以上 设备渗漏的原因设备渗漏的原因 发酵液中腐蚀性物质对设备的腐蚀 磨蚀 发酵液中固体物料因搅拌桨的搅动与冷却管 摩擦 而引起管外壁磨损 冷却介质和加热时蒸汽的冲击 引起管内壁 的磨损 设备加工不良 弯管时 弯头处管壁变薄 焊接不良 盘管渗漏的防止盘管渗漏的防止 放罐后要认真清洗发酵罐 控制冷却水质量 降低其中氯离子含量 对盘管定期检查 试漏 及时发现漏隙 试漏方法 气压试验 先在发酵罐内放满清水 用压 缩空气通入管子 观察水面有无气泡产生以确 定管子有否渗漏和渗漏的部位 水压试验 用手动泵或试压齿轮泵将水逐 渐压入冷却管 泵到一定压力时 观察管子 有否渗漏现象 防漏防漏 在发酵罐底的出料阀门和 空气管道连接的蒸 汽管道 上的阀门 可安装双重阀 其优点是 即使阀门 1 有渗漏 蒸汽 也可通过阀门 3 排 除 隔膜阀有以下优点隔膜阀有以下优点 严密不漏 无填料 阀结构为流线型 流量大 阻力小 无死角 无堆积物 在关闭时不会使紧密面轧坏 检修方便 但须定期检查隔膜有否老化及脱 落 膜隔阀的缺点膜隔阀的缺点 制造不够精密 体积较大 在管道上占用较 大的面积和空间 中心易引起渗漏 隔膜阀开关费力 需要借助扳手 橡胶隔膜是橡胶和帘布复合制成 如质 量 不好 帘布与橡胶易脱落 固定隔膜的螺栓也 易脱落 管路的连接管路的连接 螺纹连接 法兰连接 焊接 死角死角是指灭菌时因某些原因使灭菌温度达不到 或不易达到的局部地区 染菌后的挽救措施染菌后的挽救措施 种子培养或种子罐中发现污染 发酵早期染菌可以适当添加营养物质 重新 灭菌后 再接种发酵 中后期染菌 如果杂菌的生长将影响发酵的 正常进 行或影响产物的提取时 应该提早放 罐 有些发酵染菌后发酵液中的碳 氮源 还较多 如果 提早放罐 这些物质会影响后 处理提取使产品取不出 此时应先设法使碳 氮源消耗 再放罐提取 引起噬菌体感染的原因引起噬菌体感染的原因 设备的渗漏 空气系统 培养基灭菌不彻底 预防噬菌体感染的措施预防噬菌体感染的措施 发酵罐的排气管要用汽封或引入药液 如高 锰酸钾 漂白粉或石灰水等溶液 槽中 取样 洗罐或倒罐的带菌液体要处理后才允 许排入下水道 把好种子关 实现严格的无菌操作 搞好生产场地的环境卫生 车间四周要经常 进行检查 如发现噬菌体即时用药液喷洒 感染噬菌体后采用的理方法感染噬菌体后采用的理方法 选育抗性菌株 轮换使用专一性不同的菌株 加化学药物 如谷氨酸发酵可加 2 4ppm 氯 霉素 0 1 三聚磷酸钠 0 6 柠檬酸钠或铵 等 将培养液重新灭菌再接种 噬菌体不耐 热 70 80 C 经 5 分钟即可杀死 一般按染菌机率为一般按染菌机率为 10 3 即 即 1000 次发酵周期次发酵周期 所用的无菌空气只允许所用的无菌空气只允许 1 2 次染菌 次染菌 辐射灭菌原理辐射灭菌原理 射线 X 射线 射线 射线 紫外 线 超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质 破坏生物活性物质 从而起到杀菌作用 通常用于无菌室和医院手术室 缺点 杀菌效率较低 杀菌时间较长 一般 要 结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度 加热灭菌 利用压缩热进行空气灭菌 静电除菌静电除菌 1 原理 利用静电引力来吸附带电粒子而 达到除尘 除菌的目的 2 优点 阻力小 染菌率低 除水 除油 的效果好 耗电少 3 缺点 设备庞大 一次性投资较大 捕 集率尚嫌不够 需要采取其它措施 过滤介质的类型过滤介质的类型 表面过滤介质 编织网粉末烧结 深度过滤介质 纤维材料结构 棉花 活性炭或玻璃纤维 有机合成纤维 浇铸膜结构 表面过滤介质定义表面过滤介质定义 所有滤孔在一个平面上 依靠直接拦截捕获颗粒 深度过滤介质定义深度过滤介质定义 污染物被介质内部结构捕获的一种过滤介质 滤孔贯穿于整个介质厚度 调整流道可以获得高容污能力 过滤机理过滤机理 直接拦截 惯性撞击 扩散拦截 种子扩大培养种子扩大培养 是指将保存在砂土管 冷冻 干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜 面活化后 在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放 大培养而获得一定数量和质量的纯种过程 这 些纯种培养物称为种子 作为种子的准则作为种子的准则 菌种细胞的生长活力强 移种至发酵罐 后 能迅速生长 迟缓期短 生理形状稳定 菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的 要 求 无杂菌污染 保持稳定的生产能力 种子制备的过程大致可分为 种子制备的过程大致可分为 实验室种子制备阶段 生产车间种子制备阶段 实验室种子的制备一般采用两种方式实验室种子的制备一般采用两种方式 对于产孢子能力强的及孢子发芽 生长繁 殖快的菌种可以采用固体培养基培养孢子 孢子可直接作为种子罐的种子 这样操作简便 不易污染杂菌 对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种 可以用液体培养法 种子罐的作用种子罐的作用 主要是使孢子发芽 生长 繁殖成菌 丝 体 接入发酵罐能迅速生长 达到一 定的菌体量 以利于产物的合成 种子罐级数的确定种子罐级数的确定 种子罐级数 是指制备种子需逐级扩大 培 养的次数 取决于 菌种生长特性 孢子发芽及菌体繁殖速度 所采用发酵罐的容积 影响种子质量的因素及控制影响种子质量的因素及控制 孢子的质量 培养基 培养条件 种龄 接种量 影响孢子质量的因素及控制影响孢子质量的因素及控制 培养基 培养条件 培养时间和冷藏时间 种龄种龄 是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下 一级种子罐或发酵罐时的培养时间 接种量接种量 是指移入的种子液体积和接种后培养 液体积的比例 菌种衰退菌种衰退 菌种经过长期人工培养或保 藏 由于自发突变的作用而引起某些优 良特性变 弱或消失的现象 菌种退化的原因 菌种退化的原因 基因突变 变异菌株性状分离 连续传代 其它因素 菌种保藏不当 生长条件不 满足 培养基组成 培养条件 防止菌种退化的措施防止菌种退化的措施 控制传代次数 选择合适的培养条件 选择合适的保藏方法 菌种稳定性检查 分离复壮 菌种复壮菌种复壮 使衰退的菌种重新恢复原来 的优 良特性 复壮措施复壮措施 对已衰退菌种配合一定培养条件进行单细 胞 分离纯化 淘汰衰退的个体 选择合适的培养基 发酵工业菌种的来源发酵工业菌种的来源 发酵工业水平高低的决定因素 菌种 发酵 工业和提纯工艺 自然界 土壤 空气 水体等 诱变菌株 化学诱变 高能射线 宇宙射线 伽马射线 基因工程诱变 工程菌株 代谢途径改造 经基因工程 代谢工程或合成生物学方法进行改良 工业发酵对微生物菌种的要求工业发酵对微生物菌种的要求 1 产物 代谢性能 终产物浓度 titer 高 发酵液中浓度高 利 于纯化 如以 g L 表示 生产效率 productivity 高 短时间内产生 大 量的发酵产物 如以单位 g L h 进行表征 2 底物 代谢性能 原料成本低 能以廉价原料进行发酵 乙 醇发酵和 ABE 发酵的例子 淀粉 木质纤 维 素 合成气 转化率 yield 高 副产物少 提高原料 利用率和分离纯化难度 全细胞转化发酵 不利用添加前体物质 举 例如谷氨酸 氨基丁酸 CO2 3 菌株其他特征 菌种一般为单菌 或明确的几种菌组成 能抗噬菌体和抗杂菌污染 遗传性状稳定 菌种不易变异退化 利于 长期使用和工艺的稳定性 生产菌种不能是病原菌 不产任何毒素 代谢变化代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长 发酵 参数 培养基 培养 条件等 和产物形成速 率三者间的关系 把它们随时间变化的过程绘 制成图 就成为所说的代谢曲线 分批发酵的定义分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发 酵方式 除氧气 消泡剂及控制 pH 的酸或碱外 不 再加入 任何其它物质 分批发酵的特点分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化 其 物理 化学和生物参数都随时间而变化 是一 个不稳定的过程 优点 操作简单 操作引起染菌的概率低 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点 非生产时间较长 设备利用率低 按照菌体生长 碳源利用和产物生成的变化 按照菌体生长 碳源利用和产物生成的变化 第一类型 生长关联型 产物直接来源于产能的初级代谢 自身繁殖所 必需的代谢 菌体生长与产物形成不分开 例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵 第二类型 部分生长关联型 产物也来源于能量代谢所消耗的基质 但产物 的形成在与初级代谢分开的次级代谢中 出现 两个峰 菌体生长进入稳定期 出现产物形成 高峰 例如 柠檬酸和某些 氨基酸的发酵 第三类型 非生长关联型 产物是在基质消耗和菌体生长之后 菌体利 用中间代谢反应来形成的 即产物的形成和初 级 代谢是分开的 如抗生素发酵 分批发酵的分类对实践的指导意义分批发酵的分类对实践的指导意义 如果生产的产品是生长关联型 如菌体与初 级代谢产物 则宜采用有利于细胞生长的培 养条件 延长与产物合成有关的对数生长期 如果产品是非生长关联型 如次级代谢产物 则宜缩短对数生长期 并迅速获得足够量的菌 体细胞后延长平衡期 以提高产量 补料分批发酵补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发 酵 是指在分批发酵过程中 间歇或连续地 补加新鲜培养基的发酵方式 优点 使发酵系统中维持很低的基质浓度 和连续发酵比 不需要严格的无菌条件 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点 存在一定的非生产时间 和分批发酵比 中途要流加新鲜培养基 增加了染菌的危险 连续发酵连续发酵 培养基料液连续输入发酵罐 并同时放出含有 产品的相同体积发酵液 使发酵罐内料液量 维持恒定 微生物在近似恒定状态 恒定的基 质浓度 恒定的产物浓度 恒定的 pH 恒定 菌体浓度 恒定的比生长速率 下生长的发酵 方式 优点 能维持低基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 缺点 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件 连续发酵的类型连续发酵的类型 恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度 保持恒定 恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒 定 Q 发酵 Q 生物 Q 搅拌 Q 蒸发 Q 辐射 Q 显 温度对发酵的影响温度对发酵的影响 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 影响生物合成的方向 影响发酵液的物理性质 温度影响代谢物比例 最适温度的确定最适温度的确定 最适温度是一种相对概念 是指在该温度下 最适于菌的生长或发酵产物的生成 最适生 长与最适生产温度常不一致 最适发酵温度与菌种 培养基成分 培养条 件和菌体生长阶段有关 最适发酵温度的选择 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度 不一定好 温度的选择要参考其它发酵条件 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度 发酵过程中发酵过程中 pH 变化的原因变化的原因 1 基质代谢 1 糖代谢 特别是快速利用的糖 分解成 小分子的有机酸 使 pH 下降 产能过程中大 量的 CO2 使 pH 下降 糖缺少时 pH 上升 是补料的标志之一 2 氮代谢 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 当碳源不足时氮源当碳 源利用 pH 上升 3 生理酸碱性物质利用后 pH 上升或下降 如 NH4 2SO4 生理酸性盐 硝酸钠利用后 产生碱性 2 产物形成 代谢产物呈酸性 ABE 发酵 丙酮酸发酵 红 霉素 螺旋霉素发酵 pH 上升 3 菌体自溶 autolysis 释放氨基氮 pH 上升 大量 DNA 释放 发酵液粘度增加 后 续过滤困难 pH 对发酵过程的影响对发酵过程的影响 1 pH 影响微生物的生长 2 pH 影响酶活性 如细胞膜蛋白的构象 对 胞内酶进行间接影响 3 pH 影响细胞膜电荷状态 改变细胞膜的透 性 4 pH 影响培养基组分的解离与溶解度 5 pH 影响代谢方向和代谢强度 如黑曲霉在 pH2 3 产生 柠檬酸 在 pH 中性时产生草酸 谷氨酸棒杆菌在中性 或碱性产生谷氨酸 在 酸性条件下产生谷氨酰胺 6 pH 对同一种微生物的生长和产物合成可能 具有不同的影响 引起引起 pH 下降的因素下降的因素 碳源过量 消泡油添加过量 脂肪代谢 生理酸性物质的存在 引起引起 pH 上升的因素上升的因素 氮源过多 生理碱性物质的存在 中间补料 碱性物质添加过多 pH 在发酵过程中的控制在发酵过程中的控制 1 调节基础培养基的配方 调节碳氮比 C N 添加缓冲剂 如 CaCO3 2 补料控制 补加碳源 氮源 直接加酸加碱 最后选择 临界氧浓度 临界氧浓度 C 临 临 指不影响菌体呼吸所 允许的最低氧浓度 或微生物对发酵液中溶解 氧浓度的最低要求 根据需氧不同 可将初级代谢发酵分为 根据需氧不同 可将初级代谢发酵分为 a 供氧充足条件下 产量最大 若供氧不足 合成 受强烈抑制 如 谷氨酸 精氨酸 脯 氨酸等 b 供氧充足条件下 可得最高产量 若供氧受 限 产量受影响不明显 如 异亮氨酸 赖 氨酸 苏氨酸等 c 若供氧受限 细胞呼吸受抑制时 才获得最 大量 产物 若供氧充足 产物形成反而受抑 制 如 亮氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸等 发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化 发酵前期 由于微生物大量繁殖 需氧量不