发酵工程复习

1、第1章 ：绪论1. 生物技术：应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。2. 发酵工程：生物技术的重要组成部分是生物技术产业化的重要环节，它将微生物学，生物化学和化学工程的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术，属于生物技术的范畴。由于它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。3. 工业上的发酵(Industrial scale):在微生物工业中，把所有通过微生物或其他生物细胞(动、植物细胞)的培养，统称为发酵。生化和生理学意义的发酵：指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说

2、，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。4. 现代发酵工程技术的形成:发酵现象酿造食品工业非食品工业1青霉素抗菌素发酵工业2氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）3基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养5. 发酵工程的意义： （1）推动了抗生素工业的发展 （2）建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法 （3）推动了整个发酵工业的深入发展 （4）奠定了现代发酵工程基础6. 细胞融合技术、基因操作技术等： （1）增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量； （2）将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大

3、量生产这些产物； （3）将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护。7. 分类： （1）根据对氧的需要区分：厌氧和好氧发酵 （2）根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵 （3）根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵 （4）按发酵原料来区分 ：糖类物质发酵、石油发酵、废水发酵 （5）按发酵产物区分 ：氨基酸发酵 有机酸发酵 抗生素发酵 酒精发酵 维生素发酵 酶制剂发酵 8. 发酵工程的特点： （1）原料简单、来源广泛、可再生； （2）多个反应过程可在发酵过程中一次完成； （3）反应通产在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备很简单； （4）可

4、特异性地进行复杂的化学反应； （5）要求无菌操作。9. 发酵工业的发展趋势： （1）利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种； （2）采用发酵技术进行高等动植物细胞培养； （3）固定化技术广泛应用； （4）开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段； （5）将代谢控制技术应用于环境工程。课程的目的、要求、地位和作用 发酵工程是生物工程、生物化工等专业的重要专业课。该课程是先期学习了“生物学基础”、“生物化学”、“微生物学”、“物理化学”、“机械基础”和“化工原理”等基础课或专业技术基础课后开设的一门必修学位课。该课程突出有关发酵过程的化学、生物学、生物化学和微生物

5、学的原理，全面系统的阐述从发酵原辅料处理、培养基和无菌空气的制备，到工业微生物菌种的扩大培养、各种发酵操作方式的工艺规律；下游工程的分离方法等发酵工程基础，发酵工业的主要设备的操作原理、性能及构造和设计方法。第2章 ：生产菌种的选育培养1. 微生物的特点： （1）有些微生物能在厌氧的条件下生长； （2）有些微生物能够利用简单的有机物和无机物满足自身的生长； （3）有些微生物能进行复杂的代谢； （4）有些微生物能利用较复杂的化合物； （5）有些微生物能在极端的环境下生长。2. 初级代谢产物(Primary metabolite)： 微生物自身生长繁殖所必需的代谢产物。（一般把具有明确的生理功能、

6、对维持生活动不可缺少的物质代谢过程称为初级代谢）分解代谢体系材料性生物合成体系结构性生物合成体系3. 次级代谢产物(Secondary metabolite)：与菌体的生长繁殖无明确关系的代谢产物，既不参与细胞结构，也不是储存养料。（把一些没有明确生理功能，似乎并不是维持生命所必须的物质的代谢过程称为次级代谢）4. 微生物合成次级代谢产物的基本特征： (1) 次级代谢产物具有种特异性：分类学上相同的菌种能产生不同结构的抗生素 不同的微生物也能产生相同的抗生素 (2) 分批发酵时，产生菌生长周期三个时期：菌体生长期 产物合成期 菌体自溶期 (3) 次级代谢产物不少是结构相似的混合物： 产生结构相

7、似的混合物的原因：参与次级代谢产物合成酶系的底物特异性不强。产生菌利用一种或两种以上初级代谢产物合成一种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物进行多种化学修饰而同时合成多种衍生物。此种生物合成现象，有时称为“代谢树”。一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途径合成的，这种方式有时称为“代谢网”。 (4) 次级代谢产物的合成受多基因控制染色体基因簇结构基因；质粒调控基因，抗性基因将受到质粒控制的代谢产物称为“质粒产物”。 5. 初级代谢与次级代谢的关系：初级代谢是次级代谢的基础，可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需的能量；而次级代谢是初级代谢的在特定条件下的继续与发展，可避初级代谢过程中免某

8、些中间体或产物的积累对机体产生毒害。6. 微生物代谢的调节及控制：（1） 微生物代谢的自我调节机制：酶活性的激活酶活性的抑制（1）酶活性的调节协同反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制增效反馈抑制 （2）酶合成的调节（即酶量的调节） （3）能荷调节7. 协同反馈抑制：分支途径的几种末端产物同时过量时才抑制共同途径中的第一个酶活性。8. 累积反馈抑制：每一种末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中第一个酶活性。9. 增效反馈抑制：代谢途径中任何一种末端产物过量时，仅部分抑制共同反应途径中的第一个酶活性，但是两个末端产物同时过量时，其抑制作用可超过各产物存在的抑制能力的总和。10. 顺序反馈抑制：每个分支

9、末端产物抑制分支后的第一个酶，产生部分抑制作用。11. 组成酶：有些酶的合成不依赖于环境中物质的存在。12. 诱导酶：只有在它们催化的底物(或底物的结构类似物)存在时才能合成的酶。13. 酶合成的阻遏 降解酶类由诱导作用和分解代谢产物来调节活性合成酶主要由反馈抑制和反馈阻遏（指代谢的终产物达到一 定浓度时，阻遏该代谢途径中的一种酶或几种酶的生物合成）调节。14. 能荷指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度。15. 能荷调节 (或称腺苷酸调节)指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。16. 氨基酸生产菌的要求：代谢途径比较清楚 代谢途径比较简单17.

10、 工业化菌种的要求： （1）生产菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）； （2）能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物； （3）有关合成产物的途径尽能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强； （4）遗传性能要相对稳定； （5）不易感染它种微生物或噬菌体； （6）生产特性要符合工艺要求。18. 新菌种的分离(separation)与筛选(sereeing)：样品采集；预处理；富集培养；初筛；复筛；性能鉴定；保藏19. 采样时要注意的问题： （1）气候、水分、空气 （2）来源要广 （3）结合产品的特点 （4）标签：地点、时间、气候等20. 富集的目的：让目的微生物在种群

11、中占优势，使筛选变得可能。21. 渗漏缺陷型(leaky mutant) ：所谓渗漏缺陷型是遗传性障碍不完全的营养缺陷型，突变使某一种酶的活性下降而不是完全丧失，所以这种缺陷型能够少量地合成某一代谢产物，能在基本培养基上少量地生长。由于渗漏缺陷型不会合成过多的终产物，所以不会造成反馈调节而影响中间代谢物的积累。22. 工业菌种改良方法：(1) 解除或绕过代谢途径中的限速步骤；(2) 增加前体物的浓度；(3) 改变代谢途径；(4) 抑制或消除产品分解酶； (5) 改进菌种外泌产品的能力；(6) 消除代谢产品的反馈抑制。23. 菌种的扩大培养: 菌种扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管

12、中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终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。24. 种子扩培的目的：接种量的需要； 菌种的驯化：缩短发酵时间、保证生产水平。25. 种子的要求： （1）总量及浓度能满足要求 （2）生理状况稳定，个体与群体 （3）活力强，移种至发酵后，能够迅速生长 （4）无杂菌污染菌种扩大培养的基本过程实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养。生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工厂归为发酵车间管理，因此

13、称这些培养过程为生产车间阶段。培养基选择的原则目的：获得一定数量和质量的菌体，因此培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培养基丰富26. 菌种衰退(degeneration)：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。27. 防止菌种退化的措施（1）控制传代次数（2）选择合适的培养条件（3）选择合适的保藏方法（4）菌种稳定性检查 （5）分离复壮28. 理想的菌种保藏方法应具备的条件：(1) 经长期保藏后菌种存活健在；(2)保证高产突变株不改变表型和基因型，特别是不改变初级代谢产物和次级代谢产物生产的高产能力。2

14、9. 菌种的保藏方法：（1）斜面保藏法和穿刺保藏法（2）石蜡油封存法（3）沙土管（4）麸皮保藏法（5）冷冻干燥（6）液氮低温保藏 （7）其他方法30. 低温保藏种类：普通冷冻保藏技术(-20)；超低温冷冻保藏技术(-60 -80)；液氮冷冻保藏技术冻存保护剂是指可以保护细胞免受冷冻损伤的物质（常为溶液）。细胞悬液中加入冷冻保护剂可保护细胞免受溶液损伤和冰晶损伤。冷冻保护剂同溶液中的水分子结合，发生水合作用，弱化水的结晶过程使溶液的粘性增加从而减少冰晶的形成，同时冷冻保护剂可以通过在细胞内外维持一定的摩尔浓度，降低细胞内外未结冰溶液中电解质的浓度，使细胞免受溶质的损伤。冷冻保护剂根据其是否穿透细

15、胞膜可分为渗透性和非渗透性两类。冰晶损伤：因细胞内部结冰而导致的细胞损伤；溶液损伤：因保存溶液中溶质浓度升高而导致的细胞损伤；31. 培养基对微生物的影响： 1、影响菌体初级代谢（生长） （1）生长速度 （2）菌落形态（3）菌丝形态(产黄青霉，在碱性时，膨大呈球状菌体)（4）细胞膜的透性(谷氨酸-生物素)（5）改变细胞壁结构（甘氨酸-细胞壁结构） 2、影响菌体合成次级代谢产物1）影响产量（2）影响组分的变化（3）影响产品的稳定性培养基： medium, media, culture广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长 繁殖所需的一组营养物质和原料。同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它

16、所必须的条件。 32. 工业发酵培养基一般要求 营养物质的组成比较丰富，浓度恰当； 在一定条件下，所采用的各种原材料彼此之间不能产生化学反应，理化性质相对稳定； 粘度适中，具有适当的渗透压； 要考虑所选用的原材料品种和浓度与代谢产物生物合成过程中的调节关系，要利于主要产物的生物合成并维持较长时间的最高生产速率，不需要的产物合成速率降至最低； 生产过程中，既不影响通气与搅拌的效果，又不影响或稍影响产物的分离精制和废物处理； 大生产中选用的原材料尽量做到因地制宜，质忧价廉，成本低。（一）碳源(Carbone source)：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分 提供合成目的产

17、物所必须的碳成分来源糖类(单糖、双糖、多糖、淀粉水解液和糖蜜) 脂肪（油脂）：豆油、花生油、猪油、玉米油 有机酸、醇：甲醇、乙醇、脂肪酸 烷烃：正十六烷 氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。 33. 所以选择合适的无机氮源有两层意义：（1）满足菌体生长（2） 稳定和调节发酵过程中的pH34. 无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用(代谢)后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。正确使用生理酸碱性

18、物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。35. 氮源使用的一些相关问题：（1） 有机氮源和无机氮源应当混合使用；（2） 有些产物会受氮源的诱导和阻遏；（3） 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力36. 前体(prosome)：前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。37. 前体作用：前体有助于提高产量和组份38. 产物促进剂(accelerant)：所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 39. 膨胀：淀粉是一种亲水胶体，

19、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。 40. 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。41. 产物促进剂(accelerant) 所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 42. 抑制剂(inhibitor)会抑制某些代谢途径的进行,同时刺激另一代谢途径，以致可以改变微生物的代谢途径。43. 培养基设计的基本步骤：根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分 。通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分 。

20、当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。这些实验往往基于多因子实验，包含均匀设计、正交实验设计、响应面分析等44. 具体配比确定后应注意：根据原料成分调整培养基配比；根据原料物理特性调整培养基配比；根据原料的来源、储运、价格等调整培养基配比；根据生产设备；根据生产工艺；根据微生物特性；根据非营养作用的特殊要求。45. 溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高温度至 130，由于支链淀粉的几乎全部溶解，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，称为淀粉的溶解或液化。46. 育种的目的（一）科研方面1获得有遗

21、传标记的菌株；2得到生物合成阻断变株，以研究抗生素生物合成途径。3了解菌种的遗传学背景。4提供分子生物学的研究材料。（二）生产方面1.提高产量；2.去除色素；3.去除多余组分，如黑暗链霉菌产生15个组分（氨甲酰妥布霉素，氨普霉素，氨甲酰卡那霉素B等）。4对不良环境产生抗性 如抗噬菌体、抗氨水、抗消沫剂等。第3章 ：1.控制有害菌（1）杀灭： 彻底杀灭（灭菌(杀菌；溶菌)）；部分杀灭（消毒）（2） 抑制： 抑制霉腐微生物（防腐）抑制宿主体内的病原菌（化疗）2. 灭菌(Sterilization)：采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物(营养体及其孢子)永远丧失其生长繁殖能力的措施，称为灭

22、菌。3. 灭菌实质上可分杀菌和溶菌两种，前者指菌体虽死，但形体尚存，后者则指菌体杀死后，其细胞发生溶化、消失的现象 。4. 灭菌方法： 化学物质灭菌； 辐射灭菌； 干热灭菌； 火焰灭菌； 湿热灭菌； 过滤除菌5. 杀死微生物的极限温度称为致死温度 (lethal temperature)。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间；6. 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。7. 分批灭菌(batch sterilization)（升温保温降温）（1） 预热（前期）

23、（2） 预热（后期）（3） 保温阶段（4） 冷却阶段8. 连续灭菌(continuous sterilization)：将配制好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、 保温和冷却而进行灭菌。 9. 分批灭菌10. （1）优点：1.不需附加设备； 2.蒸汽利用率高；3.节约劳动力（2）缺点：1.培养基质量比较差； 2.罐的利用率低； 3.冷却水用量大11. 连续灭菌（1）优点：1.采用高温快速灭菌法； 2.可以把培养基按其性质分开灭菌 3.有利于自动控制； 4.节省冷却水（2）缺点：1.投资费用高； 2.对物料要求高； 3.蒸汽用量大12. 选择原则： 1培养基成份（易降解成分、液化情

24、况等） 2.设备状况（冷却面积、传动装置等） 3.动力条件 13. 无菌空气(Aseptic air)：发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。14. 进入过滤器之前，空气的相对湿度70%15. 空气除菌的方法与原理：（一） 辐射杀菌（二） 热杀菌 （三） 静电除菌（四） 过滤除菌 16. 过滤除菌：利用有孔介质从气体中除去微生物17. 过滤机理：（P3-53）（1） 直接拦截；（2）惯性撞击；（3）扩散拦截；（4）重力沉降；（5）静电吸附18. 过滤介质的过滤 / 分离效率由于直接拦截；

25、惯性撞击；扩散拦截的共同作用而增强。19. 空气过滤介质要求：（1）除菌效率高;(2) 耐受高温高压;（3）不易被油水污染；（4）阻力小 （5）成本低；（6）易更换常用的介质：棉花，棒状活性炭，玻璃棉、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、多孔陶瓷滤器烧结金属棒等。20. 提高过滤效率的措施 1、减少进口空气的含菌数。可以从以下几个方面着手：(1)加强生产环境的卫生管理，减少环境空气中的含菌量；(2)提高空气进口位置（高空采风），减少空气进口含量；(3)加强压缩前的空气预过滤。 2、设计和安装合理的空气过滤器。   3、降低进入总过滤器空气的相对湿度。主要从以下几个方面入手：(1)采用无油润滑空

26、压机；(2)加强空气的冷却，去油水；(3)提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度。21. CIP为英文cleaning in place的缩写,是就地清洗或现场清洗的意思。它是指在不拆卸、不挪动机械设备的情况下，利用清洗液在封闭的清洗管线中流动冲刷及喷头喷洗作用，对输送食品的管线及与食品接触的机械表面进行清洗。22. CIP清洗装置其有以下的优点：1、能使生产计划合理化及提高生产能力。2、与手洗相比较，不但没有因作业者之差异而影响清洗效果，还能提高其产品质量。3、能防止清洗作业中的危险，节省劳动力。4、可节能清洗剂、蒸汽、水及生产成本。5、能增加机器部件的使用年限。23. CIP清洗的特点

27、 （l）清洗效率高；（2）卫生水平稳定；（3）操作安全，节省劳动力；（4）节约清洗剂、水、蒸汽等的用量； （5）自动化程度高。第4章 ：第5章 ：1. 溶解氧（DO; Dissolved Oxygen):溶解于水中的分子态氧称为溶解氧。作为环境因素对微生物反应有直接影响；被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。2. 饱和浓度(Saturation concentration)：外界条件不变，气体分子在气-液二相中的浓度达到动态平衡，此时气体在液相中的浓度为饱和浓度。3. 氧的饱和浓度单位：mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压4. 摄氧率（OUR

28、; Oxygen Utilization Ratio)：单位时间内单位体积培养液中微生物摄取氧的量。记作 rO2 (mmol/L·h)。rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、培养液成分及浓度的不同而异。5. 比耗氧速率-相对于单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratory intensity)；用QO2表示 (mmol O2 /g ·h)。6. 临界氧浓度（C临界 or CCr）：在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度。CCr:

29、临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度7. 影响微生物耗氧的因素1、微生物种类2、培养基的组成与浓度：在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。3、菌龄：一般菌龄低者，呼吸强度高。4、培养条件：一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 5、有毒产物的形成及积累8. 供氧方面的阻力：1）气膜阻力（ 1/k1 ; 1/KG）：为气体主流及气-液界面的气膜阻力，与空气情况有关。2） 气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。3）液膜阻力（1/k3; 1/KL ）：为从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和

30、浓度有关。4）液流阻力（1/k4; 1/KLB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。9. 耗氧方面的阻力1）细胞周围液膜阻力（1/k5; 1/KLC） 与发酵液的成分和浓度有关。2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6; 1/KA） 与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3）细胞膜的阻力（1/k7; 1/KW）： 与微生物的生理特性有关。4）细胞内反应阻力（1/k8; 1/KR） 氧分子与细胞内呼吸酶系反 应时的阻力；与微生物的种类、生理特性有关。10. 氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中11. 气体吸收 气体吸收是气相成

31、分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。 （五）提高溶氧的措施进行液体培养时，一般可通过增加液体与氧的接触面积或提高氧分压来提供溶氧速率：浅层液体培养；利用往复式或旋转式摇床(shaker)对三角瓶培养物作振荡培养；在深层液体培养器的底部通入加压空气，并用气体分布器使其以小气泡形式均匀喷出；对培养液进行机械搅拌，并在培养器的壁上设置阻挡装置。正常条件下溶氧的变化异常条件下溶氧的变化（1）染菌对溶氧的影响 好气性杂菌溶氧迅速下降，pH下降 非好气性杂菌严重时，溶氧上升 染噬菌体溶氧急速上升（2） 设备的故障溶氧的控制补料控制营养物质的供给，降低摄氧率调节温度补水液化培养基搅拌、通气量发酵热是引起发酵

32、过程温度变化的原因。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。净热量：在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。12. 发酵过程pH会发生变化,其原因为： （1）基质代

33、谢 （2）产物形成 （3）菌体自溶13. Ph对发酵的影响： （1）影响酶的活性 （2）引起微生物细胞膜所带电荷的改变 （3）影响培养基某些成分和中间代谢物的解离 （4）影响代谢方向14. Ph的控制方式： （1）补料调节 （2）酸碱调节 当补料与调pH发生矛盾时 （3）选择合适的ph调节剂 （4）发酵的不同阶段采取不同的pH值时与菌浓相关的参数 （1） 培养时间 （2） 补料量 （3）培养温度 （4） 接种量比生长速率（µ）：单位时间单位重量菌体所生长出新菌体的数量（g/g·h)。比生产速率Qp：单位时间单位重量菌体所合成的产物量。比消耗速率：单位时间单位重量菌体所消耗碳

34、源的数量。15. 最适菌体浓度的控制 （1）调整发酵培养基的成分和浓度 （2）通过补料控制菌体浓度 （3）通过补水控制菌体浓度 （4）通过培养温度控制菌体浓度1、碳源的浓度与代谢产物的产量关系 （1）碳源浓度低时，菌体生长缓慢，菌体容易衰老，产量降低。 （2）碳源浓度高时，菌体生长过快，产物合成量降低。2、碳源的种类及其对发酵的影响 （1）速效碳源：促进菌体生长，缩短菌体生长周期。抑制或阻遏代谢产物的合成。 （2）迟效碳源：逐渐被菌体利用，不抑制次级代谢产物的合成。（1）速效氮源：促进菌体的快速生长 抑制次级代谢产物的合成（2）迟效氮源：能持续释放出含氮物质，不抑制次级代谢产物。 有时可加入N

35、H4+捕获剂，以解除NH4+对次级代谢产物抑制。磷酸盐的影响 （1）有利菌体生长（0.32300mmol/l） （2）有利于次级代谢产物的合成（<1mmol/l） （3）对产物合成产生阻遏作用（10mmol/l）磷酸盐的控制 （1）控制基础培养基中的磷含量(利用亚适量浓度) （2）若缺少磷，补充磷(化验，菌体生长慢，糖消耗慢)16. 前体的影响（1）促进产物合成（2）浓度过大，对菌体产生毒性17. 前体浓度的控制（1）采用多次补加前体的方式（2）将前体制备成毒性低的化合物18. FBC的作用（补料分批培养(Fed-Batch Culture, FBC) （1）可以控制抑制性底物的浓度 （

36、2）可以解除或减弱分解产物阻遏 （3）可以使发酵过程最佳化优点：可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解产物阻遏；可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学的性质；可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例；可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。 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。19. 泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。20. 发酵过程泡沫产生的原因:（1）通气搅拌的强烈

37、程度（2）培养基配比与原料组成（3）菌种、种子质量和接种量（4）灭菌质量21. 起泡的危害（1）降低生产能力； （2）引起原料浪费（3）影响菌的呼吸； （4）引起染菌22. 常用消泡剂的种类和性能：天然油脂； 聚醚类消泡剂高碳醇； 硅酮类23. 泡沫形成原因：（1）气液接触：气体从外部进入气体从内部产生（2）含助泡剂：起泡速度高于破泡速度（二）泡沫的控制调整培养基成分消除形成的泡沫（1）机械消沫（2）加入消沫剂1、消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约1020mm。2、消泡剂消泡（1）消泡剂的作用机理a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡

38、沫破灭b、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭c、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体（3）对消泡剂的要求在气-液界面上有足够大的铺展系数，要有一定的亲水性；低浓度时就起作用；持久性；无毒；不影响下游分离；成本；不影响氧传递；

39、能高温灭菌。常用的消泡剂天然油脂聚醚类消泡剂高碳醇硅酮类七、发酵终点的确定放罐时间确定的依据（1）考虑经济因素生产能力：实际发酵时间、准备时间的综合。生产率：（2）产品质量因素 后续工艺和产品质量的影响（3）特殊因素染菌、代谢异常等情况24. “杂菌”， 是指在发酵培养中侵入了有碍生产的其他微生物。25. （1）发酵染菌率26. 总染菌率：指一年内发酵染菌的批次与总投料批次数的百分率27. 设备染菌率：统计发酵罐或其他设备的染菌率，有利于查找因设备缺陷而造成的染菌原因28. 不同品种发酵的染菌率：统计不同品种发酵的染菌率，有助于查找不同品种发酵染菌的原因29. 不同发酵阶段的染菌率：将整个发酵

40、周期分成前期、中期和后期三个阶段，分别统计其染菌率。有助于查找染菌的原因。30. 季节染菌率：统计不同季节的染菌率，可以采取相应的措施制服染菌。31. 操作染菌率：统计操作工的染菌率，一方面可以分析染菌原因，另一方面可以考核操作工的灭菌操作技术水平。32. 不同染菌时间对发酵的影响种子培养期染菌：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33. 有时发酵罐偶而染菌，原因一时又找不出，一般可以采取以下措施：(1)连续灭菌系统前的料液贮罐在每年4一10月份(

41、杂菌较旺盛生长的时间)加入0.2%甲醛，加热至80°C，存放处理4小时，以减少带入培养液中的杂菌数。(2)对染菌的罐，在培养液灭菌前先加甲醛进行空消处理。甲醛用量每立方米罐的体积0.120.17升。(3)对染菌的种子罐可在罐内放水后进行灭菌，灭菌后水量占罐体的三分之二以上。这是因为细菌芽孢较耐干热而不耐湿热的缘故。 34. 一个优良的培养装置应具有：严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表35. 发酵罐的(fermenter)定义：为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。36. 发酵罐的特点 （1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的

42、要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。 在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测etc。搅拌器(Foam Breaker)将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提高氧的传质效率；使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主；在搅拌轴上配置多个搅拌器。搅拌器分轴向式和径向式，搅拌器(Foam Breaker)将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提

43、高氧的传质效率；使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主；在搅拌轴上配置多个搅拌器。搅拌器分轴向式和径向式，档板(Baffle) 克服搅拌器运转时液体产生的涡流，将径向流动改变为轴向流动，促使液体激烈翻动，增加溶氧速率消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。空气分布器（Air Sparger）单管式分布装置： 管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。环形管的分布装置： 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。轴

44、封(Stirrer gland) 填料函式轴封端面式轴封联轴器大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。发酵罐的换热装置夹套式换热装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差，竖式蛇管换热装置 是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水温度

45、较低的地区，水的用量较少。但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐体三部分组成。三个组成部分各起如下的作用:搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成 ,由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转，以实现搅拌的目的。轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封，以封住罐内的流体不致泄漏。罐体：罐体、加热装置及附件。二. 发酵罐规模改变的影响引起许多物理和生物参数的改变主要因素：菌体繁殖代数：种子的形成培养基的灭菌通

46、气和搅拌热传递发酵规模的缩小和放大一. 概述使小型规模实验所取得的结果在大生产规模上重现 ？大、小规模实验中菌体所处的外界环境能保持完全一致缩小（scale down）：大规模发酵生产条件作为中小型实验条件放大（scale up）：实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中为什么生化反应器的放大比较困难?单位体积的表面积减少发酵罐的高径比一般为2:13:1, 如果保持这个比例不变, 那么在放大过程中，表面积与体积之比会急剧下降。物理条件发生改变放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理环境会有所差异. 放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境的改变，这种改变往往会影响到细胞的生长和代

47、谢过程。当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同培养环境的代谢响应会有所差异。放大的理论基础（一）物理学基础 1、单位体积液体的搅拌消耗功率 2、搅拌雷诺准数 3、溶氧系数 4、搅拌桨末端线速度 5、混合时间 第五章 干燥设备1.干燥：从物体中除去水分的操作。目的：防止变质，便于贮存运输。干燥方法：对流干燥（气流干燥、喷雾干燥和流化床干燥）、真空干燥、冷冻干燥、微波干燥、红外干燥等。2.一、固体物料干燥机理（一）湿物料中的水分1水分和物料的结合方式 化学结合水分； 吸附水分； 毛细管水分； 溶胀水分。 湿物料每单位重量中所含水分的总量称为总水分，

48、或者湿含量。在一定的干燥条件下，无法将总水分全部除去，总有一部分存在于物料中，这部分不能除去的水分称为平衡水分。总水分和平衡水分之差称为自由水分，自由水分可以在一定的干燥条件下除去。 结合水分指存在于物料内部与物料呈吸附状态的水分，他和物料间存在一定的结合力，因此较难除去。非结合水分指存在于物料表面或物料中较大空隙中的水分，它与物料间没有任何作用，只作机械混合，是容易除去的水分。（二）干燥机理湿物料的干燥操作有2个基本过程同时进行：1.传热过程，热量由气体传递给湿物料，使其温度升高；2.传质过程，物料内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走。（三）影响干燥速率的因素1物料的性质2压力3干燥

49、介质的性质和流速4干燥介质与物料的接触情况二、生物工业产品干燥的特点1.快速高效，加热温度不宜过高；2.产品与干燥介质的接触时间不能太长；3.干燥产品应保持一定的纯度，在干燥过程中不得有杂质混入。 生物工业产品干燥通常采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥和冷冻干燥。生物工业制品的干燥设备类型瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备选型原则产品的质量要求产品的纯度物料的特性产量及劳动条件设备类型干燥物料固定床干燥啤酒酿造用绿麦芽卧式沸腾干燥柠檬酸晶体、酵母、抗生素沸腾造粒干燥葡萄糖、味精、酶制剂气流干燥味精、抗生素、葡萄糖旋风式

50、气流干燥四环素类气流式喷雾干燥蛋白酶、核酸、抗生素压力式喷雾干燥酵母离心式喷雾干燥酶制剂、酵母喷雾干燥与振动流化干燥酶制剂滚筒干燥酵母、单细胞蛋白真空干燥青霉素钾盐、土霉素等冷冻干燥抗肿瘤抗生素、乙肝疫苗干燥过程根据系统进出口焓的变化通常分为绝热干燥过程（等焓干燥过程）和非绝热干燥过程（非等焓干燥过程）。绝热干燥过程： 在物料进出干燥器期间，不向干燥器补充热量。 干燥器的热损失可以忽略不计。 物料进出干燥器时的焓相等。非绝热干燥过程 ： 不向干燥器补充热量，物料进出干燥器的焓差发生了明显的改变。 向干燥器补充的热量比热损失及物料带走的热量之和还要大。 向干燥器中补充的热量足够大，能够使干燥过程

51、在等温下进行，但进出干燥器物料的焓发生了明显的改变。真空干燥设备一般由密闭干燥室、冷凝器和真空泵3部分组成。常用的真空干燥设备有真空箱式干燥器、带式真空干燥器、耙式真空干燥器。生物工程中常用于维生素、热敏性的产品等生产中。一、气流干燥原理及设备基本原理：固体湿物料在高温快速流动的热空气作用下，均匀分散成悬浮状态，从而增大了物料与热空气的接触面积，强化了热交换作用，使得物料仅在几秒钟内（1-5秒）达到干燥要求。应用： 生物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等的干燥。气流干燥的特点1.干燥强度大； 2.干燥时间短，对热敏性物料可选较高温介质； 3.可把干燥、粉碎、输送、包装等组成一道工序;4.设备结

52、构简单，占地面积小，生产能力小，能连续操作，可实现自动化控制；5.适用性广，可使用于各种粉粒状、碎块状物料；6.对晶形磨损厉害；7.热能利用率低。二、喷雾干燥原理及设备原理：用雾化器将溶液、乳浊液、悬浊液（含水量50%以上）喷成微小雾滴分散于热气流中，在液滴下降过程中水份迅速蒸发，从而完成干燥过程。喷雾干燥塔的构造圆柱圆锥形；顶部装有空气分配盘，分配盘的型式有旋风扩散式、叶片旋风式，其作用是使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效果。设备的下部有螺旋排风管，是在回风管的下部外侧焊上螺旋形的导风板，使气流沿螺旋导风板旋转向下，增大了气流阻力，使密度较大的产品向下沉降，密度较小的粉末状产品随废气沿回风管导入袋滤器，螺旋排风管的作用是使气固两相分离。离心喷雾干燥原理：利用在水平方向做高速旋转的圆盘，给浓料以离心力，将其成薄膜状甩出，受到空气的撕扯，变成细丝、雾状液滴喷入干燥室，与热空气直接接触，其表面水分迅速蒸发，在很短的时间内完成干燥。 离心雾化器的特点优点：液料通道大，不易堵塞； 对液料的适应性强。高粘度、高浓度的 液料均可； 操作弹性大，进液量变化±25时，对 产品质量无大影响。缺点：结构复杂、造价高； 动力消耗比压力式大； 只适于顺流立式喷雾干燥设备。压力式喷雾原理： 主要是采用高压泵，以70200大气压的压力