发酵工程原理与技术应用

1、发酵材料综述1、发酵工程原理和技术应用：2、发酵行业的特点：1.一步生产：微生物发酵由一系列极其复杂的生化反应组成，反应所需的各种酶都包含在微生物细胞中。2.温和的反应条件3.原料纯度要求低：农副产品常被用作原料，如干马铃薯、麸皮等。原材料来源丰富，价格低廉。4.设备通用性强对于微生物发酵，好氧发酵和厌氧发酵的发酵设备是相同的，即通常使用好氧发酵罐和空气过滤系统。密封发酵罐用于厌氧发酵。5.对环境的污染相对较小：用于发酵的原料是农副产品。虽然废水中的生物需氧量和化学需氧量相对较高，但有毒物质很少。6.生产较少受到自然条件的限制3、工业发酵的类型：根据微生物对氧气的需求，可分为好氧发酵、厌氧发酵

2、和兼性厌氧发酵。根据培养基的物理性质，可分为液体发酵和固体发酵。根据工艺流程，分为分批发酵、连续发酵(进一步分为单级恒化器连续发酵、多级恒化器连续发酵和单级恒化器连续发酵，细胞循环)和补料分批发酵。4、发酵生产工艺：制备用于种子扩大培养和发酵生产的各种培养基；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌扩大适量活性纯菌种的培养，按一定比例接种到发酵罐中；适量的发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；对产品进行提取和精制，得到合格产品；回收或处理发酵过程中产生的三废。5、发酵工业菌株：细菌枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等放线菌链霉菌和微球菌酵母啤酒酵母、假丝酵母、酵母样酵母等模子根霉、毛霉、犁头

3、霉、红曲霉、曲霉和青霉未培养的微生物6、发酵行业对菌种的要求：1 .可以利用廉价的原料和简单的培养基大量、高效地合成产品2.合成产品的方法尽可能简单，或者应变改性的操作更强。3、遗传表现应该相对稳定4、不易感染其他微生物或噬菌体。5.必须考虑生产细菌及其产品的毒性(在分类学中最好不要与致病菌相关)6、生长快，发酵周期短，生产特性满足工艺要求7、培养条件易于控制7、微生物菌株的分离筛选步骤：按照既定计划，共采集个样本：有针对性地采集个样本；对株菌株进行预处理、富集和培养；分离出株菌株；初步筛选和复筛株；鉴定了株菌株的发酵性能；保存了株8.次级代谢：最初定义为微生物合成物质的过程，但不影响其自身的

4、生长、繁殖和发育。初级代谢：微生物产生的对自身生长和繁殖必需的物质通常称为初级代谢物，而产生这些物质的代谢系统或过程称为初级代谢。它分为分解代谢和合成代谢。9.诱变育种中需要考虑的几个因素：选择合适的起始菌株；使用复合诱变剂(扩大基因突变的频率)；诱变剂剂量的选择(不同微生物使用的诱变剂剂量不同)；突变菌株的筛选10、诱变育种的基本步骤：起始菌株的选择处理菌悬液的制备诱变处理补植分离和筛选11、降解机理及预防措施：应变退化主要是指t必须提供合成微生物细胞和发酵产品的基本成分。有利于降低培养基原料的单耗，即提高单位养分的转化率。提高产品浓度有利于提高单位体积发酵罐的生产能力。有利于提高产品的合成

5、速度，缩短发酵周期。尽量减少副产物的形成，便于产品的分离和提纯，尽可能减少“三废”。原料价格低廉，质量稳定，易得。所用原料能尽可能减少发酵过程中对曝气和搅拌的影响，有利于提高氧气利用率，降低能耗。13、碳源功能及常见类型：1.功能：为微生物菌株的生长和繁殖提供能量，并提供合成菌株所必需的碳成分；提供合成所需产品所需的碳成分。2.来源：糖、油脂、有机酸、正构烷烃和低碳醇。(在特殊情况下，如缺少碳源，水解物或氨基酸也可被微生物视为碳源)14.氮源：主要用于形成菌体细胞物质(氨基酸、蛋白质、核酸等)。)和含氮代谢物。常用的氮源可分为两类：有机氮源和无机氮源。15.生长调节物质包括生长因子、前体、产物

6、抑制剂和促进剂16.培养基类型：根据其组成物质的纯度，培养基可分为合成培养基和天然培养基。根据其状态，可分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基。根据其用途，可分为孢子(斜面)培养基、种子培养基和发酵培养基。17.碳氮比在细菌代谢调控中的重要性(作业，正交实验):培养基中碳与氮的比例对微生物的生长和繁殖以及产物的合成有显著的影响。氮源过多会使菌体生长过于旺盛，酸碱度过高，不利于代谢产物的积累。如果氮源不足，菌体繁殖会减少，从而影响产量。过多的碳源往往会形成较低的酸碱度。如果碳源不足，很容易导致细胞衰老和自溶。不同生长阶段微生物对碳氮比的最佳要求也不同。一般来说，碳源要求高于氮源，因为它们被用作

7、碳骨架来参与菌体的合成，并在生命过程中用作能源。18.不同发酵阶段细菌污染对发酵的影响是如何处理的。(1)由于种子培养期间污染菌接种量小，生产菌的生长一开始并不占优势，培养液营养丰富，培养液中几乎没有抗生素(产品)或只有很少的抗生素(产品)。因此，它对杂菌的防御能力低，容易污染杂菌。如果细菌在此阶段被污染，培养液应完全丢弃。(2)发酵早期的细菌最易感染，也最有害。原因：发酵早期的细菌数量不是很大，与其他细菌没有竞争优势。抵抗外来细菌的能力也很弱。在此期间，应采取特殊预防措施防止细菌污染的发生。染色措施：可通过降低培养温度、调节补料量、用酸碱调节酸碱度、缩短培养周期等来补救。如果细菌在早期被污染

8、，培养基的营养消耗不多，细菌可以再次灭菌，可以添加一些营养，细菌可以再次接种重复使用。(3)发酵中期的细菌污染会严重干扰生产菌的代谢。混合细菌产生大量的酸，培养液的酸碱度下降。糖和氮消耗快，发酵液粘稠，菌丝自溶预防和控制：1。彻底消毒培养基和器皿；2.种子制备过程中严格控制砂管和摇瓶；3.制砂过程中多次间歇灭菌；4.接种时注意无菌操作；5.种子瓶和母瓶的转移和培养；6.保持无菌间和摇床清洁；在无菌室内提供恒温恒湿的无菌空气；安装紫外线灯进行消毒；并用活性化学物质消毒。(2)设备泄漏或“死角”1.设备泄漏污染主要是指发酵设备、管道、阀门等在长期使用过程中，由于化学腐蚀、电化学腐蚀、腐蚀、加工不良

9、等原因造成的微小泄漏孔的泄漏和污染。预防：首先使用高质量的材料，并进行定期检查(漏水试验、集气管泄漏试验和煤油涂层)2.设备的“死角”是指在加热过程中，由于操作、设备结构或人为因素造成的障碍等原因，蒸汽不能到达预定的杀菌位置或该位置的冷空气不容易排出的位置。因此，不能满足完全灭菌的要求。防止发酵罐死角：加强清洁，定期清除污垢。在发酵罐的设计和制造过程中，在一些死角处专门设计了一条小直径的蒸汽管道到达这里进行特殊的灭菌处理。b .防止因管道安装或配置不当造成的“死角”:应使用单独的排气管、排水管和污水管。法兰的加工、焊接和安装应符合消毒要求。垫圈的内径应与法兰的内径相匹配。安装时，应与中心对齐，

10、连接法兰应尽可能减少。(3)空气传播细菌预防措施：1 .正确选择抽气端口，高空抽气或安装预粗过滤器。b、根据气候条件，设计合理的空气预处理工艺，尽可能降低过滤后空气的含油量和湿度。设计并安装合理的空气过滤器，防止其失效，选择灭菌效率高的过滤介质。(4)培养基未完全灭菌。1、原材料属性的影响当加热过快或混合不均匀时，固体含量高的原料容易结块，块状物中的细菌不易清除。预防：最好在固体罐中灭菌，加热前搅拌混合均匀，并加入一定量的淀粉酶进行液化。如果有大颗粒，可以在灭菌前通过筛分除去。2.消毒过程中的温度和压力不正确。由于操作不合理，罐内的冷空气没有完全排除，导致压力表上出现“假压力”，蒸汽压力不足，

11、无法达到要求的温度。预防：当固体罐的灭菌温度升高时，打开液面以下的所有进气阀、液面以上的排气阀、相关连接管的侧阀、压力表的连接管侧阀等。以允许蒸汽通过，从而完全消毒。3.当在消毒过程中产生大量泡沫时，泡沫会上升到顶部甚至溢出，并且各种细菌很容易隐藏在泡沫中。预防：加入少量消泡剂。4.油脂、糖和一定浓度的蛋白质等培养基成分增加了微生物的耐热性。高浓度的有机物会在细胞周围形成一层薄膜，从而影响热传递。预防：灭菌温度应更高。5.培养基的酸碱度越低，微生物的耐热性越差。预防：当ph值在6.0到8.0之间时，灭菌时间应适当延长。6.培养基的物理状态固体培养基的传热系数比液体小得多，并且没有对流。预防：固

12、体培养基杀菌时间长。7.培养基中微生物的数量当天然培养基含有大量微生物时，灭菌时间应适当延长。含芽孢杆菌较多的培养基应适当加热和延长。(5)防止操作不当：必须严格规范操作，防止操作不当造成污染。过滤灭菌法原理：细菌不能通过滤膜灭菌。火灭菌法原理：用火焰直接杀灭微生物。为什么在生产中使用高温短时杀菌k=A E(E/RT)E E F3 cf6 lang 1024 span F3 cf6 lang 1024/span 由于灭菌过程中杀灭微生物的活化能E大于破坏培养基成分的活化能E，微生物比死亡率常数的增加倍数大于培养基成分随着温度的增加而破坏和分解速率常数的增加倍数。也就是说，当灭菌温度升高时，微生

13、物的死亡率大于培养基成分的破坏率。根据这一理论，介质灭菌一般选用高温快速灭菌。换句话说，为了达到同样的灭菌效果，提高灭菌温度可以明显缩短灭菌时间，减少培养基因长时间加热造成的损伤。21、对数剩余法温杀菌dN/dt=- k Nn:菌体(细胞)数量T:灭菌时间(分钟)k:反应速率常数(min-1)DN/dt:细菌热死亡率(月/分)22.种子培养：是指将冻干管和砂管中休眠的工业菌株接种到试管斜面上进行活化，然后在摇瓶和种子罐中进行分步扩大培养，获得一定数量和质量的纯菌株的过程。这种纯文化被称为种子。种子时代：种子时代是指种子的培养时间。接种年龄是指在种子罐中培养的菌丝体转移到下一个种子罐或发酵罐的培

14、养时间。23.分批发酵：这是准封闭培养的一个例子。指一次性投料、接种和发酵。在此过程中，发酵液始终保存在发酵罐中。因此，分批发酵是一个典型的非稳态过程。连续发酵：在分批发酵过程中，通过添加新鲜培养基并以适当的速率向发酵罐中排放相同量的发酵液，可以获得相对稳定的连续发酵状态，即在发酵罐中形成的新细胞的数量等于从发酵罐中流出的细胞的数量。24、影响微生物耗氧量的因素1、微生物遗传特性的影响2.培养基的组成和浓度3.细菌时代4.发酵条件5、代谢类型25、泡沫危害：主要表现在：1降低发酵罐负荷系数。发酵罐的装料系数一般为0.7，通常填充剩余空间的泡沫约占所需培养基的10%，剩余组分与目标培养基不完全相

15、同。2增加了菌群的异质性。由于泡沫高度的变化以及不同生长期的微生物随泡沫漂浮或附着在罐壁上，这部分细菌有时在气相环境中生长，导致细菌分化甚至自溶，从而影响细菌的均匀性。3增加了污染杂菌的机会。发酵液溅在轴封等处，容易污染细菌。4.大量的泡沫和不及时的控制导致“液体逸出”和产品损失。消泡剂的加入有时会影响发酵产量或给下游的分离、纯化和精制过程带来麻烦。26、排空水箱的时间对下游的影响如果锅放得太早，过多的营养物质如糖、脂肪和可溶性蛋白质会残留，增加提取过程的负担。如果放置时间过晚，菌丝自溶，不仅会延长过滤时间，还会降低一些不稳定产物的浓度，扰乱萃取过程阶段的工作计划。27.发酵罐类型：普通发酵罐、气举发酵罐、管道发酵罐、固定化发酵罐、自吸发酵罐和五型发酵罐。28.搅拌器类型：平叶片型、弯曲叶片型和箭头叶片型。29.全挡板条件：指在轴功率不变的情况下，以一定的转速向罐内添加附件。30.机械搅拌发酵罐的基本条件1.发酵罐应该有合适的长宽比。罐体越高，氧气利用率越高。2.发酵