发酵工程部分重点

1、发酵工程定义发酵工程是渗透有工程学的微生物学。是利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术产生有用物质或直接应用于工业化生产、以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全球性课题联系起来的一种技术体系。是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。1、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列） 启动子(promoter)：能

2、被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；调节基因（regulator gene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。初级代谢产物是指微生物产生的，生长和繁殖所必需的物质，如蛋白质、核酸等。次级代谢产物是指由微生物产生的，与微生物生长、繁殖无关的一类物质。既可用来合成初级代谢产物，又可用来合成次级代

3、谢产物，这种中间体叫做分支中间体前体是指加入到发酵培养基中的某些化合物能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。前体与中间体区别：在于前者的结构往往略需改变后才进入到代谢途径中中去，有时它们是指同一物质。代谢工程的定义： 把量化代谢流及其控制的工程分析方法与根据分析结果制定的遗传修饰方案付之实施的分子生物学技术结合起来，以反复分析、校验和修正的方式进行实际操作，改善微生物的产物形成的能力和微生物的细胞性能，从而满足人类对生物的特定需求的生物工程的分

4、支发酵培养基的要求: 培养基能够满足产物最经济的合成。 发酵后所形成的副产物尽可能的少，便于产物的分离纯化。 并尽可能减少产生“三废”的物质。 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源 丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的 供应。 必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。 有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。 有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应

5、该影响通气、提取、纯化及废物处理等。连消法主要操作：将培养基在发酵罐外连续不断地进行加热、维持和冷却，然后才进入发酵罐。培养基一般在135140下处理515分钟。 空罐灭菌也称空消。无论是种子罐、发酵罐、还是尿素（或液氨）罐、消泡罐，当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌，为空罐灭菌。将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这叫做实罐灭菌，又称分批灭菌。种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管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。

6、种子扩培的目的： 接种量的需要、菌种的驯化、缩短发酵时间,保证生产水种子罐级数取决于： 种子的性质（生长繁殖性能）； 孢子瓶中孢子的密度（密度大则级数少）； 孢子发芽及菌丝繁殖速度； 发酵罐中种子的最低接种量； 种子罐与发酵罐的容积比。 移入种子的体积接种量 接种后培养液的体积种龄是指种子罐中培养的菌体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。种龄短：菌体太少；种龄长：易老化谷氨酸生产的种子制备制备过程;斜面菌种一级种子培养二级种子培养发酵青霉素生产的种子制备 安培管 斜面孢子 大米孢子 一级种子 二级种子 发酵温度对发酵的影响 温度影响反应速率 温度影响发酵方向 温度对发酵过程的影响是多方面

7、的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。 低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白。1）发酵前期：由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速； 2）发酵中期：菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在

8、稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。 3）发酵后期：产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐根据培养条件选择1)通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。 2) 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。 发酵热是引起发酵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。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。Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射发酵过程pH变化的原因1、 产物形成2、 菌体自基质代谢3、 溶，pH上升，发酵后期，pH上升。 pH对发酵的影响

9、（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻.（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行. （3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用. （4）pH影响代谢方向pH的控制1、 调节好基础料的pH。2、 在基础料中加入维持pH的物质，3、 通过补料调节pH4、 当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH 。比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要

10、的氧量。mmol O2L-1h-1 r= QO2 .X X为菌浓,g/L临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.影响Kla(氧体积传递速率)的因素Kla反映了设备的供氧能力。泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。 体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。泡沫形成的原因1、 气液接触2、含助泡剂3、起泡速度高于破泡速度4、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度（2）培养基配比与原料组成（3）菌种、种子质量和接种量（4）灭菌质量起泡的危害1、降低生产能力2、引起原料浪费3

11、、影响菌的呼吸4、引起染菌破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。泡沫稳定性的因素泡径大小溶液所含助泡物的类型助泡剂浓度起泡液的粘度温度、 pH、表面电荷 等泡沫的性质： 含有助泡剂 泡沫是热力学不稳定体系什么是染菌？ 发酵过程中除了生产菌以外，还有其它菌生长繁殖.染菌的影响1造成大量原材料的浪费，在经济上造成巨大损失;2扰乱生产秩序，破坏生产计划;3遇到连续染菌，特别在找不到染菌原因往往会影响人们的情绪和生产积极性;4影响产品外观及内在质量.污染时间是指用无菌检测方法确准的污染时间，不是杂菌窜入培养液的时间。种子培养期染菌由于接种量较小，生产

12、菌生长一开始不占优势，而且培养液中几乎没有抗生素（产物）或只有很少抗生素（产物）。因而它防御杂菌能力低，容易污染杂菌。如在此阶段染菌，应将培养液全部废弃。发酵前期最易染菌，且危害最大。原因: 发酵前期菌量不很多，与杂菌没有竞争优势；且还未合成产物（抗生素）或产生很少，抵御杂菌能力弱。在这个时期要特别警惕以制止染菌的发生。染菌措施: 可以用降低培养温度，调整补料量，用酸碱调pH值，缩短培养周期等措施予以补救。如果前期染菌，且培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，补加一些营养，重新接种再用。发酵中期染菌 发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸，培养液pH下降；糖、氮消耗快，发酵液发粘，菌丝自溶，产物分泌减少或停止，有时甚