發(fā)酵工程知識(shí)點(diǎn)

1、緒論1.傳統(tǒng)發(fā)酵：最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。 1857年法國(guó)化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過(guò)程都是微生物作用的結(jié)果?！?2.生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵：指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán) 格 地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。 如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。3.工業(yè)上的發(fā)酵：在微生物工業(yè)中，把所有通過(guò)微生物或其他生物細(xì)胞（動(dòng)、植物細(xì)胞）的培養(yǎng)，統(tǒng)稱為 發(fā) 酵。包括：1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素

2、、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶以及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物等。現(xiàn)代生物技術(shù)分子生物學(xué)與發(fā)酵工程氨基酸發(fā)酵工業(yè)谷氨酸、賴氨酸核酸發(fā)酵工業(yè)肌苷酸、烏苷酸微生物變異株通過(guò)代謝調(diào)節(jié)代謝控制發(fā)酵技術(shù) 切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點(diǎn): 酶的活力調(diào)控, 酶的合成調(diào)控(反饋控制和反饋?zhàn)瓒? 解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié),提高終產(chǎn)物水平。細(xì)胞融合技術(shù)、基因操作技術(shù)等生物技術(shù)發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新的有用的微生物：增加微生物體內(nèi)控制代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的基因拷貝數(shù)，可以大幅度地提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量；酒曲是我國(guó)釀酒技術(shù)的重大發(fā)明，也是世界上最早的一種復(fù)合酶制劑。3、 發(fā)酵工程的組成從廣義上講，由三部分組成：上游工

3、程、發(fā)酵控制、下游工程4、 微生物發(fā)酵產(chǎn)品的類型:1,菌體、酶，2 初級(jí)代謝產(chǎn)物，3 次級(jí)代謝產(chǎn)物，4 外源物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。5、 發(fā)酵方法的類別與流程（1）類別：根據(jù)對(duì)氧的需要區(qū)分： 厭氧和好氧發(fā)酵 根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分： 液體和固體發(fā)酵 根據(jù)從微生物生長(zhǎng)特性區(qū)分： 分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵 按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分: 糖類物質(zhì)發(fā)酵, 石油發(fā)酵, 廢水發(fā)酵 按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分：氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵、酶制劑發(fā)酵 (2) 發(fā)酵流程：保藏菌種-活化-擴(kuò)大培養(yǎng)-種子罐-主發(fā)酵-產(chǎn)物分離純化-成品第2章 菌種選育理論與技術(shù)微生物的特點(diǎn)有些微生物能在厭氧的條件下生長(zhǎng)有些微生物能夠利用簡(jiǎn)單

4、的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物滿足自身的生長(zhǎng)有些微生物能進(jìn)行復(fù)雜的代謝有些微生物能利用較復(fù)雜的化合物有些微生物能在極端的環(huán)境下生長(zhǎng)常見(jiàn)的工業(yè)微生物（1） 抗生素生產(chǎn)有關(guān)的微生物（二）氨基酸生產(chǎn)有關(guān)的微生物（三）食品酶制劑生產(chǎn)有關(guān)的微生物 a-淀粉酶：黑曲霉、米曲霉、米根酶、 枯草牙孢桿菌 和地衣牙孢桿菌工業(yè)化菌種的要求1生產(chǎn)菌及其產(chǎn)物的毒性必須考慮（在分類學(xué)上最好與致病菌無(wú)關(guān)）2能夠利用廉價(jià)的原料，簡(jiǎn)單的培養(yǎng)基，大量高效地合成產(chǎn)物3有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡能地簡(jiǎn)單，或者說(shuō)菌種改造的可操作性要強(qiáng)4遺傳性能要相對(duì)穩(wěn)定5不易感染它種微生物或噬菌體6生產(chǎn)特性要符合工藝要求1、 育種的目的（一）科研方面1獲得有遺傳標(biāo)記的

5、菌株；2得到生物合成阻斷變株，以研究抗生素生物合成途徑。3了解菌種的遺傳學(xué)背景。4提供分子生物學(xué)的研究材料。（二）生產(chǎn)方面1.提高產(chǎn)量；2.去除色素；3.去除多余組分，如黑暗鏈霉菌產(chǎn)生15個(gè)組分（氨甲酰妥布霉素，氨普霉素，氨甲酰卡那霉素B等）。4對(duì)不良環(huán)境產(chǎn)生抗性 如抗噬菌體、抗氨水、抗消沫劑等。工業(yè)菌種改良方法(1)解除或繞過(guò)代謝途徑中的限速步驟：通過(guò)增加特定基因的拷貝數(shù)或增加相應(yīng)基因的表達(dá)能力來(lái)提高限速酶的含量；在代謝途徑中引伸出新的代謝步驟，由此提供一個(gè)旁路代謝途徑。(2)增加前體物的濃度。(3)改變代謝途徑，減少無(wú)用副產(chǎn)品的生成以及提高菌種對(duì)高濃度的有潛在毒性的底物、前體或產(chǎn)品的耐受力

6、。(4)抑制或消除產(chǎn)品分解酶。 (5)改進(jìn)菌種外泌產(chǎn)品的能力。(6)消除代謝產(chǎn)品的反饋抑制。如誘導(dǎo)代謝產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類似物抗性。2、 菌種選育的基本理論育種的方法自然選育、誘變育種基因重組：雜交、原生質(zhì)體融合、基因工程基因的直接進(jìn)化：點(diǎn)突變、染色體重建(Genome shuffling)第1節(jié) 自然選育菌種分離的一般過(guò)程 eg 堿性纖維素酶產(chǎn)生菌的篩選一、采樣時(shí)要注意的問(wèn)題 結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn) 來(lái)源要廣氣候、水分、空氣標(biāo)簽：地點(diǎn)、時(shí)間、氣候等2、 富集培養(yǎng)富集的目的：讓目的微生物在種群中占優(yōu)勢(shì)，使篩選變得可能。富集的三種方案：定向培養(yǎng):采用特定的有利于目的微生物富集的條件，進(jìn)行培養(yǎng)。 當(dāng)不可能采用定向

7、培養(yǎng)時(shí)，則可設(shè)計(jì)在一個(gè)分類學(xué)中考慮， 不能提供任何有助于篩選產(chǎn)生菌的信息，這 時(shí)只能通過(guò)隨機(jī)分離的辦法 定向培養(yǎng)的富集方法 一切能提高目的微生物相對(duì)生長(zhǎng)速度的手段，培養(yǎng)（固體、液體；分批連續(xù)）后使目的微生物在種群中占優(yōu)勢(shì)。1,底物 2，ph條件 3，培養(yǎng)時(shí)間 4，培養(yǎng)溫度案例分析工業(yè)乳酸發(fā)酵的菌種選育符合工業(yè)生產(chǎn)的菌種的標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)濟(jì)性能好，能高效生產(chǎn)乳酸；同型發(fā)酵，即只生產(chǎn)單一的一種乳酸分子而無(wú)其他有機(jī)酸副產(chǎn)物；具有在較高濃度的乳酸環(huán)境中生存的能力；具有較高的耐熱性；菌種的營(yíng)養(yǎng)要求相對(duì)簡(jiǎn)單；選擇抗噬菌體菌株。 小節(jié)：工業(yè)微生物的要求； 基本概念； 菌種選育的一般步驟；第4章 滅菌與除菌培養(yǎng)基滅菌

8、的目的在發(fā)酵過(guò)程中夾雜其它雜菌造成的后果：生產(chǎn)菌和雜菌同時(shí)生長(zhǎng)，生產(chǎn)菌喪失生產(chǎn)能力；在連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中，雜菌的生長(zhǎng)速度有時(shí)會(huì)比生產(chǎn)菌生長(zhǎng)得更快，結(jié)果使發(fā)酵罐中以雜菌為主；雜菌及其產(chǎn)生的物質(zhì)，使提取精制發(fā)生困難雜菌會(huì)降解目的產(chǎn)物；雜菌會(huì)污染最終產(chǎn)品，雜菌會(huì)污染最終產(chǎn)品；發(fā)酵時(shí)如污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。 第一節(jié) 滅菌和除菌的基本原理、方法滅菌（sterilization）：采用強(qiáng)烈的理化因素使任何物體內(nèi)外部的一切微生物(營(yíng)養(yǎng)體及其孢子)永遠(yuǎn)喪失其生長(zhǎng)繁殖能力的措施，稱為滅菌。滅菌實(shí)質(zhì)上可分殺菌和溶菌兩種，前者指菌體雖死，但形體尚存，后者則指菌體殺死后，其細(xì)胞發(fā)生溶化、消失的現(xiàn)象 。一、滅

9、菌方法 化學(xué)物質(zhì)滅菌 輻射滅菌 干熱滅菌 火焰滅菌 濕熱滅菌 過(guò)濾除菌一、熱滅菌的原理 高溫致死原理：由于它使微生物的蛋白質(zhì)和核酸等重要生物高分子發(fā)生變性、破壞，例如它可使核酸發(fā)生脫氨、脫嘌呤或降解，以及破壞細(xì)胞膜上的類脂質(zhì)成分等。濕熱滅菌要比干熱滅菌更有效，一方面是由于濕熱易于傳遞熱量，另一方面是由于濕熱更易破壞保持蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的氫鍵等結(jié)構(gòu)，從而加速其變性。熱滅菌方法：常壓法，加壓法2、 濕熱滅菌中的相關(guān)定義殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度 (lethal temperature)。在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時(shí)間稱為致死時(shí)間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時(shí)間愈短。微生物的熱阻：是指

10、微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時(shí)間。相對(duì)熱阻是指某一微生物在某條件下的致死時(shí)間與另一微生物在相同條件下的致死時(shí)間的比值。3、 滅菌動(dòng)力學(xué)1. 對(duì)數(shù)殘留定律實(shí)驗(yàn)證明，微生物營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的均相熱死滅動(dòng)力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即： t：滅菌時(shí)間 s k：比死亡速率 s-1， dNt/dt 代表？(菌的瞬時(shí)變化速率) N0：開(kāi)始滅菌時(shí)原有菌體數(shù) Nt：殘留菌體數(shù)，個(gè)/ml dNt/dt 代表？(菌的瞬時(shí)變化速率) 實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)菌孢子的熱殺滅動(dòng)力學(xué)與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的有所不同。它表現(xiàn)為非對(duì)數(shù)的死亡動(dòng)力學(xué)。這可能與孢子壁的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)有關(guān)。但當(dāng)溫度超過(guò)120C時(shí)，熱阻極強(qiáng)的嗜熱脂肪芽

11、孢桿菌孢子的熱殺滅動(dòng)力學(xué)也接近對(duì)數(shù)死亡動(dòng)力學(xué)即符合一級(jí)反應(yīng)規(guī)律。2. 非對(duì)數(shù)死亡規(guī)律培養(yǎng)基滅菌需解決的工程問(wèn)題* 將培養(yǎng)基中的雜菌總數(shù)N0殺滅到可以接受的總數(shù)N(10-3)，需要多高的溫度、多長(zhǎng)的時(shí)間為合理。* 滅菌溫度和時(shí)間的確定取決于：雜菌孢子的熱滅死動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)器的形式和操作方式* 盡量減少營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，在滅菌過(guò)程中，培養(yǎng)基組分的破壞，是由兩個(gè)基本類型的反應(yīng)引起的：培養(yǎng)基中不同營(yíng)養(yǎng)成分間的相互作用；對(duì)熱不穩(wěn)定的組分如氨基酸和維生素等的分解第2節(jié) 培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌在一定溫度下，比死亡速率k隨微生物種類不同而不同。 營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞VS芽孢(spore, endospore )同一種微生物來(lái)

12、說(shuō)，比死亡速率k值隨著溫度的變化而變化。 阿侖尼烏斯定律 A：系數(shù)E：活化能 活化能E的大小對(duì)k值有重大影響。 其它條件相同時(shí)， E越高，k越低，熱死速率越慢。 不同菌的孢子的熱死滅反應(yīng)E可能各不相同。 可得出結(jié)論： 反應(yīng)的E越高，lnk對(duì)T的變化率越大，即：T的變化對(duì)k的影響很大培養(yǎng)基成分的破壞將溫度提高到一定程度，會(huì)加速細(xì)菌孢子的死滅速度，縮短滅菌時(shí)間，由于有效成分的E很低，溫度的提高只能稍微增大其破壞速度，但由于滅菌時(shí)間的顯著縮短，有效成分的破壞反而減少。二、培養(yǎng)基的滅菌方法（一）分批滅菌 1. 預(yù)熱（前期）2. 預(yù)熱（后期）3. 保溫階段 4. 冷卻階段（一）分批滅菌 在發(fā)酵罐中進(jìn)行實(shí)

13、罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過(guò)程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過(guò)程（二）連續(xù)滅菌 1、定義：將配制好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時(shí)進(jìn)行加熱、 保溫和冷卻而進(jìn)行滅菌。 連續(xù)滅菌的基本設(shè)備一般包括（1）配料預(yù)熱罐，將配制好的料液預(yù)熱到60-70，以避免連續(xù)滅菌時(shí)由于料液與蒸汽溫度相差過(guò)大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）連消塔，連消塔的作用主要是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混和，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126-132 ）；（3）維持罐，連消塔加熱的時(shí)間很短，光靠這段時(shí)間的滅菌是不夠的，維持罐的作用是使料液在滅菌溫度下保持5-7min，以達(dá)到滅菌的目的；（4）冷卻管，從維持罐出來(lái)的料液要經(jīng)過(guò)冷卻排管進(jìn)

14、行冷卻，生產(chǎn)上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到40-50 后，輸送到預(yù)先已經(jīng)滅菌過(guò)的罐內(nèi)。 連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較與選擇分批滅菌優(yōu)點(diǎn)：1不需附加設(shè)備2 蒸汽利用率高3 節(jié)約勞動(dòng)力 缺點(diǎn)1 培養(yǎng)基質(zhì)量比較差2  罐的利用率低 3. 冷卻水用量大連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn)：1 采用高溫快速滅菌法2可以把培養(yǎng)基按其性質(zhì)分開(kāi)滅菌3 有利于自動(dòng)控制4 節(jié)省冷卻水缺點(diǎn)1     投資費(fèi)用高2      對(duì)物料要求高3   &

15、#160;  蒸汽用量大選擇原則：1培養(yǎng)基成份（易降解成分、液化情況等）2設(shè)備狀況（冷卻面積、傳動(dòng)裝置等）3. 動(dòng)力條件  發(fā)酵設(shè)備的滅菌發(fā)酵罐空消之后不能立即冷卻，先用無(wú)菌空氣保壓，待滅菌的培養(yǎng)基輸入罐內(nèi)后，才可以開(kāi)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。 分空氣過(guò)濾器在發(fā)酵罐滅菌之前進(jìn)行滅菌，滅菌后用空氣吹干備用。 補(bǔ)料罐的滅菌溫度視物料性質(zhì)而定，如糖水，滅菌時(shí)蒸汽壓力為0.1MPa(121)，保溫30分鐘。油罐(消沫劑罐)滅菌時(shí)，其蒸汽壓力為0.15-0.18MPa，保溫60分鐘。補(bǔ)料管路、消沫劑管路可與補(bǔ)料罐、消沫劑罐同時(shí)舉行滅菌，保溫時(shí)間為1小時(shí)。 移種管路滅菌一般要求蒸汽壓

16、力為0.30.45MPa，保溫1小時(shí)。 補(bǔ)料液的滅菌在發(fā)酵過(guò)程中，往往要向發(fā)酵罐中補(bǔ)入各種不同的料液。這些料液都必需經(jīng)過(guò)滅菌。滅菌的方法則視料液的性質(zhì)、體積和補(bǔ)料速率而定。如果補(bǔ)料量較大，而具有連續(xù)性時(shí)，則采用連續(xù)滅菌較為合適。也有利用過(guò)濾法對(duì)另補(bǔ)料液進(jìn)行除菌。補(bǔ)料液的分批滅菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。所有的附屬設(shè)備和管道都要經(jīng)過(guò)滅菌。第3節(jié) 空氣滅菌無(wú)菌空氣(Aseptic air)的概念發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無(wú)菌空氣”是指通過(guò)除菌處理使空氣中含菌量降低在一個(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。此種空氣稱為“無(wú)菌空氣”。發(fā)酵用空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 連續(xù)提供一定量的壓縮空氣。 VVM來(lái)

17、表述：?jiǎn)挝粫r(shí)間(min)、單位體積(m3)培養(yǎng)基中通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積(m3)進(jìn)入過(guò)濾器之前，空氣的相對(duì)濕度70%進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)基溫度高出10-30空氣除菌的方法（一） 輻射殺菌（二） 熱殺菌 （三） 靜電除菌（四） 過(guò)濾除菌 過(guò)濾除菌原理和介質(zhì)一、定義過(guò)濾除菌 ：利用有孔介質(zhì)從氣體中除去微生物過(guò) 濾 機(jī) 理 直接攔截 慣性撞擊 擴(kuò)散攔截 重力沉降 靜電吸附1） 直接攔截 流體中的基本過(guò)濾機(jī)制本質(zhì)是一種篩分效應(yīng)，機(jī)械攔截顆粒例如：一種簡(jiǎn)單的篩網(wǎng)可以攔截尺寸大于其孔徑的顆粒通過(guò)搭橋作用，尺寸小于濾孔的顆粒也可被攔截：不規(guī)則形狀的顆粒 / 方向性；多個(gè)顆粒同時(shí)撞擊到同一

18、個(gè)濾孔空氣流速愈小，纖維直徑愈細(xì)，阻攔截留作用愈大。但在介質(zhì)過(guò)濾的除塵除菌中，阻攔截留并不起主要作用。2）慣性撞擊空氣氣流流速大時(shí)，氣流中的微粒具有較大的慣性力。當(dāng)微粒隨氣流以一定速度向纖維垂直運(yùn)動(dòng)因受纖維阻擋而急劇改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，由于微粒具有的慣性作用使它們?nèi)匀谎卦瓉?lái)方向前進(jìn)碰撞到纖維表面，產(chǎn)生摩擦粘附而使微粒被截留在纖維表面，這種作用亦稱慣性碰撞截留。截留區(qū)域的大小決定于微粒運(yùn)動(dòng)的慣性力，所以，氣流速度愈大，慣性力大，截留效果也愈好。此外，慣性碰撞截面作用也與纖維直徑有關(guān)，纖維愈細(xì)，捕集效果愈好。慣性碰撞截面在介質(zhì)除塵中起主要作用。對(duì)大于 0.5 - 1.0 微米的顆粒很有效。3） 擴(kuò)散攔

19、截氣體分子 (作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)) 碰撞小顆粒或霧滴布朗運(yùn)動(dòng)(Brownian motion)碰撞的結(jié)果， 增加了顆粒碰撞過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)會(huì)僅在氣體中有效對(duì)小細(xì)顆粒 (0.1 - 0.3微米)非常有效4）重力沉降作用重力沉降是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用，當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就容易沉降。就單一的重力沉降情況下，大顆粒比小顆粒作用顯著，對(duì)于小顆粒只有在氣流速度很慢時(shí)才起作用。一般它是與攔截作用相配合的，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率。 5）靜電吸附作用干空氣對(duì)非導(dǎo)體的物質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，纖維和樹(shù)脂處理過(guò)的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空

20、氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，如枯草桿菌孢子有的帶正電荷，有的帶負(fù)電荷，也有中性， 這些帶電的微粒會(huì)受帶異性電荷的物體所吸引而沉降。此外，表面吸附也歸屬于這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過(guò)濾效能應(yīng)是表面吸附的作用。小結(jié)過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾 / 分離效率由于直接攔截 慣性撞擊 擴(kuò)散攔截 的共同作用而增強(qiáng) 空氣過(guò)濾除菌流程流程的特點(diǎn)：兩次冷卻，兩次分離，適當(dāng)加熱。空氣過(guò)濾介質(zhì)要求：除菌效率高 耐受高溫高壓 不易被油水污染 阻力小 成本低 易更換 常用的介質(zhì)：棉花，棒狀活性炭，玻璃棉、超細(xì)玻璃纖維紙、石棉濾板、多孔陶瓷濾器燒結(jié)金屬棒等。深層過(guò)濾所用的過(guò)濾介質(zhì)棉花的纖維直徑一般為16-20微米。 提高過(guò)濾效

21、率的措施 1、減少進(jìn)口空氣的含菌數(shù)。可以從以下幾個(gè)方面著手：(1)加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的衛(wèi)生管理，減少環(huán)境空氣中的含菌量；(2)提高空氣進(jìn)口位置（高空采風(fēng)），減少空氣進(jìn)口含量；(3)加強(qiáng)壓縮前的空氣預(yù)過(guò)濾。 2.設(shè)計(jì)和安裝合理的空氣過(guò)濾器。  3.降低進(jìn)入總過(guò)濾器空氣的相對(duì)濕度。主要從以下幾個(gè)方面入手：(1)采用無(wú)油潤(rùn)滑空壓機(jī)；(2)加強(qiáng)空氣的冷卻，去油水；(3)提高進(jìn)入總過(guò)濾器的空氣溫度，降低其相對(duì)濕度。第5章 生產(chǎn)菌種的制備與保藏種子擴(kuò)大培養(yǎng)的目的與要求種子擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),最終獲得一定數(shù)

22、量和質(zhì)量的純種過(guò)程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。種子擴(kuò)培的目的 ： 接種量的需要 ， 菌種的馴化（縮短發(fā)酵時(shí)間、保證生產(chǎn)水平）種子的要求：總量及濃度能滿足要求，生理狀況穩(wěn)定，個(gè)體與群體，活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵后，能夠迅速生長(zhǎng)，無(wú)雜菌污染。第一節(jié) 生產(chǎn)菌種的制備過(guò)程一、種子制備的過(guò)程實(shí)驗(yàn)室階段1、培養(yǎng)物選擇的原則目的：種子擴(kuò)培到一定的量和質(zhì)，根據(jù)菌種的特點(diǎn)最終的培養(yǎng)物可分為兩類：對(duì)于不產(chǎn)孢子和芽胞的微生物 獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌體對(duì)于產(chǎn)孢子的微生物-獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的孢子，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌絲體。2、培養(yǎng)基選擇的原則培養(yǎng)基的選擇應(yīng)該是有利于菌體的生長(zhǎng)，對(duì)孢子培養(yǎng)基應(yīng)該是有利于孢子的生長(zhǎng)。在原料方面

23、，實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)階段，規(guī)模一般比較小，因此為了保證培養(yǎng)基的質(zhì)量，培養(yǎng)基的原料一般都比較精細(xì)。3、 起始接種物的傳代問(wèn)題細(xì)菌：保藏斜面 活化斜面 產(chǎn)孢子：保藏 母斜面 子斜面要求：使菌種的傳代次數(shù)盡可能的少。孢子培養(yǎng)母瓶：活化、純化，使保藏菌種生長(zhǎng)，并去處變異株。所以接種時(shí)要稀一點(diǎn)、便于純化生長(zhǎng)到單菌落。子瓶: 大量繁殖，得到大量孢子。 接種：從母斜面上點(diǎn)接種，選取生長(zhǎng)好的單菌落 接種時(shí)密一點(diǎn)，得到大量的孢子。孢子培養(yǎng)時(shí)注意濕度，子斜面使用一般不超過(guò)1個(gè)月3、 生產(chǎn)車(chē)間階段1、 培養(yǎng)物的選擇原則在生產(chǎn)車(chē)間階段，最終一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體。菌絲體比孢子要有利： 縮短發(fā)酵時(shí)間，有利于獲得好的發(fā)

24、酵結(jié)果。2、 培養(yǎng)基選擇的原則目的：獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌體，因此培養(yǎng)基的選擇應(yīng)首先考慮的是有利于孢子的發(fā)育和菌體的生長(zhǎng)，所以營(yíng)養(yǎng)要比發(fā)酵培養(yǎng)基豐富。在原料方面：不如實(shí)驗(yàn)室階段那么精細(xì)，而是基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基，這有兩個(gè)方面的原因: 一是成本 二是馴化3、 種齡種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌體開(kāi)始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。種齡短：菌體太少；種齡長(zhǎng)：易老化。原則：對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末，細(xì)胞活力強(qiáng)，菌體濃度相對(duì)較大，但是最終由實(shí)驗(yàn)結(jié)果定。第3節(jié) 種子制備過(guò)程舉例制備過(guò)程斜面菌種-一級(jí)種子培養(yǎng)-二級(jí)種子培養(yǎng)-發(fā)酵1、 谷氨酸生產(chǎn)的種子制備1、斜面 (AS1.299)培養(yǎng)條件：32，生長(zhǎng)18-24小時(shí)2

25、. 一級(jí)種子（搖瓶）培養(yǎng)基：葡萄糖2%，尿素0.5%，玉米漿 2.5%，K2HPO4 0.1%培養(yǎng)條件：于1000ml三角瓶中，裝液200-250ml,32培養(yǎng)12小時(shí)。3. 二級(jí)種子(種子罐)培養(yǎng)基：和一級(jí)種子相似，其中葡萄糖用水解糖代替，濃度為2.5%培養(yǎng)條件：在種子罐中培養(yǎng)（容積為發(fā)酵罐的1%），32培養(yǎng)7-10個(gè)小時(shí)4、種子的質(zhì)量要求：108-109個(gè)/ml ，大小均勻，呈單個(gè)或八字排列，pH 7.0-7.2時(shí)結(jié)束，6.88活力旺盛二、青霉素生產(chǎn)的種子制備安培管-斜面孢子-大米孢子-一級(jí)種子-二級(jí)種子-發(fā)酵6） 種子級(jí)數(shù)的確定一般由菌絲體培養(yǎng)開(kāi)始計(jì)算發(fā)酵級(jí)數(shù)，但有時(shí)工廠從第一級(jí)種子罐開(kāi)

26、始計(jì)算發(fā)酵級(jí)數(shù)谷氨酸：三級(jí)發(fā)酵 一級(jí)種子（搖瓶）二級(jí)種子 （小罐）發(fā)酵青霉素：三級(jí)發(fā)酵 一級(jí)種子 （小罐）二級(jí)種子（中罐）發(fā)酵 移入種子的體積接種量 接種后培養(yǎng)液的體積 接種方法：?jiǎn)畏N法1個(gè)種子罐的種子接入1個(gè)發(fā)酵罐雙種法2個(gè)種子罐的種子接入1個(gè)發(fā)酵罐倒種法以一個(gè)發(fā)酵罐部分發(fā)酵液給另一發(fā)酵罐作 為種子。 混種法以種子液和發(fā)酵液混合作為發(fā)酵罐的種子 第6章 發(fā)酵過(guò)程中的通氣與攪拌 一、 氧在液體中的溶解1、溶解氧（DO; Dissolved Oxygen) 作為環(huán)境因素對(duì)微生物反應(yīng)有直接影響； 被好氧性微生物吸收消耗，并直接參與生長(zhǎng)代謝過(guò)程，可視為一種營(yíng)養(yǎng)性底物。 難溶：25°C、一個(gè)

27、大氣壓，空氣中的O2在純水中的溶解度僅0.25mol/m3。發(fā)酵液中含有各種成分，其溶解度更低。 對(duì)于菌體濃度為1015個(gè)/m3的發(fā)酵液，假定每個(gè)菌體的體積為10-16 m3，細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度為2.6×10-3 molO2/(kg)，菌體密度為1000 kg/m3，含水量80%，則每立方米培養(yǎng)液的需氧量為： 10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3·s) 0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必須連續(xù)通氣。相關(guān)概念飽和

28、濃度：氣體和溶液接觸一定時(shí)間后，氣體分子在氣-液二相中的濃度，就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)溶解到溶液中的氣體分子數(shù)等于逸出溶液的氣體分子數(shù)。若外界條件不變，氣體在溶液中的濃度就不再隨時(shí)間而變化，此濃度為飽和濃度或平衡濃度氧的飽和濃度單位：mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大氣壓攝氧率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積培養(yǎng)液中微生物攝取氧的量。記作 rO2 (mmol/L·h) rO2因微生物種類、代謝途徑、菌體濃度、溫度、培養(yǎng)液成分及濃度的不同而異。 rO2值的范圍一般在 25100 mmol/L·h 比耗氧速率-相對(duì)于單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的氧量。也稱呼吸強(qiáng)度；用

29、QO2表示 (mmol O2 /g ·h)二者關(guān)系 X每升培養(yǎng)液中菌體量(干重)，g。 因菌種和反應(yīng)條件而異，一般在1.515 mmol /g · h呼吸臨界氧濃度（C臨界 or CCr）：在溶氧濃度低時(shí)，呼吸強(qiáng)度隨溶解氧濃度的增加而增加，當(dāng)溶氧濃度達(dá)到某一值后，呼吸強(qiáng)度不再隨溶解氧濃度的增加而變化，此時(shí)的溶氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度。臨界氧濃度與培養(yǎng)液的理化性質(zhì)，發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。CCr: 臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。氧在液體中的溶解特性：溫度，溶液性質(zhì)，氧分壓 影響微生物需氧量的因素1、微生物種類2、培養(yǎng)基的組成與濃度3、菌齡4、培養(yǎng)條件5、有毒產(chǎn)物

30、的形成及積累第2節(jié) 氧的傳質(zhì)理論對(duì)于需氧的微生物反應(yīng)，還存在一個(gè)氧從氣相通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入液相，進(jìn)而又經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入絮凝體內(nèi)部供給細(xì)胞進(jìn)行呼吸的傳遞過(guò)程。一、氧傳遞的阻力 在好氧發(fā)酵中，對(duì)微生物的供氧過(guò)程，首先是氣相中的氧溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。氧傳遞可分供氧和耗氧兩個(gè)方面：供氧方面 包括通過(guò)氣膜、氣-液界面、液膜及液體主流的擴(kuò)散耗氧方面 包括氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜及細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散。氧分子在一系列的擴(kuò)散中，各步均有一推動(dòng)力（氧的分壓或濃度差）來(lái)克服各自的阻力。1、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（ 1/k1 ; 1/KG）：為氣體主流及氣-液界面的氣膜阻力，與空

31、氣情況有關(guān)。2） 氣液界面阻力（1/k2；1/KI）：與空氣情況有關(guān)，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。3）液膜阻力（1/k3; 1/KL ）：為從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。4）液流阻力（1/k4; 1/KLB）：液體主流中傳遞的阻力；也與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。2、耗氧方面的阻力1）細(xì)胞周?chē)耗ぷ枇Γ?/k5; 1/KLC） 與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。2）菌絲叢或團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)散阻力（1/k6; 1/KA）與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關(guān)，單細(xì)胞的細(xì)菌和酵母菌不存在這種阻力；對(duì)于菌絲，這種阻力最為突出。3）細(xì)胞膜的阻力（1/k7; 1/K

32、W）：與微生物的生理特性有關(guān)。4）細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力（1/k8; 1/KR） 氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反 應(yīng)時(shí)的阻力；與微生物的種類、生理特性有關(guān)。二、氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式供氧方面 由于氧很難溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3 or 1/kL ）是氧溶于水時(shí)的限制因素。耗氧方面 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證實(shí)，細(xì)胞壁上與液體主流中氧的濃度差很小，即1/k5很?。欢蚓z團(tuán)的阻力(1/k6)對(duì)菌絲體的攝氧能力影響顯著。 在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。 在攪拌和合理的 工藝條件下，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少，因而能降低1/k6。 1/k8與微生物生長(zhǎng)及代謝的條件有關(guān)，若生長(zhǎng)條件合適，代謝產(chǎn)物能及

33、時(shí)移去，則1/k8就會(huì)減少，否則就會(huì)增大。氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中氣體吸收是氣相成分單向往液相擴(kuò)散溶解的物質(zhì)傳遞過(guò)程。 第4節(jié) 影響氧傳遞速率的因素?fù)?jù)氧傳質(zhì)方程O(píng)TR = KL a · (C* - CL) 影響供氧的主要因素是推動(dòng)力(C* - CL) 和體積氧傳遞系數(shù)KLa。一、 影響氧傳遞推動(dòng)力的因素要提高推動(dòng)力，只能設(shè)法提高C*或減少CL1、提高氧飽和濃度（ C*）要提高C*，可降低培養(yǎng)溫度、提高氧分壓和降低培養(yǎng)基濃度等。（但這幾方面局限性都很大）2、 降低溶氧濃度 （CL） 降低CL可通過(guò)減少空氣流量等方法來(lái)達(dá)到，但溶氧濃度不能低于臨解氧濃度。另外，減少空氣流量本身會(huì)

34、使KLa下降。二、影響體積吸收系數(shù)KLa的因素1、攪拌攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)KLa的影響很大，對(duì)微生物的攝氧率也有影響，但對(duì)C*無(wú)影響。 但過(guò)高的攪拌速度不但浪費(fèi)動(dòng)力，還會(huì)損傷菌體，引起菌體自溶及減產(chǎn)等。2、空氣流速KLa隨空氣速度的增加而增大。一般而言，通氣時(shí)，會(huì)降低發(fā)酵液粘度，降低攪拌功率，增加KLa在特定的條件下，通人發(fā)酵罐的空氣流速增加時(shí)，攪拌功率會(huì)下降， KLa會(huì)增加；當(dāng)空氣流速達(dá)某一值時(shí)，增加空氣流速，攪拌功率不再下降， KLa不再增加，此時(shí)的空氣流速稱為氣泛點(diǎn)（Flooding piont）經(jīng)驗(yàn)得出，對(duì)KLa的影響，攪拌功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣流速3、發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響KLa與發(fā)酵液的粘度成反比關(guān)

35、系，在發(fā)酵過(guò)程中，微生物不斷改變發(fā)酵液基質(zhì)濃度，菌絲形態(tài)，菌體濃度及產(chǎn)物濃度，進(jìn)而改變發(fā)酵液粘度，使KLa處于動(dòng)態(tài)變化之中，尤其是放線菌，霉菌的發(fā)酵液4、空氣分布器和發(fā)酵液高度對(duì)通氣效率的影響生產(chǎn)實(shí)踐證明，多孔環(huán)狀鼓泡器的效果并不比單孔鼓泡器好。但多孔鼓泡器易堵。高位發(fā)酵罐，增加發(fā)酵罐的高度(D:H=1:7) ；增加了氣-液接觸時(shí)間，提高了氧的利用率。5、其它因素1）攪拌器形式、組數(shù)和間距對(duì)溶氧的影響2）有機(jī)物質(zhì)和表面活性劑對(duì)KLa 影響3）壓力的影響第5節(jié) 液相體積氧傳遞系數(shù)KLa的測(cè)定一、發(fā)酵液中溶解氧濃度的測(cè)定 亞硫酸鹽氧化法 溶氧電極法 氧的物料衡算法 二、攝氧率的測(cè)定 用復(fù)膜氧電極停

36、氣法測(cè)定。三、 液相體積氧傳遞系數(shù)KLa的測(cè)定方法：亞硫酸鹽氧化法 直接測(cè)定-氧的物料衡算法 動(dòng)態(tài)測(cè)定-溶氧電極法動(dòng)態(tài)測(cè)定-溶氧電極法：優(yōu)點(diǎn)：耐高溫 連續(xù)測(cè)量原理：把溶解氧轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。陽(yáng)極：Pb陰極：Ag/Pt 電流直接指示溶解氧濃度。 4、 測(cè)定KLa的三個(gè)用途 1對(duì)生物反應(yīng)器的傳氧性能進(jìn)行測(cè)定，以便選擇最佳條件進(jìn)行操作，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。2對(duì)發(fā)酵過(guò)程傳氧情況進(jìn)行了解，以便判斷發(fā)酵過(guò)程的供氧情況。3為通風(fēng)罐的研究過(guò)程找出設(shè)備參數(shù)(如D/T、Ni )，操作變數(shù)(如N，Q)與KLa的關(guān)系，以便進(jìn)行通用發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計(jì)。五、提高溶氧的措施進(jìn)行液體培養(yǎng)時(shí)，一般可通過(guò)增加液體與氧的接觸面積或提

37、高氧分壓來(lái)提供溶氧速率：淺層液體培養(yǎng)；利用往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式搖床（shaker）對(duì)三角瓶培養(yǎng)物作振蕩培養(yǎng)；在深層液體培養(yǎng)器的底部通入加壓空氣，并用氣體分布器使其以小氣泡形式均勻噴出；對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并在培養(yǎng)器的壁上設(shè)置阻擋裝置?？刂迫苎醯墓に囀侄胃淖兺馑俾剩ㄍ饬康母淖儯涸诘屯饬康臈l件下，增大通氣量對(duì)提高Kla效果明顯改變攪拌速度，較明顯的增加Kla改變氣體組成中的氧分壓：即改變了空氣中的氧濃度，因而提高了C*值，從而提高了供氧能力。該法在動(dòng)植物培養(yǎng)體系中，已用于短時(shí)間提高溶氧。改變罐壓改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)加入傳氧中間介質(zhì)：傳氧中間介質(zhì)是不溶于培養(yǎng)液的液體，對(duì)微生物無(wú)毒，本身具有較高溶

38、氧能力的有機(jī)體。傳氧中間介質(zhì)有血紅蛋白、 烴類碳?xì)浠衔铮河?、石蠟、甲苯與水等）。 含氟碳化物小節(jié)：了解微生物對(duì)氧的需求并掌握其中的基本概念;掌握反應(yīng)器氧的傳遞方程，及其參數(shù)的測(cè)定;深入理解KLa的意義;影響體積吸收系數(shù)KLa的因素第7章 發(fā)酵過(guò)程的控制發(fā)酵過(guò)程的代謝變化規(guī)律代謝變化就是反映發(fā)酵過(guò)程中菌體的生長(zhǎng)，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。代謝曲線：代謝變化是反映發(fā)酵過(guò)程中菌體的生長(zhǎng)，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。把它們隨時(shí)間變化的過(guò)程繪制成圖，就成為所說(shuō)的代謝曲線。第一節(jié) 微生物發(fā)酵類型發(fā)酵過(guò)程按進(jìn)行過(guò)程有三種方式：分批發(fā)酵，補(bǔ)料分

39、批發(fā)酵，連續(xù)發(fā)酵1、 分批發(fā)酵定義：是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。在這一過(guò)程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。2、 分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過(guò)程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程。3、 分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低。不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題缺點(diǎn)：非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。5、分批發(fā)酵的類型按照菌體生長(zhǎng)，碳源利用和產(chǎn)物生成的變化）第一類型，第二類型，第三類型Piret's fermentation classificatio

40、n （按照產(chǎn)物生成與菌體生長(zhǎng)是否同步）：生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型 (第一類型），生長(zhǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)型（第二，三類型）第一類型（生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型）：產(chǎn)物直接來(lái)源于產(chǎn)能的初級(jí)代謝（自身繁殖所必需的代謝），菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成不分開(kāi)。例如單細(xì)胞蛋白和葡萄糖酸的發(fā)酵第二類型（部分生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型）：產(chǎn)物也來(lái)源于能量代謝所消耗的基質(zhì)，但產(chǎn)物的形成在與初級(jí)代謝分開(kāi)的次級(jí)代謝中，出現(xiàn)兩個(gè)峰，菌體生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，出現(xiàn)產(chǎn)物形成高峰。例如，檸檬酸和某些氨基酸的發(fā)酵。第三類型（非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型）：產(chǎn)物是在基質(zhì)消耗和菌體生長(zhǎng)之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來(lái)形成的，即產(chǎn)物的形成和初級(jí)代謝是分開(kāi)的。如抗生素發(fā)酵。生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型：產(chǎn)物形成與生長(zhǎng)有關(guān)，如酒精、某些酶等。非

41、生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型：產(chǎn)物的形成速度與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只與細(xì)胞積累量有關(guān)。如，抗生素。從上述分批發(fā)酵類型可以分析：如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型（如菌體與初級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)條件，延長(zhǎng)與產(chǎn)物合成有關(guān)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；如果產(chǎn)品是非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型（如次級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜縮短對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長(zhǎng)平衡期，以提高產(chǎn)量。2、 補(bǔ)料分批發(fā)酵1、定義 :補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過(guò)程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。2、補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度；和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無(wú)菌條件；不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。缺點(diǎn):存在

42、一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。3、 補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型(補(bǔ)料方式):連續(xù)流加，不連續(xù)流加，多周期流加補(bǔ)料成分：?jiǎn)我唤M分流加，多組分流加控制方式：反饋控制，無(wú)反饋控制4、 連續(xù)發(fā)酵1、 定義 培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長(zhǎng)速率）下生長(zhǎng)的發(fā)酵方式。2、 連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量；便于自動(dòng)控制。缺點(diǎn):菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴(yán)格的無(wú)菌條件。3、 連續(xù)發(fā)酵的

43、類型恒化培養(yǎng): 使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定恒濁培養(yǎng): 使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定第二節(jié) 工藝參數(shù)代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：化學(xué)參數(shù)：生物參數(shù)：從檢測(cè)手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)直接參數(shù)：通過(guò)儀器或其它分析手段可以測(cè)得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑乳g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa等直接參數(shù)又可分為在線檢測(cè)參數(shù)和離線檢測(cè)參數(shù)在線檢測(cè)參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；離線檢測(cè)參數(shù)指取出樣后測(cè)定得到的參數(shù)，如殘?zhí)恰H2-N、菌體濃度。1、 物理參數(shù):溫度，壓力，攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌功率，粘度，濁度，空氣流量，料液流量二

44、、化學(xué)參數(shù):1、pH(酸堿度) 2、基質(zhì)濃度3、溶解氧濃度4、產(chǎn)物的濃度(mg(u)m1) 5、廢氣中的氧濃度(Pa) 6、廢氣中的CO2濃度()7、DNA含量8、關(guān)鍵酶三、生物參數(shù):1、菌絲形態(tài)：以產(chǎn)黃青霉為例2、菌體濃度 第四節(jié) 菌體濃度的影響及其控制與菌濃相關(guān)的參數(shù)（1） 培養(yǎng)時(shí)間 （2） 補(bǔ)料量（3）培養(yǎng)溫度 （4） 接種量比生長(zhǎng)速率（µ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位重量菌體所生長(zhǎng)出新菌體的數(shù)量（g/g·h)。比生產(chǎn)速率Qp：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位重量菌體所合成的產(chǎn)物量。比消耗速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位重量菌體所消耗碳源的數(shù)量。一、影響菌體濃度的因素（1）微生物的種類和自身的遺傳特性的影響。（2）

45、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境條件有密切關(guān)系。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均存在一個(gè)上限濃度，在此限度以內(nèi)，菌體比生長(zhǎng)速率則隨濃度增加而增加，但超過(guò)此上限，濃度繼續(xù)增加，反而會(huì)引起生長(zhǎng)速率下降。這種效應(yīng)通常稱為基質(zhì)抑制作用。有機(jī)氮源有利于菌體生長(zhǎng)。 （3）培養(yǎng)條件：溫度，通氣量，pH二、菌濃對(duì)發(fā)酵的影響 1、在一定的條件下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量與菌體濃度呈正相關(guān)。2、菌體濃度過(guò)高時(shí)，則降低代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。三、最適菌濃的確定與控制 (一) 最適菌體濃度的概念 在一定的發(fā)酵條件下，使微生物的呼吸不受抑制時(shí)的最大菌體濃度。比生產(chǎn)速率(QP)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的菌體所合成的產(chǎn)物的重量(g)。比生產(chǎn)速率(RP)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所合

46、成的產(chǎn)物的重量(g)。(三) 最適菌體濃度的控制：調(diào)整發(fā)酵培養(yǎng)基的成分和濃度;通過(guò)補(bǔ)料控制菌體濃度；通過(guò)補(bǔ)水控制菌體濃度通過(guò)培養(yǎng)溫度控制菌體濃度第五節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的影響及其控制一、碳源1、碳源的濃度與代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量關(guān)系 （1）碳源濃度低時(shí)，菌體生長(zhǎng)緩慢，菌體容易衰老，產(chǎn)量降低。 （2）碳源濃度高時(shí)，菌體生長(zhǎng)過(guò)快，產(chǎn)物合成量降低。2、碳源的種類及其對(duì)發(fā)酵的影響 （1）速效碳源：促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，縮短菌體生長(zhǎng)周期。抑制或阻遏代謝產(chǎn)物的合成。 （2）遲效碳源：逐漸被菌體利用，不抑制次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。2、 氮源1）速效氮源：促進(jìn)菌體的快速生長(zhǎng)抑制次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成（2）遲效氮源：能持續(xù)釋放出含氮物質(zhì)，不抑

47、制次級(jí)代謝產(chǎn)物。有時(shí)可加入NH4+捕獲劑，以解除NH4+對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制。三、磷酸鹽的影響及控制磷酸鹽的影響（1）有利菌體生長(zhǎng)（0.32300mmol/l）（2）有利于次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成（<1mmol/l）（3）對(duì)產(chǎn)物合成產(chǎn)生阻遏作用（10mmol/l）四、前體的影響及控制前體的影響（1）促進(jìn)產(chǎn)物合成（2）濃度過(guò)大，對(duì)菌體產(chǎn)生毒性前體濃度的控制（1）采用多次補(bǔ)加前體的方式（2）將前體制備成毒性低的化合物第6節(jié) 溫度的影響及其控制嗜冷菌適應(yīng)于0260C生長(zhǎng)，嗜溫菌適應(yīng)于15430C生長(zhǎng)，嗜熱菌適應(yīng)于37650C生長(zhǎng)，嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長(zhǎng) 每種微生物對(duì)溫度的要求可用最適溫度、最高

48、溫度、最低溫度來(lái)表征。發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)速率實(shí)際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個(gè)最適溫度。二、發(fā)酵過(guò)程引起溫度變化的因素（一）發(fā)酵熱Q發(fā)酵所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。凈熱量：在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，機(jī)械攪拌產(chǎn)生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產(chǎn)生的熱量和各種散失的熱量的代數(shù)和就叫做凈熱量。發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過(guò)程溫度變化的原因。發(fā)酵熱引起發(fā)酵液的溫度上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢。在發(fā)酵過(guò)程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細(xì)胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的

49、形式散發(fā)出來(lái)，這散發(fā)出來(lái)的熱就叫生物熱。微生物進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多。培養(yǎng)過(guò)程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性。生物熱的大小與呼吸作用強(qiáng)弱有關(guān)Q發(fā)酵Q生物Q攪拌Q蒸發(fā)Q輻射四、最適溫度的選擇1、根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇。微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。2、根據(jù)生長(zhǎng)階段選擇. 發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達(dá)到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長(zhǎng)迅速；中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長(zhǎng)中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長(zhǎng)發(fā)酵周期沒(méi)有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合

50、成到放罐。3. 根據(jù)培養(yǎng)條件選擇通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過(guò)早自溶。4, 根據(jù)菌生長(zhǎng)情況菌生長(zhǎng)快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些。培養(yǎng)條件適宜，如營(yíng)養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，溫度的選擇根據(jù)菌種生長(zhǎng)階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。溫度對(duì)發(fā)酵的影響：反應(yīng)速率, 發(fā)酵方向第7節(jié) pH的影響及其控制 一、發(fā)酵過(guò)程pH變化的原因 1、基質(zhì)代謝 2、產(chǎn)物形成 3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。二 pH對(duì)菌體生長(zhǎng)影響比產(chǎn)物合成影響小pH對(duì)發(fā)酵的

51、影響 （1）pH影響酶的活性。（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離 (4)-pH影響代謝方向 pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響四、pH的控制方式1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH。2、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH, 當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH .選擇合適的pH調(diào)節(jié)劑 發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值第八節(jié) 溶氧的影響及其控制溶氧對(duì)發(fā)酵的影響（1）溶氧對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響（好氧菌，厭氧菌）（2）影響代謝產(chǎn)物的合成，包括影響組分的變化和產(chǎn)量3、發(fā)酵過(guò)程的溶氧變化發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)

52、供氧，溶氧明顯下降 發(fā)酵中后期，溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等 發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升 溶氧的控制：攪拌、通氣量/ 補(bǔ)料控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給，降低攝氧率/ 調(diào)節(jié)溫度/ 補(bǔ)水/ 液化培養(yǎng)基第九節(jié) 二氧化碳的影響及其控制二氧化碳的影響（1）CO2是微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中的代謝產(chǎn)物，也是某些合成代謝的基質(zhì)，對(duì)微生物生長(zhǎng)和發(fā)酵具有刺激作用。2）CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)還具有抑制作用，（3）CO2對(duì)微生物發(fā)酵也有影響。（4）酸堿平衡第十節(jié) 補(bǔ)料的作用和控制 一、FBC的作用 補(bǔ)料分批培養(yǎng)(Fed-Batch Culture, FBC)可以控制抑制性底物的濃度 ,可以解除或減弱分解產(chǎn)物阻遏, 可以使發(fā)酵過(guò)程最佳化FBC的補(bǔ)料方式 有連續(xù)流加、不連續(xù)流加或多周期流加。每次流加又可分為快速流加，恒速流加，指數(shù)速率流加和變速流加。從反應(yīng)器中發(fā)酵體積來(lái)分，又有變體積和恒體積之分。從反應(yīng)器數(shù)目分類又有單級(jí)和多級(jí)之分。從補(bǔ)加培養(yǎng)基的成分來(lái)分，又可分為單組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。第十一節(jié) 泡沫的影響及其控制一、泡沫形成的基本理論泡沫的定義：一般來(lái)說(shuō)：泡沫