發(fā)酵工程原理與技術(shù)應(yīng)用

1、發(fā)酵材料綜述1、發(fā)酵工程原理和技術(shù)應(yīng)用：2、發(fā)酵行業(yè)的特點(diǎn)：1.一步生產(chǎn)：微生物發(fā)酵由一系列極其復(fù)雜的生化反應(yīng)組成，反應(yīng)所需的各種酶都包含在微生物細(xì)胞中。2.溫和的反應(yīng)條件3.原料純度要求低：農(nóng)副產(chǎn)品常被用作原料，如干馬鈴薯、麩皮等。原材料來源豐富，價(jià)格低廉。4.設(shè)備通用性強(qiáng)對于微生物發(fā)酵，好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵的發(fā)酵設(shè)備是相同的，即通常使用好氧發(fā)酵罐和空氣過濾系統(tǒng)。密封發(fā)酵罐用于厭氧發(fā)酵。5.對環(huán)境的污染相對較小：用于發(fā)酵的原料是農(nóng)副產(chǎn)品。雖然廢水中的生物需氧量和化學(xué)需氧量相對較高，但有毒物質(zhì)很少。6.生產(chǎn)較少受到自然條件的限制3、工業(yè)發(fā)酵的類型：根據(jù)微生物對氧氣的需求，可分為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵

2、和兼性厭氧發(fā)酵。根據(jù)培養(yǎng)基的物理性質(zhì)，可分為液體發(fā)酵和固體發(fā)酵。根據(jù)工藝流程，分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵(進(jìn)一步分為單級恒化器連續(xù)發(fā)酵、多級恒化器連續(xù)發(fā)酵和單級恒化器連續(xù)發(fā)酵，細(xì)胞循環(huán))和補(bǔ)料分批發(fā)酵。4、發(fā)酵生產(chǎn)工藝：制備用于種子擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌擴(kuò)大適量活性純菌種的培養(yǎng)，按一定比例接種到發(fā)酵罐中；適量的發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產(chǎn)物；對產(chǎn)品進(jìn)行提取和精制，得到合格產(chǎn)品；回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的三廢。5、發(fā)酵工業(yè)菌株：細(xì)菌枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等放線菌鏈霉菌和微球菌酵母啤酒酵母、假絲酵母、酵母樣酵母等模子根霉、毛霉、犁頭

3、霉、紅曲霉、曲霉和青霉未培養(yǎng)的微生物6、發(fā)酵行業(yè)對菌種的要求：1 .可以利用廉價(jià)的原料和簡單的培養(yǎng)基大量、高效地合成產(chǎn)品2.合成產(chǎn)品的方法盡可能簡單，或者應(yīng)變改性的操作更強(qiáng)。3、遺傳表現(xiàn)應(yīng)該相對穩(wěn)定4、不易感染其他微生物或噬菌體。5.必須考慮生產(chǎn)細(xì)菌及其產(chǎn)品的毒性(在分類學(xué)中最好不要與致病菌相關(guān))6、生長快，發(fā)酵周期短，生產(chǎn)特性滿足工藝要求7、培養(yǎng)條件易于控制7、微生物菌株的分離篩選步驟：按照既定計(jì)劃，共采集個(gè)樣本：有針對性地采集個(gè)樣本；對株菌株進(jìn)行預(yù)處理、富集和培養(yǎng)；分離出株菌株；初步篩選和復(fù)篩株；鑒定了株菌株的發(fā)酵性能；保存了株8.次級代謝：最初定義為微生物合成物質(zhì)的過程，但不影響其自身的

4、生長、繁殖和發(fā)育。初級代謝：微生物產(chǎn)生的對自身生長和繁殖必需的物質(zhì)通常稱為初級代謝物，而產(chǎn)生這些物質(zhì)的代謝系統(tǒng)或過程稱為初級代謝。它分為分解代謝和合成代謝。9.誘變育種中需要考慮的幾個(gè)因素：選擇合適的起始菌株；使用復(fù)合誘變劑(擴(kuò)大基因突變的頻率)；誘變劑劑量的選擇(不同微生物使用的誘變劑劑量不同)；突變菌株的篩選10、誘變育種的基本步驟：起始菌株的選擇處理菌懸液的制備誘變處理補(bǔ)植分離和篩選11、降解機(jī)理及預(yù)防措施：應(yīng)變退化主要是指t必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)品的基本成分。有利于降低培養(yǎng)基原料的單耗，即提高單位養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化率。提高產(chǎn)品濃度有利于提高單位體積發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力。有利于提高產(chǎn)品的合成

5、速度，縮短發(fā)酵周期。盡量減少副產(chǎn)物的形成，便于產(chǎn)品的分離和提純，盡可能減少“三廢”。原料價(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，易得。所用原料能盡可能減少發(fā)酵過程中對曝氣和攪拌的影響，有利于提高氧氣利用率，降低能耗。13、碳源功能及常見類型：1.功能：為微生物菌株的生長和繁殖提供能量，并提供合成菌株所必需的碳成分；提供合成所需產(chǎn)品所需的碳成分。2.來源：糖、油脂、有機(jī)酸、正構(gòu)烷烴和低碳醇。(在特殊情況下，如缺少碳源，水解物或氨基酸也可被微生物視為碳源)14.氮源：主要用于形成菌體細(xì)胞物質(zhì)(氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等)。)和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩類：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源。15.生長調(diào)節(jié)物質(zhì)包括生長因子、前體、產(chǎn)物

6、抑制劑和促進(jìn)劑16.培養(yǎng)基類型：根據(jù)其組成物質(zhì)的純度，培養(yǎng)基可分為合成培養(yǎng)基和天然培養(yǎng)基。根據(jù)其狀態(tài)，可分為固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基。根據(jù)其用途，可分為孢子(斜面)培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。17.碳氮比在細(xì)菌代謝調(diào)控中的重要性(作業(yè)，正交實(shí)驗(yàn)):培養(yǎng)基中碳與氮的比例對微生物的生長和繁殖以及產(chǎn)物的合成有顯著的影響。氮源過多會(huì)使菌體生長過于旺盛，酸堿度過高，不利于代謝產(chǎn)物的積累。如果氮源不足，菌體繁殖會(huì)減少，從而影響產(chǎn)量。過多的碳源往往會(huì)形成較低的酸堿度。如果碳源不足，很容易導(dǎo)致細(xì)胞衰老和自溶。不同生長階段微生物對碳氮比的最佳要求也不同。一般來說，碳源要求高于氮源，因?yàn)樗鼈儽挥米?/p>

7、碳骨架來參與菌體的合成，并在生命過程中用作能源。18.不同發(fā)酵階段細(xì)菌污染對發(fā)酵的影響是如何處理的。(1)由于種子培養(yǎng)期間污染菌接種量小，生產(chǎn)菌的生長一開始并不占優(yōu)勢，培養(yǎng)液營養(yǎng)豐富，培養(yǎng)液中幾乎沒有抗生素(產(chǎn)品)或只有很少的抗生素(產(chǎn)品)。因此，它對雜菌的防御能力低，容易污染雜菌。如果細(xì)菌在此階段被污染，培養(yǎng)液應(yīng)完全丟棄。(2)發(fā)酵早期的細(xì)菌最易感染，也最有害。原因：發(fā)酵早期的細(xì)菌數(shù)量不是很大，與其他細(xì)菌沒有競爭優(yōu)勢。抵抗外來細(xì)菌的能力也很弱。在此期間，應(yīng)采取特殊預(yù)防措施防止細(xì)菌污染的發(fā)生。染色措施：可通過降低培養(yǎng)溫度、調(diào)節(jié)補(bǔ)料量、用酸堿調(diào)節(jié)酸堿度、縮短培養(yǎng)周期等來補(bǔ)救。如果細(xì)菌在早期被污染

8、，培養(yǎng)基的營養(yǎng)消耗不多，細(xì)菌可以再次滅菌，可以添加一些營養(yǎng)，細(xì)菌可以再次接種重復(fù)使用。(3)發(fā)酵中期的細(xì)菌污染會(huì)嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的代謝。混合細(xì)菌產(chǎn)生大量的酸，培養(yǎng)液的酸堿度下降。糖和氮消耗快，發(fā)酵液粘稠，菌絲自溶預(yù)防和控制：1。徹底消毒培養(yǎng)基和器皿；2.種子制備過程中嚴(yán)格控制砂管和搖瓶；3.制砂過程中多次間歇滅菌；4.接種時(shí)注意無菌操作；5.種子瓶和母瓶的轉(zhuǎn)移和培養(yǎng)；6.保持無菌間和搖床清潔；在無菌室內(nèi)提供恒溫恒濕的無菌空氣；安裝紫外線燈進(jìn)行消毒；并用活性化學(xué)物質(zhì)消毒。(2)設(shè)備泄漏或“死角”1.設(shè)備泄漏污染主要是指發(fā)酵設(shè)備、管道、閥門等在長期使用過程中，由于化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、腐蝕、加工不良

9、等原因造成的微小泄漏孔的泄漏和污染。預(yù)防：首先使用高質(zhì)量的材料，并進(jìn)行定期檢查(漏水試驗(yàn)、集氣管泄漏試驗(yàn)和煤油涂層)2.設(shè)備的“死角”是指在加熱過程中，由于操作、設(shè)備結(jié)構(gòu)或人為因素造成的障礙等原因，蒸汽不能到達(dá)預(yù)定的殺菌位置或該位置的冷空氣不容易排出的位置。因此，不能滿足完全滅菌的要求。防止發(fā)酵罐死角：加強(qiáng)清潔，定期清除污垢。在發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)和制造過程中，在一些死角處專門設(shè)計(jì)了一條小直徑的蒸汽管道到達(dá)這里進(jìn)行特殊的滅菌處理。b .防止因管道安裝或配置不當(dāng)造成的“死角”:應(yīng)使用單獨(dú)的排氣管、排水管和污水管。法蘭的加工、焊接和安裝應(yīng)符合消毒要求。墊圈的內(nèi)徑應(yīng)與法蘭的內(nèi)徑相匹配。安裝時(shí)，應(yīng)與中心對齊，

10、連接法蘭應(yīng)盡可能減少。(3)空氣傳播細(xì)菌預(yù)防措施：1 .正確選擇抽氣端口，高空抽氣或安裝預(yù)粗過濾器。b、根據(jù)氣候條件，設(shè)計(jì)合理的空氣預(yù)處理工藝，盡可能降低過濾后空氣的含油量和濕度。設(shè)計(jì)并安裝合理的空氣過濾器，防止其失效，選擇滅菌效率高的過濾介質(zhì)。(4)培養(yǎng)基未完全滅菌。1、原材料屬性的影響當(dāng)加熱過快或混合不均勻時(shí)，固體含量高的原料容易結(jié)塊，塊狀物中的細(xì)菌不易清除。預(yù)防：最好在固體罐中滅菌，加熱前攪拌混合均勻，并加入一定量的淀粉酶進(jìn)行液化。如果有大顆粒，可以在滅菌前通過篩分除去。2.消毒過程中的溫度和壓力不正確。由于操作不合理，罐內(nèi)的冷空氣沒有完全排除，導(dǎo)致壓力表上出現(xiàn)“假壓力”，蒸汽壓力不足，

11、無法達(dá)到要求的溫度。預(yù)防：當(dāng)固體罐的滅菌溫度升高時(shí)，打開液面以下的所有進(jìn)氣閥、液面以上的排氣閥、相關(guān)連接管的側(cè)閥、壓力表的連接管側(cè)閥等。以允許蒸汽通過，從而完全消毒。3.當(dāng)在消毒過程中產(chǎn)生大量泡沫時(shí)，泡沫會(huì)上升到頂部甚至溢出，并且各種細(xì)菌很容易隱藏在泡沫中。預(yù)防：加入少量消泡劑。4.油脂、糖和一定濃度的蛋白質(zhì)等培養(yǎng)基成分增加了微生物的耐熱性。高濃度的有機(jī)物會(huì)在細(xì)胞周圍形成一層薄膜，從而影響熱傳遞。預(yù)防：滅菌溫度應(yīng)更高。5.培養(yǎng)基的酸堿度越低，微生物的耐熱性越差。預(yù)防：當(dāng)ph值在6.0到8.0之間時(shí)，滅菌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。6.培養(yǎng)基的物理狀態(tài)固體培養(yǎng)基的傳熱系數(shù)比液體小得多，并且沒有對流。預(yù)防：固

12、體培養(yǎng)基殺菌時(shí)間長。7.培養(yǎng)基中微生物的數(shù)量當(dāng)天然培養(yǎng)基含有大量微生物時(shí)，滅菌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。含芽孢桿菌較多的培養(yǎng)基應(yīng)適當(dāng)加熱和延長。(5)防止操作不當(dāng)：必須嚴(yán)格規(guī)范操作，防止操作不當(dāng)造成污染。過濾滅菌法原理：細(xì)菌不能通過濾膜滅菌?；饻缇ㄔ恚河没鹧嬷苯託缥⑸?。為什么在生產(chǎn)中使用高溫短時(shí)殺菌k=A E(E/RT)E E F3 cf6 lang 1024 span F3 cf6 lang 1024/span 由于滅菌過程中殺滅微生物的活化能E大于破壞培養(yǎng)基成分的活化能E，微生物比死亡率常數(shù)的增加倍數(shù)大于培養(yǎng)基成分隨著溫度的增加而破壞和分解速率常數(shù)的增加倍數(shù)。也就是說，當(dāng)滅菌溫度升高時(shí)，微生

13、物的死亡率大于培養(yǎng)基成分的破壞率。根據(jù)這一理論，介質(zhì)滅菌一般選用高溫快速滅菌。換句話說，為了達(dá)到同樣的滅菌效果，提高滅菌溫度可以明顯縮短滅菌時(shí)間，減少培養(yǎng)基因長時(shí)間加熱造成的損傷。21、對數(shù)剩余法溫殺菌dN/dt=- k Nn:菌體(細(xì)胞)數(shù)量T:滅菌時(shí)間(分鐘)k:反應(yīng)速率常數(shù)(min-1)DN/dt:細(xì)菌熱死亡率(月/分)22.種子培養(yǎng)：是指將凍干管和砂管中休眠的工業(yè)菌株接種到試管斜面上進(jìn)行活化，然后在搖瓶和種子罐中進(jìn)行分步擴(kuò)大培養(yǎng)，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純菌株的過程。這種純文化被稱為種子。種子時(shí)代：種子時(shí)代是指種子的培養(yǎng)時(shí)間。接種年齡是指在種子罐中培養(yǎng)的菌絲體轉(zhuǎn)移到下一個(gè)種子罐或發(fā)酵罐的培

14、養(yǎng)時(shí)間。23.分批發(fā)酵：這是準(zhǔn)封閉培養(yǎng)的一個(gè)例子。指一次性投料、接種和發(fā)酵。在此過程中，發(fā)酵液始終保存在發(fā)酵罐中。因此，分批發(fā)酵是一個(gè)典型的非穩(wěn)態(tài)過程。連續(xù)發(fā)酵：在分批發(fā)酵過程中，通過添加新鮮培養(yǎng)基并以適當(dāng)?shù)乃俾氏虬l(fā)酵罐中排放相同量的發(fā)酵液，可以獲得相對穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)，即在發(fā)酵罐中形成的新細(xì)胞的數(shù)量等于從發(fā)酵罐中流出的細(xì)胞的數(shù)量。24、影響微生物耗氧量的因素1、微生物遺傳特性的影響2.培養(yǎng)基的組成和濃度3.細(xì)菌時(shí)代4.發(fā)酵條件5、代謝類型25、泡沫危害：主要表現(xiàn)在：1降低發(fā)酵罐負(fù)荷系數(shù)。發(fā)酵罐的裝料系數(shù)一般為0.7，通常填充剩余空間的泡沫約占所需培養(yǎng)基的10%，剩余組分與目標(biāo)培養(yǎng)基不完全相

15、同。2增加了菌群的異質(zhì)性。由于泡沫高度的變化以及不同生長期的微生物隨泡沫漂浮或附著在罐壁上，這部分細(xì)菌有時(shí)在氣相環(huán)境中生長，導(dǎo)致細(xì)菌分化甚至自溶，從而影響細(xì)菌的均勻性。3增加了污染雜菌的機(jī)會(huì)。發(fā)酵液濺在軸封等處，容易污染細(xì)菌。4.大量的泡沫和不及時(shí)的控制導(dǎo)致“液體逸出”和產(chǎn)品損失。消泡劑的加入有時(shí)會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)量或給下游的分離、純化和精制過程帶來麻煩。26、排空水箱的時(shí)間對下游的影響如果鍋放得太早，過多的營養(yǎng)物質(zhì)如糖、脂肪和可溶性蛋白質(zhì)會(huì)殘留，增加提取過程的負(fù)擔(dān)。如果放置時(shí)間過晚，菌絲自溶，不僅會(huì)延長過濾時(shí)間，還會(huì)降低一些不穩(wěn)定產(chǎn)物的濃度，擾亂萃取過程階段的工作計(jì)劃。27.發(fā)酵罐類型：普通發(fā)酵罐、氣舉發(fā)酵罐、管道發(fā)酵罐、固定化發(fā)酵罐、自吸發(fā)酵罐和五型發(fā)酵罐。28.攪拌器類型：平葉片型、彎曲葉片型和箭頭葉片型。29.全擋板條件：指在軸功率不變的情況下，以一定的轉(zhuǎn)速向罐內(nèi)添加附件。30.機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本條件1.發(fā)酵罐應(yīng)該有合適的長寬比。罐體越高，氧氣利用率越高。2.發(fā)酵