内容发布更新时间 : 2024/11/14 16:33:23星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

发酵工程原理与技术应用

第一章 绪论

1. 什么是发酵工程？

发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。

利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术来生产有用物质或将微生物直接用于工业化体系的一门技术，是建立在微生物发酵工业基础上，与化学工程相结合而发展起来的。

2. 发酵工业的特点

① 一步生产 ② 反应条件温和 ③ 原料纯度要求低 ④ 设备的通用性高 ⑤ 对环境的污染相对较小 ⑥ 生产受自然条件限制小

3.发酵工程的类型：1.根据对通气的需求不同可以分为好氧发酵和厌氧发酵。 2.根据培养基介质的性状不同可分为固态发酵和液态发酵。

3.根据发酵菌种的不同可分为纯菌发酵和混菌发酵。

4.根据发酵规模的不同可以分为研究规模发酵、中试规模发酵以及生产规模发酵。

4.发酵工业现状：我国位居世界第一的发酵产品有：酱油、啤酒、食用菌、味精、抗生素、柠檬酸、维生素C等。我国已经是发酵工业大国，但不是强国。与发达国家相比，我国的发酵产业技术水平仍存在一点差距，具体表现为：1工业生产菌种的技术水平仍然较差。2发酵工艺相对落后。3.产品科技含量低。4.装备水平落后。 5.发酵工业生产流程：

1）原料预处理2）培养基的配置3）发酵设备和培养基灭菌4）无菌空气的制备5）菌种的制备和扩大培养6）发酵7） 产品及分离提纯工艺

3、发酵工业发展的历史进程、重要历史阶段和典型技术 1）天然发酵阶段，从史前到19世纪 酿酒技术

2）纯培养技术的建立，主要为19世纪末到20世纪30年代，德国利斯特?科赫完成细菌纯培养技术

3）通气搅拌发酵技术建立，1929年开始到1942年青霉素发酵生产成功

4）代谢控制发酵和现代发酵技术的发展，木下祝郎发明代谢控制发酵技术，使谷氨酸发酵生产实现产业化

第二章 发酵工业菌种

1. 发酵工业菌种的常用类型。

① 细菌 ② 放线菌③ 酵母菌④ 霉菌 ⑤ 未培养微生物： 2. 发酵工业对菌种的要求。

① 能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成的目的产物产量高、易于回收。 ② 生长较快，发酵周期短。 ③ 培养条件易于控制。 ④ 抗噬菌体及杂菌污染的能力强。 ⑤ 菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定。 ⑥ 对放大设备的适应性强。 ⑦ 菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。 3. 菌种的制备原理和方法

① 含微生物样品的采集：有针对性地采集样品。 ② 样品预处理：可提高菌种分离效率。

③ 含微生物样品的富集培养：人为地通过控制养分或培条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势，使筛选变得可能。

富集培养方式：1.分批培养 2.连续培养 3.半连续培养 ④ 微生物的分离：利用分离技术得到纯种。

微生物常用的分离方法：1.平板划线分离 2.稀释分离 3.涂布分离 4.毛细管分离 5.小滴分离⑤ 初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的菌株筛选出来的过程。 ⑥ 菌种复筛。

⑦ 菌种发酵性能鉴定。【鉴定技术四个水平：细胞的形态和习性水平 细胞组分水平 蛋白质水平 基因或核酸水平】 ⑧ 菌种保藏。1斜面保藏法2.液体石蜡油保藏法3.冷冻干燥保藏法4.真空干燥法5.液态超低温保藏法6.工程菌的保藏 目的：① 存活，不丢失，不污染② 防止优良性状丢失③ 随时为生产、科研提供优良菌种 原理：根据菌种的生理生化特点，人工地创造条件，使菌种的代谢活动处于不活泼状态、生长繁殖受抑制的休眠状态。 4. 代谢调控机制—阻遏

阻遏的类型主要有：末端代谢产物阻遏 和 分解代谢产物阻遏。

末端产物阻遏： 是指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。

分解代谢物阻遏：是指有两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种 分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶的合成和积累。 5. 发酵工业菌种改良的目的。

防止菌种退化，改良菌种性状，改善发酵过程，提高生产能力 ，提高产品质量 开发新产品 6. 诱变育种的基本步骤。

① 菌出发菌株的选择② 悬液的制备。 ③ 诱变处理 ④ 中间培养⑤ 分离和筛选 7. 菌种变异及退化机理及防止措施。

① 菌种变异及退化机理： 菌种退化主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。 【主要原因：基因突变 ，连续传代】 ② 预防措施：减少传代 、 经常纯化 、 创造良好的培养条件、 用单细胞移植传代 、科学保藏。 第三章 发酵工业培养基设计

1. 工业大规模发酵的培养基应遵循的原则。

① 必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。 ② 有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率。 ③ 有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。 ④ 有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。 ⑤ 尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质。 ⑥ 原料价格低廉，质量稳定，取材容易。 ⑦ 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，能耗。

2. 发酵工业原料的种类及其组成：原料可以分为 水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等五大类。

几大营养成分的功能作用：

碳源：碳源是组成培养基的主要成分之一，其主要功能有两个：一是提供微生物菌体 生长繁殖所需的能源以及合成菌体所需的碳骨架；二是提供菌体合成目的产物的原料。 氮源：主要用于构成菌体细胞物质和合成含氮代谢物。

无机盐及微量元素：作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。 水：水是所有培养基的主要组成成分，也是微生物机体的重要组成成分。 生长调节物质：发酵培养基中某些成分的加入有助于调节产物的形成。

常用的营养成分： 常用碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等， 常用氮源有有机氮源和无机氮源。 无机盐类主要为：磷、镁、硫、钾、钠、铁、氯、锰、锌、钴等。常用的生长调节物质有生长因子、前体、产物合成促进剂。

3.原料预处理的目的和方法

目的：1.淀粉质原料预处理的目的：保证生产的正常进行和提高生产效益。分为原料除杂和原料粉碎；方法：○1除杂法：筛选、风选、磁力除杂○2粉碎方法：干法粉碎、湿法粉碎

2.糖蜜原料预处理的目的：由于糖蜜干物质的浓度很大，糖分很高，胶体物质与灰分多，产酸细菌多，不但影响菌体生长发酵，特别是胶体的存在，致使发酵中出三大量泡沫，影响产品的提炼及产品的纯度。方法：○1糖蜜的澄清处理○2糖蜜的脱钙处理○3糖蜜的除生物素处理

3.纤维素原料预处理的目的：改变原料的物理化学结构，如降低结晶度，减小聚合度 ，增加孔隙度和表面积度等，以促进酶与底物相互接触并反应，提高酶解速度和得糖率，降低成本。方法：物理法：机械粉碎、液态热水法、微波处理法、高能辐射；物理化学法；化学法：酸、碱、有机溶剂等；生物法。

第四章 发酵工业的无菌技术 1. 无菌空气制备的概述

无菌空气的制备包括：除菌、除尘、除油水

无菌空气并不是绝对无菌，而是使除菌后的空气微生物含量达到一个很低的水平

空气除菌的方法：一类是利用加热或辐射等方法，使微生物细胞的蛋白质变性，使其失活。另一类是采用静电吸附或介质过滤直接去除微生物。 2.介质过滤制备无菌空气的工艺流程

采风—预过滤—空压机压缩（排污）—冷却—油水分离（排污）—除雾（排污)—加热—总过滤—罐前除雾（排污）—罐前过滤—除菌过滤（蒸汽灭菌）—无菌空气进罐 第五章

1. 培养条件对发酵过程的影响

培养基的成分和种类对发酵过程的影响；碳源种类和浓度，氮源种类和浓度，磷酸盐浓度等对发酵的影响；温度；PH；供氧；代谢物

发酵过程工艺参数控制（如温度、PH值、溶解氧及旗袍等）对发酵的影响及控制策略？ （1）温度对发酵的影响及其控制

①对发酵的影响。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，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特征和产物的生物合成。②如何控制。工业生产上所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热。 （2）PH对发酵的影响及其控制：

①影响：1、PH对微生物的生长繁殖和发酵产物合成的影响：a.影响酶的活性；b.影响微生物细胞膜所带的电荷状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；c.影响培养基中某些组分的解离，进而影响微生物对这些组分的吸收d.PH不同往往引起菌体代谢工程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变，影响产物的稳定性。 2、PH影响菌体对基质的利用速度和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。 3、影响产物的稳定性

②如何控制：控制PH在合适的范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱或中间补料来控制。通常有一下几种方法：a)配置合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围并使其有很好的缓冲能力。b)培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如碳酸钙等来防止PH过度下降c)将PH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制PH。

（3）溶解氧对发酵的影响及其控制：影响因素及控制方法：发酵液中溶氧值的任何变化都是氧的供需不平衡的结果，故控制溶氧水平可从氧的供需着手。其中，a)供氧方面OTR=KLa（C*—CL），具体方法：在通入空气中掺入纯氧，使氧分压增高，提高罐压，改变通气速率；