原料的定义:
?从工艺角度来看,凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料,都可作为发酵工业生产的原料
?具体:一般是含有可发酵性糖或可转化为可发酵性糖的物料,还包括前体物质等等
原料选择的原则
1满足生产工艺要求:
适合微生物需要、吸收利用、代谢产物生产对生产中除发酵以外的其他方面,如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少2满足管理和经济要求:
原料价格低廉(占成本的比例
?原料资源要丰富,容易收集(60-70‘s,石油烷烃生产谷氨酸
?因地制宜,就地取材
?原料要容易贮藏
3满足环保的要求
资源化减少污染
常用原料种类
?薯类:甘薯、马铃薯、木薯、山药等
?粮谷类:高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等(酒用原料
?野生植物:橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等
?农产品加工副产物:米糠(饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等
?糖蜜
?非粮食生物质原料:纤维素、木质素、半纤维素等
?水果类原料:葡萄、苹果、山楂等
常用原料的化学组成
?碳水化学物:主要是单糖和双糖,发酵微生物的碳源和能源。一些多糖则需转化为单糖或双糖后才被利用
?蛋白质:蛋白质经蛋白酶分解后产生的多肽或氨基酸,是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮源?脂肪:针对不同的发酵产品其作用有较大差别?灰分:主要是P、Mg、K、S、Ca等元素,是微生物生长和代谢所必需
糖蜜:英文名称:molasses
定义:工业制糖过程中,蔗糖结晶后,剩余的不能结晶,但仍含有较多糖的液体残留物。玉米浆:外文名corn steep liquor,是制玉米淀粉的副产物,原料为玉米糁、水、玉米汁。制造玉米淀粉须将玉米粒先用亚硫酸浸泡,浸泡液浓缩即制成黄褐色的液体,叫玉米浆,含有丰富的可溶性蛋白、生长素和一些前体物质,含大约40%~50%固体物质。味道微咸,是微生物生长很普遍应用的有机氮源,它还能促进
青霉素等抗生素的生物合成。
培养基设计的基本原则
1培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产
物所需的元素,并能提供生物合成和细胞维持
活力所需要的能量
2营养成分恰当的配比
3渗透压(吸收、传质
4pH值
5氧化还原电位(如:专性厌氧菌
如何进行培养基的设计
(1理论计算法
碳源和能源+氮源+其他需要→细胞+产物
+CO2+H2O+热量
通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需的营养物的最低数量。
(2组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K(见下表,这些元素都要在方程式
中予以平衡
(3有些微生物无力的合成特定营养物,如氨
基酸、维生素或核苷酸。一旦测出其中一种是生长因子,就要在培养基中加入适量的纯净的化合物或含有该物质的混合物。
(4碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用,在需氧条件下,对碳源的需要量可以从菌
体对底物的产率系数(Yx/s推算而得。
发酵培养基的组成成分
水碳源氮源无机盐维生素缓冲剂
前体和代谢调节剂消沫剂
促进剂:不促进微生物的生长、只是有助于调节产物的形成
抑制剂:加入后会抑制某些代谢途径,使另一
途径活跃,从而获得人们需要的代谢产物
预处理的必要性
1,发酵工厂在进行生产前,必须先将原料中混杂的杂质除去,保证后续工序生产的正常和顺利进行
2,为保证后续工序生产的正常和顺利进行,还需对原料进行适当加工
3,为保证生产环境的清洁,必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。预处理的方法(方式
1,原料除杂
?筛选?风选?磁力除铁
2,原料的粉碎
(1粉碎的目的:
?增加原料受热面积
?粉末状原料加水混合后容易流动输送
?对于一些带壳的原料,如高粱、大麦,在粉碎前,则要求先把皮壳破碎
(3粉碎方法
?干粉碎
粗砰常用的设备是轴向滚筒式粗碎机,也有用锤式粉碎机进行粗碎的例子,常用的细碎设备是锤式粉碎机
?湿粉碎
湿法粉碎工艺的优点
?彻底消除了粉尘的危害,改善了劳动条件,降低了原料的损耗
?提高了原料的粉碎细度
?节省了蒸煮时所消耗的蒸气
?粉碎机部件(特别是刀片的磨损减少
?设备简单,对厂房要求不高
(1机械的输送
(2气流输送
优点?设备简单?占地面积小?费用少
?连续化自动化改善了劳动条件
?输送能力和距离有较大的变动范围
?在气流输送的同时,还可对物料进行加热、冷却、干燥等操作
原理:
?气流输送方法,是借助气流的动能,使管道中的物料被悬浮输送。
气流输送的流程
?吸引式流程(真空输送
?压送式流程(压力输送
流程的比较
?吸引式流程,不需加料器,但要有封闭较好的排料器;
?压送式流程,不需排料器,但要有封闭较好的加料器;
?对相同输送量,压送式流程较吸引式流程采用较细的管道;
?从几个不同的地方,向一个卸料点时,吸引式
流程较适合;从一个加料点向几个不同地方送
料时,压送式流程较适合
淀粉在水-热处理过程的中变化
(1水-热处理的概念?将淀粉质原料与水一起,
在高温高压或低温低压的条件下进行处理的过
程。
(2水-热处理的目的?淀粉原料经过水热处理,
使淀粉从细胞中游离出来,并转化为溶解状态,
以便淀粉酶系统进行糖化作用,这就是原料水-
热处理的主要目的。
淀粉的膨胀和溶解
?膨胀:淀粉是一种亲水胶体,遇水加热后,水
分子渗入淀粉颗粒的内部,使淀粉分子的体积
和重量增加,这种现象称为膨胀。
?糊化:在温水中,当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象,称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。
溶解或液化:淀粉糊化后,如果提高温度至130℃,由于支链淀粉的全部(几乎溶解,网状结构彻底破坏,淀粉溶液的粘度迅速下降,变为流动性较好的醪液,这种现象称为淀粉的溶解或液化。
淀粉的老化
液化后的淀粉醪液在温度降低时,黏度逐步增加,重到重新发生结晶的现象,称为老化
焦糖化:当温度达到糖的熔点时(185℃,糖分脱水形成黑色无定形物,统称焦糖
氨基糖反应:还原糖与氨基酸之间产生的呈色反应称为氨基糖反应。
酶解法液化、糖化淀粉常用的酶
?α-淀粉酶:其作用是将淀粉迅速水解为糊精及少量麦芽糖,对淀粉的作用,可将长链从内部分裂成若干短链的糊精,所以也称内切淀粉酶。淀粉受到α-淀粉酶的作用后,遇碘呈色很快反应,如下表现:蓝→紫→红→浅红→不显色(即碘原色
?糖化酶:作用于淀粉的l,4键结合,能从葡萄糖键的非还原性末端起将葡萄糖单位一个一个的切断,因为是从链的一端逐渐地一个个地切断为葡萄糖,所以称为外切淀粉酶。
?β-淀粉酶:β-淀粉酶能水解α-1,4糖苷键,不能水解α- 1,6糖苷键,遇此键水解停止,也不能越过继续水解。β-淀粉酶届于外切酶,水解产物只有麦芽糖。
?异淀粉酶:异淀粉酶能水解支链淀粉和糖原分子中支叉地位的α- 1,6糖苷键,使支叉结构断裂。但对于直链结构中的α- 1,6糖苷键却不能水解。
?普鲁蓝酶能水解支叉结构和直链结构的α- 1, 6糖苷键、支链淀粉、糖原和其β-极限糊精及普鲁蓝分子中的β- 1,6键。
脱支酶——普鲁兰酶vs异淀粉酶
?普鲁兰酶类型的淀粉脱支酶和异淀粉酶类型的淀粉脱支酶都能够专一地切开支链淀粉分支点中的α-1,6糖苷键,将小单位的支链分解,从而切下整个侧枝,最大限度地利用淀粉原料。?其不同在于:普鲁兰酶作用底物的最小单位是
2个麦芽糖基含1个α-1,6-糖苷键
?异淀粉酶作用底物的最小单位是麦芽三糖基或麦芽四糖基含1个α-1,6-糖苷键,不能水解只有2个葡萄糖基的α-1,6-糖苷键。表现为前者以普鲁兰和支链淀粉为底物,不能作用于植物和动物糖原;后者能够去除支链淀粉和植物、动物糖原中的分支链,却不能作用于普鲁兰。
?异淀粉酶类型的淀粉脱枝酶相较普鲁兰类型
的淀粉脱枝酶具有诸多优点,首先它能同时从
内部和外部水解支链淀粉的分支点;其次它的
催化反应具有不可逆性;再者,异淀粉酶的催
化活性不会被麦芽糖所抑制
DE值:糖化液中还原糖含量(以葡萄糖计占
干物质的百分率,用以表示淀粉糖的糖组成。
还原糖用斐林法或碘量法测定,干物质用阿贝
折光仪测定。
酶法液化方法
?升温液化法-间歇式
工艺:将浓度30~40%淀粉乳调整pH到6.5,
加入CaCl2(0.01mol/L和一定量淀粉酶(5~8u/克
淀粉,剧烈搅拌,加热到85~90℃,保持30~60
分钟,达到液化程度( DE 15~18 ,升温到100℃,
灭酶10 分钟。
此方法简便,但效果较差,能耗大,原料利用
率低,过滤性能差。
?高温液化法(喷淋连续进出料液化法-半连
续式
工艺:将淀粉乳调整到适当pH和Ca2+浓度, 加入一定量的液化酶,用泵打给喷淋头引入液化罐中(其中已有90℃热水,淀粉糊化后,
立即液化,至保温罐90℃保温40分钟,达到液化的程度。
优点:设备和操作简单,效果比间歇液化好。缺点:不安全,蒸汽耗量大,温度无法达到最
佳温度,液化效果差,糖液过滤性能也差
?喷射液化法-连续式
利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层,以在短时间内达到要求的温度,完成糊化和液化。喷射后,进入保温罐,85~90℃保温45分钟。优点:设备小,便于连续操作,原料利用率高, 转化率高,蛋白质凝聚好。但要求一定压力的
蒸汽,进出料的速度要稳定。
液化程度的控制
?淀粉液化的目的:为糖化酶作用创造条件;合适的分子大小适合糖化酶作用
?碘试/测定DE值(Dextrose Equivalent
?正常DE值10~20(糊精、低聚糖、单糖
–DE值高,糊精太小,不利于糖化酶作用,
影响催化效率,终点DE值低。
–DE值低,液化不彻底,糖化速度慢,酶用
量大,时间长,过滤性能差。
?透光率和澄清度
液化效果的标准
?液化要均匀
? 蛋白絮凝效果好(灭酶,100℃/10min
? 液化彻底(60?C时液化液要稳定,不出现老化现象,不含不溶性淀粉颗粒,液化液透明、清亮
糖化理论
?糖化:以无机酸或酶为催化剂,在一定温度下
使淀粉水解,将淀粉全部或部分转化为葡萄糖等可发酵性糖的过程。
?糖化剂:糖化过程中所用的催化剂。包括无机酸和酶。
?糖化的目的:将淀粉转化为可发酵性糖。?理论收率(111.11%
?实际收率(105%~108%
?淀粉转化率
淀粉水解过程的反应
?主反应:糖化(水解作用
?副反应:
–复合反应(在酸和热作用下,部分葡萄糖经1, 6键结合成龙胆二糖,异麦芽糖和其他低聚糖。–分解反应(葡萄糖分解为羟甲基糠醛,有机
酸和有色物质等非糖产物
糖化的过程检测
?检验液化:
是否有淀粉,用碘液,是否呈兰色;
?检验糖化:
是否水解完全
–测定还原糖;
–用无水酒精。
(1酸解法(酸糖化法
?定义:以酸(无机酸或有机酸为催化剂,在
高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。
?优点:
–工艺简单,设备较单一
–水解时间短,设备周转快
?缺点:
–需耐高温、高压和耐腐蚀的设备
–副产物多,淀粉的转化率低–对原料要求高
–废水难处理
(2酶解法
?定义:以酶为催化剂,在常温常压下将淀粉水
解为葡萄糖的方法。包括液化和糖化两个过程, 故又称双酶水解法。
?优点:
–反应条件温和
–副反应少,淀粉质量高
–可在较高淀粉浓度下水解,对预料要求不高
–糖液的质量高、营养物质较丰富
?缺点:
–水解时间长,夏天糖液容易变质
–设备较多
糖化方法的比较
?水解时间:酸法短,酶法长
?水解程度:酶法高
?糖液杂质:酶法低,酸法高
酶法糖化的工艺流程
液化→糖化→灭酶→过滤→贮糖计量→发酵?工艺要点:
–糖化pH4.2-4.5
–温度60℃左右
–糖化酶用量150U/g淀粉
–糖化时间32小时,用无水酒精检验无糊精存在时,糖化结束,然后将pH调整至4.8-5.0,维持20分钟灭酶
水解糖液的质量要求和控制要点
(1水解糖液的质量要求
?色泽:呈强黄色透明液
?糊精反应:无
?还原糖含量,18%左右
?DE值:90%以上
?透光率:60~80%左右(650纳米
?pH值:4.6~4.8
?淀粉转化率:92%以上(实际产量/理论产量 (2水解糖液的控制要点
?合理控制淀粉乳浓度
?糖液要清
?溶液中不含糊精
?糖液要新鲜
?糖液贮存容器一定要保持清洁,定期清理和清洗,防止酵母菌等浸入
纤维质原料的预处理
?物理方法有:–剪切和研磨–高温液态法–高温分解–微波处理–蒸汽爆破–高能辐射?常用的化学法有:–臭氧法–酸水解法–碱法–氧化脱木素法–有机溶剂法
?常用的物理化学法有:–蒸汽爆裂法–氨纤维爆裂–CO2爆破法–蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法–氨冷冻爆破法
生物合成的前体物质指某些化合物加入到发酵培养基中,能被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去,其自身结构并无多大变化,但产量却因前体的加入有较大提高。
?灭菌:用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物,包括营养细胞、细菌芽孢和孢子?消毒:用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。
工业上具体措施包括:
1使用的培养基和设备须经灭菌;
2好氧培养中使用的空气应经除菌处理;
3设备应严密,发酵罐维持正压环境;4培养过程中加入的物料应经过灭菌;
5使用无污染的纯粹种子。
培养基灭菌的目的?杀灭培养基中的微生物,为
后续发酵过程创造无菌的条件。
培养基灭菌的要求
?达到要求的无菌程度(10-3
?尽量减少营养成分的破坏,在灭菌过程中,培
养基组分的破坏,是由两个基本类型的反应引
起的:
–培养基中不同营养成分间的相互作用;
–对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分
解。
湿热灭菌的原理
每一种微生物都有一定的最适生长温度范围。
当微生物处于最低温度以下时,代谢作用几乎
停止而处于休眠状态。当温度超过最高限度时, 微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性,使微生物在很短时间内死亡,加热
灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。
湿热灭菌中的相关定义
?杀死微生物的极限温度称为致死温度。在致死温度下,杀死全部微生物所需的时间称为致死
时间;在致死温度以上,温度愈高,致死时间
愈短。
?微生物的热阻:是指微生物在某一特定条件
(主要是温度和加热方式下的致死时间。相
对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。湿热灭菌的优点
?蒸汽来源容易,操作费用低,本身无毒;
?蒸汽有强的穿透力,灭菌易于彻底;
?蒸汽有很大的潜热;
?操作方便,易管理。
保证间歇灭菌成功的要素
?内部结构合理(主要是无死角,焊缝及轴封装置可靠,蛇管无穿孔现象
?压力稳定的蒸汽
?合理的操作方法
连续灭菌的流程
喷射加热-真空冷却流程
板式换热器灭菌流程
连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程
维持罐
灭菌系统中的维持设备,主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间,以达到灭菌的目的,也称保温设备
喷射加热器
可使料液和蒸汽迅速接触,充分混合,加热是在瞬时内完成的。
连续灭菌的优缺点
?优点
–保留较多的营养质量
–容易放大
–较易自动控制;
–糖受蒸汽的影响较少;
–缩短灭菌周期;
–在某些情况下,可使发酵罐的腐蚀减少;
–发酵罐利用率高;
–蒸汽负荷均匀。
?缺点
–设备比较复杂,投资较大。
分批灭菌的优缺点
?优点
–设备投资较少
–染菌的危险性较小
–人工操作较方便
–对培养基中固体物质含量较多时更为适宜?缺点
–灭菌过程中蒸汽用量变化大,造成锅炉负荷波动大,一般只限于中小型发酵装置。
发酵罐的灭菌
培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法。则发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。在保温结束后,关键是随即通入无菌空气,使容
器保持正压,防止形成真空而吸入带菌的空气。不同种类的杂菌对发酵的影响
?青霉素发酵:污染细短产气杆菌比粗大杆菌的危害大
?链霉素发酵:污染细短杆菌、假单孢杆菌和产气杆菌比粗大杆菌的危害大
?四环素发酵:污染双球菌、芽孢杆菌和夹膜杆菌的危害较大
?柠檬酸发酵:最怕污染青霉菌
?肌苷、肌苷酸发酵:污染芽孢杆菌的危害最大?谷氨酸发酵:最怕污染噬菌体
?高温淀粉酶发酵:污染芽孢杆菌和噬菌体的危害较大
不同染菌时间对发酵的影响
?种子培养期染菌:菌体浓度低、培养基营养丰富
微生物生物技术重点 第一章 1 发酵的概念 传统概念：指酵母作用于果汁或发芽谷物，进行酒精发酵时产生CO2的现象。 生物学概念：发酵是指微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程。（生化）工业生物学家概念：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程 现代概念：培养生物细胞（含动植物和微生物）来制取产物的所有过程 2 生物工程（Microbial engineering ）是利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系；是将传统发酵与现代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。 发酵工程的发展简史 1、传统的发酵时期——天然发几千年 酒（古埃及龙山文化）啤酒、黄酒、酱油、泡菜等 特点 多数产品为嫌气性发酵 非纯种培养 单凭经验传授技术，使产品质量不稳定 （不了解微生物与发酵的关系） 2、近代发酵工程时期——纯培养技术 1665 英国物理学家Robert Hooke（罗伯特·胡克）细胞壁 1680 荷兰列文·虎克(Antonie vanLeeuwenhoek) 活细胞人类认识到微生物的存在 特点 多数产品为嫌气性发酵 非纯种培养 单凭经验传授技术，使产品质量不稳定 （不了解微生物与发酵的关系） 由天然发酵阶段转向纯培养发酵（第一次转折 过程特点 产品的生产过程较为简单，对生产要求不高，规模不大 3、近代发酵工程时期——深层培养技术 出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志青霉素的发现与大量需求 表面培养法(surface culture) 效价40U/mL，纯度20%，收率30% 二战期间，青霉素发酵生产成功 青霉素发酵生产的成功，给发酵工业带来两大功绩： 开拓了以青霉素为先锋的庞大抗生素发酵工业 建立深层培养法（submerged fermentation），把通气搅拌技术引入发酵工业。它使得需氧菌的发酵生产从此走上了大规模工业化生产途径。通气搅拌液体深层发酵技术是现代发酵工业最主要的生产方式 机械搅拌通气发酵技术的建立是第二次转折 4、近代发酵工程时期——代谢控制发酵技术 定义：以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，即能选择性地大量生产人们所需要的物
一、名词解释 1传统发酵工程：通过微生物生长的繁殖和代谢活动，产 的生物反应过程。 将DNA重组细胞融合技术、酶工程技 综合对 发酵过程控制、优化及放大 指迄今所采用的微生物培养分离及培养 微生物。（特别是极端微生物） 4富集培养主要方法：是利用不同种类的微生物其生长繁 求不同，如温度、PH、培养基C/N 等，是目的微生物在最适条件下迅速生长繁殖，数量增加， 成为人工环境下 的优势种。方法：⑴控制培养基的营养成 消毒仅仅是杀死生物体或非生物体表 死营养细胞，而不能杀死细菌芽孢和 真菌孢子等，特别适合与发酵车间的环境和发酵设备、器 具的灭菌处理。灭菌杀灭所 有的生命体，因此灭菌特别适 的灭菌处理。 法及其区别：湿热灭菌法：指将物品置 高压饱和蒸汽、过热水喷淋等手段使微生 物菌体中的蛋白质、核酸发生变性而杀灭微生物的方法。 该法灭菌能力强，为热力灭菌中最有效、应用最广泛的灭 菌方法。药品、容器、培养基、无菌衣、胶塞以及其他遇 高温和潮湿不发生变化或损坏的物品，均可采用本法灭 菌。干热灭菌法：指将物品置于干热灭菌柜、隧道灭菌器 等设备中，利用干热空气达到杀灭微生物或消除热原物质 的方法。适用于耐高温但不宜用湿热灭菌法灭菌的物品灭 菌，如玻璃器具、金 属制容器、纤维制品、固体试药、液 用本法灭菌。 即在规定温度下杀死一定比例的微生物所用 8致死温度：杀死微生物的极限温 在致死 微生物所需要对 的致死时间。 制好的培养基放入发酵罐或其他装置中， 基和所用设备一起（实罐灭菌）进 行灭菌 10连续灭菌：将配制好的培养基向发酵罐等培养装置输 热、保温盒冷却等灭菌操作过程。 是指将 冷冻干燥管，沙土管中处于休眠 状 入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐 逐级扩大培养而和质量的纯种的过程 纯培养物称为种是指种子的 龄：是指种子始移入下一级 的培养是指移入的种子液体积和 影响呼吸所能允许的最低溶氧浓 13稀释度D：单位时间内连续连续流入发酵罐中的新鲜 的培养总体积的比值。 把导致菌体开始从系统中洗出时的稀 发酵过程中，引起温度变化的原因是由 于 生的净物在生长 繁殖过程中，本身产生的耗氧培养 的 发酵罐都有一定功率的做机械 运动，造成液体之间、液体与设备之间的摩擦，由此产生 。 依靠无菌压缩空气作为液体的提升力， 翻动实现混合和传质传热过程。其 特点是结构简单，无轴封，不易污染，氧传质效率高，能 耗低，安装维修方便。缺点：不适合高粘度或含大量固体 感菌体的生产。 培养基中某些成分的加入有助于 生长因子、前体。产物抑制和促进剂。 微生物生长不可缺少的微量的有机物质，不是 必需。 18前体：指加入到发酵培养基中能直接被微生物在生 物 到产物分子中去，其自身的结构并没有多 大变化，但是产物的产量却因其加入而有较大提高的一类 那些细胞生长非必需的，但加入 量的一些物质，常以添加剂的形式 20 分批发酵（序批式发酵）：指一次性投料、接种直到发 留在发酵罐内。 在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基， 培养液。 搅拌器输入搅拌液体的功率，具 用以客服介质阻力所需用的功 率。 23供氧：指空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液 界 液体主指氧气从液体主流通 内。 生产菌种或选育过程中筛选出来的优良 传代和保藏之后，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。 25氨基酸发酵：指合成菌体蛋白质的氨基酸脱离其正 常 是对产品 使污染物 产生量、流失量和治理量达到最小，使资源充分利用。② 末端治理：把环境责任放在保护研究、管理等人员身上， 产生的污染物的 处理上，总是处于一种被动的、消极的地位。③因为工业 生产无法完全避免污染的产生，推行清洁生产的同时还需 要末端治理。 二、选择填空 1染菌概率：在实际生产过程中，要实现每批次发酵都 完 染几乎是不可能的，一般采用“染菌概率” 一般 为10-3 ①细菌②放线菌③酵母菌④霉菌⑤未培养 采集样品→样品预处理→目的菌富 酵性能鉴定→菌 种保藏 层的微生物数量最多，秋季采土样 物理方法、化学方法、诱饵法。 因突变；直接原因：连续 传 菌种保藏方法：①斜面低温保藏法②砂土管保藏法 ③冷 液保藏法⑥液体 石蜡保藏据微生物生理、生化特点，人为地 于不活泼、生长繁殖受抑制的 持菌种存活率②减少变异③保 持 优良性状 7液氮超低温保藏法：原理：在超低温（-130℃）状态下 延续，且不发生 加保护剂（甘油等）制成菌悬液封于安瓿管内 温速度的冻结后，贮藏在-150～-190℃液氮冰箱内；特 点：适合各类微生物①适合各类微生物②保存时间长③需 特殊设备④操作较复杂 8培养基成分： ①碳源（糖类，导致PH下降；油和脂肪， ，导致PH上升）②氮源（有机、无 量元素④水⑤生长调节物质。 ⑴一般首先是通过单因子实验确定培养基成 因子实验确定培养基个组分及其适宜的浓 度；⑵响应面分析法对培养基进行优化①最陡爬坡实验 10检测染菌方法：镜检查法 ②平板划线培养检 法④发酵过程异常现象观察法(溶 CO 2、粘度）。 种子带菌②过滤空气带菌③设备的 培养基霉菌不彻底⑤操作不当⑥噬 干热灭菌法，湿热灭菌法，射线灭菌法， 除菌法，火焰灭菌法 13空气除菌方法：辐射杀菌，加热杀菌，静电除菌，过 乙醇发酵；部分相关型，中间 复杂发酵类型：抗生 15DO值只是发酵与 配合起OUR： CER：CO2 的 产品的质量和经济效 式、固定化、 指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增 加而漩涡基本消 18发酵罐构件：搅拌器，挡板，空气分布器，换热装置。 罐的基本体积上升，单位发酵液 清洁生产过程，清洁产品和 理，改进生产工艺，废 20工艺技术改革方式：改变原料，改进生产设备，改革 经济效益，环境效益，社会效 ，反应过程，后 23总成本费用=成本+销售费用+管理费用+财务费用 ①气泡与包围着气泡的液体之 间 体分子处于层流状态，氧气以 浓度差方式透过双膜，任何一点的氧浓度 氧分压相等；② 在双膜之间的界面上，氧分压与溶于液体中的氧浓度处于 平衡状态；③氧传递过程处于稳定状态时，传递途径上各 间而变化。 为了提高分离效率，通常富集培养课增加 数量。 是为了获得大量的活力强的种子，以便 中尽可能的缩短延迟期，种子最好 是在对数生长期接种。 27. S0 为底物初始St为发酵时间为t时底物的 残留 小。 、传热及混合效 30发酵罐放大极限为100级 成本的20% ~30% 32酒精发酵原料：淀粉质原料、糖质原料、纤维质原料。 三、简答 1影响微生物耗氧因素：①微生物本身遗传特征的影响 菌龄④发酵条件⑤代谢类 影响③碳氮比对菌体代谢调节的重要性④ PH对不同 3发酵工艺过程：①用作种子扩大培养及发酵生产的各 种 基、发酵罐及其附属设备的灭菌； ③扩大培养有活性的适量纯种，以一定比例形成大量的代 谢产物；④控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量 的代谢产物；⑤将产物提取并精制，以得到合格的产品； 酵过程中所产生的三废物质。（P8图） ①能在廉价原料制成的培养基上生长，且 生 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 性物质和毒素。 必须提供合成微生物细胞和发酵产 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“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，降低能 ①原材料质量：生产过程中经常 其主要原因在于原材料质量 波动；②培养温度：温度对多数微生物的斜面孢子质量有 显著影响；③湿度：斜面孢子培养基的湿度对孢子的数量 和质量都有较大影响。湿度低，孢子生长快；湿度高，孢 子生长慢；④通气与搅拌：在种子罐中培养的种子除保证 供给易于利用的营养物质外，应有足够的通气量，以保证 菌种代谢的正常，提高种子的质量；⑤斜面冷藏时间：斜 面冷藏时间对孢子的生产能力有较大影响，通常冷藏时间 越长，生产能 力降低越多；⑥培养基：一般来说，种子罐 是培养菌体的，培养基的糖分要少而对微生物生长起主导 作用的氮源要多，而且其中无机氮源所占比例要大些；⑦ pH：各种微生物都有自己生长和合成酶的最适pH，为了 达到微生物的打了繁殖和酶合成的目的，培养基必须要保 ①能在廉价原料制成的培养基上生长，且 生 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 性物质和毒素。 ①分批作业操作简单，周期短，染菌 程产品质量易控制；②不利于测定其 过程动力学，存在底物限制或抑制问题，出现底物分解阻 遏效应以及二次生长现象；③对底物类型及初始浓度敏感 的次级代谢产物如一些抗生素等就不适合采用分批发酵； ④营养层分很快耗竭，无法维持微生物继续生长和生产； ①添加新鲜培养基，克服养分不足所 延长对数期生长期，增加生物量 等；②长时间发酵，菌种易变异，易染菌；③操作不当， 新加入的培养基与原有培养基不易完 全混合。 10补料分批发酵优缺点：①可以解除底物的抑制，产 物 应；③避免在分批发酵中因 一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧量过多，以致通 风搅拌设备不能匹配的状况；③菌体可被控制在一 续的过度态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段 ①无菌要求低；②菌体变异 11分批补料发酵的应用：①消除分解阻遏作用，保障通 浓度培养基的抑制作用并延 配置合适的培养基，调节培养基初始 使其具有很好的缓冲能力；②培养过程 中加入非营养物质的酸碱调节剂；③培养过程中加入基质 性酸碱调节剂；④加入生理酸性或碱性盐基质；⑤将pH 控制与代谢结合起来，通过补料来控制pH。 13搅拌式、气升式结构特征及其应用：①搅拌式： 带有 机 械搅拌的作用是使发酵液充分混合，保持液体中的固性物 料呈悬浮状态，并能打破空气气泡以提高气液间的传氧速 率。较适合对剪切力生长，不适于高粘度或 含大量固体的培依靠无菌压缩空气作为 液体的提升力，下翻动实现混合和传 质传热过程，特点是结构简单、无轴封、不易污染、氧传 质效率高、能耗低、安装维修方便。 14清洁生产与末端治理 的比较：①清洁生产：是对产品 使污染物 量和治理量达到最小，使资源充分利用。② 把环境责任放在保护研究、管理等人员身上， 产生的污染物的 处理上，总是处于一种被动的、消极的地位。③因为工业 生产无法完全避免污染的产生，推行清洁生产的同时还需 15味精清洁生产工艺优点：①取消离子交换工艺，减少 温结晶，节约大量冷冻 耗电；③因为采用闭路循环工艺，除了副产品中夹带少量 目标产物外，没有其他损失，故产品得率高；④实现物料 主体闭路循环，达到经济、环境和社会效应的三统一；⑤ 冷凝水可循环作为工艺用水，实现废水零排放。
发酵复习重点 第一章绪论 1.名词解释：发酵工程 现代发酵工程：采用现代工程技术手段，利用生物细胞的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程中的一种新技术。 2.发酵过程中包括哪些环节？ 发酵工程的内容包括了以下的基本步骤： 1.菌种的选育 2.培养基的配置 3.灭菌 4.种子扩大培养和接种 5.发酵过程控制 6.发酵动力学及代谢机理 7.发酵过程的比拟放大 8.分离提纯 3.简述发酵工程的发展历史。 ? 1.传统发酵工业： ●从人类出现到19世纪中期 ? 2.近代发酵工业建立时期 ●19世纪50年代到20世纪40年代 ? 3.近代发酵工业全盛时期 ●从20世纪40年代初到70年代末 ? 4.现代发酵工业建立和发展 ●20世纪70年代末至今 4.发酵工业的研究范围包括哪几个方面？ ? 1.微生物菌体发酵 ? 2.微生物酶发酵 ? 3.微生物代谢产物发酵 ? 4.微生物转化发酵 ? 5.生物技术的生物细胞发酵 5.简述发酵工程的主要前沿进展。 主要研究：人工选育和改良菌种 ?高等动植物细胞培养 ?固定化技术广泛应用 ?开发大型节能高效的发酵装置 ?强调代谢机理与调控研究 ?将生物技术广泛地用于环境工程 ?混合菌发酵 前沿进展： ?过程优化技术 ?多尺度生物反应器优化控制技术 ?生物炼制
第二章菌种选育 1.发酵工业对菌种的要求有哪些，菌种的来源有哪些？ ?原料廉价，生长迅速，目的产物产量高； ?培养条件易于控制，发酵周期较短； ?抗噬菌体及杂菌污染的能力强； ?菌种不易变异退化； ?对放大设备的适应性强； ?菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。 ●从自然界筛选 ●菌种保藏机构 ●从发酵制品中分离 2.常见的菌种选育方法有哪些？ 经典育种：自然选育，诱变育种，有一定盲目性。 定向育种：杂交育种，分子育种(DNA重组技术) 如碱基类似物、5—氟尿嘧啶、烷化剂等 4.菌种保藏有哪些主要方法？
发酵工程复习题库 一、填空题（常为括号后2－4字） 1. 淀粉水解糖的制备可分为（ ）酸解法、（ ）酶解法和酸酶结合法 三种。 2. 糖酵解途径中的三个重要的关键酶是（ ）己糖激酶、磷酸丙糖激酶、（ ）丙 酮酸激酶。 3. 甘油的生物合成机制包括在酵母发酵醪中加入（ ）亚硫酸氢钠 与乙醛起加成反应 和在（ ）碱性 条件下乙醛起歧化反应。 4. 微生物的吸氧量常用呼吸强度；耗氧速率两种方法来表示，二者的关系是 （ ） 。 5. 发酵热包括（ ）生物热；搅拌热；蒸发热和（ ）辐射热等几种热。 6. 发酵过程中调节pH 值的方法主要有添加（ ）碳酸钙法；氨水流加法和尿素流加 法。 7. 微生物工业上消除泡沫常用的方法有（ ）化学消泡和（ ）机械消泡两种。。 8. 一条典型的微生物群体生长曲线可分为（ ）迟滞期、对数期；（ ）稳定期； 衰亡期四个生长时期。 9. 常用菌种保藏方法有（ ）斜面保藏法、（ ）沙土管保藏法、液体石蜡保藏法； 真空冷冻保藏法等。 10. 培养基应具备微生物生长所需要的五大营养要素是（ ）碳源、氮源；（ ）无 机盐；（ ）生长因子和水。 11. 提高细胞膜的（ ）谷氨酸通透性，必须从控制磷脂的合成着手或者使细胞膜受损 伤。 12. 根据微生物与氧的关系，发酵可分为（ ）有（需）氧发酵；（ ）厌氧发酵两 大类。 13. 工业微生物育种的基本方法包括（ ）自然选育、诱变育种； 代谢控制育种；（ ） 基因重组和定向育种 等。 14. 肠膜明串珠菌进行异型乳酸发酵时，产物为（ ）乳酸；（ ）乙醇；CO2。 15. （ ）诱导酶指存在底物时才能产生的酶，它是转录水平上调节（ ）酶浓度的 一种方式。 16. 发酵工业的发展经历了（ ）自然发酵，纯培养技术的建立，（ ）通气搅拌的 好气性发酵技术的建立，人工诱变育种（ ）代谢控制发酵技术的建立，开拓新型 发酵原料时期，与（ ）基因操作技术相结合的现代发酵工程技术 等六个阶段。 17. 去除代谢终产物主要是通过改变细胞的膜的（ ）通透性来实现。 18. 获得纯培养的方法有（ ）稀释法，（ ）划线法，单细胞挑选法，利用选择培 养基分离法等方法。 19. 生长因子主要包括（ ）维生素，（ ）氨基酸，（ ）碱基，它们对微生物 所起的作用是供给微生物自身不能合成但又是其生长必需的有机物质。 20. 微生物生长和培养方式，可以分为（ ）分批培养，（ ）连续培养，补料分批 培养三种类型。 21. 影响种子质量的主要因素包括培养基，（ ）种龄与（ ）接种量，温度，pH 值， 通气和搅拌，泡沫，染菌的控制和（ ）种子罐级数的确定。 22. 空气除菌的方法有加热杀菌法，静电除菌法，（ ）介质过滤除菌法。 23. 发酵产物的浓缩和纯化过程一般包括发酵液（ ）预处理，提取，精制。 24. 菌种扩大培养的目的是为每次发酵罐的投料提供（ ）数量相当的（ ）代谢旺 盛的种子。 25. 在微生物研究和生长实践中，选用和设计培养基的最基本要求是（ ） 目的明确， （ ）营养协调，物理化学条件适宜和（ ）价廉易得。 26. 液体培养基中加入CaCO3的目的通常是为了调节（ ）pH 值。 27. 实验室常用的有机氮源有（ ）牛肉膏，蛋白胨等，无机氮源有 硫酸铵，硝酸钠， 等。为节约成本，工厂中常用尿素、（ ）液氨等作为氮源。 () X c Q r O ?=2
第一章，绪论 一、填空： 微生物工程可分为发酵和提纯两部分，其中以发酵为主。 化学工程与发酵工程的本质区别在于化学工程利用非生物催化剂，发酵工程利用生物催化剂---酶。 二、判断： 发酵产品是经微生物厌氧生物氧化过程获得的。错 三、课后思考题： 1、发酵的定义：利用微生物的新陈代谢作用，把底物（有机物）转化成中间产物，从而获得某种工业产品。（工业上定义、广义、有氧无氧均可） 2、发酵流程： 3、比拟放大的基本过程：斜面菌种－摇瓶试验(培养基、温度、起始pH值、需氧量、发酵时间)－小型发酵罐－中试－大规模工业生产 4、发酵工程的发展经历了哪几个阶段？ 1.）自然发酵时期 2）纯培养技术建立(第一个转折期) 3）通气搅拌的好气性发酵工程技术建立(第二个转折期) 4）人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术建立(第三个转折期) 5）发酵动力学、连续化、自动化工程技术的建立(第四个转折期) 6）生物合成和化学合成相结合工程技术建立(第五个转折期) 5、微生物工业发展趋势 1）、几个转变 分解代谢→合成代谢 自然发酵→人工控制的突变型发酵→代谢控制发酵→通过遗传因子的人工支配建立的发酵（如工程菌） 2）、化学合成与生物合成相结合 3）、大型、连续化、自动化发酵 发酵罐的容量可达500t，常用的也达20-30t。 4）、人工诱变育种和代谢控制发酵
微生物潜力进一步挖掘，新菌株、新产品层出不穷。 5）、原料范围不断扩大 石油、植物淀粉、天然气、空气、纤维素、木质素等 6、举例说明微生物工业的范围 酿酒工业（啤酒、葡萄酒、白酒） 食品工业（酱、酱油、食醋、腐乳、面包、酸乳） 有机溶剂发酵工业（酒精、丙酮、丁醇） 抗生素发酵工业（青霉素、链霉素、土霉素等） 有机酸发酵工业（柠檬酸、葡萄糖酸等） 酶制剂发酵工业（淀粉酶、蛋白酶等） 氨基酸发酵工业（谷氨酸、赖氨酸等） 核苷酸类物质发酵工业（肌苷酸、肌苷等） 维生素发酵工业（维生素B12、维生素B2等） 生理活性物质发酵工业（激素、赤霉素等） 名贵医药产品发酵工业（干扰素、白介素等） 微生物菌体蛋白发酵工业（酵母、单细胞蛋白） 微生物环境净化工业（利用微生物处理废水等） 生物能工业（沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等能源物质） 微生物治金工业（微生物探矿、治金、石油脱硫等） 第二章发酵基础知识 1、写出生产以下产品的主要菌种： 啤酒（啤酒酵母）、黄酒（霉菌（根霉、曲霉）、酵母菌、细菌）、味精（谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌）、柠檬酸（黑曲霉）、食醋（霉菌、酵母菌、醋酸菌）、酸奶（乳酸菌（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、乳酸链球菌）） 2、发酵工艺控制中，主要应监控温度、pH值、溶解氧、 泡沫、氧化还原电位等。 3、概念：单菌发酵: 现代发酵工业中最常见，传统发酵工业中很难实现。 混合菌发酵: 自然发酵和人工接种发酵 液态发酵: 发酵基质呈流动状态，如啤酒发酵、柠檬酸发酵等。 固态发酵: 发酵基质呈不流动状态。如固态酱油发酵、米醋发酵、大曲酒（白酒）发酵等。半固态发酵: 发酵基质呈半流动状态，如黄酒发酵、传统稀醪酱油发酵等。 4、发酵产品主要类型 微生物菌体、代谢产物、酶 5、如何理解：传统工艺，原料决定菌种；现代工艺，菌种决定原料？ 传统工艺，原料决定菌种：传统工艺中，发酵原料是一种选择培养基。 传统工艺就是利用这种选择作用，把自然界带入的各种野生菌，在发酵基质上进行选择富集培养，这些微生物生长和代谢的结果可生产出有特殊风味的食品。 现代工艺，菌种决定原料：在使用纯种发酵剂前，我们必须对原料进行灭菌，以防止其他杂菌对发酵的干扰。 6、发酵产品主要有哪些附加值 1）发酵有利于食品保藏食品发酵后，改变了食品的渗透压、酸度、水的活性等，从而抑制了腐败微生物的生长，有利于食品保藏。 2）发酵产品有保健作用有些食品经过微生物发酵后，不仅能产生酸类和醇类等，还能产生某些抗菌素可抑制致病菌和肠内腐败菌。
《发酵工程原理与技术》课程复习提纲及部分知识点 [复习提纲] 什么是发酵？发酵工程的发展历程？ 发酵的定义在合适的条件下利用生物细胞内特定的代谢途径转变外界底物生成人类所需目标产物或菌体的过程 自然发酵时期 1.发酵工程的诞生 2.通气搅拌液体深层发酵的建立 3.大规模连续发酵以及代谢调控发酵技术的建立 4.现代发酵工程时期 发酵工业常用的微生物及其特点。 ①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母 4.霉菌 菌种的分离及保藏 一稀释涂布和划线分离法二利用平皿中的生化反应进行分离三组织分离法四通过控制营养和培养条件进行分离 一斜面保藏方法二液体石蜡油保藏法三冷冻干燥保藏法四真空干燥法五液氮超低温保藏法六工程菌的保藏 菌种的退化及复壮 菌种退化是指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行转移传代或包藏之后，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退化的原因主要有基因突变连续传代以及不当的培养和保藏条件 菌种的复壮通过人工选择法从中分离筛选出那些具有优良性状的个体使菌种获得纯化服装的方法一纯种分离二淘汰法三宿主体内复壮法 微生物育种的方法有哪些？ 自然育种、诱变育种 培养基的主要成分。 水、碳源、氮源、无机盐、生长因子、 碳源及氮源的种类。 碳源种类：1、糖类2、醇类3、有机酸类4、脂肪类5、烃类6、气体 氮源种类：1、无机氮源 2、有机氮源 培养基的设计的基本原则？ 一根据生产菌株的营养特性配制培养基二营养成分的配比恰当三渗透压 4ph 值 发酵工业原料的选择原则 一因地制宜就地取材原料产地离工厂要近，便于运输节省费用 二营养物质的组成比较丰富浓度恰当能满足菌种发育和生长繁殖成大量有生理功能菌丝体的需要更重要的是能显示出产物合成的潜力 三原料资源要丰富容易收集
发酵工程复习资料重 点
发酵工程（Fermentation Engineering）的定义 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会服务的一门科学。 淀粉质原料进行蒸煮的目的是使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成为溶解状态进行液化；同时对进料进行灭菌；排除原料中的一些不良成分及气味。 为了实现这些目的，蒸煮设备必须达到下列要求： (1)能使淀粉细胞完全破裂，淀粉溶解成均匀的糊状物； (2)尽量减少淀粉和糖分的损耗，避免产生其它不必要的有害的化学变 化； (3)节省蒸汽，减少热损失； (4)设备能承受较高的压力，具有耐磨性，能使物料在锅内充分翻动，受 热均匀； (5)结构简单，操作方便，投资少。 连续蒸煮有低温长时间的罐式连续蒸煮，中温的柱式连续蒸煮和高温短时间的管式连续蒸煮 后熟器 在连续蒸煮中，后熟器是利用经加热器或蒸煮锅(罐)加热后的料液余热，在一定压力和温度下维持一定时间的继续蒸煮，因此，后熟器又称维持器。对后熟器的要求是，料液在后熟器中的整个截面上均匀地由下向上推动，力求做到先进先出。
真空冷却指的是醪液在一定的真空度下（即醪液进入负压状态）醪液本身产生大量蒸气（二次蒸气），并被抽出，这样便消耗了醪液大量的热量，因而醪液很快冷到与真空度相应的温度，这种醪液冷却法就称为真空冷却 糖化设备主要是糖化罐，其容积按1m3的糖化醪需要的1.3m3容积来计算。其旋转方向与冷却水在蛇管中水流的方向相反 ?连续糖化罐的作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或麸曲乳混 合，在一定温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的活动。二级真空冷却的连续糖化法。对蒸煮醪的前冷却和后冷却均采用真空冷却的糖化工艺，叫二级真空冷却糖化法 发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。 ?1．按微生物生长代谢需要分类： ?好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐 中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系 数； ?厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。 ? 2. 按照发酵罐设备特点分类： ?机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以 及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。
第一章发酵工程概述 一、发酵工程：是利用微生物特定的形状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用与工业化生产的技术体系，是将传统发酵与现代的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发酵技术。二、发酵工程简史： 1590 荷兰人詹生制作了显微镜 1665 英国人胡克制作的显微镜观察到了霉菌 近代发酵工程建立初期1864 巴斯德灭菌法 1856 psateur 酵母导致酒精发酵 19世纪末Koch 纯种分离和培养技术 三、发酵工程技术的特点 （1）主体微生物的特点 ①微生物种类繁多，繁殖速度快、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的突变株； ②微生物酶的种类很多，能催化各种生化反应 ③微生物能够利用有机物、无机物等各种营养源 ④可以用简易的设备来生产多种多样的产品 ⑤不受气候、季节等自然条件的限制等优点 （2）发酵工程技术的特点 ①发酵工程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应能够在发酵设备中一次完成 ②反应通常在常温下进行，条件温和，耗能少，设备简单 ③原料通常以糖蜜，淀粉等碳水化合物为主 ④容易生产复杂的高分子化合物 ⑤发酵过程中需要防止杂菌污染 (3)发酵工程反应过程的特点 ①在温和条件下进行的 ②原料来源广泛，通常以糖、淀粉等碳水化合物为主 ③反映以生命体的自动调节形式进行（同（2）①） ④发酵分子通常为小分子产品，但也很容易生产出复杂的高分子化合物 四、发酵工程的一般特征 ①与化学工程相比，发酵工程中微生物反应具有以下特点： 作为生物化学反应，通常在常温常压下进行，没有爆炸之类的危险，不必考虑防爆问题，还有可能使一种设备具有多种用途 ②原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，加入少量的各种有机或无机氮源，只要不含毒，一般无精制的必要，微生物本身就有选择的摄取所需物质 ③反应以生命体的自动调节方式进行因此数十个反应过程能够像单一反应一样，在称为发酵罐的设备内很容易进行 ④能够容易的生产复杂的高分子化合物，是发酵工业最有特色的领域 ⑤由于生命体特有的反应机制，能高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化还原官能团导入等反应
一、发酵工程与传统酿造、化学工程相比特点是：发酵是生物体自身进行的反应 与传统酿造相比： 1、发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中 一次完成； 2、反应通常在常温常压下进行，条件温和，耗能少，设备较简单； 3、原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可 再生资源，微生物本身能有选择地摄取所需的物质； 4、容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行 氧化、还原、官能团引入或去除等反应； 5、发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌， 空气需要过滤等。 二、与化学工程相比（发酵工程的一般特征）： 1）作为生化反应，通常在常温常压下进行，因此没有爆炸之类的危险，各种设备都不必考虑防爆问题，还有可能使一种设备具有多种用途； 2）原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，加入少量的各种有机或无机氮源，只要不含毒物，一般无精制的必要，微生物本身就有选择地摄取所需物质；3）反应以生命体的自动调节方式进行，因此数十个反应过程能够像单一反应一样，在称为发酵罐的单一设备内很容易地进行； 4）能够容易地生产复杂的高分子化合物，是发酵工业最有特色的领域； 5）由于生命体特有的反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原、官能团导入等反应； 6）生产发酵产物的生物物质菌体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物质。因此，除特殊情况外，发酵液等一般对生物体无害； 7）发酵生产在操作上最需要注意的是防止杂菌污染 8）通过微生物的菌种改良，能够利用原有生产设备使生产飞跃上升。 三、微生物发酵技术反应过程中的特点： 1、条件通常温和（常温、常压、弱酸、弱碱）。 2、原料来源广泛，以糖、淀粉等碳水化合物为主。 3、反应以生命体的自动调节方式进行，单一反应器内进行。 4、发酵产品（多为小分子产品，也容易生产出复杂的高分子化合物） 5、高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应。 6、生产发酵产物的微生物菌体本身也是发酵产物（发酵液一般对生物体无害）。 7、防止污染（灭菌是发酵成败的关键）。 8、改良微生物菌种（提高生产水平；菌种是发酵的根本因素）。 四、微生物发酵技术发展历史过程及特点： 1、自然发酵（天然发酵）：厌氧发酵、非纯培养、产物稳定性差（酒、醋、酱油）。 2、纯培养技术建立：纯培养无菌操作技术建立、密闭发酵罐、表层培养、显微镜诞生及微生物发现（甘油、丙酮、丁醇等初级代谢产物）。 3、通气搅拌大规模发酵技术建立：好氧发酵、发现青霉素（次级代谢产物）。 4、代谢控制发酵技术：生产谷氨酸，菌种经遗传育种、人工诱变等控制其代谢途径得到所需的代谢终产物（氨基酸、某些抗生素）。
复习A 1. 发酵过程中异常现象（发酵液转稀、发酵液过浓、耗糖缓慢、pH不正常）处理措施？ （1）发酵液转稀：适时补入适当碳源或氮源促使繁殖新菌体； （2）发酵液过浓：补入10%无菌水，使菌液浓度下降、粘度下降，改善发酵条件； （3）耗糖缓慢：补入适量合适的氮源、磷盐，提高发酵温度、风量； 2. Monod(莫诺)方程表明了什么和什么的重要关系？简介Monod(莫诺)方程？ 比生长速率和生长基质浓度的关系。 内涵：当温度、pH恒定时，u随特定的S变化。 3. 补料分批发酵技术的特点, 与分批发酵，连续发酵的区别？ 特点：（1）由于机制的缓慢补入，既满足了微生物生长和产物合成的持续需要，又避免了由于基质过量引起的各种调控效应，从而能使产率获得很大提高； （2）补料技术本身提高：少次多量→少量多次→流加→微机控制流加； 区别：（1）区别于分批发酵技术：由于补加物料，补料分批发酵系统不再是封闭系统； （2）区别于连续发酵技术：补料分批系统并不是连续地向外放出发酵液，罐内的培养液体积（V）不再是个常数，而是随时间（t）和物料流速（F）而变化的变量（变体积操作）。 4. 通风发酵设备中的机械搅拌发酵罐必须满足的基本条件？ （1）发酵罐应具有适宜径高比； （2）能承受一定压力； （3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合； （4）具有足够的冷却面积； （5）罐内应尽量减少死角； （6）搅拌器的轴封应严密。 5. 发酵液pH对发酵的影响包括哪些方面？ （1）影响酶活力； （2）影响细胞膜所带电荷的状态，改变膜的渗透性，影响对营养的吸收利用； 6. 比底物消耗速率方程？ Qs=Qsmax·S/Ks+S 7. 补料分批发酵的适用范围？ （1）高菌体浓度培养系统； （2）存在高浓度底物抑制的系统，通过添加底物降低抑制； （3）存在crabtree效应的系统； （4）受异化代谢物阻遏的系统； （5）利用营养突变体的系统； （6）希望延长反应时间或补充损失水分的系统。 8. 优良的发酵装置应具有的基本特征包括哪些内容？ （1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长； （2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌，应全部焊接结构，消除积蓄耐灭菌物质； （3）防止死角、裂缝等一类情况，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境‘ （4）发酵系统的某些部分应能单独灭菌； （5）与反应器相同的任何连接应采用蒸汽加以密封，取样口在不取样时也要一直通蒸汽； 9. 控制发酵过程pH的方法？ （1）培养基中适当添加生理酸性盐或生理碱性盐; （2）培养基中适当添加缓冲剂； （3）自动检控；
发酵工程重点总结
第一章 发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程发酵工程：利用微生物（或动植物细胞）的特定性状，通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用物质的技术体系。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术。 发酵工业的特点？（7点） 1.发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。 2.可用较廉价原料生产较高价值产品。 3.反应专一性强。 4.能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位的生物转化修饰。 5.发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。 6.菌种是关键。 7.发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。 工业发酵的类型？ 厌氧发酵 1. 按微生物对氧的不同需求需氧发酵 兼性厌氧发酵 液体发酵（包括液体深层发酵） 2.按培养基的物理性状浅盘固体发酵 深层固体发酵（机械通风制曲） 分批发酵 按发酵工艺流程补料分批发酵 单级恒化器连续发酵 连续发酵多级恒化器连续发酵 带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵 发酵生产的基本工业流程？ 1. 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制； 2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌； 3. 扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比例接种入发酵罐中； 4. 控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物； 5. 将产物提取并精制，以得到合格的产品； 6. 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。
工业发酵的过程的工艺流程图？ 第二章 1、发酵工业菌种分离筛选的一般流程? 调查研究（包括资料查阅） 试验方案设计 含微生物样品的采集（如何使样品中所含微生物的可能性大？） 样品预处理（如何在后续的操作中使这种可能性实现） 菌种分离 根据目的菌株及其产物特点分 选择性分离方法随机分离方法 (定向筛选←选择压力) (用筛选方案- 检测系统进行间接分离） 富集液体培养固体培养基条件培养 (初筛) 菌种纯化 复筛 菌种纯化 初步工艺条件摸索再复筛生产性能测试 较优菌株1-3株 保藏及进一步做生产试验某些必要试验和 或作为育种的出发菌株毒性试验等 2、菌种选育改良的具体目标。(4点)？ 1.提高目标产物的产量
连续发酵：指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发 酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。 巴斯德效应：在厌氧条件下，向高速发酵的培养基中通入氧气，葡萄糖消耗减少，抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应，即呼吸抑制发酵的作用。 比生长速率：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。它是表征微生物生长 速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。 产物促进剂：是指那些非细胞生长所必须的营养物质，又非前体，但加入却能提高产量的添加剂。 产物得率系数：可用于对细胞反应过程中碳源等物质生成细胞或其它产物的潜力进行定量评价，最常用的得率系数有对底物的细胞得率Yx/s，对碳的细胞得率Yc等。 反馈抑制：是指最终产物抑制作用，即在合成过程中有生物合成途径的终点产物对该途径的酶的活性调节，所引起的抑制作用。 (反馈抑制与反馈阻遏的区别在于：反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢，反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。此外，前者的作用往往会影响催化一系反应的多个酶，而后者往往只对是一系列反应中的第一个酶起作用。) 分解代谢物阻碍：分解代谢物抑制作用(catabolite repression )又称代谢物阻遏作用，是葡萄糖或代谢物或葡萄糖的降解产物对一个基因或操纵子的阻遏作用。 分批培养：分批培养是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定条件下完成一个生长周期的微生物培养方法。 接种量：接种量是指移入的种子悬浮液体积和接种后培养液体的体积的比例。 接种龄：种子罐中培养的菌体从开始接种至移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。 空消:发酵罐未装入培养基的情况下进行的灭菌，也即是对发酵罐进行的灭菌。 细胞得率系数：菌体生长量相对于基质的消耗量的收得率，称为生长得率，其定义为：以消耗基质为基准的细胞得率系数。 两步法发酵：第一步、属有机酸发酵或氨基酸发酵。 第二步、是在微生物产生的某种酶作用下，把第一步的产物转化为所需的氨基酸，这种生产方法又称为酶转化法。 临界稀释速率：代表恒化器所能运行的最大稀释速率。虽然也有例外，但Dc通常相当于分批培养中细胞的最高生长速率。 临界氧浓度：指不影响菌的呼吸所允许的最低溶氧浓度。 前体物质：是指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物 分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
发酵工程考试复习提纲 1、初级代谢的氨基酸发酵根据需氧不同，可将其分为哪些类型？请例举各类型的发酵产品。 2、最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型，请简述之。 3、培养基灭菌为什么要采用高温瞬时灭菌法？ 4、泡沫对发酵的不利影响有哪些？ 5分批发酵与连续发酵的优缺点。 6发酵过程中引起pH上升和下降的原因有哪些？ 7什么是淀粉的糊化、液化和老化。 8从谷氨酸合成途径知，氨的导入主要方式有哪些？ 9发酵过程中引起溶解氧异常上升的原因有哪些？ 10什么是絮凝剂和凝聚剂？ 11什么是酵母的1、2、3型发酵？ 12菌种退化的原因有哪些？ 13柠檬酸发酵，Mn2+缺乏促进柠檬酸积累的机制是什么？ 14根据抗生素的生物合成方式及其代谢途径的不同，抗生素分为哪几类？ 15淀粉水解的方法有哪些？各有哪些优缺点？ 16发酵前期、中期和后期染菌的原因有哪些？ 17简述甘油发酵、柠檬酸发酵、谷氨酸发酵和乳酸发酵的途径。 18谷氨酸发酵与青霉素发酵最容易污染什么杂菌？ 19搅拌的作用是什么？发酵罐搅拌器的间距大小、搅拌叶径大小以及搅拌转速受哪些因素影响？ 20什么是惰性助滤剂？常见的惰性助滤剂有哪些？ 21糖蜜有哪些特点？ 22直连淀粉与支链淀粉各有何特点？ 23常见的菌种保藏方法有哪些？ 24按照产物生成与菌体生长是否同步，发酵可分成哪几类。 25培养基灭菌方法主要有哪些？ 26培养基湿热灭菌受哪些因素的影响？ 27什么是对数残留定律（掌握培养基灭菌时间的计算）？
28什么是菌体的倍增时间（掌握微生物比生长速率与倍增时间的关系）？29什么是monod方程（掌握monod方程中μmax和K S的计算）？
发酵工程复习资料 发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。 该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离 纯化制备等技术集成。 发酵的本质 1、显微镜观察：微生物 2、著名的巴斯德实验：微生物作用 3、著名的毕希纳实验： 酵素（酶）的作用 本质：由微生物的生命活动所生产的酶的生物催化作用所致。 发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生产的动态平衡及其内在规律。 二.发酵工业菌种 一、工业上常用的微生物 1. 细菌 醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌、乳酸杆菌、枯草杆菌、丙酮丁醇梭菌、大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌 常用的细菌： 大肠杆菌 应用：对谷氨酸定量分析，生产天冬氨酸、苏氨酸、缬氨酸 乳酸杆菌
应用：乳酸、干酪、奶子酒、发面、泡菜、酸奶等的制作 枯草芽孢杆菌 应用：生产淀粉酶 2. 酵母菌 种类：酒精酵母、啤酒酵母、假丝酵母红酵母、面包酵母 应用：生产酒精、啤酒、石油发酵脱蜡和制取蛋白质、生产脂肪 3. 霉菌 黑曲霉：应用：生产有机酸、生产淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶 黄曲霉:应用：酱油、酱类（淀粉酶） 米曲霉：应用：产糖化酶和蛋白酶、主要用于酿酒制曲和酱油制曲 土曲霉：应用：生产甲义丁二酸 毛霉：应用：可以产生蛋白酶，我国多用于豆腐乳、豆豉等的制作 根霉：种类：米根霉、华根霉、少根根霉、爪哇根霉 应用：酿酒 青霉：应用：生产青霉素、葡萄糖氧化酶 红曲霉：应用：用于南方红曲酒（女儿红）的生产；用于红色色素的生产、豆腐乳的生产等 4. 放线菌：种类：龟裂链霉菌、金霉素链霉菌、灰色链霉菌、红霉素链霉菌 应用：各类抗生素。土霉素、四环素、链霉素、红霉素 5.未培养微生物 定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微
原料的定义: ?从工艺角度来看,凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料,都可作为发酵工业生产的原料 ?具体:一般是含有可发酵性糖或可转化为可发酵性糖的物料,还包括前体物质等等 原料选择的原则 1满足生产工艺要求: 适合微生物需要、吸收利用、代谢产物生产对生产中除发酵以外的其他方面,如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少2满足管理和经济要求: 原料价格低廉(占成本的比例 ?原料资源要丰富,容易收集(60-70‘s,石油烷烃生产谷氨酸 ?因地制宜,就地取材 ?原料要容易贮藏 3满足环保的要求 资源化减少污染 常用原料种类 ?薯类:甘薯、马铃薯、木薯、山药等 ?粮谷类:高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等(酒用原料 ?野生植物:橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等 ?农产品加工副产物:米糠(饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等
?糖蜜 ?非粮食生物质原料:纤维素、木质素、半纤维素等 ?水果类原料:葡萄、苹果、山楂等 常用原料的化学组成 ?碳水化学物:主要是单糖和双糖,发酵微生物的碳源和能源。一些多糖则需转化为单糖或双糖后才被利用 ?蛋白质:蛋白质经蛋白酶分解后产生的多肽或氨基酸,是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮源?脂肪:针对不同的发酵产品其作用有较大差别?灰分:主要是P、Mg、K、S、Ca等元素,是微生物生长和代谢所必需 糖蜜:英文名称:molasses 定义:工业制糖过程中,蔗糖结晶后,剩余的不能结晶,但仍含有较多糖的液体残留物。玉米浆:外文名corn steep liquor,是制玉米淀粉的副产物,原料为玉米糁、水、玉米汁。制造玉米淀粉须将玉米粒先用亚硫酸浸泡,浸泡液浓缩即制成黄褐色的液体,叫玉米浆,含有丰富的可溶性蛋白、生长素和一些前体物质,含大约40%~50%固体物质。味道微咸,是微生物生长很普遍应用的有机氮源,它还能促进 青霉素等抗生素的生物合成。 培养基设计的基本原则 1培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产 物所需的元素,并能提供生物合成和细胞维持 活力所需要的能量 2营养成分恰当的配比