发酵工程知识点梳理.pdf

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1、1发 酵 工 程 知 识 点 梳 理第 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

2、 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 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 ； 微 生 物 酶 的 种 类 很 多 ， 能 催 化 各 种 生 化 反 应 微 生 物 能 够 利 用 有 机 物 、 无 机 物 等 各 种 营 养 源 可

3、以 用 简 易 的 设 备 来 生 产 多 种 多 样 的 产 品 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 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 反 应 通 常 在 常 温 下 进 行 ， 条 件 温 和 ， 耗 能 少 ， 设 备 简 单 原 料 通 常 以 糖 蜜 ， 淀 粉 等 碳 水 化 合 物 为 主 容 易 生 产 复 杂 的 高 分 子 化 合 物 发 酵 过 程 中 需 要 防 止 杂 菌 污 染(3)

4、发 酵 工 程 反 应 过 程 的 特 点 在 温 和 条 件 下 进 行 的 原 料 来 源 广 泛 ， 通 常 以 糖 、 淀 粉 等 碳 水 化 合 物 为 主 反 映 以 生 命 体 的 自 动 调 节 形 式 进 行 （ 同 （ 2） ） 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2四 、 发 酵 工 程 的 一 般 特 征 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

5、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 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 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 能 够 容 易 的 生

6、 产 复 杂 的 高 分 子 化 合 物 ， 是 发 酵 工 业 最 有 特 色 的 领 域 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 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 。 发 酵 生 产 在 操 作 上 最 需 要 注 意 的 是 防 止 杂 菌 污 染

7、。 进 行 设 备 的 冲 洗 、 灭 菌 ， 空 气 过 滤 等 ， 使 全 过 程 在 无 菌 条 件下 运 转 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 升五 、 发 酵 罐 的 类 型1. 按 微 生 物 生 长 ： 厌 氧 和 好 氧 发 酵 设 备2. 按 发 酵 罐 设 备 特 点 ：1） 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐循 环 式 ： 伍 式 、 文 氏 管 式 发 酵 罐 非 循 环 式 ： 通 风 式 、 自 吸 式 发 酵 罐2） 非 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐循 环 式 ： 气 提 式 、 液

8、提 式 发 酵 罐 非 循 环 式 ： 排 管 式 、 喷 射 式 发 酵 罐3. 按 溶 积 分 类50L以 下 的 是 实 验 室 发 酵 罐505000L是 中 试 发 酵 罐5000以 上 是 生 产 规 模 的 发 酵 罐4. 按 微 生 物 生 长 环 境悬 浮 生 长 系 统 支 持 生 长 系 统5. 按 操 作 方 式分 批 发 酵 和 连 续 发 酵. 常 见 发 酵 设 备 的 类 型31. 机 械 搅 拌 发 酵 罐利 用 机 械 搅 拌 器 的 作 用 ， 使 空 气 和 发 酵 液 混 合 并 溶 解 在 发 酵 液 中 ， 基 本 要 求 ：1） 适 宜 的 径

9、高 比 ， 罐 身 较 长 ， 氧 利 用 率 较 高2） 能 耐 受 一 定 的 压 力3） 搅 拌 通 风 装 置4） 足 够 的 冷 却 面 积5） 罐 内 要 减 少 死 角6） 搅 拌 器 的 轴 封 要 严 密 ， 以 减 少 泄 露2.自 吸 式 发 酵 罐最 关 键 的 部 件 是 带 有 中 央 吸 气 口 的 搅 拌 器浸 在 发 酵 液 中 的 转 子 迅 速 旋 转 ， 液 体 和 空 气 在 离 心 力 作 用 下 被 甩 向 叶 轮 外 缘 ， 中 心 形 成 负 压转 子 的 空 膛 与 大 气 相 通发 酵 罐 外 的 空 气 通 过 过 滤 器 不 断 被 吸

10、 入转 子 的 搅 拌 使 气 体 分 散3. 空 气 带 升 环 流 式 发 酵 罐在 罐 外 装 设 上 升 管 ， 上 升 管 两 端 与 罐 底 及 罐 上 部 相 连 接 ， 构 成 一 个 循 环 系 统 .在 上 升 管 的 下 部 装 设 空 气 喷 嘴 ， 以 250300 m/s的 高 速 喷 入 上 升 管 。借 助 喷 嘴 的 作 用 将 空 气 分 散 。分 为 内 环 流 式 和 外 环 流 式 两 种 。4. 高 位 塔 式 发 酵 罐罐 内 装 有 若 干 块 筛 板 。压 缩 空 气 由 罐 底 导 入 ， 经 过 筛 板 逐 渐 上 升 ， 并 带 动 发

11、酵 液 同 时 上 升 。上 升 后 的 发 酵 液 又 通 过 筛 板 上 带 有 液 封 作 用 的 降 液 管 下 降 而 循 环 。特 点 ：培 养 基 及 操 作 合 理 ， 基 本 上 可 达 到 通 用 式 发 酵 罐 的 水 平 。六 、 发 酵 工 程 中 常 见 的 发 酵 类 型（ 1） 液 体 发 酵 与 固 体 发 酵（ 2） 厌 氧 发 酵 与 好 氧 发 酵（ 3） 分 批 发 酵 与 连 续 发 酵（ 4） 单 一 纯 种 发 酵 与 混 合 发 酵（ 5） 固 定 化 发 酵 技 术4 试 管 液 体 培 养 仅 适 用 于 培 养 兼 性 好 氧 菌实 验

12、室 常 见 的 液 体 发 酵 方 式 浅 层 液 体 培 养 仅 适 用 于 兼 性 好 氧 摇 瓶 培 (旋 转 式 和 往 复 式 ) 被 应 用 于 微 生 物 的 生 理 生 化 试 验 台 式 发 酵 罐 浅 盘 培 养工 业 生 产 中 常 用 的 液 体 发 酵 方 式 发 酵 罐 深 层 培 养实 验 室 常 见 的 固 定 化 培 养 实 验 室 主 要 有 试 管 斜 面 、 培 养 皿 平 板 、 较 大 型 的 克 氏 扁 平 和 茄 子 瓶 斜 面 等 固 体 培 养 方法 ， 用 于 菌 种 的 分 离 、 纯 化 、 保 藏 和 生 产 种 子 的 制 备 。

13、用 接 种 针 挑 取 原 始 培 养 物 后 ， 在 固 体 培 养 基 表 面 划 线 接 种（ 未 ） 分 批 发 酵 ： 分 批 发 酵 又 称 分 批 培 养 。 所 谓 分 批 发 酵 是 指 将 所 有 的 物 料 一 次 加 入 发 酵 罐 ， 然 后 灭 菌 、 接 种 培养 ， 最 后 将 整 个 罐 的 内 容 物 放 出 ， 进 行 产 物 回 收 。 清 罐 结 束 后 ， 重 新 开 始 新 的 装 料 发 酵 的 发 酵 方 式 。（ 未 ） 连 续 发 酵 ： 是 指 以 一 定 的 速 度 向 培 养 系 统 内 添 加 新 鲜 的 培 养 液 ， 同 事 以

14、 相 同 的 速 度 流 出 培 养 液 ， 从 而 使 培养 系 统 内 培 养 液 的 量 维 持 恒 定 ， 使 微 生 物 细 胞 能 在 近 似 恒 定 状 态 下 生 长 的 微 生 物 发 酵 培 养 方 式 。分 类 ： 具 有 菌 体 再 循 环 或 不 循 环 的 单 罐 连 续 发 酵 ， 具 有 菌 体 再 循 环 或 不 循 环 的 多 罐 连 续 发 酵第 二 章 微 生 物 菌 种 选 育一 、 菌 种 的 来 源二 、 工 业 发 酵 中 常 见 微 生 物 的 种 类枯 草 芽 孢 杆 菌大 肠 杆 菌乳 酸 杆 菌丙 酮 丁 醇 梭 菌 细 菌 假 单 胞

15、菌 （ 可 以 利 用 烃 类 产 生 单 细 胞 ）醋 酸 杆 菌棒 状 杆 菌黄 单 胞 菌 （ 产 生 黄 原 胶 ）5酿 酒 酵 母 （ 啤 酒 酵 母 ）异 常 汉 逊 式 酵 母 酵 母 菌 假 丝 酵 母毕 赤 式 酵 母根 霉 属 霉 菌 曲 霉 属青 霉 属毛 霉 属三 、 工 业 微 生 物 的 来 源 （ 菌 种 来 源 ） 需 要 补 充 向 菌 种 保 藏 机 构 索 取 有 关 菌 株 ， 从 中 筛 选 所 需 菌 株 自 然 环 境 中 分 离 从 发 酵 制 品 中 分 离 目 的 菌 株四 、 微 生 物 菌 种 的 选 择 性 分 离菌 株 的 分 离 和

16、 筛 选 一 般 可 以 分 为 （ 采 样 ） 、 （ 富 集 ） 、 （ 分 离 ） 、 （ 目 的 菌 的 筛 选 ） 等 几 个 步 骤 。(1)微 生 物 样 品 的 采 集 控 制 培 养 基 的 营 养 成 分 ：(2)微 生 物 样 品 的 富 集 培 养 控 制 培 养 条 件 ： pH 温 度 及 通 气 量抑 制 不 需 要 的 菌 类（ 3） 目 的 菌 种 的 分 离 ： 透 明 圈 法 、 变 色 圈 法 、 生 长 圈 法 、 抑 菌 圈 法 、（ 4） 目 的 菌 种 的 筛 选 ： 涂 布 法 、 影 印 平 板 法（ 5） 自 然 界 分 离 微 生 物 的

17、 一 般 操 作 步 骤 ？（ 6） 样 品 的 采 取 预 处 理 培 养 菌 落 的 选 择 初 筛 复 筛 性 能 的 鉴 定 菌 种 保 藏五 、 发 酵 高 产 菌 株 的 选 育 方 法自 然 选 育 、 诱 变 育 种 、 杂 交 育 种 、 原 生 质 体 融 合 、 基 因 工 程 育 种六 、 常 用 的 菌 种 保 藏 方 法 、 原 理 以 及 各 自 的 适 用 对 象原 理 ： 采 用 低 温 干 燥 缺 氧 、 缺 乏 营 养 ， 添 加 保 护 剂 或 酸 度 中 和 剂 等 方 法 ， 使 微 生 物 处 于 代 谢 不 活 泼 ， 生 长 受 抑 制的 环

18、境 中 。（ 1） 蒸 馏 水 悬 浮 法 ： 好 氧 性 细 菌 和 酵 母 菌（ 2） 斜 面 传 代 保 藏 ： 放 线 菌 、 酵 母 菌（ 3） 霉 菌 矿 物 油 浸 没 保 藏 ： 丝 状 真 菌 、 酵 母 菌 、 细 菌 、 放 线 菌 、 担 子 菌 （ 各 类 菌 ）（ 4） 干 燥 载 体 保 藏 （ 沙 土 管 保 藏 ） ： 产 孢 子 微 生 物（ 5） 冷 冻 干 燥 法 （ 超 低 温 冷 冻 保 藏 、 普 通 冷 冻 保 藏 、 液 氮 冷 冻 保 藏 ） ： 各 大 类6六 、 菌 种 复 壮 定 义 ： 狭 义 菌 种 已 发 生 衰 退 的 情 况

19、下 ， 通 过 纯 种 分 离 和 测 定 生 产 性 能 等 方 法 ， 从 衰 退 的 群 体 中 找 出少 数 尚 未 衰 退 的 个 体 ， 从 而 达 到 恢 复 该 菌 原 有 典 型 性 状 的 目 的 。 广 义 ： 在 菌 种 的 生 产 性 能 尚 未 衰 退 前 ， 就 经 常 有 意 识的 进 行 菌 种 分 离 和 生 产 性 能 的 测 定 工 作 ， 从 而 逐 步 提 高 菌 种 的 生 产 特 性 。七 、 纯 种 分 离 的 方 法 （ 稀 释 分 离 法 ） （ 平 板 划 线 法 ） （ 组 织 分 离 法 ）八 、 种 子 的 扩 大 培 养 ： 是

20、指 将 保 存 在 砂 土 管 ， 冷 冻 干 燥 管 中 处 于 休 眠 状 态 的 生 产 菌 种 接 入 试 管 斜 面 活 化 后 ， 在 经过 扁 瓶 或 摇 瓶 及 种 子 罐 逐 级 放 大 培 养 而 获 得 一 定 数 量 和 质 量 的 纯 种 过 程 。 这 些 纯 种 培 养 物 成 为 种 子 。细 菌 孢 子 的 制 备孢 子 制 备 霉 菌 孢 子 的 制 备实 验 室 种 子 制 放 线 菌 孢 子 的 制 备备 种 子 扩 大 培 养 液 体 种 子 制 备生 产 车 间 种 子 制 备九 、 影 响 种 子 质 量 的 因 素 ： （ 接 种 量 ） （ 种

21、 龄 ） （ 孢 子 的 质 量 ） （ 培 养 基 ） （ 培 养 条 件 ）影 响 孢 子 质 量 的 因 素 ： （ 培 养 基 ） （ 培 养 条 件 ） （ 培 养 时 间 ） （ 冷 藏 时 间 ）十 、 种 子 罐 级 数 的 确 定 ：种 子 罐 是 指 ： 制 备 种 子 需 要 逐 级 扩 大 培 养 的 次 数 ， 主 要 取 决 于 两 个 方 面 菌 种 生 长 特 性 ， 孢 子 发 芽 及 菌 体 繁 殖 速 度 所 采 用 发 酵 罐 的 容 积十 一 、 接 种 量 ： 是 指 移 入 的 种 子 液 体 积 和 接 种 后 培 养 液 体 积 的 比 例第

22、三 章 发 酵 机 制 及 发 酵 动 力 学1、 概 念 不 同在 微 生 物 的 新 陈 代 谢 中 ， 一 般 将 微 生 物 从 外 界 吸 收 各 种 营 养 物 质 ， 通 过 分 解 代 谢 和 合 成 代 谢 ， 生 成 维 持 生 命 活 动的 物 质 和 能 量 的 过 程 ， 称 为 初 级 代 谢而 次 级 代 谢 是 相 对 于 初 级 代 谢 而 提 出 的 一 个 概 念 。 一 般 认 为 ， 次 级 代 谢 是 指 微 生 物 在 一 定 的 生 长 时 期 ， 以 初 级 代谢 产 物 为 前 体 ， 合 成 一 些 对 微 生 物 的 生 命 活 动 无

23、明 确 功 能 的 物 质 的 过 程2产 物 不 同初 级 代 谢 的 产 物 ， 如 单 糖 或 单 糖 衍 生 物 、 核 苷 酸 、 维 生 素 、 氨 基 酸 、 脂 肪 酸 等 单 体 以 及 由 它 们 组 成 的 各 种 大 分 子聚 合 物 ， 如 蛋 白 质 、 核 酸 、 多 糖 、 脂 质 等 生 命 必 需 物 质 。通 过 次 级 代 谢 合 成 的 产 物 称 为 次 级 代 谢 产 物 ， 大 多 是 分 子 结 构 比 较 复 杂 的 化 合 物 ， 可 将 其 分 为 抗 生 素 、 激 素 、 生物 碱 、 毒 素 等 类 型 ， 次 级 代 谢 产 物

24、可 积 累 在 细 胞 内 ， 但 通 常 都 分 泌 到 细 胞 外 ， 有 些 与 机 体 的 分 化 有 一 定 的 关 系 ， 并 在同 其 它 生 物 的 生 存 竞 争 中 起 着 重 要 的 作 用 。73存 在 范 围 不 同初 级 代 谢 的 代 谢 系 统 ， 它 是 一 类 普 遍 存 在 于 各 类 微 生 物 中 的 一 种 基 本 代 谢 类 型 。次 级 代 谢 只 存 在 于 某 些 微 生 物 中 ， 并 且 代 谢 途 径 和 代 谢 产 物 因 生 物 不 同 而 不 同 ， 就 是 同 种 生 物 也 会 由 于 培 养 条 件不 同 而 产 生 不 同

25、 的 次 级 代 谢 产 物 。4对 微 生 物 的 作 用 不 同通 过 初 级 代 谢 ， 能 使 营 养 物 转 化 为 结 构 物 质 、 具 生 理 活 性 物 质 或 为 生 长 提 供 能 量 ， 因 此 初 级 代 谢 产 物 ， 通 常 都 是机 体 生 存 必 不 可 少 的 物 质 ， 只 要 在 这 些 物 质 的 合 成 过 程 的 某 个 环 节 上 发 生 障 碍 ， 轻 则 引 起 生 长 停 止 ， 重 则 导 致 机 体 发生 突 变 或 死 亡 ， 是 一 种 基 本 代 谢 类 型 。 次 级 代 谢 产 物 一 般 对 菌 体 自 身 的 生 命 活

26、动 无 明 确 功 能 ， 不 参 与 细 胞 结 构 组 成 ，也 不 是 酶 活 性 必 需 的 ， 不 是 机 体 生 长 与 繁 殖 所 必 需 的 物 质 ， 即 使 在 次 级 代 谢 的 某 个 环 节 上 发 生 障 碍 ， 也 不 会 导 致 机 体生 长 的 停 止 或 死 亡 ， 至 多 只 是 影 响 机 体 合 成 某 种 次 级 代 谢 产 物 的 能 力 。 但 许 多 次 级 代 谢 产 物 通 常 对 人 类 和 国 民 经 济 的发 展 有 重 大 影 响5同 微 生 物 生 长 过 程 的 关 系初 级 代 谢 自 始 至 终 存 在 于 生 活 的 菌

27、体 中 ， 同 菌 体 的 生 长 过 程 呈 平 行 关 系 ， 只 有 微 生 物 大 量 生 长 ， 才 能 积 累 大 量 初级 代 谢 产 物 。 次 级 代 谢 则 是 在 菌 体 生 长 到 一 定 时 期 内 （ 通 常 是 微 生 物 的 对 数 生 长 期 末 期 或 稳 定 期 ） 产 生 的 ， 它 与 机 体的 生 长 不 呈 平 行 关 系 ， 一 般 可 明 显 地 表 现 为 菌 体 的 生 长 期 和 次 级 代 谢 产 物 形 成 期 二 个 不 同 的 时 期 。6对 环 境 条 件 的 敏 感 性 或 遗 传 稳 定 性 上 明 显 不 同初 级 代 谢

28、 产 物 对 环 境 条 件 的 变 化 敏 感 性 小 （ 即 遗 传 稳 定 性 大 ） ， 而 次 级 代 谢 产 物 对 环 境 条 件 变 化 很 敏 感 ， 其 产 物的 合 成 往 往 因 环 境 条 件 变 化 而 停 止 。7相 关 酶 的 专 一 性 不 同相 对 来 说 催 化 初 级 代 谢 产 物 合 成 的 酶 专 一 性 强 ， 催 化 次 级 代 谢 产 物 合 成 的 某 些 酶 专 一 性 不 强 ， 因 此 在 某 种 次 级 代谢 产 物 合 成 的 培 养 基 中 加 入 不 同 的 前 体 物 时 ， 往 往 可 以 导 致 机 体 合 成 不 同

29、类 型 的 次 级 代 谢 产 物 。另 外 ， 催 化 次 级 代 谢 产 物 合 成 的 酶 往 往 是 一 些 诱 导 酶 ， 它 们 是 在 菌 体 对 数 生 长 末 期 或 稳 定 生 长 期 里 ， 由 于 某 种 中间 代 谢 产 物 积 累 而 诱 导 机 体 合 成 的 一 种 能 催 化 次 级 代 谢 产 物 合 成 的 酶 ， 这 些 酶 通 常 因 环 境 条 件 变 化 而 不 能 合 成 。第 四 章 发 酵 工 业 培 养 基 及 原 料 处 理一 、 培 养 基 要 满 足 ： 满 足 菌 的 生 长 ， 促 进 菌 的 生 成二 、 发 酵 培 养 基 一

30、 般 含 有 五 大 方 面 的 要 素 ： 碳 源 、 氮 源 、 无 机 盐 及 微 量 元 素 、 水 ， 以 及 生 长 因 子 、 前 体 、 产 物 促进 剂 和 抑 制 剂 等 。 发 酵 培 养 基 一 般 有 三 种 分 类 方 法 ， 按 原 料 的 化 学 纯 度 不 同 分 为 ： 天 然 合 成 培 养 基 、 合 成 培 养 基和 半 合 成 培 养 基 ； 按 培 养 基 的 物 理 状 态 不 同 分 为 ： 固 体 培 养 基 、 液 体 培 养 基 和 半 固 体 培 养 基 ； 按 培 养 基 的 用 途 不 同 分为 ： 孢 子 培 养 基 、 种 子 培 养 基 、 发 酵 培 养 基三 、 常 用 的 碳 源 ： 葡 萄 糖 、 糖 蜜 、 酯 类 、 烃 类 、 （ 淀 粉 、 糊 精 需 要 先 糖 化 ）常 用 的 氮 源 ： 氨 水 、 蛋 白 胨 、 尿 素8四 、 工 业 发 酵 中 培 养 基 按 照 用 途 分 实 验 室 常 用 培 养 基 、 发 酵 生 产 中 常 用 培 养 基选 择 培 养 基实 验 室 常 用 的 培 养 基 鉴 别 培 养 基孢 子 培 养 基发 酵 生 产 中 常 用 的 培 养 基 种 子 培 养 基发 酵 培 养 基