1、发酵工程与设备 发酵工程：即是应用生物学，化学和工程技术学原理，大规模培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。工业化发酵过程：1)微生物生物量 2）微生物酶 3）微生物代谢产物 4）基因重组产物 5）微生物转化初级代谢产物：在对数期产生，供给细胞生长的物质。（产生初级代谢的生长阶段又称营养期） 次级代谢产物：在指数期后期的减速期和稳定期形成，对细胞代谢无明显影响的物质；在连续培养时，当微生物以低生长速率即缓慢生长而不是停止生长时也产生次级代谢。微生物转化：生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但经济上更有价值的化合物，这个过程称为微生物转化。菌种筛选的一般过程：土样的采
2、取预处理培养菌落的选择产品的鉴定菌种的选育，改造目的：1.防止菌种退化 2.解决生产实际问题 3.提高生产能力 4.提高产品质量 5.产生新产品反馈调节系统：主要包括反馈抑制和反馈阻遏。反馈抑制是生物化学途径的末端产物抑制途径中某个催化酶的活性（通常是第一个反应）；反馈阻遏是生物化学途径的末端产物组织反应途径中某个催化酶的合成（阻遏发生在基因水平）无分支代谢途径：仅有一个产物的代谢途径。菌种保藏的基本原理：根据微生物的生理生化特性，人为的创造条件，使微生物处于代谢不活跃、生长繁殖受到抑制的休眠状态，以减少菌种的变异。菌种的退化：指整个菌体在多次接种传代过程中逐渐造成菌种发酵力或繁殖力下降或发酵
3、产物得率降低的现象 发酵工程菌种的扩大培养：具体指将保存砂土管或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，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养，从而获得一定数量和质量的纯种。这些纯种培养物称为种子。菌种的扩大培养程序：实验室种子制备（斜面菌种的培养、摇瓶种子培养）；生产车间种子制备培养基：是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物(满足菌体的生长、促进产物的形成）。发酵工业培养基组成成分：碳源、氮源 、无机盐及微量元素、水、生长因子、前体、产物促进剂、诱导物和抑制剂、螯合剂、缓冲剂、需氧量、消泡剂前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被
4、微生物利用在生物合成过程中结合到产物分子中去，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 生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物。产物促进剂：是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 淀粉酸水解原理：淀粉各类糊精麦芽糖葡萄糖淀粉酸水解的工艺流程：原料（淀粉、水、盐酸）调浆糖化冷却中和、脱色过滤除杂糖液培养基灭菌的定义：是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去 对数残留定律：微生物的热死亡速率与任一瞬时残活菌数成正比（通常的灭菌度为 10-3）保证分批灭菌成功的要素 1.内部结构合理(主要是无死角)，焊缝及轴
5、封装置可靠，蛇管无穿孔现象2.压力稳定的蒸汽 3.合理的操作方法。灭菌过程中以下两种类型的反应会使营养物质质量下降：1.培养基中营养成分间相互反应，如美拉德反应（棕色反应，主要由碳水化合物和氨基酸类或蛋白质反应产生）2.热敏感物质的降解，如氨基酸、蛋白质、维生素在蒸汽灭菌时可被降解。发酵培养基的过滤除菌机理：1.惯性作用 2.扩散作用 3.静电吸附 4.拦截作用过滤介质类型：1.过滤介质孔径小于颗粒直径 2. 过滤介质孔径大于颗粒直径（非固定孔径过滤主要通过惯性作用、扩散作用和静电吸附来阻滞颗粒；固定孔径过滤经拦截作用阻滞颗粒） 一般地，发酵生产要求空气无菌度（染菌率）为 10-3单根纤维过滤
6、除菌的机理： 1.惯性捕集作用 2.扩散作用 3.静电吸附 4.拦截捕集作用 5.重力沉降作用空气过滤除菌设备：1 粗过滤器 2 空气贮罐 3 空气冷却器 4 气液分离器 5 空气过滤器空气处理流程:1、高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程(两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到 3035 ，第二级冷却至 2025，经分水后加热到 3035 ，因为温度升高，相对湿度下降) 2、冷热空气直接混合式空气除菌流程 (特点 ：省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高
7、温压缩空气混合，使混合后的空气温度为 3035 ，相对湿度为5060%) 发酵动力学：是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素，是发酵动力学研究的重要方法。分批发酵：是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方式。放 分批培养过程中菌体生长曲线：可分为调整期、对数生长期、平衡期和衰亡期四个阶段稳定期和衰退期出现的原因：1、底物的消耗 2、其他营养物质不足 3、氧的供应不足 4、抑制物的积累 5、生物空间不足得率 (或产率，转化率，Y)：包括生长得率 (Yx/s)和产物得率(Yp/s)。
8、是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。生长得率：是指每消耗 1g(或 mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重量(g)，即 Yx/s=X/S。产物得率：是指每消耗 1g(或 mo1)基质所合成的产物的克数(或 mol 数) 。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量(So-S)。转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比基质比消耗速率qs,g(或 mo1)g 菌体h ：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。产物比生产速率qp，g(或 mo1)g 菌体h ：系指每克菌
9、体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速率或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。提高微生物生长得率的措施:1. 要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。2.要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营养物质，使碳源成为最终的限制性物质。3.须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代谢按所需方向进行。气升式发酵罐：特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等 类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式自吸式发酵罐：是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同4.在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染发酵
10、周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上即从第一罐接种经发酵到结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期连续发酵: 把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出便可使发酵过程连续化，并且使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法固态发酵：微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基的表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵氧的传递速率：通入发酵液中的气泡愈小，气泡与液体的接触面积就愈大，液体中氧的溶解速率也就愈快。增加溶氧速率的方法：a ）采用搅拌桨分散和打碎气泡 b）利用循环管中的泵
11、或螺旋桨增加液体的循环量，并使喷入或吸入的气体细化，增加气液两相的接触面积发酵罐的结构：主要包括罐体、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡罐、挡板、冷却装置、入孔、视镜以及管路罐体：1.防腐蚀 ，不锈钢 2.清洗、灭菌要求 3.安装、检修、观察要求 4.各种用途的接管机械消泡装置类型：1.耙式消泡器 2.涡轮式消泡器 3.离心式消泡器 4.碟片式消泡器空气分布装置：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。有单管和环形管动物细胞培养反应器：描述微生物需氧的物理量 1.比耗氧速度或呼吸强度（QO2 ）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g 菌-1h-1;2.摄氧率(r)：单位
12、时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。 CCr: 临界溶氧浓度 , 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度（一般对于微生物： CCr: 1 15%饱和浓度）。定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度。所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.影响需氧的因素：1. 菌体浓度 2.QO2 中 1）遗传因素 2）菌龄 3）营养的成分与浓度 4）有害物质的积累 5）培养条件氧从空气传到细胞以下 3 个步骤：1.氧从细胞传递到溶液 2.溶氧从发酵液传递到微生物细胞 3.细胞吸收溶氧补料分批发酵:补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵,它是以分批培养为基础，间歇或
13、连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。补料分批培养特点:与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点:1.可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧矛盾 2.避免在培养基中积累有毒代谢物，即代谢阻遏 3.不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产 方式 优点 缺点分批发酵一般投资小易转产、生产灵活分批发酵中某一阶段可获得高的转化率发酵周期短，菌种退化率小因放罐、灭菌等原因，非生产时间长经常灭菌会降低仪器寿命前培养和种子的花费大需较多的操作人员或自动控制系
14、统连续发酵1. 可实现有规律的机械、自动化2. 操作人员少3. 反应器体积小，非生产时间少4. 产品质量稳定5. 操作人员接触毒害物质的可能性小6. 测量仪器使用寿命长1. 操作不灵活2. 因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3. 若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大4. 必须不断排除一些非溶性的固型物5. 易染菌，菌种易退化1. 操作灵活 1. 非生产时间长补料发酵2. 染菌、退化机率小3. 可获得高的转化率4. 对发酵过程可实现优化控制5. 因经常灭菌会降低仪器使用寿命2. 需较多操作人员或计算机控制系统3. 操作人员接触一些病原和有毒产品可能性大供养和耗氧的平衡：1 ）控制生物
15、量浓度 2）控制比耗氧速率 3）既控制生物量浓度也控制比耗氧速率PH 对发酵的影响及控制：1.PH 对发酵的影响：1）影响酶活性 2）影响微生物细胞膜的带电状况3）影响培养基中某些营养物质的可给性 4）可改变培养基氧化条件 5）影响产物稳定性 6）影响某些微生物的形态 2.发酵过程中 PH 的调节：1）调节培养基配方 2）补料控制二氧化碳对发酵的影响：影响菌体生长、代谢产物积累，抑制某些发酵作用，影响细胞膜结构菌体污染的方法：1.选育抗噬菌体菌种 2.保护环境 预处理即物料的除杂、筛选和粉碎，热处理即物料的糊化、糖化和灭菌固体物料的筛选除杂设备：1.大麦粗选机是带有风力除尘的振动筛，筛面倾斜作
16、前后往复运动，称平摇倾斜筛 2.磁力除铁器固定形磁钢装置 3.大麦精选机 4.大麦分级机（平板分级筛和圆筒分级固体物料的粉碎种类：挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂粉碎粉碎机械：锤式粉碎机、辊式粉碎机、盘磨机固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）：采用一级或二级粉碎，主要部分：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等下游过程：即是将发酵液经过一系列单元操作，把目标产物提取分离出来，精制成为合格的产品的过程。下游过程一般包括 4 个阶段： 发酵液的预处理和固液分离 初步纯化高度纯化（精馏）成品的最后加工发酵产物的提取分离纯化各阶段的每个步骤都有若干单元操作可以选用，其中包括常见的单元操作，如离心过怒萃取浓缩各种色谱
17、技术等发酵产物的提取精制方法的优化与工艺设计的目标是产率高品质优成本低 操作简便 无环境污染。过滤速度的强化：降低滤饼比阻力降低绿叶黏度悬浮液中悬浮固体的浓度热处理提高过滤压力差分离因数：在离心分离中同一颗粒的离心力 Fc 与所受重力 Fg 的比值表示离心分离强度的大小，该比值称为离心分离因数。用 Kc 表示膜分离技术：利用人工制造的多孔薄膜介质，在推动力的作用下，实现对不同大小分子进行过滤分离膜的定义：是指能将流体分隔成两部分，厚度小于 0.5，对流体中的物质可按大小不同进行分离的薄层物质膜的基本特性： 1.耐压能力强 2.热稳定性好 3.耐酸碱 4.化学稳定性 5.生物稳定性膜的特性参数:
18、1. 孔道特征 2.水通量为单位时间内通过单位面积的水体积流量，也叫透水率 3.截留率和截留分子量 4.压力特性 5.浓差极化指在膜分离过程中，由于水透过膜，因而再膜表面的溶质浓度增高，形成溶质的浓度梯度，在浓度梯度的作用下，溶质与水以相反方向扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用 6.膜的污染即随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降。污染是由膜劣化和水生物污垢所引起防止污染的方法：1. 预处理法 2.开发抗污染膜 3.加大供给液的流速可防止形成固结层和凝胶层净洗法分为：1.化学洗涤 2.物理洗涤膜组件：由膜、固体膜的支撑体、
19、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元，也称膜装置。分为平板式膜组件、卷式膜组件、管式膜组件、中空纤维膜组件错流过滤:原料液以切线方向流过膜表面，溶剂和小于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层污染层微滤：又称微孔过滤，是以静压差为推动力，利用膜的筛分作用进行物质分离的膜分离过程 基本原理： 1.表面截留作用（机械截留、物理或吸附截留、架桥截留）2.膜内部截留作用微滤的应用：1.实验室中的应用：微粒子检测、微生物检测 2.工业上的应用：制药工业、生物领域超滤：在静压差为推动力的作用下，原料液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜孔的小溶质粒子通过滤膜
20、，从而实现不同大小物质的分离。机理是机械筛分影响超滤的因素：1. 膜结构 2.溶质物理性质 3.压力 4.剪切力 5.溶质浓度 6.离子环境 7.温度 超滤的应用：1.在水处理中的应用 1）饮用水处理 2）地表水处理 3）海水淡化 4）废水处理 2.在食品及发酵工业中的应用 1）在乳品工业中的应用 2）大豆蛋白的制备 3.在生物工程与医药工业中的应用1）医药水的制备 2）生化药品的精选与提纯反渗透：是以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，通过反渗透膜的选择透过性使溶剂透过而离子物质被截留，从而实现对液体混合物进行分离的膜过程盐析：向蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使
21、蛋白质的溶解度降低而从溶液中析出的现象。影响盐析的因素： 1、中性盐的种类 2、蛋白质的种类 3、温度和 PH盐析法的应用：一、盐析剂的选择：1 、盐析作用强，具有较高的离子强度 2、溶解度大，且溶解度的变化小 3、对蛋白质的生物活性的影响小 4、经济、实惠。常用的吸附剂：1、活性炭 2、氧化铝 3、硅胶 4、大孔吸附树脂：影响：比表面积、孔容、平均孔径、孔径分布溶剂萃取法 利用物质在互不相溶的两项中溶解度的不同而将其分离的方法。特点：比化学沉淀法分离程度高，比离子交换法选择性好，比蒸馏法耗能低，生产能力大，周期短，容易实现自动化。萃取剂：在溶剂萃取中，被萃取的溶液称为料液，其中欲萃取的物质称
22、为溶质，用于进行萃取的溶剂的溶剂称为萃取剂。工业萃取包括 3 个步骤：混合、分离和溶剂回收。 1、单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器。2、多级错流萃取：料液经萃取后的萃余液再用新鲜的萃取剂进行萃取的方法。3、多级逆流萃取离子交换分离技术的基本原理：是基于不溶性高分子化合物作为层析物质的一种分离方法。离子交换树脂的操作：1 、离子交换树脂的选择 2、操作条件的选择：PH、浓度、洗脱条件 3、离子交换树脂的预处理、转型、再生和保存概念：蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，通过将液体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性，实现分离目的。酒精粗镏塔 作用：是将发酵成熟谬中的酒精和所有的挥发
23、性杂质蒸出，在正常操作的情况下，要求酒槽中的酒精含量在 0.04%以下。塔板的类型及结构：一、泡罩塔板：1 、优点：操作十分稳定，对设计的准确性要求低，其负荷有较大变动时对操作十分稳定。 2、缺点：结构复杂，成本高，生产能力低，降压大。二、SD 型泡罩塔板：优点：a 、上升蒸气流通路的面积比普通泡罩大 24 倍，这样允许较高的气速和液速 b、气流与液流并行，液面落差小，所以在大液流下塔板仍能平稳操作 c、结构比一般泡罩板简单，制造、安装方便，造价低。发酵热 ：所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空
24、气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。临界溶氧浓度 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度粗镏塔的主要技术参数及其控制：生产能力为每平方米塔的横截面积日产酒精 2500035000L，塔板层数 2226 层，塔板间距 400500mm。精馏塔 作用：1、把粗镏塔的酒精蒸气提取到产品要求的浓度 2、分离杂质使产品质量达到要求的标准。一、精馏塔主要技术参数及其控制：生产能力为每平方米塔的横截面积日产酒精 3000040000L，塔板层数 6070，踏板间距 300350mm排醛塔和脱甲醇塔：一：排醛塔
25、作用于排除头级杂质，二、生产能力为每平方米塔的横截面积日产酒精 80000120000L，塔板层数 3040 层，塔板间距 280320mm。脱甲醇塔：1、作用：进一步脱除精馏塔来的 95%96%酒精中的甲醇，还能在除去部分头级杂质，进一步提高酒精的纯度。2、生产能力：每平方米塔的横截面积日产酒精 100000150000L，塔板层数5055 层，塔板间距 250300mm.塔板的操作范围：1、物沫夹带 2、泄露 3、降液管超负荷 4、液体负荷 5、淹塔概念：结晶：将过饱和溶液缓慢冷却或蒸发，使溶质析出的过程。蒸发：是将稀溶液加热沸腾，是溶剂汽化从而使溶液浓缩的过程。结晶设备 概念：晶体是具有
26、一定的几何形状，一定颜色的固体，物质自溶液智能光成晶体状态析出，或从熔融状态受冷时成晶体状态凝结的过程为结晶。起晶方法：1、自然起晶 2、刺激起晶法 3、晶种起晶法结晶是被的类型和特点 一、根据改变溶液浓度的方法可将结晶设备可分为：浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设备。 二、设计结晶设备应注意的因素：应考虑溶液的性质、黏度、杂质的影响，结晶温度，结晶体的大小和形状、结晶长大速度特性等条件。搅拌结晶箱的结构：1、立式搅拌结晶箱 2、等电点结晶罐 3、卧式搅拌结晶箱 4、真空煮晶锅 干燥：是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。干燥的方法：1、空气干燥 2、加热面积。传热干燥 3、红外线干燥
27、4、冷冻升华干燥 5、微波干燥干燥器的选型：1 、气流干燥分：直管式、脉冲管式、旋风式。2、沸腾干燥：单层多室卧式和沸腾造粒干燥 3、喷雾干燥分：气流式、压力式和离心式。麦芽干燥设备：目的：1 、停止绿麦芽的生长和分配的分解作用 2、除去多量的水分，防止麦芽腐败变质，便于储藏 3、使麦根干燥，便于脱落除去 4、除去绿麦芽的生腥味，增加麦芽的色、香、味。气流干燥设备：一：原理：是利用高速气流将潮湿的粉、粒、块状物料分散而又悬浮于气流中，一边与热气流并流运输，一边进行干燥，最终达到干燥的目的。二、特点：a、干燥强度大 b、干燥时间短c、运行经济 d、设备简单 e、对某些物料不适用搅拌热 ：在机械搅
28、拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关大规模生产菌种的要求：1 ）发酵周期短 2）能在廉价原料制作的发酵培养基上迅速生长并产生大量合成目的产物 3）菌种生长条件易控制 4）产物易于提取 5）菌种不易被污染 6）菌种无毒害 7）菌种遗传特性稳定，不易退化样品预处理的方法:1) 物理方法：热处理，膜过滤，离心法 2）化学方法：添加某些化学成分 3）诱饵法：诱饵富集菌种设计过量生产产物的培养基的基本原则：1.配制一系列培养基，使其中某类型营养物质（如C,N,P,O）为限制性基质 2.对生长所需的每类营养物质
29、用其不同形式的物质来提供 3.用一种聚合的或络合形式的营养物质作为生长限制性基质 4.避免使用容易吸收的碳源（葡萄糖）或氮源（NH4+ ），这些能导致分解阻遏 5.提供辅助因子（ CO3+,Mg2+,Mn2+,Fe2+等）6. 使用能减缓 PH 变化的物质菌种的选育，改造方法：1）诱变育种（利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，使其突变频率大幅提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变菌株，以供生产实践和科学研究用。此法有简单、快速、收效显著等特点，能提高产量、改善产品质量、增加品种、简化工艺）2 ）杂交育种(两个基因型不同的菌株通过接合，使遗传物质重新
30、组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株)3）原生质体融合 (首先用酶分别酶解两个出发菌株的细胞壁，在高渗环境中释放出原生质，将他们混合，在助溶剂或电场作用下，使他们相互融合，促使两套基因间接触、交换、遗传重组，在适宜条件下细胞壁再生，在再生的细胞中获得重组体。此法打破了种属间的界、提高重组频率、扩大重组幅度) 4）基因工程育种（是指按照人们的愿望将某一生物的遗传信息在细胞外与载体连接，构建一个新的重组 DNA 分子，然后将其转入另一些生物体细胞中，使其在受体细胞中复制、转录、翻译，从而使生物体的遗传性状发生定向编译，以最大限度满足人类活动的需要。此法可大量发酵生产特定的基因产物和药物，还可改进传
31、统的发酵工艺，提高菌种的发酵性能）分支代谢途径：1.顺序反馈抑制: 当代谢途径有两个末端产物时，他们都不直接抑制途径中第一个酶的活性，而是分别抑制各自分支的反应，造成中间产物的累积，然后中间产物再反馈抑制主反应（只有当两个末端产物都过量存在时，才会对途径中的第一个酶有一只作用）。2.同工酶的反馈抑制：代谢途径的第一个反应有两个同工酶，他们分别被两种末端产物抑制，只有这两种末端产物同时过量，反应才会被抑制。3.协同反馈抑制：在分支代谢途径中，几种末端产物同时过量时，才对途径中的第一个酶产生抑制作用，如果某个末端产物单独过量，则对代谢途径的第一个酶无抑制作用或抑制作用很小。4.累积反馈抑制：在分支
32、代谢途径中，各种末端产物单独过量时，他们各自能对催化代谢途径中第一个反应的酶产生一定得抑制作用，总的抑制效果是累加的，并且各个末端产物所产生的抑制作用互不影响。5.增效反馈抑制：在一个分支代谢途径中，几种末端产物单独过量时，也仅对途径的第一个酶产生部分的抑制。但当每种末端产物都过量时，其抑制作用则超过各种各种末端产物单独过量时抑制的总和。菌种保藏的方法：1.斜面保藏法是将微生物在适宜的斜面培养基和温度条件下培养并长势良好后，放入 45冰箱中国保藏，一般保存期为 3 到 6 个月，到后期需重新传种再行保藏 2.定期移植低温保藏法是把培养好的斜面菌种放在低温干燥处保存，间隔一定时间需重新进行移植培
33、养，依菌种特性而定（少数用冷冻保存易死亡的菌种可采用本法）3.穿刺保藏法是低温保藏法的一种改进，用于各好气型细菌的保藏。方法是将含 0.6%0.8%琼脂的培养基试管，灭菌直立放置冷凝后，用接种针挑取少量菌体、垂直刺入琼脂培养基中心，经培养后，微生物在穿刺处和培养基表面均可生长，然后覆盖 23mm 的无菌液体石蜡，放入冰箱保存，可至 6-12 个月 4.液氮保藏法是将浓的菌悬液加入灭菌的保护剂中 5.甘油低温保藏法是利用微生物在甘油中生长和代谢受到抑制的原理达到保藏目的 6.沙土保藏法适于芽孢杆菌、放线菌、曲霉等的保藏 7.冷冻干燥保藏法采用干燥、低温、缺氧的条件保藏菌种 8.麸皮保藏法 9.悬
34、液保藏法原理是寡营养保藏，即微生物悬浮在不含养分的溶液中菌种的退化原因：一是保藏不妥；二是菌种生长的要求未得到满足菌种的复壮（防止菌种退化）：1.菌种的提纯 2.通过寄主体进行复壮 3.淘汰已衰退个体 4.选择适合的培养条件种子需具备的条件：菌种细胞的生长活力强，接种后在发酵罐中能迅速生长生理性状稳定菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求无杂菌污染（不带杂菌）生产能力稳定发酵过程中的种子培养和发酵的异常现象：菌体生长缓慢、菌丝结团、菌体老化、代谢不正常影响种子质量的主要因素：1. 培养基 2.接种龄和接种量 3.温度 4.PH 5.通气与搅拌 6.泡沫 7.染菌的控制 8.种子罐级数的确定发酵
35、培养基的要求： 培养基能够满足产物最经济的合成 发酵后所形成的副产物尽可能的少 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等发酵培养基的配制原则：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所合成产物数量或最大产率 3)有利于提高培养基和产物的浓度，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 6)原料价格低廉，质量稳定，取材容
36、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，降低能耗 8)有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”的物质发酵过程中泡沫产生的模式：1.在整个发酵过程泡沫量保持稳定，起初取决于培养基，然后取决于微生物的活动 2.发酵前期泡沫持续减少，然后保持稳定。起初泡沫与培养基有关，之后微生物活动不再影响起泡 3.起初泡沫轻微下降，然后上升。培养基队泡沫影响较小，主要是微生物活动影响 4.发酵开始泡沫有一个较低水平，然后上升，主要取决于微生物活动 5.较复杂的泡沫生产模式，可能是以上两种或两种以上的混合模式泡沫解决办法：1. 改用合成培养基和改进某些物理参数 2.利用消泡剂
37、 3.利用机械消泡器理想消泡剂应具有的特性：1.易于分散，作用迅速 2.用量少 3.作用时间长，能防止新泡沫的产生 4.不被微生物代谢利用 5.对微生物无毒 6.对人和动物无毒 7.对产物提取或纯化没任何影响 8.对操作不产生任何危害 9.价格便宜 10.不影响溶氧 11.可进行加热灭菌淀粉水解糖的制备方法：1. 酸解法以酸为催化剂，在高温高压下将淀粉转化为葡萄糖的方法。2.酸酶法先将淀粉用酸水解成糊精或低聚糖，再用糖化剂水解成葡萄糖。3. 酶酸法将淀粉先用 淀粉酶液化，然后用酸水解成葡萄糖。4.双酶法用淀粉酶和糖化酶将淀粉水解成葡萄糖的工艺。灭菌的必要性（目的）：1.使生物反应的基质或产物，
38、因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降。2.杂菌也会产生代谢产物，这就使产物的提取更加困难，造成得率降低，产品质量下降。3.有些杂菌会分解产物，使生产失败 4.杂菌大量繁殖后，会改变反应液的 pH 值，使反应异常 5.如果发生噬菌体污染，生产菌细胞将被裂解，使生产失败。培养基灭菌的目的： 1.生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；2.在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主 3.杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难 4.杂菌会降解目的产物；5.杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品；6.发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌灭菌方式：分批灭菌（将
39、培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到灭菌温度后维持一段时间，再冷却到发酵额温度，然后接种发酵。优点：1.能极大地保持培养基的质量 2.易于放大 3.易于自动化控制 4.减少蒸汽用量 5.降低蒸汽量的波动 6.在一定程度上可减缓发酵罐的腐蚀 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）连续灭菌（将配置制好的培养基在向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却。优点：1.设备成本低 2.染菌风险低 3.易于人工控制 4.易于处理含高比例固体物质的培养基 缺点：设备比较复杂，投资较大）连续灭菌流程：1.间接加热连续灭菌（优点：灭菌温度高，时间短，对营养物质破坏少，可有效节约能源
40、。缺点：投资费用高）2.直接加热连续灭菌流程（优点：加热时间短、可用于含悬浮颗粒的培养基、成本低、易清洁维护、蒸汽利用高；缺点：加热过程易产生泡沫，与培养基直接接触的蒸汽要求允许对灭菌对象进行稀释且要求是不含腐蚀性添加剂）空气除菌的方法：1、热杀菌（将空气加热到一定温度后保温一定时间,使微生物蛋白热失活而致死。） 2.辐射杀菌（高能阴极射线、X 射线、 射线、紫外线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫外线用的较多，它在波长 226.5nm-328.7nm 时杀菌最强。一般用于无菌室、手术室杀菌） 3. 静电除菌（利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘的目的。静电除菌对很小的微粒效率很低）
41、4. 过滤除菌（绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。介质过滤是目前工业上用的较多的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等。）常用过滤介质（要求吸附性、阻力小、空气流量大、能耐干热）：1.传统过滤介质：棉花、活性炭、玻璃纤维（更换过滤介质时将造成碎末飞扬，使皮肤发痒，甚至过敏）、超细玻璃纤维纸（有较高过滤效率和较低过滤阻力，但机械强度差，容污量小）、石棉滤板（耐湿，受潮不易穿孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间长）2.新型过滤介质：烧结材料过滤介质、微孔滤膜（是
42、由高分子聚合物经压制、热熔黏结或在适当溶剂、添加剂和成孔剂中成膜而制成的薄膜，孔径均匀，过滤精度高）分批发酵的特点:1. 微生物所处的环境是不断变化的 2.可进行少量多品种的发酵生产 3.发生杂菌污染能够很容易终止操作 .4.当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策 5.对原料组成要求较粗连续培养的特点：1. 恒定状态可以有效地延长分批培养中的对数生长期 2.在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如营养物质浓度和产物浓度）均处于不随时间而变化的稳定状态之下，甚至还可以根据需要来调节生长速率 3.连续培养系统大大提高了发酵的生产效率和设备利用率。连续培养的原理:
43、1、基于细胞量的物料平衡 (细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细胞的积累速率 )2、基于限制性营养成分的物料平衡 (养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于生长的养分消耗速率用于维持的养分消耗速率用于产物形成的养分消耗速率养分在系统中的积累速率)固态发酵的特点: 1.原料来源广，价格低廉 2.在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌 3.能耗低 4.固态发酵的产物回收一般步骤少，费用也省优点:1.培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理 2.消耗低，供能设备简易 3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉 4.设备和技术较简易，后处理方便 5.产物浓度较高，后处
44、理方便缺点: 1. 菌种限于耐低水活性（aw ）的微生物，菌种选择性少2.发酵速度慢，周期较长 3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量 4.工艺参数难检测和控制 5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大发酵罐的设计制造要求：1. 设备能在几天内保证无菌状态运行，在长期运行过程中是可靠地 2.设备能提供充足的空气与充分的搅拌来满足微生物代谢的需要 3.设备耗能尽可能低 4.设备应具有温控系统 5.设备应具有 PH 控制系统 6.设备应具有取样装置 7.设备蒸发损失不应过大 8.设备操作、清洗和维护的人工应尽可能的少 9.设备应有一定通用性 10.设备内表面保证光滑，过渡处应尽可能用圆
45、角取代尖角 11.不同容积的设备应该具有相似的几何形状，便于按比例放大 12.在满足使用要求的情况下，设备材质成本应尽可能低机械搅拌发酵罐的基本条件：a) 发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越长，氧的利用率越高，一般的高度与直径之比为 1.74 倍左右 b) 要能承受一定压力。由于发酵罐在消毒及正常运转时，罐内有一定压力（气压和液压）和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受相当的压力 c) 发酵用的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵必需的溶解氧 d) 应具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件 e) 罐内应尽量减少死角，避
46、免藏污积垢，灭菌能彻底，避免染菌 f) 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。搅拌器和挡板：1.搅拌器作用:打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率。其次是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态 2.搅拌器的类型:1）圆盘平直叶涡轮 2）圆盘弯叶涡轮 3）圆盘箭叶涡轮 3.挡板的作用:加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型、消除涡流。冷却列管也可起挡板的作用 轴封：作用是对罐顶和罐低之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。1.填料函式轴封：优点结构简单；缺点 1）死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏染菌 2）轴的磨损情况较严重 3）填料压紧后摩擦功率消耗大 4）寿命短，经常维
47、修，耗工时多 2.端面轴封:优点 1)清洁 2）密封可靠，不易或很少泄露 3）无死角，可防止杂菌污染 4）使用寿命长 5）摩擦功率损耗小 6）轴或轴套不受磨损 7）对轴的精度和光洁度没填料轴封要求那么严格，对轴的整栋敏感性小 缺点：结构复杂，装拆不便，对动环及静环的表面光洁度及平直要求高，否则容易泄漏气升环流式反应器的特点：1.反应溶液分布均匀 2.较高的溶氧速率和溶氧效率 3.剪切力小 4.传热良好 5.结构简单 6.操作和维修方便自吸式发酵罐 优点：1.节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积 2.减少工厂发酵设备投资约 30左右 3.设
48、备便于自动化、连续化，降低老定强度，减少劳动力 4.设备结构简单，溶氧效率高，操作方便缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌带升式罐特点：1.结构简单，冷却面积小 2.无搅拌传动设备，节约动了约 50，节约钢材；操作无噪音 3.料液可充满达 8090，而不需加消泡剂 4.维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染 缺点：不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低伍式发酵罐：主要部件是套筒、搅拌器。工作原理：搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体
49、相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。这种发酵罐多应用纸浆废液发酵生产酵母。缺点：结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高文氏管发酵罐：1.工作原理：用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧 2.优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省 3.缺点：气体吸入量与液体循环量之比降低，对于耗氧量较大的微生物发酵不适宜微生物反应通风搅拌罐放大的方法：1. 以体积溶氧系数为基准的放大 2. 以单位培养液体积搅拌功率相等为基准的放大 3.以搅拌涡轮尖端线速率为基准的比拟放大 4.以混合时间相等为基准的比拟放大比拟放大涉及的因素：1. 菌种的扩大培养，发酵规模增大了，就要增加菌种扩大培养 2.灭菌，灭菌与发酵规模关系密切 3.环境参数（营养的可给性、PH、温度、溶氧浓度、剪切条件、溶解的 CO2 浓度、泡沫的产生量）、规模扩大，生物的环境也发生变化Kla 值的测定方法：1. 亚硫酸盐氧化法（测量在铜或钴作催化剂下，0.
