1、發(fā)酵工程發(fā)酵工程（Fermentation Engineering）指在最適發(fā)酵條件下，在發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生 產(chǎn)代謝產(chǎn)物的技術。 發(fā)酵工程主要包括代謝工程和發(fā)酵工藝兩個主要內(nèi)容發(fā)酵工程主要包括代謝工程和發(fā)酵工藝兩個主要內(nèi)容 1.天然發(fā)酵時代，2.純培養(yǎng)時期，3.通氣攪拌技術時期，4.代謝控制發(fā)酵技術，5.現(xiàn)代生物 技術時期 1.材料的預處理材料的預處理 包括原材料的選擇，必要的物理和化學方法加工，即培養(yǎng)基的制備過程，包括其配制和滅 菌等 2.生物催化劑的制備生物催化劑的制備生物反應的催化劑酶基本上是由微生物產(chǎn)生的 3.生化反應器及發(fā)應條件的選擇與監(jiān)控生化反應器及發(fā)應條件的選擇與監(jiān)控 生物反應器是進行生物反應的核心設備，生物反應主要是在生物反應器中進行的，它為微 生物細胞或酶提供合適的反應條件以達到細胞增殖或產(chǎn)品形成的目的 細胞融合技術、基因操作技術等生物技術發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新細胞融合技術、基因操作技術等生物技術發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新 的有用的微生物的有用的微生物 1、微生物的特性、微生物的特性 微生物能在不同條件下生長， ， 微生物能夠

2、利用簡單的有機物和無機物滿足自身的生長 微生物能進行復雜的代謝 微生物能利用較復雜的化合物 工業(yè)化生產(chǎn)菌種的要求工業(yè)化生產(chǎn)菌種的要求 能夠利用廉價的原料，簡單的培養(yǎng)基，大量高效地合成產(chǎn)物 有關合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡單，或者說菌種改造的可操作性要強 遺傳性能要相對穩(wěn)定 不易感染它種微生物或噬菌體產(chǎn)生菌及其產(chǎn)物的毒性必須考慮 生產(chǎn)特性要符合工藝要求 放線菌（鏈霉素四環(huán)素；紅霉素等）放線菌（鏈霉素四環(huán)素；紅霉素等） 真菌（青霉素、頭孢等真菌（青霉素、頭孢等 代謝控制發(fā)酵：代謝控制發(fā)酵：用人工誘變的方法，有意識地改變微生物的代謝途徑，最大限度地積累產(chǎn) 物，這種發(fā)酵形象地稱為代謝控制發(fā)酵，最早在氨基酸發(fā)酵中得到成功應用 氨基酸生產(chǎn)菌的要求氨基酸生產(chǎn)菌的要求 代謝途徑比較清楚，代謝途徑比較簡單 菌種分離的一般過程菌種分離的一般過程 土樣的采取土樣的采取- 預處理預處理 培養(yǎng)培養(yǎng) 菌落的選擇菌落的選擇 產(chǎn)品的鑒定產(chǎn)品的鑒定 目的：高效地獲取一株高產(chǎn)目的產(chǎn)物的微生物目的：高效地獲取一株高產(chǎn)目的產(chǎn)物的微生物 采樣時要注意的問題采樣時要注意的問題 氣候、水分、空氣，氣候、水分、空氣， ，來源要廣，來源要

3、廣， ，結(jié)合產(chǎn)品的特點，結(jié)合產(chǎn)品的特點， ，標簽：地點、時間、氣候等，標簽：地點、時間、氣候等 目的微生物富集目的目的微生物富集目的 讓目的微生物在種群中占優(yōu)勢，使篩選變得可能讓目的微生物在種群中占優(yōu)勢，使篩選變得可能 富集的三種方案富集的三種方案 定向培養(yǎng):采用特定的有利于目的微生物富集的條件，進行培養(yǎng) 當不可能采用定向培養(yǎng)時，則可設計在一個分類學中考慮 不能提供任何有助于篩選產(chǎn)生菌的信息，這時只能通過隨機分離的辦法 菌落的選出菌落的選出 從產(chǎn)物角度出發(fā) 有目的的設計培養(yǎng)基有目的的設計培養(yǎng)基 從形態(tài)的角度 菌落的外觀形態(tài)，是微生物的一個重要表征菌落的外觀形態(tài)，是微生物的一個重要表征菌株選育、分子改造目的菌株選育、分子改造目的 防止菌種退化 解決生產(chǎn)實際問題 提高生產(chǎn)能力 提高產(chǎn)品質(zhì)量 開發(fā)新產(chǎn)品 方法方法 基因突變 基因重組 基因的直接進化 傳統(tǒng)的誘變方法仍然是一種采用的方法，特別是自然選育是工業(yè)發(fā)酵穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保證 培養(yǎng)基：培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細胞生長 繁殖所需的一組營養(yǎng)物質(zhì)和原料 作用：作用： 滿足菌體的生長滿足菌體的生長 促進產(chǎn)物的形成促進產(chǎn)物的形成 發(fā)酵

4、培養(yǎng)基的要求：發(fā)酵培養(yǎng)基的要求： 1 滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟的合成 2 形成的副產(chǎn)物少 3 原料應因地制宜，價格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運輸，適合大規(guī)模儲藏， 能保證生產(chǎn)上的供應。 4 能滿足總體工藝的要求 培養(yǎng)基的類型及功能培養(yǎng)基的類型及功能 1、按純度、按純度 ：合成培養(yǎng)基 天然培養(yǎng)基 2、按狀態(tài)：、按狀態(tài)： 固體培養(yǎng)基 半固體培養(yǎng)基 液體培養(yǎng)基 3、按用途、按用途 ： 孢子（斜面）培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基三種 選擇合適的無機氮源有兩層意義：選擇合適的無機氮源有兩層意義：1 滿足菌體生長 2 穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的 pH 有機氮源有機氮源選取時和使用過程中，必須考慮原料的波動對發(fā)酵的影響 氮源使用的一些相關問題氮源使用的一些相關問題： 1 有機氮源和無機氮源應當混合使用 2 有些產(chǎn)物會受氮源的誘導和阻遏 3 有機氮源選取時也要考慮微生物的同化能力 4 開發(fā)效果好、有針對性的有機氮源仍然是令人感興趣 生長因子、前體和產(chǎn)物促進劑生長因子、前體和產(chǎn)物促進劑 生長因子：微生物生長不可缺少的微量的有機物質(zhì)生長因子：微生物生長不可缺少的微量的有機物質(zhì) 前體前體 ：指某些化合物加入到發(fā)

5、酵培養(yǎng)基中，能直接彼微生物在生物合成過程中合成到 產(chǎn)物物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較 大的提高 前體使用時普遍采用流加的方法前體使用時普遍采用流加的方法 產(chǎn)物促進劑：產(chǎn)物促進劑： 所謂產(chǎn)物促進劑是指那些非細胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入 后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。 培養(yǎng)基成分選擇的原則：菌培養(yǎng)基成分選擇的原則：菌種的同化能力 代代謝的阻遏和誘導 合合適的 C、N 比 pH 的要求 使實際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個目標使實際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個目標 培養(yǎng)基設計的步驟培養(yǎng)基設計的步驟 根據(jù)前人的經(jīng)驗和培養(yǎng)基成分確定時一些必須考慮的問題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分 通過單因子實驗最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分； 當培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問題就是各成分最適的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減 少實驗次數(shù)常采用一些合理的實驗設計方法。 種子擴大培養(yǎng)的概念種子擴大培養(yǎng)的概念:指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜 面活化后，再經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng),最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程 擴大培養(yǎng)的

6、目：擴大培養(yǎng)的目： 1 接種量的需要接種量的需要 2 菌種的馴化菌種的馴化 3 縮短發(fā)酵時間、保證生產(chǎn)水平縮短發(fā)酵時間、保證生產(chǎn)水平 種子的要求：種子的要求：總量及濃度，生理狀況穩(wěn)定，活力強，能夠迅速生長，無雜菌污染 發(fā)酵種子制備： 斜面孢子培養(yǎng)：斜面孢子培養(yǎng)：25、7 天天, 注意濕度注意濕度 50%左右左右 培養(yǎng)基特點：有利于長孢子，用量少而精細培養(yǎng)基特點：有利于長孢子，用量少而精細1、斜面、斜面 (AS1.299)： 32，生長，生長 18-24 小時小時 培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，原料比較精細 生長斜面要求：生長良好，所使用斜面連續(xù)傳代不超過 3 次 2. 一級種子：一級種子： 裝液 200-250ml,32培養(yǎng) 12 小時。 培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，所使用的原料已經(jīng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，所使用的原料已經(jīng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基 3. 二級種子：二級種子： 32培養(yǎng) 7-10 個小時 培養(yǎng)基的特點：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)基的特點：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基 實驗室階段：實驗室階段：不用種子罐，所用的設備為培養(yǎng)箱、搖床等實驗室常見設備，在

7、工廠這些培 養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因此現(xiàn)象地將這些培養(yǎng)過程稱為實驗室階段的種子培養(yǎng) 生產(chǎn)車間階段：生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進行，一般在工程歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地 稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車間階段。 1、培養(yǎng)物選擇的原則、培養(yǎng)物選擇的原則 對于不產(chǎn)孢子和芽胞的微生物對于不產(chǎn)孢子和芽胞的微生物獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌體 對于產(chǎn)孢子的微生物：對于產(chǎn)孢子的微生物：獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的孢子， ，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌絲體 實驗室階段：實驗室階段： 培養(yǎng)基選擇的原則：培養(yǎng)基選擇的原則：有利于菌體的生長，對孢子培養(yǎng)基應該是有利于孢子的生長 起始接種物的傳代目的：使菌種的傳代次數(shù)盡可能的少起始接種物的傳代目的：使菌種的傳代次數(shù)盡可能的少 孢子培養(yǎng)時注意濕度，子斜面使用一般不超過 1 個月 在生產(chǎn)車間階段在生產(chǎn)車間階段 最終一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體因為：最終一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體因為：菌絲體直接生長，孢子還需要萌發(fā) 培養(yǎng)基選擇的原則：首先考慮的是有利于孢子的發(fā)育和菌體的生長，所以營養(yǎng)要比發(fā)酵培培養(yǎng)基選擇的原則：首先考慮的是有利于孢子的發(fā)育和菌體的生長，所以營養(yǎng)要比發(fā)酵培 養(yǎng)基豐富

8、養(yǎng)基豐富 發(fā)酵級數(shù)確定的依據(jù)：發(fā)酵級數(shù)確定的依據(jù)： 級數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長特性、接種量的影響 級數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般 2-4 級。 在發(fā)酵產(chǎn)品的放大中，反應級數(shù)的確定是非常重要的一個方面 移入種子的體積移入種子的體積 接種量接種量 10%左右左右接種后培養(yǎng)液的體積接種后培養(yǎng)液的體積 雙種：雙種：兩個種子罐接種到一個發(fā)酵罐中。 倒種：倒種：一部分種子來源于種子罐，一部分來源于發(fā)酵罐 種齡：種齡：種子罐中培養(yǎng)的菌體開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間。對數(shù)生長期末對數(shù)生長期末 發(fā)酵過程反應的描述 X S（底物）（底物） X（菌體）（菌體） P（產(chǎn)物）（產(chǎn)物） 發(fā)酵過程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力 單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速 基質(zhì)的消耗比速： 菌體的生長比速： 產(chǎn)物的形成比速：ds dt X Xds dt X X比生長速率：1/h，有一個精確的生物學含義：它表示在固定的生長時間內(nèi)由已有的數(shù)量確 定的個體產(chǎn)生的新個體數(shù)。數(shù)值越大，群體中產(chǎn)生新個體的速率也越大 已建立動力學模型

9、的類型已建立動力學模型的類型 機制模型: 根據(jù)反應機制建立 現(xiàn)象模型（經(jīng)驗模型）：目前大多數(shù)模型：菌體的生長比速S：限制性基質(zhì)濃度Ks：半飽和常數(shù)max: 最大比生長速度 在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)： S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的 max，Ks 和 td? 將數(shù)據(jù)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3S 6 33 64 153 221max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L tdln2/ max0.64h Pirt 方程方程 a + b a=0、b0： 可表示一類發(fā)酵可表示一類發(fā)酵a0、b=0： 可表示二類發(fā)酵可表示二類發(fā)酵 a0、b0：可表示三類發(fā)酵：可表示三類發(fā)酵 維持消耗維持消耗(m) ：指維持細胞最低活性所需消耗的能量 細胞的進入速率細胞的流出速率細胞的生長速率細胞的死亡速率細胞的積累速率細胞的進入速率細胞的流出速率細胞的生長速率細胞的死亡速率細胞的積累速率 D 在連續(xù)培養(yǎng)技術中稱為稀釋速率，用符號在連續(xù)培養(yǎng)技術中稱為稀釋速率，用符號“D”表示表示基于限制性營養(yǎng)成分的物料平衡基于限制性營養(yǎng)成分的物料平衡 養(yǎng)分進入系統(tǒng)的速率養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率用于生長的養(yǎng)分消耗的速率用于維持的養(yǎng) 分消耗的速率用于產(chǎn)物形成的養(yǎng)分消耗的速率養(yǎng)分在系統(tǒng)中積累的速率 溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需是需氧微生物生長所必需 比耗氧速度或呼吸強度（比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內(nèi)單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，）：單位時間內(nèi)

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