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(xì)胞和生 產(chǎn)代謝產(chǎn)物的技術(shù)。 發(fā)酵工程主要包括代謝工程和發(fā)酵工藝兩個(gè)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(gè)主要內(nèi)容 1.天然發(fā)酵時(shí)代，2.純培養(yǎng)時(shí)期，3.通氣攪拌技術(shù)時(shí)期，4.代謝控制發(fā)酵技術(shù)，5.現(xiàn)代生物 技術(shù)時(shí)期 1.材料的預(yù)處理材料的預(yù)處理 包括原材料的選擇，必要的物理和化學(xué)方法加工，即培養(yǎng)基的制備過(guò)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(yīng)的催化劑酶基本上是由微生物產(chǎn)生的 3.生化反應(yīng)器及發(fā)應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控生化反應(yīng)器及發(fā)應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控 生物反應(yīng)器是進(jìn)行生物反應(yīng)的核心設(shè)備，生物反應(yīng)主要是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行的，它為微 生物細(xì)胞或酶提供合適的反應(yīng)條件以達(dá)到細(xì)胞增殖或產(chǎn)品形成的目的 細(xì)胞融合技術(shù)、基因操作技術(shù)等生物技術(shù)發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新細(xì)胞融合技術(shù)、基因操作技術(shù)等生物技術(shù)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(zhǎng)， ， 微生物能夠

2、利用簡(jiǎn)單的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物滿足自身的生長(zhǎng) 微生物能進(jìn)行復(fù)雜的代謝 微生物能利用較復(fù)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(jià)的原料，簡(jiǎn)單的培養(yǎng)基，大量高效地合成產(chǎn)物 有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡(jiǎn)單，或者說(shuō)菌種改造的可操作性要強(qiáng) 遺傳性能要相對(duì)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(shí)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(yīng)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(jiǎn)單 菌種分離的一般過(guò)程菌種分離的一般過(guò)程 土樣的采取土樣的采取- 預(yù)處理預(yù)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(shí)要注意的問(wèn)題采樣時(shí)要注意的問(wèn)題 氣候、水分、空氣，氣候、水分、空氣， ，來(lái)源要廣，來(lái)源要

3、廣， ，結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)， ，標(biāo)簽：地點(diǎn)、時(shí)間、氣候等，標(biāo)簽：地點(diǎn)、時(shí)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(shì)，使篩選變得可能讓目的微生物在種群中占優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行培養(yǎng) 當(dāng)不可能采用定向培養(yǎng)時(shí)，則可設(shè)計(jì)在一個(gè)分類(lèi)學(xué)中考慮 不能提供任何有助于篩選產(chǎn)生菌的信息，這時(shí)只能通過(guò)隨機(jī)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(shè)計(jì)培養(yǎng)基有目的的設(shè)計(jì)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(gè)重要表征菌落的外觀形態(tài)，是微生物的一個(gè)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(shí)際問(wèn)題 提高生產(chǎn)能力 提高產(chǎn)品質(zhì)量 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品 方法方法 基因突變 基因重組 基因的直接進(jìn)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(xì)胞生長(zhǎng) 繁殖所需的一組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料 作用：作用： 滿足菌體的生長(zhǎng)滿足菌體的生長(zhǎng) 促進(jìn)產(chǎn)物的形成促進(jìn)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(jì)的合成 2 形成的副產(chǎn)物少 3 原料應(yīng)因地制宜，價(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購(gòu)運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)藏， 能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。 4 能滿足總體工藝的要求 培養(yǎng)基的類(lèi)型及功能培養(yǎng)基的類(lèi)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(wú)機(jī)氮源有兩層意義：選擇合適的無(wú)機(jī)氮源有兩層意義：1 滿足菌體生長(zhǎng) 2 穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)程中的 pH 有機(jī)氮源有機(jī)氮源選取時(shí)和使用過(guò)程中，必須考慮原料的波動(dòng)對(duì)發(fā)酵的影響 氮源使用的一些相關(guān)問(wèn)題氮源使用的一些相關(guān)問(wèn)題： 1 有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用 2 有些產(chǎn)物會(huì)受氮源的誘導(dǎo)和阻遏 3 有機(jī)氮源選取時(shí)也要考慮微生物的同化能力 4 開(kāi)發(fā)效果好、有針對(duì)性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣 生長(zhǎng)因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑生長(zhǎng)因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑 生長(zhǎng)因子：微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)生長(zhǎng)因子：微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)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(guò)程中合成到 產(chǎn)物物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)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(shí)普遍采用流加的方法前體使用時(shí)普遍采用流加的方法 產(chǎn)物促進(jìn)劑：產(chǎn)物促進(jìn)劑： 所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的營(yíng)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(dǎo) 合合適的 C、N 比 pH 的要求 使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo)使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo) 培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的步驟培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的步驟 根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基成分確定時(shí)一些必須考慮的問(wèn)題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分 通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分； 當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問(wèn)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(shí)驗(yàn)次數(shù)常采用一些合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。 種子擴(kuò)大培養(yǎng)的概念種子擴(kuò)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(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過(guò)程 擴(kuò)大培養(yǎng)的

6、目：擴(kuò)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(shí)間、保證生產(chǎn)水平縮短發(fā)酵時(shí)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(qiáng)，能夠迅速生長(zhǎng)，無(wú)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(diǎn)：有利于長(zhǎng)孢子，用量少而精細(xì)培養(yǎng)基特點(diǎn)：有利于長(zhǎng)孢子，用量少而精細(xì)1、斜面、斜面 (AS1.299)： 32，生長(zhǎng)，生長(zhǎng) 18-24 小時(shí)小時(shí) 培養(yǎng)基特點(diǎn)：有利于菌體的生長(zhǎng)，原料比較精細(xì) 生長(zhǎng)斜面要求：生長(zhǎng)良好，所使用斜面連續(xù)傳代不超過(guò) 3 次 2. 一級(jí)種子：一級(jí)種子： 裝液 200-250ml,32培養(yǎng) 12 小時(shí)。 培養(yǎng)基特點(diǎn)：有利于菌體的生長(zhǎng)，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(diǎn)：有利于菌體的生長(zhǎng)，所使用的原料已經(jīng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基 3. 二級(jí)種子：二級(jí)種子： 32培養(yǎng) 7-10 個(gè)小時(shí) 培養(yǎng)基的特點(diǎn)：長(zhǎng)菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)基的特點(diǎn)：長(zhǎng)菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基 實(shí)驗(yàn)室階段：實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)設(shè)備，在

7、工廠這些培 養(yǎng)過(guò)程一般都在菌種室完成，因此現(xiàn)象地將這些培養(yǎng)過(guò)程稱為實(shí)驗(yàn)室階段的種子培養(yǎng) 生產(chǎn)車(chē)間階段：生產(chǎn)車(chē)間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進(jìn)行，一般在工程歸為發(fā)酵車(chē)間管理，因此形象地 稱這些培養(yǎng)過(guò)程為生產(chǎn)車(chē)間階段。 1、培養(yǎng)物選擇的原則、培養(yǎng)物選擇的原則 對(duì)于不產(chǎn)孢子和芽胞的微生物對(duì)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(duì)于產(chǎn)孢子的微生物：對(duì)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(shí)驗(yàn)室階段：實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)，對(duì)孢子培養(yǎng)基應(yīng)該是有利于孢子的生長(zhǎng) 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(shí)注意濕度，子斜面使用一般不超過(guò) 1 個(gè)月 在生產(chǎn)車(chē)間階段在生產(chǎn)車(chē)間階段 最終一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體因?yàn)椋鹤罱K一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體因?yàn)椋壕z體直接生長(zhǎng)，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(zhǎng)，所以營(yíng)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(zhǎng)，所以營(yíng)養(yǎng)要比發(fā)酵培 養(yǎng)基豐富

8、養(yǎng)基豐富 發(fā)酵級(jí)數(shù)確定的依據(jù)：發(fā)酵級(jí)數(shù)確定的依據(jù)： 級(jí)數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長(zhǎng)特性、接種量的影響 級(jí)數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般 2-4 級(jí)。 在發(fā)酵產(chǎn)品的放大中，反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定是非常重要的一個(gè)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(gè)種子罐接種到一個(gè)發(fā)酵罐中。 倒種：倒種：一部分種子來(lái)源于種子罐，一部分來(lái)源于發(fā)酵罐 種齡：種齡：種子罐中培養(yǎng)的菌體開(kāi)始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末 發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)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(guò)程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力 單位時(shí)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(shí)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(zhǎng)比速： 產(chǎn)物的形成比速：ds dt X Xds dt X X比生長(zhǎng)速率：1/h，有一個(gè)精確的生物學(xué)含義：它表示在固定的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由已有的數(shù)量確 定的個(gè)體產(chǎn)生的新個(gè)體數(shù)。數(shù)值越大，群體中產(chǎn)生新個(gè)體的速率也越大 已建立動(dòng)力學(xué)模型

9、的類(lèi)型已建立動(dòng)力學(xué)模型的類(lèi)型 機(jī)制模型: 根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立 現(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停耗壳按蠖鄶?shù)模型：菌體的生長(zhǎng)比速S：限制性基質(zhì)濃度Ks：半飽和常數(shù)max: 最大比生長(zhǎng)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(lèi)發(fā)酵可表示一類(lèi)發(fā)酵a0、b=0： 可表示二類(lèi)發(fā)酵可表示二類(lèi)發(fā)酵 a0、b0：可表示三類(lèi)發(fā)酵：可表示三類(lèi)發(fā)酵 維持消耗維持消耗(m) ：指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量 細(xì)胞的進(jìn)入速率細(xì)胞的流出速率細(xì)胞的生長(zhǎng)速率細(xì)胞的死亡速率細(xì)胞的積累速率細(xì)胞的進(jìn)入速率細(xì)胞的流出速率細(xì)胞的生長(zhǎng)速率細(xì)胞的死亡速率細(xì)胞的積累速率 D 在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中稱為稀釋速率，用符號(hào)在連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)中稱為稀釋速率，用符號(hào)“D”表示表示基于限制性營(yíng)養(yǎng)成分的物料平衡基于限制性營(yíng)養(yǎng)成分的物料平衡 養(yǎng)分進(jìn)入系統(tǒng)的速率養(yǎng)分流出系統(tǒng)的速率用于生長(zhǎng)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(zhǎng)所必需是需氧微生物生長(zhǎng)所必需 比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)

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