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1、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近代发酵工程建立初期1665英国人胡克制作的显微镜观察到了霉菌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
2、机物、无机物等各种营养源 可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）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 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
3、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 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
4、 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;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
5、酵和连续发酵.常见发酵设备的类型1. 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
6、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1试管液体培养仅适用于培养兼性好氧菌 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
7、液体发酵方式 Y 发酵罐深层培养生产中常见的固定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;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
8、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酵Ml( 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放线菌担子菌藻类三、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
9、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（3）(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一般操作步骤抑制不需要的菌类目的菌种的分离：透明圈法、变色圈法、生长圈法、抑菌圈法、(6)五、发酵高产菌株的选育方法酵Ml样品的采取一预处理一培养一菌落的选择一初筛一复筛一性能的鉴定一菌种保藏自然选育、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，生长受抑制的环境中；（1）蒸馏水悬浮法：好氧性细菌和酵母
10、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：各大类六、菌种复壮定义：狭义菌种已发生衰退的情况下，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：是指将保存在砂土管，冷冻干燥管中处于休眠状态的生
11、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；I细菌孢子的制备孢子制备霉菌孢子的制备放线菌孢子的制备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三章发酵机制及发酵动力学需看课本代谢调节十二、分批发酵和连续发酵的关系十三、初级代谢产物
12、和次级代谢产物的关系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
13、型次级代谢产物可积累在细胞内，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；3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；
14、次级 代谢产物一般对菌体自身的生命活动无明确功能，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
15、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；十四、如何选育抗反馈调节的突变菌
