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1、发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程发酵工程：利用微生物（或动植物细胞）的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术。发酵工业特点 发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。 可用较廉价原料生产较高价值产品。 反应专一性强。 能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的 化合物进行特定部位的生物转化修饰。 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。 菌种是关键。 发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制。 发酵工业的范围 微生物菌体
2、 酶制剂 代谢产物 生物转化 微生物特殊机能的利用工业发酵的类型按微生物对氧的不同需求：厌氧发酵，需氧发酵，兼性厌氧发酵按培养基的物理性状：液体发酵（包括液体深层发酵） 固体发酵 （浅盘固体发酵，深层固体发酵） 按发酵工艺流程：分批发酵补料分批发酵连续发酵（单级恒化器连续发酵，多级恒化器连续发酵，带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵） 发酵工业菌种的保藏n 斜面低温保藏法n 矿油封藏法n 冷冻真空干燥法n 液氮超低温保藏法基本原理：根据微生物生理生化特点，人工创造条件使微生物的代谢处于不活泼生长繁殖受抑制的体眠状态。按生产流程和作用可以将培养基分为斜面培养基：供微生物细胞生长繁殖或保藏菌种使用，
3、供给细胞生长和繁殖所需各类营养物质。 斜面培养基特点：富含有机氮源，少含或不含糖分。有机氮有利于菌体的生长繁殖，能获得更多的细胞。对于放线菌或霉菌的产孢子培养基，氮、碳源不宜太丰富，否则易长菌丝而少形成孢子。斜面培养基中宜加入少量无机盐类，供给必要的生长因子和微量元素。种子培养基：扩大菌种，短时间内获得数量多、质量高的大量菌种，以满足发酵生产的需要。种子培养基特点：1营养丰富完全，氮源和维生素等生长因子的含量高些；2供孢子萌发的培养基中，加入一些易于吸收利用的C、N源，便于孢子发芽生长；3pH要稳定；4最后一级尽可能接近发酵培养基，常加入少量发酵合成期才大量需要的物质。发酵培养基：发酵生产中最
4、主要的培养基，不仅需要大量的原材料，而且也是决定发酵生产成功与否的主要因素。 发酵培养基特点营养丰富完全，有利于产物合成；1.不能大量加入快C、快N源，应和慢C、N源相结合；2.在产物分泌期间，pH 稳定；3.加入适量合成所需的物质，如前体等，进行定向发酵；4.采用中间补料，以提高发酵单位；5.原料的考虑成本问题发酵培养基的C、N成分及来源 1.碳源：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分 提供合成目的产物所必须的碳成分2.氮源：氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。 无机氮源可以满足菌体生长，稳定和
5、调节发酵过程中的ph。有机氮源的作用是提供氮和大量无机盐和生长因子。染菌的不良后果 n 消耗营养n 合成新产物；菌体自溶、发粘等造成分离困难n 改变pHn 分解产物n 噬菌体破坏极大分批灭菌与连续灭菌的比较 连续灭菌优 点1.高温短时灭菌，培养基 营养成分损失少。2.发酵罐占用时间缩短， 利用率高。缺 点1.设备复杂，操作麻烦, 染菌机会多。2.蒸汽波动时灭菌不彻底3.不适合含大量固体物 料的灭菌。分批灭菌优 点1.设备要求低，不需另外 加热、冷却装置。2.操作要求低，适合小批 量生产规模3.适合含大量固体物料的 灭菌缺 点1.培养基的营养物质损 失大，灭菌后培养基 质量下降2.发酵罐的利用率
6、较低3.不适合大规模生产的 灭菌。致死温度：导致生物体热死的最低温度。n 有一发酵罐内装40m3培养基，在1210C温度下实罐灭菌，原污染程度为每1ml有2.5105个耐热细菌芽孢，已知1210C时灭菌速度常数k=1.8min-1，求灭菌失败机率为0.001时所需时间。 解：N0 = 401062.5105 = 1013(个) Nt = 0.001(个) k = 1.8(min-1) (Nt/N0) = -kt t = 2.303/klg(N0/Nt) = 2.303/1.8lg(1016) =20.47(min)发酵对无菌空气的要求：无菌、无灰尘、无杂质、无水、无油、正压。种子培养：是指将保
7、存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶或扁瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。优良种子应具备的条件 生长活力强，延迟期短； 生理状态稳定； 浓度及总量能满足发酵罐接种量的要求； 无杂菌污染，保证纯种发酵； 适应性强，生产能力稳定发酵过程特点 多相：气相、液相和固相 多组分：培养基中多种营养成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功能的大、中、小分子化合物。 非线性：细胞代谢过程用非线性方程描述。 复杂群体的生命活动代谢产物形成的动力学模型类型及特点类型： 型。又称为生长相关型，或称生长连动型； 型。又称为生长部分
8、相关型，或称部分生长连动型； 型。又称为非生长相关型，或称非生长连动型。 特点：型。在这种类型的发酵中，微生物的生长、碳水化合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行的，营养期和分化期彼此不分开。型。在分批发酵中，这种类型产物的形成分成两个极限：起初，微生物消耗大量底物用于产能代谢和生长，而产物形成很缓馒，甚至根本不形成此后，当微生物的生长速率开始减慢后，细胞开始大量消耗底物以合成产物对这类产物来说，营养期和分化期在时间上是彼此分开的型。在这一类型的发酵中，起初是微生物的初级代谢和菌体生长，而没有产物的合成。此时，营养物质的消耗非常大当培养基中的营养物质消耗尽、微生物的生长停止以后，产物才开始通
9、过中间代谢大量合成。即产生该类产物的微生物，其营养期和分化期在时间上是完全分开的分批、连续、补料操作方式的比较分批发酵优点1 一般投资小2 易转产、生产灵活3 分批操作中某一阶段可获得高的转化率4 发酵周期短，菌种退化率小缺点1 因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2 经常灭菌会降低仪器寿命3 前培养和种子的花费大4 需较多的操作人员或自动控制系统连续发酵优点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缺点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
10、备，投资较大4必须不断地排除一些非溶性的固型物5 易染菌，菌种易退化补料发酵优点1 操作灵活2 染菌、退化几率小3 可获得高的转化率4 对发酵过程可实现优化控制缺点1 非生产时间长2 需较多的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的可能性大氧在微生物发酵中的作用 构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一 呼吸作用。在呼吸链的电子传递系统末端作为电子受体 作为中间体直接参与一些生物合成反应 氧为神马是好氧发酵的限制性因素 常温常压下，氧在水中的溶解度极低 培养液中含有大量有机物和无机盐，氧的溶解度比水中还低 氧的溶解度随着温度的升高，培养液固形物或粘度的增加而下降发酵过程中溶
11、氧变化异常原因引起溶氧异常下降的原因：（1）污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗；（2）菌体代谢发生异常，需氧要求增加；（3）某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢；消泡剂加入过多；（4）影响供氧的工艺操作如停止搅拌、闷罐等。引起溶氧异常升高的原因（1）主要是耗氧出现改变，如菌体代谢异常，耗氧能力下降 （2）污染烈性噬菌体影响发酵温度变化的因素v 产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌）v 散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）PH的影响和控制 影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢； 影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通
12、透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄； 影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收； pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。 影响氧的溶解和氧化还原电势的高低； pH值影响孢子发芽；pH的控制方法 调节好基础料的pH。在基础料中加入维持pH的物质。通过补料调节pH。 当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。 选择合适的pH调节剂 发酵的不同阶段采取不同的pH值PH对发酵的影响pH影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离pH影响代谢方向 常用的一些消泡剂：v 天然油脂；v 高碳醇、脂肪酸和酯类；v 聚醚类；v 硅酮类；应用消泡剂时的增效方法： 加载体增效。 消泡剂并用增效。 乳化消泡剂增效。n 按照发酵罐设备特点分类：通用式搅拌罐、气升式发酵罐 、管道式反应器、自吸式发酵罐、伍式发酵罐 。 发酵罐的构件和作用发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器搅拌装置：打碎气泡，产生涡流，造成湍流，动量传递。挡板作用：改变液流方向，由径向流轴向流，促使流体翻动，增加传质和混合消泡器作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。空气分布器作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀换热装置
