发酵工程 讲义

发酵工程 第一章 绪论 1、 发酵及发酵工程的概念 1、传统发酵 最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。 2、生化和生理学意义的发酵 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。 3、工业上的发酵 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括： 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。 发酵工程（Fermentation Biotechnology）: 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。 2、发酵工程技术的发展大致可分为哪几个阶 段，每段的技术特点是什么？ ? 1. 自然发酵时期:嫌气性发酵用于酒类酿造，好气性发酵用于酿醋、制曲。 ? 2. 纯培养技术的建立：人工控制环境条件使发酵效率迅速提高。 ? 3.通气搅拌好气发酵过程技术的建立：从分解代谢转为生物合成代谢，可以利用微生物合成积累大量有用的代谢产物。 ? 4.人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术的建立：遗传水平上控制微生物代谢。 ? 5. 发酵动力学、发酵工程连续化、自动化工程：以数学、动力学、化工原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的自动化控制的研究，使发酵过程的工艺控制更为合理。 ? 6. 微生物酶反应生物合成与化学合成反应结合工程技术：可生产许多过去不能生产的有用物质。 3、 发酵工业的应用范围 1. 酿酒工业（啤酒、葡萄酒、白酒）2. 食品工业（酱、酱油、食醋、腐乳、面包、乳酸）3. 抗生素工业（青霉素、链霉素、土霉素）4. 有机酸工业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂工业（淀粉酶、蛋白酶）6. 氨基酸工业（谷氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵工业(肌苷酸、肌苷) 8. 有机溶剂工业（酒精、丙酮）9. 维生素工业(VB2、VB12)10.生物能源工业（沼气、生物柴油）11.环境保护产业（废水生物处理）12.生理活性物质发酵工业 （激素） 13. 冶金工业(微生物探矿、石油脱硫)14.微生物菌体蛋白发酵工业（酵母、单细胞蛋白） 4、发酵工业的特点 与化学工程相比，发酵工程具有以下特点： 1、发酵过程是极其复杂的生物化学反应，与微生物细胞息息相关 2、通常在常温常压下进行，反应安全，需求条件也比较简单 3、发酵醪（包括固相、液相、气相，还含有活细胞体或菌丝体），属非牛顿流体，其特性影响因素很多，对发酵工程都有关联 4、具有严格的灭菌系统，以防止杂菌污染 如空气除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等 5、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，在同一发酵罐内进行 6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取一些特殊的工艺措施并选用合适的设备。如酶类避免过热。 5、液体发酵生产的一般工艺流程 (1)用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；（2）培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；（3）扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比例接种入发酵罐中；（4）控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物;(5)将产物提取并精制，以得到合格的产品。 6、发酵工业的类型 （1）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；（2）按培养基的物理性状：液体发酵（包括液体深层发酵）、浅层固体发酵、深层固体发酵（机械通风制曲）；（3）按发酵工艺流程：分批发酵、补料分批发酵、连续发酵;(4)按菌的种类：单菌种发酵、多菌种混合发酵（混合菌发酵）。 第二章 菌种与菌种扩大培养 1、 微生物工业对菌种的要求 （1） 能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成 产物 （2） 有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的 可操作性要强 （3） 遗传性能要相对稳定;(4) 不易感染它种微生物或噬菌体 (5)产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病 菌无关） (6) 生产特性要符合工艺要求 2、未培养微生物的概念 定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例，约为99。 3 菌种保藏方法及其特点 (1) 斜面低温保藏法：操作简单、使用方便，不需要特殊设备，能随时检查所保藏的菌株是否死亡、变异与污染杂菌等。（2）石蜡封存法：制作简单，不需要特殊设备。（3）沙土管保藏法：多用于产生孢子的微生物如霉菌、放线菌，因此在抗生素工业生产中应用最广，效果亦好，可保存 2 年左右。（4）真空冷冻保藏法：保存效果好，对各种微生物都适用。（5）液氮超低温保藏法：适用于一般微生物的保藏外，对于一些用于冷冻干燥法都难以保藏的微生物如支原体、衣原体、氢细菌，难以形成孢子的霉菌、噬菌体及动物细胞均可长期保藏，而且性状不变异。 4、新种分离与筛选步骤 样品的采集样品的处理目的菌富集培养分离纯化性能测定 菌种分离的一般过程: 土样的采取土样预处理 富集培养 菌种初筛-菌种复筛-性能鉴定-菌种保藏 5、样品采集注意的问题 1、采样时应尽可能保持相对无菌； 2、所采集的样本必须具有某种代表性； 3、采好的样必须完整地标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等； 4、应充分考虑采样的季节性和时间因素，因为真正的原地菌群的出现可能是短暂的； 5、采好的样应及时处理，暂不能处理的也应贮存于 4下，但贮存时间不宜过长。这是因为一旦采样结束，试样中的微生物群体就脱离了原来的生态环境，其内部生态环境就会发生变化，微生物群体之间就会出现消长 6、如何防止菌种退化 （1）控制传代次数；（2）选择合适的培养条件；（3）选择合适的保藏方法；（4）菌种稳定性检查；（5）分离复壮。 7、菌种选育分子改造具体有那些方法 8、种子扩大培养的目的与要求及一般步骤 目的与要求：不但要得到纯而壮的培养物，而且要获得活力旺盛的、 接种数量足够的培养物。 一般步骤：斜面菌种一级种子摇床培养二级种子罐培养三级种子罐扩大培养发酵罐 9、优良种子具备的条件 (1).生长活力强，延迟期短；(2).生理状态稳定；(3).浓度及总量能满足发酵罐接种量的要求；(4).无杂菌污染，保证纯种发酵；(5)适应性强，生产能力稳定 10、 种子罐级数确定方法 （1） 菌种的性质(如菌种传代后的稳定性)；（2）瓶中的孢子数，孢子发芽及菌丝繁殖度 (3)发酵罐中种子培养液的最低接种量（4）种子罐与发酵罐的容积比（5）生产规模（6）随工艺条件的改变作适当的调整 11、种龄、接种量、双种和倒种的概念 种龄：是指种子的培养时间。 接种量：移入的种子液体积和接种后培养液体的体积的比例 双种：两个种子罐接种到一个发酵罐中 倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源诜凸?12、影响种子质量的因素 1 原材料质量 2. 培养温度 3. 湿度 4. 通气与搅拌 5. 斜面冷藏时间 6. 培养基 7.PH 13、 种子质量控制的措施 (1) 菌种稳定性的检查 ;(2)测定其生产能力，从中挑选高产菌株，并及时对退化菌种进行复壮 (3)提供适宜的生长环境(4)种子无杂菌检查，保证纯种发酵 第二章 培养基的制备与灭菌 1、培养基的组成成分及培养基的类型 组成成分：碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等 培养基的类型：按培养基组成物质的化学成分 ：合成培养基、天然培养基。 （2） 按物理性质 ： 固体，液体（3）按用途 ： 选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等 2、 淀粉水解糖的制备方法及其特点 （1.）酸解法：酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法 优点：生产简单、设备要求简单、水解时间 短、设备生产能力大。缺点：要求耐腐蚀、耐高温、高压的设备、有副反应、对原料要求严格等。 （2）.酶解法（双酶水解法）：用淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖。 优点：反应条件温和；专一性强，转化率高； 可高浓度水解； 可使发酵培养基的组成简化；糖液质量高。缺点：反应时间长、设备多、需专门的培养条件、糖液过滤难。 3、糖蜜前处理的方法及其特点 （1）加酸通风沉淀法特点：可赶走SO2 或NO2 等有害气体以及挥发性 酸和其他挥发物质；可增加糖液中的含氧量，提高糖液的溶氧系数，以利微生物的增殖。（2）加热加酸沉淀法特点：对糖蜜中有害微生物的灭菌作用和胶体物质、灰分杂质的澄清沉降作用均较强。（3）添加絮凝剂澄清处理法特点：可大大缩短澄清时间。 4、生长因子、前体和促进剂的概念 生长因子：凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。 前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接在微生物生物合成过程中合成到产物分子中去，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 促进剂：指那些非细胞生长所必须的营养物，又称非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 5、灭菌与消毒的区别 灭菌：采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施，称为灭菌，例如各种高温灭菌措施等。 消毒：是一种采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。 6、 灭菌方法类型、微生物热阻、致死时间、致 死温度概念 灭菌方法类型：（1）培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法）(2)空气的过滤除菌(3)紫外线或电离辐射(4)化学药物灭菌 微生物热阻: 微生物的热阻就是指微生物对热的抵抗能力。 致死时间: 在致死温度下，杀死全部微生物所需 的时间。 致死温度: 杀死微生物的极限温度（10 分钟，全部死亡的温度） 7、湿热灭菌优缺点 优点：1、蒸汽来源容易，操作费用低廉，本身无毒 2、蒸汽具有很强的穿透力，灭菌易于彻底；3、蒸汽具有很大潜热，蒸汽冷凝放出2093kj/kg 的热量，蒸汽冷凝后的水分又有利于湿热灭菌；4、蒸汽输送可借助本身的压强，调节方便，技术管理容易。 缺点： 1、设备费用贵；2、不能用于怕受潮的物料灭菌。 8、分批灭菌的优缺点 优点：1.设备要求低，不需另外设置加热、冷却装置；2.操作要求低，适于手动操作；3.适合于小批量生产规模；4.适合于含有大量固体物质的培养基的灭菌。 缺点：1.培养基的营养物质损失较多，灭菌后培养基的质量下降；2.需进行反复的加热和冷却能耗较高；3.不适合于大规模生产过程的灭菌；4.发酵罐的利用率较低。 9、空气除菌的方法 （1）热杀菌原理：基于加热后微生物体内的蛋白（酶）热变性而得以实现。 （2）静电除菌原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的。 （3）介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。 （4）辐射杀菌：最常用的是用紫外光线进行无菌室灭菌。 10、介质过滤机理 发酵机制 1、发酵机制概念 发酵机制:微生物通过其代谢活动，利用基 质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律。 2、巴斯德效应及其机制 巴斯德效应:在好气条件下，酵母菌发酵能力下降（细胞内糖代谢降低，乙醇积累减少）；不仅存在于酵母中，也存在于具有呼吸和发酵能力的其他细胞中。 机制: 在好气条件下，糖代谢进入TCA 循环柠檬酸、ATP 抑制磷酸果糖激酶的合成- - 6-P-葡萄糖（积累） 反馈抑制己糖激酶 -抑制葡萄糖进入细胞内- 葡萄糖利用降低。同时，在好气条件下，丙酮酸激酶活性降低。另外，丙酮酸激酶活性降低也是由于磷酸果糖激酶活性降低所致。丙酮酸激酶活性 使磷酸烯醇式丙酮酸 反馈抑制己糖激酶活性 糖酵解速度 3、 柠檬酸发酵机制 (1) Mn2+缺乏抑制蛋白合成NH4 解除磷酸果糖激酶的代谢调节，促进 EMP 途径畅通有一条呼吸活动强的不产生 ATP 的侧呼吸链.(2)由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 和 CO2 的固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。(3)由于顺乌头酸水合酶在催化 时建立了以下平衡:柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7.同时控制 Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。(4)随着柠檬酸积累，pH 降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外。 4、 谷氨酸发酵机制 （1）内在方面：TCA 循环：在有机酸含量很高时，柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸酶等活性很高，促使谷氨酸大量生成，而 -酮戊二酸脱氢酶、异柠檬酸裂解酶的活力很弱，使糖代谢流入TCA 循环后受阻在 -酮戊二酸处，在有NH4+的情况下，由谷氨酸脱氢酶催化还原氨基化大量生成谷氨酸。DCA 循环：菌体内有机酸含量很低时，使DCA 运转进而生成草酰乙酸，以补充 TCA 缺少的C4 二羧酸。细胞膜通透性的改变：在发酵液中加生物素、表面活性剂等，使细胞膜通透性增大，终产物谷氨酸不断地排出细胞外，加快糖代谢的速度。 （2）外在环境因素方面：溶解氧：在O2 不足的情况下，谷氨酸会生成乳酸或琥珀酸，充足时生成 -酮戊二酸；PH 值：若 PH 值为58 则会生成谷氨酰胺或其他物质；磷酸：若环境中充满高浓度的磷酸盐则会生成缬氨酸；氨的导入：NH4+充足的情况下，由谷氨酸脱氢酶催化还原氨基化大量生成谷氨酸。若不足则会生成 -酮戊二酸。 第八章 发酵动力学 1、微生物培养方式及其特点 (1)分批发酵:准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典 型的非稳态过程。 优点：操作简单、投资少;运行周期短;染菌机会减少;生产过程、产品质量较易控制 缺点：不利于测定过程动力学，存在底物限制或抑制问题，会出现底物分解阻遏效应及二次生长现象。对底物类型及初始高浓度敏感的次级代谢物如一些抗生素等就不适合用分批发酵（生长与合成条件差别大）。养分会耗竭快，无法维持微生物继续生长和生产。非生产时间长，生产率较低 （2）连续发酵概念：在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。 特点： 添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。 补料分批培养：在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基，但不取出发酵液的发酵方式。 特点：由于培养基的加入，发酵液体积不断增加。 优点：可以解除底物的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段。 与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于：无菌要求低；菌种变异，退化少；适用范围更广。 2、补料培养的类型 （1）补料方式：连续流加；不连续流加；多周期流加。（2） 流加方式：快速流加；恒速流加；变速流加。（3）以补加的培养基成分来区分 ：单一组分补料；多组分补料。 3、连续培养的类型 （1） 罐式连续发酵：单级； 多级串联； 细胞回流式 （2）活塞流式连续发酵 4、连续培养的优缺点 优缺点：添加新鲜培养基，克服养分不足所导致的发酵过程过早结束，延长对数生长期，增加生物量等；在长时间发酵中，菌种易于发生变异，并容易染上杂菌；如果操作不当，新加入的培养基与原有培养基不易完全混合。 第九章 发酵工业中氧的供需 1、呼吸强度、摄氧率的概念及其关系 呼吸强度（QO2）：表示单位重量干菌体在单位 时间内所吸收的氧量。单位为mmolO2/（g 干菌体.h） 耗氧速率（r）：表示单位体积培养液在单位时间内的吸氧量单位为mmolO2/（L.h） 关系：r QO2X 式中X发酵液中菌体浓度（g/L) 2、临界氧浓度的概念 当氧浓度低时，呼吸强度 QO2 随溶解氧浓度 CL 增加而增加； 当溶解氧浓度达某一值后，CL 增加而 QO2 不变，此时的溶解氧浓度称为呼吸临界氧浓度用C 临界表示。它是维持微生物细胞进行正常呼吸所 需的最低浓度. 3、影响微生物耗氧的因素 （一）微生物的种类和生长阶段 1、微生物种类不同，其生理特性不同，代谢活动的需氧量不同；一般为25100mmolO2/（L.h） 2、同一菌种的不同生长阶段，其需氧量不同。一般生长阶段的摄氧率合成期的摄氧率 种子培养阶段总耗氧量C 长临，生长较好，各种代谢活动不受干扰 CL C 长临，多种生化代谢受影响，严重时会抑制菌体生长和产物合成的现象 （四）、培养条件 与PH、T 等有关。 一般，T ，营养愈丰富，QO2 ，C 临界 。 （五）CO2 的影响 CO2 是菌体代谢产生的气态终产物，在相同条件下，其溶解度为氧的 30 倍。如不能及时去除 CO2，就会影响菌体的呼吸，进而影响代谢活动。 4、影响氧传递的因素有那些，氧在传递过程 中的传质阻力有那些 供氧方面的阻力: 1）气膜阻力（ 1/k1 ）：2）气液界面阻力（1/k2）：3）液膜阻力（1/k3）： 4）液流阻力（1/k4）： 耗氧方面的阻力:1）细胞周围液膜阻力（1/k5），与发酵液的成分和浓度有关。2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6），与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3）细胞膜的阻力（1/k7）：与微生物的生理特性有关。4）细胞内反应阻力（1/k8） 5、氧传递方程、Kla 的概念及其物理意义 氧传递方程 N KLa （C*-CL） KLa 以浓度差为推动力的体积溶氧系数 6、根据传质方程式分析影响氧传递的因素 根据气液传质方程式 N KLa （C*-CL）看出，影响发酵过程中传递速率N（或供氧）的主要因素有推动力（C*-CL）和液相溶氧系数KLa。若能改变这两个因素，则能改变N，即改变发酵罐的供氧能力。 （一）、影响氧传递推动力的因素 若想 （C*-CL） C*或 CL （二）、影响KLa（液相体积溶氧系数）的因素 影响 KLa 的因素主要有搅拌、空气线速度（或空气流速）、空气分布器的形成、发酵液的理化性质、发酵罐的结构等。 7、 测定Kla 的方法 ? 用溶阳电极与氧气分析仪相配合，可直接测量实际发酵液中的容积传氧系数Kla ? 式中进，为常量：出可用氧气分析仪自排出气体测得，为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得。 8、什么是双膜理论 氧首先由气相扩散到气液两相的接触界面，再进入液相，界面的一侧是气膜，另一侧是液膜，氧由气相扩散到液相必须穿过这两层双膜理论。 第十章 发酵过程的控制 一、温度控制 1、发酵热概念及其组成 发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。它是引起发酵过程中温度变化的主要原因。 Q 发酵Q 生物Q 搅拌Q 蒸发Q 显Q 辐射 组成: 生物热（Q 生物产生菌在生长繁殖过程中产生的热能）、搅拌热（Q 搅拌液体与搅拌器等设钢淠敛娜攘?）、 蒸发热（Q 蒸发）和 Q 显水份蒸发所需的热量为蒸发热。水的蒸发热及排出气体因温度差异所带的部分显热（Q 显）都散失到外界。）辐射热（Q 辐射罐内外温度差使发酵液中部分热量通过罐体向大气辐射。） 2、温度对发酵的影响 （1）影响酶反应速率和产物生成：温度升高，反应速率加快，生长代谢加快，产物分泌期提前。但温度过高，易使酶失活，菌体易于衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。（2）影响发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成（3）影响生物合成的方向（4）影响酶系组成及酶的特性 3、最适温度控制 所谓最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的合成。对于不同的菌种和不同的培养条件以及不同的酶反应和不同的生长阶段，最适温度应有所不同。 1、最适温度的选择应考虑不同的发酵阶段：菌体生长（最适生长温度）产物合成（最适生产温度） 2、温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 如（1）通气条件较差的情况下，降低发酵温度对发酵有利 可提高氧的溶解度 降低菌体生长速率 减少氧的消耗量 弥补通气条件差所带来的不足 （2）培养基的成分和浓度大小也对温度的确定有影响：在使用易利用或较稀薄的培养基时，提高发酵温度对发酵不利。 发酵温度 营养物质代谢快，耗竭过早 导致菌体自溶 代谢产物的产量下降 二、pH 的控制 1、pH 对菌体生长和代谢产物合成的影响 1、PH 影响酶的活性：当 PH 抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻； 2、PH 影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的泄漏； 3、PH 影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用 4、PH 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 2、pH 的调节控制 PH 控制的方法： 应根据具体的情况，选用适宜的方法调节控制 PH值。 使发酵培养基的基础配方有适当的配比，特别是代谢产酸、产碱物质以及缓冲剂（如磷酸盐CaCO3 等）等成分的用量。直接补加酸（如H2SO4）或碱（如NaOH）来控制，现常用生理酸性物质（NH4）2SO4 和碱性物质氨水来控制。通过中间补料的方法调节控制PH 值 三、泡沫的控制 1、消泡方法 （1）机械消泡：是一种物理消泡的方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。 (2)化学消泡是利用外界加入消泡剂，使泡沫破裂的方法 2、化学消泡剂的特点及类型 特点：是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡作用迅速，效率高； 对气液界面的散布系数必须足够大，才能迅速发挥它的消泡作用 -要求消泡剂具有一定的亲水性； 在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡功能； 对微生物、人、畜无毒无害，不影响产物的提取和产品的质量； 不干扰溶解氧、PH 值等测定仪表使用，最好不影响氧的传递； 消泡剂来源方便，价格便宜。 类型：天然油脂类；高碳醇、脂肪酸和酯类；聚醚类；硅酮类 3、机械消泡类型 有罐内消泡和罐外消泡两种方法 罐内消泡：耙式消泡浆的机械消泡；旋转圆板式的机械消泡；气流吸入式的机械消泡；流体吹入式的机械消泡；冲击反射板式的机械消泡；碟式及超声波的机械消泡 罐外消泡 ：旋转叶片罐外消泡；喷雾消泡； 离心力消泡；旋风分离器消泡; 转向板式消泡 四、沽系目刂?1、补料的作用 产生菌的自溶期被推迟，生物合成 期延长，可维持较高的产物增长幅度和增加发酵的总体积，使产量大幅度上升；作为纠正异常发酵的一个重要手段。 2、补料内容 （一）补充微生物能源和C 源如添加葡萄糖、液化淀粉、天然油脂等（二）补充N 源 如蛋白胨、豆饼粉、花生饼、玉米浆、酵母粉、尿素等有机 N 源，或采用通氨工艺 （三）补充微量元素或无机盐如磷酸盐、硫酸盐、氯化钴等（四）对于产诱导酶的微生物，补充酶的作用底物，提高酶产量 3、补料原则 控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。 五、发酵终点判断的因素 （1）经济因素：发酵产物的生产能力是实际发酵时间和发酵准备时间（放罐、洗罐、装料、灭菌等）的综合体现。实际发酵时间要以最低的成本来获得最大生产能力的时间为发酵时间；尽量缩短准备时间。（2）产品质量因素：发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响。（3）特殊因素 六、染菌控制 1、染菌时间对发酵的影响 （1）种子培养期染菌：由于接种量较小，生产菌生长一开始不占优势，而且培养液中几乎没有抗生素（产物）或只有很少抗生素（产物）。因而它防御杂菌能力低，容易污染杂菌。（2）发酵前期染菌 ：发酵前期菌量不很多，与杂菌没有竞争优势；且还未合成产物（抗生素）或产生很少，抵御杂菌能力弱。（3）发酵中期染菌 ：发酵中期染菌 会严重干扰产生菌的代谢。（4）发酵后期染菌：如果染菌不多，对生产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。 2、发酵总染菌率概念 总染菌率指一年发酵染菌的批（次）数与总投料批（次）数之比的百分率。 3、染菌原因分析及其防止 （1）设备渗漏：设备渗漏包括夹套穿孔、盘管穿孔、接种管穿孔、阀门渗漏、搅拌轴渗漏、罐盖漏和其它设备漏等。防止：加强设备本身及附属零部件的严密度检查，对制服染菌是极其主要的，也是重要的。（2）空气带菌：因为空气除菌系统较为复杂，环节多，偶遇不慎便会导致空气除菌失败。（3）种子带菌 : 种子带菌又分为种子本身带菌和种子培养过程中染菌。加强种子管理，严格无菌操作，种子本身带菌是可以克服的。种子培养过程染菌与发酵一样有许多因素造成。(4) 灭菌不彻底: 灭菌技术的好坏与灭菌质量很有关系 (5)技术管理不善:技术管理就是要对发酵每个环节严格控制，发酵中稍有不慎就可能染菌，所以不能有侥幸心理而放松管理 4、染菌后的处理方法 (1)染菌后的培养基必须灭菌后才可放下水道。（2）凡染菌的罐要找染菌的原因，对症下药，该罐也要彻底清洗，进行空罐消毒，才可进罐。（3）染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒，空气用甲醛熏蒸。特别，若染噬菌体，空气必须用甲醛蒸汽消毒。 第十一章 发酵产物的提取与精制 1、 发酵产物的分类 (1)菌体:主要以菌体细胞作为发酵产品，如单细胞蛋白、食用酵母、饲料酵母等。 (2)酶:发酵产物为酶制剂，包括胞外酶和胞内酶。 (3)代谢产物:发酵产物为代谢产物，包括各种有机酸、有机溶剂、氨基酸、核苷酸类物质、抗生素、多糖、维生素等。 2、发酵醪预处理一般的要求 (1)菌体的分离;(2)固体悬浮物的去除;(3)蛋白质的去除:(4)重金属离子的去除;(5)色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除;(6)改变发酵醪的性质;(7)调节适宜的PH 值和温度 3、提高过滤设备过滤能力的途径 (1)等电点;(2)蛋白质变性;(3)吸附;(4)凝聚和絮凝;(5)加入助滤剂;(6)直接在发酵液中形成填充-凝固剂;(7)酶解作用 4、细胞破碎的方法 (1) 机械方法:1)球磨机2)高压匀浆器3)X-press 法4)超声波破碎 (2)非机械方法:1) 酶解 2)渗透压冲击 3)冻结和融化4)干燥法5)化学法 5、萃取的概念及其类型、萃取工艺类型 萃取：是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。 类型:单级萃取;多级错流萃取;多级逆流萃取 萃取工艺类型:(1)单级提炼法（2）多次提炼法（3）多级对流萃取（4） 分馏萃取（5）微分萃取 6、影响溶媒萃取的主要因素 （1） 乳化与去乳化；（2）pH 值；（3）温度；（4）盐析；（5）带溶剂;(6)溶媒的选择 7、影响萃取的因素 1影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析；2有机溶剂的选择；3带溶剂；4乳化与去乳化 8、离子交换概念 是应用合成的离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的物质，吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。 9、离子交换的过程 （1）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附；（2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附进行；（3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；（4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来；（5）离子交换树脂的再生。 10、影响离子交换速度的因素 （1）树脂颗粒大小；（2）树脂的交联度；（3）溶液中离子浓度；（4）温度；（5）离子的大小；（6）离子价；（7）树脂的强弱；（8）树脂层装填的松紧度 11、吸附的概念、吸附的分类 吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力， 使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。 分类：(1)物理吸附：溶质与吸附剂之间由于范德华力而产生的吸附。 (2)化学吸附：溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物。(3)交换吸附：溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。 12、吸附法的优缺点 优点：有机溶剂掺入少； 操作简便，安全，设备简单； pH 变化小，适于稳定性差的物质 缺点：选择性差；收率低；无机吸附剂性能不稳定；不能连续操作，劳动强度大；碳粉等吸附剂有粉尘污染 13、膜分离的概念及其特点 膜分离：用半透膜作为选择障碍层，利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。 特点：操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作 14、 膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜 多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发 15、 浓差极化概念 在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截流作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。 16、 凝胶层析的概念及其特点 概念：是指混合物随流动相经过凝胶层析柱时，由于各组分流经体积的差异，使不同分子量的组分的以分离的层析方法。 特点：（1）凝胶层析操作简便，所需设备简单；（2）分离效果好，重复性高；（3）分离条件缓和；（4）应用广泛；（5）分辨率不高，分离操作较慢。 发酵工艺实例 1、 啤酒、黄酒、白酒、葡萄酒的概念 啤酒以大麦芽酒花水为主要原料经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。 黄酒以稻米、黍米、黑米、玉米、小麦等为原料，经过蒸料，拌以麦曲、米曲或酒药，进行糖化和发酵酿制而成的各类黄酒。 白酒以曲类、酒母为糖化发酵剂，利用淀粉质(或糖质)原料，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、陈酿和勾兑酿制而成的酒。 葡萄酒只能是破碎或未破碎的新鲜葡萄果实或葡萄汁经完全或部分 酒精发酵后获得的饮料，其酒度不能低于8.5 度。 2、 啤酒、黄酒、白酒、葡萄酒的分类 啤酒：（1.） 按酵母性质不同分：上面发酵啤酒； 下面发酵啤酒：最普遍 （2）根据是否巴氏灭菌分： 生啤酒：（鲜啤）未经巴氏灭菌 过滤除菌; 熟啤酒： 经巴氏灭菌 (3. )根据麦芽度分 乙醇含量 低浓度啤酒：2.58 0.82.2% 中浓度啤酒：912 2.53.5% 高浓度啤酒：1322 3 .65.5% (4) . 根据色泽分 淡色啤酒：514EBC 色浅 浓色啤酒：1540EBC 红棕色 黑色啤酒：50130EBC 红褐或黑褐色 (5) 啤酒新品种 干啤（dry beer）：发酵度高，残糖低 无醇（alcohol-free）（低醇）啤酒：0.5% 2.5% 稀释啤酒：高浓度麦汁酿造后稀释啤酒 黄酒: 按产地: 绍兴酒、金华酒、丹阳酒、九江封缸酒、山东兰陵酒等 按类型：花雕酒、加饭酒、封缸酒、善酿酒 按原料：糯米酒，黑米酒、玉米黄酒、粟米酒、青稞酒等 按外观：清酒，浊酒，白酒，黄酒，红酒 白酒：按原料分类：粮谷酒；薯类酒；代粮酒 按生产工艺分类：固态法白酒；液态法白酒；半固态法白酒 按用曲种分类 ：大曲酒；小曲酒；麸曲白酒 按香型分类：酱香型：以贵州茅台酒为代表；浓香型：以五粮液、泸州特曲酒为代表；清香型：以汾酒为代表。米香型：以桂林三花酒、广西湘山酒为代表。特香型：惟“特香领袖”四特酒独有；凤香型：以陕西西凤酒为代表。兼香型：以湖北白云边酒、黑龙江玉泉酒为代表 按酒度高低分类：高度白酒：酒精度为5068（体积分数）的白酒。 中度白酒：酒精度为4049（体积分数）的白酒。 低度白酒：酒精度在40（体积分数）以下的白酒，一般不低于20（体积分数）。 葡萄酒：按酒的颜色：红葡萄酒；白葡萄酒;桃红葡萄酒 按含糖量: 干葡萄酒;半干葡萄酒;半甜葡萄酒;甜葡萄酒 按酿造方法: 天然葡萄酒;加强葡萄酒;加香葡萄酒 按是否含有CO2: 平静葡萄酒;起泡葡萄酒;葡萄汽酒 3、 抗生素的概念 由生物（包括微生物、植物和动物）在其生命过程中所产生的一类在微量浓度下就能选择性地抑制它种生物或细胞生长的次级代谢产物。 4、 抗生素的分类 （一）根据抗生素的生物来源分类 1.放线菌 由它产生的抗生素数量最多。 如链霉菌属产生的链霉素，小单孢菌产生的庆大霉素、小诺霉素。 2.真菌 青霉菌属产生的青霉素,头孢菌属产生的头孢菌素。 3.细菌 多粘杆菌产生的多粘菌素。 4.动、植物 被子植物大蒜中得到的蒜素。 鱼类（动物）脏器中制得的鱼素。 （二）根据抗生素的作用分类 1广谱抗生素 如氨苄青霉素（半合成青霉素），既能抑制菌又能抑制菌。 2抗革兰氏阳性细菌 如青霉素G。 3抗革兰氏阴性细菌 如链霉素。 4抗真菌 如制霉菌素、灰黄霉素。 5抗肿瘤 如阿霉素。 6抗病毒、抗原虫 如鱼素。 （三）根据化学结构分类 ? 1. -内酰胺类 2氨基糖苷类（氨基环醇类） 3. 大环内酯类 ? 4四环类 5多肽类 6. 其他抗生素 ( 凡不属于上述 5类的抗生素，如林肯霉素、氯霉素、阿霉素等) 5、 对医用抗生素的评价的要求 （1）它应有较大的差异毒力，即对宿主人体组织和或正常细胞只是轻微毒性而对某些致病菌或突变肿瘤细胞有强大的毒害。 （2）它能 在人体内发挥其抗生效能、而不被人体中血液、脑脊液等所破坏，同时它不应大量与体内血清蛋白产生不可逆的结合。 （3）在给药后应较快地被吸收，并迅速分布至被感染的器官或组织中。 （4）致病菌在体内对该抗生素不易产生耐药性。 （5）不易引起过敏反应。 （6）具备较好的理化性质和稳定性，以利于提取、制剂和贮藏。 6、青霉素和四环素的作用机理 青霉素作用机理:干扰细菌细胞壁的合成:青霉素的结构与细胞壁的成分粘肽结构中的 D 丙氨酰-D-丙氨酸近似，可与后者竞争转肽酶，阻碍粘肽的形成，造成细胞壁的缺损，使细菌失去细胞壁的渗透屏障，对细菌起到杀灭作用。 其对革兰阳性菌有效，由于革兰阴性菌缺乏五肽交连桥而青霉素对其作用不大。 !生长中的细胞有效，静止细胞无效 高效、安全的抗细菌感染药物 四环素的作用机理:与微生物核糖提30S 亚基结合，阻断蛋白质合成，具有广谱抑菌和杀菌能力。