发酵工程总结

1 绪论

1-1何谓发酵？生物化学和工业上的发酵有何不同？

生物化学意义上的发酵是指细胞在无氧条件下，分解葡萄糖或有机物产生能量的过程。

工业意义上的发酵是泛指利用培养细胞（包括动物、植物和微生物）获得产物的任何有氧或无氧的过程。

1-2何谓发酵工程？其主要内容是什么？请简述其与生物技术的关系。

发酵工程是利用生物体为工业化生产服务的一门工程技术，即利用生物体的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工（生物反应过程），获得产品的工程化技术。

它是研究生物技术产业化的一门学科，其主体包括生物反应工程和产品提取、精制的下游工程。主要研究内容：

1）优良菌种的选育；

2）合适的生物反应工程包括生物反应过程的优化、反应器的选择和下游工程生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂（酶或细胞）的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。它包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程等五大工程。生物技术的核心是基因工程，但又离不开发酵工程。发酵工程是基因工程和酶工程的表达，即大部分生物工程的产品均要通过发酵工程来完成。所以说，发酵工程在生物工程中是最关键的过程。现代发酵工程处于生物技术的中心地位，绝大多数生物技术的目标都是通过发酵工程来实现的。因此生物技术的主要应用领域往往就是发酵工程的研究对象。

1-3请简述发酵工程的发展史。

1）基因工程出现之前的时代（1982年前）；

1859年发现发酵原理、设计了便于灭菌的密闭式发酵罐；

1929,1940年发现和分离出青霉素，青霉素发酵、将通气搅拌引入发酵工业；

1956年谷氨酸等氨基酸、核苷酸等发酵成功、代谢控制育种理论的建立；

60年代采用烷烃、乙酸、天然气等为原料的石油发酵；

2）基因工程出现后的时代（1982年后）。

80 年代随着基因工程技术的发展，人们可定向选育高产菌株；

1991年综述代谢工程，在对细胞内代谢网络系统分析的基础上开始运用基因工程技术改造细胞代谢途径，以改进细胞性能或提高产物生产能力。

组学的发展……

系统工程和合成生物学……

1-4 何谓初级代谢和次生代谢？举例说明初级代谢产物和次生代谢产物。

初级代谢：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。常见的初级代谢产物有：乙醇、氨基酸、呈味核苷酸、有机酸、多羟基化合物、多糖（黄原胶、结冷胶）、糖类和维生素。

次生代谢：是相对于初级代谢而言的一个概念。它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必要功能的物质的过程。次生代谢产物大都是分子结构复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、酶和毒素。

3 灭菌

3-1 灭菌的方法有哪几种？

化学药剂灭菌（过氧乙酸、次氯酸钠、二氧化氯、甲醛、过氧乙酸、环氧乙烷……）

射线灭菌（紫外线、高能电磁波、放射性物质产生的高能粒子）

干热灭菌（160°C，1h；主要由于氧化作用而死亡：微波加热灭菌、烘箱加热灭菌）

湿热灭菌（120°C，30min；利用饱和蒸汽灭菌）

过滤除菌（空气除菌、料液的过滤除菌）

3-2 何谓空消和实消？各自操作如何？

空消：培养基采用连续灭菌时，发酵罐需在培养基灭菌前直接通蒸汽进行空罐灭菌（进汽→关阀升压→保压30min→降压后通入无菌空气→冷却）；

实消：实罐灭菌，即分批灭菌，将配制好的培养基放在发酵罐或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用装置一起进行灭菌。

3-3 连续灭菌流程有哪几种？各自的特点是什么？

连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程：由连消泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器组成

薄板换热器连续灭菌流程：由3个薄板换热器、维持管组成，节约了蒸汽和冷却水

喷射加热连续灭菌流程：由喷射加热器、维持管、膨胀阀和真空冷却器组成

3-4 简述发酵用无菌空气的质量标准。

1. 连续提供一定流量的压缩空气，VVM=0.1-

2.0 ；

2. 空气的压力一般为0.2-0.4 Mpa;

3. 进入过滤器前空气的相对湿度≤70% ；

4. 进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10-30°C;

5. 过滤后空气的无菌程度为10-3。

3-5 空气过滤除菌流程一般包括哪几部分？各自的作用是什么？

粗过滤器【去除大颗粒尘埃，粗过滤器分为布袋过滤器、油浴洗涤和水雾除尘器3种】→空气压缩机【供给能量】→贮罐【缓冲排气压力，稳定气压】→油水分离器【去除压缩空气中的大颗粒油水雾】→空气冷却器【冷却压缩空气，使其析出水汽】→水分离器【分离压缩空气的水汽】→加热器【除水后相对湿度一般为100%，加热以降至50-60%】→总过滤器【除菌，给全厂提供无菌空气】→分过滤器【进一步除菌，保证各发酵罐空气无菌】

3-6 某生物制药厂采用空气冷却流程一制备无菌空气，当地空气相对湿度60%。空气进入总过滤器时的状态是：相对湿度60%、压力0.4MPa，温度35°C。通过计算确定，当地气温最高不能高于多少？（10、12、15、20、35°C的饱和水蒸汽压力分别为1228、1418、1705、2339、5615Pa）

P1=0.1MPa，P2=0.4MPa，

ϕ1= ϕ2，4P b1=P b2 ，

根据饱和蒸气压数据，得t < 12°C

3-7 深层过滤除菌的机理是什么？请简述其各自的作用机制。

深层过滤介质的孔隙大于微生物。利用颗粒的惯性冲击、布朗运动、颗粒与介质的静电引力、重力沉降等作用将细菌拦截在介质中进行除菌。一般认为惯性、拦截和布朗运动的作用较大，而重力和静电引力的作用较小。

惯性冲击作用：当灰尘颗粒随气流前进遇到过滤介质时，气流受阻而改变方向，而颗粒因惯性作用仍沿直线向前运动，与纤维碰撞摩擦而吸附在纤维表面，以此拦截颗粒。

拦截滞留作用：在空气流速较小时，微粒的流动与空气流线相似，受纤维所阻时，改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。而滞流区的空气流速更慢，进到滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维，从而被粘附滞留。

布朗运动：在很小气速和较小的纤维间隙时，则布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而将微粒截留住。

重力沉降作用：重力沉降作用是一个稳定的分离作用。当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就很容易沉降。大颗粒比小颗粒更易沉降；对小颗粒来说，只有气速很慢时才起作用。一般它与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞流区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。

静电作用：干空气与非导体的物质（如过滤介质纤维）间的相对运动摩擦，会产生诱导电荷。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20 % 带正电荷，15 % 带负电荷。这些带电的微粒就会受异性电荷的物体吸引而沉降。

3-8 空气过滤除菌的设备主要有哪些？各自的作用是什么？

粗过滤器【去除大颗粒尘埃，粗过滤器分为布袋过滤器、油浴洗涤和水雾除尘器3种】→空气压缩机【供给能量】→贮罐【缓冲排气压力，稳定气压】→油水分离器【去除压缩空气中的大颗粒油水雾】→空气冷却器【冷却压缩空气，使其析出水汽】→水分离器【分离压缩空气的水汽】→加热器【除水后相对湿度一般为100%，加热以降至50-60%】→总过滤器【除菌，给全厂提供无菌空气】→分过滤器【进一步除菌，保证各发酵罐空气无菌】

4 发酵技术

4-1 发酵培养技术有哪些？各种技术的特点是什么？

分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵、连续发酵