发酵过程优化原理复习
发酵过程控制与优化
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• 白细胞介素:是一类具有激活、增殖、成熟和分化 •
机体免疫细胞,抗病毒、抗肿瘤及增强机体免疫 功能的细胞因子。 全球氨基酸的年产量估计在50~80万吨,其中 2/3用于食品,其余大部分作动物词料添加剂用, 还有相当数量用于医药工业和作为合成化学试剂 的前体。重组DNA技术已成功地应用于提高棒杆 菌和其他工业生产菌种的氨基酸生产。 全球的微生物多糖的产值估计已超过10亿美元。 这类生物高分子属于胶体,其独特功能在于它们 可作为增稠剂、亲水胶体,用于水基系统中的乳 化、悬浮和稳定混合物。它们在温度、pH和盐浓 度大幅度变化的条件下仍能与其他系统相容,甚 至起协同增效作用。
2.提取质粒
从大肠杆菌的细胞质中提取质粒,质粒为环状。 此质粒将作为胰岛素基因的载体。 1.碱裂解法:此方法适用于小量质粒DNA的 提取,提取的质粒DNA可直接用于酶切、 PCR扩增、银染序列分析。 2.煮沸裂解法:指用煮沸加热的方法裂解菌 体,以提取质粒。
3.基因重组
取出目的基因与质粒,先利用同种限制性内 切酶将质粒切开,再使用DNA连接酶将目的 基因与质粒“缝合”,形成一个能表达出胰 岛素的DNA质粒。
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5.3泡沫对发酵的影响及其控制
• 5.3.1泡沫的产生及其影响 • 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的二氧化碳以
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及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物 质的存在,使发酵液含有一定数量的泡沫。 泡沫的存在可以增加气液接触表面,有利于氧的 传递。但也给发酵带来许多负作用,主要表现在: ①降低了发酵罐的装料系数。②增加了菌群的非 均一性。③增加了污染杂菌的机会。④大量起泡, 控制不及时,会引起产物的流失。③消泡剂的加 入有时会影响发酵或给提炼工序惹来麻烦。
• 5.3.3泡沫的控制 • 泡沫的控制方法可分为机械消沫和消泡剂
发酵过程优化原理
/ C4H4O5
摩尔质量(g/mol) 260 260 230 200 170 186 168 88 / 146 / 132
需要量(mol/g 细胞) 205 71 898 361 129 1496 519 2833 3747 1079 / 1787
细胞合成所需要的结构单元数在75~100之间,这
前体代谢物 6-磷酸-葡萄糖
6-磷酸果糖 5-磷酸核糖 4-磷酸赤藓糖 3-磷酸甘油醛 3-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸 乙酰辅酶 A -酮戊二酸 琥珀酰辅酶 A 草酰乙酸
分子式 C6H13O9P C6H13O9P C5H11O8P C4H9O7P C3H7O6P C3H7O7P C3H5O6P C3H4O3
内许多化学反应的综合结果。 • 这些反应可分为如下几类:供能反应、生物合成反应、聚合反应、组
装反应
1
大肠杆菌生长过程中观察到下列现象∶
(1)在大肠杆菌快速生长期间,生物合成的中间体很少渗漏到胞外培 养基中,结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子 的速率一致
(2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化 (3)一旦生长培养基中的结构单元足够,细胞就不再合成这些物质 (4)特定的代谢途径代谢特定的底物,只有底物存在时,细胞才合成
真菌 主动运输 协助扩散和主动运输 协助扩散和主动运输 自由扩散,协助扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散
6
4. 微生物细胞的胞内反应
(1)分解代谢反应 糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同 时,还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都 在分解代谢反应中产生,但NADPH主要消耗于合成代谢 中,NADH则主要消耗于分解代谢途径,如氧化磷酸化
发酵过程优化原理复习
发酵过程优化原理复习发酵过程优化原理复习1、发酵过程优化的目标答:①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。
②实现发酵过程优化,以更好地控制发酵过程;③规避生物技术产业化过程的技术风险,追求其经济效益;2、发酵过程优化主要涉及的研究内容答:①细胞生长过程研究,了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向,确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布;②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律,对微生物反应的化学计量进行研究,简化对发酵过程的质量衡算;③研究生物反应速率及其影响因素,建立生物反应动力学,这也是是发酵过程优化研究的核心内容。
④生物反应器工程,包括生物反应器及参数的检测与控制,它们是发酵过程优化最基本的手段。
3、Hasting(1954年)指出生化工程要解决的十大问题是哪些?答:深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。
其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心,其中放大是生化工程的焦点。
4、Cooney指出,要实现发酵过程的优化与控制,必须解决好哪些问题?答:必须解决好5个问题:①生物模型;②传感器技术;③适用于生物过程的最优化技术;④系统动力学;⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较答:①与传统的分批发酵相比,流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等;与连续发酵相比,流加发酵则具有染菌可能性更小,菌种不易老化变异等优点。
②与流加发酵和连续发酵相比,分批发酵工艺操作简单,比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题,对营养物的利用效率较高,产物浓度也比连续发酵要高。
但其人力、物力、动力消耗较大,生产周期较长,生产效率低。
③连续发酵最大的优点是,微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态,可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的,且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究,在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间,提高了生产效率和自动化程度。
X发酵工程工艺原理复习思考题答案
《发酵工程工艺原理》复习思考题第一章思考题:1.何谓次级代谢产物?次级代谢产物重要有哪些种类?次级代谢产物:由微生物新陈代谢所产生的、对一般生命活动并不必需的代谢产物。
糖苷类、多肽类、酰基类、核苷类及混杂类。
2.典型的发酵过程由哪几个部分组成?原始材料:菌株;培养基的碳源、氮源、微量元素以及生长因子;上游过程:对菌种加以改造,提高生产能力或者导入外源基因等以获得工程菌;发酵过程:发酵或生物转化,是通过优化发酵条件如温度、营养、供气量等。
运用工程菌的生物合成,加工和修饰等以获得目的产物;下游过程:是运用生物化学、物理学方法分离、纯化产品,最终将产品推向市场并获得社会或经济效益。
3.发酵工程的特点及微生物的共性.发酵过程的特点:-发酵过程以生物体的自动调节方式进行,数十个反映过程可以象单一反映同样,在发酵设备中一次完毕。
-反映通常在常温常压下进行,条件温和、能耗少,设备较简朴。
原料以农副产品、再生资源(植物秸杆、木屑)为主。
-可生产复杂的化合物。
-发酵过程需防止杂菌污染(设备灭菌、空气过滤)。
-除运用微生物外,还可以用动植物细胞和酶,也可以用人工构建的遗传工程菌进行反映。
-投资少、见效快、利润丰厚。
是生物工程制品的最后表达形式。
微生物的共性:(1)对周边环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。
(2)有极强的消化能力。
(3)有极强的繁殖能力。
第二章思考题:1.发酵对微生物菌种有何规定?举例说明。
1. 能在便宜原料制成的培养基上迅速生长,并能高产和稳产所需的代谢产物。
2. 可在易于控制的培养条件下迅速生长和发酵,且所需的酶活性高。
3. 生长速度和反映速度快,发酵周期短。
4. 副产物尽量少,便于提纯,以保证产品纯度。
5. 菌种不易变异退化,以保证发酵生产和产品质量的稳定性。
6. 对于用作食品添加剂的发酵产品以及进行食品发酵,其生产所用菌种必须符合食品卫生规定。
2.什么叫自然突变和诱发突变?诱变育种的实质是什么?自然突变:环境因素的影响,DNA复制过程的偶尔错误等而导致,一般频率较低,通常为10-6-10-9 。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用,还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品,在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用? 以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始,要使优良菌株的潜力充分发挥出来,还必 须优化其发酵过程,以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵,是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白,流加过程控制仅仅以经验为 主,流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语,并从理 论上建立了第一个数学模型,流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
发酵工程原理知识点总结
发酵工程原理知识点总结发酵工程是一门研究微生物在发酵过程中生长、代谢和产物形成的工程学科。
其研究内容包括发酵微生物的筛选与培养、优化发酵条件、发酵过程监控与控制、发酵产物提取纯化与分离、罐内动力学和发酵机理等。
以下是发酵工程原理的相关知识点总结:1.发酵微生物的筛选与培养:(1)选材原则:产物多、投资少、筛选简单、培养容易、操纵方便;(2)常用的微生物包括细菌、酵母、霉菌等;(3)需考虑微生物生长的条件,如pH、温度、氧气供应等;(4)历经菌种筛选、单菌菌种的分离和纯化、菌种的贮藏等步骤;2.发酵条件的优化:(1)pH的控制:不同微生物对pH的要求不同,可以通过酸碱控制剂来调节pH;(2)温度的控制:温度是细胞生长和代谢的重要因素,一般通过水浴或发酵罐内加热来实现温度控制;(3)氧气供应的控制:氧气是许多微生物生长和代谢必需的,可以通过氧气流量的调节或增加曝气器的表面积来提供充足的氧气;(4)发酵液的搅拌速度和离心速度:搅拌可增强氧气传递和培养液的混合,离心可实现发酵产物的分离和提纯;3.发酵过程监控与控制:(1)发酵过程中需要监测的重要指标包括微生物生长速率、酸碱度、氧气浓度、温度、发酵产物浓度等;(2)监控手段有离线分析法、在线分析法和非破坏性检测法;(3)通过对监测指标的控制,实现对发酵过程的控制与优化,如调节酸碱度、温度以及添加营养物质来提高产量和产物质量;4.发酵产物的提取纯化与分离:(1)通过离心和过滤等物理方法,去除微生物和固体颗粒;(2)通过萃取、渗析、蒸馏、结晶等方法来提纯产物;(3)产物的纯化和分离过程需要进行监测和控制,以确保产物的纯度和产量;5.罐内动力学和发酵机理:(1)罐内动力学研究微生物的生长和代谢过程,了解微生物在不同发酵过程中的特性;(2)通过建立数学模型,可以预测发酵过程中微生物产物的生成速率和浓度变化;(3)对发酵机理的研究有助于进一步优化发酵条件,提高产物的产量和质量;以上是发酵工程原理的一些主要知识点总结。
发酵工程原理知识点总结
发酵工程原理知识点总结1.微生物生长和代谢:发酵工程原理的基础是对微生物生长和代谢过程的深入理解。
微生物生长的关键因素包括温度、pH值、营养物质和氧气的供应等。
在发酵过程中,微生物通过代谢合成或降解有机物质,产生所需的产物或者降解废物。
代谢途径包括糖的发酵、酸的代谢、氨基酸和脂类的合成等。
2.反应器的设计和操作:反应器是发酵工程中最核心的装置,其设计和操作直接影响发酵过程的效果。
常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和离散批式反应器等。
反应器的设计需要考虑气液传质、热量传递、气体液体反应速率等因素。
操作方面,需要控制反应器内的温度、pH值、氧气和营养物质的供应等参数。
3.发酵过程的监测和控制:发酵过程的监测和控制是保证发酵工程运行稳定和高效的关键。
监测包括微生物数量、代谢产物的浓度、营养物质的消耗和废物的产生等方面。
常用的监测方法包括生物量测定、物质浓度测定、环境参数的监测等。
控制方面,需要根据监测结果调整温度、pH值、氧气和营养物质的供应,以维持发酵过程的稳定和高效。
4.发酵工艺的优化:发酵工艺的优化是提高产量和质量的关键。
优化方法包括微生物菌种的选取、培养基组成的优化、发酵条件的优化等。
在微生物菌种选取上,需要考虑产物的需求和微生物的特性。
培养基的组成需要提供充足的营养物质,以满足微生物的生长需求。
发酵条件的优化包括控制温度、pH值、氧气和营养物质的供应等,以最大程度地促进微生物的生长和代谢。
5.发酵工程的应用领域:发酵工程广泛应用于食品、饮料、制药、化工等工业领域。
在食品工业中,发酵工程用于酿造啤酒、酱油、味精等食品。
在制药工业中,发酵工程用于制备抗生素、酶、氨基酸等生物药品。
在化工工业中,发酵工程用于生产有机酸、有机溶剂等化学品。
总之,发酵工程原理涉及微生物的生长和代谢、反应器的设计和操作、发酵过程的监测和控制等方面。
了解和掌握发酵工程原理,可以为工程师在发酵工程中的设计和操作提供理论和实践指导,进一步提高发酵工程的效果和产量。
发酵过程优化原理复习(1)剖析
1、发酵过程优化的目标答:①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。
②实现发酵过程优化,以更好地控制发酵过程;③规避生物技术产业化过程的技术风险,追求其经济效益;2、发酵过程优化主要涉及的研究内容答:①细胞生长过程研究,了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向,确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律,对微生物反应的化学计量进行研究,简化对发酵过程的质量衡算③研究生物反应速率及其影响因素,建立生物反应动力学,这也是是发酵过程优化研究的核心内容。
④生物反应器工程,包括生物反应器及参数的检测与控制,它们是发酵过程优化最基本的手段。
3、Hasting(1954年)指出生化工程要解决的十大问题是哪些?答:深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。
其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心,其中放大是生化工程的焦点。
4、Cooney指出,要实现发酵过程的优化与控制,必须解决好哪些问题?答:必须解决好5个问题:①生物模型;②传感器技术;③适用于生物过程的最优化技术;④系统动力学;⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较答:①与传统的分批发酵相比,流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等;与连续发酵相比,流加发酵则具有染菌可能性更小,菌种不易老化变异等优点。
②与流加发酵和连续发酵相比,分批发酵工艺操作简单,比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题,对营养物的利用效率较高,产物浓度也比连续发酵要高。
但其人力、物力、动力消耗较大,生产周期较长,生产效率低。
③连续发酵最大的优点是,微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态,可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的,且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究,在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间,提高了生产效率和自动化程度。
发酵的原理知识点总结
发酵的原理知识点总结一、发酵的基本过程1.1微生物的选择发酵过程中,微生物起着决定性的作用。
常见的发酵微生物包括酵母菌、乳酸菌、酪肽芽孢杆菌等。
这些微生物具有能够利用有机物质进行代谢的特性,能够在适宜的条件下进行繁殖和产生有用的化合物。
1.2底物的选择发酵过程需要提供适当的底物,以供微生物进行代谢。
常见的底物包括葡萄糖、乳糖、麦芽等。
这些底物可以被微生物利用,氧化分解为能量和一系列代谢产物。
1.3条件的控制发酵需要有利的环境条件,包括温度、pH值、氧气和水等因素。
适宜的环境条件有助于微生物的生长和代谢活动。
一般而言,微生物的适宜生长温度范围为20-40摄氏度,适宜的pH范围为6-8,对于需氧、厌氧微生物而言,需要相应的氧气和水的供应。
1.4代谢产物的形成在发酵过程中,微生物利用底物进行代谢,产生一系列的代谢产物。
常见的代谢产物包括酒精、乳酸、醋酸等。
这些产物在食品、饲料、药物制备等领域有着重要的应用价值。
二、发酵的影响因素2.1温度温度是影响发酵的重要因素之一。
温度过高或过低都会影响微生物的生长和产酶活性。
通常来说,大部分微生物的最适生长温度在25-37摄氏度之间。
过高的温度会使微生物受热变性而死亡,过低的温度则会抑制微生物的生长。
2.2pH值pH值是发酵过程中的另一个重要因素。
不同的微生物对pH值的适应范围不一样。
一般来说,大部分微生物的最适pH范围在6-8之间。
当pH值偏离最适范围时,会影响微生物的生长和代谢活动。
2.3氧气供应氧气是许多微生物进行代谢所必需的。
一些微生物需要充足的氧气来进行有氧呼吸,而另一些微生物则是在无氧条件下进行厌氧呼吸。
因此,氧气的供应对于发酵的进行起着重要的作用。
2.4底物浓度和类型底物的浓度和类型对微生物的代谢活动有影响。
过高的底物浓度可能会使微生物受到抑制,而过低的底物浓度可能会限制微生物的生长和代谢活动。
此外,不同种类的底物对不同微生物的代谢活动也会有差异。
2.5发酵容器的选择发酵容器对于发酵的进行也有一定的影响。
发酵过程优化原理
发酵过程优化原理第一节发酵过程优化的微生物反应原理一、概述微生物是发酵工业的灵魂,对微生物控制的发酵过程进行优化,首先要了解微生物的生长反应特性。
微生物细胞生长是细胞个体内许多化学反应的综合结果。
这些反应包括合成提供其它反应需要的吉布斯自由能;利用底物合成结构单元,再聚合成大分子物质,供合成细胞所需等。
正常情况下,微生物细胞为了确保有序和高效生长,必须将这些反应有机地结合在一起,经济地分配胞内各代谢途径的通量。
大肠杆菌是发酵研究中用得最多的微生物。
在大肠杆菌生长过程中前人已观察到下列现象∶(1)在大肠杆菌快速生长期间,生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基,结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率相一致;(2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化。
细胞以高的比生长速率进行生长时对蛋白质的需求很高,因此相对于低的比生长速率来说,蛋白质合成系统(PSS)是细胞量中较大的部分。
在低比生长速率下,PSS的利用率很低,其合成和维护对微生物来说是无用的代谢负担;(3)当生长培养基中的结构单元足够时,细胞就不再合成这些物质;(4)特定的代谢途径代谢特定的底物,只有底物存在时,细胞才合成相应的酶。
如只有当乳糖存在时,大肠杆菌才合成β-半乳糖苷酶将乳糖降解成半乳糖和葡萄糖;(5)假如两个不同的底物同时存在于培养基中,细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系,当这种底物消耗完毕,再合成利用另一底物的酶。
如大肠杆菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长,首先代谢葡萄糖,此生长阶段不产生β-半乳糖苷酶,不能代谢乳糖。
当葡萄糖浓度变得很低时,系统合成β-半乳糖苷酶并利用乳糖继续生长。
以上观测结果对其它微生物也具有一定的适用性。
由于微生物胞内代谢途径紧密结合,因此,对全部过程进行建模(如对特定微生物的生长和产物形成),并不需要对所有独立的反应都要详细描述。
如对微生物生长建模时,通常将所有的代谢途径混合起来用几个单一反应来表示,有时甚至用一个反应式就可描述全部的生长过程。
发酵过程优化
第一章、绪论第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容一、发酵过程优化在工业中的地位现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用,还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品,在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用二、发酵过程优化的研究内容第一个方面是细胞生长过程研究第二个方面是微生物反应的化学计量第三个方面是生物反应过程动力学的研究(主要研究生物反应速率及其影响因素)第四个方面的内容是生物反应器工程(包括生物反应器及参数的检测与控制)第二节、发酵过程优化的研究进展一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一生物反应动力学的研究内容:是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用,诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等及影响微生物反应宏观动力学的重要因素生物反应动力学研究的目的:是为描述细胞动态行为提供数学依据,以便进行数量化处理二、流加发酵1、概述流加发酵即补料分批发酵(fed-batch fermentation),有时又称版连续培养或连续发酵,是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法2、流加发酵与连续发酵和分批发酵的比较流加发酵介于分批发酵和连续发酵之间,兼两者的优点,又克服了两者的缺点.3、流加发酵的研究进展(1)、在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白,流加过程控制仅仅以经验为主,流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加1973年日本学者Yoshida 等人首次提出了“Fed-Batch Fermentation ”这个术语,并从理论上建立了第一个数学模型,流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段其后,随着研究深入,流加发酵在一下三个方面有重大进展 20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制(如DO 法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH 法、代谢物法、萤光法等) (2)流加发酵的最优化研究流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式,以维持发酵过程始终处于最佳状态流加发酵最优化的研究内容包括:状态方程的建立;目标泛函的确定;最优化底物流加方式的求解 (3)对流加过程进行反馈控制流加发酵的物料衡算式可以表达为:方程试中, μ , π , σ 分别代表菌体,产物生成比速度及其质消耗比速,在等式中是以个相对于X,P,S 的函数,它可以是X,P,S 中某单一因子的函数,也可以是X,P,S 中两个或三个因子的函数. 4.高生产率和细胞密度发酵 细胞生长环境的优化策略 (1)培养基组成的优化 (2)特殊营养物的添加 (3)限制代谢副产物的积累 培养模式(1)所培养细胞的具体代谢行为(2)利用抑制性底物合成目的产物的潜力(3)诱导条件以及测量细胞培养各项参数的能力 诱导策略细胞循环发酵 (应用限制:作用于进入过滤单元的细胞的剪应力太大;系统的放大存在许多实际困难)XV dtXV d μ=)(F S XV dt SV d F +-=σ)(XV dtPV d π=)(F dtdV=第二章、发酵过程优化原理第一节、发酵过程优化的微生物反应原理一概述1 大肠杆菌生长过程中观察到下列现象∶(1).在大肠杆菌快速生长期间,生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中,结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致(2). 大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化(3).一旦生长培养基中的结构单元足够,细胞就不再合成这些物质(4)特定的代谢途径代谢特定的底物,只有底物存在时,细胞才合成相应的酶(5)若两个不同的底物同时存在于培养基中,细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系,当这种底物消耗完毕,再合成利用另一底物的酶。
发酵工艺原理期末复习范围
发酵工艺原理期末复习范围发酵工艺原理期末复习范围一、名词解释1.反馈调节:生物学内容在一个系统中,系统本身的工作效果,反过来又作为信息调节该系统的工作,这种调节方式叫做反馈调节。
2.补料分批培养:是指在分批培养过程中,间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法。
3.限速酶:指整条代谢通路中催化反应速度最慢的酶,它不但可以影响整条代谢途径的总速度,还可以改变代谢方向。
4.温度系数(Q10):为温度升高10℃时的反应速度常数与原温度时的反应速度常数的比值。
5.发酵:是指酵母作用于果汁或发芽谷物时产生CO2的现象。
6.深层培养法:是微生物细胞在液体深层中进行厌氧或需氧的纯种培养的方法。
7.生理性迟延:突变基因由杂合状态变为纯和状态时,还不一定出现突变表型,新的表型必须等到原有基因的产物稀释到某一程度后才能表现出来,而这些原有基因产物的浓度降低到能改变表型的临界水平之前,细胞已经分裂多次,经过了好几个世代的现象。
8.前体:在产物的生物合成过程中被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质称为前体。
9.能荷调节:指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。
10.诱导酶:只有在它们催化的底物(或底物的结构类似物)存在时才能合成似的酶。
11.分批培养:是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后,接入少量微生物菌种进行培养,使微生物生长繁殖在特定条件下完成一个生长周期的微生物培养方法。
12.连续培养:是采用有效的措施让微生物在某特定的环境中保持旺盛生长状态的培养方法。
13.连续灭菌:培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌,冷却后送入已灭菌的发酵罐内的工艺过程称为连续灭菌。
14.摄氧率(γ):单位体积培养液每小时消耗的氧量,单位为mmol(O2)/(L·h)。
15.呼吸商(RQ):指生物体在同一时间内释放CO2与吸收O2的体积之比或摩尔数之比,即指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比。
发酵过程优化原理复习(1)剖析
发酵过程优化原理复习1. 发酵过程简介发酵是指通过生物转化和代谢过程,在适宜的条件下,将食品或其他物质转化为我们需要的产物。
发酵是个复杂的过程,涉及到很多因素,比如微生物、酵母、温度、pH值、氧气含量、营养成分等等。
发酵反应通常分为三个阶段:生长期、发酵期和静止期。
在生长期,微生物因为缺乏可利用的营养物质而无法繁殖;当营养物质充足时,微生物就开始了发酵,这时发酵速度很快;在发酵后期,因为营养物质不足、代谢产物的积累等原因,微生物的生长放慢,进入静止期。
2. 发酵过程的优化原理为了更好地利用发酵过程,我们需要优化发酵的条件。
以下是常见的发酵过程优化原理:2.1 微生物的优化选择不同的微生物适合不同的发酵,所以我们需要根据不同的要求选择不同的微生物。
例如,醋酸杆菌可以用于制作醋;酵母菌可以用于制作啤酒等酒类饮品。
2.2 温度的优化选择温度是发酵的重要因素,过高或过低的温度都会影响微生物的繁殖和代谢。
不同的微生物对温度的要求也不同,我们需要根据不同的微生物进行不同的调控。
例如,发酵面包需要较高的温度,大约在30-35℃之间;制作酸奶需要较低的温度,大约在45℃左右。
2.3 pH值的优化选择pH值是发酵的另一个重要因素,过高或过低的pH值都会影响微生物的繁殖和代谢。
不同的微生物对pH值的要求也不同,我们需要根据不同的微生物进行不同的调控。
例如,制作酸奶的pH值一般在4.5以下,而制作酱油的pH值则在5.4左右。
2.4 氧气的优化选择不同的微生物对氧气的要求也不同。
例如,好氧菌需要充分供氧以进行代谢和繁殖;而厌氧菌则需要缺氧或少氧的条件下进行代谢和繁殖。
我们需要根据不同的微生物进行不同的调控。
2.5 营养成分的优化选择微生物需要不同的营养物质来繁殖和代谢,我们需要为他们提供充足的营养成分来加速发酵。
例如,酵母需要大量的糖类来进行繁殖和代谢,酵母生长的速度也与糖类的含量有关。
当我们需要加速发酵时,可以适当地添加糖类等营养成分。
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发酵过程优化原理复习1、 发酵过程优化的目标答:①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。
②实现发酵过程优化,以更好地控制发酵过程;③规避生物技术产业化过程的技术风险,追求其经济效益;2、发酵过程优化主要涉及的研究内容答:①细胞生长过程研究,了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向,确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布;②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律,对微生物反应的化学计量进行研究,简化对发酵过程的质量衡算;③研究生物反应速率及其影响因素,建立生物反应动力学,这也是是发酵过程优化研究的核心内容。
④生物反应器工程,包括生物反应器及参数的检测与控制,它们是发酵过程优化最基本的手段。
3、Hasting (1954年)指出生化工程要解决的十大问题是哪些?答:深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。
其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心,其中放大是生化工程的焦点。
4、Cooney 指出,要实现发酵过程的优化与控制,必须解决好哪些问题?答:必须解决好5个问题:①生物模型;②传感器技术;③适用于生物过程的最优化技术;④系统动力学;⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较答:①与传统的分批发酵相比,流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等;与连续发酵相比,流加发酵则具有染菌可能性更小,菌种不易老化变异等优点。
②与流加发酵和连续发酵相比,分批发酵工艺操作简单, 比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题, 对营养物的利用效率较高,产物浓度也比连续发酵要高。
但其 人力、物力、动力消耗较大,生产周期较长,生产效率低。
③连续发酵最大的优点是,微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态,可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的,且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究,在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间,提高了生产效率和自动化程度。
6、重组生物药物生产过程的优化包括哪6个方面答:①适宜宿主的选择;②重组蛋白积累位点(如可溶的胞内积累、胞内聚合积累、周质积累或胞外积累)的确定;③重组基因最大表达的分子策略;④细胞生长和生产环境的优化;⑤发酵条件的优化;⑥后处理过程的优化。
7、操作细胞循环生物反应器时必须考虑哪两个因素?为什么?答:①稀释率(流速/体积),因为稀释率的大小影响细胞的生长速率,不同的实验目的对稀释率的要求也不同;②循环速率(指通过过滤系统的培养基速率),因为高的循环速率可使组分混合均匀,但循环速率过高会使作用在细胞上的剪切力过高,也会导致过滤单元膜的迅速损坏。
因此,很难同时确定合适的稀释率与循环速率,这也是限制细胞循环技术应用的一个重要因素。
8、细胞生长过程可以分为哪3个步骤,运输过程包括其中的两个步骤,在细胞膜上的运输过程是研究者普遍关心的内容,在细胞膜上可能存在哪些运输机制?各有何特点?答:(1)细胞生长过程的3个步骤:①底物传递进入细胞;②通过胞内反应,将底物转变为细胞质和代谢产物;③代谢产物排泄进入非生物相;(2)研究表明在膜上存在3种不同的运输机制:①自由扩散;②协助扩散;③主动运输。
特点:①自由扩散和协助扩散只有存在浓度梯度时,由高浓度向低浓度的运输才可能发生,统称被动运输,在运输过程中不需要提供外部能量;自由扩散分子扩散的质量通量遵守Fick 第一定律,通过自由扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、水、有机酸和乙醇等;协助扩散是通过膜上的转运蛋白来进行物质运输的,具有选择性,其运输速率比自由扩散又快又多,运输速率遵循典型的饱和型动力学。
③主动运输是逆着浓度梯度进行运输,需要输入一定的吉布斯自由能,以特定的膜内蛋白作为运输过程的媒介,可以逆着浓度梯度的方向进行运输,因此是一个耗能的过程,根据运输动力来源可以分为一级主动运输和次级主动运输两大类,还有一种特别的主动运输过程为基团转移。
9、发酵过程数量化处理包括哪些方面的内容?常规的参数一般包括哪些?通常如何测量这些参数?发酵过程的数量化处理包括:①发酵过程的速度;②化学计量学和热力学;③生产率、转化率和产率;10、比速率和速率有什么区别?答:比速率是一个相对速度,表示细胞的个体行为,反应了细胞的生长和代谢能力,它与生物量(以细胞干重表示)或有催化活性物质的量(如酶量)有密切的关系,各种比速率的单位均为h -1,定义类似于化学反应动力学中比速率r i *的定义速率:是绝对速率,所表示的是细胞的整体行为,不能代表系统的特征。
11、生物反应过程中有关的宏观产率系数及定义答:宏观产率系数(或称得率系数)Y i/j (i 表示菌体或产物,j 表示底物)是常用于对C 源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价,将消耗的量同形成的量关联起来,定量表示细胞或产物甚至热量的产率,也能用于定量的表示不同消耗量之间或形成量之间的相互关系,最初是由Monod 以质量单位和商的形式定义的:12、Y A TP 与其它产率系数相比有何特点? 答:,是Bauchop 以异化代谢中ATP 的生长量作为菌体产率的基准而定义的。
Y ATP 与微生物及底物种类无关,基本为一常数。
在复合培养基的厌氧培养中,不管微生物和环境的性质如何,Y ATP 总是约为10.5g/mol 。
但该值对微生物生长具有普遍性。
在基本培养基中无论是厌氧还是需氧培养,单一碳源中一部分作为能源通过异化代谢分解,其余部分用于同化构成菌体。
假设用于同化的这部分碳源与ATP 生成无关,则对于异化代谢的碳源亦服从Y ATP ≈10g/mol 。
13、复合培养基厌氧培养过程中细胞的生物合成步骤及ATP 的生成和利用途径 P2614、代谢产物理论产率系数和实际过程产率系数有何区别?影响实际过程产率系数的因素有哪些?答:假设发酵过程中完全没有菌体生成,则Y P/S 可以达到最高值,即为理论代谢产物产率,可以根据化学计量关系、生物化学计量关系计算。
而在实际发酵过程中的实际产率是变化的,所以需对产率系数的概念进行修正。
实际产率值取决于各种生物和物理参数。
,式中μ为比生长速率;m 为混合度;s 为底物浓度;t 为平均停留时间;t m 为混合时间;OTR 为氧传递速度15、微生物反应动力学模型的类型及着眼点。
Monod 模型属于什么模型?其使用的条件包括哪些?底物消耗的质量细胞形成的质量==-=≈--=∆∆-=ds dx dt ds dt d Y r r //x s s x x s x s x t 00t s /x Y M Y A x ATP/s s x/s ⋅=∆∆=TP Y ATP答:(1)①类型:可分为概率论模型和决定论模型两大类,其中决定论模型又可分为均相模型和生物相分离模型,或结构模型与非结构模型。
②着眼点:对底物、菌体和产物3个状态变量进行数学描述(2)非结构动力学模型(3)满足的条件为:①菌体生长为均衡性非结构生长;②培养基中只有一种底物是生长限制性底物;③菌体产率系数恒定16、对于一个具体的发酵产品,需要使用哪些模型才能完整地对其进行描述?为什么?答:(1)温度和pH 恒定时,μ随培养基组分浓度变化而变化。
若着眼于某一特定培养基组分的浓度s ,并假设其它培养基组分浓度不变,则得到Monod 模型为: (2)延迟期动力学模型 , (3)生长稳定期动力学模型:r X =α.x (1 – x/β)α和β是经验常数,取α=μmax 和β=x max ,在微生物生长停止时才出现产物形成的情况下,它具有较好的适用性。
细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程,该过程既包括细胞内的生化反应,也包括胞内与胞外的物质交换,还包括胞外物质的传递及反应。
该体系具有多相、多组分、非线性的特点。
同时,细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动,每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程,同时还伴有退化和变异。
要对这样一个复杂的体系进行精确的描述,在各个发酵阶段必须合适的发酵动力模型。
为了优化反应过程,首先要进行合理的简化,就必须在简化的基础上建立过程的物理模型,再据此推导得出数学模型,对发酵过程进行合理优化。
17、Gaden 根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系,将产物形成分成了哪几种类型?除此之外,还有哪两种模型?答:类型Ⅰ:也称偶联模型,即产物的形成与细胞的生长相偶联;或代谢产物的生成与微生物生长完全同步。
类型Ⅱ:也称部分偶联模型,即产物的形成与底物的消耗存在部分偶联。
这类代谢产物通常是在能源代谢中间接生成的,代谢途径较为复杂。
类型Ⅲ:也称非偶联模型,即产物的形成与细胞的生长没有直接关系,当细胞处于生长阶段时,没有产物积累,当细胞生长停止以后,产物大量形成。
还有两种模型:一种是q p 与μ负偶联的模型,例如黑曲霉生产黑色素,其q p 与μ的关系可表示为: q p =q p ,max -Y P/X μ ;另外一种是q p 与μ没有关系的模型,一般只适用于休眠细胞中,此时细胞本身代谢仅利用少量底物,只起到酶载体的作用,有:r p =α.r x +β.x-k d .p18、发酵过程优化一般包括哪些步骤?具体陈述答:简化、定量化、分离、建模型,最后把分离开的现象重新组合起来。
①反应过程的简化:微生物反应是一个复杂的过程,简化必须保证不损失基本信息,例如将微生物细胞当作黑匣子,其简化的结果是从宏观上通过分析、计算液相中各种浓度变化来间接地反应细胞中发生的代谢反应;②定量化:分析方法的选择必须要求可以保证测定结果的可用性和代表性能够满足优化的要求。
③分离:指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下,精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据,只能通过计算机模拟的方式,通过检测液体培养基中的外部变化,才能来反应代谢反应的内部变化。
④数学建模:是能以简化的形式表征过程行为,并实现特定目的的数学公式。
数学模型可将特定结果通用化,并为推论系统的其它性质提供基础。
19、系统优化方法的基本原则,具体陈述答:(1)整体性原则:①不能从系统的局部得出有关系统整体的结论;②分系统的目标必须服从于系统整体的目标。
(2)有序相关原则:凡是系统都是有序的,为获得预期的整体功能,从方法论上应把注意力集中于系统内部各要素(分系统)之间的相互关联上。
(3)目标优化原则:是系统优化技术的指导思想和优化目标,优化问题是在不可控参数发生变化的情况下,根据系统的目标,经常、有效地确定可控参数的数值,使系统经常处于最优状态。
系统最优化离不开系统模型化,先有模型化而后才有系统最优化。
(4)动态性原则: 应把实施对象看作一个动态过程,分析系统内外的各种变化,掌握变化的性质、方向和趋势,采取相应的手段,改进研究方法,在动态变化中对系统整体进行优化。