发酵工程下游技术
发酵工程第10讲
液过滤前加入0.025%的淀粉酶。
1.2 凝聚与絮凝 1.2.1 凝聚：加入某种电解质，在电解质异电离子的 作用下，胶粒的双电层电位降低，产生凝聚现象。凝 聚能力Al3+>Fe3+ >H + >Ca2+ >Mg2+ >K + >Na + 1.2.2 絮凝：絮凝是指在某些高分子絮凝剂的作用下，
基于桥架作用，使胶粒形成较大的絮凝团的过程。发
制备过程中。
3.1 离子交换树脂的原理：离子交换树脂可以分成两部 分：一部分是不能移动的高分子基团构成的三维空间
网状骨架，使树脂具有化学稳定的性质；另一部分是
可移动的离子，称为活性离子，它在树脂的骨架中进 出，就发生了离子的交换。 3.2 离子交换树脂的结构与分类：根据活性离子进行分 类，如果活性离子是阳离子，即这种树脂能与阳离子
2.1.1 单级萃取：只用一个混合器和一个分离器的萃取
称为单级萃取。
2.1.2 多级错流萃取：由几个萃取器串联而成。 2.1.3 多级逆流萃取：料液与萃取剂分别两端加入。
2.2 双水相萃取法：溶媒萃取法难以用在蛋白质的分离 上，一方面许多的蛋白质都有极强的亲水性，不溶于 有机溶剂，另一方面蛋白质在有机溶剂相中易变性失 活。
剂：
硅藻土、珍珠岩粉、石英沙等。
2 去除高价无机离子 Ca2+、Mg2+、Fe2+等影响树脂的交换容量 2.1 用草酸去除钙离子，草酸钙还能促进蛋白质凝固
2.2 三聚磷酸钠与镁形成可溶性络合物
Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na+ 2.3 黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀 3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
发酵工程 下游工程技术知识点
第十二章发酵工程下游工程技术第一节发酵液的预处理与固-液分离1.1 概述发酵产物的提取与精制属于发酵工程的下游加工技术。
下游加工亦称发酵后处理，是指从发酵液或酶反应中分离纯化目的产物并加工成成品的过程。
在多数情况下是从稀的发酵液中回收目的产物，整个过程有多项单元操作组成，其中有许多是经典的化工单元操作。
上游加工下游加工一、下游加工过程的重要性1.获得商业产品的关键环节。
2.促进发酵工程上游加工技术或工艺的改进。
3.拥有市场竞争力的重要保证。
二、下游加工过程的特点1. 发酵液是复杂的多相系统，属非牛顿液体，从中分离所需产品困难大。
2. 发酵产品在培养液中具有浓度低，稳定性差，对酸碱等外界环境十分敏感，容易失活。
3. 下游加工过程代价昂贵，产品回收率不是很高。
4. 发酵过程复杂，要求下游加工工艺应具有相当的适应性，以确保最终产品的纯度和质量。
三、下游加工的原则和要求原则：1）短时间内处理2）分离时尽量低温3）选择生物物质稳定的pH4）要程序化进行清洗，消毒，包括厂房，设备，管路要求：1）达到所需的纯度2）成本要低，得率高3）工艺过程要简便，对分离物质特性清楚4）废弃物要易处理，能够做到综合利用（零排放；清洁生产）5）实验室产品能够放大生产四、下游加工工程的一般流程1. 粗分离阶段（1）发酵液的预处理和固-液分离。
（2）产物的初分离。
2.纯化精制阶段（3）产物的高度纯化。
（4）成品加工。
1.2 发酵液的预处理与固-液分离一、发酵液的一般特征1. 含水量高，一般可达90％～99%，处理体积大。
2. 产品浓度低。
3. 悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大。
4. 固体粒子可压缩性大，一压缩就变形。
5. 液体黏度大，大多为非牛顿型流体。
易吸附在滤布上。
6. 产物性质不稳定，不耐热、酸碱敏感、易被氧化、易被微生物污染及酶分解。
二、发酵液预处理的目的和要求1.预处理的目的（1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体）；（3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
发酵工程下游加工工程
• （二）清除高价无机离子 • 1. Ca2+、Mg2+、Fe2+等影响树脂旳互换容量 • 2. 用草酸清除钙离子，草酸钙还能增进蛋 • 白质凝固 • 3. 三聚磷酸钠与镁形成可溶性络合物 • Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na+ • 4. 黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀
• 3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
• （三）清除可溶性杂蛋白 • 1. 蛋白质等电点沉淀 • 两性物质，稳定性与所带电荷有关 • 酸性溶液中带正电荷，碱性中带负电荷 • 2. 酸性溶液中与阴离子物质结合形成沉淀 • 三氯醋酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味 • 酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等 • 3. 碱性溶液中与阳离子形成沉淀 • Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+、Pb2+等
时，可同步清除非活性蛋白质
• 二. 发酵液固液分离 • （一）离心 • （二）过滤 • 菌种对过滤速度影响很大 • 真菌轻易过滤，放线菌则难 • 培养基构成对过滤也有影响
• 第三节 微生物细胞破碎
• 一. 微生物细胞壁旳构成与构造 • 微生物种类，培养基构成影响细胞壁 • 二. 常用细胞破碎措施 • 1. 珠磨法（bead mill） • 试验室：Mickle捣碎机、匀浆器Braun • 中试：胶质膜处理 • 工业：高速珠磨机（High-speed bead mill）
• 4. 盐析 • 亲水胶体，加入碱金属中性盐，脱水剂 • 5. 热变性 • 一般蛋白质在70~80C发生不可逆变性 • 如链霉素发酵液在pH3.0，加热到70 C保 • 持0.5h后过滤 • 柠檬酸发酵液在80 C处理 • 6. 加入絮凝剂 • 7. 吸附作用
发酵工程研究的新进展
发酵工程研究的新进展前言：近些年，在有关技术领域中微生物的发酵技术已得到了非常广泛的应用，特别在医药行业内应用十分普遍，人们不断深入的研究微生物的发酵工艺意义重大。
为此，本文对发酵工程的发展进程及发酵工艺进一步优化的方法进行了讨论，为发酵工程的发展提供参考。
关键词：发酵；方法；发展1.发酵工程的发展发酵工程作为最早从事微生物学的研究领域，在过去的几百年来为人类的生活、生存和社会的发展作出了重大的贡献。
发酵技术的发展经历了自然发酵阶段、纯培养厌氧发酵技术的建立、通气搅拌发酵技术的建立、代谢调控发酵技术的建立、现代发酵工程技术的建立几个阶段。
发酵工程是个传统领域，与现在的生物工程（基因工程）相比处于劣势，普遍认为，通过一些操作过程的控制和菌种的筛选难以达到基因工程那样迅捷的效果。
但近些年，发酵工程不断地通过整合其它学科及领域的优点来发展自己，发展较为迅速。
1.1发酵工程上游方面发酵的上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。
在菌种选育方面与基因工程相结合，通过将供体微生物的基因提取出来或者人工合成基因，按照人们的愿望，进行严密的设计，经过体外加工重组，使受体细胞获得新的遗传性状，最终大量的获得基因药物、酶制剂、氨基酸等产品，在产品的特异性上更具选择性，比如，食用真菌富硒产品的开发等应用实例。
1.2发酵工程过程控制方面在过程控制中，与微生物学、微生物生理学、计算机工程、控制工程、化工工程等学科相结合，将过程操作变量与微生物代谢活动结合起来。
基于微生物反应原理的培养基组成优化、基于微生物代谢特性的分阶段培养、基于代谢通量分析的发酵优化等策略的利用，促进了发酵过程的控制。
华东理工大学的多角度控制策略就是将化工领域的策略运用到微生物学领域的典型范例，并在制药领域取得很大的成就。
1.3发酵工程下游方面：目前，很多产品都能通过发酵生产出来，将其从发酵液中高效的分离出来成为技术应用的关键，这也是发酵工程最需要解决和优化的问题。
发酵工程
发酵工程技术的发展趋势1.利用基因工程等先进技术，人工选育和改良菌种，实现发酵产品产量和质量的提升2.采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人的前景3.随着酶工程的发展，固定化（酶和细胞）技术被广泛应用4.不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制成为发酵生产控制的主要手段5.发酵法产生单细胞蛋白，将是产量最大、最具广阔前景的产业，寄希望于解决人类未来的粮食问题6.应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸、核苷酸7.将生物技术更广泛地用于环境工程发酵工程的：是发酵原理与工程学的结合，是研究由生物细胞（包括微生物、动植物细胞）参与的工艺过程的原理和科学，是研究利用生物材料生产有用物质，服务于人类的一门综合性科学技术。
初级代谢产物：是指微生物产生的，生长和繁殖所必需的物质。
如蛋白质，核酸等。
次级代谢产物：是指微生物产生的，与微生物生长和繁殖无关的一类物质。
其生物合成至少有一部分是和与初级代谢产物无关的遗传物质（包括核内和核外的遗传物质）有关，同时也与这类遗传信息产生的酶所控制的代谢途径有关。
抗生素是从糖代谢或氨基酸合成代谢途径中分支出来形成的。
许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。
生物催化剂：指传统发酵所利用的微生物外，还包括现在生物技术所利用的动植物细胞或细胞中的酶。
前体：有些化合物被加入培养基后，能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去，而自身的结构并未发生太大变化，却能提高产物的产量，这类小分子物质被称为前体。
酵母菌：酵母菌是单细胞真核生物，常以出芽方式进行无性繁殖。
并非系统演化分类的单元。
恒化式富集培养（连续培养）：通过改变限制性基质的浓度，可以控制两类不同菌株的比生长速率。
可以通过控制基质浓度在某一范围内使目的菌生长占优势。
又根据微生物对环境因子的耐受范围具有可塑性的特点，通过连续改变限制性基质的浓度富集培养所需要的菌种。
食品生物技术概论廖威第四章发酵工程及其在食品工业
。
本世纪50年代以后，乍得把螺旋藻制成食品其商品 名为“Dihe”；
1964年，比利时植物学家Jean Lenoard从食用螺旋 藻和出售的“Dihe”中，分离出螺旋藻，在实验室进 行培养试验， 1967年3月首次发表了实验结果，为螺 旋藻的人工养殖开创了先例
螺旋藻的形态
螺旋藻的形态、分类及生态
螺旋藻有两种类型： 钝顶螺旋藻：主要特征是藻丝末端细胞钝圆，
藻丝宽约6~8µm，螺旋直径为28~36µ m ，螺距 约为43-57µm；
极大螺旋藻：其特征为藻丝末端细胞略粗，藻 丝约为3.4~15µm，螺旋直径约为40-67µm，螺距 为33~76µm。
螺旋藻的生态 螺旋藻可以在土壤、沼泽、淡水、盐水、
矿物质
lOOg螺旋藻干粉中含钾高达1 500-2000mg，含 镁200 ~ 300mg，含铁50-100mg，而钠的含量甚 微。钾能促进人体内钠的排泄，可预防高血压； 镁具有保护人体循环器官、预防心脏病等功能； 铁具有造血功能。另外，螺旋藻还含有微量元 素硒、锌、锰等
螺旋藻的营养类型
1、光合自养型：
1、烷烃类和石油化工产品 如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。 2、各种有机废料和一些糖类物质 有机废料：如食品厂、酿造厂、造纸厂等废弃物 以及农作物秸杆等。 糖类物质：如糖蜜、淀粉类物质等。
(2) SCP的发酵生产工艺
一般SCP生产的概略流程图
(3) SCP的分离和纯化
SCP的发酵产品为菌体本身，分离工艺较 简单，过滤得到的菌体再用冷水洗涤，再过滤 得到酵母浓缩物，以30℃的热风干燥，并制成 块状或粒状。
(2)温度：螺旋藻的最适生长温度为35 ~ 37℃。 (3)氮源：螺旋藻除能利用无机氮外，还能利 用尿素。 (4)光照：当营养和温度正常的情况下，光照 就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素。
《发酵工程原理与技术》习题集
《发酵工程原理与技术》习题集问答题1、发酵工业有何特点？简述发酵生产过程的主要环节。
2、工业用微生物的要求在哪些？试举例说明微生物要工业中的应用。
3、工业生产中使用的微生物为什么会发生衰退？菌种衰退表现在哪些方面？防止菌种衰退的措施有哪些？4、在菌种扩大培养中，就注意哪些事项？5、影响种子质量的因素有哪些？如何控制种子的质量？6、配制发酵培养基时应注意哪些问题？本着什么原则进行配制？7、发酵培养基的碳氮比对菌体的生长和产物的生成有何影响？8、请列出适用于发酵培养基灭菌的方法，并比较其各自的优缺点。
9、某制药厂现有一发酵罐，内装80t发酵培养基，在121℃温度下进行实罐灭菌。
如果每毫升培养基中含有耐热的芽孢数为2*107个，121℃时灭菌速度常数为0.0287S-1.请部灭菌失败概率为0.001时所需的灭菌时间是多少？10、请列出空气除菌的方法，并比较各种方法的优缺点。
11、影响空气过滤除菌效率的因素有哪些？12、比较两级冷却除菌流程、冷热空气直接混合除菌流程、高效前置过滤除菌流程的优缺点和适用场合，并分析原因。
13、解释氧在发酵液中的传质阻力和气体溶解过程的双膜理论。
14、说明影响氧传递速率的主要因素和效果。
15、比较酵母菌的酒精发酵和细菌的酒精发酵之异同。
16、说明初级代谢和次级代谢的关系及次级代谢产物的特征。
17、抗生素产生菌的主要代谢调节有哪几种方式？说明各种抗生素的生物合成机制。
18、阐述菌体生长速率、基质消耗速率、产物生成速率及意义。
19、发酵动力学如何分类？20、试比较不同发酵方法的优缺点。
叙述生物反应器（发酵设备）的功能和分类。
21、设计反应器时要本着哪些原则？反应器必须具备什么条件？22、机械搅拌发酵罐有哪些主要组成部分，它们各有怎样的功能或作用？23、发酵过程中温度升高对微生物生长和产物的形成有什么影响？什么原因造成温度升高？24、生产中为什么要控制pH？怎样调节和控制pH？25、发酵过程中哪些因素引起的pH上升和下降？26、泡沫的实质和形成原因是什么？它对发酵生产有什么影响？27、发酵生产中消除泡沫的方法有哪些种？各有什么优缺点？28、基质浓度对发酵有什么影响？说明补料分批发酵的优点和作用。
第八章发酵下游过程
大多数发酵产品的下游加工过程， 常常按生产过程的顺序分为四个大框 架步骤，即发酵液的预处理和过滤、 提取、精制、成品加工
下游加工的一般流程
• 第一节 下游加工过程及技术
• 一、发酵液的预处理和固液分离
• 细胞外产物：酸化、加热、加絮凝剂等
• 细胞内产物：酸化、加热、加絮凝剂等，外加细胞破碎。
• 细胞破碎方法：物理法→高压匀浆机、球磨机、超声波 等
•
化学法→加酸或碱处理• Nhomakorabea生物法→用酶处理
• 固液分离：过滤和离心
• 二、初步纯化（提取）
• 1.吸附法：活性炭、白土、氧化铝等
• 2.离子交换法：阴离子或阳离子交换树脂
• 3.沉淀法： ①盐析法
•
②有机溶剂沉淀法
•
③等电点沉淀法
•
④非离子型聚合物沉淀法
• 2.无菌过滤和去热原
• 3.干燥
•
⑤聚电解质沉淀法
• 4.溶剂萃取法：用于抗生素等小分子物质提取
• 5.双水相萃取 • 6.超临界萃取 • 7.超滤法
• 三、高度纯化（精制）
• 1.层析法
• 2.结晶：调节pH值，改变溶解平衡，产物析出；
•
溶液冷却或加入其他溶剂或将溶剂蒸发；
•
加入晶种，有利于加快产物析出
• 四、成品加工
• 1.浓缩
发酵工程知识点
第一部分：微生物工程原理1、概论1.1 发酵工程的概念和特点1.2 发酵工业的发展简史1.3 发酵工程的应用2、生产菌种来源3、微生物代谢调节和代谢工程4、优良菌种选育5、菌种保藏6、培养基7、发酵工艺控制8、参数检测第二部分：微生物工程下游加工工程第三部分：微生物工程生产设备第四部分：微生物工程生产工艺和产品举例第一章概论掌握本章知识点：1、发酵及发酵工程的定义；2、发酵工程研究的内容；3、发酵技术的发展阶段及其技术特点；4、发酵产物类型。
1、发酵、发酵工程的概念和特点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。
巴斯德：发酵是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，是“生物获得能量的一种方式”。
3）工业上：泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。
包括：厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。
通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。
4）发酵工程：利用微生物的生长代谢活动来生产各种有用生物化学产品的技术过程。
5）发酵工程研究的内容①一条主线：菌种，培养基，种子扩大培养，发酵过程控制，后处理；②两个重点：发酵过程优化，发酵过程放大；③三个层次：反应器水平，细胞水平，分子水平；④四个目标：高转化，高产量，高效率，低成本；6）利用发酵工程进行生产的优点：安全生产，可持续发展。
7）发酵过程存在的问题和缺陷：发酵过程会产生副产物；菌种易发生变异和退化；发酵过程的控制相当复杂；原料主要是农副产品，质量和价格波动较大；与化工过程相比，反应器的效率低；发酵废水量大，并含较高的COD和BOD；；生产过程易受杂菌污染的影响。
8）上游工程：菌种培养发酵工程：发酵罐下游工程：产物提纯2、发酵工业的发展简史1）古老的发酵工业-1900年前（白酒酿造；面包发酵、奶酪制造；酱油、泡菜）特点：多菌混合天然发酵2）早期的发酵工业1900-1940（酒精，乳酸）1680 荷兰列文虎克观察到微生物。
生物工程下游技术
生物工程的下游技术上游：菌种，基因工程，分子生物学，遗传学中游：微生物发酵工程，动植物细胞，海洋生物培养下游：生物分离工程生物下游加工过程是指目标产物的分离纯化过程，包括产物提取，产物浓缩，产物纯化，成品化。
生物反应器：生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。
直接测定法细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。
显微计数法：显微镜和血球计数器。
平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。
浊度法：波长600-700nm范围测量。
微生物的浓度即菌体浓度的表示方法。
（g/l,kg/m3)间接测定法测定构成细胞的大分子物质来确定细胞浓度。
动物细胞形态成纤维细胞型；上皮细胞型；游走细胞型；多形性细胞型，均属于贴壁依赖型细胞，培养这类细胞时，常需贴附在支持物上生长。
但由于培养环境的变化，细胞形态常发生改变。
悬浮型细胞这类细胞常呈圆形，不贴附在支持物上，呈现悬浮状态生长。
如血液细胞，淋巴组织细胞及肿瘤细胞。
培养这类细胞也可采用微生物培养的方法进行悬浮物培养。
动物细胞培养的环境：温度、PH值、营养成分、溶氧、气体环境、渗透压以及其他因素。
固定化培养是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式，具有细胞生长密度高、抗剪切力和抗污染能力强等优点。
由于所培养的细胞的不同，固定化培养的方式也有不同，一般对于贴壁依赖性细胞通常采用胶原包埋，而对于非贴壁依赖性细胞则常用海藻酸钙包埋。
常用的细胞固定化的方法1、吸附：选择适当的条件，将细胞和支持物混合，细胞便贴附在支持物的表面。
2、共价贴附：细胞和支持物通过化学键结合，减少了细胞泄露。
3、离子/共价交联：如果用聚合物（聚氨等）处理细胞悬液，则会在细胞之间形成桥使之絮结。
4、包埋：此法步骤简单，条件温和，细胞和高聚物或单体混合，随着凝胶的形成，细胞嵌入到高聚物网络中。
发酵工程概况及发展趋势
3．生物工程的广义和狭义之说
·在国外，生物工程的含义是广义的，即指医学工程、 环境工程、卫生工程、农业工程、仿生工程、人体功 能工程等的总称，其特点是不涉及化学催化反应，仅 仅是生物过程与物理过程的结合；而生物技术则涉及 生物催化反应过程，因而国外已将生物工程和生物技 术分开来谈。
工程师Karl Ereky于1917年提出。 ——目前被广泛接受的生物技术的定义是1982年国际合作与发展组
织提出的：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（biological catalyst），在适宜条件下将物料进行加工， 提供有价值的产品或有益于社会服务的技术。
·现代生物技术的定义
——特点之二：历史悠久 √古埃及和巴比伦在6000多年前，就有酿造啤酒和食醋的记载 √我国人民在8000年～4500年之前，发明了制曲酿酒工艺。在商
代，就懂得沤肥技术； √在春秋战国时期，已经掌握了制酱和酿醋技术； √公元7世纪，开始栽培食用菌（西方德国1707年才开始）； √公元10世纪——宋真宗时代，发明了种痘以防天花的免疫技术，
（4）代谢类型多样，容易生产复杂化合物
微生物的代谢类型具有多样性，而且生物体酶促反应具 有高度选择性，能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位 的氧化、还原和官能团的导入反应，因而容易生产复杂的高分 子化合物。
（5）非牛顿流体性发酵醪
发酵醪有固相、液相、气相之分，还含有活性微生物体， 其流体力学性质与一般典型溶液性质不同，不服从牛顿力学规 律，称为非牛顿流体（属于流变学范畴）。
10第十章 发酵工程下游技术
作用机理(action principle)
Cell+beed+stirrer:珠子之间以及珠
子和细胞之间的互相剪切、碰撞，
促使细胞破裂，释放出内含物。
Characteristics：
操作参数多
破碎效率较高 几乎适用于所有种类的微生物 细胞的破碎
破碎作用遵循一级动力学定律 dR k ( Rm R) dt
第二节 细胞破碎
一、细胞破碎率的评价
破碎率：被破碎细胞的数量占原始细胞数量的比例（%） N0 - N Y(%) 100% N0
1、直接计数法 平板计数和显微镜计数 2、间接计数法
二、细胞破碎方法
几种常用的破碎方法
高压匀浆法(high-pressure homogenization) 高速珠磨法（high-speed bead mill） 超声波破碎（ultrasonication） 酶溶法（enzymatic lysis） 化学渗透法（chemical permeation） 微波加热法（microwave heating）
转筒，扇形格(18格)； 滤室； 分配头；
动盘(18个孔，分别与扇形 格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真空 凹槽、洗水真空凹槽、压缩 空气凹槽，分别将动盘的18 个孔道分成三个通道)；
Wash
洗涤喷头
转筒 金属网 滤布 滤饼
Cake
动盘
刮刀
Immersion
搅拌器
Knife
定盘
Effect factors：
温度（temperature） 黏度（viscosity） 破碎次数（disruption number） 操作压力（operation pressure） 微生物自身特性（characteristics）
发酵工程原理
发酵工程原理第一章绪论1.发酵（fermentation）:采用现代工程技术手段，利用天然生物体或人工改造的生物体对原料进行加工，为人类生产有用的产品，或直接把生物体应用于工业生产的过程。
【名】2.第一阶段（~1900年）：酒精、醋；第二阶段（1900~1940）：酵母面包、甘油、柠檬酸、丙酮；第三阶段（1940~1960）：青霉素、链霉素、赤霉素、氨基酸、核苷酸、酶【判、单】3.1900~1940年期间是发酵工业的第二阶段【判】4.从发霉的甜瓜中筛选“产黄青霉”菌株，使青霉素效价提高了几百倍。
【判、填】5.现代发酵工程是以基因工程的诞生为标志，以微生物工程为核心内容。
【填】6.发酵工程的6个部分：a.菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基的组成；b.培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌；c.大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产；d.发酵罐中微生物最优的生长条件下产物的大规模生产；e.产物的提取、纯化；f.发酵废液的处理。
7.选育菌种的基本方法：自然选育、抗噬菌体选育、诱变育种、代谢工程育种、基因定向育种、基因组改组。
【填】8.我国已是发酵工业大国，但不是发酵强国。
【判】9.发酵产业的差距：【解】a.工业生产菌种的技术水平较差b.发酵工业相对落后。
c.产品科技含量低，产品浓度低、能耗高、污染大。
d.装备水平落后。
第二章微生物菌种制备原理与技术1.发酵工业常用的微生物主要有：细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。
【填】细菌、放线菌偏碱7~7.5；霉菌和酵母偏酸4.5~6.2.自然界分离筛选目的菌株的一般步骤和方法：【解】a.含微生物样品的采集b.含微生物样品的富集培养c.微生物的分离d.野生型目的菌株的筛选f.野生型目的菌株的菌株鉴定3.菌种退化：生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行移接传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特性逐渐减退或完全丧失的现象。
【名】4.工业微生物菌种的保藏方法：斜面保藏法（1~3个月）、液体石蜡油保藏法、冷冻干燥保藏法、真空干燥法、液氮超低温保藏法、工程菌的保藏。
新一代发酵工程技术：任务与挑战
新一代发酵工程技术：任务与挑战发布时间：2022-06-14T08:37:02.571Z 来源：《新型城镇化》2022年12期作者：张传盛王德安范道亮[导读] 在过去的几个世纪，发酵工程经历了以生产食品等生活资料为主的自然发酵过程，转变为以生产生活资料和工业基础资料并重的代谢控制发酵过程。
正大天晴药业集团股份有限公司江苏连云港 222000摘要：在过去的几个世纪，发酵工程经历了以生产食品等生活资料为主的自然发酵过程，转变为以生产生活资料和工业基础资料并重的代谢控制发酵过程。
进入21 世纪，人类的可持续发展与生态环境、资源能源等矛盾日益突出，如何发挥发酵工程的关键作用，也是发酵工程研究人员的一个主要任务。
系统生物学、合成生物学、生物信息技术、先进材料科学的发展，也给发酵工程带来了很多革命性的提升。
采用先进的生物技术，可以实现好氧发酵转厌氧发酵、发酵食品微生物群落的人工合成、构建自养型微生物发酵工厂、人工合成酶等一系列前所未有的转变，发酵工程可以更好完成未来更为艰巨的挑战。
关键词：发酵工程；系统生物学；合成生物学；高通量筛选；食品生物技术20 世纪80 年代后，基因工程技术的出现推进了其他学科的迅速发展，国际和国内发酵工程进入到现代发酵工程阶段。
发酵工程根据生产流程，被划分为上游、中游和下游工程3 部分。
上游工程主要为菌种的选育和改造，以期获得生产性能良好的菌株。
中游工程主要为发酵过程控制，通过对发酵过程中各种参数的采集、分析和反馈，获得产品积累的最佳发酵条件。
下游工程主要是对产品的分离和纯化，采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，达到指标后制成产品，最终进入消费市场。
1.现代发酵工程技术1.1 菌种选育在天然发酵初期，发酵都是使用从自然界中筛选获得原始菌株，一般仅用于食品发酵。
自然界中获得的菌种一般生产强度低，工业化成本较高，不适合大规模、高强度生产种类众多的目标产品。
由于对微生物的了解甚少，天然发酵阶段的菌种筛选只能基于经验，人工选择菌曲进行保存和传代。
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根据混合物中不同组分分配率的差异，将其分 配于可用机械方法分离的两个或几个物相中 (如溶剂提取、盐析、结晶等)，或将混合物置 于某一物相中(主要是液相)，外加一定的作用 力，使各组分分配于不同区域，而达到分离纯 化的目的(如电泳、超离心、超滤等)。
三、
第3节 细胞破碎的原理与技术
三、蒸馏分离提取法
• 简单蒸馏：使用部分汽化冷凝操作。 • 精馏：同时多次地运用部分汽化和 部分冷凝的方法使混合液分离，这 种操作称为精馏。 • 特殊蒸馏：包括恒沸蒸馏和萃取蒸 馏。
四、萃取法
• 利用欲萃取得到的成分在两种 互不相溶的溶剂中溶解度的不 同，使其从一种溶剂转人另一 种溶剂而实现分离。萃取效率 的高低是以分配定律为基础的。
三、破碎率测定
1、直接测定：染色、细胞计数 2、目的产物测定：与完全破碎率的得率比较。 3、导电率测定。
四、破碎技术发展
1、多种方法结合 2、与菌种和发酵过程结合：引入噬菌体、培 养后期加入抗生素、耐高温产品等。 3、与下游分离过程结合。
一、沉淀提取法
• 它是利用加入试剂或改变条件 使发酵产物离开溶液，生成不 溶性颗粒而沉降析出。 • 该方法目前广泛应用于氨基酸、 酶制剂及抗生素的提取。
第5章 发酵工程下游技术
第1节 概述 第2节 发酵液的预处理 第3节 细胞破碎的原理与技术 第4节 游加工过程的特点和重要性 二、发酵工程下游加工过程的基本原理 三、发酵工程下游加工过程的一般程序
二、发酵工程下游加工过程的基本原理 生物物质的分离方法与一般化学方法虽然 有许多不同特点，但在原理上又有许多是 相同的
双水相系统(aqueous two-phase system, ATPS)
PEG = 聚已二醇(polyethylene glycol)
Kpi = 磷酸钾
DX = 葡聚糖(dextran)
超临界流体萃取
Supercritical Fluid Extraction
• 是一项发展很快、应用很广的 实用性新技术。 • 低温下提取，没有溶剂残留和 可以选择性分离等特点。 • 方兴未艾，成果不断问世。
原 理
• 超临界流体的溶解能力与其密度的 关系，即利用压力和温度对超临界 流体溶解能力的影响而进行的。 • 在超临界状态下，将超临界流体与 待分离的物质接触，使其有选择性 地把极性大小、沸点高低和分子量 大小的成分依次萃取出来。
五、分子筛层析法
• 凝胶过滤是利用凝胶的网状结构根 据分子大小进行分离。 • 凝胶像分子筛一样，将大小不同的 分子进行分离，因此凝胶过滤又叫 分子筛层析或者尺寸排阻色谱。 • 视频
树脂法
• 原理是利用树脂与产物结合， 让产物保留在树脂上与杂质分 开，再从树脂上洗脱产物或让 杂质与树脂结合，产物直接流 出。
树脂
• 树脂是一种惰性高分子聚合物 • 有两大类： • 一类：吸附树脂 • 一类：离子交换树脂
三、蒸馏分离提取法
• 1、常压蒸馏：一般用于分离沸点在 30—150℃间不易分解的混合液 • 2、加压蒸馏：用于分离沸点很低的混 合液， • 3、真空蒸馏：当某些物质沸点高，或 在高温下蒸馏会引起被分离物的分解 变质。
类型及选择
• • • • 两性电解质的氨基酸----等电点。 碱性的抗生素----酸作为沉淀剂。 酸性抗生素----有机碱形成盐。 各种酶制剂和多肽类蛋白质的抗生 素----盐析法。
二、树脂法和吸附法
• 树脂法和吸附法在生化物质的 提取、浓缩、纯化、分离、脱 盐、转化、中和及脱色等操作 单元上有着广泛的应用。
双水相萃取法 two-aqueous phase extraction
• 天然的或合成的亲水性聚合物 水溶液，在与第二种亲水性聚 合物混合，并达到一定浓度时， 就会产生两相。
双水相体系
• 某些高聚物之间或高聚物与无机盐 之间,在水中以适当的浓度溶解后 形成的互不相溶的两相或多相水相 体系。 • 高聚物- 高聚物- 水体系主要依靠 高聚物之间的不容性,即高聚物分 子的空间阻碍作用,促使其分相。
六、膜分离技术
• 膜分离过程的实质是物质透过 或被截留于膜的过程。 • 膜分离近似于筛分过程，依据 滤膜孔径的大小而达到物质分 离的目的
各种膜的分离特性
微滤 悬浮颗粒
超滤
大分子有机物
纳滤
糖类等小分子有机物，二价盐或多价 盐
反渗透
单价盐
水