发酵工程原理与技术应用

发酵工程原理与技术应用

第一章绪论

1. 什么是发酵工程？

发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。

利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术来生产有用物质或将微生物直接用于工业化体系的一门技术，是建立在微生物发酵工业基础上，与化学工程相结合而发展起来的。

2. 发酵工业的特点

①一步生产②反应条件温和③原料纯度要求低④设备的通用性高⑤对环境的污染相对较小⑥生产受自然条件限制小

3.发酵工程的类型：1.根据对通气的需求不同可以分为好氧发酵和厌氧发酵。

2.根据培养基介质的性状不同可分为固态发酵和液态发酵。

3.根据发酵菌种的不同可分为纯菌发酵和混菌发酵。

4.根据发酵规模的不同可以分为研究规模发酵、中试规模发酵以及生产规模发酵。

4.发酵工业现状：我国位居世界第一的发酵产品有：酱油、啤酒、食用菌、味精、抗生素、柠檬酸、维生素C等。我国已经是发酵工业大国，但不是强国。与发达国家相比，我国的发酵产业技术水平仍存在一点差距，具体表现为：1工业生产菌种的技术水平仍然较差。2发酵工艺相对落后。3.产品科技含量低。4.装备水平落后。

5.发酵工业生产流程：

1）原料预处理2）培养基的配置3）发酵设备和培养基灭菌4）无菌空气的制备5）菌种的制备和扩大培养6）发酵7）产品及分离提纯工艺

3、发酵工业发展的历史进程、重要历史阶段和典型技术

1）天然发酵阶段，从史前到19世纪酿酒技术

2）纯培养技术的建立，主要为19世纪末到20世纪30年代，德国利斯特‘科赫完成细菌纯培养技术

3）通气搅拌发酵技术建立，1929年开始到1942年青霉素发酵生产成功

4）代谢控制发酵和现代发酵技术的发展，木下祝郎发明代谢控制发酵技术，使谷氨酸发酵生产实现产业化

第二章发酵工业菌种

1. 发酵工业菌种的常用类型。

①细菌②放线菌③酵母菌④霉菌⑤未培养微生物：

2. 发酵工业对菌种的要求。

①能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成的目的产物产量高、易于回收。②生长较快，发酵周期短。③培养条件易于控制。④抗噬菌体及杂菌污染的能力强。⑤菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定。⑥对放大设备的适应性强。⑦菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。

3. 菌种的制备原理和方法

①含微生物样品的采集：有针对性地采集样品。

②样品预处理：可提高菌种分离效率。

③含微生物样品的富集培养：人为地通过控制养分或培条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势，使筛选变得可能。

富集培养方式：1.分批培养 2.连续培养 3.半连续培养

④微生物的分离：利用分离技术得到纯种。

微生物常用的分离方法：1.平板划线分离 2.稀释分离 3.涂布分离 4.毛细管分离 5.小滴分离

⑤初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的菌株筛选出来的过程。

⑥菌种复筛。

⑦菌种发酵性能鉴定。【鉴定技术四个水平：细胞的形态和习性水平细胞组分水平蛋白质水平基因或核酸水平】

⑧菌种保藏。1斜面保藏法2.液体石蜡油保藏法3.冷冻干燥保藏法4.真空干燥法5.液态超低温保藏法6.工程菌的保藏目的：①存活，不丢失，不污染②防止优良性状丢失③随时为生产、科研提供优良菌种原理：根据菌种的生理生化特点，人工地创造条件，使菌种的代谢活动处于不活泼状态、生长繁殖受抑制的休眠状态。

4. 代谢调控机制—阻遏

阻遏的类型主要有：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏。

末端产物阻遏：是指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。

分解代谢物阻遏：是指有两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种

分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶的合成和积累。

5. 发酵工业菌种改良的目的。

防止菌种退化，改良菌种性状，改善发酵过程，提高生产能力，提高产品质量开发新产品6. 诱变育种的基本步骤。

①菌出发菌株的选择②悬液的制备。③诱变处理④中间培养⑤分离和筛选

7. 菌种变异及退化机理及防止措施。

①菌种变异及退化机理：菌种退化主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。【主要原因：基因突变，连续传代】②预防措施：减少传代、经常纯化、创造良好的培养条件、用单细胞移植传代、科学保藏。

第三章发酵工业培养基设计

1. 工业大规模发酵的培养基应遵循的原则。

①必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。②有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率。③有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。④有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。⑤尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质。⑥原料价格低廉，质量稳定，取材容易。⑦所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，能耗。

2. 发酵工业原料的种类及其组成：原料可以分为水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等五大类。

几大营养成分的功能作用：

碳源：碳源是组成培养基的主要成分之一，其主要功能有两个：一是提供微生物菌体

生长繁殖所需的能源以及合成菌体所需的碳骨架；二是提供菌体合成目的产物的原料。

氮源：主要用于构成菌体细胞物质和合成含氮代谢物。

无机盐及微量元素：作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。

水：水是所有培养基的主要组成成分，也是微生物机体的重要组成成分。

生长调节物质：发酵培养基中某些成分的加入有助于调节产物的形成。

常用的营养成分：常用碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等，常用氮源有有机氮源和无机氮源。无机盐类主要为：磷、镁、硫、钾、钠、铁、氯、锰、锌、钴等。常用的生长调节物质有生长因子、前体、产物合成促进剂。