发酵工程课程总结
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引起pH变化原因:
①取决于微生物自身的代谢,
②还与培养基的成分有极大关系。
生理碱性物质:
某些物质被微生物利用、氧化还原
后,可使pH上升,这些物质称为生理
碱性物质。
如有机氮源、硝酸盐、有机酸等。
生理酸性物质:
某些物质被微生物利用、氧化还原后,
使pH下降,这些物质称为生理酸性物质。
碳源代谢往往起到降低pH作用,例如, 糖类氧化不完全时产生的有机酸;脂肪不
工艺控制:
氧的供应是用空气压缩机将空气压缩, 经除菌后通过分布管通入发酵罐内,并通 过搅拌把培养液内的空气打碎,使之与培
养液充分混合,增加通气效果。溶氧量的
调节一般可通过调节通气量大小及搅拌强
度实现(空气流量增大、增加搅拌转速可
使供氧量提高,反之下降)。
另外,控制发酵液中菌体浓度也可 调节氧的供需情况;通过控制培养基
以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培
养基。一般连续培养方式可归纳为两种基
本方式:一种是罐式或搅拌发酵罐,另一
种是管式反应器。
微生物发酵营养基质控制
营养物质:能够满足微生物生长、繁殖 和各种生理活动所需的物质。
生长因子种类:
维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶、 卟啉及其衍生物、固醇、胺类、C2~ C6直链或分支脂肪酸等,还有一些特 殊的辅酶。 能提供生长因子的天然物质有酵母 膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植 物组织或细胞浸液以及微生物生长环 境的提取液等。
1.细胞透性调节;
2.代谢途径调节; 3.代谢流向调节;
4.代谢速度调节(酶活性或酶数量)。
发酵工程生产水平由生产菌种性能、
发酵条件、提取工艺和生产设备。 其中生产菌种是最重要的,生产菌
种最初都来源于自然界。
优良的生产菌种应具备基本特性:
①具有在较短的发酵周期内产生大量发
酵产物的能力。 ②在发酵过程中不产生或少产生与目标
溶解氧对产物形成影响是多样性: ①大量供氧才能高产,供氧不足,产量 下降。如谷氨酸、精氨酸发酵。 ②对氧不敏感,虽然氧充足时高产,但 限制供氧量对产量影响不明显,如赖 氨酸、苏氨酸等发酵。 ③供氧充足,产物合成受到抑制,只有 在供氧受到限制时才能高产,如亮氨 酸、苯丙氨酸等发酵。
发酵过程对氧需求与产物合成代谢途
发酵工业大致经历如下几个阶段:
1.自然发酵阶段 2.纯培养技术的建立
3.通气搅拌发酵技术的建立
4.代谢控制发酵技术
5.开拓发酵原料时期
6.基因工程阶段
发酵工程的范围 1、微生物菌体发酵
2.微生物酶发酵 3.代谢产物发酵
4.微生物的生物转化发酵
5.微生物特殊机能的利用
发酵工程的未来
1.利用基因工程技术改良菌种 2.动植物细胞培养技术
如:在发酵初期,呼吸最强但总菌量小, 总需氧量不大,通气量可减小些;进入对数期, 菌体大量增加,呼吸又在较高水平上,此时需氧 量增大,直到最高,这时通气量要加大,直到最 大。
③培养基:不同种类和不同浓度的碳
源对微生物的需氧量影响明显。当碳源浓 度增加,菌种需氧量也增加;如发酵中补
料会增加微生物对氧的需求量;无机浓度
过度延长发酵时间缺点:
①生产效率降低;
②对后续提取工序不利,Βιβλιοθήκη Baidu菌体自溶释
放出菌体蛋白或体内的酶,改变发酵 液性质,使发酵液过滤困难,会使一 些不稳定产物遭到破坏,降低不稳定 发酵产物的产量。
过度缩短发酵时间:
①会减少产物产量,降低了生产效率;
②发酵液还残存较多的糖、氨基酸、消
沫剂、无机盐离子等对发酵液过滤和 产物提取时的树脂交换有影响。
3.半连续发酵 4.连续发酵
5.细胞高浓度发酵
微生物发酵动力学
是研究各种环境因素与微生物代谢 活动之间相互作用随时间而变化-- 即生物反应速度的规律。
研究方法:
是用数学模型定量地描述发酵过 程中细胞生长速率、基质利用速率和
产物生成速度等因素的变化,以达到
对发酵过程有效的控制,从而提高产 品的产率及降低生产成本的目的。
3.固定化酶或细胞技术
微生物代谢
代谢:生物体内所进行的全部化学反应 的总和。
代谢----物质代谢和能量代谢(酶);
物质代谢--分解代谢与合成代谢(酶);
能量代谢--产生、储运和利用(酶)。
微生物代谢:
初级代谢:一般把具有明确的生理功能,对维持
生命活动不可缺少的物质代谢过程。其产物称为 初级代谢产物,如氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸 和维生素等。
发酵工程概图
微生物特点:
①微生物比表面积大; ②转化能力强;
③敏殖速度快;
④变异率高; ⑤分布范围广泛。
发酵:
是指利用微生物在有氧或无氧条件
下的生命活动,来制备微生物菌体本 身或其代谢产物的过程。
发酵工业
是指利用微生物生命活动产生的 酶,对无机或有机原料进行酶加工获
得产品的工业。
其主体是利用微生物酶进行生化 反应的工业。
诱变育种:
是利用物理、化学诱变剂处理微生物
细胞,提高基因突变频率,再通过适当的
筛选方法获得所需要的高产优质菌种的育 种方法。
常用的诱变剂--物理、化学和生物 的三大类。
诱变育种基本方法
诱变育种----诱变和筛选
诱变----包括出发菌株选择、诱变剂种 类和剂量选择,以及合理使用方法。
筛选----初筛和复筛,测定菌种的生产
过载,即叶轮不能分散空气,此时气流形
成大气泡在轴的周围逸出。当空气流速超
过过载速度时,通气效率就不再增加,反
而增加动力消耗。
③罐压,罐压增大,一般溶氧量增大,但也 会增大二氧化碳溶解度,影响发酵。 ④空气分布器,良好分布器可增大供氧量。
⑤温度,温度升高氧溶解量下降。
⑥空气含氧量,富氧空气可提高溶解氧量, 即提高氧供应量。
产品性质相近的副产物及其他产物。
③生长繁殖能力强,生长速率快。
④能够高效地将原料转化为产品。
⑤有广泛利用不同来源原材料的能力, 并对发酵原料成分波动敏感性较小。
⑥对需要添加的前体物质有耐受能力,
并且不能将这些前体物质作为一般碳 源利用。
⑦发酵过程中产生泡沫要少。
⑧具有抗噬菌体感染能力。 ⑨遗传特性稳定,保证发酵过程能够长 期、稳定地进行,同时有利于实施最
佳工艺控制。
生产菌种选育方法:
自然选育、诱变选育、抗噬菌体菌 种选育、杂交育种、原生质体融合技
术、基因工程技术等。
自然选育:
不经人工处理,利用微生物自然突变进 行菌种选育的过程。
自然突变原因:
1.多因素低剂量的诱变效应, 2.互变异构效应。
自然选育程序:
取样→菌悬液→稀释→平板分离→单菌
落→能力检测→菌种。
微生物发酵pH控制
发酵液pH变化,与发酵关系极为密切,
对菌体生长繁殖和产物积累影响极大,因
此是一项重点检测的发酵参数。
pH影响结果
1.菌体大小、长度缩短、直径和数量。 2.pH影响细胞膜的电荷状态,进而引起 膜的渗透性发生改变,再进而影响菌体对 营养物质吸收和代谢产物的形成。对产物 的稳定性同样有影响。 3.pH对某些生物合成途径有显著影响
微生物发酵溶氧控制
氧是细胞呼吸底物。 溶氧量是指溶于培养液中的氧气量。 适宜溶氧量能保证菌体内正常氧化还原 反应。
溶氧量少,导致能量供应不足,微 生物将从有氧代谢转化为无氧代谢来 供应能量;碳源物质不完全氧化产生 乙醇、乳酸、短链脂肪酸等有机酸的 积累,都将抑制菌体生长与代谢。 溶氧量高,导致培养基过度氧化; 细胞成分由于氧化而分解,也不利于 菌体生长。
发酵动力学模型:
发酵动力学模型,是为了描述菌体 生长、碳源利用与代谢产物形成速度
变化,以及它们相互之间的动力学关 系。目前有多种动力学分型。
碳源利用与产物形成速度的关系动力 学分型,它将发酵过程分成了三个类型。
1)Ⅰ型——产物直接与碳源利用有关;
2)Ⅱ型——产物间接与碳源利用有关; 3)Ⅲ型——产物表面与碳源利用无关。
分批发酵动力学
分批培养: 是一次投料,一次接种,一次收获的间 歇培养方式。 这种培养方式操作简单,发酵液中细 胞浓度、基质浓度和产物浓度均随时间而
不断变化。就细胞浓度变化而言,在分批
培养中要经历延迟期、对数生长期、减速
期、稳定期和衰亡期(图4-2)。
连续培养动力学
连续培养或连续发酵是指在培养过程 中,连续地向发酵罐中加人培养基,同时
完全氧化产生的脂肪酸、硅盐氧化后产生
的硫酸等。
发酵过程pH控制方法
①主要考虑培养基中生理酸性物质与生理碱 性物质的配比; ②通过中间补料进一步加以控制。
生理酸性物质--(NH4)2SO4;
生理碱性物质--氨水。
当pH和氨氮含量均低时,补加氨水;若pH 较高,而氨氮较低时,应该补加(NH4)2SO4
径有关,如果代谢途径中产生NADH越多, 呼吸链需要氧就越多,必须多供氧。 如天冬酷胺酶生产,前期好氧发酵,后期
有的发酵需要在不同阶段进行不同供氧。
厌氧发酵,能提高酶活性。
生产上影响需氧因素主要有以下几方面:
①溶解氧浓度:溶解氧浓度高时一般需氧量相对 较低。 ②生产菌种:不同菌种对氧的要求不同,即使同 一菌种的不同时期对氧的需求亦不相同。
发酵工业:
传统发酵(也称酿造,如醋、酱、酒等)
近代发酵工业(如酒精、乳酸等) 现代发酵工业(抗生素、氨基酸、酶制
剂等)
发酵工程:
是指具有工程技术的微生物学在
工、农、医等领域应用,而形成的一 门多学科交叉的学科。
实现发酵工程,必备条件:
①某种功能的微生物; ②控制微生物生长和代谢的各种条件;
③微生物发酵设备; ④发酵产物提取、精制的条件和设备。
吸加强→细胞生长、繁殖加快。
但随着温度上升→酶失活速度加快→菌体衰老提前→
发酵周期缩短→对发酵生产是极为不利。
最适发酵温度选择与控制
选择最适发酵温度应该考虑两个方 面:①微生物生长最适温度,②产物
合成最适温度。
不同菌种、菌种不同生长阶段以 及不同培养条件,最适温度都不同。
微生物发酵时间控制
发酵时间: 是指菌种接入发酵基质起至发酵结 束为止的时间间隔。 发酵时间尽可能短、考虑提高产物 收得率、降低底物消耗率、提高经济 效益、利于后序处理及产品质量等。
对微生物需氧量也有较大影响,如磷酸盐
浓度升高,金霉素产生菌对氧气的需求也
大大增加。
④有毒产物的形成和积累:发酵
液中二氧化碳等代谢产物如果不能及 时从培养液中排出,让其在发酵罐中
积累,就会抑制微生物的呼吸并对微
生物有毒害作用,减小氧的需求量。
⑤消沫剂的影响:如使用消沫剂可被微
生物利用,则会增强需氧量。 ⑥其它因素:发酵接种量大,微生物生
能力。
诱变剂的使用方法
诱变的方法:单一诱变和复合诱变。 单一诱变:指只用一种诱变剂处理菌种。
复合诱变:指两种以上诱变剂处理菌种。
复合诱变处理包括同一诱变剂多次处理、 两种以上诱变剂同时、先后处理或多次
处理。
杂交育种
原生质体融合技术 基因工程技术 菌种保藏的原理和方法
发酵类型:
1.分批发酵 2.补料分批发酵
微生物发酵温度控制
温度是影响有机体生长繁殖最重要的因 素之一。任何生物化学酶促反应都直接与温 度变化有关的。 对微生物发酵来说,温度影响是多方面
的,可以影响各种发酵条件,最终影响微生
物生长和产物形成。
温度对发酵影响:
酶反应看,温度上升→生长、繁殖、代谢。 酶促反应动力学看,温度升高→反应速度加快→呼
长快,菌体浓度大需氧量多;幼龄菌
体呼吸强度高,需氧量大。
影响供氧因素:
供氧是指氧溶于培养液中的过程。氧
在培养液中溶解度很低,对于好氧发酵必 须不断通人空气并搅拌,以满足对溶解氧 的需求。溶解氧浓度与发酵液物理化学性 质、温度等有关。生产上影响供氧主要因
素有以下几方面。
①搅拌,在深层培养过程中机械搅拌是加速 氧溶解的重要条件。 ②空气流速,一般空气流速提高,可提高供 氧量,但空气流速过大,搅拌器叶轮发生
次级代谢:把一些没有明确的生理功能,不是维
持生命活动所必须的物质的代谢过程。其产物称 为次级代谢产物,如某些色素、抗生素、毒素、 生物碱等。
代谢过程错综复杂,但受体内调
节系统严格控制,并按照顺序、协调
有效地进行,维持体内代谢平衡。
对微生物而言:
代谢过程----细胞内自我调节
微生物代谢调节方式:
发酵染菌危害
——产物收得率低; ——产品质量差; ——浪费原材料;
——经济效益差;
——造成环境污染。
发酵过程异常现象判断
浓度来实现调节氧。如青霉素发酵生
产中就是通过控制补料中葡萄糖浓度
来控制发酵液中菌丝浓度,进而实现 氧供需情况的调节。
此外,工业生产中还可以通过调节罐温、
排二氧化碳、改善发酵液的物理性质、液 化培养基、中间加水、使用表面活性剂等 方法来控制溶氧浓度;通过控制补料速率
及罐压及空气中氧气含量也可调节溶氧量。