发酵工程原理与技术应用

发酵工程原理与技术应用
1、发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程。

2、发酵工程：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，它是生物工程和生物技术学科的重要组成部分，又叫微生物工程
3、发酵工程技术的发展史：
①1900年以前——自然发酵阶段
②1900—1940——纯培养技术的建立（第一个转折点）
③1940—1950——通气搅拌纯培养发酵技术的建立（第二个转折点）
④1950—1960——代谢控制发酵技术的建立（第三个转折点）
⑤1960—1970——开发发酵原料时期（石油发酵时期）
⑥1970年以后——进入基因工程菌发酵时期以及细胞大规模培养技术的全面发展
4、工业发酵的类型：
①按微生物对氧的不同需求：厌氧发酵、需氧发酵、兼性厌氧发酵
②按培养基的物理性状：固体发酵、液体发酵
③按发酵工艺流程：分批发酵、补料发酵、连续发酵
5、发酵生产的流程：（重要）
①用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的制备
②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌
③扩大培养有活性的适量纯种，以一定比例将菌种接入发酵罐中
④控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大料的代谢产物
⑤将产物提取并精制，以得到合格的产品
⑥回收或处理发酵过程中所产生的三废物质
6、常用的工业微生物：
①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等
②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属
③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母
7、未培养微生物：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的
微生物
8、rRNA序列分析：通过比较各类原核生物的16S和真核生物的18S的基因序列，从序列差异计算它们之间的进化距离，从而绘制进化树。

选用16S和18S的原因是：它们为原核和真核所特有，其功能同源且较为古老，既含有保守序列又含有可变序列，分子大小适合操作，它的序列变化与进化距离相适应。

9、菌种选育改良的具体目标：
①提高目标产物的产量
②提高目标产物的纯度
③改良菌种性状，改善发酵过程
④改变生物合成途径，以获得高产的新产品
10、发酵工业菌种改良方法：
①常规育种：诱变和筛选，最常用。

关键是用物理、化学或生物的方法修改目的微生物的基因组，产生突变。

②细胞工程育种：杂交育种和原生质体融合育种
③代谢工程育种：组成型突变株的选育、抗分解调节突变株的选育、营养缺陷型在代谢调节育种中的应用、抗反馈调节突变株的选育、细胞膜透性突变株的选育
④基因工程育种：原核表达系统、真核表达系统
⑤蛋白质工程育种：定点突变技术、定向进化技术
⑥代谢工程育种：改变代谢途径、扩展代谢途径
⑦组成生物合成育种：通过合成化合物库进行高效率的筛选
⑧反向生物工程育种：希望表型的确定——确定表型的决定基因——重组DNA技术将该基因在特定生物中表达。

11、发酵工业菌种保藏的必要性和技术：
必要性：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丧失的现象。

技术：斜面低温保藏法、砂土管保藏法、冷冻真空干燥法、液氮超低温保藏法
12、适宜于大规模工业微生物发酵的培养基的共性：
（1）单位培养基能够生产最大量的目的产物
（2）能够使目的产物的合成速率最大
（3）能够使副产物合成的量最少
（4）所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、易于长期获得
（5）所采用的培养基尽量不影响工业好气发酵中的通气搅拌性能及发酵产物的后处理13、培养基中的碳源：
作用：·提供微生物菌体生长繁殖所需要的能源以及合成菌体所需的碳骨架
·提供菌体合成目的产物的原料。

常用的碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等
14、培养基中的氮源：
作用：主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸、蛋白质、核酸等）和含氮代谢物
常用的氮源：a 无机氮源（速效氮源）：铵盐、硝酸盐和氨水
b 有机氮源：如花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉、酒糟
15、生理酸性物质：经微生物代谢后能形成酸性物质的无机氮源（硫酸铵）
生理碱性物质：菌体代谢后能产生碱性物质的无机氮源（硝酸钠）
16、前体：指加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因其加入二有较大提高的一类化合物
17、产物合成促进剂：指那些细胞生长非必需的，但加入后能显著提高发酵产量的一些物质
18、发酵培养基的设计原理：
①首先确定培养基的组成成分，然后再决定各组分之间的最佳配比。

②培养基的组分配比、缓冲能力、黏度、灭菌是否彻底、灭菌后营养破坏的程度以及原料中杂质的含量等因素对菌体生长和产物合成有影响。

③从微生物生长、产物合成的角度需考虑：菌体的同化能力、培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响、碳氮比对菌体代谢调节的重要性、pH对不同菌体代谢的影响
19、发酵培养基的优化方法：
①根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分
②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分
③培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法：正交实验、响应面法、
响应面法：利用合理的实验设计，建立多元二次方程模型来拟合因素和响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺，解决多变量问题的一种统计学方法，该法被广泛应用于农、生物、食品、化工等领域。

（了解）
20、灭菌:用化学或物理方法杀死物料或设备中所有有生命物质的过程
消毒:用物理或化学方法杀死空气、地表以及容器和器具表面的微生物
除菌:用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子
防腐:用物理或化学方法杀死或抑制微生物的生长和繁殖
21、发酵工业污染的危害：
①染菌对不同菌种发酵有不同的影响（消耗营养、合成新产物、改变pH、分解产物、噬菌体破坏极大
②不同发酵时期染菌对发酵有不同的影响（种子扩大时，发酵前期、中期、后期染菌）
④杂菌污染对发酵产物提取和产品质量有一定的影响
22、杂菌污染的防治：
⑴染菌的检查与类型的判断：显微镜检查法、平板划线培养检查法、肉汤培养检查法、发酵过程中的异常现象观察法
⑵污染的原因分析：从污染杂菌的种类、污染时间、染菌的程度进行分析
⑶杂菌污染的途径及其预防：
①种子带菌：培养基及器具灭菌要彻底、避免菌种在移接过程中受污染、避免菌种培
养过程或保藏过程中受污染
②过滤空气带菌：正确选择采气口、根据气候条件设计合理的空气处理流程、设计安
装合理的空气过滤器
③设备的渗漏或“死角”造成染菌：
a发酵罐的“死角”：加强清洗并定期铲除污垢、安装放汽边阀
b管道安装不当或配置不合理形成的“死角”：法兰的加工、焊接和安装要符合灭菌要求，使衔接处管道畅通、光滑、密封性好，尽可能减少连接法兰
④培养基灭菌不彻底造成的染菌：彻底灭菌
⑤操作不当造成染菌：操作要严格规范
⑥噬菌体染菌：以净化环境为中心的综合防治
23、设备的“死角”：由于操作、设备结构或人为因素造成的屏障等原因，使蒸汽不能到达预定的灭菌部位或该部位的冷空气不易在加热过程中排净，从而不能达到彻底灭菌要求的设备的渗漏：指发酵设备、管道、阀门等在长期使用过程中，由于化学腐蚀、电化学腐蚀、磨蚀、加工制作不良等原因形成微小漏孔后发生渗漏染菌。