發酵工程知識點發酵（fermentation）無氧條件下，有機化合物進行不徹底分解代謝釋放能量的過程。利用生物體或生物細胞（含動物、植物和微生物細胞），在合適的條件下，經特定的代謝途徑生產所需產物或菌體的過程。發酵工程（FermentationEngineering）：發酵工程是指采用現代工程技術手段，利用生物體或生物細胞的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把生物體或生物細胞應用于工業生產過程的一種新技術。發酵工程的特點1安全、簡單：常溫常壓條件要求簡單2原料來源廣，價格低：淀粉、糖蜜或其他農副產品為主，礦石資源、石油產品甚至廢水、廢料亦可。3反應專一：發酵通過生物體的自動調節完成，專一性強，可得較為單一的代謝產物。4代謝多樣：即使是極其復雜的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代謝產物。5.易受污染：培養基營養豐富，適合非目的微生物的生長6.菌種易變異：通過變異和菌種篩選，可獲得高產的優良菌株并使生產設備得到充分利用，也可以因此獲得按常規方法難以生產的產品。時間 時期 主要技術1900年前 自然發酵 天然接種1900~1939年 純培養 單種微生物分離與純培養技術1940~1956年 通氣培養 通氣攪拌的好氣性發酵工程技術1957~1959年 代謝控制 人工誘變育種與代謝控制發酵1960~1978年 全面發展 發酵動力學、發酵的連續化自動化工程技術；微生物生物合成和化學反應合成相結合工程技術1979年至今 基因工程 原生質體融合技術和DNA重組技術發酵生產方式：根據生產用微生物種類進行分類：自然發酵自然環境或原料中天然存在的微生物菌群（傳統發酵：釀酒、制醋、做醬等）單菌純種發酵現在發酵工業常用（谷氨酸、抗生素、酶制劑）混菌純種發酵2種及2種以上純培養的微生物進行混合發酵，現代發酵技術應用到傳統發酵食品的形式。（直投式發酵劑生產酸乳、液體釀酒新工藝）根據培養基的物理狀態進行分類固態發酵發酵基質呈不流動狀態，傳統發酵常用。（食用菌的培養、大曲酒發酵、好氧菌的曲法培養、厭氧性的堆積發酵等）半固態發酵發酵基質為半流動狀態（黃酒發酵、醬油稀醪發酵）液態發酵發酵基質為流動狀態，主要方式為淺盤培養和深層液體培養。淺盤發酵：勞動強度大、生產效率低、易污染；簡單易行、投資少、適用于小型生產獲得優質的生產菌種是實現高水平發酵工程工業生產的前提。工業用菌種的要求：具備高產穩產目的代謝產物的能力具備穩定的遺傳特性，不易變異和退化安全性（不是病源菌，不產毒素）生長繁殖能力強，有較高的生長速率，發酵周期短生產原料價格便宜、來源廣泛培養要求不高，培養條件易于控制不產生或少產生非目標產物工業微生物菌種分離篩選的步驟：采集、富集、培養、篩選、產物分析工業菌種選育的思路：(1)進：增加菌種利用底物或前體物的水平(2)通：解除或繞過代謝途徑中的限速步驟(3)截：改變代謝途徑，減少無用副產品的生成(4)堵：抑制或消除菌種對產品的利用和分解(5)出：改進菌種外泌產品的能力種子擴大培養：是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態的生產菌種接入試管斜面活化后，再經過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級放大培養而獲得一定數量和質量的純種過程。這些純種培養物稱為種子。作用：形成生長優勢、抑制雜菌污染獲得生長活力旺盛、繁殖能力強的種子，縮短發酵周期逐步適應大規模生產。目的：為發酵罐的投料提供一定數量代謝旺盛的種子。目標：不但得到純而壯的培養物，而且要獲得活力旺盛、數量足夠的培養物。優質種子的標準菌種細胞的生長活力強、同步性好，移種至發酵罐后能迅速生長，遲緩期短；生理狀態穩定，保持穩定的生產能力；菌體總量及濃度能滿足大容量發酵罐的要求；無雜菌及噬菌體污染。實驗室擴大培養主要有三種方法孢子進罐法菌絲進罐法細胞進罐法生產車間擴大培養：常用接種方法：胞子懸浮液-----微孔接種法搖瓶菌絲體------火焰保護接種法或壓差法影響種子質量的因素：一、培養基原材料質量波動瓊脂牌號的不同水質二、培養條件溫度濕度通氣量種齡接種量培養時間和冷藏時間種子質量的控制措施：菌種穩定性的檢查無（雜菌）檢查創造良好的培養條件菌種退化（degeneration）主要指生產菌種或選育過程中篩選出來的優質菌株，由于連續傳代保藏之后，菌株的某些生理性狀和形態特征逐漸退化或完全喪失的現象。菌種退化的防治：從菌種選育方面考慮在育種過程中，應盡可能使用孢子或單核菌株，避免對多核細胞進行處理；在使單鏈突變的同時，使另一條單鏈喪失模板作用，以減少出現分離回復現象；誘變處理后應進行充分的分離純化，以保證菌株的“純度”。從菌種保藏方面考慮控制傳代次數利用不易衰退的細胞傳代選擇合適的菌種保藏方法其他方面創造良好的培養條件真空冷凍干燥保藏法1）冷凍干燥原理水分在冰凍狀態下直接升華而干燥2）冷凍干燥的三要素：真空——降低水的蒸汽壓以加速水分的蒸發冷凍——使水蒸氣冷凝以減輕真空泵負荷,加速干燥溫度——達到進一步加速干燥的目的3）冷凍干燥的優點：對微生物的生物活性影響小所得干粉疏松，溶解性好；水分含量低；由于同時滿足干燥和真空兩個菌保要素，因而保存時間長,保存過程不易失活和退化真空冷凍干燥操作流程：冷凍干燥管準備脫脂牛奶的準備菌懸液的制備冷凍干燥真空封口質量檢驗液氮冷凍保藏法：冷凍保護劑在液氮冷凍保藏中，最常用的冷凍保護劑是二甲亞砜和甘油，最終使用濃度一般為甘油10％、二甲亞砜5％。液氮冷凍保藏微生物菌種的步驟：待冷凍保藏菌種懸液的制備從液體培養物制備菌懸液：液氮冷凍保藏菌種的活化微生物代謝的控制：是指運用人為的方法對微生物的代謝調節進行遺傳改造和條件的控制，以期按照人們的愿望，生產有用的微生物制品。實現初級代謝產物代謝控制發酵的方法：控制發酵條件培養基（各種營養物質，不同的氮、碳源等）pH

溫度

溶氧

誘導物、前體

改變細胞透性生理學方法

谷氨酸發酵生產，生物素濃度的控制；

添加青霉素；

表面活性劑

遺傳學方法

營養缺陷型菌株。如谷氨酸生產菌的油酸營養缺陷型，控制油酸，細胞膜合成不完整。

3、改變菌種的遺傳特性調節性或組成型突變株抗反饋突變菌株營養缺陷型菌株雙重營養缺陷型菌株次級代謝產物的調節方式：酶合成的誘導調節次級代謝產物的反饋調節產生菌生長速率調節初級代謝產物調節磷酸鹽調節實現次級代謝產物代謝控制發酵的方法

1、補加前體或其類似物2、加入誘導物3、防止碳分解代謝阻遏或抑制的發生4、防止氮、磷代謝阻遏或抑制的發生5、篩選耐前體或前體類似物的突變株6、選育抗性突變株或營養缺陷型突變株7、調節性或組成型突變株生產用培養基要求：滿足生產用菌種生長繁殖需求滿足生產目標產物的需求連續滅菌與間歇滅菌的比較：連續滅菌的優點–保留較多的營養質量；–容易放大；–較易自動控制；–縮短滅菌周期；–在某些情況下，可使發酵罐的腐蝕減少；–發酵罐利用率高；–蒸汽負荷均勻。分批滅菌的優點–設備投資較少–染菌的危險性較小–人工操作較方便，適于小規模生產–對培養基中固體物質含量較多時更為適宜如何解決高溫滅菌對培養基的破壞：不耐熱成分單獨滅菌采用過濾除菌、降低滅菌溫度、縮短滅菌時間產生沉淀反應的成分分開滅菌采用連續滅菌的方法發酵動力學（fermentationkinetics）：研究發酵過程中菌體生長、基質消耗、產物合成等變化速率，以及反應速率與各種影響因素之間內在規律的科學，并以數學、工程學的原理，進行定量描述。研究發酵動力學的目的：認識發酵過程的規律優化發酵工藝條件，確定最優發酵過程參數，如：基質濃度、溫度、pH、溶氧等提高發酵產量、效率和轉化率等

分批發酵（）：指一次性投料、接種直到發酵結束，屬典型的非穩態過程。根據發酵時間過程分析，微生物生長與產物合成存在以下三種關系：與生長相關→生長偶聯型與生長部分相關→生長部分偶聯型與生長不相關→無關聯補料分批式操作Fed-batchfermentation:在分批過程中，間歇或連續地以某種方式向培養系統中補加一定物料。連續發酵概念：當發酵過程啟動到一定階段（如產物合成最適時期），一邊連續補充發酵培養液，一邊又以相近的流速放出發酵液，使發酵罐內料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態（恒定的基質濃度、恒定的產物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發酵方式。引起pH變化的因素：1）基質代謝（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標志之一（2）氮代謝當氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質利用后pH會上升或下降2）產物形成某些產物本身呈酸性或堿性，使發酵液pH變化。如有機酸類產生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。3）菌體自溶，發酵后期，pH上升。引起發酵液pH值變化的常見因素(1)下降①培養基中C/N不當，有機酸積累；②消沫油加得過多；③生理酸性物質過多；(2)上升①C/N比例不當，N過多，氨基氮釋放；②生理堿性物質過多；③中間補料時堿性物加入量過大；發酵過程中pH值的調節及控制：1）發酵pH值的確定（范圍，時間）一般是在5～8之間，如谷氨酸發酵的最適pH值為7.5～8.0。隨菌種和產品不同而不同。同一菌種，生長最適pH值可能與產物合成的最適pH值是不一樣的。按發酵過程的不同階段分別控制不同的pH，使產量最大。pH的控制方法常用方法調節好基礎料的pH。基礎料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調節pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調到6.5-6.8。在基礎料中加入維持pH的物質，如CaCO3，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等通過補料調節pH在發酵過程中根據糖氮消耗需要進行補料。在補料與調pH沒有矛盾時采用補料調pH，如（1）調節補糖速率，調節空氣流量來調節pH（2）當NH2-N低，pH低時補氨水；當NH2-N低，pH高時補(NH4)2SO4當補料與調pH發生矛盾時，加酸堿調pH泡沫對發酵的不利影響：降低發酵設備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機會導致產物的損失消泡劑會給后提取工序帶來困難泡沫的控制：①調整培養基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)或改變某些物理化學參數(如pH值、溫度、通氣和攪拌)或者改變發酵工藝(如采用分次投料)來控制，以減少泡沫形成的機會。但這些方法的效果有一定的限度。②采用菌種選育的方法，篩選不產生流態泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素如：雜交選育不產流態泡沫的土霉素生產菌株對于已形成的泡沫，工業上可以采用機械消泡和化學消泡劑消泡或兩者同時使用消泡。③采用機械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫：通過化學方法，降低泡沫液膜的表面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原來受力平衡而破裂。什么叫發酵染菌?在發酵過程中，生產菌以外的其他微生物侵入了發酵液，從而使發酵過程失去了真正意義上的純種培養。染菌會對發酵工業造成哪些不良影響？染菌仍是發酵工業的致命傷。輕者影響產率、產物提取收得率和產品質量；嚴重者造成生產失敗，浪費大量原材料，造成嚴重經濟損失，而且擾亂生產秩序，破壞生產計劃。遇到連續染菌，特別是又找不到染菌原因，未有防治措施時，往往會影響人們的情緒和生產積極性，造成無法估量的危害。發酵異常現象及染菌原因分析：溶解氧的異常變化當雜菌是好氣性微生物時，溶解氧的變化是在較短時間內下降，直至接近于零，且在長時間內不能回升；當雜菌是非好氣性微生物，而生產菌由于受污染而抑制生長，使耗氧量減少，溶解氧升高。排氣的CO2異常變化對于特定的發酵