發酵工程復習資料?一、發酵工程概述1.發酵的定義發酵是指利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體本身、或者直接代謝產物或次級代謝產物的過程。它是一種古老而又現代的生物技術，涵蓋了從傳統的釀造工藝到現代大規模工業生產的各個領域。2.發酵工程的概念發酵工程，是指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術。它包括菌種選育、培養基的配置、滅菌、種子擴大培養、發酵過程控制、產品的分離純化等一系列環節。3.發酵工程的發展歷程傳統發酵階段：早在數千年前，人類就開始利用微生物進行釀酒、制醋、發酵面包等活動，但當時對微生物的認識有限，發酵過程多憑經驗操作。近代發酵工程階段：隨著顯微鏡的發明和微生物學的發展，人們逐漸認識到發酵是由微生物引起的，并開始對發酵微生物進行研究和純種培養技術的開發，發酵工業逐漸從家庭作坊式走向規模化生產。現代發酵工程階段：20世紀中葉以來，隨著DNA重組技術、細胞融合技術等現代生物技術的興起，發酵工程進入了一個新的發展階段，能夠通過基因工程手段構建高產、優質的工程菌，生產各種高附加值的產品。二、發酵工程的基本要素1.發酵菌種菌種的來源自然界分離：從土壤、水、空氣等環境中篩選出具有特定功能的微生物，這是獲取新菌種的重要途徑之一。工業生產菌種的改良：對現有的工業生產菌種進行誘變育種、基因工程改造等，以提高其生產性能。優良菌種的特點生長迅速：能夠在較短的時間內達到較高的細胞濃度，縮短發酵周期。產物產量高：具有較高的生產目標產物的能力，提高發酵經濟效益。遺傳穩定性好：保證在發酵過程中菌種的特性不發生改變，維持生產的穩定性。對環境適應性強：能夠在一定的溫度、pH值、溶氧等條件下良好生長和發酵。2.培養基培養基的成分碳源：為微生物生長提供能量和碳骨架，常見的有葡萄糖、蔗糖、淀粉等。氮源：提供合成蛋白質、核酸等含氮物質的原料，包括有機氮源（如蛋白胨、酵母粉）和無機氮源（如銨鹽、硝酸鹽）。無機鹽：維持微生物正常生理功能，如磷、鉀、鎂、鈣等。生長因子：某些微生物生長必需的微量有機物質，如維生素、氨基酸等。水：是微生物生長和代謝必不可少的溶劑。培養基的類型天然培養基：含有化學成分不明確的天然物質，如麥芽汁、牛肉膏蛋白胨培養基等，營養豐富，常用于實驗室微生物的培養。合成培養基：由化學成分已知的物質組成，成分精確，可用于研究微生物的營養需求和代謝途徑。半合成培養基：由天然成分和部分已知成分組成，兼具兩者優點，廣泛應用于工業發酵生產。3.發酵設備發酵罐的類型與結構機械攪拌式發酵罐：通過機械攪拌使發酵液均勻混合，保證溶氧和營養物質的傳遞，具有較強的適應性，是目前應用最廣泛的發酵罐類型。氣升式發酵罐：利用氣體上升推動發酵液循環，結構簡單，能耗低，但對溶氧控制要求較高。自吸式發酵罐：通過特殊的吸氣裝置吸入空氣，實現溶氧供應，適用于一些對剪切力敏感的微生物發酵。發酵罐的附屬設備通氣系統：保證無菌空氣的供應，包括空氣過濾器、空氣壓縮機等。攪拌系統：使發酵液充分混合，提高傳質傳熱效率。溫度控制系統：維持發酵過程中適宜的溫度。pH控制系統：調節發酵液的pH值，保持微生物生長和代謝的最佳環境。消泡系統：消除發酵過程中產生的泡沫，防止泡沫過多影響發酵正常進行。三、發酵工程的工藝流程1.菌種選育自然選育：從自然界分離的菌種中，通過篩選獲得性能優良的菌株，操作簡單，但獲得優良菌株的概率較低。誘變育種：利用物理或化學誘變劑處理微生物細胞，使其發生基因突變，再通過篩選獲得高產突變株。常用的誘變劑有紫外線、X射線、亞硝酸等。基因工程育種：將目的基因導入受體菌中，使其獲得新的遺傳特性，可定向改造菌種。例如，將編碼特定酶的基因導入發酵菌種中，提高產物合成能力。2.培養基的制備原料選擇：根據發酵菌種的營養需求，選擇合適的碳源、氮源、無機鹽等原料。培養基的配制：按照配方準確稱量各種原料，加水溶解，調節pH值至合適范圍，然后進行滅菌處理。3.滅菌滅菌的目的：殺滅培養基、發酵設備及管道中的微生物，防止雜菌污染，保證發酵過程的純種培養。滅菌方法濕熱滅菌：利用高溫高壓蒸汽進行滅菌，是發酵工業中最常用的滅菌方法，能有效殺滅各種微生物。干熱滅菌：適用于玻璃器皿、金屬器械等的滅菌，通過高溫烘烤使微生物蛋白質變性。射線滅菌：如紫外線滅菌，常用于無菌室、接種室等空間的消毒。4.種子擴大培養種子制備的目的：將保藏的菌種經過活化、擴大培養，獲得足夠數量、活力強的種子，接種到發酵罐中，使發酵能快速啟動并正常進行。種子制備的過程斜面菌種培養：將保藏的菌種接種到斜面上，在適宜條件下培養，獲得少量生長良好的菌體。搖瓶種子培養：將斜面上的菌種接入搖瓶培養基中，在搖床上振蕩培養，使菌體大量繁殖，達到一定細胞濃度。種子罐培養：搖瓶種子接入種子罐中，進行逐級擴大培養，進一步增加細胞數量，為發酵罐提供足夠的接種量。5.發酵過程發酵條件的控制溫度：不同的微生物有其最適生長溫度，發酵過程中需將溫度控制在適宜范圍內。例如，釀酒酵母的最適發酵溫度一般在2832℃。pH值：通過添加酸堿調節劑維持發酵液的pH值穩定。如谷氨酸發酵，pH值一般控制在7.07.2。溶氧：根據微生物的需氧特性，采用通氣、攪拌等方式保證發酵液中有足夠的溶解氧。好氧發酵需維持較高的溶氧水平，而厭氧發酵則需嚴格控制無氧環境。發酵過程的監測參數監測：實時監測發酵罐中的溫度、pH值、溶氧、罐壓、發酵液體積、菌體濃度、產物濃度等參數，以便及時調整發酵條件。異常情況處理：當發酵過程出現異常，如染菌、發酵液泡沫過多、代謝異常等，要及時分析原因并采取相應措施，確保發酵正常進行。6.產物的分離與純化分離方法過濾：通過過濾介質將菌體與發酵液分離，常用的過濾介質有濾紙、濾布、微孔膜等。離心：利用離心力使發酵液中的菌體和其他固體顆粒沉淀，實現固液分離。純化方法萃取：利用溶質在互不相溶的溶劑中的溶解度差異，將目標產物從發酵液中萃取到有機相中，然后再進行反萃取得到純化產物。蒸餾：適用于分離沸點不同的物質，可用于發酵產物中揮發性成分的分離和純化。色譜分離：如離子交換色譜、凝膠過濾色譜、高效液相色譜等，能根據物質的物理化學性質差異進行高效分離，得到高純度的產物。四、發酵工程的應用1.食品工業酒類發酵：利用酵母菌發酵糖類生產啤酒、葡萄酒、白酒等。不同種類的酒在原料選擇、發酵工藝等方面有所不同，但都是通過酵母菌將糖分轉化為酒精。調味品發酵：醬油、醋、味精等調味品的生產都離不開發酵工程。例如，醬油是由米曲霉等微生物發酵大豆、小麥等原料制成，醋則是通過醋酸菌發酵酒精產生醋酸。面包發酵：面包制作中使用酵母發酵面團，產生二氧化碳氣體使面團膨脹，同時賦予面包獨特的風味和口感。2.醫藥工業抗生素生產：青霉素、鏈霉素、頭孢菌素等抗生素是發酵工程在醫藥領域的重要產品。通過篩選和改造高產菌種，利用發酵技術大規模生產抗生素，挽救了無數人的生命。生物制藥：利用基因工程技術構建工程菌，生產胰島素、干擾素、生長激素等生物藥物。這些藥物具有高效、低毒等優點，為治療各種疾病提供了新的手段。疫苗生產：許多疫苗是通過發酵工程生產的，如乙肝疫苗、流感疫苗等。通過培養特定的微生物或細胞系，生產出具有免疫原性的疫苗，用于預防傳染病。3.化工工業氨基酸發酵：谷氨酸、賴氨酸、蘇氨酸等氨基酸是重要的化工原料，通過發酵工程可以實現大規模生產。氨基酸廣泛應用于食品、飼料、醫藥等行業。酶制劑生產：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等酶制劑在食品加工、紡織、洗滌劑等行業有廣泛應用。利用發酵工程生產酶制劑，具有產量高、成本低、質量穩定等優點。生物能源生產：利用微生物發酵糖類、淀粉、纖維素等原料生產乙醇、生物柴油等生物能源，是解決能源問題的重要途徑之一。例如，以玉米、木薯等為原料發酵生產乙醇，可作為汽車燃料的替代品。4.環境工程污水處理：利用微生物的代謝作用，將污水中的有機物分解為二氧化碳和水，實現污水的凈化。例如，活性污泥法就是通過培養含有多種微生物的活性污泥來處理污水。廢氣處理：某些微生物能夠降解廢氣中的有害物質，如硫化氫、苯等。通過構建生物濾池、生物滴濾塔等裝置，利用微生物進行廢氣處理，具有成本低、效果好等優點。五、發酵工程的前沿進展1.合成生物學在發酵工程中的應用合成生物學旨在設計和構建新的生物系統或對現有生物系統進行改造，以實現特定的功能。在發酵工程中，合成生物學可用于構建定制化的工程菌，精確調控代謝途徑，提高目標產物的產量和質量。例如，通過合成生物學方法重新設計釀酒酵母的代謝途徑，使其能夠生產出具有特殊風味和功能的新型酒類產品。2.系統生物學與發酵過程優化系統生物學整合了基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等多組學技術，全面研究細胞內基因、轉錄、翻譯、代謝等各個層面的相互作用和動態變化。將系統生物學方法應用于發酵工程，可以深入了解發酵過程中微生物的生理代謝機制，為發酵過程的優化提供理論依據。通過對發酵過程中代謝網絡的分析，找出關鍵節點和限制因素，從而有針對性地調整發酵條件，提高發酵效率。3.新型發酵技術的發展固態發酵技術：固態發酵是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的固態基質上生長繁殖，并進行代謝的過程。與傳統的液態發酵相比，固態發酵具有能耗低、產物濃度高、環境污染小等優點，在食品、飼料、生物農藥等領域有廣闊的應用前景。例如，利用固態發酵生產豆豉、腐乳等傳統發酵豆制品，以及生產纖維素酶、木聚糖酶等酶制劑。連續發酵技術：連續發酵是指在發酵過程中，一邊連續加入新鮮培養基，一邊連續排出發酵液，使發酵罐內的微生物處于穩定的生長環境中，持續進行發酵生產的技術。連續發酵可提高設備利用率，降低生產成本，實現自動化生產，適用于一些對發酵條件要求相對穩定的產品生產，如酒精、啤酒等的大規模工業化生產。六、發酵工程的未來展望1.可持續發展隨著全球對環境保護和資源可持續利用的關注度不斷提高，發酵工程將朝著更加綠色、環保、可持續的方向發展。未來，發酵原料將更多地采用可再生資源，如農業廢棄物、林業廢棄物等，減少對傳統化石資源的依賴。同時，發酵過程中的節能減排技術將不斷創新，降低發酵工業的能源消耗和環境污染。2.智能化與自動化借助人工智能、大數據、物聯網等現代信息技術，發酵工程將實現智能化和自動化控制。通過實時監測發酵過程中的各種參數，并利用數據分析和模型預測，自動調整發酵條件，實現發酵過程的最優控制。這將提高發酵生產的穩定性和效率，降低人工成本，減少人為因素對發酵過程的影響。3.拓展應用領域隨著對微生物代謝機制的深入研究和技術的不斷創新，發酵工程