发酵工程复习资料.doc

发酵工程复习资料
1、微生物的生长繁殖
① 细菌 二等分裂；
② 放线菌 无性孢子繁殖、菌丝片段；
③ 霉菌 无性和有性孢子繁殖；
④ 酵母 芽殖；
p 微生物细胞的分化
① 微生物根据环境的变化，会发生细胞的形态分化，呈现不同细胞结构和生理功能；
② 在环境条件优良，营养物质丰富的情况下，细胞分化为营养体，菌丝体的形态；有利于发挥生长繁殖，产物合成生理功能；
③ 在营养条件不良的情况下，细胞分化为孢子、休眠体等形态，发挥对环境抵抗力的生理功能；
初级代谢产物：微生物代谢产生的，为微生物自身生长繁殖所必需的代谢产物。如：氨基酸，核苷酸，脂肪酸，维生素，蛋白质，酶类，多糖等；
次级代谢产物：微生物代谢产生的，为微生物自身生长繁殖无明确关系的代谢产物。如：抗生素，色素，毒素等；
① 次级代谢产物基本由微生物代谢所产生的中间产物和初级代谢产物所合成的；
② 两种产物的代谢途径相互交叉和制约 分叉中间体：菌体代谢过程中产生的某些中间代谢产物，即可用于合成初级代谢产物，又可用于合成次级代谢产物。
③ 次级代谢产物不少是结构类似物；
③ 次级代谢产物受多基因控制；
p 合成次级代谢产物的基本特征
① 不具有种的特异性；
② 分批发酵时，细胞分化为菌体生长期，产物合成期，菌体自溶期；
③ 次级代谢产物不少是结构类似物；
④ 次级代谢产物受多基因控制；
p 次级代谢产物的生源说、（还有生物合成说）
① 由微生物代谢的一些中间产物降解后和初级代谢产物合成形成前体；
② 直接前体；
③ 微生物修饰后的特殊前体；聚酮体、氨基糖等；
p 次级代谢产物生物合成的基本过程
① 前体的聚合，如乙酸，丙酸，丁酸等前体进行聚合形成聚酮体；
② 代谢产物的基团修饰：次级代谢产物合成分子骨架后，还需多酶体系修饰才能形成最终产物；③ 次级代谢产物合成中关键酶的调控；
p 微生物初级代谢的调控(1) 酶活性的调节；(2) 酶合成的调节 (3) 能荷调节
p 微生物次级代谢的调控(1) 诱导调节；(2) 碳分解产物调节；(3)氮分解产物调节;(4)磷酸盐调节；(5) 反馈调节；(6) 生长速率调节；
第四章 发酵工业原料及其处理
1、原料的选择原则：• 原料价格低廉；• 因地制宜，就地取材；• 原料资源要丰富，容易收集；• 原料要容易贮藏；• 对人体无害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含；• 适合微生物的需要和吸收利用。• 对生产中除发酵以外的其他方面，如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少。
2、（常用主要原料）、常用主要原料的化学组成：
• 碳水化学物：主要是单糖和双糖，发酵微生物的碳源和能源。一些多糖则需转化为单糖或双糖后才被利用。
• 蛋白质：蛋白质经蛋白酶分解后产生的多肽或氨基酸，是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮源。
• 脂肪：针对不同的发酵产品其作用有较大差别
• 灰分：主要是P、Mg、K、S、Ca等元素，是微生物生长和代谢所必需的。
一、预处理的必要性
1.发酵工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序生产的正常和顺利进行。.（原料除杂• 筛选• 风选• 磁力除铁）
2.为保证后续工序生产的正常和顺利进行，还需对原料进行适当加工。
3.为保证生产环境的清洁，必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。
Ø 淀粉的分子结构
• 淀粉可分为直链和支链淀粉两类。
• 直链淀粉通过α-1，4键连接。支链淀粉的直链部分通过α-1，4键连接，分支点则有α-1，6键连接，支链平均有25个葡萄糖基团，因而还原性末端数量较少。
• 一般植物中直链淀粉含量为20～25%，支链淀粉占75～80%。
• 直链淀粉在70～80℃的水中可溶，溶液的粘度较小，遇I2呈纯蓝色；支链淀粉在高温水中可溶，溶液的粘度大，遇I2呈兰紫色。
水解的目的：淀粉原料经过水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用，这就是原料水-热处理的主要目的。
营养成分能更简单地被微生物所利用！溶解需经过膨胀-糊化-溶解三个步骤。
2、水解的方法：淀粉液化的方法
• 水解动力的不同 – 酸法、酶法、酸酶法、机械液化法
• 工艺的不同 – 间歇式、半连续式、连续式
• 设备的不同 – 管式、罐式、喷射式
p 双酶法水解制糖
液化酶作用下的液化程度的控制
液化的目的是为了给糖化提供基础；需要控制液化程度，太高或太低都不利于后续的糖化；
糖化酶作用下的过程：1）糖化的工艺 液化----糖化----灭酶----过滤----成品
2）加酶量 用量过大，复合作用严重；过小则糖化不彻底
第五章、无菌空气的制备
第一节 空气灭菌的方法与流程
一、通风发酵对无菌空气的要求： 空气中微生物的分布： 空气中以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。 微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘或雾滴上，空气中M含量一般为103-104个／m3。
p 发酵对无菌空气的要求
1) 不同微生物，不同发酵过程对无菌空气要求不同：
菌种繁殖快，发酵周期短，要求低；
培养基起始pH低或发酵产酸，要求低；
培养基营养差，要求低；
代谢产物为抗生素或杀菌剂，发酵后期要求低；
染菌率一般按10-3计，即发酵1000批次，允许污染1~2个杂菌(倒罐率)。
二、空气除菌的方法 （1） 辐射杀菌
原理：紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的高能粒子能起灭菌的作用。
特点：穿透力低,用于表面消毒和空气消毒。X射线、γ射线也可灭菌。
（2） 静电除菌 原理：利用静电引力吸附带电粒子达到除菌效果.
（3） 热杀菌（4） 介质过滤除菌
利用过滤方法阻拦微生物达到除菌的目的。工业上制备无菌空气最经济实用的方法。
一、介质过滤除菌原理及分类
p 原理：介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，达到除菌的目的。
p 分类：深层过滤和绝对过滤两种；
第一节 工业发酵过程中对氧的需求
一、微生物对氧的需求
p 氧是细胞的组成成分和各种产物的构成元素；
p 好氧型微生物呼吸、生物能量代谢的必需；
p 也是好气性微生物的代谢最终电子受体，通过氧化磷酸化生成生物体生命活动所需的能量；（控制发酵液的溶解氧意义？ 1) 溶解氧已经成为许多好气性发酵产量的限制因素；2）发酵工业上氧的利用率非常低，提供传氧效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费和动力消耗，减少泡沫形成和染菌几率，提高设备利用率；）
p 两个需氧预测模型
1) 酵母细胞 C3.92N6.5O1.94；细菌细胞 C0.53N0.12O0.19H0.7；
2）假设细胞的代谢产物就是细胞、二氧化碳和水时，
Q=(32C+8H+16O)/(Y.M)-1.34;
Q:形成1g细胞消耗的量；
C、H、O：每g碳源含有C、H、O的原子数；
Y：每g碳源获得的细胞数量
M：碳源分子量； 两个需氧预测模型
3）假设发酵产物是代谢产物时，
Yo/p=(1.06/YP/G)-(0.6X/P)-0.43
Yo/p :形成1g青霉素钠盐所消耗的氧量；
YP/G：消耗1g葡萄糖所产生的青霉素钠盐的克数；
X：菌丝量；
P：生产的青霉素钠盐的克数；（我们需要精确掌握发酵液中的溶解氧规律！）
微生物耗氧量的两个指标
Ø 微生物摄氧量率(γ)：单位体积培养液每小时消耗的氧量；
Ø 呼吸强度(QO2): 单位重量的干菌体每小时消耗的氧气量；
γ=X· QO2 其中：X是每立升培养液中的菌体量；
p 微生物耗氧量的影响因素
Ø 微生物种类和生长阶段 种类、生长阶段（对数期、菌龄）
Ø 培养基的组成 碳源对微生物的需氧量影响最大：油脂、烃类＞葡萄糖＞蔗糖＞乳糖
Ø 溶解氧浓度的影响 CL 、C临界浓度
Ø 培养条件
Ø 二氧化碳的影响 CO2溶解度远高于氧气
三、气体溶解过程的双膜理论
p 概述：双膜理论（two-film theory），是一经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼（W.G.Whitman）和刘易斯（L.K.Lewis）提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。
p 主要论点：
1、相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，相界面两侧的传质阻力全部集中于这两个停滞膜内，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层由气相主体进入液相主体；
2、在相界面处，气、液两项瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力，溶质在界面上两相的的组成存在平衡关系，即所需的传质推动力为零或气、液两相达到平衡。
3、在两个停滞膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，不存在浓度梯度，物质组成均匀。溶质在每一相中的传质阻力都集中在虚拟的停滞膜内。