2022年发酵工程知识点总结.docx

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1、精品_精品资料_第一章1 发酵和发酵工程的概念发酵狭义：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动,来制备微生物菌体或其代谢产物的过程.广义：凡是培育细胞（动、植物和微生物细胞）来制得产品的过程.发酵工程讨论发酵工业生产过程中,各个单元操作的工艺和设备的一门科学5、分批发酵,分批补料发酵分批发酵 batch-process ：在生物反应器内投入限量培育基后,接入微生物菌种进行培育, 完成一个生长周期, 获得产品的微生物培育方法.是目前传统发酵工业所采纳的主要发酵形式.在分批补料发酵：发酵的开头投入肯定量的培育基,在发酵过程的适当时期,开头连续补加碳或（和）氮源或（和）其他必需基质,直至发酵液体积达

2、到发酵罐最大操作容积后,将发酵液一次放出, 这种操作方式称为补料分批发酵.这种发酵方式能保持较高的活菌体浓度,目前,基因工程菌发酵常采纳此方法3、诱变育种和分子育种的定义.诱变育种的含义应用微生物遗传和变异理论,用物理或化学诱变剂处理匀称分散的微生物细胞群, 促进其突变率大幅度提高 , 然后采纳简便、快速和高效的选择方法, 从中选择少数符合育种目的的突变株 , 以供生产实践或科学讨论用分子育种的含义分子育种（分子克隆、基因工程）是分子水平上的育种方法.依据需要,用人工的方法取得供体 DNA 上的基因,在体外重组于载体DNA 上,再转移到受体细胞使其复制、转录和翻译,表达出供体基因原有的遗传外形

3、.3、初级代谢产物和次级代谢产物的定义.1 初级代谢产物的定义：微生物代谢产生的,并且是微生物生长与繁衍所必需的代谢产物初级代谢产物种类：有机酸、氨基酸、核苷酸、蛋白质（包括酶）、多糖、核酸等2 次级代谢产物的定义：微生物代谢产生的,与微生物生长与繁衍无明确关系的代谢产物. 种类包括：抗生素、激素、毒素、色素、信息素、生物碱等.2、发酵工程讨论的内容发酵工业用生产菌种的选育：自然选育诱变育种基因工程育种发酵条件的优化与掌握生物反应器的设计发酵产物的分别、提取和精制3、发酵类型1 按发酵产品的类型划分2 按发酵工艺是否需氧划分厌氧发酵：如酒类发酵、酒精发酵、丙酮丁醇发酵、乳酸发酵和甲烷发酵通风发

4、酵：如酵母菌生产、抗生素发酵、有机酸发酵、氨基酸发酵和酶制剂生产等3 按发酵工艺培育基的状态划分可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_固态发酵：主要应用于传统酿造业.液态发酵： ,是目前发酵工业所采纳的主要工艺.4、发酵工艺培育方法发酵工艺培育方法有：固态发酵工艺和液态发酵工艺1 固态发酵工艺固态薄层发酵固态厚层（通风）发酵2 液态发酵工艺液态表面发酵（浅盘发酵）工艺液态深层通风发酵 Submerged fermentation 液态深层通风发酵是指在无菌条件下,在液体培育基内部进行微生物培育,获得产品的过程.它包括向发酵罐中通入大量无菌空气、搅拌使空气匀称、培育基灭菌和无菌接种.液

5、态深层通风发酵是发酵工业使用的主要工艺.其次三章二、微生物的生长和繁衍的条件1、养分物质：水、C 源、 N 源、生长因子,矿质元素.2、pH 值：通常细菌、放线菌在中性.酵母、霉菌在偏酸性条件下生长3、温度：通常细菌最适生长条件为370C.放线菌、酵母、霉菌在280C 生长4、湿度：5、气体： CO2 、O2 等3、微生物纯培育生长曲线及在发酵工业中的应用A、迟缓期（适应期）特点 :生长速率等于零细胞合成新的成分适应新的培育基或别的培育条件细胞外形变大或变长对外界不良环境敏锐实际意义：种龄 :1 对数期“种子” ,迟缓期较短. 2 迟缓期或衰亡期“种子”,迟缓期较长接种量： 1 接种量大,迟缓

6、期较短.2 接种量小,迟缓期较长.培育基成分 :1 培育基成分丰富的,迟缓期较短培育基2 成分与种子培育基一样,迟缓 期较短B、对数生长期影响因素：菌种：不同菌种的代时差异极大养分物浓度： 影响微生物的生长速率和总生长量 培育温度：影响微生物的生长速率养分成分：养分越丰富,代时越短对数期的实践意义代谢、生理讨论的良好材料增殖噬菌体的最适宿主菌龄发酵生产中用作“种子”的正确种龄因工程菌发酵要尽量延长对数期C、稳固期特点：细胞生长速率为零 ;活细胞总数维护不变,即新繁衍的细胞数与衰亡的细胞数相等,菌体总数达到最高点.细胞生理上处于衰老,代谢活力钝化,细胞成分合成缓慢,G+染色发生变化稳固期的实践意

7、义发酵生产中以菌体为终产品的正确收成期导致了连续培育原理的提出和工艺技术的改某些代谢产物特殊是次生代谢产物发生在此阶段,某些细菌的芽孢也发生在此阶段,故又可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_称作代谢产物合成期.D、衰退期特点：细胞以指数速率死亡,有时细胞死亡速率降低是由于抗性细胞的积存.细胞变形退化,有的发生自溶,G+染色发生变化.影响衰亡期的因素及实践意义菌种的遗传特性有关: 有些细菌的培育经受全部的各个生长时期,几天以后死亡, 有些细菌培育几个月乃至几年以后仍旧有一些活的细胞.养分物质和有毒物质有关：补充养分和能源以及中和环境毒性,可以减缓死亡期细胞的死亡速率,延长细菌培育物的

8、存活时间5、微生物合成次级代谢产物的基本特点.A、次级代谢产物具有种属特异性B、次级代谢产物在菌体稳固期合成C、次级代谢产物不少是结构相像的混合物D、次级代谢产物合成受多基因调控6、提高次级代谢产物产量的方法.A、补加前体类似物如青霉素生产补加苯乙酸能增加青霉素G.加苯氧乙酸得到青霉素K.B、加入诱导物如加蛋氨酸能增加头孢霉素C的产生.加巴比妥可提高利福霉素产量C、防止碳分解产物的阻遏或抑制：如限量流加法发酵D、防止氮分解产物的阻遏或抑制如限量氮源E、选育耐前体物质的突变株、耐抗生素的突变株、毒性的突变株、养分突变株第四章 菌种选育1、微生物纯种分别方法有哪些？1、固体稀释平皿倾注法（混菌法）

9、最常用的微生物纯种分别方法2、涂布分别法3、平板划线分别法4、单细胞挑取法5、组织分别法6、利用选择培育基分别法7、其他方法2、从自然界中分别和选择微生物菌种的步骤1. 定方案：第一要查阅资料,明白所需菌种的生长培育特性.2. 采样：有针对性的采集样品.3. 增殖：人为的通过掌握养分或培条件,使所需菌种增殖培育后,在数量上占优势.4. 分别：利用分别技术得到纯种.5. 发酵性能测定：进行生产性能测定.这些特性包括外形、培育特点、养分要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH 值、提取工艺等.微生物菌种的分别和选择实例从自然界中分别产 .淀粉酶枯草芽

10、胞杆菌1、确定采样的点：2、处理样品：3、增殖培育：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4、选择培育基分别：5、选择单菌落于斜面试管,280C 培育.6、摇瓶培育： 280C, 2 3 天,取出,过滤.7、测定菌株的 .淀粉酶活性6、菌种衰退的含义及菌种复壮的方法.菌种的衰退： 生产菌株几乎都是人工诱变变异株,都是代谢调控失控菌株,遗传特性很不稳固,极易发生自然变异. 因此, 在使用和保藏过程中,生产菌株会逐步向不利于生产方向发生变化,这种变化称为菌种的衰退方法A、纯种分别：选取典型性状的单菌落B、剔除衰退个体C、选择合适的培育条件4、原生质体融合定义及主要步骤定义 用脱壁酶（细菌

11、和放线菌用溶菌酶,酵母和霉菌用蜗牛酶和钎维素酶）去除微生物的细胞壁, 制成原生质体, 用聚乙二醇促进原生质体融合,从而获得异核体的这一技术叫原生质体融合.步骤标记菌株的选择 :养分缺陷型和抗药性标记原生质体的制备：脱壁酶脱壁原生质体的融合：聚乙二醇促进融合原生质体的再生：再生培育基培育再生壁融合子的选择：选择性培育基上划线生长,分别验证,挑取融合子进一步试验、保藏.生产性能选择.第五、六章培育基、灭菌1、葡萄糖（转化）值（ DE）.DE 值： 表示淀粉糖的葡萄糖组成,是指糖化液中的仍原糖（以葡萄糖计）的含量占干物质的百分率.DE 值 仍原糖（葡萄糖）含量（）/ 干物质含量（）X 100 6、培

12、育基分批（间歇）灭菌概念及过程.概念：将配制好的培育基输入发酵罐内,直接用蒸汽加热,达到灭菌要求的温度和压力后,维护肯定时间,再冷却至发酵要求的温度.分为升温、保温顺冷却三个阶段1、种子的扩大培育概述及一般过程菌种的扩大培育是发酵生产的第一道工序, 该工序又称为种子制备.将储存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后,再经过扁（茄子）瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培育,最终获得肯定数量和质量的纯种过程.这些纯种培育物称为种子.3、发酵培育基选择原就.总体原就：依据微生物化学组成成分以及微生物生长和繁衍条件所需养分物质（水、C 源、N 源、生 长因子以及 pH 值、温度、湿度、气体

13、等）首先确定培育基 C/N 比,再用正交试验确定原材料的浓度的配比.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_详细做到：1) 必需供应合成微生物细胞和发酵产物的基本成分.2) 有利于削减培育基原料的单耗,即提高单位养分物质所合成产物数量或最大产率.3) 有利于提高培育基和产物的浓度,以提高单位容积发酵罐的生产才能.4) 有利于提高产物合成速度,缩短发酵周期.5) 尽量削减副产物形成,便于产物的分别纯化.6) 原料价格低廉,质量稳固,取材简洁.7) 所用原料尽可能削减对发酵过程中通气搅拌的影响,利于提高氧的利用率,降低能耗.8) 有利于产品的分别纯化,并尽可能削减产生“三废”的物质.2、淀

14、粉水解糖的生产工艺.生产工艺有酸法、酶法、酸酶法三种酸水解1200C 以上盐酸或草酸淀粉乳高温液化酸水解其中盐酸的水解淀粉才能高,但酸法水解缺乏专一性,A淀粉酶液化B糖化酶糖化淀粉 90950C寡糖 55600C 葡萄糖具有高度的专一性,副产物少,纯度高,糖色浅,与酸法相比,可以转化较高浓度的固 形物,提高效率,削减损耗,降低成本,所得母液仍可以利用,而且在常温常压下进行, 设备工艺都比较简洁.酸酶法投料浓度,淀粉乳淀粉含量在 34 40（ 18 20Bx）为酸法的两倍,节约费用,缩短时间, DE 值（糖化率）可达 96%,纯度高,糖液色浅,简洁结晶析出,用酸量少,仅为酸法的 20%,产品质量

15、高. （注：有先酸后酶法和先酶后酸法两种）7、发酵工业常用空气除菌的方法.1、加热灭菌 ：用蒸汽、电能、空气压缩过程中产生的热量进行灭菌.2、静电除菌其原理是含有灰尘和微生物的空气通过高压直流电场, 气体产生电离 , 产生的离子使灰尘和微生物等成为载电体,载电体被捕集于电极上,达到除菌的目的.吸附于电极上的颗粒、油滴、水滴等须定期清洗, 以保证除尘效率和除尘器的绝缘成效3、介质过滤除菌：用一种介质将空气中的各种微粒和极少量的游离微生物捕集起来予以除掉.介质过滤除菌是目前发酵工业中最常用空气除菌方法.4、培育基配制中各成分的定量方法. 理论运算法设微生物生长和产物形成化学方程式为:碳源和能源 +

16、 氮源 + 其他所需物质细胞+产物 +CO2+H20+ 热量将该方程进行定量表达, 就可对培育基进行经济设计, 运算出得到肯定量菌体所需养分物质的最小量.第七、八章种子培育、工艺掌握2、影响种子质量的因素1、培育基2、培育条件3、种龄4 、接种量可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_孢子质量的因素1、培育基2、培育温度和湿度3 、培育时间和冷藏时间4、接种量4、影响发酵温度变化的因素及其掌握.因素 1、生物热（ Q 生物）：菌体生长繁衍产生的热.2、搅拌热（ Q 搅拌）：搅拌时,液体与液体之间、液体与设备之间摩擦产生的热.3、蒸发热（ Q 蒸发）：排除气体引起水分蒸发所需的热.4、发

17、酵过程热量可用以下公式表示：Q 发酵 = Q 生物 + Q 搅拌 - Q 蒸发温度的掌握2、温度掌握方法夹层通入温水或冷却水来调剂温度5、掌握 pH 方法.1、将培育基调配成菌体生长和发酵产物产生的最适pH.2、先将培育基调配成菌体生长的最适pH,再发酵的过程中通过补料的方法来调剂发酵的最适 pH,如加氨水、酸、碱.补加氮源如尿素等都可以达到稳固的pH 作用.8、发酵过程中泡沫对发酵的影响和排除的方法影响1、使发酵罐装量削减.2、大量逃液,导致产物的缺失. 3、泡沫顶罐,培育基从搅拌轴封渗出,增加了染菌的机会.4、影响通气搅拌的正常进行,造成发酵反常.5、使微生物菌体提前自溶,又使更多泡沫产生

18、.6、迫使加入消泡剂,这将对发酵工艺和产物的提取带来困难.排除泡沫的方法1） 机械消泡：通过机械剧烈振动或压力变化2） 消泡剂消泡：消泡剂为表面活性剂,主要有油脂类、高碳醇、脂肪酸、聚醚类、硅酮类等6、影响供养的因素.1、空气的流速（通风量） ：一般掌握在 0.51.0 v/v min 范畴内 ,即 1： 0.51vvm.2、罐压：罐压的高低仍与氧和CO2 在培育液中的溶解度有关. 一般掌握在 0.05 0.10mp 范畴内.3、搅拌： 搅拌形式、搅拌转速.4、发酵液的粘度5、发酵液的理化性质6、泡沫：7、空气的分布：8、发酵罐的结构：（最主要是搅拌转速和通风量）7、补料分批培育、作用及适用范

19、畴.1、补料分批培育的含义：是指在分批培育过程中,间歇或连续的补加一种或多种成分的新奇培育基的培育方法.2 作用 1、可以掌握抑制性底物的浓度,使底物浓度保持在发酵最适浓度范畴.2、可以解除或减弱分解产物对代谢过程的阻遏.3、可以使发酵过程正确化.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3 适用范畴 1、高菌体浓度培育即高密度培育系统.2、存在高浓度底物抑制系统,特殊是用甲醇、苯酚等作底物的系统.3、受代谢物阻遏的系统4、期望延长反应时间的系统从土壤中分别、诱变及随机选择柠檬酸高产菌种选育过程.一、从土壤中选择产柠檬酸的黑曲霉菌株1、确定选择产柠檬酸的菌种种类,采集样品： 取霉腐土层,

20、选择黑曲霉菌株.2、选择合适的培育和纯种分别的方法：固体稀释平皿倾注法分别土壤中的黑曲霉, 在平板培育基中添加碳酸钙,待培育长出菌落后,挑取透亮圈大的菌落于斜面.3、选择产酸的单菌落斜面菌种,进行生产性能的测定： 即确定所选择的黑曲霉菌株产的是柠檬酸.二、菌种的诱变育种1、将黑曲霉接种于斜面活化.2、制备动身菌孢子悬液并进行活菌计数.3、诱变剂处理：可先单一,后复合处理：1） 物理因子：紫外线诱变和 射线诱变处理.2） 化学因子：硫酸二乙酯、亚硝基胍处理.3、用加碳酸钙的平板分别诱变处理后的孢子,待菌落长出后,挑取平板上透亮圈较大的单菌落 200 个于斜面培育基,300C 培育长出孢子后,进行

21、摇瓶初筛.4、摇瓶初筛：5、摇瓶复筛：如产率不高,仍必需进行其次轮诱变育种三、变异株稳固性试验：转接 10 代,考察传代后,各代菌株柠檬酸生产率是否有较大的变化.四、菌种特性考察,菌落特点、菌丝外形及产生孢子的情形进行考察. 五、中试验证菌种是否适合工业化生产.六、大型投产试验,进行工业化生产.1、发酵工业常用的微生物的种类,主要的发酵产品.发酵工业常用的微生物有细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类.细菌： 1、枯草杆菌与中性蛋白酶和-淀粉酶. 2、乳酸杆菌、双歧杆菌与酸奶、微生态剂. 3、醋酸杆菌与醋酸.4、棒状杆菌与谷氨酸5、大肠杆菌与基因工程受体菌.6、目前正在讨论和开发的重要细菌代谢产物枯

22、草杆菌与溶栓酶. 大肠杆菌与天冬酰胺酶放线菌： 是一类呈分枝状生长, 主要以孢子或菌丝体繁衍的单细胞原核型丝状微生物,是抗可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_生素的主要生产菌,目前发觉的近万种抗生素中,80%来源于放线菌.如链霉素、卡那霉素、新霉素、四环素、金霉素、土霉素、放线菌素D、红霉素、螺旋霉素、白霉素、制霉菌 素等.酵母菌：啤酒酵母（面包酵母） ：应用非常广泛,除用于传统的发酵行业外,仍可用于提取核酸、麦角固醇、细胞色素 C、凝血质和辅酶A 等.同时,仍可用作食用、药用和饲料用酵母. .假丝酵母 有较强合成才能, 可用于农产品废弃物及食品生产废水的处理. .红酵母但能同化某

23、些糖类,产脂才能较强,可从菌体提取大量脂肪.并能合成 -胡罗卜素.发酵工业上常用的霉菌有：根霉、曲霉、青霉、木霉和红曲霉等.根霉分泌淀粉酶、蛋白酶,能产生酒精、芳香脂类物质,是酿酒所必需的主要菌.毛霉能糖化淀粉并能少量乙醇,产生蛋白酶,有分解大豆蛋白才能.多用来做豆腐乳、豆豉.有的毛霉能产生脂肪酶、果胶酶、凝乳酶.对甾族化合物有转化作用 .米曲霉：具有较强的蛋白分解才能和糖化能力.用于酱油和酿酒生产. .黑曲霉是发酵工业应用最广的曲霉菌,具有多种酶系,是糖化酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、植酸酶和葡萄糖氧化酶生产菌.黑曲霉能产生多种有机酸,如柠檬酸、衣康酸、葡萄糖酸、抗坏血酸、没食子酸等.栖土曲

24、霉：栖土曲霉含有丰富的蛋白酶系,为蛋白酶生产菌.青霉能产生多种酶和有机酸.木霉主要用于纤维素酶的生产. 红曲霉能分泌淀粉酶,产生红色素, 产生酒精, 产生降血压和降血脂的药物, .产黄头孢霉：本种霉菌产头孢霉素N 和头孢霉素 C,其衍生物称为先锋霉素.5、基因工程菌培育发酵的一般步骤.以 TNF- （肿瘤坏死因子）大肠杆菌工程菌生产TNF-为例1、菌株： TNF- 工程菌,含氨卞青霉素抗性基因2、仪器设备：恒温振荡摇床.10L 发酵罐.分光光度计.高速冷冻离心机3、培育基：1） 发酵培育基（ g/L ）：蛋白胨240g,酵母膏120g,甘油 40ml, KH2PO4 12g,K2HPO4122

25、. 5g.2） 补料培育基（ g/L）：甘油 170,酵母膏71,蛋白71.4、发酵类型：高密度分批补料发酵5、培育发酵1）菌种活化 :储存菌种在含 Amp 100mg/L 的平板上划线分别获得单菌落,取平板上单菌落接种到含Amp 100mg/L 的 LB 培育基中 4OmL/250mL 三角瓶 ,37, 190r/min摇瓶培育过夜. 2）三角瓶种子：按 4%接种量接种到含 Amp 100mg/L 的 LB 培育基中 10OmL/500mL 三角瓶 , 220r/min ,370C 培育 6 小时作为发酵用种子.3） 发酵罐发酵可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_(1) 培育基的

26、配制及灭菌：10L 体积的发酵罐 , 装 7L 发酵培育基 ,121高压灭菌 20min .温度降到 100 以下,设定搅拌转速 150r/min,通气量 0.91.0 vvm.(2) 接种及发酵：冷却后 , 恒温 37 , 将转速和通气设定为搅拌转速250r/min,通气量 1.0 vvm, 为 100%.调试好各发酵参数.接种700mL 己预培育好的种子菌液,进行发酵培育.(3) 诱导表达：发酵 2h 左右,发酵液 OD600 约 0.80,加入 IPTG至终浓度为 20 mol/L,连续发酵培育 5h,发酵 4 5h 后开头提高转速 , 每 0.5 小时提高大约 50 r/min,至发酵停止时达到大约500r/min,发酵过程中依据菌体生长和溶氧变化情形准时调整.4） 菌体收集发酵完毕后, 4 4000r/min离心 10min, 收集菌体 , 用生理盐水洗涤 23 次, -20储存备用.5） 发酵过程中的分析菌体浓度测定： OD 测定：用分光度计测定OD600 重量测定：发酵菌液经5000r/min离心 30 分钟,称菌体湿重, 650C 烘至恒定,称细胞干重.OD 值、菌体湿重、细胞干重之间的关系通常为：一个单位的OD 值约为干菌 0.4g/L , 1g 湿菌体相当于 0.2g 干菌体.可编辑资料 - - - 欢迎下载