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发酵工程.doc

泰然健康网
2024-12-11 10:53

1、发酵工程发酵工程（Fermentation Engineering）指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。发酵工程主要包括代谢工程和发酵工艺两个主要内容发酵工程主要包括代谢工程和发酵工艺两个主要内容 1.天然发酵时代，2.纯培养时期，3.通气搅拌技术时期，4.代谢控制发酵技术，5.现代生物技术时期 1.材料的预处理材料的预处理包括原材料的选择，必要的物理和化学方法加工，即培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等 2.生物催化剂的制备生物催化剂的制备生物反应的催化剂酶基本上是由微生物产生的 3.生化反应器及发应条件的选择与监控生化反应器及发应条件的选择与监控生物反应器是进行生物反应的核心设备，生物反应主要是在生物反应器中进行的，它为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目的细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物的有用的微生物 1、微生物的特性、微生物的特性微生物能在不同条件下生长，，微生物能够

2、利用简单的有机物和无机物满足自身的生长微生物能进行复杂的代谢微生物能利用较复杂的化合物工业化生产菌种的要求工业化生产菌种的要求能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强遗传性能要相对稳定不易感染它种微生物或噬菌体产生菌及其产物的毒性必须考虑生产特性要符合工艺要求放线菌（链霉素四环素；红霉素等）放线菌（链霉素四环素；红霉素等）真菌（青霉素、头孢等真菌（青霉素、头孢等代谢控制发酵：代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用氨基酸生产菌的要求氨基酸生产菌的要求代谢途径比较清楚，代谢途径比较简单菌种分离的一般过程菌种分离的一般过程土样的采取土样的采取- 预处理预处理培养培养菌落的选择菌落的选择产品的鉴定产品的鉴定目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物采样时要注意的问题采样时要注意的问题气候、水分、空气，气候、水分、空气，，来源要广，来源要

3、广，，结合产品的特点，结合产品的特点，，标签：地点、时间、气候等，标签：地点、时间、气候等目的微生物富集目的目的微生物富集目的让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能富集的三种方案富集的三种方案定向培养:采用特定的有利于目的微生物富集的条件，进行培养当不可能采用定向培养时，则可设计在一个分类学中考虑不能提供任何有助于筛选产生菌的信息，这时只能通过随机分离的办法菌落的选出菌落的选出从产物角度出发有目的的设计培养基有目的的设计培养基从形态的角度菌落的外观形态，是微生物的一个重要表征菌落的外观形态，是微生物的一个重要表征菌株选育、分子改造目的菌株选育、分子改造目的防止菌种退化解决生产实际问题提高生产能力提高产品质量开发新产品方法方法基因突变基因重组基因的直接进化传统的诱变方法仍然是一种采用的方法，特别是自然选育是工业发酵稳产高产的重要保证培养基：培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料作用：作用：满足菌体的生长满足菌体的生长促进产物的形成促进产物的形成发酵

4、培养基的要求：发酵培养基的要求： 1 满足产物最经济的合成 2 形成的副产物少 3 原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。 4 能满足总体工艺的要求培养基的类型及功能培养基的类型及功能 1、按纯度、按纯度：合成培养基天然培养基 2、按状态：、按状态：固体培养基半固体培养基液体培养基 3、按用途、按用途：孢子（斜面）培养基、种子培养基和发酵培养基三种选择合适的无机氮源有两层意义：选择合适的无机氮源有两层意义：1 满足菌体生长 2 稳定和调节发酵过程中的 pH 有机氮源有机氮源选取时和使用过程中，必须考虑原料的波动对发酵的影响氮源使用的一些相关问题氮源使用的一些相关问题： 1 有机氮源和无机氮源应当混合使用 2 有些产物会受氮源的诱导和阻遏 3 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力 4 开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣生长因子、前体和产物促进剂生长因子、前体和产物促进剂生长因子：微生物生长不可缺少的微量的有机物质生长因子：微生物生长不可缺少的微量的有机物质前体前体：指某些化合物加入到发

5、酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高前体使用时普遍采用流加的方法前体使用时普遍采用流加的方法产物促进剂：产物促进剂：所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。培养基成分选择的原则：菌培养基成分选择的原则：菌种的同化能力代代谢的阻遏和诱导合合适的 C、N 比 pH 的要求使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标培养基设计的步骤培养基设计的步骤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通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；当培养基成分确定后，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。种子扩大培养的概念种子扩大培养的概念:指将保存在砂土管、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，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量的纯种过程扩大培养的

6、目：扩大培养的目： 1 接种量的需要接种量的需要 2 菌种的驯化菌种的驯化 3 缩短发酵时间、保证生产水平缩短发酵时间、保证生产水平种子的要求：种子的要求：总量及浓度，生理状况稳定，活力强，能够迅速生长，无杂菌污染发酵种子制备：斜面孢子培养：斜面孢子培养：25、7 天天, 注意湿度注意湿度 50%左右左右培养基特点：有利于长孢子，用量少而精细培养基特点：有利于长孢子，用量少而精细1、斜面、斜面 (AS1.299)： 32，生长，生长 18-24 小时小时培养基特点：有利于菌体的生长，原料比较精细生长斜面要求：生长良好，所使用斜面连续传代不超过 3 次 2. 一级种子：一级种子：装液 200-250ml,32培养 12 小时。培养基特点：有利于菌体的生长，所使用的原料已经基本接近于发酵培养基培养基特点：有利于菌体的生长，所使用的原料已经基本接近于发酵培养基 3. 二级种子：二级种子： 32培养 7-10 个小时培养基的特点：长菌体，更接近于发酵培养基培养基的特点：长菌体，更接近于发酵培养基实验室阶段：实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在

7、工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此现象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养生产车间阶段：生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归为发酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段。 1、培养物选择的原则、培养物选择的原则对于不产孢子和芽胞的微生物对于不产孢子和芽胞的微生物获得一定数量和质量的菌体对于产孢子的微生物：对于产孢子的微生物：获得一定数量和质量的孢子，，获得一定数量和质量的菌丝体实验室阶段：实验室阶段：培养基选择的原则：培养基选择的原则：有利于菌体的生长，对孢子培养基应该是有利于孢子的生长起始接种物的传代目的：使菌种的传代次数尽可能的少起始接种物的传代目的：使菌种的传代次数尽可能的少孢子培养时注意湿度，子斜面使用一般不超过 1 个月在生产车间阶段在生产车间阶段最终一般都是获得一定数量的菌丝体因为：最终一般都是获得一定数量的菌丝体因为：菌丝体直接生长，孢子还需要萌发培养基选择的原则：首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培培养基选择的原则：首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培养基丰富

8、养基丰富发酵级数确定的依据：发酵级数确定的依据：级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一般 2-4 级。在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要的一个方面移入种子的体积移入种子的体积接种量接种量 10%左右左右接种后培养液的体积接种后培养液的体积双种：双种：两个种子罐接种到一个发酵罐中。倒种：倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐种龄：种龄：种子罐中培养的菌体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。对数生长期末对数生长期末发酵过程反应的描述 X S（底物）（底物） X（菌体）（菌体） P（产物）（产物）发酵过程的工艺控制最大限度发挥菌种的潜力单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速基质的消耗比速：菌体的生长比速：产物的形成比速：ds dt X Xds dt X X比生长速率：1/h，有一个精确的生物学含义：它表示在固定的生长时间内由已有的数量确定的个体产生的新个体数。数值越大，群体中产生新个体的速率也越大已建立动力学模型

9、的类型已建立动力学模型的类型机制模型: 根据反应机制建立现象模型（经验模型）：目前大多数模型：菌体的生长比速S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数max: 最大比生长速度在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据： S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的 max，Ks 和 td? 将数据整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3S 6 33 64 153 221max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L tdln2/ max0.64h Pirt 方程方程 a + b a=0、b0：可表示一类发酵可表示一类发酵a0、b=0：可表示二类发酵可表示二类发酵 a0、b0：可表示三类发酵：可表示三类发酵维持消耗维持消耗(m) ：指维持细胞最低活性所需消耗的能量细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细胞的积累速率细胞的进入速率细胞的流出速率细胞的生长速率细胞的死亡速率细胞的积累速率 D 在连续培养技术中称为稀释速率，用符号在连续培养技术中称为稀释速率，用符号“D”表示表示基于限制性营养成分的物料平衡基于限制性营养成分的物料平衡养分进入系统的速率养分流出系统的速率用于生长的养分消耗的速率用于维持的养分消耗的速率用于产物形成的养分消耗的速率养分在系统中积累的速率溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需是需氧微生物生长所必需比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，）：单位时间内

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