发酵工程

发酵工程复习提纲

第一章

1、发酵工程是现代生物技术的重要组成部分之一，是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合，利用微生物的代谢、转化功能，获得有用物质的综合性科学技术。

2、发酵工程的生产流程①原料预处理②培养基制备③发酵设备和培养基灭菌④无菌空气的制备⑤微生物菌种制备和扩大培养⑥发酵⑦发酵产品的分离和纯化

3、培养基的灭菌方法采用高压水蒸气直接对培养基进行加热灭菌，一般是121℃保温20-30min

第二章

1、微生物菌种分离的方法

施加选择性压力分离法（富集培养）：利用不同微生物对环境和营养要求的不同，人为控制条件，使之利于某类或某种微生物生长，而不利于其它微生物生长，以达到快速分离纯化的目的。

培养方法：分批式富集培养（摇瓶培养）和恒化式富集培养（连续培养）

2、微生物菌种的选育

经典育种：自然选育和诱变育种

定向育种：杂交育种、原生质体融合、基因工程等

自然选育：不经人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程。

诱变育种：用各种物理、化学因素（诱变剂）诱发菌种突变进行筛选，获得高质优产菌种的方法。 杂交育种：不同亲本之间杂交以获得新品种的育种方法

原生质体融合：通过酶解破除细胞壁后制备微生物原生质体，然后诱导原生质体融合杂交，双亲本不受亲和力限制，甚至可打破种属间遗传障碍，获得远缘杂交重组体。

3、微生物菌种的退化：在较长时期传代保藏后，菌株的一个或多个生理性状和形态特征减退和消失的现象。 微生物菌种的复壮：使衰退的菌种重新恢复原来的性状

4、种子扩大培养的工艺流程

沙土管孢子 摇瓶液体培养

斜面孢子培养 茄子瓶斜面培养 一级种子罐培养

冷冻干燥孢子 固体培养基培养

实验室种子培养阶段

生产车间种子阶段培养

发酵罐 二级种子罐培养

5、常用的液体深层培养法：放大法、两步法、控制培养法、分批培养法（间歇发酵法）、连续培养法（连续发酵法）、补料分批培养法（流加法）

6、初级代谢产物：微生物自身生长繁殖所必需的代谢产物

次级代谢产物：代谢产物与微生物生长繁殖无明确关系

7、培养基的配制原则（1）选择适宜的营养物质（2）营养物质浓度及配比合适（3）选择合适的pH（4）氧化还原电位的影响

第三章

1、前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子中去，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。

促进剂：那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂。

抑制剂：抑制其它代谢途径向所需产物途径转化的物质

2、淀粉水解糖的制备方法

酸水解法：以酸(无机酸或有机酸)为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。

酶水解法（双酶法）：利用专一性很强的淀粉酶和糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺

酸酶结合水解法 酸酶法：是酸先将淀粉水解成糊精或低聚糖，然后再用糖化酶将其水解为葡萄糖的工艺

酶酸法：是将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定的程度，然后用酸水解成葡萄糖

3、灭菌的原理和方法

灭菌方法：干热灭菌法、湿热灭菌法、物理灭菌法（射线、微波等)、化学灭菌法（各种化学药品）、过滤除菌法

湿热灭菌法原理：借助蒸汽释放的热使微生物细胞中的蛋白质、酶和核酸分子内部的化学键，特别是氢键受到破坏，引起不可逆的变性，使微生物死亡。

4、对数残留定律：

2.303No1N0t?lnlg t ? 或 kNtkNt

N0—开始灭菌时原有活菌数（个）

Nt—经过t 时间灭菌后的残留菌数（个）

第四章

1、介质过滤除菌法

介质除菌的原理：将过滤介质填充到过滤器中，空气流过时借助惯性碰撞、阻截、扩散、静电吸附、沉降等作用将尘埃微生物截留在介质中，以达到除菌的目的。

2、空气的预处理

目的：一是提高压缩前空气的洁净度，二是去除压缩后空气中的油和水

空气过虑除菌流程：

吸入空气 前过虑

空气压缩机 压缩空气冷却至适当温度 分离除去油和水 热至适当50%~60% 空气过滤器 无菌空气

3、空气过滤除菌工艺流程

①两级冷却、加热除菌流程

特点：两次冷却、两次分离、适当加热。

优点：能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。尤其适用于潮湿地区。

②冷热空气直接混合式空气除菌流程

特点：省去第二冷却后的分离设备和空气再加热设备

优点：流程比较简单，冷却水用量少。适用于中等湿含量地区。

③高效前置过滤空气除菌流程

特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经多次过滤，因而所得的空气无菌程度很高。

第五章

1、双膜理论：氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。

2、溶氧传递系数（传氧系数）测定方法

①亚硫酸盐氧化法

反应原理：1）Cu2+作催化剂，溶解在水中O2能立即氧化SO3-2，使之成为SO4-2。（氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉）

2）剩余的Na2SO3与过量的碘作用

3）再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘

②取样极谱法

原理：当在发酵液中加入电解电压为0.6-1.0V时，扩散电流的大小与发酵液中溶解氧的浓度成正比，通过测定扩散电流的大小就可以测定传氧系数。 第六章

1、代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调控机制，使有用中间代谢产物过量积累。 2、①EMP途径及其调节

EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸；产生2分子ATP和2分子NADH。

②TCA循环途径及其调节

3、呼吸作用：葡萄糖在降解过程中，将放出的电子交给NAD(P)+或FAD（或FMN）等电子载体，然后经电子传递给外源电子受体氧或其他氧化型化合物，从而生成水或其他还原型产物并放出能量，这一生物学过程称呼吸作用。

4、厌氧发酵产物的合成机制

①酵母菌的酒精发酵

葡萄糖生产乙醇的总反应式：C6H12O6+2ADP+2Pi

2CH3CH2OH +2ATP+2CO2

酵母菌乙醇发酵中的副产物

主产物：乙醇、CO2

酵母酒精发酵 醇类（杂醇油）

副产物 醛类（糠醛）

酸类（琥珀酸）

酯类

酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵

丙酮酸脱羧酶 乙醇脱氢酶

丙酮酸 乙醛 乙醇

通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：

C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP

细菌（在pH5时）的乙醇发酵

通过ED途径产生乙醇，总反应如下：

葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP

②乳酸发酵机制

（1）同型乳酸发酵(EMP途径)

总反应式：C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2CH3CHOCOOH+2ATP

（2）异型乳酸发酵

6-磷酸葡糖酸途径（磷酸酮解途径 ）

总反应式：C6H12O6+ADP+2Pi 2CH3CHOHCOOH+CH3COOH+CO2+ATP

双歧途径总反应式：2C6H12O6 2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH

5、好氧发酵产物合成机制

柠檬酸发酵机制

实现柠檬酸积累：设法阻断代谢途径，实现柠檬酸的积累；代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制

总反应式：2C6H12O6+3O2 2C6H8OH+4H2O

柠檬酸合成的代谢调节：第一个调节酶：磷酸果糖激酶；第二个调节点：CO2固定的酶活力高，保证草酰乙酸的供应 ；第三个调节点：TCA环上调节

第八章

1、生物反应器：是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。

2、密闭厌氧发酵罐

啤酒发酵罐（露天式锥底发酵罐）

设备外形特点：一般置于室外；筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套；发筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清；发酵罐锥底角，采用CIP清洗系统（内部清洗系统）。

优点：发酵快速；易于沉淀收集酵母；减少啤酒及苦味物质的损失；改善泡沫稳定性

3、好氧发酵罐

机械搅拌式发酵罐

原理：是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。

优点：在生物工业中使用最广泛，实用性能好，适用性强，放大相对容易

缺点：机械搅拌产生的剪切力容易使耐剪切力较差的菌体造成损伤，影响菌体的生长和代谢

发酵罐的结构：罐体、搅拌装置和挡板、传热装置、通气部分、进出料口、温控测量系统、附属系统 搅拌装置：搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。

作用：打碎气泡，使氧溶解于发酵液中；增加接触界面；延长气液接触时间；有利于传质传热 。

挡板作用：防止液面中心产生漩涡，改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。

常用的轴封:填料函轴封、端面轴封

冷却管检查方法：在管内通有一定压力的水观察管外渗漏与否；在管内通稀碱水，用pH试纸为检查 通气部分（空气分布器）

作用：吹入无菌空气，使空气均匀分布

消泡方式：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；二是机械消泡，消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。

测量控制系统：传感器