发酵工艺

第一章绪论发酵通过微生物的生长繁殖和代谢活动产生和积累人们所需产品的生物反应过程发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程体系是生物工程技术学科的重要组成部分包括菌种的选育和保藏菌种的扩大生产微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化微生物生理功能的工业化应用工业发酵的类型按对氧的需求需氧发酵厌氧发酵兼性厌氧发酵按培养基的物理性状液体发酵固体发酵按发酵工艺流程分批发酵连续发酵补料分批发酵通常将现代生物技术划分为基因工程细胞工程酶工程发酵工程生化工程路易斯巴斯德法国微生物学家化学家开辟了微生物领域近代微生物学的奠基人巴斯德证明了三个科学问题每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展巴氏杀菌法便应用在各种食物和饮料上每一传染病都是一种微菌在生物体内的发展传染病的微菌在特殊的培养之下可以减轻毒力使他们从病菌变成防病的药苗巴氏灭菌法又称低温灭菌法先将要求灭菌的物质加热到分钟或分钟随后迅速冷却到以下既不破坏营养成分又能杀死细菌的营养体巴斯德发明的这种方法解决了酒质变酸的问题拯救了法国酿酒业发酵工业的三个转折点纯培养技术的建立深层液体通气搅拌纯种培养代谢控制发酵工程技术的建立发酵工业的特点发酵工业利用微生物具有的加工和生物转化能力将廉价的发酵原料转化为高附加值产物的产业发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物生化反应反应条件比较温和可以选择廉价的原料生产较高价值的产品发酵过程是通过生物体的自适应调节来完成的反应的专一性强因而可以得到较专一的代谢产物由于生物体本身具有的反应机制能专一性地和高度选择性地对某些较复杂的化合物进行特定部位的生物转化修饰也可产生比较复杂的高分子化合物发酵生产不受地理气候季节等自然条件的限制发酵工业的范围及例子微生物菌体酵母面包单细胞蛋白酶制剂淀粉酶葡萄糖果胶酶澄清果汁精炼植物纤维蛋白酶皮革加工饲料添加剂代谢产物初级代谢产物对数生长期产生的代谢产物是细胞生长和繁殖所必需的物质具有重要的应用价值供商业开发初级代谢产物与菌体生长相伴随的产物如氨基酸核苷酸维生素有机酸溶剂菌体对其合成反馈控制严密一般不过量积累次级代谢产物微生物进入缓慢生长期或者停止生长时期即稳定期所产生的物质药物筛选和开发的重要资源次级代谢产物与菌体生长不相伴随以初级代谢产物为原料而合成如抗生素生物碱毒素胞外多糖等结构常较复杂对环境条件敏感生物转化利用微生物细胞或酶对某些化合物的特定部位进行催化修饰使之转化为结构相似具有更大经济价值的化合物范畴脱氢氧化羟化缩合还原脱羧氨化以及异构作用等优点效率高专一性强条件温和发酵工艺流程菌种制备培养基的制备灭菌接种控制发酵条件产物的提取与精制回收处理三废物质用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配置培养基发酵罐及其附属设备的灭菌扩大培养有活性的适量纯种以一定比例将菌种接入发酵罐中控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物将产物提取并精致以得到合格的产品回收和处理发酵过程中产生的三废物质发酵工程在国民经济中的应用医药工业抗生素余种青霉素金霉素四环素链霉素庆大霉素卡那霉素新霉素螺旋霉素头孢霉素等氨基酸可发酵生产的有谷赖丙组异亮亮苯丙脯苏色酪缬瓜鸟氨酸国内亿元占发酵业产值维生素等生物制品亚单位疫苗重组疫苗疫苗等酶抑制剂棒酸可抑制内酰胺酶对青霉素的破坏淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂食品工业酵母有机酸谷氨酸调味料红茶和乌龙茶酒类酒精发酵乳制品能源工业生物乙醇沼气微生物采油生物电池化学工业醇及溶剂乙醇甘油异丙醇丙酮丁醇丁二醇等有机酸醋酸丙酸乳酸琥珀酸苹果酸衣康酸水杨酸等多糖黄原胶海藻糖等冶金工业概念将微生物及其代谢产物作为浸矿剂喷在矿石上从浸取液中得到有用金属应用金银铜锰钴等农业生物肥料固氮菌钾细菌磷细菌生物农药苏云金杆菌或其变种所产生的伴孢晶体能杀死蛾类幼虫的毒蛋白等兽类抗生素泰乐霉素抗金黄色葡萄球菌素食品和饲料添加剂农用酶制剂动物生长调节素单细胞蛋白饲料环境保护工业三废生活垃圾农业废弃物等变废为宝净化环境无色杆菌具有清除氰腈剧毒化合物的功能产碱杆菌无色杆菌短芽孢杆菌对联苯类致癌物质具有降解能力第二章发酵工业菌种发酵工业的微生物可以分为两类可培养微生物和未培养微生物发酵工业应用的可培养微生物可分为四类细菌放线菌酵母菌丝状真菌细菌单细胞的原核生物自然界分布最广数量最多与人类关系最密切二分裂方式繁殖最常用的枯草芽孢杆菌醋酸杆菌棒状杆菌短杆菌放线菌放线菌是一类呈菌丝状生长主要以孢子繁殖和陆生性强的原核生物存在有机质丰富的微碱性土壤大多腐生少数寄生作用生产各种维生素以无性孢子进行繁殖菌丝片段进行繁殖酵母菌形态结构单细胞真核生物无鞭毛有一定形态大小随菌龄和环境条件的变化而异一般为圆形椭圆形卵圆形柠檬形等有的可形成假菌丝繁殖方式无性繁殖芽殖裂殖有性繁殖子囊孢子菌种特征与细菌相似比之大而厚菌落表面光滑湿润粘稠大部分为乳白色少数呈现红色或黄色分布含糖较多的酸性环境水果蔬菜花蜜和植物叶子以及果园土壤中霉菌形态结构由分枝或不分枝的菌丝构成菌丝交织形成菌丝体细胞结构有明显的分化菌落呈大小和颜色等特征不同菌种差别很大蜘蛛网状棉絮状和丝绒状繁殖方式繁殖能力很强产生有性和无性孢子进行繁殖菌丝片段亦可繁殖发酵工业所需菌种细菌类如短杆菌枯草芽孢杆菌地衣芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌棒杆菌梭状芽孢杆菌等酵母菌如啤酒酵母酒精酵母汉逊酵母和假丝酵母等霉菌如黄曲霉红曲霉青霉菌和赤霉菌等放线菌如各种抗生素链霉素庆大霉素等未培养微生物采用现有的微生物纯培养分离和培养方法还没有获得纯培养的微生物极端微生物在极端环境下能够生长的微生物未培养微生物的研究方法模拟自然培养法和宏基因组分析法模拟微生物生长的自然环境进行可培养研究集中在原位培养培养条件优化和单细胞操作等方面依据基因或基因组蛋白质序列及其调节表达机制构建高效表达的工程菌等途径进行开发利用发酵工业菌种的分离筛选概念将混杂有各种微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取快速准确有效的方法进行分离和筛选从而得到所需微生物的过程方法设计依据生产的实际需要目的代谢产物的性质产生目的产物的微生物种类微生物的分布特性和生活环境获得目的菌种的两个重要环节菌种分离和菌种筛选筛选必须注意采用方法的选择性和灵敏度发酵工业对菌种的要求在廉价原料制成培养基上生长目的产物产量高易回收生长速度快发酵期短培养条件易控制抗噬菌体和杂菌污染能力强稳定的遗传学特性菌种质量稳定不易变异退化对放大设备的适应性强菌种不是病原菌无有害的生物活性物质和毒素产生符合要求的菌种获取途径从菌种保存机构直接购买从自然界分离筛选发酵水平的批号中重新分离筛选从自然界中获取就菌种的步骤样品采集样品的预处理目的菌富集培养菌种初筛菌种复筛菌种发酵性能鉴定菌种保藏样品的采集原则来源越广泛得到新菌种可能性越大目标产物的性质和产生目标产物的微生物性质以及生理特性土壤特点土壤的有机质含量和通风状况土壤酸碱度和植被状况地理条件季节条件样品的预处理方法物理法热处理膜过滤法离心法化学法几丁质放线菌稳定嗜碱性放线菌诱饵法富集培养使混合微生物群体中某特定微生物比例激增的培养方法目的增加待分离微生物的数量提高分离效率原理不同种类微生物生长繁殖对环境和营养的要求不同创造合适条件使目的微生物迅速生长繁殖成优势菌种方法控制培养基的营养成分控制培养条件分类分批培养连续培养半连续培养菌种分离目的把目的微生物从混合的多种微生物中分离出来方法平板划线分离法稀释分离法简单平板分离法涂布分离法毛细管分离法小滴分离法菌种初筛与复筛目的选择产物合成能力较高的菌株菌种的鉴定产物可和指示剂显色剂或底物等发生反应直接定性鉴定生产性能测定初筛和复筛初筛把具有目的产物合成能力的微生物从分离后的大量微生物中筛选出来方法平板筛选摇瓶发酵筛选复筛在初筛基础上进一步鉴定菌株生产能力的筛选方法摇瓶培养野生型菌株直接从自然界的样品中分离得到的具有一定生产性能的菌株发酵工业菌种鉴定内容测定必要的鉴定指标查权威鉴定手册确定菌种类型技术水平细胞的形态和习性水平细胞组分水平蛋白质水平基因或核酸水平指标形态生理生化以及遗传等指标鉴定方法经典分类鉴定方法现代分类鉴定方法权威鉴定机构鉴定经典分类鉴定方法指标形态学特征生理生化特征血清学实验与噬菌体分型氨基酸序列与蛋白质分析现代分类鉴定方法微生物遗传型的鉴定的碱基组成核酸的分子杂交遗传重组特性分析序列分析细胞化学成分特征分类法数值分类法发酵工业菌种改良目的改变微生物的遗传结构打破原来的代谢调节机制根据需要进行目的产物的过量生产目标提高目标产物的产量提高目标产物的纯度减少副产物改良菌种性状改善发酵过程改良产物合成途径以获得高产的新产品育种方法常规育种细胞工程育种基于代谢调节的育种技术蛋白质工程育种基因工程育种代谢工程育种组合生物合成育种反向生物工程育种育种利用物理或化学诱变剂处理微生物群体促使突变率显著提高育种优点提高代谢产物的产量改进产品品质扩大品种和简化生产工艺简单易行工作进度快收效显著基因工程育种原理人为的方法将供体遗传物质的分子提取出来离体条件下切割获得目的基因把此基因与合适的载体连接起来导入受体的细胞内目的基因在受体细胞内进行复制和表达得到目的产物蛋白质工程育种技术定向进化技术在不知道蛋白质的空间结构或根据现有的蛋白质结构知识不能进行有效的定点突变时借鉴实验室手段体外模拟自然进化的过程使基因发生大量变异并从中定向选出所需性质和功能的蛋白质的过程定点突变技术以蛋白质结构和功能的计算机预测为基础设计新蛋白质的氨基酸序列运用重组技术设计并构建具有新性质的蛋白质或酶的过程发酵工业菌种保藏菌种退化生产菌种或筛选出来的优良菌种在接种传代或保藏后某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象原因基因突变连续传代退化的防止控制传代次数避免不必要的移种和传代将必要的传代降低到最低限度经常纯化创造良好的培养条件利用单细胞移植传代采用有效的菌种保藏方法菌种的复壮在菌种的生产性能未衰退前有意识的进行纯种的分离和性能的测定以期菌种的性能逐步提高复壮方法纯种分离在宿主体内生长进行复壮淘汰衰退的个体菌种保藏原理根据微生物的生理生化特点人工地创造条件使微生物的带谢处于不活泼生长繁殖受抑制的休眠状态保藏的方法斜面低温保藏法个月原理低温砂土管保藏法产孢子或芽孢微生物年原理低温干燥隔氧和无营养物菌丝速冻法甘油或二甲基亚砜作为保护剂石蜡油封存法年左右冷冻真空干燥保藏法任何微生物一般年以上原理低温干燥缺氧液氮超低温保藏法保护剂保存期长保藏菌种的质量控制保藏样品制备前应反复核对检测生理生化指标与亲本特征比较保藏样品制备后仍要按抽样检查一旦有误此批全部废掉注重菌种保藏的连续性冷冻保藏代谢作用停止细胞体积大者要比小者对低温更敏感而无细胞壁者则比有细胞壁敏感其原因是低温会使细胞内水分形成冰晶从而引起细胞尤其是细胞膜的损伤速冻及快速解冻可减少损伤还可加一些保护剂如左右的甘油或二甲亚砜可透入细胞并通过降低强烈的脱水作用而保护细胞大分子物质因此在采用冷冻法保藏菌种时一般应加入各种保护剂以提高培养物的存活率用水升华的方式除去水分手段比较温和细胞受损伤的程度相对比较小存活率及保藏效果均不错是目前使用最普遍也是最重要的微生物保藏方法第三章发酵工业培养基设计培养基用于维持微生物生长繁殖和产物形成的营养物质培养基的共性最大量的目的产物合成速率最大副产物最少培养基稳定价格便宜不影响搅拌性能和产物分离设计培养基的步骤对发酵培养的成分和原材料的特性具有详细的了解结合微生物和发酵产品的代谢特点进行合理选择和优化一发酵工业培养基的要求工业培养基提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的按照一定比例配制而成的多种营养物质的混合物培养基组成对菌体生长繁殖产物的生物合成产品的分离精制产品的产量和质量都有重大影响制备工业培养基的原则提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分提高单位营养物质的转化率有利于提高产物的浓度以提高单位发酵罐的生产能力提高产物的合成速度缩短发酵周期减少副产物的生成便于产物的分离纯化减少三废物质原料价格低廉质量稳定取材容易尽可能的减少对发酵过程中通气搅拌的影响提高氧的利用率降低能耗二发酵工业的培养基成分及来源从工艺角度来看凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料都可作为发酵工业生产的原料薯类甘薯马铃薯木薯山药等粮谷类高粱玉米大米谷子大麦小麦燕麦黍和稷等野生植物橡子仁葛根土茯苓蕨根石蒜金刚头香符子等农产品加工副产物米糠饼麸皮高粱糠淀粉渣等培养基中必须有足够的碳源氮源水和无机盐部分微生物还需要加入生长辅助类物质才能正常生长碳源功能提供能源合成碳骨架合成目的产物的原料种类糖类油脂有机酸烃和醇类碳源不足时蛋白质水解物和氨基酸亦可糖类葡萄糖淀粉蔗糖葡萄糖最易利用几乎所有微生物都能利用糖蜜制糖的结晶母液它是制糖工业的副产物淀粉糊精多糖也是常用的碳源需经胞外酶水解成单糖后再被吸收利用油和脂肪具有活跃的脂肪酶的微生物可利用该物质作为碳源需要更多的溶解氧种类豆油菜子油葵花油棉子油等有机酸发酵体系的值因利用有机酸作为碳源而升高不同的碳源影响代谢的同时也对发酵过程中值的调节和控制有着影响烃和醇类石油工业的发展微生物工业的碳源范围扩大能同化乙醇的微生物和能同化糖质的微生物一样多氮源功能成菌体细胞物质合成含氮代谢物种类有机氮源和无机氮源有机氮源蛋白胨牛肉膏豆粕鱼粉等有机氮源铵盐硝酸盐氨水有机氮源不仅提供菌体生长繁殖的营养有的还是产物的前体无机氮源有机氮源容易吸收会的变化防止过高的措施加强搅拌少量多次加入无机盐与微量元素无机盐微生物生理活性物质的组成成分或生理活性物质的调节物在较低的浓度下对微生物的生长和产物合成有促进作用大量元素生长所需浓度在范围内的元素加入化学试剂微量元素生长所需浓度在范围内的元素不必加入生长调节物质有助于调节产物形成的物质分类生长因子前体产物抑制剂促进剂生长因子微生物生长不可缺少的微量有机物质注意不是所有的微生物都需要生长因子来源有机氮源是生长因子的重要来源种类玉米浆是多数发酵产品良好的氮源前体加入到发酵培养基能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去其自身结构并无多大变化但是产物的产量却因前体的加入而有较大提高的一类化合物大多数前体对微生物的生长有毒性少量多次加入抑制剂加入后会抑制某些代谢途径的进行使另一途径活跃从而获得人们所需要的某种代谢产物或使正常代谢的某一代谢中间物积累应用最初应用于甘油发酵抗生素工业应用最多如酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类可以使酒精发酵受到抑制而转入甘油发酵产物合成促进剂既不是营养物又不是前体是提高产量的添加剂如酶生产中的诱导物或表面活性剂等诱导剂能增加细胞的产酶速度提高产酶量但不能从根本上改变细胞原有的蛋白质模板表面活性剂洗涤剂吐温等增加酶产量机理不清楚例如巴比妥可增加链霉素产生菌的抗自溶能力推迟自溶时间增加链霉素积累谷氨酸棒杆菌生产赖氨酸时加入红霉素可提高产量以上水比热大吸收代谢过程中产生的热量避免细胞的温度骤然升高热的良导体有利于调节菌体温度微生物机体的重要组成成分直接参与代谢代谢的内部介质为微生物的生长繁殖和目的产物的合成提供必需的生理环境三微生物的培养基类型根据成分天然培养基半合成培养基合成培养基根据物理状态固体培养基半固体培养基液体培养基根据生产流程和作用斜面培养基种子培养基发酵培养基斜面培养基生长繁殖和保藏菌种富含有机氮源种子培养基供孢子发芽生长和菌体繁殖的培养基发酵培养基供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的培养基选择培养基培养基中加入某些化学药品抑制不需要的微生物生长促进需要微生物的生长一般指含有抑菌剂或杀菌剂的培养基加入的物质没有营养作用加富培养基按照某种微生物营养要求配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基达到分离这种微生物的目的培养出来的是营养要求相同的一类微生物鉴别培养基根据微生物能否利用培养基中的某些成分依靠指示剂的颜色变化来鉴别不同种类微生物的培养基四培养基的设计原理和优化方法完善的培养基设计是实验室的试验实验工厂和生产规模的放大的一个重要步骤在发酵过程的目的产品是菌体或代谢产物而发酵培养基是否适合于菌体的生长或积累代谢产物对最终产品的得率具有非常大的影响的基本原则培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产物所需的元素并能提供生物合成和细胞维持活力所需要的能量目的明确营养协调理化条件适宜经济节约以粗代精以野代家以废代好以简代繁以烃代粮以纤代糖以氮代朊以国代进考虑因素菌体的同化能力对菌体代谢的阻遏和诱导作用碳氮比对菌体代谢调节的重要性值对不同菌体代谢的影响体的同化能力一般只有小分子能够通过细胞膜进入细胞内进行代谢微生物能够利用复杂的大分子是由于分泌各种水解酶在体外将大分子水解为微生物能直接利用的小分子微生物来源和种类不同所分泌的水解酶系不同有的微生物由于水解酶系的缺乏只能利用简单物质在碳源和氮源的选取时特别要注意许多碳源和氮源都是复杂的有机大分子如淀粉黄豆饼粉等用这类原料微生物须具备分泌胞外淀粉酶和蛋白酶培养不能分泌淀粉酶的菌株可先将淀粉糖化有些微生物如大多数氨基酸产生菌缺乏蛋白水解酶可先将有机氮源水解代谢的阻遏和诱导根据微生物的特性和培养目的注意快速利用的碳氮源和慢速利用的碳氮源的配合发挥各自优势避其所短菌体利用葡萄糖时产生的分解代谢物可能阻遏或抑制某些产物合成所需的酶系的形成或酶的活性葡萄糖效应在抗生素发酵时种子培养基所含的快速利用碳源和氮源往往比发酵培养基多有时需考虑分批补料或连续补料酶制剂的生产也应考虑碳源的分解代谢阻遏的影响对于许多诱导酶来说易被利用的碳源如葡萄糖或果糖不利于产酶有些产物会受氮源的诱导与阻遏如通常蛋白酶的生产受培养基中蛋白质或多肽的诱导而受铵盐硝酸盐氨基酸的阻遏应考虑氮源以有机氮源如蛋白质为主合适的碳氮比碳氮比对生长繁殖以及产物合成的影响极其显著源过多会使菌体生长过旺偏高不利代谢产物的积累氮源不足则菌体繁殖量少从而影响产量碳源过多则易形成较低的碳源不足则容易引起菌体的衰老和自溶碳氮比也随碳源及氮源的种类以及通气搅拌等条件而异不同生长阶段对碳氮比的最适要求可能不同一般来讲因为碳源既作为碳架参与菌体和产物的合成又作为生命过程中的能源故比例要求比氮源高一般工业发酵培养基的碳氮比为但在谷氨酸发酵中因产物含氮量较高所以氮源比例相对高些一般取如碳氮比为则只长菌体而不合成谷氨酸的要求是微生物生长和代谢的极为重要的环境因子微生物在利用营养物质后由于酸碱物质的积累或代谢酸碱物质的形成会造成培养体系中的波动发酵过程中调节的方式一般不主张直接用酸碱来调节要保证发酵过程中能满足工艺的要求合理配制培养基是决定因素因而在配制培养基选取营养成分时除了考虑营养需求外也要考虑其代谢后对培养体系缓冲能力的影响发酵培养基的优化步骤根据以前的经验以及在培养基成分确定时必须考虑的一些问题初步确定培养基的组成通过单因子优化实验确定最为适宜的各个培养基组分及其最适浓度最后通过多因子实验进一步优化培养基的各种成分及其浓度第四章发酵工业的无菌技术灭菌的意义在培养过程中污染杂菌便会在较短时间内大量繁殖与生产菌争夺营养成分或分泌代谢产物抑制生产菌的生长和代谢从而干扰生产菌正常发酵甚至造成倒灌严重影响生产发酵工业中允许的染菌概率是即灭菌批次的发酵中只允许有次染菌灭菌的范围培养基气系统加料酵罐道系统一发酵工业的无菌技术灭菌用物理或化学方法杀死物料或设备中所有生命物质的过程消毒用物理或化学方法杀死空气地表以及容器和器皿表面的微生物除菌用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子防腐用物理或化学方法杀死或抑制微生物的生长和繁殖二发酵工业污染的防治策略污染的危害由于杂菌污染使发酵培养基因杂菌的消耗而损失造成生产能力的下降杂菌合成一些新的代谢产物或杂菌污染后改变了发酵液的某些理化性质使发酵产物的提取和分离变得困难造成产物收率降低或产品质量下降杂菌代谢会改变原反应体系的使发酵发生异常变化杂菌降解产物使发酵失败细菌发生噬菌体污染微生物细胞被裂解导致整个发酵失败不同情况下污染情况分析染菌对不同菌种发酵的影响细菌发酵发酵周期短防止噬菌体污染霉菌发酵发酵周期长产物类型不同染菌情况复杂酵母菌发酵防止细菌和野生酵母菌污染疫苗发酵采用基因工程菌不同发酵时期染菌对发酵的影响种子扩大时期种子受到污染后灭菌弃去发酵前期迅速重新灭菌再接种从头开始发酵发酵中期危害极大影响生产菌生长和产物的积累早发现快处理发酵后期可继续进行发酵或提前放罐杂菌污染对发酵产物提取和产品质量的影响增加产物的提取难度影响产品质量杂菌污染的防治污染的检查与类型的判断显微镜检查法平板划线培养检查法肉汤培养检查法发酵过程中异常现象观察法显微镜检查法染色低倍镜生产菌高倍镜杂菌的存在此方法需要一定时间对于发酵周期短的生产菌要结合其他方法平板划线培养检查法待检样品在无菌板上划线或培养小时后观察有无杂菌污染肉汤培养检查法待检样品接入无菌的肉汤培养基中分别于和培养随时观察微生物生长情况取样镜检是否有杂菌污染发酵过程中异常现象观察法溶解氧水平异常变化值的变化尾气中的异常变化发酵液黏度泡沫的增多发酵液颜色的变化污染的原因分析种子带菌空气带菌设备渗漏灭菌不彻底操作失误和技术管理不善等从污染杂菌的种类进行分析如果是耐热芽孢杆菌可能是培养基或设备灭菌不彻底造成的如果是球菌无芽孢杆菌等不耐热杂菌可能是种子带菌空气灭菌不彻底设备渗漏或操作问题污染的是浅绿色菌落的杂菌可能是冷却盘管渗漏污染的是霉菌无菌室灭菌不彻底或无菌操作问题污染的是酵母菌主要是糖基灭菌不彻底特别是糖液放置时间较长引起的从发酵时间进行分析前期染菌种子带菌培养基或设备灭菌不彻底接种操作不当无菌空气带菌后期染菌中间补料设备泄露操作问题从污染的程度分析多数发酵罐染同一种菌一般是空气系统有问题如空气系统结构不合理空气过滤器介质失效个别发酵罐染菌一般是某个设备存在问题杂菌污染的途径及防治种子带菌及防治培养基及器具彻底灭菌避免菌种移接过程中污染避免菌种在培养或保藏过程中受到污染过滤空气带菌及防治正确选择采气口结合气候设计空气预处理流程设计和安装合理的空气过滤器尽量减少过滤空气的含油量和湿度提高进入过滤器的空气温度降低空气的相对湿度保持过滤介质的干燥状态防止空气冷却器渗漏设备的渗漏或死角造成的染菌及防治发酵罐的死角加强清洗定期除垢管道安装不当配置不合理形成死角安装符合要求培养基灭菌不彻底导致染菌及防治原料性状的影响灭菌时温度和压力不对应造成染菌泡沫造成染菌灭菌时间不够或压力波动大而染菌灭菌后期罐压骤变造成染菌操作不当造成染菌罐内压力骤跌泡沫顶盖管道阀门操作不当噬菌体染菌及防治在细菌或放线菌发酵中噬菌体的感染力很强噬菌体容易在空气中传播环境污染是根源所在净化环境三发酵工业的无菌技术干热灭菌法保温保持干燥的实验器具和材料湿热灭菌法分射线灭菌法抑制复制臭氧化学药剂灭菌法过滤除菌法火焰除菌法湿热灭菌的原理由于蒸汽具有很强的穿透能力而且在冷凝时回放出大量热能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化造成微生物死亡四发酵培养基及设备管道灭菌湿热灭菌的原理每一种微生物都有一定的最适生长温度范围处于最低温度以下时代谢作用几乎停止而处于休眠状态超过最高限度时微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性使微生物在很短时间内死亡杀死微生物的极限温度称为致死温度在致死温度下杀死全部微生物所需的时间称为致死时间在致死温度以上温度愈高致死时间愈短微生物的热阻是指微生物在某一特定条件下的致死时间相对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值值利用一定温度进行加热的活菌被杀死时所需的时间即为值又称衰减时间值在加热致死时间曲线中加热时间缩短所需升高的温度即为值例含有某种细菌的悬液含菌数为在的水浴温度中活菌数降低到时所需的时间为则该菌的值即为如果加热的温度为则常写成湿热灭菌的优点蒸汽来源容易操作费用低本身无毒蒸汽有强的穿透力灭菌易于彻底蒸汽有很大的潜热操作方便易管理微生物的热死规律对数残留定律开始灭菌时原有的活菌数个经过时间灭菌后的残留菌数个培养基灭菌高温短时的原因随着温度的上升微生物比死亡速率常数增加倍数要大于培养基成分破坏分解速率常数的增加倍数温度升高时微生物死亡速率大于培养基的破坏速率影响培养基灭菌的其他因素培养基成分对灭菌的影响油脂糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生物的耐热性另一些物质如高浓度的盐类色素等可削弱其耐热性培养基的物理状态对灭菌的影响培养基中微生物数量对灭菌的影响微生物细胞中水分对灭菌的影响细胞含水越多蛋白质变性的温度越低微生物细胞菌龄对灭菌的影响老细胞水分含量低低龄细胞水分含量高空气排除情况对灭菌的影响培养基中氢离子浓度对灭菌的影响培养基中氢离子浓度直接影响灭菌效果微生物在范围内耐热性最大低于时氢离子极易渗入微生物细胞从而改变细胞的生理反应而促进其死亡故培养基酸度愈高则所需的杀菌时间愈短泡沫对灭菌的影响泡沫中的空气形成隔热层使热量难以渗透进去杀死其中潜伏的微生物易产生泡沫的培养基在灭菌时可加入少量消泡剂分批灭菌配制好的培养基放入发酵罐和其他装置中通入蒸汽将培养基和设备一起灭菌的过程也称实罐灭菌全过程包括升温保温降温三个过程分批灭菌操作实罐灭菌在进行培养基灭菌之前通常应先把发酵罐的分空气过滤器灭菌并用无菌空气吹干若已先行空罐灭菌此步可不进行预热向夹套或蛇管中通入蒸汽间接将培养基加热至左右作用利于糊化减少冷凝水的生成减轻噪音有的工厂省却此步需通过试验掌握冷凝水的生成量确保培养基的浓度开启蒸汽管向培养基中通入蒸汽升温升温过程罐压达时安装在发酵罐封头的接种管补料管消泡剂管等应排汽升温过程保温调节好各进汽和排汽阀门使罐压和温度保持在一稳定水平维持一定时间在保温阶段凡进口在培养基液面下的各管道都应通入蒸汽在液面上的其余管道则应排放蒸汽这样才能保证灭菌彻底不留死角保温过程保温结束后依次关闭各排汽进汽阀待罐压力降至左右时向罐内通入无菌空气向夹套或蛇管中通入冷水使培养基降至所需温度降温过程通入无菌空气的作用加速降温保持罐内正压灭菌时间的计算保温阶段时间的计算方法加热维持冷却气体常数卡克分子耐热孢子致死的活化能卡克分子灭菌维持温度开始计算灭菌效果的温度例小型发酵罐在灭菌维持分钟由以下灭菌效果不计加热至的时间为分钟由冷却到的时间为分钟计算总的灭菌时间加热维持冷却例如果灭菌条件不变大罐由加热到需分钟冷却至的时间为分钟求大罐的维持时间大罐维持时间维持加热冷却分批灭菌的特点优点设备投资较少染菌的危险性较小人工操作较方便对培养基中固体物质含量较多时更适宜缺点灭菌过程中蒸汽用量变化大造成锅炉负荷波动大一般只限于中小型发酵装置冷却水用量大连续灭菌配制好的培养基向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热保温和冷却的过程连续灭菌流程配料罐兼作预热输料泵连消塔器维持罐管冷却器发酵罐预热可在专门的预热罐也可用配料罐兼作温度一般预热至左右预热的物料用泵泵入连消装置输料泵常用旋涡泵往复泵螺杆泵加热物料泵入加热器培养基与蒸汽混合温度迅速上升至常用连消装置有三类套管式连消器汽液混合式连消器喷射式加热器保温保温设备维持设备温材料包裹两种形式罐式管式冷却类型喷淋冷却器板式冷却器真空冷却器连续灭菌的优缺点及注意事项优点可采用高温短时灭菌培养基受热时间短营养成分破坏少有利于提高发酵产率蒸汽负荷均衡锅炉利用率高操作方便适于自动控制降低劳动强度缺点设备复杂投资大连消注意事项连消前应先进行空罐维持罐管冷却系统的灭菌确保管路无渗漏当培养基含有较大固体颗粒或有较多泡沫时采用连消容易发生灭菌不彻底发酵培养基和设备管道灭菌技术空罐灭菌和管道灭菌空气总过滤器和分过滤器灭菌种子培养基实罐灭菌发酵培养基实罐灭菌发酵培养基连续灭菌补料实罐灭菌五空气除菌实际生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定既要避免染茵又要尽量简化除菌流程以减少设备投资和正常运转的动力消耗无菌空气发酵工业应用的无菌空气是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数从而能控制发酵污染至极小机会此种空气称为无菌空气除菌方法辐射灭菌加热杀菌静电除菌过滤除菌等介质过滤采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物从而制得无菌空气常用的过滤介质有棉花活性炭或玻璃纤维有机合成纤维有机和无机烧结材料等空气过滤除菌原理采用定期灭菌的介质阻截流过的空气中所含的微生物制得无菌压缩空气提高过滤除菌效率的措施减少进口空气的含菌量设计安装合理的空气过滤器针对不同地区设计合理的空气预处理流程降低进入的空气的相对湿度保证过滤介质在干燥状态下工作稳定压缩空气的压力第五章发酵工业的种子制备一种子制备原理与技术种子培养是指将保存在砂土管冷冻干燥管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后再经过摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程这些纯种培养物称为种子种子培养的任务为每次发酵罐的投料提供纯而壮的活力旺盛的接种数量足够的菌种种子的条件菌种细胞的生长活力强移种至发酵罐后能迅速生长迟缓期短生理性状稳定菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求无杂菌污染保证纯种发酵菌种适应性强能保持稳定的生产能力种子制备过程把砂土管冷冻干燥管中的菌种接入斜面培养基活化培养把生长良好的斜面孢子或菌丝接种到摇瓶液体培养基中或扁瓶固体培养基中扩大培养扩大培养的菌丝体或孢子接种到一级种子罐制备生产用种子制备好的种子转种到发酵罐发酵种子的制备包括两个阶段实验室种子制备阶段和生产车间种子制备阶段实验室种子制备阶段把保藏在砂土管或冷冻管中的菌种经过无菌操作接入合适的培养基将菌种活化一般采用两种方式对于产孢子能力强的及孢子发芽生长繁殖快的菌种可以采用固体培养基培养孢子孢子可直接作为种子罐的种子这样操作简便不易污染杂菌对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种可以用液体培养法生产车间种子制备实验室制备的孢子或液体种子移种至种子罐扩大培养种子罐的培养基虽因不同菌种而异但其原则为采用易被菌利用的成分如葡萄糖玉米浆磷酸盐等如果是需氧菌同时还需供给足够的无菌空气并不断搅拌使菌丝体在培养液中均匀分布获得相同的培养条件种子罐级数的确定种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数取决于菌种生长特性孢子发芽及菌体繁殖速度所采用发酵罐的容积细菌生长快种子用量比例少级数也较少二级发酵如谷氨酸生产为二级发酵茄子瓶种子罐发酵罐霉菌生长较慢如青霉菌三级发酵孢子悬浮液一级种子罐小时孢子发芽产生菌丝二级种子罐小时菌体迅速繁殖粗壮菌丝体发酵罐放线菌生长更慢采用四级发酵链霉素生产为四级发酵酵母比细菌慢比霉菌放线菌快通常用一级种子种龄与接种量种龄指种子罐中培养的菌丝体开始转入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间接种量指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例接种量过大或者过小均会影响发酵过大会引起溶氧不足影响产物合成而且会过多移入代谢废物也不经济过小会延长培养时间降低发酵罐的生产率影响种子质量的因素原材料质量培养条件斜面冷藏时间培养基值种龄总的原则种子培养通常都是倾向于快速细胞生成而不是为了产物生成种子质量的控制措施种子质量的最终指标是考察其在发酵罐中所表现出来的生产能力因此首先必须保证生产菌种的稳定性其次是提供种子培养的适宜环境保证无杂菌侵入以获得优良种子菌种稳定性的检查适宜的生长环境种子无杂菌检查种子制备的放大原理与技术细菌发酵时的种子扩大培养目的获得大量活力强的种子尽可能缩短延迟期在对数生长期接种第六章发酵动力学发酵动力学是对微生物生长和产物形成过程的定量描述研究各种过程之间的动态变量关系确定发酵动力学参数特征以及各种发酵条件对这些参数的影响并建立相应的数学模型实现认识发酵规律优化工艺提高产量和效率的目的究内容包括了解发酵过程中菌体生长速率基质消耗速率和产物生产速率的相互关系环境因素对三者的影响以及影响其反应速率的条件一分批发酵动力学分批发酵是向反应器中一次投入所需的培养基然后接种培养培养过程中除控制温度氧泡沫和外不进行其他任何控制反应结束后将全部培养液排出进行处理优点操作简单操作引起染菌的概率低不会产生菌种老化和变异等问题缺点非生产时间较长设备利用率低一微生物生长动力学微生物的生长是指细胞体积的增大和细胞数目的增多分批发酵过程中微生物的生长要经历延滞期对数期衰减期稳定期静止期和衰亡期五个时期延滞期分裂迟缓当细胞接种到新的环境如从固体培养接种至液体培养基后需要适应新的环境延迟期的长短与菌种的遗传性菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关采取缩短延迟期的措施在生产实践中通常采取的措施有增加接种量在种子培养中加入发酵培养基的某些营养成分采用最适种龄即处于对数期的菌种的健壮菌种接种以及选用繁殖快的菌种等措施以缩短延迟期加速发酵周期提高设备利用率对数期细胞代谢活性最强组成新细胞物质最快所有分裂形成的新细胞都生活旺盛这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加微生物的生长特性用细胞浓度和细胞数量倍增时间来表示处于对数期的微生物其个体形态化学组成和生理特性等均较一致代谢旺盛生长迅速是研究基本代谢的良好材料也是发酵生产的良好种子如果用作菌种往往延迟期很短以至检查不出这样可在短时间内得到大量微生物以缩短发酵周期稳定期生长速度逐渐趋向零对数期细菌活跃生长引起周围环境条件条件发生了一系列变化某些营养物质消耗有害代谢产物的积累以及诸如氧化还原电位温度等的改变限制了菌体细胞继续以高速度进行生长和分裂稳定期的细胞内开始积累贮藏物如肝糖异染颗粒脂肪粒等大多数芽孢细菌也在此阶段形成芽孢如果为了获得大量菌体就应在此阶段收获因这时细胞总数量最高这一时期也是发酵过程积累代谢产物的重要阶段某些放线菌抗生素的大量形成也在此时期稳定期的微生物在数量上达到了最高水平产物的积累也达到了高峰菌体的总产量与所消耗的营养物质之间存在着一定关系这种关系生产上称为产量常数可用下式表示菌体总生长量消耗营养物质总量式中值的大小可说明该种细菌同化效率的高低稳定期的长短与菌种和外界环境条件有关生产上常常通过补料调节调整温度等措施延长稳定期以积累更多的代谢产物衰亡期发酵罐内营养物质耗尽对生长有害的代谢物在发酵液中大量积累的时期此时出现微生物死亡自溶总细胞数呈负增长该阶段的细胞有的开始自溶产生或释放出一些产物如氨基酸转化酶外肽酶或抗生素等菌体细胞呈现多种形态有时产生畸形细胞大小悬殊有的细胞内多液泡革兰氏染色反应的阳性菌变成阴性反应等细胞生长动力学模型或培养时间后的微生物细胞浓度初始微生物浓度培养时间比生长速率无抑制作用的细胞生长动力学方程发现细菌的比生长速率与单一限制性基质之间存在着一定模式关系饱和双曲线函数创建了生化工程中著名的方程年底物亲和常数与亲和力成反比其值越大亲和力越低比生长速率越小当方程中单一限制性底物可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物只要该基质相对贫乏就成为限制性生长因子实际过程中可能出现多种限制性基质和抑制性物质影响了方程的适用性二产物合成动力学根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系将产物形成区分为三种类型类型也称为生长相关型醇类葡萄糖酸乳酸类型也称为生长部分相关型柠檬酸氨基酸类型也称为非相关型抗生素酶维生素多糖把其分为生长偶联型和生长非偶联型生长相关型产物的生成与细胞的生长密切相关的动力学过程产物的生成是微生物细胞主要能量代谢的直接结果即产物通常是基质分解代谢产物或合成细胞生长必须的代谢产物代谢产物的形成和细胞的生长时同步的和完全偶联的且产物的生成和底物的消耗有直接的化学计量关系生长部分相关型代谢产物是能量代谢的间接结果不是底物的直接氧化产物而是菌体内生物氧化过程的主流产物产物的生成与底物的消耗仅有时间关系并无直接的化学计量关系产物的生成与微生物生长部分偶联属于中间发酵类型非生长关联性产物的生成与能量代谢无关与细胞生长也无直接关系即产物的生成与微生物细胞的生长不偶联产物为次级代谢产物特点细胞处于生长阶段并无产物的积累当细胞进入稳定期后产物才开始大量生成产物的积累之于细胞的积累量有关产物生成速率与菌体生长相关的产物生长系数与菌体密度相关的产物生长系数生长偶联型部分生长偶联型混合型非生长偶联型三底物消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分其消耗分为三个方面细胞生长合成新细胞细胞维持生命所消耗能量的需求合成代谢产物底物消耗动力学参数底物比消耗速率摄氧率底物比消耗速率单位质量细胞在单位时间内底物消耗量底物消耗速率可通过菌体得率生长得率与菌体生长速率关联起来底物比消耗速率单位体积培养液中的细胞在单位时间内摄取溶解氧的量称为摄氧率或溶解氧的消耗速率以表示比耗氧速率四分批发酵的分类对实践的指导意义如果生产的产品是生长关联型如菌体与初级代谢产物则宜采用有利于细胞生长的培养条件延长与产物合成有关的对数生长期如果产品是非生长关联型如次级代谢产物则宜缩短对数生长期并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期以提高产量二连续发酵动力学培养基料液连续输入发酵罐并同时放出含有产品的相同体积发酵液使发酵罐内料液量维持恒定微生物在近似恒定状态恒定的基质浓度恒定的产物浓度恒定的恒定菌体浓度恒定的比生长速率下生长的发酵方式优点能维持低基质浓度可以提高设备利用率和单位时间的产量便于自动控制缺点菌种发生变异的可能性较大要求严格的无菌条件连续发酵的类型恒化培养使培养基中限制性基质的浓度保持恒定恒浊培养使培养基中菌体的浓度保持恒定加入新鲜培养基的同时放出等体积的发酵液获得连续发酵生产过程分为单级和多级连续发酵恒化器使培养液流速保持不变微生物始终在低于其最高生长速率的条件下生长繁殖的连续培养装置是一种通过控制某一种营养物的浓度使其始终成为生长限制因子的条件下达到的因而可称为外控制式的连续培养装置在恒化器中一方面菌体密度会随时间的增长而增高另一方面限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低两者互相作用的结果出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡这样既可获得一定生长速率的均一菌体又可获得虽低于最高菌体产量却能保持稳定菌体密度的菌体恒浊器根据培养器内微生物的生长密度借助光电控制系统控制培养液的流速获得高菌体密度生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器培养基的流速低于微生物生长速度时菌体密度增高通过光电控制系统的调节促使培养液流速加快反之亦然微生物始终以最高生长速率生长积累的细胞进入流出的细胞生长死亡的细胞稀释率单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与发酵罐内培养液总体积的比值即为稀释率稳态时比生长速率等于比死亡速率即比生长速率受稀释率的控制积累的底物进入流出的底物生长形成产物维持代谢消耗的底物连续培养的菌体产率为连续培养菌体得输出为菌体产率为连续培养前包括罐的准备灭菌和分批培养前直到稳态所需的时间为连续培养前到发酵稳态结束的时间为稀释率为菌体浓度杂菌积累速率杂菌流入流出速率杂菌生长速率对于杂菌在底物浓度为时杂菌的生长速率比系统的稀释速率要小表明杂菌不能在系统中存留对于杂菌在底物浓度为时杂菌的生长速率比系统的稀释速率大得多杂菌开始积累浓度下降到此时杂菌的比生长速率生产菌在此底物浓度下以比原来比生长速率小的比生长速率生长因故生产菌从系统中淘汰对于杂菌入侵的成败取决于系统的稀释率在稀释速率为为临界稀释速率下杂菌竞争不过而被冲走时比生长速率小于时比生长速率大于三分批补料发酵及动力学补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基不排出发酵液发酵液的体积逐渐增加的发酵方式优点使发酵系统中维持很低的基质浓度消除分解阻遏作用和连续发酵比不需要严格的无菌条件不会产生菌种老化和变异等问题降低高浓度培养基的抑制作用并延长发酵时间缺点存在一定的非生产时间和分批发酵比中途要流加新鲜培养基增加了染菌的危险第七章发酵工业中氧的供需一微生物对氧的需求氧在微生物发酵中的作用微生物细胞必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体与氢离子结合成水释放大量能量供细胞生长和代谢作为中间体参与生物合成反应微生物的耗氧特征呼吸强度单位质量干菌体在单位时间内所摄取的氧量耗氧速率摄氧率单位体积培养液在单位时间内的耗氧量影响因素菌体浓度呼吸强度影响因素微生物本身遗传特征的影响培养基成分和浓度耗氧速率油脂或烃类葡萄糖蔗糖乳糖菌龄发酵条件发酵类型三羧酸循环呼吸强度高耗氧量大如谷氨酸天冬氨酸糖酵解途径呼吸强度低耗氧量小如苯丙氨酸缬氨酸亮氨酸控制溶解氧的意义溶解氧浓度影响细胞的生长和产物的合成发酵的不同阶段对溶解氧浓度的要求不同了解菌体生长阶段和产物合成阶段的最适耗氧量控制氧的供应提高生产效率氧的溶解度低导致了大量的浪费提高传氧效率降低空气的消耗量降低设备和动力消耗减少泡末的形成和染菌机会提高设备利用率二发酵过程中氧的传递传递途径气相中氧的溶解细胞内氧的利用供氧和耗氧两方面传递阻力供氧阻力气膜和液膜阻力耗氧阻力细胞团内与细胞膜阻力供氧空气中的氧气从空气泡里通过气膜气液界面和液膜扩散到液体主流中耗氧氧分子自液体主流通过液膜菌丝丛细胞膜扩散到细胞内氧传递方程气液传质基本方程单位体积培养液的氧传递速率以浓度差为推动力的体积溶氧系数与气相中氧的分压平衡时氧的浓度液相中氧的浓度若供氧速率大于需氧速率即此时发酵液中溶解氧浓度会不断增加趋近于若需氧速率大于供氧速率则逐渐下降而趋向于零尽管此时通气和搅拌可能仍在进行要提高推动力只能设法提高或减少影响推动力的因素温度溶质电解质非电解质混合液溶剂添加有机溶剂增加氧的浓度氧的分压增加罐压提高氧分压提高氧饱和浓度要提高可降低培养温度提高氧分压和降低培养基浓度等降低溶氧浓度降低可通过减少空气流量等方法来达到但溶氧浓度不能低于临解氧浓度另外减少空气流量本身会使下降影响发酵罐中的因素的准数关联式设备参数罐的形状搅拌器的直径等操作条件表观线速度功率发酵液体积搅拌转速等发酵液性质密度黏度表面张力等搅拌的作用把空气分散成小的气泡增大液相的接触面积产生涡流延长气泡在液体中的停留时间造成湍流减少气泡外滞留液膜的厚度减小传递过程的阻力成分均匀分布细胞均匀悬浮有利于营养物质的吸收和产物的分散第八章发酵过程控制发酵过程即细胞的生物反应过程是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程它不仅包括了以往发酵的全部领域而且还包括固定化细胞的反应过程生物法废水处理过程和细菌采矿等过程发酵体系的特征微生物细胞内部结构和代谢反应的复杂性生物反应器环境的复杂性系统状态的时变性及包含参数的复杂性一发酵过程控制概述发酵过程优化控制步骤确定能反应过程变化的各种理化参数及检测方法研究参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制获得最佳范围和最适水平建立数学模型定量描述各参数随时间变化的量化关系为发酵过程的优化控制提供依据计算机在线自动化检测和控制发酵过程参数检测发酵过程参数的检测是控制发酵过程的重要依据检测方法通过仪器在线检测发酵罐中取样离线检测常用的检测仪器在线检测传感器离线检测分光光度计气相和液相色谱仪等直接状态参数直接反应发酵过程中微生物生理代谢状况的参数对传感器的要求耐高温高压避免表面被微生物堵塞有价值的状态参数尾气分析和空气流量的检测间接状态参数采用直接状态参数计算得到的参数直接状态参数温度值搅拌转速液位补料速率等间接状态参数产物浓度溶解氧溶解等离线发酵分析法没有一种可在线监测培养基成分和代谢产物的传感器发酵液的基质前体代谢产物和菌量的监测通过人工取样和离线分析缺点不连贯性和滞后性发酵过程的代谢控制调节营养物质通过细胞膜进入细胞的能力通过酶的定位限制与其他相应底物的接近调节代谢流调节酶的合成量粗调调节酶的催化活力细调二温度对发酵的影响及控制发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量发酵生物搅拌通气蒸发辐射生物热微生物在生长繁殖过程中本身产生的大量热量用途合成高能化合物供微生物生命代谢活动合成产物热能散发生物热随菌株培养基发酵时期的不同而不同搅拌热通风发酵都有大功率搅拌搅拌的机械运动造成液体之间液体与设备之间的摩擦而产生的热蒸发热在发酵过程中以蒸汽形式散发到发酵罐的液面再由排气管带走的热量辐射热因罐内外温差使发酵罐液中有部分热通过罐体向外辐射在发酵罐上安装夹套或盘管调节温度高时通过循环冷却水控制温度低时通过加热使夹套或盘管中水的循环实现对温度的控制温度对发酵的影响影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响氧的溶解和传递影响对基质的分解和吸收速影响生物合成的方向微生物的适宜温度多数微生物嗜冷菌以下生长速率最大嗜中温菌嗜热菌以上生长筛选高温菌株具有重要的实践意义既可以减少杂菌的污染机会又可减少由于发酵热及夏季培养所需的降温辅助设备和能耗温度和微生物生长的关系一方面在其最适温度范围内生长速度随温度升高的增加另一方面不同生长阶段的微生物对温度的反应不同不同生长阶段的微生物对温度的反应不同延迟期敏感最是温度附近缩短延迟期对数生长期最适范围内提高温度有利于生长生长后期取决于溶解氧的浓度提高通气量温度对基质消耗的影响温度的变化影响基质消耗和比生长速率生产中适当抑制生长菌体的过量生长导致群体的退化和产率降低温度对产物合成影响不大时适当提高温度抑制生长有利于生产节能温度对产物合成的影响影响各种反应速率改变发酵液的物理性质影响产物的合成影响生物合成的方向对代谢有调节作用低温时氨基酸合成途径的终产物对第一个酶的反馈抑制比正常温度时大因此在抗生素发酵后期降低温度使蛋白质和核酸的正常合成途径关闭转向目的产物的合成例如四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素在低于温度下该菌种合成金霉素能力较强当温度提高合成四环素的比例也提高在温度达则只产生四环素而金霉素合成几乎停止最适温度的确定最适温度是一种相对概念是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成最适发酵温度与菌种培养基成分培养条件和菌体生长阶段有关最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好温度的选择要参考其它发酵条件温度的选择还应考虑培养基成分和浓度二阶段发酵菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度采取分段控制其他发酵条件通气条件较差时最适发酵温度稍微低些较低的温度下氧的溶解度大菌体的生长速率小防止因通气不足造成的代谢异常培养基成分和浓度的影响在使用基质浓度较稀或较易利用的培养基时提高温度会使养料过早耗尽导致菌丝自溶发酵产量下降变温培养抗生素生产中通过变温培养比恒温培养得到的产物多最适温度的选择和控制可有效的提高产物的产率例如青霉素产生菌的最适生长温度是而最适于青霉素合成的温度是发酵过程中在生长初期抗生素还未开始合成菌丝还未长浓这时的温度应适于微生物的生长到抗生素分泌期菌丝已长到一定浓度积累抗生素是重点考虑此时应满足生物合成的最适温度三对发酵的影响及控制值变化的原因微生物代谢活动分泌酸或碱性物质利用培养基中的生理酸性盐或碱性盐几种抗生素合成的最适值链霉素红霉素中偏碱性金霉素四环素青霉素值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响影响酶的活性影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解不同往往引起菌体代谢过程的不同使代谢产物的质量和比例发生改变例如黑曲霉在时发酵产生柠檬酸在接近中性时则产生草酸又如丙酮丁醇发酵中发酵后期为时积累丙酮丁醇升高则丙酮丁醇产量减少而丁酸乙酸含量增加发酵过程中的变化及影响变化的因素发酵过程中的变化生长阶段有上升或下降趋势相对于接种后起始而言如利福霉素发酵起始为中性但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子使上升至碱性接着随着铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使下降到酸性范围生产阶段在生产阶段趋于稳定维持在最适产物合成的范围自溶阶段菌丝自溶阶段随着基质的耗尽菌体蛋白酶的活跃培养液中氨基氮增加致使上升此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止引起发酵液中变化的因素发酵过程中的变化取决于微生物的种类培养基的组成和发酵条件在菌体代谢过程中菌体本身有建成其生长最适的能力但外界条件发生较大变化时将会不断波动引起下降的因素碳源过量消泡油添加过量生理酸性物质的存在引起上升的因素氮源过多生理碱性物质的存在中间补料碱性物质添加过多最适的选择原则有利于菌体生长和产物的合成一般根据实验结果确定最适与菌株培养基组成发酵工艺有关应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的范围微生物生长阶段和产物合成阶段的最适往往不同这不仅与菌种特性有关也取决于产物的化学性质例如一般产生碱性抗生素的如灰色链霉菌生产链霉素红色链霉菌产生红霉素其合成产物的最适为中性偏碱而产生两性抗生素的如金色链霉菌生产金霉素其合成产物的最适为弱酸性应用青霉素发酵通过调节加糖速率来控制值的方法与恒速加糖和酸碱控制法相比产量提高了链霉素发酵补充氨控制值控制的同时补充了产物合成所需的氨控制的常用方法配制合适的培养基加入非营养基质的酸碱调节剂加入基质性的酸碱调节剂加入生理酸性盐或碱性盐基质把的控制和代谢调节结合通过补料控制值的具体调节方法添加采用生理酸性铵盐作为氮源时由于被利用剩下的酸根引起下降有机酸发酵时形成钙盐沉淀但是碳酸钙用量大消毒困难易堵塞管道在操作上易引起染菌而且对产物的提取有影响此法在工业上不使用氨水流加法尿素流加法四溶解氧对发酵的影响及其调控微生物细胞耗氧状况在线监测发酵液中溶解氧的浓度了解氧的供需规律及其对微生物生长和产物合成的影响在发酵罐内安装溶氧电极测定电极的要求耐高温高压长时间灭菌以及具有长期的稳定性精度和准确度左右发酵过程的溶氧变化发酵前期菌丝体大量繁殖需氧量大于供氧溶氧出现一个低峰在生长阶段产物合成期需氧量减少溶氧稳定但受补料加油等条件大影响补糖后摄氧率就会增加引起溶氧浓度的下降经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度如继续补糖又会继续下降甚至引起生产受到限制发酵后期由于菌体衰老呼吸减弱溶氧浓度上升一旦菌体自溶溶氧浓度会明显上升发酵中溶氧异常下降的原因污染好气性杂菌大量溶氧被消耗掉菌体异常代谢设备或者工艺控制发生故障搅拌速度明显下降加消泡剂过多引起溶氧下降发酵中溶氧异常上升的原因菌体异常代谢污染烈性噬菌体菌体破裂后完全失去呼吸能力溶氧就直接上升临界氧浓度临指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求氧的有害作用形成新生超氧化物基或过氧化物基或羟自由基破坏细胞及细胞膜控制溶氧的作用判断操作故障或事故引起的异常现象判断中间补料是否恰当判断发酵体系是否污染杂菌控制代谢方向的指标发酵过程的溶氧变化发酵前期由于微生物大量繁殖需氧量不断大幅度增加此时需氧超过供氧溶氧明显下降发酵中后期溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响如补料的数量时机和方式等发酵后期由于菌体衰老呼吸减弱溶氧浓度也会逐步上升一旦菌体自溶溶氧就会明显地上升影响溶解氧的因素增加提高氧分压提高罐压改变通气速率生产中提高改善设备的供氧能力增加通气量改善搅拌条件改变搅拌器直径或转速改变挡板的位置和数目搅拌转速的影响发酵液黏度的影响培养基丰富程度的影响温度的影响气体组成成分对值的影响五呼吸商对发酵的影响及调控对发酵影响的机理及主要是影响细胞膜的结构导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变影响到细胞膜的输送效率导致细胞生长受到抑制形态发生改变培养液中的主要作用于细胞膜的脂质核心部位影响细胞膜的膜蛋白呼吸商生物体在同一时间内产生量与的消耗量的比值叫做呼吸商可以反映菌的代谢情况酵母发酵糖有氧代谢仅生成菌体无产物形成糖经生成乙醇不同基质菌的不同以延胡索酸为基质以丙酮酸为基质以琥珀酸为基质以乳酸葡萄糖为基质分别为和产物形成对的影响较为明显如产物还原性比基质大增加产物氧化性比基质大就减少其偏离程度决定于每单位菌体利用基质所形成的产物量实际生产中测定的值明显低于理论值说明发酵过程中存在着不完全氧化的中间代谢物和除葡萄糖以外的其他碳源如发酵过程中加入消泡剂由于它具有不饱和性和还原性使值低于葡萄糖为惟一碳源时值六基质对发酵的影响基质即培养微生物的营养物质对于发酵控制来说基质是生产菌代谢的物质基础既涉及菌体的生长繁殖又涉及代谢产物的形成因此基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切的关系所以选择适当的基质和控制适当的浓度是提高代谢产物产量的重要方法补料控制目的解除基质过浓的抑制解除产物的反馈抑制解除葡萄糖分解代谢阻遏效应避免在分批发酵中因一次性投糖料过多造成细胞大量生长耗氧过多而供氧不足的状况通常采用中间补料工艺补料的原则控制微生物的中间代谢使之向着有利于产物积累的方向发展为实现这一目标在中间补料控制时必须选择恰当的反馈控制参数和补料速率七通气搅拌对发酵的影响和控制通气供给微生物适量的无菌空气满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要氧传递速率的影响因素搅拌器的形式直径组数搅拌器间距和转速等搅拌器的形式轴向式和径向式轴向式桨式锚式框式和推进式径向式涡轮式气液混合系统采用圆盘涡轮式搅拌器特点直径小转速快搅拌效率高功率消耗低产生径向液流形成循环的翻腾延长空气的停留时间上组搅拌器混合作用采用平桨式下组搅拌器打碎气泡采用圆盘涡轮式搅拌转速和桨叶直径低转速大叶径或高转速小叶径可达到同样功率增大直径利于液体混合增大转速提高溶氧水平根据具体情况确定直径和转速空气流量小动力消耗小小叶径和高转速空气流量小动力消耗大直径影响不大空气流量大动力消耗小大叶径和低转速空气流量大动力消耗大小叶径和高转速非牛顿型发酵液大叶径低转速和多组搅拌器牛顿型发酵液小叶径和高转速八发酵过程中的泡沫及其控制泡沫产生的原因与机理由外界引进的气流因通气搅拌被机械地分散形成发酵过程中产生的气体聚结生成蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质存在培养基中蛋白质以及微生物菌体等为起泡物质具有稳定泡沫的作用培养基的成分温度酸碱度浓度及泡沫的表面积对泡沫的稳定性都有一定影响泡沫对发酵的不利影响降低了装料系数降低设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失逃液消泡剂会给后提取工序带来困难发酵过程泡沫控制的方法机械消泡法和化学消泡剂消泡机械消泡法原理靠机械力引起强烈振动或者压力变化促使泡沫破裂或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收方法罐内消沫法罐外消沫法优点不需要引进外界物质节省原材料减少污染机会缺点不能从根本消除引起稳定泡沫的因素化学消泡法机理当泡沫表层存在由极性的表面活性物质形成双电层时可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂以降低泡沫的机械强度或加入某些具有强极性的物质降低液膜强度使泡沫破裂当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时可以加入某些分子内聚力较小的物质以降低液膜的表面粘度使液膜的液体流失导致泡沫破裂八高密度发酵九发酵终点的判断与控制判断标准产品质量和经济效益发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响如果发酵时间太短过多营养物质如可溶性蛋白脂肪等残留在发酵液中对下游操作提取分离等工序都不利发酵时间太长菌体会自溶释放出菌体蛋白或体内的酶又会显著改变发酵液的性质增加过滤工序的难度这不仅使过滤时间延长甚至使一些不稳定的产物遭到破坏都可能使产物质量下降杂质含量增加故要考虑发酵周期长短对提取工序的影响合理的放罐时间是由实验来确定的即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本采用生产率高而成本又低的时间作为放罐时间不同发酵类型达到的目标不同对终点的判断标准也不同一般对发酵和原材料成本占整个生产成本主要部分的发酵产品主要追求提高生产率得率产物基质和发酵系数产物罐容发酵周期下游技术成本占的比重较大产品价格较贵除了高的生产率和发酵系数外还要求高的产物浓度因此考虑放罐时间时还应考虑总生产率放罐时产物浓度除以总发酵生产时间如要提高总的生产率则有必要缩短发酵周期就是要在产物合成速率较低时放罐延长发酵虽然略能提高产物浓度但生产率下降且消耗每千瓦电力每吨冷却水所得产量也下跌成本提高放罐时间对下游工序有很大影响放罐时间过早会残留过多的养分如糖脂肪可溶性蛋白等对提取不利这些物质能增加乳化作用或干扰树脂的交换放罐时间太晚菌丝自溶不仅会延长过滤时间还会使一些不稳定的抗生素单位下跌扰乱提取工段的作业计划十发酵过程的计算机控制原理计算机对发酵的控制有开环控制系统和闭环控制系统开环控制计算机只对被控制的对象输出数据和命令不需要得到被控制对象反馈的信息闭环控制一种具有双向控制的结构系统即带有反馈的控制系统计算机在发酵过程中的主要功能过程数据记录数据分析过程控制第九章发酵罐的放大与设计一发酵罐的类型及结构发酵罐的组成包括釜体搅拌装置传热装置轴封装置釜体是由筒体和两个封头组成作用为物料进行化学反应提供一定的空间搅拌装置是由传动装置搅拌轴和搅拌器组成作用参加反应的各种物料均匀混合使物料很好地接触而加速化学反应的进行发酵罐的特点必须具备足够的强度密封性耐蚀性及稳定性发酵罐的工作要求清洁卫生反应过程能保持恒定的温度以利于发酵菌很好地进行发酵搅拌器使物料混合均匀加快反应速度缩短发酵周期强化传热将发酵过程中产生的热量及时带走保证反应正常进行一发酵罐的类型通用式发酵罐通用式发酵罐是指带有通气和搅拌装置的发酵罐是工业生产中最常用的发酵罐其中机械搅拌的作用是使发酵液充分混合保持液体中的固性物料呈悬浮状态并能打碎空气气泡以提高气液间的传氧速率气升式发酵罐此类发酵罐是依靠无菌压缩空气作为液体的提升力使罐内发酵液通过上下翻动实现混合和传质传热过程特点结构简单无轴封就不易污染氧传质效率高能耗低安装维修方便管道式发酵罐是以发酵液的流动代替搅拌依靠液体的流动实现通气混合和传质目的尚处于试验阶段对无菌要求不高的发酵可以考虑固定化发酵罐一种在圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物进行生物催化反应的装置优点生物利用率高主要有填充床和流化床两种自吸式发酵罐是无需其他气源供应压缩空气的发酵罐其关键部位是带有中央吸气口的搅拌器在搅拌过程中可以自吸入过滤空气适合于耗氧很低的发酵类型伍式发酵罐伍式发酵罐主要部位是套筒搅拌器搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面然后由套内返回罐底搅拌器是用根弯曲的中空不锈钢管焊于圆盘上兼做空气分配器无菌空气由空心轴导入经过搅拌器甩出的液体混合发酵液在套筒外侧上升由套管内部下降形成循环多用于纸浆发酵液发发酵生产酵母缺点结构复杂清洁套筒较困难消耗功率高二发酵罐结构外形结构及几何尺寸搅拌装置挡板挡板的作用是改变液流的方向由径向流改为轴向流促使液体剧烈翻动增加溶解氧全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌空气并使空气均匀分布分布装置的形式有单管及环形管等常用的分布装置是单管式单管式管口对正罐底中央装于最低一挡搅拌器下面喷口朝下管口与罐低的距离约并且空气分散效果较好若距离过大空气分散效果较差该距离可根据溶氧情况适当调整空气由分布管喷出上升时被搅拌器打碎成小气泡并与醪液充分混合增加了气液传质效果环形管的分布装置以环径等于搅拌器直径时最为有效喷孔直径为喷孔直径向下喷孔的总截面积约等于通风管的截面积这种空气分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置喷孔容易被堵塞消泡器破碎气泡改善供氧防止染菌发酵罐的换热装置夹套式换热装置这种装置多应用于容积较小的发酵罐种子罐夹套的高度比静止液面高度稍高即可无须进行冷却面积的设计这种装置的优点是结构简单加工容易罐内无冷却设备死角少容易进行清洁灭菌工作有利于发酵其缺点是传热壁较厚冷却水流速低发酵时降温效果差带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计算即绝对压力夹套内设置螺旋片导板来增加换热效果同时对罐身起加强作用三通用式发酵罐的设计与放大原则是否适合生产工艺的放大要求以及获得最大的生产效率考虑下列因素微生物生长速率和产物转化率发酵罐的传递性能包括传质效率传热效率及其混合效率提高发酵罐的生产能力就是解决放大过程中出现的传递性能下降问题即改善发酵罐的传质传热和混合效果设计的基本要求适宜的径高比承受一定的压力破碎气泡并混合良好保证充足的溶解氧良好的循环冷却和加热系统内壁抛光较少死角易于彻底灭菌轴封严密避免泄露能耗低传递效率高具有机械消泡装置安装必要的传感器和补料装置提高发酵水平四发酵罐的放大设计单位相似原则放大准则单位体积溶氧系数单位体积功率末端剪切力放大方法经验放大法量纲分析法时间常数法经验放大法几何相似法和非几何相似法电机的选配通常按照不通气的情况选择搅拌功率考虑启动因素考虑减速传动装置的机械效率高速小直径利于微观混合但损伤大低速大直径利于宏观混合传递差第十一章发酵产物的提取与精制发酵产物提取与精制的意义实现发酵的最终目标获得高品质的产物产物的提取和精制技术的进步以及工艺优化对上游提出新的技术和工艺改进要求使下游的产物易于提取和精制降低成本提高竞争力粗分离阶段发酵结束后产物的提取和初步分离阶段包括菌体和发酵液的固液分离细胞破碎目标产物的浸提细胞浸提液或发酵液萃取萃取液分离浓缩等纯化精制阶段初步分离的基础上采用特异性强选择性高的分离技术把目标产物和杂质分开目标产物达到一定的要求分离纯化条件低温适宜的值尽可能小的剪切力防止微生物和杂质污染要求快速操作低温环境温和条件尽可能小的剪切力防止污染生物安全等关键深入研究发酵体系特性和产物特点一般的工艺流程四个阶段发酵液的预处理和固液分离阶段初步提取分离阶段纯化精制阶段成品加工阶段提取精制方法的优化与工艺设计目标产率高成本低品质优操作简便没有环境污染纯化方法的选择离子交换法用于蛋白质和酶分离纯化各单元操作顺序注意固液分离前进行发酵液预处理一般情况下收率高纯度低的方法在前面纯度高的方法在后面发酵产物分离纯化的操作顺序固液分离细胞破碎目标产物的浸提或萃取细胞液的浸提或发酵液的萃取液浓缩柱色谱分离结晶干燥发酵培养物的特性浓度低处理体积大微生物细胞颗粒小相对密度与液相相差不大细胞含水量大可压缩性大液体流变特性复杂液相粘度大易吸附在滤布上产物性质不稳定预处理通过预处理改变流体特性降低滤饼比阻或离心沉淀特性使发酵液相对纯化等提高固液分离效率后续分离效率以及收率等过滤特性的改变降低发酵液粘度添加絮凝剂调整值加入反应剂助滤剂等降低发酵液粘度意义滤液通过率饼的速率与粘度成反比因此降低发酵液的粘度可以提高过滤效率方法加水稀释法加热升温法酶解法加水稀释法优点降低液体粘度缺点增加发酵液的体积降低产物浓度加大后续处理量要求稀释后过滤速率提高的百分比必须大于加水比加热升温法优点降低液体粘度提高过滤速率注意加热温度和时间控制在不影响产物活性的范围内防止加热导致的细胞溶解造成胞内物质外溢增加产物分离纯化的难度酶解法利用酶将发酵液中的多糖类物质降解为寡糖或单糖提高过滤效率一凝聚与絮凝原理改变菌体细胞和蛋白质等胶体粒子的分散状态凝聚成较大的颗粒利于过滤常用于菌体细小和粘度大的发酵液的处理凝聚定义在中性盐的作用下胶体粒子的双电子层排斥电位的降低胶体体系不稳定出现聚集的现象方法加入电解质凝聚值胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度常用电解质硫酸铝氯化铁和氯化铝絮凝定义在高分子絮凝剂的情况下使胶粒形成絮凝团的作用絮凝剂的要求分子必须含有相当多的活性官能团能与胶粒表面结合具有长链的线性结构同时与多个胶粒吸附形成较大的絮团分子量不宜过大以免影响溶解性原理高分子聚合物具有长链结构链上有许多活性官能团包括阴离子和非离子型基团通过静电力范德华力或氢键的作用吸附在胶粒的表面当高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面时产生架桥连接形成较大的絮团产生絮凝作用种类有机高分子类无机高分子聚合物天然有机高分子用量通过实验确定较多的絮凝剂有利于架桥充分但过多引起吸附饱和在胶粒上形成覆盖层胶粒再次稳定二混凝概念同时包括凝聚和絮凝作用应用对于带电负荷的菌体或蛋白质来说采用阳离子型高分子絮凝剂同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附架桥的双重机理所以可单独使用对于非离子型和阴离子型的高分子絮凝剂则主要通过分子间引力和氢键产生吸附架桥所以它们常与无机电解质结合使用加入蛋白质悬浮粒子的双电层电位降低凝聚成微粒再加入絮凝剂凝聚成较大颗粒电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件提高了絮凝的效果此时为混凝三调整值影响电离度和电荷性质细胞细胞碎片以及胶体物质在某时可能趋于絮凝而形成大颗粒利于过滤改变某些物质的电荷性质转入液相减少膜过滤的堵塞和污染四加入反应剂利用反应剂和某些可溶性盐生成不溶性沉淀消除发酵液中杂质对过滤的影响五加入助滤剂原理在含有大量细小粒子的发酵液中加入助滤剂助滤剂作为胶体粒子的载体把粒子吸附在助滤剂的微粒上均匀分布在滤饼层中改变了滤饼的结构降低滤饼的可压缩性减小过滤阻力种类硅藻土珍珠岩粉活性炭石英砂石棉粉纤维素等使用方法在过滤介质表面预涂助滤剂直接加入到发酵液中两种方法同时用六发酵液相对纯化对后提取分离影响最大的因素杂蛋白和高价无机离子杂蛋白的危害和去除方法降低树脂的吸附能力易产生乳化使两相分离困难加热有机溶剂去除七高价无机离子的影响干扰树脂对对活性物质的交换容量常规过滤或膜过滤时使滤速下降膜受到污染去除方法钙离子草酸注意回收镁离子草酸和三聚磷酸钠铁离子黄血盐第十五章发酵产品生产原理与技术运用一酒精发酵菌种要求高的发酵能力高的比生长速率高的耐酒精性原料淀粉质原料谷物原料和薯类原料糖质原料甘蔗和甜菜糖蜜纤维质原料森林和木材工业下角料秸杆废纤维垃圾甘蔗渣和玉米芯酒精发酵生化机制不同生产原料酒精发酵生化过程不同对糖质原料可直接利用酵母将糖转化成乙醇对于淀粉质和纤维质原料首先要进行淀粉和纤维质的水解糖化再由酒精发酵菌将糖发酵成乙醇原料预处理淀粉质原料糊化糖化糖蜜沉淀离心分离过滤纤维质原料酸解酶解二氨基酸类产品的发酵生产自己总结三青霉素自己总结