发酵工程重点整理 配科学出版社,曹军卫等著的《微生物工程》

微生物工程重点整理

第一部分微生物工程原理

一、微生物工程概论

1.生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程

2.（生物化学角度）微生物细胞将有机物氧化释放出的电子直接传递给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物的过程，称为发酵。机体在无氧条件下获得能量的一种方式。（微生物学角度）发酵是厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件（或缺氧条件）下将代谢基质的不彻底氧化，并大量积累某一（或几）中代谢产物的过程。（工业生产角度）利用特定微生物的代谢活动，来生产人类需要的特定代谢产物的过程称为发酵。微生物是发酵的核心和灵魂。

3. 发酵工业的发展历史：传统发酵技术——天然发酵（酒精发酵）：难人为控制过程，生产凭经验；第一代发酵技术——纯培养技术：巴斯德巴氏瓶实验证明酒精由活酵母引起，柯赫发明固体培养基、得到细菌纯培养物；第二代发酵技术——深层培养技术：青霉素（弗莱明），深层培养技术即机械搅拌通气技术，推动抗生素工业发展，石油发酵，“代谢控制发酵技术”是将生物通过人工诱变，获得代谢发生改变的突变株，在控制条件下，选择性地大量生产某种人们所需要的产品；第三代发酵技术——微生物工程（胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗）：基因分离、鉴定和克隆的方法，外源蛋白。

4.发酵工程是工程学与微生物学的结合。利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术，生产有用物质或直接将其应用于工业化生产的一种技术体系。是建立在微生物发酵工业基础上，与化学工程相结合而发展起来的一门学科。发酵工程又称微生物工程。

二、生产菌种的来源

1. 发酵工程三要素：生产菌种的性能、发酵及提纯工艺条件、生产设备

2. 分离纯化和筛选步骤：标本采集→标本材料的预处理→富集培养→菌种初筛→菌种复筛→性能鉴定→菌种保藏。

3. 采样的注意事项：采样时应尽可能保持相对无菌；所采集的样本必须具有某种代表性；采好的样必须完整地标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理环境条件、生态参数等，以备查考；采样的季节性和时间因素（真正的原地菌群的出现可能是短暂的）；为减少微生物数量和类型变化，采好的样及时处理，暂不能处理的应贮存于4℃下，但贮存时间不宜过长。

4. 纯种分离方法：平板划线分离法；平板稀释分离法；涂布分离法等。

5. 菌种分离：施加选择性压力分离法（富集培养）；随机分离法：抗生素产生菌、抗肿瘤产生菌、酶抑制剂产生菌、抗病毒药物产生菌、生产因子产生菌。

6.氧控制：好氧微生物、厌氧微生物。高温：嗜热微生物、非嗜热微生物。pH条件：酸微生物、嗜碱微生物

7.施加选择性压力培养法：分批式富集培养（摇瓶培养）：转种的时间是关键；恒化式富集培养（连续培养）：稳定混合菌群。

8.固体培养基常用于分离各种酶产生菌

9.抗生素产生菌的筛选和分离：稀释法、扩散法、生物自显影法和抑菌圈法等。

10.几种重要生物活性物质产生菌的分离方法:抗肿瘤药物产生菌：利用DNA修复能力突变株进行抗肿瘤药物的筛选。酶抑制剂（药物）产生菌：某种化合物能在体外抑制某种关键的人体酶，它就可能在体内有药理作用。故主要选择与生理和病理关系明确的酶为靶酶进行筛选。抗病毒药物产生菌：用小平板测定由病毒引起的细胞变性效果，是一种有用的筛选方法；检测病毒复制中特有的DNA复制酶和核酸合成酶的酶抑制剂，是另一种选择性更高的筛选方法。生长因子产生菌：通过观察分离菌能否促进营养缺陷型菌株的生长来检出。免疫激活剂产生菌：可以用细胞表面酶的抑制法，筛选免疫激活剂产生菌。多糖产生菌：可以通过菌落外观的观察来识别（黏稠)

三、微生物的代谢调节和代谢工程

1.代谢调节：涉及多个基因的基因工程，也称途径工程。包括酶活性调节（酶的激活作用（变构调节、化学修饰调节）、酶的抑制作用）、酶合成的调节、分支生物合成途径的调节（同工酶、协同反馈抑制、累积反馈抑制、顺序反馈抑制、联合激活或抑制调节、酶的共价修饰）、能荷调节。调节方式包括反馈调节、反馈阻遏、酶的诱导调节、酶的共价修饰等。代谢类型：分解代谢、合成代谢

2.微生物自我调节的部位：细胞膜的调节、限制基质的有形接近（真核生物）、酶量和酶活性的调节（原核生物）

3.酶活性调节:指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。影响因素：底物和产物的性质和浓度、环境因子（如压力、pH、离子强度和辅助因子等、其他的酶的存在。调节方式：激活已有酶的活性、抑制已有酶的活性。

4.酶的激活作用：某个酶促反应系统中，某种低分子质量的物质加入后，导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高，使酶促反应速率提高的过程。酶的激活剂或抑制剂：：能引起酶活力提高（或获得）或降低（或丧失）的物质（外源物质或机体自身代谢过程中产生与积累的产物）。酶的抑制作用：某个酶促反应系统中，某种低分子质量的物质加入后，导致酶活力降低的过程。反馈抑制：指代谢的末端产物对酶（往往是代谢途径中的第一个酶）活性的抑制。包括：无分支代谢途径的调节、有分支代谢途径的调节。5．酶的变构调节：通过酶分子空间构型上的变化来引起酶活性的改变；变构酶分子的化学修饰调节：通过酶分子本身化学组成上的改变来引起酶活性的变化。变构酶一般分子量较大，由多个亚基组成，具有催化和变构调节的位点。变构蛋白（调节蛋白）：本身无催化活性，可控制相应酶的活性，或酶与蛋白质的合成。作用：调节酶促反应变化速率。

6. 酶量调节方式：诱导作用：在某种化合物作用下导致酶合成和合成速率提高的现象；阻遏作用：在某种化合物作用下导致酶合成停止和合成速率降低的现象。

7.酶合成的诱导作用：组成酶：微生物不论生长在什么培养基中，有些酶总是适量的存在，不依赖酶底物或底物类似物而合成的酶；诱导酶：依赖于（为适应）某种底物或底物结构类似物的存在而合成的一类酶，又称为适应性酶。诱导酶由隐性基因控制。

8.如果代谢产物是某种合成途径的终产物，这种阻遏为末

端代谢产物阻遏；如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物，则为分解代谢产物阻遏。分支代谢途径：每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。

9.葡萄糖效应：葡萄糖的存在能够抑制微生物对混合碳源中其他糖的利用，只有葡萄糖利用完以后，才开始利用其他的糖。

10.操纵子模型：调节基（阻遏物生成基因）；启动基因（RNA 聚合酶结合位点）；操纵基因（阻遏物结合部位）；结构基因（可转录为mRNA）。操纵子由启动基因、操纵基因和结构基因构成。

11.操纵子调节方式：单一效应物调节（正调节与负调节）、两种效应物共同调节和弱化调节。

12.弱化调节：当存在效应物时不是使正在翻译的过程全部在中途终止，而是部分停止；广泛存在于Aa合成操纵子的调节中；为精细调控。

13.分支合成途径：同工酶调节（某一分支途径中的第一步反应可由多种酶催化，但这些酶受不同的终产物的反馈调节。）、协同反馈抑制（仅有一种酶受到反馈调节，但需要一种以上终产物的过量存在方有明显的效果，单个终产物过量，其他的终产物不过量，不会产生或产生很小的影响）、累积反馈抑制（任何一种末端产物过量都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用，且各种末端产物的抑制作用互不干扰；末端产物过量时，它们的抑制作用是累加的。1+1<2）、增效反馈抑制（代谢途径中任何一种末端产物过量时，仅部分抑制共同反应中第一个酶的活性，但两个末端产物同时过量时，其抑制作用可超过各末端产物产生的抑制作用的总和。1+1>2）、顺序反馈抑制、联合激活或抑制调节（一种生物合成的中间产物参与两个完全独立的、不交叉的合成途径的控制； 种中间物质浓度的变化会影响到两个独立代谢途径的速率）、酶的共价修饰调节（变构酶的活力是通过效应物分子诱导酶构象的改变来修饰的，不同状态之间不涉及共价化学键的形成。谷氨酰胺合成酶是蛋白质有无共价连接的化学物质存在（共价修饰）引起活力的变化。有无苷酰基）。14．能荷调节（腺苷酸调节）：细胞通过改变ATP、ADP、AMP 三者比例来调节其代谢活动（代谢反应供能高能磷酸键的量度）。

15.代谢调控：发酵条件的控制（通气、NH4+、pH、磷酸、生物素）、改变细胞透性（青霉素抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂，细胞壁中脂类溶解，细胞壁疏松，通透性增加；控制Mn2+、Zn2+的浓度，干扰细胞膜或细胞壁的形成）、菌种遗传特性的改变（代谢产物过量产生、产生苏氨酸）。

16.发酵条件的控制：改变发酵条件;使用诱导物;添加生物合成的前体;培养基成分和浓度控制。

17.初级代谢：一类普遍存在于生物中的代谢类型，与生物生存有关。初级代谢产物如单糖、核苷酸脂肪酸等单体。18.次级代谢产物及特征：存在于某些生物如植物和微生物中一类特殊的代谢类型；不参与微生物的生长和繁殖；其生物合成有一部分是不参与初级代谢产物生物合成的遗传物质(质粒)。如抗生素、激素、色素、毒素、维生素及生物碱等

19.初级代谢与次级代谢的区别

氮分解产物调节、磷酸盐调节、反馈调节、生长速率调节等。21.酶合成的诱导调节：卡那霉素-乙酰转移酶是在6-氨基葡萄糖-2-脱氧链霉胺的诱导下合成；参与青霉的棒曲霉素合成的酶是被生物合成中的中间产物6-氨基水杨酸、龙胆酰醇、龙胆酰醛依次诱导合成的。

22.外源诱导剂：外源加入。内源诱导剂：微生物代谢过程中产生。

23.反馈调节包括次级代谢产物的自身反馈调节、分解代谢产物调节、前体的反馈调节、初级代谢产物的反馈调节。24.高浓度磷酸盐导致更多ATP，提高细胞能荷；过量的无机磷或ATP抑制四环素等抗生素合成。

25.抗生素产生菌的主要代谢调节机制：受DNA控制的酶合成的调节机制；酶活性的调节机制；细胞膜透性的调节；碳分解代谢产物的调节；氮分解代谢产物的调节；磷酸盐的调节。

26.代谢工程：利用基因工程技术，定向地对细胞代谢途径进行修饰、改造，以改变微生物的代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合，构建新的代谢途径，生产新的代谢产物的工程技术领域。代谢工程的实现：改变代谢途径（加速限速反应（头孢霉素C）、改变分支代谢途径流向、构建代谢旁路、改变能量代谢途径）、扩展代谢途径、转移或构建新的代谢途径（转移代谢途径（聚羟基丁酸PHB、聚羟基烷酸PHA）、构建新的代谢途径）。途径：出发菌株（基因工程技术，代谢途径定向修饰、改造）→工程菌株（基因调控、代谢调控、生化工程）→构建新的代谢途径→新的代谢产物。

27．代谢网络理论将代谢网络分流处的代谢产物称为节点。对终产物合成起决定作用的少数节点称为主节点。根据节点

下游分支的可变程度，可分柔性、半柔性和刚性三种节点。

四、优良菌种选育

1.菌种选育方法:自然选育、诱变选育（抗噬菌体菌种的选育）、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程技术等。优良生产菌种的基本特征：①高产：在较短的发酵周期内产生大量的发酵产物；②副产物及其他产物少；③生长繁殖能力强, 有较强的生长速率；④高效地将原料转化为产品；⑤发酵原料成分波动敏感性较小，来源广泛、便宜；⑥对需要添加的前体物质有耐受能力, 且不能将这些前体物质作为一般碳源利用；⑦在发酵过程中产生的泡沫要少；⑧具有抗噬菌体感染的能力；⑨遗传性状稳定。

2.诱变选育方法：物理、化学、生物诱变剂。

3.诱变育种步骤：出发菌株的选择；处理菌悬液的制备；诱变处理（单一诱变剂处理、复合诱变剂处理）；中间培养；分离和筛选。诱变育种一般包括诱变和筛选两个部分，诱变部分成功的关键包括出发菌株的选择、诱变剂种类和剂量的选择，以及合理的使用方法。

4.基因工程菌的稳定性：分裂不稳定：基因工程菌分裂时，出现一定比例不含质粒的子代菌。结构不稳定：外源基因从质粒上丢失、碱基重排或缺失，引起基因工程菌性能的改变。质粒不稳定的产生原因：含质粒菌产生不含质粒子代菌的频率；两种菌的比生长速率差异的大小；菌体培养条件对质粒拷贝数的影响（低拷贝数的工程菌产生不含质粒子代菌的频率较高）。提高质粒稳定的方法：两阶段培养法来提高质粒的稳定性；控制培养条件（温度、pH值、培养基成分、溶解氧）。

5.突变菌株的筛选:

营养缺陷突变菌株的筛选、抗反馈阻遏和抗反馈抑制突变菌株的筛选、组成型突变株的筛选、抗性突变株的筛选。

6.酵母为双单性微生物。二倍体的生活力比单倍体强。

7.原生质体融合技术（去除细胞壁）提供了充分利用遗传重组杂交的方法。优点：受接合型或致育型的限制较小；重组频率较高；遗传物质传递更加充分、完整，既有核配又有质配；可以采用温度、药物、紫外线等处理纯化亲株的一方或双方，然后使其融合，筛选再生重组子菌落，提高筛选效率；用微生物的原生质体进行诱变，可明显提高诱变频率。

五、菌种保藏的原理和方法

1. 菌种保藏的原理：根据微生物的生理理化特性，人为地创造条件，使微生物处于代谢不活泼，生长繁殖受到抑制的休眠状态，以减少菌种的变异。方法：降低培养基营养成分、低温、干燥和缺氧等。要求：保持菌种原有的优良性状、简便、经济。

2. 菌种的保藏方法：斜面保藏法、穿刺保藏法、沙土管干燥保藏法、真空冷冻干燥保藏法、液氮保藏法、悬液保藏法、低温保藏法。

六、培养基

1．微生物的营养类型：光能自养型：如绿硫细菌、小球藻、螺旋藻等；光能异养型：如红螺细菌等；化能自养型：如硝化细菌、氧化亚铁硫杆菌等；化能异养型：绝大多数的细菌、放线菌和所有的真菌；好氧微生物：大部分细菌、放线菌和真菌；厌氧微生物：沼泽地或湖底细菌；兼性厌氧微生物2.培养基的营养成分：能源物质、碳源物质、氮源物质、无机盐和微量元素、前体（发酵培养基）、促进剂和抑制剂、氧气（好氧）、水分、消沫剂（发酵培养基）。

3.能源物质：光能自养和光能异养微生物：光能；化能自养微生物：氢，硫胺；亚硝酸盐，亚铁盐。异养菌：碳水化合物等有机物、石油、天然气和石油化工产品是能源物质，同时也是碳源物质。

4.碳源物质作用：提供能源；菌体细胞成分碳架；构成代谢物质。葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、糊精、淀粉等糖类物质；脂类如各种植物油和动物油（耗氧量增加）；乳酸、醋酸、柠檬酸、延胡索酸和它们的盐及醇等；碳酸气、石油、正构石蜡、天然气、甲醇、乙醇等石油化工产品。发酵工业中最常用的碳源：葡萄糖、淀粉、糖蜜、麸皮和米糠等。

5.氮源物质：构成菌体细胞结构物质，如氨基酸、蛋白质、核酸等；提供能源；合成含氮代谢产物，如缬氨酸、半胱氨酸。碳源不足时，也可以用氮源。实验室常用的有机氮源：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、黄豆粉和花生粉等。有机氮常用的有机氮源：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、酵母粉、麦麸、鱼粉、蚕蛹粉、玉米浆、蛋白胨、尿素、废菌液、酒糟等。

6.前体：某些化合物加入培养基能直接在生物合成过程中结合到产物分子中，而自身结构并未发生太大变化，却能提高产量。

7.促进剂：一类刺激因子，可影响微生物的正常代谢，或提高次级代谢产物的产量，或促进中间产物的积累。抑制剂：抑制某一途径，刺激另一途径来改变微生物的代谢途径。8. 培养基的分类：按培养基组成物质的化学成分：合成培养基、天然培养基。按物理性质：液体、固体、半固体培养基。按使用目的（用途）：一般培养基、加富（集）培养基、选择培养基、鉴别培养基、工业用培养基等。

9.发酵生产中的培养基类型：孢子培养基、种子培养基、发酵培养基.

10.pH的具体控制方法:1）在配制培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其pH值适合该微生物生长或合成代谢产物的需要。2）注意有些营养物质被利用后培养基的pH变化情况。3）控制pH最常用方法：培养基中添加具有一定缓冲能力的物质作为营养物，如以磷酸盐作为磷的成分；避免使用容易产生生理酸性或碱性使培养基pH波动太大的物质。

11.营养物质的调节:不同碳源的利用速度（能被微生物快速利用的碳源称速效碳源，反之称迟效碳源）；氮源利用及与碳源利用的关系；碳氮比例的调节（谷氨酸发酵C:N为4:1时，菌体繁殖。C:N为3:1时，产生大量谷氨酸，菌体繁殖却受到抑制）；前体的控制（一般培养基中前体的浓度越大，增产越多。但大多数菌体是有毒的，只能加少量）；补料（不补料的坏处：过于丰富的碳、氮源都消耗在菌体生长上；产物

合成阶段，菌体过早衰老、自溶；搅拌动力增加、消沫困难、溶解氧下降、渗透压过高。中途补料的作用：避免菌体过早老化，延长产物合成的旺盛期；控制了pH值和代谢方向；改善了通气效果，避免了生长可能受到的抑制；补足发酵液因发酵过程中通气和蒸发损失的体积。目的：不使菌体生长繁殖过快，仅仅维持呼吸，即处于半饥饿状态，但仍能合成产物）。

12.培养基注意事项：pH的具体控制方法：加入缓冲物质。激素产生微生物不能利用的物质或形成沉淀。注意代谢调节的影响。金属离子的影响。

七、发酵工艺控制

1.温度对发酵的影响及控制：温度是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一（任何生物化学的酶促反应都是与温度变化有关）;对微生物发酵来说，温度可以影响各种发酵条件，最终影响微生物的生长和产物形成。温度对发酵的影响：细胞生长、产物形成、发酵液的物理性质、生物合成方向。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，超过最高温度，微生物很快死亡（灭菌的原理）；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡（菌种保藏原理）。

2.发酵过程引起温度变化的因素：发酵热：发酵过程中释放出来的净热量，单位J/(m3?h)，由产热和散热两方面因素决定Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显－Q辐射。生物热的大小与呼吸作用强度呈正相关；培养基营养越丰富，生物热也越大。搅拌热:好气培养的发酵罐都装有大功率的搅拌器。进入发酵罐的空气与发酵液进行热交换，使温度下降。空气带走了一部分水蒸气，水蒸气从发酵罐中蒸发时带走了发酵液中的热量，使温度下降。被排出的水蒸气所需的热量叫蒸发热（Q蒸发）。发酵罐内温度与罐外环境温度不同，存在温差。发酵液中部分热量通过罐体向外辐射，为辐射热（Q 辐射）。辐射热大小取决于罐温与环境的温差。一般不超过发酵热的5％。发酵热的测定：通过测量一定时间冷却水流量和进出口温度差计算发酵热；通过自动控制，使罐温达到恒定，关闭自控装置，测定温度随时间上升的速率，根据罐温变化计算发酵热；根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。最适温度的选择:根据菌种、生长阶段选择、根据培养条件选择、菌种的生长情况。

3.pH变化原因：基质代谢、产物形成、菌体自溶（pH上升）。引起pH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；酸性代谢产物的生成。引起pH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；碱性代谢产物的生成。pH对发酵的影响:1）影响菌体的形态；2）影响酶的活性进而影响微生物的生长繁殖和代谢；3）影响细胞膜的电荷状态，改变细胞膜透性，进而影响微生物对营养物质的吸收及代谢物形成；4）影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用；5）影响产物的稳定性。调节控制pH的措施：调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）：培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比；添加缓冲剂。补料控制：直接加酸加碱；补加碳源或氮源。

5.生理碱性物质：微生物利用后能够使pH值上升的一类物质，如有机氮源、硝酸盐、有机酸等。生理酸性物质：微生物利用后能够使pH值下降的一类物质，如糖、脂肪、胺盐等。

6.影响供氧的因素：影响KLa的因素：搅拌；空气流量；培养液性质；微生物生长的影响；消沫剂的影响；离子强度的影响。影响推动力的因素：提高推动力，实际上是增加氧的饱和度C*.

7.CO2是大肠杆菌和链霉菌突变株的生长因子，菌体需要含30％CO2的气体才能生长，这种现象称为CO2效应;

8. CO2及HCO3-主要影响细胞膜的结构，且分别作用于细胞膜的不同位点;CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位, HCO3-则影响膜蛋白;当细胞膜中脂质相中CO2超过临界值时，影响膜的流动性及表面电荷密度。

9.泡沫产生的原因:外力、发酵性泡沫、培养基的成分。起泡的危害：1、降低生产能力、降低发酵设备的利用率。发酵罐中，过多泡沫若不加控制会引起“逃液”；为了容纳泡沫，防止“逃液”，必须降低发酵罐的装料系数，从而影响收率。2、引起原料浪费、导致产物的损失。如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。

3、增加染菌机会、引起染菌。泡沫增多引起逃液，在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。

4、增加了菌群的非均一性，影响菌的呼吸。气泡稳定，不破碎，泡沫中的代谢气体不容易带走，影响与空气中氧进行交换，妨碍呼吸，造成代谢异常，导致菌体提前自溶。菌体自溶会促使更多的泡沫形成。

5、为下游提取工序带来困难。消泡的方法：机械消沫；消沫剂消沫；减少起泡物质；减少产泡外力；选育不产泡沫的突变菌种；某些微生物的混合培养。

八、发酵过程的参数检测和自动控制

1．前馈控制：通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未变化时，提前实施控制。

2.反馈控制：被控过程的输出量被传感器检测，以检测量反馈到控制系统，控制器使之与预定的值进行比较，得出偏差值，然后采用某种控制算法根据偏差确定控制动作。

3.自适应控制：对于无法确定数学模型过程的控制，须要提取有关的输入、输出信息，对模型和参数不断进行辨识，使模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之适应于实际过程。

4.发酵自动控制由传感器、变送器、执行机构、转换器、过程接口和监控计算机组成。

九、微生物反应动力学

1.微生物反应动力学重要方法是用数学模型定量地描述发酵过程中细胞生长速率、基质利用速率和产物生成速率等因

素的变化，达到对发酵过程有效的控制，从而提高产品的产率及降低生产成本的目的。

2. 发酵类型：Ⅰ型（生长相关型，特点：菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰;分菌体生长和代谢产物两种类型）、Ⅱ型（生长部分相关型，特点：微生物生长和产物合成是分开的；产物形成是经过连锁反应的过程；产物形成不经过中间产物的积累，产量高）Ⅲ型（生长不相关型，特点：产物的形成显然与基质(糖类)的消耗无准量关系）

3.连续培养的两种基本方式：罐式或搅拌发酵罐、管式反应器。连续培养的优点：可以提高设备的利用率和单位时间产量，只保持一个期的稳定状态；发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制；易于分期控制。可以在不同罐中控制不同的条件。

4.单级连续培养：在进行任何连续培养的开始，都要先做分批培养，让微生物在接种后生长繁殖达到一定细胞浓度，并进入产物合成期，然后才开始以恒定的流量向发酵罐液加培养基，同时以相同的流量排放出培养液，使发酵罐内培养液的体积保持恒定，微生物能持续生长并持续合成产物。

第三部分微生物工程生产设备

十八、培养基灭菌及灭菌设备

1．发酵生产设备：培养基灭菌及灭菌设备、空气除菌设备、发酵设备、产品纯化设备。

2.灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。

3.灭菌方法：化学药剂灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、过滤除菌。

4.杂菌污染的不良后果：生产能力下降或丧失：杂菌污染使生物反应基质和产物消耗而损失；连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；改变发酵液某些理化性质：使产物的提取变得困难，降低收得率，或使产品质量下降；杂菌可能会分解目的产物，使生产失败；杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品；杂菌大量繁殖改变反应介质pH值使生物反应发生异常；发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，使生产失败等。

5.工业生产中纯种培养具体措施：使用的培养基和设备须经灭菌；好气培养过程中使用的空气应经除菌处理；设备应严密，发酵罐维持正压环境；培养过程中加入的物料应经过灭菌；使用无污染的纯粹种子等。

6.培养的基分批灭菌是指将配制好的培养基置于发酵罐中，通入蒸汽加热进行灭菌的过程，又称实罐灭菌。过程：升温、灭菌、冷却。特点：不需要专门的灭菌设备，投资少，灭菌效果可靠；对蒸汽要求较低，一般在3×10^5－4×10^5Pa；灭菌过程蒸汽用量变化大，锅炉负荷波动大；中小型发酵罐常用的灭菌方法。

7.培养基的连续灭菌：将配制好的培养基在高温快速的情况下，向发酵罐输送的同时经过加温、保温、冷却的过程，进行灭菌。特点：培养基能很快在短时间内加热到保温温度，并能很快冷却；蒸汽用量平稳，但蒸汽压力一般要求>5×10^5Pa；连续灭菌设备比较复杂，投资较大；连续灭菌前，必须先进行空罐灭菌；加热器、维持罐和冷却器等也应先进行灭菌，以容纳经过灭菌的培养基；为减少损失，组成培养基的耐热性物料和不耐热性物料可在不同温度下分开灭菌。（要求）

十九、发酵设备

1.好氧发酵罐分为内部机械搅拌型、外部液体搅拌型、空气喷射提升式发酵罐。

2.机械搅拌发酵罐的要求：发酵罐应有适宜的径高比；发酵罐应能承受一定的压力；发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，实现传质传热作用，保证微生物发酵过程中的溶解氧；发酵罐应有足够的冷却面积；发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污纳垢，保证灭菌彻底，防止染菌；搅拌器的轴封要严密，以减少泄露。

3.发酵罐的放大，就是要是大型发酵罐的性能与小型发酵罐接近，以使大型发酵罐的生产效率与小型发酵罐的相似。

二十、空气除菌设备

1.介质除菌的原理：惯性冲击滞留作用、拦截滞留作用、布朗扩散作用、重力沉降作用、静电吸引作用。惯性冲击滞留作用原理：气流突然改变方向时，沿空气流线运动的微粒由于惯性作用仍然继续以直线前进。惯性使它离开主导气流；气流宽度b以内的粒子，与介质碰撞而被捕集。微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上。

2. 过滤介质的类型：表面过滤介质（编织网粉末烧结）、深度过滤介质（纤维材料结构：棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维；浇铸膜结构）。

3.空气过滤除菌流程：气流速度可由操作系统控制。包括粗过滤器、空压机、空气贮罐、空气冷却器、气液分离器、空气加热器、空气过滤器等。

4.气液分离器分为：利用离心力进行的旋风分离器；利用惯性截留的填料式分离器。旋风分离器原理：是一种结构简单，阻力小，分离效果较高的气固或气液分离设备。空气以切线方向进入旋风分离器，并在器内作圆周运动； 滴和颗粒比空气质量大得多，具有较大的惯性力，当空气在分离器内作圆周运动时，水滴和颗粒仍作直线运动，当碰到器壁上时即可沉降。