第八章发酵工程下游技术资料
发酵工程章节复习资料
发酵⼯程章节复习资料第⼀章绪论1、发酵及发酵⼯程的概念1、传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。
2、⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在⽆氧条件下被微⽣物利⽤产⽣酒精并放出CO2。
3、⼯业上的发酵泛指利⽤微⽣物制造或⽣产某些产品的过程包括：1. 厌氧培养的⽣产过程，如酒精，乳酸等。
2. 通⽓（有氧）培养的⽣产过程，如抗⽣素、氨基酸、酶制剂等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
发酵⼯程（Fermentation Biotechnology）: 应⽤微⽣物学等相关的⾃然科学以及⼯程学原理，利⽤微⽣物等⽣物细胞进⾏酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的⼀门科学。
2、发酵⼯程技术的发展⼤致可分为哪⼏个阶段，每段的技术特点是什么？1. ⾃然发酵时期:嫌⽓性发酵⽤于酒类酿造，好⽓性发酵⽤于酿醋、制曲。
2. 纯培养技术的建⽴：⼈⼯控制环境条件使发酵效率迅速提⾼。
3.通⽓搅拌好⽓发酵过程技术的建⽴：从分解代谢转为⽣物合成代谢，可以利⽤微⽣物合成积累⼤量有⽤的代谢产物。
4.⼈⼯诱变育种与代谢控制发酵⼯程技术的建⽴：遗传⽔平上控制微⽣物代谢。
5. 发酵动⼒学、发酵⼯程连续化、⾃动化⼯程：以数学、动⼒学、化⼯原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的⾃动化控制的研究，使发酵过程的⼯艺控制更为合理。
6. 微⽣物酶反应⽣物合成与化学合成反应结合⼯程技术：可⽣产许多过去不能⽣产的有⽤物质。
3、发酵⼯业的应⽤范围1. 酿酒⼯业（啤酒、葡萄酒、⽩酒）2. ⾷品⼯业（酱、酱油、⾷醋、腐乳、⾯包、乳酸）3. 抗⽣素⼯业（青霉素、链霉素、⼟霉素）4. 有机酸⼯业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂⼯业（淀粉酶、蛋⽩酶）6. 氨基酸⼯业（⾕氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵⼯业(肌苷酸、肌苷)8. 有机溶剂⼯业（酒精、丙酮）9. 维⽣素⼯业(VB2、VB12)10.⽣物能源⼯业（沼⽓、⽣物柴油）11.环境保护产业（废⽔⽣物处理）12.⽣理活性物质发酵⼯业（激素）13. 冶⾦⼯业(微⽣物探矿、⽯油脱硫)14.微⽣物菌体蛋⽩发酵⼯业（酵母、单细胞蛋⽩）4、发酵⼯业的特点与化学⼯程相⽐，发酵⼯程具有以下特点：1、发酵过程是极其复杂的⽣物化学反应，与微⽣物细胞息息相关2、通常在常温常压下进⾏，反应安全，需求条件也⽐较简单3、发酵醪（包括固相、液相、⽓相，还含有活细胞体或菌丝体），属⾮⽜顿流体，其特性影响因素很多，对发酵⼯程都有关联4、具有严格的灭菌系统，以防⽌杂菌污染如空⽓除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等5、反应以⽣命体的⾃动调节⽅式进⾏，因此数⼗个反应过程能够像单⼀反应⼀样，在同⼀发酵罐内进⾏6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取⼀些特殊的⼯艺措施并选⽤合适的设备。
发酵复习资料
第一章绪论1、生物技术是利用生物系统、活生物体及其衍生物，为特定用途面生产或改良产品或过程的技术。
现代生物工程技术包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。
2、发酵技术由两个核心部分组成：第一部分是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞——微生物菌种（或酶）；第二部分则是选择最精良设备，开发最优技术操作，创造充分发挥微生物细胞（或酶）作用的最佳环境——发酵工艺与设备。
3、工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺”。
4、发酵工程解决的问题：发酵工艺的工业生产环境、设备和过程控制。
5、上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。
上游加工还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题，这里包括有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工程问题。
优良发酵生产菌的特点：①能在廉价原料制成的培养基上迅速生长。
②培养条件易于控制。
③生长速度快，产能高，发酵周期短。
④菌种纯粹，抗噬菌体，非病原菌。
6、中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。
发酵过程优化的目的是：①条件和相互关系进行优化；②复杂关系尽可能简化。
7、下游工程是对目的产物的提取与精制。
这一过程困难的原因是：一方面生物反应液中目的产物的浓度是很低微的。
另一方面是因为反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有严格的要求。
8、发酵工程的一般特点为：①生产所用的原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主，辅料包括一定的有机或无机氮源和少量无机盐。
②微生物反应过程以生命体的自动调节方式进行，数十个生化反应过程能通过单一微生物的代谢活动来完成，因而所需产品可在单一发酵设备中一次合成。
③微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程的特性与工业控制1
三、利用基因工程菌生产的特点
基因工程菌带有外源基因，外源基因可能在质 粒上也可能整合到染色体上，这些基因可能不稳 定。丢失外源基因的菌往往比未丢失的菌生长快 得多，这样就会大大降低产物的表达。为了抑制 基因丢失的菌的生长，一般在培养中加入选择压 力，如抗生素。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、低等真核细胞
酵母菌 酿酒酵母是第一个被人利用的生物， 它的最大生长速率是大肠杆菌的25%，酵母比 最大的细菌大，容易从发酵液中回收。酵母有 简单糖基化能力和分泌蛋白的能力。这些是它 的优点。但酵母达到高表达水平比大肠杆菌困 难，外源蛋白分泌到胞外也有限，现在发展了 其他的酵母如甲醇营养型酵母等。 当产生是外源蛋白需要复杂的糖基化和翻译后 修饰时，低等真核细胞就不能适应，要用动物 细胞组织培养来达到。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
4、控制比生长速率的葡萄糖流加
菌体的比生长速率与代谢产物的表达 密切相关。比生长速率太大，超过某 一值，易产生乙酸，这一比生长速率 值称为菌体的乙酸产生临界比生长速 率。通过考察得出最优比生长速率， 控制溶氧、转速、补糖来控制比生长 速率。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、宿主细胞突变
宿主细胞的突变也会造成生产能力的减少。 这些突变通常改变细胞调节，结果减少目标 蛋白的合成。例如，控制外源蛋白表达的启 动子，利用宿主细胞的启动子，如果宿主细 胞启动子的改变，将大大改变质粒编码蛋白 的生产水平。乳糖操纵子是常用是操纵子， 通过加入乳糖或它的结构类似物（如IPTG） 来启动表达，如果乳糖操纵子编码半乳糖苷 透酶的基因发生突变就会阻止乳糖或乳糖的 结构类似物进入细胞，从而不能启动细胞的 表达。
发酵工程资料
（2）下游工程技术
①发酵液的预处理及发酵醪与菌体的分离
②发酵产物的分离提取
③发酵产物的精制纯化
④发酵产物的成品加工
（3）辅助工程技术
①空气净化除菌与调节系统
②水处理和供水系统
③加热和制冷系统
在上述研究内容中，上游工程技术是发酵工程
技术研究的主要内容。
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4、 典型的微生物发酵工艺流程图
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5、发酵罐示意图
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谷氨酸——味精生产工艺流程
◆ 味精是谷氨酸生产菌以葡萄糖为碳源，经 ＥＭＰ途径和ＴＣＡ循环生成谷氨酸，再 与碱中和而制成。其中包括五个部分：
◆ （１）淀粉水解酶的抽取 ◆ （２）谷氨酸生产菌种子的扩大培养 ◆ （３）谷氨酸发酵 ◆ （４）谷氨酸的提取分离 ◆ （５）由谷氨酸制成味精
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二、有机酸发酵生产
◆ 有机酸是羧酸、磺酸、亚磺酸、硫代羧酸 等的总称。就目前市场占有率而言，以柠 檬酸为主，下面就简单介绍一下柠檬酸的 发酵过程
◆ （１）去除菌丝体和其他固形物得到滤液 ◆ （２）用各种物质和化学方法处理滤液得
到初步纯化的柠檬酸溶液 ◆ （３）初步纯化的柠檬酸溶液精制后浓缩
得到柠檬酸结晶
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碳酸钙
热水
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（一）酒的种类
◆ １、白酒的种类 按主要原料分类：粮食酒、薯类酒、代用原
料酒 按生产工艺分类：固态法、半固态法和液态
发酵白酒 按采用糖化和发酵剂：大曲酒、小曲酒和麸
曲白酒 按香型分类：浓香型、酱香型、清香型、米
香型和其他香型
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２、葡萄酒的种类 ◆ 按就得颜色分类：红葡萄酒和白葡萄酒
◆ 按酒内糖分多少分类：干葡萄酒、半干葡 萄酒、甜葡萄酒和半甜葡萄酒
发酵工程 下游工程技术知识点
第十二章发酵工程下游工程技术第一节发酵液的预处理与固-液分离1.1 概述发酵产物的提取与精制属于发酵工程的下游加工技术。
下游加工亦称发酵后处理，是指从发酵液或酶反应中分离纯化目的产物并加工成成品的过程。
在多数情况下是从稀的发酵液中回收目的产物，整个过程有多项单元操作组成，其中有许多是经典的化工单元操作。
上游加工下游加工一、下游加工过程的重要性1.获得商业产品的关键环节。
2.促进发酵工程上游加工技术或工艺的改进。
3.拥有市场竞争力的重要保证。
二、下游加工过程的特点1. 发酵液是复杂的多相系统，属非牛顿液体，从中分离所需产品困难大。
2. 发酵产品在培养液中具有浓度低，稳定性差，对酸碱等外界环境十分敏感，容易失活。
3. 下游加工过程代价昂贵，产品回收率不是很高。
4. 发酵过程复杂，要求下游加工工艺应具有相当的适应性，以确保最终产品的纯度和质量。
三、下游加工的原则和要求原则：1）短时间内处理2）分离时尽量低温3）选择生物物质稳定的pH4）要程序化进行清洗，消毒，包括厂房，设备，管路要求：1）达到所需的纯度2）成本要低，得率高3）工艺过程要简便，对分离物质特性清楚4）废弃物要易处理，能够做到综合利用（零排放；清洁生产）5）实验室产品能够放大生产四、下游加工工程的一般流程1. 粗分离阶段（1）发酵液的预处理和固-液分离。
（2）产物的初分离。
2.纯化精制阶段（3）产物的高度纯化。
（4）成品加工。
1.2 发酵液的预处理与固-液分离一、发酵液的一般特征1. 含水量高，一般可达90％～99%，处理体积大。
2. 产品浓度低。
3. 悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大。
4. 固体粒子可压缩性大，一压缩就变形。
5. 液体黏度大，大多为非牛顿型流体。
易吸附在滤布上。
6. 产物性质不稳定，不耐热、酸碱敏感、易被氧化、易被微生物污染及酶分解。
二、发酵液预处理的目的和要求1.预处理的目的（1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体）；（3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
8第八章 基因工程下游技术 PPT课件
2011-10-30
基因工程下游技术
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（1）菌体的处理。微生物或动植物细胞培养的产品是细胞 或培养液，均应将它们分开，分别处理。发酵过程除增殖 大量菌体外还有许多残渣混在发酵液中，可通过适当加热， 调整酸碱度或添加絮凝剂，使菌体与发酵液分离。悬浮液 中的菌体通过过滤或离心法将之分开。除加助滤剂外可用 真空过滤以提高效率。离心法常用自动间歇排渣离心机或 喷射型离心机。菌体分离后要经灭活处理并将菌体破碎。 物理破碎可用研磨法或挤压法制成匀浆，超声波振荡法使 介质引起空化而产生冲击波。酶处理可以专一地催化细胞 壁水解，裸露的原生质体在低渗条件下进一步破裂而释放 出细胞内含物。
（3）最后纯化产品经分装冻干，包装后即为成品。
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基因工程下游技术
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• 与传统方式相似,重组蛋白的分离纯化也是利用其物理和化 学性质的差异,在进行任何一种蛋白质纯化工艺设计之前, 都需要尽可能多地先对提纯的体系,目标蛋白和杂质的性质 进行了解。如目标蛋白质的相对分子质量、等电点、疏水 性、带电性、碳氢链或自由巯基存在情况等。另外还需对 影响目标蛋白活性的因素有了解,如温度、ｐH、有机溶剂、 蛋白变性剂、重金属离子、机械剪切力等,以保证纯化后的 蛋白活性。
营养物质、溶氧 、温度 、 pH
• 3 培养方式
分批、连续和补料分批培养
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三、下游过程
• 下游过程
指从发酵液中分离和纯化产品的技术过程，包括固 液分离技术（离心、过滤、沉淀等）、细胞破壁技 术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁 酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和 超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空 干燥、冰冻干燥等），是运用生物化学、物理学方 法分离、纯化产品，最终将产品推向市场并获得社 会或经济效益的过程。
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
2. 次级代谢物的生产调节
(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系 (2) 调节方法
诱导作用 避开固有的负反馈
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选 初级代谢物的调节作用 能荷调节 e.g.磷酸盐影响金霉素的合成
第八章发酵过程控制
（1）次级代谢的特点及与初级代谢的关系
合成 凝结芽孢杆菌的α-淀粉酶热稳定性：55℃培养
→90℃ 保持 60min， 剩留活 性为 88%~99%； 35℃ 培 养 → 经 相 同 条 件 处 理 ， 剩 余 活 性 仅 有 6%~10%。
第八章发酵过程控制
5. 最适温度的选择与控制
定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生 长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一 定条件下测得的结果。
第八章发酵过程控制
(1) 糖比消耗速率qs
Righelato假定： qs mB
m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项 与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以 外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程
受温度的影响，所以m也和温度相关。
B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说 明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受 遗传及环境因素的影响大。
次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多 数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中 的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
第八章发酵过程控制
发酵工程-下游工程技术知识点(word文档物超所值)
升高温度可以降低悬浮液的黏度，除去某些杂蛋白，降低悬浮物的最终体积，破坏凝胶状 结构、增加滤饼的空隙度，提高过滤效率。
不适用热敏性的物质，而且要防止加热导致细胞溶解，胞内物质外溢。 （3）添加酶制剂 比如：加酶将多糖转化为单糖 2. 凝聚和絮凝法 凝聚和絮凝的概念: 凝聚是在高价无机盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。
第十二章 发酵工程下游工程技术 第 1 节 发酵液的预处理与固-液分离 1.1 概述
发酵产物的提取与精制属于发酵工程的下游加工技术。 下游加工亦称发酵后处理，是指从发酵液或酶反应中分离纯化目的产物并加工成成品的过程。
在多数情况下是从稀的发酵液中回收目的产物，整个过程有多项单元操作组成，其中有许多 是经典的化工单元操作。
优点：适用的范围广、破碎率高、细胞碎片的粉碎程度低以及活性的保留率高。
缺点：对冷冻-融解敏感的生化物质不适用。 ③ 高速珠磨法
原理：进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于 1mm）一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释 放出内含物。
絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是 一种以物理的集合为主的过程。 凝聚原理：电解质将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，使范 德华力占优势，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。
(扩散双电层的结构模型图） 常用的凝聚方法：在稀溶液中加入电解质以促进凝聚。试剂包括酸、碱、简单电解质和合成 的高分子电解质。 常用的凝聚剂 Al2(SO4)3.18H2O，AlCl3.6H2O，FeCl3，ZnSO4，MgCl2 阳离子对负电荷的胶粒凝聚能力次序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 絮凝原理：在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团使之更容 易过滤。 絮凝剂通过静电引力、范德华引力或氢键的作用，强烈地吸附在胶粒的表面。当一个高分子 聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架连接时，就形成了较大的絮团， 这就是絮凝作用。
济南版生物八级下册《发酵技术》PPT课件
长繁殖
2019/9/23
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3)在酿制酒酿的过程中，为 什么要保持相对稳定的温度？
酵母菌需要适宜的、稳定的温度 度条件才生长、繁殖得好
酿酒的要点： 1.要选择好合适的酒曲； 2.严格控制发酵的温度(25~30 ℃)； 3.注意防止杂菌感染。
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白 酒 的 酿 造 过 程
霉菌、酵母菌
主要是为了杀死其中的细菌等微生物，防 止杂菌污染，有利于乳酸菌的生长和繁殖
2、哪个玻璃瓶中的牛奶变成了酸奶？你从 中得到了什么启示？
封口。酸奶的制作需要在隔绝空气（氧
气）的条件下进行 2019/9/23
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它是以新鲜的牛奶为原 料，经乳酸菌发酵后， 再冷却灌装的一种牛奶 制品。
酸奶不但保留了牛奶的 所有优点，而且某些方 面经加工过程还扬长避 短，成为更加适合于人 类的营养保健品。
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酵母菌
馒头、面包、酱油、醋 2019/9/23
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三、发酵技术的广泛利用：
你还知道生活中哪些方面 利用了微生物的发酵作用？
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例题解析
例1 一些水果放久了会散发出酒味，造成这种现象
的原因是（A）。
A．酵母菌发酵 B．霉菌发酵 C．乳酸菌发酵 D．菌丝产生孢子
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具体操作过程：
将糯米煮熟 冷却至35℃左右 (冷开水)
米饭中加一定量 的酒曲，并拌匀
压实 中间挖凹坑
思考：
1)酒曲是什么？为什么 要待米饭冷却以后再加 酒曲？
酵母菌 以防高温杀死酵母菌
2)为什么要中间挖凹坑？
使氧气充足，保证酵
母菌在初期能大量生
加盖后在适当温度（25—30 ℃ ） 下保温40小时即成
发酵工程资料9页
1、微生物工程：也称发酵工程，它是指利用微生物生长繁殖与代谢活动，通过现代工程技术手段进行工业规模来生产人们所需产品的理论和工程技术体系。
是生物工程和生物技术学科的重要组成部分。
2、工业发酵步骤和工艺流程(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的各种培养基的配制(2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3) 将培养好的有活性的适量纯种以一定比例转接到发酵罐中(4) 控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量代谢产物(5) 将产物抽提并进精制，以得到合格的产品(6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水新种分离与筛选的步骤：确定方案—样品采集—样品的预处理—目的菌富集培养—菌种分离—菌种初筛—菌种复筛—菌种发酵性能鉴定—菌种保藏（1）确定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。
（2）样品采集：有针对性地采集样品。
两个原则：①样品的来源广泛，获得新的菌种的可能性越大；②要了解目标产物的性质和可能产生目标产物的微生物及其生理性，这样就能提高效率，事半功倍。
（3）样品预处理：对样品进行预处理可提高菌种分离的效率。
方法有：①物理方法：包括热处理、膜过滤法和离心法②化学方法：通过在培养基中添加某些化学成分来增加特定微生物的数量。
③诱饵法：将一些固定物质，如石蜡、花粉、蛇皮、毛发等加到待分离的土壤或水中做成诱饵富集目的菌。
（4）目的菌富集培养：主要利用不同种类的微生物其生长繁殖对环境和营养的要求不同，使目的微生物在最是条件下迅速地生长繁殖，数量增加，成为优势种。
①控制培养基的营养成分，如唯一碳源或氮源；②控制培养条件：（5）菌种分离：利用微生物菌种分离技术得到纯种。
①平板划线分离法②稀释分离法③简单平板分离法④涂布分离法⑤毛细管分离法⑥小滴分离法（6）初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的微生物筛选出来的过程。
①平板筛选：用水解圈、变色圈、抑菌圈、透明圈等方法②药瓶发酵筛选：菌株摇床培养后，过滤发酵液进行活力测定。