导图社区 发酵工程
这是一篇关于发酵工程的思维导图，介绍详细、描述全面、希望能对感兴趣的小伙伴学习提供帮助。
这是一篇关于酶工程的思维导图，包含酶分子修饰、酶固定化、在食品工业中的应用等。
这是一篇关于蛋白质工程的思维导图，干货满满，感兴趣的小伙伴可以参考使用！
这是一篇关于细胞工程的思维导图，包含研究范畴、应用、细胞培养、细胞融合技术等。
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发酵工程
概念
利用 微生物の生长繁殖&代谢活动，并通过 现代化工技术，大量生产 有用物质の一种生物技术体系。
又称：微生物工程
分类
固体发酵
微生物→湿の固体培养基→生长、繁殖、代谢の发酵过程。
特点
优点
培养基简单，来源广泛
发酵过程不需要严格的无菌操作
通过通风来供氧和温度控制
发酵残渣处理简单
分生孢子可长期保存并且能重复使用。
培养基、菌体生长、对营养物质的吸收和代谢产物的分泌在各处不均匀。
缺点
发酵参数的检测和控制比较困难
难于连续和自动化
劳动强度大、占地面积大、易污染杂菌
液体深层发酵
发展史
自然发酵时期
第一代 微生物发酵技术 ——纯种发酵の建立
转折1：纯种发酵
列文虎克：显微镜→微生物
巴斯德：酒精发酵←酵母
科赫：细菌纯培养 技术
第二代 微生物发酵技术 ——深层培养技术
转折2：通气搅拌技术
青霉素
转折3：代谢控制发酵技术
人工诱变
转折4：发酵原料の转变
最早用 非碳水化合物为原料代粮发酵生产：SCP（单细胞蛋白）
第三代 微生物发酵技术 ——基因工程菌の构建
转折5：基因工程菌の构建
基因工程技术&细胞融合技术
发酵培养基
培养基の类型 （按 用途 分）
斜面培养基
种子培养基
培养基の制备
碳源の使用
糖蜜
制糖生产时の结晶母液
制糖工业の副产物
较多杂质 → 需 预处理
谷氨酸发酵→预处理脱除 生物素
葡萄糖
所有微生物都能利用
引起 葡萄糖效应
淀粉
可解除 葡萄糖效应
氮源の使用
无机氮源
种类
铵盐
硝酸盐
氨水
微生物吸收快→速效氮
生理酸/碱性物质
无机氮源（氮源）→ 菌体利用 → 微生物生理作用(代谢) → 形成
选择 合适の无机氮源 有两层意义
满足 菌体生长
稳定&调整 发酵过程のpH
有机氮源
来源
成分复杂
提供 氮源
提供 大量无机盐&生长因子
前体物
加入 发酵培养基 → 生物合成过程：直接结合到产物分子 → 产物の产量大幅提高の物质。
丝氨酸：甘氨酸； 青霉素 发酵培养基：+苯乙酸
产物促进剂
非细胞生长所必须的营养物 & 非前体，但 加入后 却能 提高产量の添加剂。
作用方式
生长因子
延迟 菌体自溶
改变 代谢途径
降低 呼吸作用
改善 通气效果
降低 产物浓度
培养基の优化
试验方法
单因子试验
多因子试验
均匀设计
正交实验设计
响应面分析
举例
初步确定可能的培养基成分
通过单因子试验选定适宜的碳源&浓度
通过单因子试验确定氮源、无机盐&浓度
改进后培养基的发酵结果
培养基の灭菌
微生物の热死灭动力学
对数残留定律
培养基：湿热灭菌 → 培养基中の微生物受热死亡(微生物体内蛋白质变性)の速率 & 残存の微生物数量→成正比。
K值（比热死亡速率常数）
影响因素
微生物の种类&存在方式
灭菌温度
K值越大↑，微生物越容易死亡
灭菌程度
微生物残留量：N=10^-3个/罐
灭菌10^3次，存活一个活菌孢子的机会为1次。
灭菌温度 & 灭菌时间
K值&温度の关系
K随温度变化而变化
营养物质 受热破坏の规律
培养基热灭菌→杂菌死亡 & 培养基：不太稳定の成分受热破坏
可看作：一级反应
Kd值&受热温度の关系
分解速率常数Kd值 随物质种类&温度而不同
Eg.维生素 最易被破坏，Kd值最大
菌体热灭死 & 营养物质热破坏の比较

活化能 对 反应速度 随温度变化敏感性 の影响
活化能大的反应，反应速度随温度改变也大
活化能非常小的反应，反应速度随温度改变也很小
灭菌动力学の重要结论 ——高温短时灭菌
活化能大的反应中，反应速度随温度变化也大； 活化能小的反应速度随温度变化小；
细菌孢子热死灭反应的△E很高，而大部分营养物质热破坏反应的△E很低；
因而提高灭菌温度会加速细菌孢子的死灭速率，从而缩短灭菌时间；
由于营养成分热破坏的△E很低，温度提高只能稍微增大其热破坏反应速率，但由于灭菌时间的显著缩短，结果是营养成分被破坏量大大减少；
既能：快速灭菌
又能：有效地保存培养基中の营养成分。
操作方式
分批灭菌
过程
升温
保温
降温
都在：发酵罐
灭菌：主要在保温过程中实现
连续灭菌
步骤
加热
加热设施
保温设施
冷却
冷却设施
灭菌：配置好的培养基→向发酵罐等培养基装置运送の同时进行
比较
发酵菌种及其扩大培养
菌种
要求
培养成本不高
培养条件易控制
生长速度快
菌种不易变异&退化
安全，抗性强
选育、保藏和复壮
自然选育
诱变育种
杂交育种
原生质体融合
基因工程技术
见 微生物学、基因工程、细胞工程 部分
菌种の扩大培养
种子扩培の目的
接种量的需要；
菌种的驯化；
缩短发酵时间，保证生产水平。
种子扩培の 类型&方法
静止培养&通气培养
固体培养&液体培养
浅层培养&深层培养
液体深层发酵 种子扩大培养の流程
实验室阶段
不用种子罐×
生产车间阶段
种子培养在种子罐内进行√
微生物发酵 设备
类型
好氧 发酵设备
液体
机械搅拌式
气升式
自吸气式
固体
通风制曲池
堆曲式
厌氧 发酵设备
发酵罐、发酵池
酒窖、发酵缸
机械搅拌通风发酵罐
罐体
碳钢/不锈钢
搅拌器
打碎气泡，加速和提高溶氧；加速养分和热量传递。
挡板
防止液面中央形成旋涡，增强其湍流和溶氧传质。
改变发酵液流向，促进气液结合
消泡装置
发酵液：含蛋白质等发泡物质→发酵：易产生泡沫→发泡严重→发酵液随排气外溢&增加染菌机会。
通气发酵生产中の 两种消泡方法
①+化学消泡剂
②机械消泡
轴封
罐顶/罐底 & 轴 之间の缝隙 → 密封，防止泄露 & 污染杂菌
联轴器
上下搅拌轴 → 牢固の刚性联接
空气分布装置
吹入 无菌空气，并使 空气 均匀分布
换热装置 （热交换器）
发酵培养基の加热、消毒、灭菌、冷却 & 能够调节发酵过程中の温度
气升式发酵罐（ALR)
内循环式
外循环式
自喷式发酵罐
机械搅拌自喷式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
文史管发酵罐
溢流自吸式发酵罐
酒精发酵罐
筒体
发酵罐
冷却装置
洗涤装置
新型啤酒发酵设备
锥形罐
朝日罐
联合罐
发酵工艺控制
温度の中间控制
引起发酵温度变化の因素 ——发酵热
发酵热
发酵过程中释放出来的净热量。
产热因素
生物热
生产菌 在生长繁殖过程中 本身产生大量の热。
菌株
对营养物利用速率越大，产热越多。
培养基成份
成份越丰富，产热越多
发酵时期
对数生长期产热量大
发酵类型
好氧发酵比厌氧发酵产热多。
空气带走的热量。
罐壁向外散失的热量。
搅拌热
由于搅拌器搅拌产生の热量。
散热因素
蒸发热
液体蒸发带走的热量。
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量
显热
显热很小，一般可以忽略不计。
辐射热
辐射热的大小 取决于 罐温&环境の温差。
冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5%。
发酵过程中の热量の计算方法
(1)测定一定时间冷却水流量和进出口温度
(2)通过发酵液的温度升高进行计算
(3)根据化合物的燃烧值计算
温度 对 微生物发酵 の影响
温度 对 微生物生长の影响
不同微生物的生长对温度的要求不同。
温度↑ → 微生物の生长&繁殖↑ → But 酶失活の速度↑ → 菌体衰老提前→发酵周期缩短 → 对发酵生产：极为不利。
微生物 受高温の伤害 比 低温の伤害 大，
超过最高温度，微生物很快死亡；
低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。
温度 对 产物形成の影响
产物形成反应速率
适合微生物生长の温度 不一定是 适合产物形成の温度
产物合成的方向
温度 影响 发酵液の物理性质
氧の溶解度
菌体 对一些基质の分解吸收の速率
最适发酵温度の选择&控制
最适发酵温度
最适于 某种生产菌の生长 / 产物合成 の温度。
控制
根据 不同的菌种 选择
微生物种类不同，所含酶系及其性质不同
根据 生长阶段 选择
发酵前期：稍高温
中期：温度稍低
后期：提高温度
因 通气条件不同 而改变
通气条件差：最适发酵温度可能比良好通气条件下低一些
根据 菌生长状况
生长快：维持高温时间短些
生长慢：维持高温时间长些
考虑 培养基の成分&浓度
培养基稀薄：成分较易利用：温度可低一些
溶氧の中间控制
细胞 对 氧 の需求
氧
构成细胞本身&其代谢产物的组分之一
直接参与一些生化反应
不同微生物种类 对氧の消耗&敏感度 不同
比耗氧速率（呼吸强度）
单位质量の干细胞 在单位时间内 消耗氧の量 molO2 /(kg干细胞·s )
临界溶氧浓度
当培养基中 不存在 其他限制性基质 时，不影响 好氧性微生物 生长繁殖(呼吸)の最低溶氧浓度。
培养基の组成成分&浓度 影响 细胞の耗氧速率
碳源种类
碳氢化全物类型の碳源 作培养基时 消耗的氧≈碳水化合物の三倍
基质の浓度
细胞の摄氧量 与 培养时间&细胞浓度 有关
摄氧率
指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量，单位为 molO2 /m3·s
有害代谢产物の积累→抑制细胞呼吸作用
溶解氧浓度 对 细胞生长&产物形成 の影响 可能是不同的
影响 氧传递速率の主要因素
空气中氧分压
通过在通气中掺入纯氧or富氧，或增大罐压可提高氧的饱和浓度C＊
提高
通气流量
通气量↑ → 空气的线速度↑ → ↑氧传递系数KL 。
过大の空气线速度 → 搅拌叶轮桨叶不能打散空气 → 气流形成的大气泡在轴的周围溢出 → 搅拌效率&溶氧量 都大大降低。
搅拌速率
is提高溶氧系数の行之有效的方法。
Why？
① 搅拌能把大的空气泡打碎成小气泡，增加了氧与液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要慢，相应地氧与液体的接触时间也就增长。
② 搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增加了气液接触时间。
③ 搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了溶氧传质系数。
④ 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使用权推动力均一，同时也减少了菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。
空气分布管 类型
空气分布管の形式、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置：对氧溶解速率有较大的影响。
培养液粘度
培养液的粘度增大，传质阻力增大，氧传递速率下降。
表面活性剂
培养液中消泡用的油脂等 具有亲水端&疏水端の表面活性物质→分布在气液界面，增大了传递的阻力。
离子强度
一般在电解质溶液中生成的气泡比在水中小，有较大的比表面积。
同一条件下，电解质溶液的KLα 比 水 大。
菌液浓度
随微生物生长，发酵液中细胞浓度增加，KLα 值变小。
控制溶氧の工艺手段
改变通气速率
在低通气量的情况下，增大通气量以提高溶氧浓度有十分显著的效果。
在空气流速已经很大的情况下，再增加通气速率，作用便不明显，反而会产生某些副作用。
改变搅拌速度
一般来说，改变搅拌速度的效果要比改变通气的效果好。
当转速较低时，增大转速效果明显，
当转速已经很高时，增大转速不仅会使消耗功率增大，还会由于搅拌的剪切作用，打碎菌丝体，促进菌丝自溶并减少产量。
改变气体组成的氧分压
通入纯氧的方法来改变空气中氧的含量，提高C*值，从而提高供氧能力。
改变罐压
实际上就是改变氧的分压来提高C*，从而提高供氧能力。但此法不是十分有效。
改变发酵液的理化性质
加消沫剂，补加无菌水，改变培养基成分。
加入传氧中间介质
血红蛋白；烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）；含氟碳化物。
发酵过程中 pH值の影响
发酵过程 PH变化
一般规律
生长阶段
初期：pH较稳定
快速生长期：pH变化较大
生产阶段
pH趋于稳定
自溶阶段
pH上升
原因
基质代谢
糖代谢
糖被分解成小分子酸、醇，pH下降。
糖缺乏，pH上升：补料的标志之一。
氮代谢
氨基酸中-NH2被利用：pH下降；
尿素被分解成NH3，pH上升，NH3被利用后pH下降；
碳源不足时，氮源当碳源利用：pH上升。
生理酸/碱物质的代谢
被利用后，PH下降/上升。
某些产物的形成
有机酸类 产生：使pH下降
红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性：使pH上升。
菌体自溶
发酵后期，pH上升。→终止发酵的指示。
通气、染菌等
PH变化 对发酵の影响
微生物の生长繁殖
酶的活性
影响 细胞膜所带电荷→ 改变 细胞膜的通透性
培养基中 某些营养成分&中间产物の解离。
微生物の形态
代谢产物の形成的数量&方向
产物の稳定性
发酵过程中 最适pH值の选择&控制
选择原则
利于微生物生长
最大限度的获得高产
微生物细胞生长&代谢产物形成の最适pH值
各类微生物 适应のpH范围
酵母菌：3.8-6.0
霉菌：4.0-5.8
细菌：6.5-7.5
放线菌：6.5-8.0
微生物生长阶段 & 产物合成阶段の最适pH值：往往不同
菌种の特性→
产物の化学性质→
pHの控制
调节好基础料C/N，pH并使其有很好的缓冲能力。
维持pH的物质：CaCO3
具有缓冲能力的试剂：磷酸缓冲液
通过补料调节pH
补糖速率
NH2-N低&pH低：补 氨水；NH2-N低&pH高：补 (NH4)2SO4
尿素 作为氮源
当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH
调通气量，改变温度，罐压等，作为应急措施
