發(fā)酵工程總結(jié)

1．發(fā)酵工程的定義

發(fā)酵工程是利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)人們所需產(chǎn)品的工程技術(shù)，它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。2．發(fā)酵工程的應(yīng)用

醫(yī)藥工業(yè)食品工業(yè)能源工業(yè)化學(xué)工業(yè)冶金工業(yè)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)3。發(fā)酵的一般工藝過(guò)程

（1）培養(yǎng)基的選擇，制備（2）培養(yǎng)基，發(fā)酵罐以及附屬設(shè)備滅菌(3)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)(4)控制最適發(fā)酵的條件，使微生物生長(zhǎng)并產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物（5）產(chǎn)品提取和精制4．培養(yǎng)基配制要求

A.培養(yǎng)基應(yīng)滿足微生物的需要；B.適宜的濃度、配比、pH值；

C.培養(yǎng)基原料發(fā)酵率高，發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少；D.培養(yǎng)基原料質(zhì)量高，價(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購(gòu)運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)；

E.所選用的培養(yǎng)基應(yīng)能滿足總體工藝的要求，如不應(yīng)該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。5．培養(yǎng)基的成分

碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、微量元素、水、前體6。種子的擴(kuò)大培養(yǎng)

種子擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過(guò)程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。7．發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：

它以化學(xué)熱力學(xué)(研究反應(yīng)的方向)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)(研究反應(yīng)的速度)為基礎(chǔ)，研究發(fā)酵過(guò)程中變量在活細(xì)胞作用下變化的規(guī)律，以及各種發(fā)酵條件對(duì)這些變量變化速度的影響。8．發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究目的：

有助于我們更加深入地認(rèn)識(shí)和掌握發(fā)酵過(guò)程，為工業(yè)發(fā)酵的模擬、優(yōu)化和控制訂下良好的理論基礎(chǔ)。

9．發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容

細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡動(dòng)力學(xué)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)氧消耗動(dòng)力學(xué)

二氧化碳生成動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)代謝熱生成動(dòng)力學(xué)10．分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)生物反應(yīng)模式1）.停滯期

停滯期是微生物細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境的過(guò)程。2）.對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期

處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率大大加快單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞的數(shù)目或質(zhì)量的增加維持穩(wěn)定，并達(dá)到最大值。3）.穩(wěn)定期

在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸下降，直至完全停止，這時(shí)就進(jìn)入穩(wěn)定期。4）.死亡期

在死亡期，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源儲(chǔ)備已消耗殆盡，不能再維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，因而細(xì)胞開(kāi)始死亡。

11．連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

所謂連續(xù)培養(yǎng)，就是在發(fā)酵過(guò)程中一邊補(bǔ)入新鮮料液，一邊以相近的流速放料，維持發(fā)酵液原來(lái)的體積。

分批補(bǔ)料發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

所謂分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)，是指在分批培養(yǎng)過(guò)程中，間歇或連續(xù)的添加新鮮培養(yǎng)基的方法。

補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

12．發(fā)酵控制

收集能反映發(fā)酵過(guò)程變化的各種理化參數(shù)

將各種參數(shù)變化和發(fā)酵代謝規(guī)律聯(lián)系起來(lái)各種參數(shù)生物學(xué)意義建立各種數(shù)學(xué)模型以描述各參數(shù)之間隨時(shí)間變化的關(guān)系發(fā)酵控制

13．種齡：是指種子罐中培養(yǎng)的菌體開(kāi)始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。

接種量：是指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。接種量的確定

移入種子的體積接種量＝接種后培養(yǎng)液的體積

在抗生素工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)抗生素發(fā)酵的最適接種量為7％一15％，有時(shí)可增加到20％一28％。接種量的大小決定于生產(chǎn)菌種在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)繁殖的速度。采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌絲繁殖到達(dá)高峰的時(shí)間，使產(chǎn)物的形成提前到來(lái)。14．在線檢測(cè)參數(shù)和離線檢測(cè)參數(shù)

在線檢測(cè)參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；

離線檢測(cè)參數(shù)指取出樣后測(cè)定得到的參數(shù)，如殘?zhí)恰�NH2-N、菌體濃度。

15．重要參數(shù)

溫度溶解氧濃度pHCO2碳源氮源前體濃度補(bǔ)料控制泡沫16．種子質(zhì)量的判斷

由于菌種在種子罐中的培養(yǎng)時(shí)間較短，可供分析的參數(shù)較少，使種子的內(nèi)在質(zhì)量難以控制，為了保證各級(jí)種子移種前的質(zhì)量，除了保證規(guī)定的培養(yǎng)條件外，在過(guò)程中還要定期取樣測(cè)定一些參數(shù)以觀察基質(zhì)的代謝變化及菌絲形態(tài)是否正常。在生產(chǎn)中通常測(cè)定的參數(shù)為1）pH；

2）培養(yǎng)基滅菌后磷、糖、氨基氮的含量；

3）菌絲形態(tài)、菌絲濃度和培養(yǎng)液外觀（色素、顆粒等）；4）其他參數(shù)，如接前抗生素含量、某種酶活力等17。菌種改良目的

提高產(chǎn)量、提高產(chǎn)物的純度，減少副產(chǎn)物;提高有效組分,減少色素等雜質(zhì)、改變菌種性狀，改善發(fā)酵過(guò)程、菌種的遺傳性狀，特別是生產(chǎn)性狀穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)新品種18．發(fā)酵工業(yè)菌種的要求

培養(yǎng)基原料廉價(jià)，生成的目的產(chǎn)物產(chǎn)量高、易于回收、生長(zhǎng)較快，發(fā)酵周期短、培養(yǎng)條件易于控制、抗噬菌體及雜菌污染能力強(qiáng)、菌種不易變異退化、對(duì)放大設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)、菌種不是病原菌。

19．菌種保藏方法

斜面低溫保藏法砂土管保藏法冰凍真空干燥法液氮超低溫保藏20．發(fā)酵熱

所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌+Q通氣－Q蒸發(fā)－Q顯－Q輻射21．參數(shù)分類

代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：

物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等

化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、、核酸量等

生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等從檢測(cè)手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)

直接參數(shù)：通過(guò)儀器或其它分析手段可以測(cè)得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑乳g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的參數(shù)，如攝氧率等22,生物熱：

在發(fā)酵過(guò)程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細(xì)胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來(lái)，這散發(fā)出來(lái)的熱就叫生物熱。23溫度對(duì)發(fā)酵的影響：

（1）酶學(xué)方面：在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高，反應(yīng)速率加大，有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物

積累，但菌體的衰退也加快，菌體對(duì)氧的消耗相應(yīng)加快，而溫度升高時(shí)，氧的溶解度下降，所以應(yīng)綜合考慮

（2）產(chǎn)物方面：溫度能影響菌體分泌的產(chǎn)物種類及酶系

（3）菌體特性方面：同種菌體在生長(zhǎng)和產(chǎn)物積累階段所要求的溫度往往有差別，多數(shù)情況下是最適生長(zhǎng)溫度比產(chǎn)物積累的最適溫度要略高些。

24溶解氧的控制方法：氣體的成分、攪拌的速度、擋板、通氣速率、罐壓、基質(zhì)濃度、表面活性劑、溫度

25．發(fā)酵過(guò)程pH變化的原因：

1、基質(zhì)代謝：（1）糖代謝（2）氮代謝（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降2、產(chǎn)物形成

3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。26．pH對(duì)發(fā)酵的影響（1）pH影響酶的活性。

（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)

物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行

（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用（4）pH影響代謝方向27．pH的控制：1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH

2、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

擴(kuò)展閱讀：發(fā)酵工程全重點(diǎn)總結(jié)

一緒論

1生物技術(shù)（biotechnology）:“應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)原理、依靠生物作用劑的

作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)”的技術(shù)。2發(fā)酵的英文Fermentation是從拉丁語(yǔ)ferver即“翻騰”、“沸涌”、“發(fā)泡”而來(lái)；因?yàn)榘l(fā)酵

有鼓泡和類似翻騰、沸涌的現(xiàn)象。如中國(guó)的黃酒、歐洲的beer就以起泡現(xiàn)象作為判斷發(fā)酵進(jìn)程的標(biāo)志。3發(fā)酵廣義通過(guò)微生物的培養(yǎng)使某種特定代謝產(chǎn)物或菌體本身大量積累的過(guò)程。

狹義厭氧微生物或兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行能量代謝并獲得能量的一種方式。

4發(fā)酵工業(yè)：（巴斯德）經(jīng)純種培養(yǎng)和提煉精制獲得的成分單純、無(wú)風(fēng)味要求的產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程叫發(fā)酵工業(yè)。如酒精、抗生素、檸檬酸、氨基酸、酶、維生素、某些色素等。、5就發(fā)酵產(chǎn)品而言，發(fā)酵主要有以下主要類型：

微生物菌體發(fā)酵；酶制劑和酶調(diào)節(jié)劑的微生物發(fā)酵；以微生物的代謝產(chǎn)物（包括初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物）為目的產(chǎn)物的微生物發(fā)酵；微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵；工程菌和工程細(xì)胞產(chǎn)物的發(fā)酵等。

6生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展簡(jiǎn)史：傳統(tǒng)（古老）生物技術(shù)的追溯；第一代（初期）生物技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)；第二代（近代）生物技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展；第三代（現(xiàn)代）生物技術(shù)產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。①最早的發(fā)酵產(chǎn)品據(jù)記載起源與5000BC。據(jù)記載最早的發(fā)酵食品應(yīng)是酒類，通常認(rèn)為是wine,因?yàn)榇笞匀恢芯邆淞艘吧�果類和酵母菌，條件適宜情況下即行發(fā)酵。在神話傳說(shuō)中亦有猿猴釀酒之說(shuō)。由于自然界中資源的多樣性（F、M），便有了多種多樣的發(fā)酵食品。4000BCBeer，至古埃及即出現(xiàn)了麥芽糖化。5000~6000BCwine、黃酒、白酒、Cheese4000BCBeer，至古埃及即出現(xiàn)了麥芽糖化。(醬油、調(diào)味品)白酒：農(nóng)業(yè)社會(huì)糧食節(jié)余，生霉、發(fā)酵、蒸餾而得）

②第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)微生物純種分離培養(yǎng)技術(shù)建立：自然發(fā)酵時(shí)期：知其然而不知其所以然，如厭氣性酒類，好氣性醋。

微生物純種分離培養(yǎng)技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了人為控制微生物時(shí)代，減少了腐敗現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了無(wú)菌操作；發(fā)明了簡(jiǎn)便的密封式發(fā)酵罐；人工控制條件，提高發(fā)酵效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。1）.發(fā)酵是由微生物進(jìn)行的一種化學(xué)變化，不同類型的發(fā)酵是由形態(tài)可以區(qū)別的各種特殊的微生物所引起的。2.）1870年，Pasteur發(fā)現(xiàn)了微生物之間有相互抑制的作用。即拮抗作用。3）.其間1804年，法國(guó)廚師阿卑特（Appert）發(fā)明了瓶裝罐頭

③第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)通氣攪拌的好氧發(fā)酵工程技術(shù)建立（深層液態(tài)發(fā)酵）：20世紀(jì)40年代，由于二戰(zhàn)暴發(fā)，刺激了抗生素發(fā)酵工業(yè)的興起，成功建立起深層通氣培養(yǎng)法及整套工藝，包括向發(fā)酵罐內(nèi)通入大量無(wú)菌空氣、通過(guò)攪拌使空氣分布均勻、培養(yǎng)基的滅菌和無(wú)菌接種、通氧量、pH、培養(yǎng)物供給等均已解決，刺激了有機(jī)酸、酶制劑、維生素、激素等的大規(guī)模生產(chǎn)。1928年，F(xiàn)leming發(fā)現(xiàn)了青霉素，開(kāi)創(chuàng)了好氣性發(fā)酵工程，建立了通風(fēng)攪拌技術(shù)。④第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)人工誘變育種和代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的建立：以動(dòng)態(tài)生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，將微生物進(jìn)行人工誘變，選育高產(chǎn)菌株，實(shí)現(xiàn)有選擇地大量生產(chǎn)目的產(chǎn)物。該技術(shù)先在氨基酸生產(chǎn)上獲得成功，而后在核苷酸、有機(jī)酸、抗生素等其它產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

7發(fā)酵工業(yè)的培養(yǎng)方法及過(guò)程：（1）表面培養(yǎng)法是以微生物在基質(zhì)表面進(jìn)行培養(yǎng)的方法，根據(jù)所用培養(yǎng)基種類的不同，可以分為固體表面發(fā)酵和液體表面發(fā)酵。（2）深層培養(yǎng)法是以微生物細(xì)胞生長(zhǎng)于液體培養(yǎng)基深層中進(jìn)行培養(yǎng)的方法。

8微生物發(fā)酵其本質(zhì)，可以理解為物質(zhì)形式的轉(zhuǎn)化過(guò)程，就是利用微生物生長(zhǎng)所需的底物轉(zhuǎn)化成特定的產(chǎn)物。在這個(gè)過(guò)程中，有兩個(gè)問(wèn)題是工業(yè)化需要解決的：（1）產(chǎn)物的社會(huì)效益，（2）物質(zhì)轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，即：低價(jià)值的原材料、低能耗等。第二章培養(yǎng)基

1培養(yǎng)基：是人工配制的供微生物或動(dòng)植物細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、代謝和合成人們所需產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料，同時(shí)培養(yǎng)基也為微生物等提供除營(yíng)養(yǎng)外的其它生長(zhǎng)所必須的環(huán)境條件。

2適宜于大規(guī)模發(fā)酵的培養(yǎng)基的共同點(diǎn)：①培養(yǎng)基能滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成；②形成的副產(chǎn)物盡可能的少；③因地制宜，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，成本低；④能滿足工藝的總體要求。3培養(yǎng)基分類基本情況

①按純度分：合成培養(yǎng)基、天然培養(yǎng)基②按狀態(tài)分：半固體培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基、液體培養(yǎng)基③按用途分：種子培養(yǎng)基、孢子培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基。

①合成培養(yǎng)基definedmedium:所用的原料其化學(xué)成分明確、穩(wěn)定。適于研究菌種基本代謝和過(guò)程的物質(zhì)變化等科研工作；但營(yíng)養(yǎng)單一，價(jià)格較高。天然培養(yǎng)基complex/undefinedmedium：所用的原料是一些天然動(dòng)植物產(chǎn)品。原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，適用于工業(yè)生產(chǎn)；但組分復(fù)雜，不易重復(fù)，如對(duì)原料質(zhì)量等方面不加控制會(huì)影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。發(fā)酵工業(yè)普遍使用天然培養(yǎng)基。半合成培養(yǎng)基(semi-definedmedium)

②固體培養(yǎng)基solidmedium：比較適合于菌種和孢子的培養(yǎng)和保存，也廣泛應(yīng)用于有子實(shí)體的真菌類。半固體培養(yǎng)基semi-solidmedium：主要用于鑒定菌種，觀察細(xì)菌運(yùn)動(dòng)特征及噬菌體的效價(jià)滴定等。在配好的液體培養(yǎng)基中加入少量瓊脂（0.5%～0.8%）。液體培養(yǎng)基liquidmedium：配有可溶性的或不溶性的營(yíng)養(yǎng)成分，80%～90%是水，是發(fā)酵工業(yè)大規(guī)模使用的培養(yǎng)基。

③種子培養(yǎng)基seedmedium：供孢子發(fā)芽、生長(zhǎng)和大量繁殖菌絲體并使菌體長(zhǎng)得粗壯，成為活力強(qiáng)的“種子”。孢子培養(yǎng)基sporemedium：制備孢子用的，要求此種培養(yǎng)基既能形成大量的優(yōu)質(zhì)孢子，又不引起菌種的變異。發(fā)酵培養(yǎng)基fermentationmedium：提供菌體生長(zhǎng)繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的。

4培養(yǎng)基的成分和來(lái)源：氮源（有機(jī)氮源、無(wú)機(jī)氮源）、碳源、水、無(wú)機(jī)鹽與微量元素（磷、鈣、鎂、硫、鐵、氯、鈉、鉀、鈣、鋅、鉆、錳、銅等）、其他。

（一）碳源：（最主要的組成）凡是用于構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳素來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均稱為碳源。碳源有糖類、脂肪（酸）、有機(jī)醇、碳水化合物。1）在特殊條件下，蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物氨基酸也可作為碳源。2）菌種不同對(duì)不同碳源的利用速度和效率也不同3）葡萄糖是碳源中最易利用的糖，可作為加速微生物生長(zhǎng)的一種有效的糖.

（二）氮源：指構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中的氮素來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。主要功能：構(gòu)成微生物細(xì)胞和含氮的代謝產(chǎn)物，當(dāng)培養(yǎng)基中碳源不足時(shí)，可作為補(bǔ)充碳源。有機(jī)氮源除含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽和游離氨基酸外，還含有少量的糖類、脂肪、無(wú)機(jī)鹽、維生素及某些生長(zhǎng)因子。無(wú)機(jī)氮源也稱之謂迅速利用的氮源。微生物對(duì)它們的吸收利用一般比有機(jī)氮源快。但無(wú)機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化。生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源，如硫酸銨。生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后形成堿性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源，如硝酸鈉。

（三）無(wú)機(jī)鹽與微量元素：磷核酸和蛋白質(zhì)的必要成分；鈣鈣鹽過(guò)多時(shí)，會(huì)形成磷酸鈣沉淀，降低了培養(yǎng)基中可溶性磷的含量；鎂離子狀態(tài)時(shí)是許多重要酶的激活劑；硫含硫氨基酸的組成成分和某些輔酶的活性基；鐵細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過(guò)氧化氫酶的成分；氯對(duì)一些嗜鹽菌需要；鈉、鉀、鈣離子不參與細(xì)胞的組成，但是微生物發(fā)酵培養(yǎng)基的必要成分；鋅、鉆、錳、銅等微量元素大部分作為酶的輔基和激活劑。①磷（P）培養(yǎng)基中特別重要的元素，是構(gòu)成核酸，磷脂的成分，并參與ATP,GTP的能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)。一般需添加磷酸鹽，如KH2PO4,K2HPO4,NaH2PO4,(NH4)2HPO4②硫：含硫氨基酸（胱氨酸，半胱氨酸，蛋氨酸）等的組成部分，輔酶的活性基。一般添加Na2SO4,MgSO4。③K,Na,Ca雖不參與細(xì)胞的組成，卻是培養(yǎng)基中的重要成分。Na與維持細(xì)胞的滲透壓有關(guān)，促使某些酶的產(chǎn)量。K與滲透壓有關(guān)，并且是許多酶的激活劑，還可促進(jìn)糖代謝。④Ca2+以離子狀態(tài)控制細(xì)胞透性和調(diào)節(jié)酸度。CaCO3的作用：Ca2+對(duì)淀粉酶，蛋白酶，脂肪酶等多種酶活性起到十分重要的穩(wěn)定和活化作用。常用CaCO3,CaCl2提供鈣，一般不與K2HPO4一起使用。使用時(shí)，CaCO3是單獨(dú)滅菌，在培養(yǎng)基調(diào)到中性后才加入，在酸性培養(yǎng)基中易被分解，失去其緩沖能力。⑤Mg某些細(xì)胞的葉綠素成分，是許多重要酶的激活劑，常用MgSO4，注意在堿性溶液中會(huì)生成沉淀。Fe細(xì)胞色素，細(xì)胞色素氧化酶，過(guò)氧化氫酶的成分，對(duì)代謝產(chǎn)物的合成有較大影響。⑥Cl氯離子不具營(yíng)養(yǎng)作用，對(duì)一些含氯代謝物的發(fā)酵，還需加入0.1%KCl補(bǔ)充。其他一些微量元素，Mn,Zn,Co等，一般不需再加入。（四）生長(zhǎng)因子:凡是微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量有機(jī)物質(zhì)都稱為生長(zhǎng)因子。

包括：維生素，生物素，嘌呤堿，嘧啶堿，氨基酸等。

維生素，主要是B族維生素的硫胺素，核黃素，泛酸，吡哆素，煙酰胺，葉酸，環(huán)己六醇，生物素，多為輔基,輔酶。發(fā)酵工業(yè)廣泛使用的大多是天然原料，如玉米漿，麥芽汁，豆芽汁，酵母膏等，既是N源，又可提供生長(zhǎng)因子。

（五）前體促進(jìn)劑和抑制劑：發(fā)酵培養(yǎng)基中某些成分的加入不促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，只是有助于調(diào)節(jié)產(chǎn)物的形成，這些添加的物質(zhì)包括前體，抑制劑和促進(jìn)劑。

前體物質(zhì)指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能被微生物在生物合成過(guò)程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，其自身結(jié)構(gòu)并無(wú)多大變化，但產(chǎn)量卻因前體的加入有較大提高。前體加入量可以通過(guò)計(jì)算確定。

抑制劑加入后會(huì)抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，使另一途徑活躍，從而獲得人們所需要的某種代謝產(chǎn)物，或使正常代謝的某一代謝中間物積累。最初應(yīng)用于甘油發(fā)酵，抗生素工業(yè)應(yīng)用最多。

促進(jìn)劑指那些既不是營(yíng)養(yǎng)物，又不是前體，但能提高產(chǎn)量的添加劑，如酶生產(chǎn)中的誘導(dǎo)物或表面活性劑等。誘導(dǎo)劑能增加細(xì)胞的產(chǎn)酶速度，提高產(chǎn)酶量。但不能從根本上改變細(xì)胞原有的蛋白質(zhì)模板，包括酶的底物，底物類似物，及被轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)物的前體物質(zhì)。5、培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化：

（一）培養(yǎng)基的配制原則舉例：發(fā)酵生產(chǎn)常采用天然成分的液體培養(yǎng)基。而且，經(jīng)常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸稈，以及乙醇、醋酸等石化產(chǎn)品代替糧食來(lái)配制培養(yǎng)基。

（1）.培養(yǎng)基組分應(yīng)適合微生物的營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)（目的明確）：即根據(jù)不同微生物的營(yíng)養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基。不同營(yíng)養(yǎng)類型的微生物，其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的需求差異很大。如自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應(yīng)該）由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物質(zhì)組成。異養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基至少需要含有一種有機(jī)物質(zhì)，但有機(jī)物的種類需適應(yīng)所培養(yǎng)菌的特點(diǎn)。按微生物的主要類群來(lái)說(shuō)，它們所需要的培養(yǎng)基成分也不同：

細(xì)菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、LB(Luria-Bertani)放線菌：高氏一號(hào)培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基、PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌；麥芽汁（2）.營(yíng)養(yǎng)物的濃度與比例應(yīng)恰當(dāng)（營(yíng)養(yǎng)協(xié)調(diào)）

●濃度過(guò)高微生物的生長(zhǎng)起抑制作用，濃度過(guò)小不能滿足微生物生長(zhǎng)的需要。

●碳氮比（C/N）直接影響微生物生長(zhǎng)與繁殖及代謝物的形成與積累，故常作為考察培養(yǎng)基組成時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)；C/N比值=碳源中的碳原子的mol數(shù)

氮源中所含的氮原子的mol數(shù)

例：谷氨酸生產(chǎn)中?C/N＝4/1時(shí)，菌體大量繁殖，谷氨酸積累少；C/N＝3/1時(shí)，菌體生長(zhǎng)受抑制，而谷氨酸大量增加�！袼傩�性氮（或碳）源與遲效性氮（或碳）源的比例●各種金屬離子間的比例

用于大量生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)基其氮源一般應(yīng)比種子培養(yǎng)基稍低，（但若發(fā)酵產(chǎn)物是含氮化合物時(shí)，有時(shí)還應(yīng)提高培養(yǎng)基的氮源含量）

（3）.物理化學(xué)條件適宜（條件適宜）

（1）pH:各類微生物的最適生長(zhǎng)pH值各不相同：細(xì)菌：7.0~8.0放線菌：7.5~8.5

酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8在微生物的生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的形成與積累，培養(yǎng)基的初始pH值會(huì)發(fā)生改變，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對(duì)恒定，通常采用下列兩種方式：

內(nèi)源調(diào)節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調(diào)節(jié)：按實(shí)際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液

（4）.根據(jù)培養(yǎng)基的應(yīng)用目的選擇原料及其來(lái)源（經(jīng)濟(jì)節(jié)約）該培養(yǎng)基的應(yīng)用目的，即：是培養(yǎng)菌體還是積累代謝產(chǎn)物？是實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)還是大規(guī)模發(fā)酵？代謝產(chǎn)物是初級(jí)代謝產(chǎn)物還是次級(jí)代謝產(chǎn)物？

☆用于培養(yǎng)菌體種子的培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)應(yīng)豐富，氮源含量宜高（碳氮比低）；

☆用于大量生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)基其氮源一般應(yīng)比種子培養(yǎng)基稍低，（但若發(fā)酵產(chǎn)物是含氮化合物時(shí)，有時(shí)還應(yīng)提高培養(yǎng)基的氮源含量）；若代謝產(chǎn)物是次級(jí)代謝產(chǎn)物時(shí)要考慮是否加入特殊元素或特定代謝產(chǎn)物的前體物；☆當(dāng)所設(shè)計(jì)的是大規(guī)模發(fā)酵用的培養(yǎng)基時(shí)，應(yīng)重視培養(yǎng)基中各成份的來(lái)源和價(jià)格，應(yīng)選擇來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的原料，提倡以粗代精，以廢代好。

（二）影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素1、原料和設(shè)備的預(yù)處2原材料質(zhì)量3、發(fā)酵特性變化4滅菌第三章：滅菌和除菌

1、滅菌：殺死一切微生物，包括芽孢。分為殺菌：菌體尚存和溶菌：菌體消失消毒：只殺死病源菌，未傷及芽孢防腐：暫時(shí)抑制微生物生長(zhǎng)

除菌：用沖洗、過(guò)濾等法，除去微生物是保證生產(chǎn)成功的重要手段

2、滅菌的方法：可分為化學(xué)滅菌和物理滅菌

（1）化學(xué)滅菌：利用化學(xué)藥劑殺滅或抑制微生物的方法。

根據(jù)濃度，可分為抑菌劑、消毒劑、滅菌劑；根據(jù)狀態(tài)，可分為液態(tài)（噴霧、浸泡、洗刷等），氣態(tài)（加熱、焚燒、氧化等）。

（一）氣霧消毒滅菌法：要求密閉條件下保持一定時(shí)間；種類：甲醛和氣霧盒①甲醛有刺激性和腐蝕性。機(jī)理：結(jié)合蛋白質(zhì)氨基，使其變性。用法：噴：5%熏：10ml/m3+1/2KMnO4

②氣霧消毒盒特點(diǎn)：粉末狀、刺激性小、擴(kuò)散力及滲透性強(qiáng)用法：2~6g/m3→點(diǎn)燃（熏30min以上）（二）液體消毒法：

①概念固體或液體藥品加水配成藥液（多現(xiàn)配現(xiàn)用）種類：氧化劑、表面活性劑（乙醇、酚類、新潔爾滅）、熟石灰常用滅菌劑及有效濃度：新潔爾滅(苯扎溴銨)0.25%甲醛37%杜滅芬0.25%戊二醛2%高錳酸鉀0.1%-0.25%苯酚0.1%-0.15%漂白粉5%過(guò)氧乙酸0.02%-0.2%酒精75%焦碳酸二乙酯0.01%-0.1%煤酚皂（來(lái)蘇爾）1%5%

②藥品及濃度的選擇依據(jù)：微生物特點(diǎn)、物品的性質(zhì)、消毒目的、環(huán)境影響

藥品標(biāo)準(zhǔn)：性質(zhì)穩(wěn)定、易溶于水、殺菌力強(qiáng)、抗菌譜廣、作用較快、使用濃度低、價(jià)格低廉、沒(méi)有毒腐性或很小。

（2）物理滅菌

（一）輻射滅菌法：利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡。包括高頻滅菌法、放射線滅菌法、紫外線滅菌法電離輻射

(1)α射線:電離輻射強(qiáng)，穿透力差（缺乏穿透力，不實(shí)用）(2)β射線:電離輻射強(qiáng)，穿透力強(qiáng)

(3)γ射線:電離輻射弱，穿透力強(qiáng)

(4)X射線：殺菌力不如紫外線，穿透力強(qiáng)

用途：忌熱物品的滅菌消毒、食品保藏和育種等方面

殺菌機(jī)制：射線使水電離為H＋和OH－，這些游離基是強(qiáng)烈的還原劑和氧化劑，可直接作用于細(xì)菌本身。殺菌機(jī)理直接：使蛋白質(zhì)、酶等變性失活間接：空氣中產(chǎn)生臭氧或過(guò)氧化氫

使用：有效距離：1.5~2.0m理想波長(zhǎng)：265nm30w紫外燈照30min→避光30min（二）干熱滅菌：利用高溫對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物。

常用方法：灼燒和電熱箱加熱，140-180℃1-2h。

焚燒：廢棄物、尸體灼燒：接種環(huán)、試管口干烤：玻璃器皿紅外線：醫(yī)療器械

（三）濕熱滅菌：高壓蒸氣滅菌法、流通蒸氣滅菌法、間歇滅菌法、煮沸滅菌法

利用飽和水蒸氣進(jìn)行滅菌。蒸汽有很強(qiáng)的穿遠(yuǎn)力，而且在冷凝時(shí)放出大量冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺滅各種微生物。

（四）過(guò)濾除菌:利用適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾裝置，通過(guò)過(guò)濾除去微生物的一種方法。通常使用的過(guò)濾裝置有膜過(guò)濾器，磁制過(guò)慮器、玻璃纖維過(guò)慮器等。

0.01~0.45微米孔徑濾膜，用于壓縮空氣、酶溶液及其他不耐熱化合物溶液除菌。3、培養(yǎng)基滅菌

（1）實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)基滅菌:使用高壓蒸汽滅菌鍋。

手提式滅菌鍋，容量小。

立式或臥式滅菌鍋，容量較大，一般能裝幾十瓶或幾百瓶。

滅菌柜。要和蒸汽鍋爐配套，用于大量種瓶培養(yǎng)基的滅菌，一次能裝幾百至幾千瓶(袋)。（2）發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌

分批滅菌（實(shí)罐滅菌、實(shí)消滅菌batchsterilization）：將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，用直接蒸汽加熱，達(dá)到滅菌要求的溫度和壓力后維持一定時(shí)間，在冷卻至發(fā)酵要求的溫度。

連續(xù)滅菌（連消滅菌continuoussterilization）：培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過(guò)一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻后進(jìn)入已滅菌的發(fā)酵罐內(nèi)的工藝過(guò)程。（3）分批滅菌操作過(guò)程:

空罐準(zhǔn)備：清洗、檢修和檢測(cè)。

升溫：把培養(yǎng)基加熱到滅菌所需的溫度。保溫維持：在滅菌溫度下保持滅菌所需時(shí)間。冷卻保壓：把培養(yǎng)基的溫度降低到接種的溫度。

（4）分批滅菌設(shè)備示意圖

三路進(jìn)汽：直接蒸汽從通風(fēng)、取樣和出料口進(jìn)入罐內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時(shí)間。這就是所謂的“三路進(jìn)氣”。

四路出汽：直接蒸汽從排氣、接種、進(jìn)料、消沫劑管排氣。

（5）連續(xù)滅菌流程：培養(yǎng)基配料、配料罐、加熱器、維持罐、冷卻器、無(wú)菌培養(yǎng)基

（6）分批滅菌優(yōu)點(diǎn)：1．不需附加設(shè)備2．蒸汽利用率高3．節(jié)約勞動(dòng)力缺點(diǎn)1．培養(yǎng)基質(zhì)量比較差2．罐的利用率低3.冷卻水用量大。連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn)：1。采用高溫快速滅菌法2．可以把培養(yǎng)基按其性質(zhì)分開(kāi)滅菌3．有利于自動(dòng)控制4．節(jié)省冷卻水。缺點(diǎn)1．投資費(fèi)用高2．對(duì)物料要求高3．蒸汽用量大（7）高溫對(duì)培養(yǎng)基的有害影響：

消除高溫有害影響的措施①采用特殊加熱滅菌法(連續(xù)滅菌方法）②對(duì)易破壞的含糖培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌時(shí)，應(yīng)先將糖液與其他成分分別滅菌后再合并；③對(duì)含Ca2+或Fe3+的培養(yǎng)基與磷酸鹽先作分別滅菌，然后再混合，就不易形成磷酸鹽沉淀；④對(duì)含有在高溫下易破壞成分的培養(yǎng)基（如含糖組合培養(yǎng)基）可進(jìn)行低壓滅菌。4.發(fā)酵罐滅菌：

培養(yǎng)基的滅菌如果采用分批滅菌，發(fā)酵罐與培養(yǎng)基一起滅菌。培養(yǎng)基用連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐在注入培養(yǎng)基前先行單獨(dú)滅菌。5.空氣除菌：

①空氣中的微生物種類以細(xì)菌和細(xì)菌芽孢較多，也有酵母，霉菌孢子和病毒。這些微生物大小不一，一般附著在空氣中的灰塵上或霧滴上，空氣

中微生物的含量一般為103~104個(gè)／米3�；覊m粒子的平均大小約0.6μm左右，所以空氣除菌主要是去除空氣中的微粒(0.6-1μm）

無(wú)菌空氣的標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)：99.99％美國(guó)聯(lián)邦宇航局等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

100級(jí)（直徑小于0.5微米粒子數(shù)少于3.5個(gè)/L）溫度：25℃40℃濕度：30%45%

②主要有：加熱、靜電和介質(zhì)過(guò)濾三種方法。

③兩級(jí)分離、冷卻、加熱的空氣除菌流程：粗過(guò)濾器、壓縮機(jī)、貯罐、冷卻器、絲網(wǎng)分離器、過(guò)濾器。④膜過(guò)濾（絕對(duì)過(guò)濾）利用微孔濾膜對(duì)空氣進(jìn)行過(guò)濾，膜的孔徑0.2-0.45微米，大于這一孔徑的微生物能絕對(duì)截留。

膜過(guò)濾器：聚四氟乙烯、偏聚二氟乙烯、、聚丙烯、纖維素脂膜等

氨基酸生產(chǎn)方法：

1、蛋白水解法：①酸水解：鹽水、硫酸，110-120℃，12-24h；缺點(diǎn)氨基酸結(jié)構(gòu)被破壞，污染環(huán)境。②堿水解：氫氧化鈉、氫氧化鋇，100℃，6h；缺點(diǎn)氨基酸結(jié)構(gòu)被破壞，消旋。③酶水解缺點(diǎn)水解不徹底，可用于生產(chǎn)肽、胨等。

2、化學(xué)合成法：丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。化學(xué)合成法借助于有機(jī)合成及化學(xué)工程相結(jié)合的技術(shù)生產(chǎn)氨基酸的一種方法。雖然化學(xué)合成法可以生產(chǎn)目前已知的所有氨基酸，但多數(shù)不具備工業(yè)價(jià)值，原因是應(yīng)用化學(xué)生產(chǎn)的氨基酸含有D和L兩種旋光異構(gòu)體（手性異構(gòu)體），其中的D-異構(gòu)體不能被大多數(shù)動(dòng)物所利用。因此，用化學(xué)合成法生產(chǎn)氨基酸時(shí)除考慮合成工藝條件外，還要考慮異構(gòu)體屬性問(wèn)題和D-異構(gòu)體的消旋利用，三者缺一都影響氨基酸的利用。在氨基酸工業(yè)中應(yīng)用化學(xué)合成法批量生產(chǎn)的氨基酸僅限于甘氨酸、蛋氨酸和色氨酸。其中，甘氨酸是應(yīng)用化學(xué)合成法生產(chǎn)的最理想的品種，因?yàn)楦拾彼釠](méi)有旋光異構(gòu)體。DL混合型蛋氨酸及色氨酸能為畜禽利用，因此也具有一定價(jià)值。3、酶法：利用微生物細(xì)胞或微生物產(chǎn)生的酶來(lái)制造氨基酸。應(yīng)用此法批量生產(chǎn)的氨基酸有賴氨酸、L-胱氨酸。4、發(fā)酵法：發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸是利用微生物具有的能夠合成其自身所需的各種氨基酸能力，通過(guò)對(duì)菌株的誘變等處理，選育出各種缺陷型及抗性的變異菌株，以解除代謝節(jié)中的反饋與阻遏，達(dá)到以過(guò)量合成某種氨基酸為目的的一種氨基酸生產(chǎn)方法。應(yīng)用發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸產(chǎn)量最大的是谷氨酸，基次是賴氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、精氨酸、組氨酸、脯氨酸、鳥(niǎo)氨酸、瓜氨酸。另外，色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、丙氨酸等也可由發(fā)酵法獲得，但因生產(chǎn)水平低，尚不具備實(shí)用價(jià)值。生產(chǎn)菌株一般是各種營(yíng)養(yǎng)缺陷型的黃色短桿菌。微生物細(xì)胞內(nèi)氨基酸的生物合成都是利用能量代謝過(guò)程中衍生的一些中間代謝產(chǎn)物為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列伴隨著自由能損失的不可逆反應(yīng)，來(lái)保證各種氨基酸的不斷供應(yīng)。

第四章菌種選育、制備與保藏

第一節(jié)微生物的特性及工業(yè)微生物的要求一、工業(yè)生產(chǎn)常用的微生物

１、細(xì)菌(bacteria)：短桿菌：GA、Gln、lys枯草芽孢桿菌：淀粉酶（BF7658）、堿性蛋白酶等地衣芽孢桿菌：HASS(耐高溫α-淀粉酶)α-Amylase蘇云金芽孢桿菌：BT生物農(nóng)藥梭狀芽孢桿菌：丙酮、丁酸等的發(fā)酵

２、酵母菌(yeast):啤酒酵母：釀酒酵母、輔酶類物質(zhì)的發(fā)酵酒精酵母：漢遜酵母：食品工業(yè)，用于乙酸乙酯的發(fā)酵假絲酵母：scp生產(chǎn)，石油發(fā)酵

３、霉菌(mould)：黑曲霉：檸檬酸工業(yè)、釀酒業(yè)（UV-11,UV-48）、酶制劑工業(yè)（糖化酶）黃曲霉：醬油生產(chǎn)(3042)，面醬青霉菌：青霉素的生產(chǎn)紅曲霉：紅曲制造，用于南方紅曲酒（女兒紅）的生產(chǎn)；使用紅色色素的生產(chǎn)；豆腐乳的生產(chǎn)等。赤霉菌：赤霉素的生產(chǎn)（一種植物生長(zhǎng)激素）。

４、放線菌(antinomycetes)：最大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值在于能生產(chǎn)多種抗生素。５、擔(dān)子菌(basidiomycetes)：６、藻類(alga)：

抗生素是次級(jí)代謝產(chǎn)物，需要生物體進(jìn)行復(fù)雜的代謝，有６０％以上是放線菌生產(chǎn)的。

二、工業(yè)化菌種的要求:（1）廉價(jià)原料、生長(zhǎng)迅速、目的產(chǎn)物產(chǎn)量高。（2）易于控制培養(yǎng)條件，酶活性高。發(fā)酵周期較短。（3）抗雜菌和噬菌體的能力強(qiáng)。（4）菌種遺傳性能穩(wěn)定，不易變異和退化，不產(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)和毒素，保證安全生產(chǎn)。（5）產(chǎn)品容易分離提純。第二節(jié)工業(yè)微生物菌種的選育

菌種選育的目的：1、提高發(fā)酵單位或產(chǎn)量2、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量3、去除多余的產(chǎn)物5、抗生素合成基因表達(dá)4、產(chǎn)生新抗生素一、自然育種

從自然界分離獲得菌種，根據(jù)菌種的自發(fā)突變進(jìn)行篩選而獲得菌種。

從自然界中分離篩選菌種的方法步驟：1采樣(方法、地點(diǎn)、時(shí)間和周圍環(huán)境記錄)2增殖培養(yǎng)3純種分離(純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個(gè)菌落：1．稀釋分離法2．平板劃線分離法⑴涂菌：⑵劃線分離：①分步劃線法；②一次劃線法：3．組織分離法)4純培養(yǎng)5生產(chǎn)性能測(cè)定(測(cè)定代謝產(chǎn)物或其它目的性狀)從自發(fā)突變體中獲得菌株

自然狀態(tài)下，堿基對(duì)發(fā)生自然突變的機(jī)率為10-8～10-9

自然突變有兩種情況：正突變、負(fù)突變

回復(fù)突變：高產(chǎn)菌株在傳代的過(guò)程中，由于自然突變導(dǎo)致高產(chǎn)性狀的丟失，生產(chǎn)性能下降。單菌落分離法：?jiǎn)渭?xì)胞懸浮液→平板菌落→挑取、測(cè)定（產(chǎn)生單位、生長(zhǎng)速度等）二、誘變育種

通過(guò)誘變劑處理微生物細(xì)胞，使突變頻率提高，變異幅度增大，選出具有優(yōu)良特性的變異菌株為誘變育種。特點(diǎn)：速度快、收效大、方法簡(jiǎn)便、工作量大誘變劑和誘變處理

物理誘變劑：射線如紫外線、X射線、γ射線，快中子。

物理因素中目前使用得最方便而且十分有效的是紫外線。許多高產(chǎn)菌株的選育都用過(guò)紫外線，對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)室、中小型工廠都適用，也很安全。其他的幾種射線都是電離性質(zhì)的，有一定的穿透力，一般都由專業(yè)人員在專門(mén)的設(shè)備中使用，否則有一定危險(xiǎn)性。

紫外線波長(zhǎng)范圍廣，對(duì)誘變最有效的波長(zhǎng)260nm左右，用菌（孢子）懸浮液處理，功率15W，距離30cm。作用機(jī)理：形成胸腺嘧啶二聚體以改變DNA活性，造成菌體的變異或死亡。

中子是原子核的組成部分，是不帶電荷的粒子，可由回旋加速器、靜電加速器或原子反應(yīng)堆產(chǎn)生。可以分為快中子和慢中子。快中子能量0.2百萬(wàn)至10百萬(wàn)電子伏特；較X射線、γ射線具有較大的電離密度，能更多的引起點(diǎn)突變和染色體畸變。進(jìn)行誘變育種時(shí)，用菌（孢子）懸浮液或長(zhǎng)于平皿上的菌落處理，劑量100~1500戈�；瘜W(xué)誘變劑：化學(xué)因子如堿基類似物、5氟尿嘧啶、烷化劑等(化學(xué)誘變劑中使用最多、最有效的是烷化劑).使用化學(xué)誘變劑的優(yōu)缺點(diǎn)：1、大多數(shù)情況下，突變數(shù)量要比電離輻射更有效。2、經(jīng)濟(jì)。只需要少量的合適的誘變劑，設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室的一般玻璃器皿，一個(gè)蒸氣罩。而電離輻射進(jìn)行工作時(shí)，設(shè)備費(fèi)用大，并要注意安全性。3、大部分誘變劑是致癌劑，所以在使用中必須非常謹(jǐn)慎，要避免化學(xué)誘變劑與皮膚接觸，，且切勿吸入其蒸氣，有人對(duì)某些誘變劑極其敏感，甚至未直接接觸就會(huì)過(guò)敏，這就更要當(dāng)心。確定出發(fā)菌株↓

菌種的純化選優(yōu)

↓←出發(fā)菌株的性能鑒定同步培養(yǎng)↓

制備單細(xì)胞（或單孢子）懸液↓←活菌濃度測(cè)定

誘變劑的選擇與確定誘變劑量的預(yù)試驗(yàn)↓

誘變處理

↓

平板分離

↓計(jì)形態(tài)變異的菌落數(shù)，計(jì)算突變率挑取疑似突變菌落純培養(yǎng)↓

突變體的初步篩選

↓←用簡(jiǎn)單快捷的方法重復(fù)篩選

↓←搖瓶發(fā)酵試驗(yàn)選出突變體（根據(jù)情況進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)或重復(fù)誘變處理）

出發(fā)菌株的選擇菌懸液的制備前培養(yǎng)誘變處理變異菌株的分離和篩選

雜交育種及基因工程育種：在分子水平上，對(duì)目標(biāo)基因直接處理，然后通過(guò)高通量的篩選方法，提高目標(biāo)蛋白的性能。常規(guī)的雜交育種原生質(zhì)體融合DNA重組技術(shù)

1.雜交育種：雜交育種是指將兩個(gè)基因型不同的菌株經(jīng)吻合（或接合）使遺傳物質(zhì)重新組合，從中分離合篩選具有新性狀的菌株。包括細(xì)菌的雜交育種、霉菌的雜交育種和放線菌的雜交育種。

2.原生質(zhì)體育種：用脫壁酶處理將微生物細(xì)胞壁除去，制成原生質(zhì)體，再用聚乙二醇（PEG）促進(jìn)原生質(zhì)體發(fā)生融合，從而獲得異核體或重組合子的技術(shù)叫做原生質(zhì)體融合（ProtoplastFusion）。原生質(zhì)體育種技術(shù)主要有原生質(zhì)體融合、原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化技術(shù)，此外尚有原生質(zhì)體誘變育種等。原生質(zhì)休融合育種是基因重組的一種重要方法。原生質(zhì)體融合作為一種新的基因重組手段是1978年第三屆國(guó)際工業(yè)微生物遺傳學(xué)討論會(huì)上提出來(lái)的。

2.1特點(diǎn):(一)雜交頻率較高：細(xì)胞壁去除后在高滲條件下形成類似于球形的原生質(zhì)體。(二)受接合型或致育型的限制較�。憾�親株中任何一株都可能起受體或供體的作用，因此有利于不同種屬間微生物的雜交。(三)遺傳物質(zhì)傳遞更為完整：原生質(zhì)體融合是二親株的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核進(jìn)行類似的合二為一的過(guò)程。(四)存在著兩株以上親株同時(shí)參與融合形成融合子的可能性。(五)有可能采用產(chǎn)量性狀較高的菌株作融合親株。(六)提高菌株產(chǎn)量的潛力較大。(七)有助于建立工業(yè)微生物轉(zhuǎn)化體系。

2.2原生質(zhì)體融合育種步驟：1．標(biāo)記菌株的篩選和穩(wěn)定性驗(yàn)證。2．原生質(zhì)體制備。3．等量原生質(zhì)體加聚乙二醇促進(jìn)融合。4．涂布于再生培養(yǎng)基，再生出菌落。5．選擇性培養(yǎng)基上劃線生長(zhǎng)，分離驗(yàn)證，挑取融合子進(jìn)一步試驗(yàn)、保藏。6．生產(chǎn)性能篩選。

原生質(zhì)體制備的影響因素1菌體的前處理:為了使酶作用的效果好一些，可將菌作一些前處

理。如細(xì)菌加入亞抑制劑量的青霉素。2菌體的培養(yǎng)時(shí)間:為了使細(xì)胞易于原生質(zhì)體化，一般選擇增殖期的菌體。3酶濃度:對(duì)于不同種屬的微生物，不僅對(duì)酶的種類要求不同，就是對(duì)酶的濃度也有差異。另外，最佳酶濃度還隨不同的生長(zhǎng)期的菌體而變化。4酶處理溫度5破壁時(shí)的pH值6滲透壓穩(wěn)定劑:等滲透壓在原生質(zhì)體制備中，不僅起到保護(hù)原生質(zhì)體免于膨裂，而且還有助于酶和底物的結(jié)合，滲透壓穩(wěn)定劑多采用甘露醇，山梨醇，蔗糖等有機(jī)物和KCl和NaCl等無(wú)機(jī)物�；�因育種

基因重組育種：是運(yùn)用體外DNA各種操作或修改手法獲得目的基因，再借助于病毒、細(xì)菌質(zhì)粒或其他載體，將目的基因轉(zhuǎn)移至新的宿主細(xì)胞并使其在新的宿主細(xì)胞系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行復(fù)制和

表達(dá)，或者通過(guò)細(xì)胞間的相互作用，使一個(gè)細(xì)胞的優(yōu)秀性狀經(jīng)其間遺傳物質(zhì)的交換而轉(zhuǎn)移給另個(gè)細(xì)胞的方法。一個(gè)完整的基因克隆過(guò)程包括以下步驟１、獲得待克隆的DNA片段（基因）；２、目的基因與載體在體外連接；３、重組DNA分子導(dǎo)入宿主細(xì)胞；４、篩選、鑒定陽(yáng)性重組子；５、重組子的擴(kuò)增與／或表達(dá)。第三節(jié)工業(yè)微生物菌種制

種子的準(zhǔn)則①菌種細(xì)胞的生長(zhǎng)活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長(zhǎng)，遲緩期短；②生理性狀穩(wěn)定；③菌體總量及濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求；④無(wú)雜菌污染；⑤保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。

種子擴(kuò)大培養(yǎng)就是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過(guò)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)面而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過(guò)程。保藏菌種(休眠狀態(tài))→斜面→逐漸擴(kuò)大搖瓶或偏瓶與種子罐

生產(chǎn)車間種子制備

種子罐的級(jí)數(shù)主要決定于菌種的性質(zhì)和菌體生長(zhǎng)速度及發(fā)酵設(shè)備的合理應(yīng)用；種子罐級(jí)數(shù)越少越有利于生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)化和發(fā)酵過(guò)程的控制。

接種齡：種子罐中培養(yǎng)的菌絲體開(kāi)始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。

接種量：移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。接種量的大小取決定于生產(chǎn)菌種在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)繁殖的速度。

影響種子質(zhì)量的因素原材料質(zhì)量培養(yǎng)條件（溫度、濕度、通氣量）斜面冷藏時(shí)間種子質(zhì)量控制措施菌種穩(wěn)定性檢查無(wú)菌檢查第四節(jié)菌種的復(fù)壯與保藏

菌種復(fù)壯

選育一株理想的菌株是一件艱苦的工作，而欲使菌種始終保持優(yōu)良性狀的遺傳穩(wěn)定性，便于長(zhǎng)期使用，還需要做很多日常的工作。實(shí)際上，由于各種各樣的原因，要使菌種永遠(yuǎn)不變是不可能的，菌種衰退是一種潛在的威脅。只有掌握了菌種衰退的某些規(guī)律，才能采取相應(yīng)的措施，盡量減少菌種的衰退或使已衰退的菌種得以復(fù)壯。菌種衰退（degeneration）是指由于自發(fā)突變的結(jié)果，而使某物種原有的一系列生物學(xué)性狀發(fā)生量變或質(zhì)變的現(xiàn)象。

菌種衰退的現(xiàn)象菌落和細(xì)胞形態(tài)改變生長(zhǎng)速度緩慢，產(chǎn)孢子越來(lái)越少代謝產(chǎn)物生產(chǎn)能力下降，即出現(xiàn)負(fù)突變致病菌對(duì)宿主侵染能力下降對(duì)外界不良條件的抵抗能力下降等菌種衰退的原因：基因突變－－主要原因（1、有關(guān)基因發(fā)生負(fù)突變導(dǎo)致菌種衰退2、表型延遲造成菌種衰退3、質(zhì)粒脫落導(dǎo)致菌種衰退）連續(xù)傳代－－加速衰退不適宜的培養(yǎng)和保藏條件－－加速衰退

菌種衰退的防止控制傳代次數(shù)創(chuàng)造良好的培養(yǎng)條件利用不易衰退的細(xì)胞移種傳代采用有效的菌種保藏方法講究菌種選育技術(shù)定期進(jìn)行分離純化

菌種復(fù)壯狹義的復(fù)壯－－消極的措施是指在菌種已經(jīng)發(fā)生衰退的情況下，通過(guò)純種分離和測(cè)定典型性狀、生產(chǎn)性能等指標(biāo)，從已衰退的群體中篩選出少數(shù)尚未退化的個(gè)體，以達(dá)到恢復(fù)原菌株固有性狀的相應(yīng)措施。廣義的復(fù)壯－－積極的措施是指在菌種的典型特征或生產(chǎn)性狀尚未衰退前，就經(jīng)常有意識(shí)地采取純種分離和生產(chǎn)性狀測(cè)定工作，以期從中選擇到自發(fā)的正突變個(gè)體。

菌種復(fù)壯的主要方法純種分離法菌落純（“菌種純”）細(xì)胞純（“菌株純”）通過(guò)純種分離,可將衰退菌種細(xì)胞群體中一部分仍保持原有典型性狀的單細(xì)胞分離出來(lái),經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng),就可恢復(fù)原菌株的典型性狀。

宿主體內(nèi)復(fù)壯法對(duì)于寄生性微生物的衰退菌株，可通過(guò)接種到相應(yīng)昆蟲(chóng)或動(dòng)植物宿主體內(nèi)來(lái)提高菌株的毒性。淘汰法將衰退菌種進(jìn)行一定的處理（如藥物、低溫、高溫等），往往可以起到淘汰已衰退個(gè)體而達(dá)到復(fù)壯的目的。

遺傳育種法把退化的菌種重新進(jìn)行遺傳育種，從中再選出高產(chǎn)而不易退化的穩(wěn)定性較好的生產(chǎn)菌種性狀穩(wěn)定的菌種是微生物工作最重要的基本要求，否則生產(chǎn)或科研都無(wú)法正常進(jìn)行。影響微生物菌種穩(wěn)定性的因素：a）變異；b）污染；c）死亡

菌種保藏

目的盡可能保持其原有性狀和活力的穩(wěn)定，確保菌種不死亡、不變異、不被污染，以達(dá)到便于研究、交換和使用等諸方面的需要。

原理挑選典型菌種的優(yōu)良純種來(lái)進(jìn)行保藏，最好保藏它們的休眠體，如分生孢子、芽孢等。/人為地創(chuàng)造環(huán)境條件（如：干燥、低溫和缺氧），使微生物長(zhǎng)期處于代謝不活潑、生長(zhǎng)繁殖受抑制的休眠狀態(tài)。/盡可能采用不同的手段保藏一些比較重要的微生物菌株。

方法斜面低溫保藏法石蠟油封藏法砂土管保藏法麩皮保藏法甘油懸液保藏法冷凍真空干燥保藏法液氮超低溫保藏法宿主保藏法

（一）斜面低溫保藏法－－常用保藏法將菌種接種在適宜的斜面培養(yǎng)基上，待菌種生長(zhǎng)完全后，置于4℃左右的冰箱中保藏，每隔一定時(shí)間（保藏期）再轉(zhuǎn)接至新的斜面培養(yǎng)基上，生長(zhǎng)后繼續(xù)保藏，如此連續(xù)不斷。廣泛適用于各大類微生物菌種的短期保藏主要保藏措施是低溫。一般可保存1～6個(gè)月左右。(簡(jiǎn)便易行，容易推廣，存活率高；但菌株仍有一定程度的代謝活動(dòng)能力，保藏期短，傳代次數(shù)多，菌種較容易發(fā)生變異和被污染。)（二）石蠟油封藏法在無(wú)菌條件下，將滅過(guò)菌并已蒸發(fā)掉水分的液體石蠟倒入培養(yǎng)成熟的菌種斜面（或半固體穿刺培養(yǎng)物）上，石蠟油層高出斜面頂端1cm，使培養(yǎng)物與空氣隔絕，加膠塞并用固體石蠟封口后，垂直放在室溫或4℃冰箱內(nèi)保藏。廣泛適用于各大類微生物菌種的中期保藏不適用于保藏某些能分解烴類的菌種。主要保藏措施是低溫、阻氧。一般可保存1～2年左右。

（三）砂土管保藏法長(zhǎng)期保藏菌種的方法，適用于產(chǎn)孢子的微生物及形成芽孢的細(xì)菌，對(duì)于一些對(duì)干燥敏感的細(xì)菌及酵母則不適用。兼具低溫、干燥、隔氧和無(wú)營(yíng)養(yǎng)物等諸條件，故保藏期較長(zhǎng)、效果較好，且微生物移接方便，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。它的保藏期約1～10年。將砂與土分別洗凈、烘干、過(guò)篩，按一定比例分裝于小試管中，砂土的高度約1cm，121℃蒸汽滅菌1～1.5h，間歇滅菌3次。50℃烘干后經(jīng)檢查無(wú)誤后備用。將待保藏的菌株制成菌懸液或孢子懸液滴入砂土管中，放線菌和霉菌也可直接刮下孢子與載體混勻，而后置于干燥器中抽真空約2～4h，用火焰熔封管口(或用石蠟封口)，置于干燥器中，在室溫或4℃冰箱內(nèi)保藏。長(zhǎng)期保藏菌種的方法，適用于產(chǎn)孢子的微生物及形成芽孢的細(xì)菌，對(duì)于一些對(duì)干燥敏感的細(xì)菌及酵母則不適用。兼具低溫、干燥、隔氧和無(wú)營(yíng)養(yǎng)物等諸條件，故保藏期較長(zhǎng)、效果較好，且微生物移接方便，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。它的保藏期約1～10年。（四）麩皮保藏法又稱曲法保藏。即以麩皮作載體，吸附接入的孢子，然后在低溫干燥條件下保存。其制作方法是，將麩皮與水以一定的比例拌勻，裝量為試管體積2/5，濕熱滅菌后經(jīng)冷卻，接入新鮮培養(yǎng)的菌種，適溫培養(yǎng)至孢子長(zhǎng)成。將試管置于盛有氯化鈣等干燥劑的干燥器中，于室溫下干燥數(shù)日后移入低溫下保藏；干燥后也可將試管用火焰熔封，再

保藏，則效果更好。適用于產(chǎn)孢子的霉菌和某些放線菌，保藏期在1年以上。因操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，工廠較多采用。

（五）甘油懸液保藏法此法是將菌種懸浮在甘油蒸餾水中，置于低溫下保藏，本法較簡(jiǎn)便，

但需置備低溫冰箱。保藏溫度若采用－20℃，保藏期約為0.5～1年，而采用－70℃，保藏期可達(dá)10年。將擬保藏菌種對(duì)數(shù)期的培養(yǎng)液直接與經(jīng)121℃蒸汽滅菌20min的甘油混合，并使甘油的終濃度在10％～15％，再分裝于小離心管中，低溫冰箱中保藏�；�因工程菌常采用本法保藏。

（六）冷凍真空干燥保藏法又稱冷凍干燥保藏法，簡(jiǎn)稱凍干法。用保護(hù)劑制備擬保藏菌種的細(xì)胞懸液或孢子懸液于安瓿管中，再在低溫下快速將含菌樣凍結(jié)，并減壓抽真空，使水升華將樣品脫水干燥，形成完全干燥的固體菌塊。并在真空條件下立即熔封，造成無(wú)氧真空環(huán)境，最后置于低溫下，使微生物處于休眠狀態(tài)，而得以長(zhǎng)期保藏。適用于各大類微生物。

主要保藏措施是低溫、干燥、缺氧、有保護(hù)劑，保藏期一般長(zhǎng)達(dá)5～15年，存活率高，變異率低，是目前被廣泛采用的一種較理想的保藏方法。技術(shù)要求較高，且需要凍干機(jī)等設(shè)備。

（七）液氮超低溫保藏法簡(jiǎn)稱液氮保藏法或液氮法。它是以甘油、二甲基亞砜等作為保護(hù)劑，

在液氮超低溫（－196℃）下保藏的方法。其主要原理是菌種細(xì)胞從常溫過(guò)渡到低溫，并在降到低溫之前，使細(xì)胞內(nèi)的自由水通過(guò)細(xì)胞膜外滲出來(lái)，以免膜內(nèi)因自由水凝結(jié)成冰晶而使細(xì)胞損傷。此法適用于各種微生物菌種的保藏。此法的主要保藏措施是超低溫、有保護(hù)劑，保藏期一般可達(dá)到15年以上，是目前公認(rèn)的最有效的菌種長(zhǎng)期保藏技術(shù)之一。此法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、高效，且可使用各種培養(yǎng)形式的微生物進(jìn)行保藏。其缺點(diǎn)是需購(gòu)超低溫液氮設(shè)備，且液氮消耗較多，操作費(fèi)用較高。（八）宿主保藏法此法適用于專性活細(xì)胞寄生微生物（如病毒、立克次氏體等）。植物病毒可用植物幼葉的汁液與病毒混合，冷凍或干燥保存。

噬菌體可以經(jīng)過(guò)細(xì)菌培養(yǎng)擴(kuò)大后，與培養(yǎng)基混合直接保存。

動(dòng)物病毒可直接用病毒感染適宜的臟器或體液，然后分裝于試管中密封，低溫保存。

在上述的菌種保藏方法中，以斜面低溫保藏法、石蠟油封藏法、宿主保藏法最為簡(jiǎn)便；砂土管保藏法、麩皮保藏法和甘油懸液保藏法次之；以冷凍真空干燥保藏法和液氮超低溫保藏法最為復(fù)雜，但其保藏效果最好。應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要選用。

美國(guó)ATCC采用冷凍干燥保藏法和液氮保藏法來(lái)保藏所有菌種。我國(guó)CCCCM采用斜面低溫保藏法、冷凍干燥保藏法和液氮保藏法進(jìn)行菌種保藏。

第五章發(fā)酵工藝控制

第一節(jié)發(fā)酵過(guò)程方式：一、分批發(fā)酵二、補(bǔ)料分批發(fā)酵三、半連續(xù)發(fā)酵四、連續(xù)發(fā)酵

分批發(fā)酵：（batchcultureorfermentation）種子投種到培養(yǎng)基后除了氣體流通外發(fā)酵液始終留在生物反應(yīng)器內(nèi)。是一種準(zhǔn)封閉式系統(tǒng)。

分析：如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是菌體細(xì)胞，則宜采用有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)條件，延長(zhǎng)與產(chǎn)物合成有關(guān)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。如果產(chǎn)品是次級(jí)代謝產(chǎn)物，則宜縮短菌體的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長(zhǎng)生產(chǎn)期，以提高產(chǎn)量。

分批培養(yǎng)的特點(diǎn)：(1)整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒(méi)有其它物質(zhì)交換（O2、CO2、消泡劑、酸堿除外）(2)整個(gè)過(guò)程中菌的濃度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。

分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點(diǎn)：產(chǎn)率低。

補(bǔ)料分批發(fā)酵:是在分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服由于養(yǎng)分的不足，導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)早結(jié)束。半連續(xù)發(fā)酵:在補(bǔ)料分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上加上間歇放掉部分發(fā)發(fā)酵(行業(yè)中稱為帶放)。

連續(xù)培養(yǎng):發(fā)酵過(guò)程中一邊補(bǔ)入新鮮的料液，一邊以相近的流速放料，維持發(fā)酵液原來(lái)的體積。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備利用率高，操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；及時(shí)排除在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的對(duì)發(fā)酵過(guò)程有害的物質(zhì)。問(wèn)題：(1)污染雜菌問(wèn)題(2)生產(chǎn)菌種突變問(wèn)題

第二節(jié)發(fā)酵條件的影響及其控制

發(fā)酵工藝控制的基礎(chǔ)：了解產(chǎn)生菌生長(zhǎng)、發(fā)育及代謝情況及動(dòng)力學(xué)模擬了解生物、物理、化學(xué)和工程的環(huán)境條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響

如何進(jìn)行控制？測(cè)定各種參數(shù)依據(jù)參數(shù)變化，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)關(guān)系獲得發(fā)酵過(guò)程的各項(xiàng)最佳參數(shù)

發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)--1、物理參數(shù)

發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)--2、化學(xué)參數(shù)

發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)--3、生物參數(shù)

一、基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制如在谷氨酸發(fā)酵中以乙醇為碳源，控制發(fā)酵液的乙醇濃度在2.5~3.5g／L范圍內(nèi)可延長(zhǎng)谷氨酸合成時(shí)間。又如在葡萄糖氧化酶(GOD)發(fā)酵中葡萄糖對(duì)GOD的形成具有雙重作用，低濃度下有誘導(dǎo)作用；高濃度會(huì)起分解代謝物阻遏作用。

二、滅菌情況培養(yǎng)基滅菌條件對(duì)產(chǎn)酶的影響。葡萄糖氧化酶發(fā)酵培養(yǎng)基的滅菌條件對(duì)產(chǎn)酶有顯著的影響。滅菌條件中滅菌溫度比滅菌時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響更大。

三、種子質(zhì)量選擇適當(dāng)?shù)慕臃N菌齡十分重要，太年輕或過(guò)老的種子對(duì)發(fā)酵不利。通常采用較大的接種量可縮短生產(chǎn)達(dá)到高峰的時(shí)間，使產(chǎn)物的合成提前。

四、溫度對(duì)發(fā)酵的影響和控制1.影響各種酶促反應(yīng)的速度發(fā)酵溫度升高，生長(zhǎng)代謝加快，生產(chǎn)期提前。發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短。2.改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)3.改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向溫度小于30℃，合成金霉素的能力強(qiáng);溫度等于35℃，只合成四環(huán)素溫度影響基質(zhì)和氧的吸收速度;影響飽和溶氧濃度影響發(fā)酵溫度變化的因素--發(fā)酵熱（KJ/m3h）

發(fā)酵熱=生物熱+攪拌熱-蒸發(fā)熱-顯熱-輻射熱生物熱：產(chǎn)生菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，釋放的大量熱量。攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。

最適發(fā)酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度可實(shí)行變溫控制：在生長(zhǎng)階段選擇適合菌體生長(zhǎng)的溫度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件：在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時(shí)，降低發(fā)酵溫度有利在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過(guò)循環(huán)冷卻水控制。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制

五、pH的影響和控制影響菌體生長(zhǎng)代謝的酶活性。影響代謝產(chǎn)物的合成方向。影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對(duì)離子的滲透作用，影響了營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。

影響發(fā)酵pH變化的因素：pH的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起pH的變化：培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過(guò)程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生NH3，則pH上升；有機(jī)酸的積累，使pH下降。一般來(lái)說(shuō)，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗

最適pH的選擇根據(jù)不同菌種的生理特性，確定不同的最適pH。同一菌種根據(jù)不同階段，生長(zhǎng)期采用最適生長(zhǎng)的pH，在產(chǎn)物采用最適產(chǎn)物合成的pH。采用合適的培養(yǎng)基配比C：N合適生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)比例合適添加緩沖物質(zhì)：碳酸鈣和磷酸鹽在發(fā)酵過(guò)程中直接補(bǔ)加酸或堿過(guò)去流加硫酸或氫氧化鈉，現(xiàn)采用補(bǔ)加氨水、尿素、硫酸銨在發(fā)酵過(guò)程中調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速度控制pH六、溶氧的影響

溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。

描述微生物需氧的物理量

比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2g菌-1h-1攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2L-1h-1。r=QO2.X

一般對(duì)于微生物：CCr:＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%

定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度

所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度>1.

溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。六、溶氧的影響

影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2：遺傳因素。菌齡。營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度。有害物質(zhì)的積累。培養(yǎng)條件。七、補(bǔ)料

（一）碳源種類的影響及控制

迅速利用的碳源;種類：葡萄糖。優(yōu)點(diǎn)：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量。缺點(diǎn)：有些品種產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。

緩慢利用的碳源種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油。優(yōu)點(diǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期。缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。在發(fā)酵過(guò)程中，補(bǔ)加糖類控制碳源濃度補(bǔ)料的類型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入

補(bǔ)糖的依據(jù)：殘?zhí)橇俊�pH值。Qc。X。粘度。溶氧。尾氣中O2和CO2的含量。發(fā)酵液的總體積。

補(bǔ)糖量的控制：

經(jīng)驗(yàn)法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以最高產(chǎn)量的罐批的加糖率為指標(biāo)，并依據(jù)菌體濃度、一定時(shí)間內(nèi)的糖比消耗速率和殘?zhí)堑燃右孕拚��?/p>

例：青霉素發(fā)酵開(kāi)始補(bǔ)糖在殘?zhí)墙抵?.5%,pH開(kāi)始回升時(shí)補(bǔ)糖。補(bǔ)糖量以最高罐批經(jīng)驗(yàn)量為參考。每小時(shí)前期040h中期4090h后期90以后加糖量0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%

（二）氮源的影響和控制

迅速利用的氮源種類：氨水、銨鹽和玉米漿。優(yōu)點(diǎn)：易被菌體利用，明顯促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。缺點(diǎn)：對(duì)于有些品種高濃度的銨離子抑制產(chǎn)物合成迅速利用的氮源。

緩慢利用的氮源種類：黃豆餅粉、花生餅粉、和棉子餅粉。優(yōu)點(diǎn)：利用緩慢，有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期。防止早衰。缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。

氮源濃度的影響控制氮源濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的量與方向都有影響。氮源濃度的控制：控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的配比。通過(guò)補(bǔ)加氮源。

補(bǔ)氮的依據(jù)：殘氮量、pH值、菌體量

（三）磷酸鹽的影響和控制磷酸鹽能明顯促進(jìn)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)。（0.32-300mM）。對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物，高濃度的磷酸鹽能抑制產(chǎn)物合成。（10mM以下）

磷酸鹽濃度的控制1一般在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適宜濃度。對(duì)于初級(jí)代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用足量。對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用生長(zhǎng)亞適量。2一般磷酸鹽采用單消，防止發(fā)生沉淀反應(yīng)使溶磷量達(dá)不到最適量。3要控制有機(jī)氮源中的磷含量，以防溶磷量超過(guò)最適量。4當(dāng)菌體生長(zhǎng)緩慢時(shí)，可適當(dāng)補(bǔ)加適量的磷，促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。

第三節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制

概念:氣體分散在少量液體中，氣體與液體之間被一層液膜隔開(kāi)就形成了泡沫。液面上的泡沫，氣相所占比例大，與液體有明顯界限。流態(tài)泡沫，分散于發(fā)酵液內(nèi)部，比較穩(wěn)定，與液體之間無(wú)明顯界限。

影響1影響著微生物對(duì)氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除；2使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。3大量的泡沫易造成逃液。4增加污染雜菌的機(jī)會(huì)。

發(fā)酵初期泡沫的高穩(wěn)定性與發(fā)酵液的高表現(xiàn)黏度和低界面張力有關(guān)，而隨著霉菌產(chǎn)生的蛋白

酶、淀粉酶的增多和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用，造成產(chǎn)生泡沫的蛋白質(zhì)等物質(zhì)分解，培養(yǎng)液的性質(zhì)發(fā)生改變，黏度降低促使界面張力上升，泡沫減少，當(dāng)達(dá)到發(fā)酵的后期，由于微生物細(xì)胞的自溶，又使蛋白質(zhì)的濃度增加，促使發(fā)酵過(guò)程的泡沫上升。

泡沫的控制方法:1.調(diào)整培養(yǎng)基成分減少培養(yǎng)基中易起泡的成分減少培養(yǎng)基中粘度大的成分2、適當(dāng)減少通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速3、采用機(jī)械消泡（罐內(nèi)裝置和罐外裝置）4、采用削沫劑消泡

工業(yè)上常用的消泡劑1天然油脂類;玉米油、豆油、棉籽油、魚(yú)油等2高碳醇類:十八醇、乙二醇聚合物3聚醚類:聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油4硅酮類:聚二甲基硅氧烷消泡劑使用的注意事項(xiàng)：1不能用量過(guò)大2細(xì)密地?cái)U(kuò)散到泡沫效果好3加入土溫-80具有增效作用4多種消泡劑并用

第四節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷

確定合適的微生物發(fā)解終點(diǎn)，對(duì)提高產(chǎn)物的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益是很重要的。生產(chǎn)能力是指單位時(shí)間內(nèi)單位罐體積所積累的產(chǎn)物量。其單位為g/L-h。生產(chǎn)不能只單純追求高生產(chǎn)力，而不顧及產(chǎn)品的成本，必須把二者結(jié)合起來(lái)，既要高產(chǎn)量，又要低成本。

1、從經(jīng)濟(jì)因素上考慮，如何確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間？最大限度地降低成本和最大限度地取得最大生產(chǎn)能力的發(fā)酵時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間。

2、從產(chǎn)品質(zhì)量上考慮，如何確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間？發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后步提取工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影最大。

3、確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間，為什么有時(shí)還要考慮特殊因素？判斷放罐的主要指標(biāo)有：產(chǎn)物濃度、氨基氮、菌體形態(tài)、pH值、培養(yǎng)液的外觀、黏度等確定。

不同的發(fā)酵類型，要求達(dá)到的目標(biāo)不同，因而對(duì)一發(fā)酵終點(diǎn)的判斷準(zhǔn)也應(yīng)有所不同。發(fā)酵和原材料成本占整個(gè)生產(chǎn)成本主要部分的發(fā)酵產(chǎn)品，主要追求提高生產(chǎn)率（(kg/m3.h)、得率（kg產(chǎn)物/kg基質(zhì)）和發(fā)酵系數(shù)「kg產(chǎn)物／（罐容m3發(fā)酵周期h)]。

下游技術(shù)成本占的比重較大、產(chǎn)品價(jià)格較貴，除了高的產(chǎn)率和發(fā)酵系數(shù)外，還要求高的產(chǎn)物濃度。

考慮放罐時(shí)間時(shí)，還應(yīng)考慮下列因素，如：體積生產(chǎn)率〔每升發(fā)酵液，每小時(shí)形成的產(chǎn)物量（g）表示〕和總生產(chǎn)率（放罐時(shí)發(fā)酵單位除以總發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間）。

這里總發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間包括發(fā)酵周期和輔助操作時(shí)間，因此要提高總的生產(chǎn)率，則有必要縮短發(fā)酵周期。這就是要在產(chǎn)物合成速率較低時(shí)放罐，延長(zhǎng)發(fā)酵雖

然略能提高產(chǎn)物濃度，但生產(chǎn)率下降，且耗電大，成本提高，因每噸冷卻水所得到的產(chǎn)量下跌，另外，放罐時(shí)間對(duì)下游工序有很大影響。第五節(jié)發(fā)酵染菌的防治及處理

一、染菌的檢查、判斷（一）觀察法1.菌體濃度（OD值）異常（OD:opticaldensity）2.溶解氧（DO）異常3.pH值異常4.泡沫過(guò)多（二）鏡檢法（三）平板劃線培養(yǎng)法（四）酚紅肉湯培養(yǎng)法二、發(fā)酵染菌的原因1.種子帶菌2.空氣帶菌3.設(shè)備滲漏4.培養(yǎng)基滅菌不徹底5.技術(shù)管理不善三、染菌情況分析

1.單罐染菌罐本身而非系統(tǒng)問(wèn)題。如種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底、罐有滲漏、分過(guò)濾器失效。

2.多罐染菌系統(tǒng)問(wèn)題，如空氣過(guò)濾系統(tǒng)有問(wèn)題，特別是總過(guò)濾器長(zhǎng)期沒(méi)有檢查，可能受潮失效；移種或補(bǔ)料的分配站有滲漏或滅菌不徹底。

3.前期染菌種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底。

4.中后期染菌補(bǔ)料的料液滅菌不徹底或補(bǔ)料管道、閥門(mén)滲漏，一般不會(huì)是種子問(wèn)題。四、噬菌體（phage）染菌及其防治

（一）phage的檢查（單層瓊脂法；雙層瓊脂法；平板交叉劃線法；液體培養(yǎng)檢查法）

（二）phage的防治工藝角度1.消滅環(huán)境中的phage2.藥物防治菌種選育1.輪換菌種2.選育抗phage的菌株

第六章發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制

在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的前提下考慮分離精制方法時(shí)，必須注意：1.能夠達(dá)到所要求的純度；2.收率高；3.生產(chǎn)成本盡可能低；4.工藝過(guò)程盡可能縮短和簡(jiǎn)化；5.生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢物能夠處理；6.實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠成功地進(jìn)行放大。

1.發(fā)酵液的特性及提取精制工程概要

發(fā)酵醪的特性：(1)含水量高，一般含水量達(dá)90％～99％；(2)發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低；(3)懸浮固形物主要是菌體和蛋白質(zhì)的膠狀物；(4)培養(yǎng)基殘留成分中還含有無(wú)機(jī)鹽類、非蛋白質(zhì)大分子雜質(zhì)及其降解產(chǎn)物；(5)其他少量的代謝副產(chǎn)物；(6)色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)。生物物質(zhì)分離過(guò)程的一般步驟

2.發(fā)酵液的預(yù)處理：離心過(guò)濾與菌體分離：細(xì)菌和酵母,采用高速離心；霉菌和放線菌，采用過(guò)濾。離心分離：根據(jù)發(fā)酵液中的物質(zhì)比重不同，在離心力場(chǎng)的作用下，將懸浮液中的固相和液相加以分離。(1)沉降式：管式；蝶式離心機(jī)(2)過(guò)濾式：多種形式分批、自動(dòng)間隙或連續(xù)式。碟式高速離心機(jī)：結(jié)構(gòu)：倒錐形多孔碟片金屬轉(zhuǎn)鼓。工作原理：中心進(jìn)料，因固液比重不同，在碟片空間內(nèi)由于離心力的作用，把醪分成固液兩相。

管式高速離心機(jī)：下部進(jìn)料，經(jīng)檔板分散于轉(zhuǎn)筒底部，受離心力作用而上旋，輕液位于筒的中央螺旋向上移動(dòng)，菌體則靠近筒壁，經(jīng)分離盤(pán)時(shí)，輕液沿輕液孔進(jìn)入集液槽。菌體位于轉(zhuǎn)筒壁，停機(jī)的時(shí)候取出。管式分離機(jī)主要分為澄清型和分離型兩種。澄清型：難分離懸浮液的液固分離。分離型：難分離的乳濁液(液液二相分離、液液固三相分離)。

過(guò)濾

1）影響過(guò)濾速度的因素（膠體物存在情況）：(1)培養(yǎng)基組成及利用程度。(2)發(fā)酵終點(diǎn)的判定是否正確。(3)菌種。2）提高過(guò)濾設(shè)備處理能力的途徑：擴(kuò)大設(shè)備尺寸，增加過(guò)濾面積。增大設(shè)備規(guī)模提高過(guò)濾速度（強(qiáng)化設(shè)備處理能力）

3）改善濾餅結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)方法：在制備懸浮液過(guò)程中或之后，造成大顆粒(1)酸化凝結(jié)法：

膠體體系的穩(wěn)定性與其帶電荷有關(guān)。在某pH下，凈電荷為0，溶解度最小(pH=pI)。常用酸試劑：草酸、鹽酸、硫酸及磷酸。Fe2＋+金霉素+草酸→草酸鐵＋金霉素；Ca2＋+草酸→草酸鈣；(2)熱處理法：〈熱凝固法〉加熱使蛋白質(zhì)凝固，不適宜用于熱敏感的發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)中。(3)添加絮凝劑：膠體粒子間電荷相同而互斥而不聚沉。利用絮凝劑（分子活性基團(tuán)多，多點(diǎn)結(jié)合、長(zhǎng)鏈線性結(jié)構(gòu)、高電荷密度）特點(diǎn)而使膠體粒子沉淀。常用的絮凝劑：聚丙烯酰胺〈PAM〉、含40000個(gè)PAM單體。(4)添加助濾劑：能形成一層不可壓縮的濾層，截留了懸浮雜質(zhì)，隔離了細(xì)小、易壓縮雜質(zhì)與過(guò)濾介質(zhì)接觸，以形成疏松濾餅。注意：

a．方法：預(yù)涂層，或醪中直接加入，或兩法兼用。

b．助濾劑種類、用量要恰當(dāng)，是取得良好過(guò)濾效果的關(guān)鍵。

(5)添加反應(yīng)劑添加能相互反應(yīng)、或能和某些溶解鹽類反應(yīng)生成不溶解的沉淀的物質(zhì)。3CaCl2+2Na3PO4→Ca3(PO4)2↓+6NaCl關(guān)鍵在選擇合適的反應(yīng)劑

(6)添加酶制劑：當(dāng)醪中有不溶解的多糖存在時(shí)，加入能使其轉(zhuǎn)化為單糖的酶制劑，改善粘度，對(duì)提高過(guò)濾速濾有幫助。

4）工藝措施A保持適當(dāng)?shù)臑V餅厚度B采取最大的允許過(guò)濾壓力C控制適當(dāng)?shù)膽腋∥锏臐舛菵固形顆粒分級(jí)過(guò)濾

5）結(jié)構(gòu)措施A反向過(guò)濾B動(dòng)態(tài)過(guò)濾(過(guò)濾速度高，過(guò)濾介質(zhì)截留的固體粒子連續(xù)地被除去，不能形成較厚濾餅層)。C電場(chǎng)、磁場(chǎng)過(guò)濾。（兩性物質(zhì)）D自動(dòng)過(guò)濾

6）過(guò)濾介質(zhì)：過(guò)濾單元上使用的過(guò)濾介質(zhì)按材料大致可分為：(1)天然纖維和合成纖維濾布（帆布、綢絹、滌綸、尼龍布、玻璃纖維），選擇時(shí)主要注意：①不同纖維的物理、化學(xué)性能不同；②紋路：平紋、鏈紋(2)天然毛氈和合成濾氈（三維均勻纖維團(tuán)，無(wú)粘結(jié)劑。用途廣，能使涂層和濾餅的形成迅速均勻）(3)微孔纖維薄膜和金屬薄膜：A：主要是醋酸纖維素，聚碳酸脂類；B：惰性金屬合金為主；(4)多孔陶瓷，金屬陶瓷與燒結(jié)樹(shù)脂（再生能力好）(5)連孔型泡沫塑料與泡沫金屬（三維空間網(wǎng)狀，空隙占97%）

細(xì)胞破碎：由于有許多生化物質(zhì)存在于細(xì)胞內(nèi)部，必須在純化以前將細(xì)胞破碎，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放到液相中，然后方可進(jìn)行提取。細(xì)胞破碎方法

3.發(fā)酵產(chǎn)物的提取：沉淀法：利用物質(zhì)能和某些酸、堿或鹽形成不溶性或復(fù)合物沉淀或結(jié)晶。根據(jù)所加入沉淀劑的不同，沉淀法可分為：等電點(diǎn)法、鹽酸鹽法、金屬鹽法、鹽析、有機(jī)溶劑、非離子型聚合物、聚電解質(zhì)、高價(jià)金屬離子。等電點(diǎn)法：利用兩性電解質(zhì)在等電點(diǎn)的溶解度最低和不同電解質(zhì)有不同等電點(diǎn)的特性，將兩性電解質(zhì)分離的方法。通過(guò)加酸或堿調(diào)pH＝pI，pro分子的凈電荷為零，分子聚集在一起。注意：宜均勻。等電點(diǎn)法提取谷氨酸工藝流程

鹽酸鹽法：在發(fā)酵液加入鹽酸使氨基酸成為氨基酸鹽酸鹽析出，在加堿中和到氨基酸等電點(diǎn)，使氨基酸沉淀析出。鹽酸鹽法提取谷氨酸使利用它在冷濃鹽酸溶液中不溶，容易形成谷氨酸鹽酸鹽晶。

3.1.3金屬鹽法：在發(fā)酵液加入重金屬鹽，使難溶的氨基酸金屬鹽沉淀析出，經(jīng)溶解后在調(diào)pH到氨基酸等電點(diǎn)，使氨基酸沉淀析出。目前，鋅鹽和鈣鹽使用較多。（1）鋅鹽-等電點(diǎn)法、等電點(diǎn)-鋅鹽法（2）鈣鹽法（圖）3.1.4溶劑沉淀法：利用某些物質(zhì)在有機(jī)溶劑中的溶解度不同而使其分離的方法。原理：有機(jī)溶劑能降低溶液的介電常數(shù)，使溶質(zhì)分子間因引力而凝集；或破壞水膜(降低水活度)而溶解度降低；或破壞pro副鍵，改變其空間結(jié)構(gòu)而使疏水基團(tuán)暴露而析出。優(yōu)點(diǎn)：溶劑易除；

缺點(diǎn)：易使蛋白質(zhì)變性。影響有機(jī)溶劑沉淀的因素：①溶劑的種類和數(shù)量：丙酮>乙醇>甲醇②沉淀的溫度：溫度越低沉淀越完全。

3.1.5鹽析法：鹽與蛋白質(zhì)溶解度的關(guān)系：(1)鹽溶：[鹽]低時(shí)，S隨[鹽]增加而增加；(2)鹽析：[鹽]高時(shí)，S隨[鹽]增加而降低；溶解度與鹽濃度的關(guān)系可用下式表示：

logS=β－KSI。S：蛋白質(zhì)的溶解度；I：離子強(qiáng)度；β：常數(shù)，與蛋白質(zhì)種類有關(guān)，與鹽的種類無(wú)關(guān)；KS：鹽析常數(shù)，與鹽種類有關(guān)，與溫度和pH無(wú)關(guān)；（1）機(jī)理：蛋白膠體穩(wěn)定的原因是蛋白質(zhì)顆粒周圍水化膜和電荷的存在。加入鹽，中和表面電荷、破壞水化膜。（2）影響鹽析的因素：鹽種類影響KS，KS越大，效果越好。鹽析劑用量。溫度和pH：影響β值而影響S。尤其是影響相對(duì)溶解度。雜質(zhì)。（3）注意事項(xiàng)①[鹽]因被提取物種類不同而不同；②[鹽]因被提取物的來(lái)源不同而不同；③雜質(zhì)對(duì)鹽析有影響；④鹽析時(shí)的pH≈pI（？）；⑤鹽析產(chǎn)品還需進(jìn)一步純化（？）；

3.1.5其它（1）加熱沉淀法：蛋白質(zhì)的熱變性；適用于變性活化能差別較大的蛋白質(zhì)分離。熱穩(wěn)定性。（2）非離子型聚合物沉淀法：與有機(jī)溶劑相似，能降低水化度。（3）聚電解質(zhì)：作用機(jī)制復(fù)雜，有絮凝作用，也有鹽析作用，還有降低水化等作用。

3.2樹(shù)脂法和吸附法樹(shù)脂法：利用樹(shù)脂與產(chǎn)物結(jié)合，讓產(chǎn)物保留在樹(shù)脂上與雜質(zhì)分開(kāi)，再?gòu)臉?shù)脂上洗脫產(chǎn)物或讓雜質(zhì)與樹(shù)脂結(jié)合，產(chǎn)物直接流出。有吸附樹(shù)脂和離子交換樹(shù)脂。特點(diǎn)：高效、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、易于自動(dòng)化、減少三廢等。原理：（圖）離子交換樹(shù)脂是用有機(jī)合成方法，將苯乙烯或丙烯酸(酯)聚合生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的骨架，再在骨架上導(dǎo)入不同類型的化學(xué)活性基團(tuán)(通常為酸性或堿性基團(tuán))而制成。

不溶于水和一般溶劑。大多數(shù)顆粒狀，也有一些纖維狀或粉狀。樹(shù)脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm范圍內(nèi)，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機(jī)械強(qiáng)度(堅(jiān)牢性)，化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定，有較長(zhǎng)的使用壽命。//離子交換樹(shù)脂中含有一種(或幾種)化學(xué)活性基團(tuán)，它即是交換官能團(tuán)，在水溶液中能離解出某些陽(yáng)離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH-或叫姐姐，Cl-)，同時(shí)吸附溶液中原來(lái)存有的其他陽(yáng)離子或陰離子。即樹(shù)脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來(lái)。

離子交換的類型按組分：(有機(jī)、無(wú)機(jī))離子交換劑。按性能：(陽(yáng)、陰、兩性、吸附型、選擇型、氧化還原型)離子交換劑。

（1）陽(yáng)離子交換劑：強(qiáng)酸型：(-R-SO3H)中性：弱酸性：

（2）陰離子交換劑：都含有氨基。強(qiáng)：季胺酸[-N+(CH3)3]；弱：叔-N(CH3)2,、仲(-NHCH3)、伯(-NH2)。（3）兩性離子交換劑：交換劑本體上同時(shí)帶有酸性和堿性基團(tuán)。（4）選擇性離子交換樹(shù)脂：又稱螯合性離子交換樹(shù)脂，因?yàn)橛信c金屬離子形成螯合物的基團(tuán)，而具有離子選擇性。（5）吸附樹(shù)脂：亦稱脫色樹(shù)脂，有較大的表面積，具多孔性，吸附功能強(qiáng)。（6）電子交換樹(shù)脂其作用不是進(jìn)行離子交換而是電子轉(zhuǎn)移，能起氧化還原作用，(亦稱氧還樹(shù)脂)可用氧化劑或還原劑再生。

離子交換樹(shù)脂的理化性能a.對(duì)離子交換樹(shù)脂的一般要求：（1）容量大（活性基團(tuán)/重量）。足夠多含活性基因；基團(tuán)能完全電離。（2）良好的可逆性。（3）適宜的機(jī)械強(qiáng)度。（4）化學(xué)穩(wěn)定性。b、離換樹(shù)脂的處理、再生、轉(zhuǎn)型、保存（1）處理：樹(shù)脂浸泡→酸處理→堿處理液→水洗（2）再生：使用過(guò)的樹(shù)脂恢復(fù)到原狀況的方法（往往只作簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)型處理）。（3）轉(zhuǎn)型：使樹(shù)脂上帶上使用時(shí)希望的離子。（如：Na型用氫氧化鈉；H型用鹽酸處理；NH4+型：用氨水處理）（4）保存：中型鹽型保存陰離子交換樹(shù)脂，Cl－型較OH－穩(wěn)定。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。Na＋型穩(wěn)定。c、交換樹(shù)脂的理化特性（1）顆粒度：顆粒小，交換速度快，壓力損失較大。（2）含水量：一般40-60%。（3）比重：①干真比重：干燥狀態(tài)下樹(shù)脂材料本身的比重。②濕真比重：充分膨脹后樹(shù)脂顆粒本身的比重。③視比重：指樹(shù)脂充分吸水膨脹后的堆積密度。（4）膨脹性：因可交換離子不同而不同。一般強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂由Na+變?yōu)镠+型，強(qiáng)堿性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂由Cl型變?yōu)镺H型，體積都大約增加5%。膨脹性在實(shí)際中的意義：①陽(yáng)、陰樹(shù)脂混合床的分層。②盡量減少再生次數(shù)。（5）耐磨損強(qiáng)度：樹(shù)脂在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損。一般每年為3-7%（6）耐熱性：有一定的耐熱性能，溫度過(guò)高或過(guò)低，對(duì)強(qiáng)度和容量都會(huì)有影響。一般：陽(yáng)比陰樹(shù)脂的耐熱性高，其中鹽型比游離型的耐熱性高。（7）交換容量：指樹(shù)脂交換能力的大小，是衡量樹(shù)脂性能的重要指標(biāo)。兩種表示方法：①理論(全)交換量：樹(shù)脂的特性決定。②工作(操作)交換量：受操作條件、柱長(zhǎng)度、粒度、離子性質(zhì)。濃度、流速、交換基團(tuán)等因素的影響。一般：弱酸（堿）>強(qiáng)酸（堿）樹(shù)脂。交聯(lián)度小的交換容量大。離子交換操作方式：1、分批法：交換在一容器中進(jìn)行。2、固定床法：也稱柱過(guò)濾法，交換在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行。分批法不如固定床法好：用分批法，因?yàn)榻粨Q受到平衡的限制，樹(shù)脂的飽和度不高。而固定床法，樹(shù)脂的飽和度高（當(dāng)然同樣存在平衡限制的情況），因?yàn)橐后w在流動(dòng)的過(guò)程中，平衡狀態(tài)因新的溶液的流入而逐漸被所打破，使離子交換速度加快。離子交換樹(shù)脂的品種：。國(guó)外一些產(chǎn)品用字母c代表陽(yáng)離子樹(shù)脂(c為cation的第一個(gè)字母)，a代表陰離子樹(shù)脂(a為anion的第一個(gè)字母)，如amberlite的irc和ira分別為陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，亦分別代表陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂。我國(guó)化工部規(guī)定(hg2-884-76)，離子交換樹(shù)脂的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類：0代表強(qiáng)酸性，1代表弱酸性，2代表強(qiáng)堿性，3代表弱堿性，4代表螯合性，5代表兩性，6代表氧化還原。第二位數(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu)：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表環(huán)氧系等。第三位數(shù)字為順序號(hào)，用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異。此外大孔型樹(shù)脂在數(shù)字前加字母d。因此，d001是大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系樹(shù)脂。（圖）

化學(xué)反應(yīng)（以提取谷氨酸為例：）圖工藝流程（以提取谷氨酸為例：）

①上柱：發(fā)酵液→→稀釋并調(diào)pH5.0～5.5→→倒上柱→→陽(yáng)離子交換樹(shù)脂→→水洗→→60℃，4%NaOH洗脫→→高流分收集→→調(diào)pH3.2結(jié)晶→→離心分離→→谷氨酸②樹(shù)脂處理：離子交換柱→→水洗（反洗，正洗）→→5.4%HCL再生→→水洗③樹(shù)脂再交換：母液+漏液（倒沖水）+低流分→→樹(shù)脂再交換

吸附法：固體表面分子受力不平衡，界面分子力場(chǎng)不飽和，而具有吸附分子、原子、離子的能力。吸附主要有三類型：物理、化學(xué)、交換吸附；工業(yè)中常用物理吸附和交換吸附。

吸附劑要求：①自身不溶解，也不破壞或分解被分離物。②表面積大。③大小均勻。工業(yè)用吸附劑主要有三類型：(1)疏水或非極性吸附劑：適合于從極性溶媒(水)中吸附溶質(zhì)。

代表是活性碳，有疏水性。在極性液中，吸附力：溶質(zhì)>溶媒，有環(huán)>無(wú)環(huán)。(2)親水或極性吸附劑：適用于從非極性或小極性溶媒中吸附溶質(zhì)。代表：硅膠，氧化鋁，活性土（鋁硅酸），有酸性、堿性、中性之分。堿性物質(zhì)→→酸性吸附劑，反之亦然。(3)離子交換樹(shù)脂吸附劑：屬極性吸附劑，與（2）不同的是，還具有離子交換的性能。注意：①根據(jù)提煉的性質(zhì)選擇恰當(dāng)?shù)念愋汀＂诨钚蕴康倪x擇性差。吸附操作工藝：（1）固定床吸附操作：吸附穿透點(diǎn)溶質(zhì)洗脫，吸附劑再生；可進(jìn)行多床串聯(lián)的半連續(xù)操作（2）膨脹床吸附操作：孔隙率高，可處理菌體懸浮液。吸附劑：較高吸附能力，一定密度（抵御流速）。結(jié)構(gòu)：液體分布器使流速均勻。流程：緩沖液→吸附清洗→固定床清洗→固定床洗脫。變速操作：（3）流化床吸附操作：循環(huán)進(jìn)液，流速較高。不許特殊吸附劑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可連續(xù)操作。返混劇烈，吸附劑利用效率較低。（4）移動(dòng)床和模擬移動(dòng)床吸附操作：固相相對(duì)運(yùn)動(dòng)活性炭吸附法：活性炭吸附抗生素：向抗生素發(fā)酵液中加入活性炭，攪拌或振搖一定時(shí)間后使抗生素有效成分吸附于活性炭上，然后過(guò)濾棄去濾液，洗滌碳餅，去雜后即可進(jìn)行洗脫。

注意：1）調(diào)節(jié)適當(dāng)pH；2）保持一定濕度；3）合理用量；4）充分?jǐn)嚢瑁?）洗脫溶劑的溫度、pH、用量，少量多次。活性炭吸附脫色。

3.3蒸餾提取分離法：蒸餾原理：揮發(fā)性差異＋部分汽化與冷凝操作。精餾：相對(duì)揮發(fā)性差異＋多次部分汽化與冷凝操作。確定蒸餾流程和工藝參數(shù)的依據(jù)：產(chǎn)品要求、雜質(zhì)種類、特性等。

3.3.1、蒸餾流程的選擇依據(jù)：1.原料和成熟醪特性2.產(chǎn)品質(zhì)量要求3.節(jié)約：蒸汽、水循環(huán)使用。投資=>如塔的高度，采用公用管道。4.操作方便：多元組分分離的先后順序

3.3.2工業(yè)發(fā)酵中各種蒸餾的特點(diǎn)：1.酒精工業(yè)中蒸餾的特點(diǎn)：原料有：淀粉質(zhì)、糖蜜、纖維素。原料不同→發(fā)酵過(guò)程中生成雜質(zhì)也不同→蒸餾操作的具體過(guò)程不同。⑴淀粉質(zhì)原料

若蛋白質(zhì)含量高→雜醇油較多→（注意除之）；果膠含量高→甲醇較多→（注意除之）。⑵糖原料醛酯含量高（是注意分離重點(diǎn)）；干物質(zhì)含量高時(shí)，注意塔板形式的選擇。⑶纖維素、廢紙漿原料：甲醇含量高、酒度低、易積垢。2、白酒蒸餾的特點(diǎn)：要求：成品中不僅具有一定的乙醇，還要求有一定含量的酯酸，以保證其成品的特殊的香味、口味。溫度不能太高，酒度不能太高，盡量能將醪中的酸、酯等呈香物質(zhì)提取出來(lái)。3、丙酮-丁醇蒸餾的特點(diǎn)：

多元混合物蒸餾：多塔式蒸餾,不同塔提取不同產(chǎn)物。兩種流程：醪→醪塔(乙丙丁醇水)→丙酮塔→乙醇丁醇塔→丁醇塔→丙醇乙醇→丙酮塔→乙醇精餾塔(圖)3.4萃取法。原理：以分配定律為基礎(chǔ)。即，物質(zhì)因溶解度不同，從一種溶劑轉(zhuǎn)入另一溶劑而被分離。分配定律：在恒溫、恒壓下，一種物質(zhì)在兩種溶劑中的分配濃度比是常數(shù)。最適萃取次數(shù)計(jì)算方法：

3.4.1溶媒萃取法（1）單級(jí)萃�。�?jiǎn)渭?jí)萃取流程示意圖

（2）多次錯(cuò)流萃�。憾啻五e(cuò)流萃取系統(tǒng)

（3）多極逆流萃�。憾啻文媪鬏腿∠到y(tǒng)

（4）青霉素G的溶媒萃�。毫鞒虉D

①噴淋塔：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔體內(nèi)除各流股物；料進(jìn)出的連接管和分散裝外，別無(wú)其它內(nèi)部構(gòu)件。缺點(diǎn)：軸向返混嚴(yán)重，傳質(zhì)效率低。適于僅需一、二個(gè)理論級(jí)的場(chǎng)合。

②填料萃取塔：塔內(nèi)充填適宜的填料，塔兩端裝有兩相進(jìn)出口管。連續(xù)相充滿整個(gè)塔，分散相由分布器分散成液滴進(jìn)入填料層，在與連續(xù)相逆流接觸中進(jìn)行萃取。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作方便，故在工業(yè)上有一定的應(yīng)用。對(duì)兩相的流動(dòng)有所改善，返混有所抑制，但其級(jí)效率仍然較小。適于理論級(jí)小于3，處理量較小的場(chǎng)合。③篩板萃取塔表面更新好。多層篩板使分散相多次分散及凝聚，表面得以多次的更新。限制了軸向的返混。塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。級(jí)效率不太高：適于所需理論級(jí)數(shù)較少、處理量較大，而且物系具有腐蝕性的場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)在芳烴抽提中應(yīng)用篩板塔獲得了良好的效果。④脈沖篩板塔：外力作用使液體在塔內(nèi)產(chǎn)生脈沖運(yùn)動(dòng)，迫使液體經(jīng)過(guò)篩板上的小孔，使分散相破碎成較小的液滴分散在連續(xù)相中，并形成強(qiáng)烈的湍動(dòng)，從而促進(jìn)傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行。塔兩端直徑較大部分為上澄清段和下澄清段，中間為兩相傳質(zhì)段，其中裝有若干層具有小孔的篩板，板間距較小，一般為50mm。脈沖頻率較高、振幅較小時(shí)萃取效果較好。如脈沖過(guò)于激烈，將導(dǎo)致嚴(yán)重的軸向返混，傳質(zhì)效率反而下降。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳質(zhì)效率高，但生產(chǎn)能力有限。

⑤往復(fù)篩板萃取塔：將若干層篩板按一定間距固定在中心軸上，由塔頂?shù)膫鲃?dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)而作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)篩板向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，迫使篩板上側(cè)的液體經(jīng)篩孔向下噴射；當(dāng)篩板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，又迫使篩板下側(cè)的液體向上噴射。萃取效率與塔板的往復(fù)頻率密切相關(guān)。當(dāng)振幅一定時(shí)，效率隨頻率的增大而提高�？奢^大幅度地增加相際接觸面積和提高液體的湍動(dòng)程度，傳質(zhì)效率高，生產(chǎn)能力大，在石油化工、食品、制藥等工業(yè)中應(yīng)用廣泛。⑥轉(zhuǎn)盤(pán)萃取塔：在圓柱形的塔體內(nèi)裝有多層固定環(huán)形擋板，稱為定環(huán)。定環(huán)將塔隔成多個(gè)空間，兩定環(huán)之間均裝一轉(zhuǎn)盤(pán)。轉(zhuǎn)盤(pán)固定在中心轉(zhuǎn)軸上，由塔頂?shù)碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。塔兩端留有一定的空間作為澄清室，并以柵型擋板與中段萃取段隔開(kāi)，以減少萃取擾動(dòng)影響分層。

轉(zhuǎn)盤(pán)塔傳質(zhì)效率較高：當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)以較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)則帶動(dòng)其附近的液體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使液體內(nèi)部形成速度梯度，產(chǎn)生剪應(yīng)力，使連續(xù)相產(chǎn)生渦流，處于湍動(dòng)的狀態(tài)，而使分散相液滴變形，以致破裂或合并，以增加相際傳質(zhì)面積，促進(jìn)表面更新。而其定環(huán)則將旋渦運(yùn)動(dòng)限制在由定環(huán)分割的若干個(gè)小空間內(nèi)，抑制了軸向返混。由于轉(zhuǎn)盤(pán)及定環(huán)均較薄而光滑，不至于使局部的剪應(yīng)力過(guò)高，避免了乳化現(xiàn)象，有利于兩相的分離。

影響溶媒萃取的主要因素：（1）乳化：1)乳化即液體分散體系。其存在會(huì)使有機(jī)溶媒和水相分層困難。乳化液的二種類型：①水包油型O/W；②油包水型W/O。2)破壞乳濁液的方法：

①過(guò)濾和離心分離法；②加熱法；③稀釋法；④加電解質(zhì)法；⑤吸附法；⑥頂替法；⑦轉(zhuǎn)型法（2）pH：影響物質(zhì)在溶劑中的溶解度；影響物質(zhì)的選擇性。（3）溫度：影響傳質(zhì)速率，改變萃取速度。（4）鹽析作用：加入鹽，既降低物質(zhì)在水中的溶解度，提高其在有機(jī)相中的溶解量。同時(shí)，也降低了有機(jī)溶媒在水中的溶解度。（5）帶溶劑（6）溶媒的選擇：較大的溶解度和良好的選擇性；相似相溶。

3.4.2雙水相萃取法(twoaqueousphaseextraction)一些高分子水溶液（如聚乙二醇硫酸鹽水溶液）可以分為兩個(gè)水相，蛋白質(zhì)在兩個(gè)水相中的溶解度有較大差別。K=CT/C。應(yīng)用：對(duì)溫度無(wú)影響。不損害生物活性。采用生物特異性的配基可以提高選擇性�！�可用于澄清發(fā)酵液分離，也可用于處理細(xì)胞懸浮液。雙水相系統(tǒng)提取人生長(zhǎng)激素

3.4.3反膠束萃取法：反微團(tuán)（reversedmicelles）萃取。機(jī)理：帶電蛋白質(zhì)與反微團(tuán)極性頭之間的靜電作用力是蛋白質(zhì)從水相遷入有機(jī)相，改變條件后又可以回到水相。應(yīng)用：陰離子表面活性劑OT（AOT）；陽(yáng)離子表面活性劑TOMAC；有機(jī)溶劑異辛烷

3.4.4超臨界流體萃�。⊿FE）：原理：利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)系，即利用壓力和溫度對(duì)超臨界流體溶解能力的影響而進(jìn)行的。在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取出來(lái)。借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質(zhì)則完全或基本析出。

超臨界流體萃取的流程包括：（1）超臨界流體發(fā)生源，由萃取劑儲(chǔ)瓶、高壓泵及其他附屬裝置組成。（2）超臨界流體萃取部分，由樣品萃取管及附屬裝置組成，隨著流體的流動(dòng)，使含被萃取溶質(zhì)的流體與樣品基體分開(kāi)。（3）溶質(zhì)減壓吸附分離部分，由噴口及吸收管組成，萃取出來(lái)的。溶質(zhì)及流體減壓降溫轉(zhuǎn)化學(xué)常溫常壓態(tài)，流體揮發(fā)逸出，溶質(zhì)吸附在吸收管內(nèi)多孔填料表面，用合適溶劑就可把溶質(zhì)洗脫收集。

萃取條件的選擇有幾種情況：（1）同一種流體選擇不同的壓力來(lái)改變提取條件，從而提取出不同類型的化合物；（2）根據(jù)提取物在不同條件下，在超臨界流體中的溶解性來(lái)選擇合適的提取條件；（3）將分析物沉積在吸附劑上，用超臨界流體洗脫，以達(dá)到分類選擇提取的目的；（4）對(duì)極性較大的組分，可用甲醇增加萃取劑強(qiáng)度。影響萃取效率的因素除了萃取劑流體的壓力、組成、萃取溫度外，萃取過(guò)程的時(shí)間及吸收管的溫度也影響萃取效率，萃取時(shí)間取決于兩個(gè)因素：（1）是被萃取物在流體中的溶解度，溶解度越大，萃取效率越高，速度也越快；（2）是被萃取物質(zhì)在基體中的傳質(zhì)速率越大，萃取越完全，效率也越高。收集器或吸收管的溫度也會(huì)影響到回收率，降低溫度有利于提高回收率。SFE在生物工程方面的應(yīng)用：近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)超臨界條件下的酶催化反應(yīng)可用于某些化合物的合成和拆分。在超臨界或亞臨界條件下的水可作為一種酸催化劑，對(duì)纖維素的轉(zhuǎn)化起催化作用，使其迅速轉(zhuǎn)化為葡萄糖。用于物質(zhì)結(jié)晶和超細(xì)顆粒的制備當(dāng)中。用超臨界CO2作介質(zhì)，高壓CO2易于滲透到細(xì)胞內(nèi)，突然降壓，細(xì)胞內(nèi)因胞內(nèi)外較大的壓差而急劇膨脹發(fā)生破裂。

3.5凝膠層析法：層析法：層析系統(tǒng)都由兩個(gè)相組成：固定相+流動(dòng)相。//待分離的混合物通過(guò)固定相時(shí)，與兩相發(fā)生相互作用（吸附、溶解、結(jié)合等）的能力不同，在兩相中的分配（含量對(duì)比）不同，隨流動(dòng)相移動(dòng)的速度不同。//分部收集流出液，可得到樣品中所含的各單一組份。按兩相所處狀態(tài)分類

按層析原理分類

按操作形式不同分類

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凝膠層析法的原理：兩種運(yùn)動(dòng)垂直向下運(yùn)動(dòng)和布朗運(yùn)動(dòng)。大分子：分布于凝膠顆粒的間隙，以較快的速度流過(guò)層析柱；小分子：能不斷地進(jìn)出于一個(gè)又一個(gè)的顆粒微孔的內(nèi)外；組分：分子按由大到小的順序先后而分離。

常用凝膠：由于膠體溶液凝結(jié)而成的固體物質(zhì),其內(nèi)部具有很微細(xì)的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).層析法中常用凝膠有：1.天然：(1)馬鈴薯淀粉凝膠(2)瓊脂和瓊脂糖凝膠2.人工合成：(1)聚丙烯酰胺凝膠(2)交聯(lián)的葡萄糖凝膠（1）瓊脂糖凝膠（agarosegel）由瓊脂中分離出來(lái)的天然凝膠，依靠糖鏈之間的次級(jí)鍵維持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瓊脂糖密度越大，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越密集�？煞蛛x相對(duì)分子質(zhì)量108的大分子及病毒，但由于瓊脂的強(qiáng)吸附作用，洗脫困難，瓊脂糖凝膠做成珠狀后不再脫水干燥，否則不能溶脹恢復(fù)原有。

（2）聚丙烯酰胺（Bio-GelP)：人工合成凝膠，以丙烯酰胺為單位，由甲叉雙丙烯酰胺

交聯(lián)而成。交聯(lián)劑越多，孔隙度越小。不耐酸：pH2-11。商品聚丙烯酰胺為顆粒狀干粉，有成塊粘附傾向，在溶劑中自動(dòng)溶脹成膠。根據(jù)聚丙烯酰胺凝膠的溶脹性質(zhì)和分離范圍的不同，可分成10種類型。各種類型均以英文字母P和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，從Bio-GelP-2至Bio-Ge1P-300。P后面的阿拉伯?dāng)?shù)字乘以1000即相當(dāng)于排阻限度（按球蛋白或肽計(jì)算）。（3）交聯(lián)葡聚糖凝膠（Sephadex)葡聚糖凝膠（Sephadex）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是目前生化產(chǎn)品制備中最常用的凝膠。葡聚糖凝膠網(wǎng)孔大小可通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)劑和葡聚糖的配比

及反應(yīng)條件來(lái)控制。交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，吸水膨脹就越小。交聯(lián)度越小，網(wǎng)孔越大，吸水膨脹就越大。G類葡聚糖凝膠常用G-X代表，X數(shù)字既代表交聯(lián)度，也代表持水量：數(shù)字越小，交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，適用于分離低分子質(zhì)量生化產(chǎn)品。數(shù)字越大，交聯(lián)度越小，網(wǎng)孔越大，適用于分離高分子生化產(chǎn)品。數(shù)字也代表凝膠的持水量，如G-25表示1g干膠持水G-100表示1g干膠持水10mL，依次類推。

凝膠層析的基本操作：1．層析柱的選擇：層析柱大小主要是根據(jù)樣品量的多少以及對(duì)分辨率的要求來(lái)進(jìn)行選擇。一般來(lái)講，主要是層析柱的長(zhǎng)度對(duì)分辨率影響較大，長(zhǎng)的層析柱分辨率要比短的高；但層析柱過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起柱子不均一、流速過(guò)慢等困難。一般柱長(zhǎng)度不超過(guò)100cm，可以將柱子串聯(lián)使用。層析柱的直徑和長(zhǎng)度比一般在1：25～1：100之間。

2凝膠的選擇與處理：(1)孔徑r正比與凝膠聚合物分子直徑d，反比于凝膠濃度平方根。(2).選擇適宜的凝膠是取得良好分離效果的最根本的保證。選取何種凝膠及其型號(hào)、粒度，一方面要考慮凝膠的性質(zhì)，包括凝膠的分離范圍（滲入限與排阻限）還有它的理化穩(wěn)定性、強(qiáng)度、非特異吸附性質(zhì)等；另一方面還要注意到分離目的和樣品的性質(zhì)。(3)細(xì)粒凝膠柱流速低，但洗脫峰窄，分辨率高，多用于精制分離或分析等。(4)粗粒凝膠柱流速高，但洗脫峰平坦，分辨率低，多用于粗制分離，脫鹽等。(5)一般柱層析中，使用干顆粒直徑在70μm左右較合適。對(duì)于在水中保存的凝膠如瓊脂粉凝膠顆粒直徑應(yīng)在150μm左右。(6)凝膠顆粒大小要均勻，這樣流速穩(wěn)定，效果較好。(7)干粉形式保存使用前用水或洗脫緩沖液充分溶脹：將干膠往水里加，邊加邊攪，以防凝膠結(jié)塊，然后放到沸水浴中加熱接近100℃，幾個(gè)小時(shí)就可以使其溶脹，還可起到除去顆粒內(nèi)部氣泡和殺菌作用。3裝柱：緩慢加入，自然沉積，逐層水平上升，可得均勻柱。柱裝得不好往往造成洗脫區(qū)帶加寬，甚至使一些本來(lái)可以分開(kāi)的區(qū)帶重疊。裝柱時(shí)操作壓力太大，會(huì)使凝膠床壓得太實(shí)，從而降低流速。新柱裝好后，要用洗脫緩沖液平衡，一般用35倍體積的緩沖液在恒壓下流過(guò)柱床。檢驗(yàn)均勻性：可用帶色的高分子物質(zhì)如藍(lán)色葡聚糖-201*配成2mg/mL的溶液過(guò)柱，觀察色帶是否均勻下降。也可以對(duì)光檢查，看其是否均勻或有無(wú)氣泡存在。4加樣：要求樣品粘度小于0.01Pas。對(duì)蛋白質(zhì)類樣品濃度以不大于4％為宜。如果樣品渾濁，應(yīng)先過(guò)濾或離心除去顆粒后上柱。分析用量一般為每100mL床體積加樣品1～2mL。制備用量一般為每100mL床體積加樣品20～30mL。樣品與柱床體積比例懸殊時(shí)分離效果好，但過(guò)少的樣品量不但會(huì)造成設(shè)備和器材的浪費(fèi)，降低工作效率，還會(huì)造成樣品稀釋。加樣時(shí)應(yīng)盡量減少樣品的稀釋及凝膠床面的攪動(dòng)。否則將造成色譜帶擴(kuò)散、紊亂，嚴(yán)重影響分離效果。5洗脫：保持一定的操作壓、流速、冼脫液成分，以防凝膠顆粒的漲縮引起柱床體積變化或流速改變。洗脫液：主要取決于待分離樣品，一般來(lái)說(shuō)只要能溶解被洗脫物質(zhì)并不使其變性的緩沖液都可以用于凝膠層析。為了防止凝膠可能有吸附作用，一般也采用緩沖鹽。

操作注意：(1)凝膠的選擇要恰當(dāng)(據(jù)發(fā)酵醪、產(chǎn)物性質(zhì)而定)。(2)須膨脹后使用。(3)裝柱后要洗滌。(4)要反沖除雜質(zhì)。(5)保存須防腐。

影響凝膠層析的因素：1.種類(選擇)：應(yīng)視處理液和洗脫液的性質(zhì)而定。2.粒度：粒度的大小影響顆粒間間隙的大小，從而影響分離效果。3.洗脫液的速度：恒定、合適。流速的快慢,會(huì)導(dǎo)致色層譜變形，影響分離效果。保持洗脫速度恒定通常有兩種方法，一種是使用恒流泵，另一種是恒壓重力洗脫。4.離子強(qiáng)度和pH值：非水溶性物質(zhì)→→有機(jī)劑洗脫；水溶性物質(zhì)→→水或緩沖洗脫液(具有不同離子強(qiáng)度和pH值)洗脫。較快的流速下得到的冼脫峰寬。流速低洗脫峰窄而高。也就是說(shuō)，流速較低，分辨率較高，樣品稀釋較輕。5.樣品液體積：體積比濃度的影響更大,5-10%。6.凝膠柱長(zhǎng)度、直徑柱長(zhǎng)：直徑=10：1或7：1。7.Vi和V0對(duì)于裝填良好的柱V0/Vi=40-60%

防止微生物污染的方法。防止污染的辦法：加抑菌劑加防腐劑。工業(yè)用防腐劑要求：①不與凝膠發(fā)生作用。②不會(huì)引起溶質(zhì)變化。③不會(huì)使凝膠色澤變化。凝膠的再生：方法：視污染程度不同而不同(1)局部增補(bǔ)凝膠(局部)。(2)酸、堿再生(輕度)。(3)綜合再生(嚴(yán)重)。現(xiàn)象：多次使用，凝膠顆�？赡苤饾u沉積壓緊，流速變慢。處理方法：將凝膠自柱內(nèi)倒出重新填裝；反沖法，使凝膠松散沖起，然后自然沉降，形成新的柱床。

凝膠用過(guò)后，有幾種保存方法：濕態(tài)保存：在水相中加防腐劑，或水洗到中性，高壓滅菌

封存（或低溫存放）；半收縮保存：水洗濾干，加％乙醇使膠收縮，再浸泡于70％乙醇中保存；干燥保存：水洗濾干，依次用50%-70%-90%-95%乙醇脫水，再用乙醚洗去乙醇，干燥(或60～80℃烘干）后保存。凝膠層析在工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用：脫鹽、去除熱源物質(zhì)、濃縮、分析、分子量測(cè)定、純化青霉素等。

凝膠層析常見(jiàn)問(wèn)題1．流速慢（1）有氣泡、出水管阻塞（2）沒(méi)打開(kāi)夾子（3）柱壓太緊（操作壓過(guò)大、長(zhǎng)期使用、接頭漏氣）。2．柱內(nèi)產(chǎn)生氣泡（1）上水口不流或皮管破裂，洗脫液外流（2）接口漏氣，如上水口螺絲擰的不緊。3．條帶扭曲（1）膠面不平（2）樣品或洗脫液中有顆粒（3）裝柱不均勻。4．分辯率不高（1）裝柱不均勻（2）樣品量過(guò)大（3）流速太快（4）柱不垂直或不合適（5）長(zhǎng)菌（6）拄下口軟管太長(zhǎng)（7）膠不適當(dāng)。3.6.1膜分離法：利用可解離基團(tuán)，在外電場(chǎng)作用下，經(jīng)過(guò)選擇透過(guò)性高分子膜，使多種帶電性物質(zhì)分離的方法。離換樹(shù)脂：離子間的交換是它的主要機(jī)理。離子交換膜：離子選擇透過(guò)是主要機(jī)理。

3.6.2膜分離技術(shù)分類

透析：鹽濃度差異→生物大分子溶液的脫鹽；超濾、微濾孔徑：超濾<微濾；壓差：超濾>微濾。對(duì)象：超濾for分子，微濾for菌體。反滲透：外加壓力大于濃度產(chǎn)生的壓力差，用于1nm以下小分子的濃縮。電滲析：For脫鹽，分離小分子電解質(zhì)。滲透汽化：液體混合物在膜兩側(cè)有壓差，被分離混合物中某組分可優(yōu)先透過(guò)膜，在膜得下游側(cè)汽化去除。材料，適用范圍。液膜技術(shù)：液液萃取+膜技術(shù)→液體固定成膜。根據(jù)：物質(zhì)在液膜內(nèi)溶解度不同，輔助化學(xué)反應(yīng)。氣體滲透：氣體滲透速率差異→利用氣體膜分離不同氣體影響離子交換膜電滲析的因素（1）膜電位：膜電位是由膜兩側(cè)溶液中離子濃度不等和膜的選擇透過(guò)性能所引起。膜電位的產(chǎn)生會(huì)促進(jìn)一種離子擴(kuò)散而抑制另一種離子的擴(kuò)散。（2）結(jié)垢：因生成氫氧化物而出現(xiàn)。解決措施：正負(fù)電極反接；也可用HCl、H2SO4調(diào)pH，或添加偏磷酸鈉。（3）極化：工作狀態(tài)下，因離子“真空”

＋－

現(xiàn)象出現(xiàn)，而導(dǎo)致水離解為H和OH離子的現(xiàn)象。

電子交換膜分類：膜的種類：按材料的來(lái)源可分為天然生物膜與人工合成膜；按膜分離過(guò)程的推動(dòng)力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度差等膜；按膜的結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱和非對(duì)稱膜兩大類，其中非對(duì)稱膜還可細(xì)分為多孔膜、疊合膜以及復(fù)合膜等。工業(yè)用離子交換膜必備的條件：(1)性能：選擇性；高的離子透過(guò)性；好的導(dǎo)電性；(2)一定的機(jī)械強(qiáng)度；均勻光潔；膨脹性小；(3)化學(xué)穩(wěn)定性好；(4)價(jià)格便宜.

4.1濃縮：去除溶劑，將低濃度→→高濃度。據(jù)去除溶劑方式，而分為：蒸發(fā)、冰凍、吸收、超濃縮。用于：有機(jī)酸、氨基酸、核苷酸、酶制劑等的發(fā)酵液及提取液。

4.1.1蒸發(fā)濃縮：將溶液加熱到沸騰，溶劑蒸發(fā)，溶質(zhì)留下。機(jī)理：某一溫度下，溶液具有一定的飽和蒸汽壓，當(dāng)液面溶劑蒸汽分子密度很小時(shí)，溶劑分子就會(huì)不斷地汽化逸出空間，

以維持這一飽和蒸汽壓。分子受熱動(dòng)能增加。受熱越多，獲得的動(dòng)能也越大，分子逃離的可能性越大。低溫時(shí)，分子的動(dòng)能小，運(yùn)動(dòng)速度慢，不能遠(yuǎn)離汽相和液相的空間，蒸發(fā)速度很慢。影響蒸發(fā)濃縮的因素：溫度：高，動(dòng)能大；面積：大，汽化的分子數(shù)多、蒸速快；溶劑蒸汽壓：越大，越慢；蒸發(fā)濃縮的工業(yè)分類：常壓：環(huán)管、橫管豎、夾套、外循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)、薄膜。真空：?jiǎn)涡�、多效。蒸發(fā)濃縮過(guò)程的選擇和要求：（1）選擇：蒸發(fā)方法因被蒸發(fā)溶液的性質(zhì)不同而不同(如①熱敏性；②高粘度；③易結(jié)垢或析出晶體；④發(fā)泡；⑤腐蝕性)（2）要求：傳熱強(qiáng)度大，汽液分離好，設(shè)備適應(yīng)物料性質(zhì)。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮過(guò)程：料液流速大，傳熱系數(shù)高，適宜濃縮粘度大，易結(jié)晶結(jié)構(gòu)的物料；但動(dòng)力消耗大。薄膜蒸發(fā)濃縮：薄層流動(dòng)，短時(shí)受熱，高效傳熱。分為：升膜式；降膜式；回轉(zhuǎn)式；離心式；板式

4.1.2冰凍濃縮法：在冰凍時(shí)，水分子結(jié)成冰。鹽類及發(fā)酵產(chǎn)品不進(jìn)入冰內(nèi)而留在液相中。

4.1.3吸收濃縮：吸收劑直接吸收溶劑分子，使溶液濃縮。基本要求：吸收劑與溶液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4.1.4超濾濃縮法使用特殊的薄膜選擇性透過(guò)溶質(zhì)。常用作生物大分子的濃縮和脫鹽。超濾膜用惰性載體支撐。4.2結(jié)晶：物質(zhì)有結(jié)晶和無(wú)定形兩種狀態(tài)，區(qū)別在于構(gòu)成單位的排列方式是否規(guī)則。

結(jié)晶：利用可溶物質(zhì)的溶解性及其受溫度變化影響不同，使溶質(zhì)以晶體狀態(tài)從溶液中析出的過(guò)程=>制備純物質(zhì)的有效方法，具有高度的選擇性。廣泛應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)中。

4.2.1晶體性質(zhì)：①連續(xù)、均一性；②各向異性；③對(duì)稱性。4.2.2物質(zhì)形成晶體的條件：

①要有能形成晶體的物質(zhì)。②溶質(zhì)的純度。③溶液的飽和度。形成晶體的必要條件：超過(guò)飽和狀態(tài)，即當(dāng)溶液達(dá)到某一過(guò)飽和程度時(shí)，才能析出晶體。飽和程度用過(guò)飽和率(過(guò)飽和溶液濃度與飽和溶液濃度之比)表示。4.2.3晶體形成過(guò)程：①過(guò)飽和溶液的形成（前提）②晶核的形成③晶體的生長(zhǎng)（以過(guò)飽和度為推動(dòng)力）。溶解吸熱，結(jié)晶放熱，因此結(jié)晶是一個(gè)同時(shí)有質(zhì)量和熱量傳遞的過(guò)程。4.2.4結(jié)晶與溫度、濃度的關(guān)系（圖）。穩(wěn)定區(qū)(不飽和區(qū))：不會(huì)發(fā)生結(jié)晶。不穩(wěn)定區(qū)(過(guò)飽和區(qū))：結(jié)晶能自動(dòng)生成。介穩(wěn)區(qū)：結(jié)晶不能自動(dòng)進(jìn)行。向處于介穩(wěn)區(qū)的溶液中加入晶體，能誘導(dǎo)結(jié)晶產(chǎn)生，晶體能生長(zhǎng)。4.2.5影響晶體生成的因素：1.過(guò)飽和率：影響晶核形成的速度和晶體生長(zhǎng)速度(大小)。但對(duì)成核速度的影響比對(duì)晶體生長(zhǎng)速度的影響大。過(guò)飽和率適中對(duì)成核有利。過(guò)飽和率過(guò)高時(shí)，形成小顆粒晶體。2.粘度：晶體生長(zhǎng)速度與溶液粘度成反比(μ大，分子擴(kuò)散慢，妨礙定向排列)。3.溫度：⑴對(duì)V成核的影響：V成核隨T↑而↑，達(dá)最大后，隨T↑而↓。⑵對(duì)晶體大小的影響：影響較大。溫高時(shí)，晶體較大，相反則小。T過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致晶形和結(jié)晶水的變化4.攪拌：促進(jìn)擴(kuò)散和成核，提高晶體生長(zhǎng)速度。攪拌強(qiáng)度應(yīng)有一定的極限。5.冷卻速度：影響晶核的生長(zhǎng)和晶體的大小。6.pH與等電點(diǎn)：結(jié)晶選擇在等電點(diǎn)附近。7.晶種：能誘導(dǎo)結(jié)晶，一般在結(jié)晶開(kāi)始前投入。8晶漿濃度：高濃度增大固液接觸表面積及操作難。9循環(huán)流速：提高傳質(zhì)，迅速均勻的結(jié)晶，晶垢少；過(guò)大使晶體磨損。10晶垢：設(shè)備預(yù)防，維持相應(yīng)操作條件，定期除垢。11雜質(zhì)：影響晶體的純度、理化特性、活性；降低結(jié)晶效率；可用除雜設(shè)備處理。12晶習(xí)修改劑。4.2.6結(jié)晶器：結(jié)晶器的分類：冷卻式結(jié)晶器：攪拌槽，Howard結(jié)晶器。蒸發(fā)式結(jié)晶器：Krystal-Oslo結(jié)晶器，DTB型結(jié)晶器，DP結(jié)晶器。結(jié)晶器的選擇：目標(biāo)產(chǎn)物的溶解度曲線。與溫度聯(lián)系的緊密程度4.2.7發(fā)酵工業(yè)中常用結(jié)晶方法：冷卻熱飽和液并添加晶種；蒸發(fā)部分溶媒；添加反應(yīng)劑或有機(jī)溶劑；鹽析結(jié)晶；等電點(diǎn)結(jié)晶

4.3成品干燥：干燥通常是指將潮濕固體，半固體或濃縮液中的水分（或溶劑）蒸發(fā)除去的過(guò)程。目的：除去水分，便于保存、包裝和運(yùn)輸。注意：保持其活性，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及藥效。在干燥系統(tǒng)中，干燥介質(zhì)與被干燥物質(zhì)的溫度呈動(dòng)態(tài)的平衡關(guān)系。4.3.1干燥原理：1.固體中水分種類表面(自由)水分：不與固體結(jié)合而附著于其表面，去除速度最快、最均勻。毛細(xì)管水分：是一種結(jié)合水分，蒸發(fā)時(shí)水分逸出慢，時(shí)間長(zhǎng)而且需要較高溫度。膜包圍水分：被質(zhì)膜所包圍的水分，需經(jīng)過(guò)緩慢擴(kuò)散至膜外才能蒸發(fā)，最難除去2.干燥過(guò)程與蒸發(fā)過(guò)程的異同，相同之處：都以加熱水分汽化為手段。不同之處：蒸發(fā)是液態(tài)物料中的水分沸騰汽化。而干燥是固體或液體物料中的水分非沸騰汽化。

從干燥的這一特點(diǎn)，可得到以下共識(shí)：干燥過(guò)程受：傳熱規(guī)律，水分性質(zhì)，水氣運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)化的影響。①干燥物料不一定是液態(tài)，水分的運(yùn)動(dòng)和汽化可能受到物料層的影響。②水分未達(dá)到沸點(diǎn)就汽化，其蒸汽壓比周圍汽體壓強(qiáng)小。蒸汽能否大量排出，要受周圍汽體條件的影響。③干燥是傳熱和傳質(zhì)相結(jié)合的操作，干燥速度由傳熱速率和傳質(zhì)速率共同控制。

4.3.2常用的干燥方法

對(duì)流加熱干燥法；接觸加熱干燥法；冷凍升華干燥法：冷凍→升華→剩余水分蒸發(fā)

4.3.3影響干燥速率的因素：1、濕物料的性質(zhì)和形狀：主要是指物料的物理結(jié)構(gòu)（導(dǎo)熱性能），化學(xué)組成、形狀和大小（決定水的存在狀況），物料層的厚度、水分的結(jié)合方式。2.濕物料本身的溫度：一般來(lái)說(shuō)，越高，速度越快(溫度越高，水分運(yùn)動(dòng)速率越快)。3.干燥介質(zhì)的溫度：通常越高，速度越快，不能無(wú)限制的提高，應(yīng)低于物料的變質(zhì)(分解、焦化、熔融)溫度。干燥介質(zhì)的進(jìn)出口溫差越小，干燥V↑，但熱的利用效率下降。4.物料的最初、最終和臨界濕含量：如果物料的最終濕含量高于臨界濕含量，干燥速度較快，相反則慢。5.干燥介質(zhì)的濕度和流動(dòng)情況：介質(zhì)相對(duì)濕度越低，水分汽化越快。同時(shí)還因介質(zhì)的流動(dòng)情況不同而異（湍流，層流）6.干燥介質(zhì)和被干燥物料的接觸情況和干燥器類型：噴霧、沸騰等不同而異。4.3.4工業(yè)發(fā)酵中常用的干燥過(guò)程1氣流干燥：（1）特點(diǎn)：干燥強(qiáng)度大，時(shí)間短；設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力大，可整合多工序；物料要求（2）幾種氣流干燥器：長(zhǎng)管式氣流干燥流程；短管式氣流干燥流程；旋風(fēng)式氣流干燥流程。2沸騰干燥：原理：氣流使固液兩相脈動(dòng)或湍動(dòng)，水分揮發(fā)。（1）特點(diǎn)：快速，物料短時(shí)受熱；傳熱系數(shù)大，生產(chǎn)能力高；設(shè)備簡(jiǎn)單，自動(dòng)化；

可調(diào)節(jié)物料受熱時(shí)間；對(duì)物料及其中顆粒的物理特性有一定要求；縱向返混；停留時(shí)間不均。（2）設(shè)備與應(yīng)用：根據(jù)物料特性選用加料器；單層沸騰干燥流程；噴霧沸騰造粒干燥流程。

3噴霧干燥：物料霧化，水分急速蒸發(fā)。特點(diǎn)：快速優(yōu)質(zhì)；可得無(wú)菌粉末態(tài)產(chǎn)品，可通過(guò)改變操作條件控制粉末物理性質(zhì)；自動(dòng)化，連續(xù)化；昂貴，耗能。常見(jiàn)應(yīng)用方式：壓力噴霧干燥，離心噴霧干燥，氣流噴霧干燥。4冷凍升華干燥：低溫低壓升華水分。特點(diǎn)：保持產(chǎn)品活性、形態(tài)、溶解度。效率低，投入大，設(shè)備結(jié)構(gòu)：冷凍；真空；去除水汽：抽出，冷凝成霜，藥劑吸收；加熱升華水分。5真空干燥：負(fù)壓下加熱去除水分；低溫干燥；快速；可回收溶劑；無(wú)空氣氧化；設(shè)備分為間歇式和連續(xù)式。第七章植物細(xì)胞培養(yǎng)

1.植物細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)展史1902年，提出植物細(xì)胞全能性的假說(shuō)；30年代組織培養(yǎng)獲得了飛躍發(fā)展：1939年，培養(yǎng)了煙草、蘿卜、楊等形成層組織。50年代，確立了植物細(xì)胞嫩能夠夠成功的生長(zhǎng)于懸浮培養(yǎng)物中。1956年，Nickelll和Routin首次申請(qǐng)用植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)的專利。從1959年在20L玻璃瓶中建立的第一個(gè)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)系統(tǒng)并放大到30L和134L的不銹鋼發(fā)酵罐來(lái)培養(yǎng)植物細(xì)胞以來(lái)，至今植物細(xì)胞培養(yǎng)已經(jīng)著手研究的植物多達(dá)100余種。2.植物細(xì)胞培養(yǎng)特性與基本培養(yǎng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：不受氣候、季節(jié)和地域的影響；細(xì)胞增殖速度快而且生產(chǎn)效率高；可通過(guò)對(duì)細(xì)胞的物理和化學(xué)環(huán)境、遺傳環(huán)境進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)控制；選擇性的生產(chǎn)所需要的代謝產(chǎn)物等。主要問(wèn)題有：培養(yǎng)周期較長(zhǎng)、生長(zhǎng)緩慢、生產(chǎn)率低；所需要有效成分含量不高；大量培養(yǎng)相對(duì)困難，往往不耐剪切、接種量大及放大后產(chǎn)量下降等一系列問(wèn)題。植物細(xì)胞培養(yǎng)最基本要無(wú)菌操作。細(xì)胞大量培養(yǎng)時(shí)，主要技術(shù)分為愈傷組織的個(gè)體培養(yǎng)和細(xì)胞或組織的液體懸浮培養(yǎng)。在人工控制下高密度大量培養(yǎng)有益植物細(xì)胞技術(shù)稱之為植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)，其目的在于通過(guò)細(xì)胞工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)，獲得細(xì)胞、初級(jí)及次級(jí)代謝產(chǎn)物，為藥品、食品及化工行業(yè)提供服務(wù)。培養(yǎng)方法：懸浮培養(yǎng)法：分批培養(yǎng)法、半連續(xù)培養(yǎng)法、連續(xù)培養(yǎng)法。固定化培養(yǎng)法。

分批培養(yǎng)法：主要采用氣升式反應(yīng)器，其培養(yǎng)過(guò)程用通氣代替攪拌，細(xì)胞產(chǎn)量高于平葉輪培養(yǎng)器。本培養(yǎng)方法中植物細(xì)胞生長(zhǎng)規(guī)律與微生物相似，隨著細(xì)胞增長(zhǎng)，培養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷下降。細(xì)胞增長(zhǎng)過(guò)程也分為延遲期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、轉(zhuǎn)換期、靜止期及衰減期等階段。半連續(xù)培養(yǎng)法：在反應(yīng)器中投料和接種培養(yǎng)一段時(shí)間后，將部分培養(yǎng)液和新鮮培養(yǎng)液進(jìn)行交換的培養(yǎng)方法稱之為半連續(xù)培養(yǎng)法。反應(yīng)過(guò)程通常以一定時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)次反復(fù)操作以達(dá)到培養(yǎng)細(xì)胞與生產(chǎn)有用物質(zhì)的目的。連續(xù)培養(yǎng)法：采用連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器，在投料和接種培養(yǎng)一段時(shí)間后，以一定速度連續(xù)采集細(xì)胞與培養(yǎng)液，并以同樣速度供給新鮮培養(yǎng)基，此種培養(yǎng)方式可使細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期維持恒定。連續(xù)培養(yǎng)法細(xì)胞生產(chǎn)能力一般較分批法高，但因細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，要維持系統(tǒng)無(wú)菌狀態(tài)，技術(shù)條件要求相當(dāng)苛刻。固定化培養(yǎng)法：固定化培養(yǎng)采用固定化反應(yīng)器，這類反應(yīng)器有網(wǎng)狀多孔板、尼龍網(wǎng)套及中空纖維膜等形式。固定化培養(yǎng)法的優(yōu)點(diǎn)在于細(xì)胞位置固定，易于獲得高密度細(xì)胞群體及建立細(xì)胞間物理學(xué)和化學(xué)聯(lián)系，維持細(xì)胞間物理化學(xué)梯度，利于細(xì)胞組織化，易于控制培養(yǎng)條件及獲得次生產(chǎn)物。

3.快速繁殖：通過(guò)傳統(tǒng)的快繁已經(jīng)獲得了許多植物再生株：包括水稻、玉米、番茄、馬鈴薯、甘蔗、草莓、蘭花、香蕉、葡萄、蘋(píng)果等。通過(guò)懸浮培養(yǎng)進(jìn)行快速繁殖：如胡蘿卜體細(xì)胞胚在補(bǔ)料分批培養(yǎng)中的動(dòng)力學(xué)研究，胡蘿卜體細(xì)胞胚發(fā)生培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行的前期探索研究，提出了描述底物利用、培養(yǎng)過(guò)程增殖和胚發(fā)生的動(dòng)力學(xué)模測(cè)。但這些報(bào)道還僅局限于作為模型細(xì)胞研究的階段，與真正的實(shí)用化估計(jì)還有一定距離。5.有用代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)：細(xì)胞培養(yǎng)特點(diǎn)：①植物生產(chǎn)多種化學(xué)物質(zhì)，遠(yuǎn)比微生物生產(chǎn)的種類多②其中一些化學(xué)物質(zhì)難以化學(xué)合成，或難以用基因工程手段來(lái)增加其生產(chǎn)；③細(xì)胞培養(yǎng)的全過(guò)程都能有效地得以控制,產(chǎn)物持續(xù)生產(chǎn)；④增殖速度比整個(gè)植物體栽培快得多；⑤易于在生物反應(yīng)器中大規(guī)模培養(yǎng)；⑥植物細(xì)胞合成次生代謝物朝著對(duì)人們有用的產(chǎn)物方向進(jìn)行。代謝物生產(chǎn)的控制因子：有化學(xué)因子、物理因子、生物學(xué)因子以及培養(yǎng)工程方面的因子。化學(xué)因子包括培養(yǎng)基種類、無(wú)機(jī)鹽類、植物激素或其類似物、誘導(dǎo)子；物理因子包括光、溫度、pH、氧；生物學(xué)因子有分化、遺傳形質(zhì)和細(xì)胞齡；培養(yǎng)工程方面的因子包括反應(yīng)器型式、培養(yǎng)方式方法等。谷氨酸調(diào)節(jié)PH：氨基酸具有二性解離性，以谷氨酸為例，當(dāng)pH3.22時(shí)，谷氨酸以陽(yáng)離子狀態(tài)存在，因此可以用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂來(lái)提取。為了取得較好的回收效果，上柱前，先將發(fā)酵液濃度調(diào)整為2.0－2.5Be，pH調(diào)整為5.0，反向上柱。原因：pH5.0時(shí)，可先將Na+、NH4+離子吸附分離，此后pH會(huì)下降到3.22以下，谷氨酸以陽(yáng)離子存在得以分離。

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