发酵工程总结
1．发酵工程的定义
发酵工程是利用微生物的生长和代谢活动来生产人们所需产品的工程技术，它将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。2．发酵工程的应用
医药工业食品工业能源工业化学工业冶金工业农业环境保护3。发酵的一般工艺过程
（1）培养基的选择，制备（2）培养基，发酵罐以及附属设备灭菌(3)菌种扩大培养(4)控制最适发酵的条件，使微生物生长并产生大量的代谢产物（5）产品提取和精制4．培养基配制要求
A.培养基应满足微生物的需要；B.适宜的浓度、配比、pH值；
C.培养基原料发酵率高，发酵后所形成的副产物尽可能的少；D.培养基原料质量高，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应；
E.所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。5．培养基的成分
碳源、氮源、无机盐、微量元素、水、前体6。种子的扩大培养
种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终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。7．发酵动力学：
它以化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)为基础，研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。8．发酵动力学研究目的：
有助于我们更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制订下良好的理论基础。
9．发酵动力学研究内容
细胞生长和死亡动力学基质消耗动力学氧消耗动力学
二氧化碳生成动力学产物合成和降解动力学代谢热生成动力学10．分批发酵动力学生物反应模式1）.停滞期
停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。2）.对数生长期
处于对数生长期的微生物细胞的生长速率大大加快单位时间内细胞的数目或质量的增加维持稳定，并达到最大值。3）.稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。4）.死亡期
在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开始死亡。
11．连续发酵动力学
所谓连续培养，就是在发酵过程中一边补入新鲜料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。
分批补料发酵动力学
所谓分批补料培养技术，是指在分批培养过程中，间歇或连续的添加新鲜培养基的方法。
补料分批培养的优点及应用
12．发酵控制
收集能反映发酵过程变化的各种理化参数
将各种参数变化和发酵代谢规律联系起来各种参数生物学意义建立各种数学模型以描述各参数之间随时间变化的关系发酵控制
13．种龄：是指种子罐中培养的菌体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。
接种量：是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。接种量的确定
移入种子的体积接种量＝接种后培养液的体积
在抗生素工业生产中，大多数抗生素发酵的最适接种量为7％一15％，有时可增加到20％一28％。接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度。采用较大的接种量可以缩短发酵罐中菌丝繁殖到达高峰的时间，使产物的形成提前到来。14．在线检测参数和离线检测参数
在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；
离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如残糖、NH2-N、菌体浓度。
15．重要参数
温度溶解氧浓度pHCO2碳源氮源前体浓度补料控制泡沫16．种子质量的判断
由于菌种在种子罐中的培养时间较短，可供分析的参数较少，使种子的内在质量难以控制，为了保证各级种子移种前的质量，除了保证规定的培养条件外，在过程中还要定期取样测定一些参数以观察基质的代谢变化及菌丝形态是否正常。在生产中通常测定的参数为1）pH；
2）培养基灭菌后磷、糖、氨基氮的含量；
3）菌丝形态、菌丝浓度和培养液外观（色素、颗粒等）；4）其他参数，如接前抗生素含量、某种酶活力等17。菌种改良目的
提高产量、提高产物的纯度，减少副产物;提高有效组分,减少色素等杂质、改变菌种性状，改善发酵过程、菌种的遗传性状，特别是生产性状稳定、开发新品种18．发酵工业菌种的要求
培养基原料廉价，生成的目的产物产量高、易于回收、生长较快，发酵周期短、培养条件易于控制、抗噬菌体及杂菌污染能力强、菌种不易变异退化、对放大设备的适应性强、菌种不是病原菌。
19．菌种保藏方法
斜面低温保藏法砂土管保藏法冰冻真空干燥法液氮超低温保藏20．发酵热
所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵＝Q生物＋Q搅拌+Q通气－Q蒸发－Q显－Q辐射21．参数分类
代谢参数按性质分可分三类：
物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等
化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、、核酸量等
生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等从检测手段分可分为：直接参数、间接参数
直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、pH、残糖等间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率等22,生物热：
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。23温度对发酵的影响：
（1）酶学方面：在一定温度范围内，温度升高，反应速率加大，有利于菌体生长和产物
积累，但菌体的衰退也加快，菌体对氧的消耗相应加快，而温度升高时，氧的溶解度下降，所以应综合考虑
（2）产物方面：温度能影响菌体分泌的产物种类及酶系
（3）菌体特性方面：同种菌体在生长和产物积累阶段所要求的温度往往有差别，多数情况下是最适生长温度比产物积累的最适温度要略高些。
24溶解氧的控制方法：气体的成分、搅拌的速度、挡板、通气速率、罐压、基质浓度、表面活性剂、温度
25．发酵过程pH变化的原因：
1、基质代谢：（1）糖代谢（2）氮代谢（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降2、产物形成
3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。26．pH对发酵的影响（1）pH影响酶的活性。
（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养
物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
（3）pH值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（4）pH影响代谢方向27．pH的控制：1、调节好基础料的pH
2、在基础料中加入维持pH的物质3、通过补料调节pH
扩展阅读：发酵工程全重点总结
一绪论
1生物技术（biotechnology）:“应用自然科学及工程学原理、依靠生物作用剂的
作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。2发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即“翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来；因为发酵
有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、欧洲的beer就以起泡现象作为判断发酵进程的标志。3发酵广义通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。
狭义厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。
4发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。、5就发酵产品而言，发酵主要有以下主要类型：
微生物菌体发酵；酶制剂和酶调节剂的微生物发酵；以微生物的代谢产物（包括初级代谢产物和次级代谢产物）为目的产物的微生物发酵；微生物转化发酵；工程菌和工程细胞产物的发酵等。
6生物发酵工业的发展简史：传统（古老）生物技术的追溯；第一代（初期）生物技术产品的出现；第二代（近代）生物技术产品的发展；第三代（现代）生物技术产品的挑战。①最早的发酵产品据记载起源与5000BC。据记载最早的发酵食品应是酒类，通常认为是wine,因为大自然中具备了野生果类和酵母菌，条件适宜情况下即行发酵。在神话传说中亦有猿猴酿酒之说。由于自然界中资源的多样性（F、M），便有了多种多样的发酵食品。4000BCBeer，至古埃及即出现了麦芽糖化。5000~6000BCwine、黄酒、白酒、Cheese4000BCBeer，至古埃及即出现了麦芽糖化。(酱油、调味品)白酒：农业社会粮食节余，生霉、发酵、蒸馏而得）
②第一个转折点微生物纯种分离培养技术建立：自然发酵时期：知其然而不知其所以然，如厌气性酒类，好气性醋。
微生物纯种分离培养技术，开创了人为控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。1）.发酵是由微生物进行的一种化学变化，不同类型的发酵是由形态可以区别的各种特殊的微生物所引起的。2.）1870年，Pasteur发现了微生物之间有相互抑制的作用。即拮抗作用。3）.其间1804年，法国厨师阿卑特（Appert）发明了瓶装罐头
③第二个转折点通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）：20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接种、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模生产。1928年，Fleming发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。④第三个转折点人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立：以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。
7发酵工业的培养方法及过程：（1）表面培养法是以微生物在基质表面进行培养的方法，根据所用培养基种类的不同，可以分为固体表面发酵和液体表面发酵。（2）深层培养法是以微生物细胞生长于液体培养基深层中进行培养的方法。
8微生物发酵其本质，可以理解为物质形式的转化过程，就是利用微生物生长所需的底物转化成特定的产物。在这个过程中，有两个问题是工业化需要解决的：（1）产物的社会效益，（2）物质转变过程中产生的经济效益，即：低价值的原材料、低能耗等。第二章培养基
1培养基：是人工配制的供微生物或动植物细胞生长、繁殖、代谢和合成人们所需产物的营养物质和原料，同时培养基也为微生物等提供除营养外的其它生长所必须的环境条件。
2适宜于大规模发酵的培养基的共同点：①培养基能满足产物最经济的合成；②形成的副产物尽可能的少；③因地制宜，质优价廉，成本低；④能满足工艺的总体要求。3培养基分类基本情况
①按纯度分：合成培养基、天然培养基②按状态分：半固体培养基、固体培养基、液体培养基③按用途分：种子培养基、孢子培养基、发酵培养基。
①合成培养基definedmedium:所用的原料其化学成分明确、稳定。适于研究菌种基本代谢和过程的物质变化等科研工作；但营养单一，价格较高。天然培养基complex/undefinedmedium：所用的原料是一些天然动植物产品。原料来源丰富、价格低廉，适用于工业生产；但组分复杂，不易重复，如对原料质量等方面不加控制会影响生产的稳定性。发酵工业普遍使用天然培养基。半合成培养基(semi-definedmedium)
②固体培养基solidmedium：比较适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类。半固体培养基semi-solidmedium：主要用于鉴定菌种，观察细菌运动特征及噬菌体的效价滴定等。在配好的液体培养基中加入少量琼脂（0.5%～0.8%）。液体培养基liquidmedium：配有可溶性的或不溶性的营养成分，80%～90%是水，是发酵工业大规模使用的培养基。
③种子培养基seedmedium：供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体并使菌体长得粗壮，成为活力强的“种子”。孢子培养基sporemedium：制备孢子用的，要求此种培养基既能形成大量的优质孢子，又不引起菌种的变异。发酵培养基fermentationmedium：提供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。
4培养基的成分和来源：氮源（有机氮源、无机氮源）、碳源、水、无机盐与微量元素（磷、钙、镁、硫、铁、氯、钠、钾、钙、锌、钻、锰、铜等）、其他。
（一）碳源：（最主要的组成）凡是用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素来源的营养物质均称为碳源。碳源有糖类、脂肪（酸）、有机醇、碳水化合物。1）在特殊条件下，蛋白质水解产物氨基酸也可作为碳源。2）菌种不同对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，可作为加速微生物生长的一种有效的糖.
（二）氮源：指构成微生物细胞和代谢产物中的氮素来源的营养物质。主要功能：构成微生物细胞和含氮的代谢产物，当培养基中碳源不足时，可作为补充碳源。有机氮源除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外，还含有少量的糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子。无机氮源也称之谓迅速利用的氮源。微生物对它们的吸收利用一般比有机氮源快。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化。生理酸性物质：经微生物代谢后形成酸性物质的无机氮源，如硫酸铵。生理碱性物质：经微生物代谢后形成碱性物质的无机氮源，如硝酸钠。
（三）无机盐与微量元素：磷核酸和蛋白质的必要成分；钙钙盐过多时，会形成磷酸钙沉淀，降低了培养基中可溶性磷的含量；镁离子状态时是许多重要酶的激活剂；硫含硫氨基酸的组成成分和某些辅酶的活性基；铁细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的成分；氯对一些嗜盐菌需要；钠、钾、钙离子不参与细胞的组成，但是微生物发酵培养基的必要成分；锌、钻、锰、铜等微量元素大部分作为酶的辅基和激活剂。①磷（P）培养基中特别重要的元素，是构成核酸，磷脂的成分，并参与ATP,GTP的能量转移反应。一般需添加磷酸盐，如KH2PO4,K2HPO4,NaH2PO4,(NH4)2HPO4②硫：含硫氨基酸（胱氨酸，半胱氨酸，蛋氨酸）等的组成部分，辅酶的活性基。一般添加Na2SO4,MgSO4。③K,Na,Ca虽不参与细胞的组成，却是培养基中的重要成分。Na与维持细胞的渗透压有关，促使某些酶的产量。K与渗透压有关，并且是许多酶的激活剂，还可促进糖代谢。④Ca2+以离子状态控制细胞透性和调节酸度。CaCO3的作用：Ca2+对淀粉酶，蛋白酶，脂肪酶等多种酶活性起到十分重要的稳定和活化作用。常用CaCO3,CaCl2提供钙，一般不与K2HPO4一起使用。使用时，CaCO3是单独灭菌，在培养基调到中性后才加入，在酸性培养基中易被分解，失去其缓冲能力。⑤Mg某些细胞的叶绿素成分，是许多重要酶的激活剂，常用MgSO4，注意在碱性溶液中会生成沉淀。Fe细胞色素，细胞色素氧化酶，过氧化氢酶的成分，对代谢产物的合成有较大影响。⑥Cl氯离子不具营养作用，对一些含氯代谢物的发酵，还需加入0.1%KCl补充。其他一些微量元素，Mn,Zn,Co等，一般不需再加入。（四）生长因子:凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质都称为生长因子。
包括：维生素，生物素，嘌呤碱，嘧啶碱，氨基酸等。
维生素，主要是B族维生素的硫胺素，核黄素，泛酸，吡哆素，烟酰胺，叶酸，环己六醇，生物素，多为辅基,辅酶。发酵工业广泛使用的大多是天然原料，如玉米浆，麦芽汁，豆芽汁，酵母膏等，既是N源，又可提供生长因子。
（五）前体促进剂和抑制剂：发酵培养基中某些成分的加入不促进微生物的生长，只是有助于调节产物的形成，这些添加的物质包括前体，抑制剂和促进剂。
前体物质指某些化合物加入到发酵培养基中，能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，但产量却因前体的加入有较大提高。前体加入量可以通过计算确定。
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。最初应用于甘油发酵，抗生素工业应用最多。
促进剂指那些既不是营养物，又不是前体，但能提高产量的添加剂，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，包括酶的底物，底物类似物，及被转化为诱导物的前体物质。5、培养基的设计和优化：
（一）培养基的配制原则举例：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆，以及乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
（1）.培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）：即根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基。不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养微生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：
细菌：牛肉膏蛋白胨培养基、LB(Luria-Bertani)放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基、PDA(Potato-Dextrose-Agar)酵母菌；麦芽汁（2）.营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）
●浓度过高微生物的生长起抑制作用，浓度过小不能满足微生物生长的需要。
●碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；C/N比值=碳源中的碳原子的mol数
氮源中所含的氮原子的mol数
例：谷氨酸生产中?C/N＝4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；C/N＝3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。●速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例●各种金属离子间的比例
用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）
（3）.物理化学条件适宜（条件适宜）
（1）pH:各类微生物的最适生长pH值各不相同：细菌：7.0~8.0放线菌：7.5~8.5
酵母菌：3.8~6.0霉菌：4.0~5.8在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：
内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液
（4）.根据培养基的应用目的选择原料及其来源（经济节约）该培养基的应用目的，即：是培养菌体还是积累代谢产物？是实验室种子培养还是大规模发酵？代谢产物是初级代谢产物还是次级代谢产物？
☆用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；
☆用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定代谢产物的前体物；☆当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉的原料，提倡以粗代精，以废代好。
（二）影响培养基质量的因素1、原料和设备的预处2原材料质量3、发酵特性变化4灭菌第三章：灭菌和除菌
1、灭菌：杀死一切微生物，包括芽孢。分为杀菌：菌体尚存和溶菌：菌体消失消毒：只杀死病源菌，未伤及芽孢防腐：暂时抑制微生物生长
除菌：用冲洗、过滤等法，除去微生物是保证生产成功的重要手段
2、灭菌的方法：可分为化学灭菌和物理灭菌
（1）化学灭菌：利用化学药剂杀灭或抑制微生物的方法。
根据浓度，可分为抑菌剂、消毒剂、灭菌剂；根据状态，可分为液态（喷雾、浸泡、洗刷等），气态（加热、焚烧、氧化等）。
（一）气雾消毒灭菌法：要求密闭条件下保持一定时间；种类：甲醛和气雾盒①甲醛有刺激性和腐蚀性。机理：结合蛋白质氨基，使其变性。用法：喷：5%熏：10ml/m3+1/2KMnO4
②气雾消毒盒特点：粉末状、刺激性小、扩散力及渗透性强用法：2~6g/m3→点燃（熏30min以上）（二）液体消毒法：
①概念固体或液体药品加水配成药液（多现配现用）种类：氧化剂、表面活性剂（乙醇、酚类、新洁尔灭）、熟石灰常用灭菌剂及有效浓度：新洁尔灭(苯扎溴铵)0.25%甲醛37%杜灭芬0.25%戊二醛2%高锰酸钾0.1%-0.25%苯酚0.1%-0.15%漂白粉5%过氧乙酸0.02%-0.2%酒精75%焦碳酸二乙酯0.01%-0.1%煤酚皂（来苏尔）1%5%
②药品及浓度的选择依据：微生物特点、物品的性质、消毒目的、环境影响
药品标准：性质稳定、易溶于水、杀菌力强、抗菌谱广、作用较快、使用浓度低、价格低廉、没有毒腐性或很小。
（2）物理灭菌
（一）辐射灭菌法：利用高能量的电磁辐射与菌体核酸的光化学反应造成菌体死亡。包括高频灭菌法、放射线灭菌法、紫外线灭菌法电离辐射
(1)α射线:电离辐射强，穿透力差（缺乏穿透力，不实用）(2)β射线:电离辐射强，穿透力强
(3)γ射线:电离辐射弱，穿透力强
(4)X射线：杀菌力不如紫外线，穿透力强
用途：忌热物品的灭菌消毒、食品保藏和育种等方面
杀菌机制：射线使水电离为H＋和OH－，这些游离基是强烈的还原剂和氧化剂，可直接作用于细菌本身。杀菌机理直接：使蛋白质、酶等变性失活间接：空气中产生臭氧或过氧化氢
使用：有效距离：1.5~2.0m理想波长：265nm30w紫外灯照30min→避光30min（二）干热灭菌：利用高温对微生物有氧化、蛋白质变性和电解质浓缩作用而杀灭微生物。
常用方法：灼烧和电热箱加热，140-180℃1-2h。
焚烧：废弃物、尸体灼烧：接种环、试管口干烤：玻璃器皿红外线：医疗器械
（三）湿热灭菌：高压蒸气灭菌法、流通蒸气灭菌法、间歇灭菌法、煮沸灭菌法
利用饱和水蒸气进行灭菌。蒸汽有很强的穿远力，而且在冷凝时放出大量冷凝热，很容易使蛋白质凝固而杀灭各种微生物。
（四）过滤除菌:利用适当的过滤装置，通过过滤除去微生物的一种方法。通常使用的过滤装置有膜过滤器，磁制过虑器、玻璃纤维过虑器等。
0.01~0.45微米孔径滤膜，用于压缩空气、酶溶液及其他不耐热化合物溶液除菌。3、培养基灭菌
（1）实验室种子培养基灭菌:使用高压蒸汽灭菌锅。
手提式灭菌锅，容量小。
立式或卧式灭菌锅，容量较大，一般能装几十瓶或几百瓶。
灭菌柜。要和蒸汽锅炉配套，用于大量种瓶培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶(袋)。（2）发酵培养基灭菌
分批灭菌（实罐灭菌、实消灭菌batchsterilization）：将配制好的培养基输入发酵罐内，用直接蒸汽加热，达到灭菌要求的温度和压力后维持一定时间，在冷却至发酵要求的温度。
连续灭菌（连消灭菌continuoussterilization）：培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌，冷却后进入已灭菌的发酵罐内的工艺过程。（3）分批灭菌操作过程:
空罐准备：清洗、检修和检测。
升温：把培养基加热到灭菌所需的温度。保温维持：在灭菌温度下保持灭菌所需时间。冷却保压：把培养基的温度降低到接种的温度。
（4）分批灭菌设备示意图
三路进汽：直接蒸汽从通风、取样和出料口进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并维持一定的时间。这就是所谓的“三路进气”。
四路出汽：直接蒸汽从排气、接种、进料、消沫剂管排气。
（5）连续灭菌流程：培养基配料、配料罐、加热器、维持罐、冷却器、无菌培养基
（6）分批灭菌优点：1．不需附加设备2．蒸汽利用率高3．节约劳动力缺点1．培养基质量比较差2．罐的利用率低3.冷却水用量大。连续灭菌优点：1。采用高温快速灭菌法2．可以把培养基按其性质分开灭菌3．有利于自动控制4．节省冷却水。缺点1．投资费用高2．对物料要求高3．蒸汽用量大（7）高温对培养基的有害影响：
消除高温有害影响的措施①采用特殊加热灭菌法(连续灭菌方法）②对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，应先将糖液与其他成分分别灭菌后再合并；③对含Ca2+或Fe3+的培养基与磷酸盐先作分别灭菌，然后再混合，就不易形成磷酸盐沉淀；④对含有在高温下易破坏成分的培养基（如含糖组合培养基）可进行低压灭菌。4.发酵罐灭菌：
培养基的灭菌如果采用分批灭菌，发酵罐与培养基一起灭菌。培养基用连续灭菌时，发酵罐在注入培养基前先行单独灭菌。5.空气除菌：
①空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母，霉菌孢子和病毒。这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气
中微生物的含量一般为103~104个／米3。灰尘粒子的平均大小约0.6μm左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1μm）
无菌空气的标准百分数：99.99％美国联邦宇航局等级标准：
100级（直径小于0.5微米粒子数少于3.5个/L）温度：25℃40℃湿度：30%45%
②主要有：加热、静电和介质过滤三种方法。
③两级分离、冷却、加热的空气除菌流程：粗过滤器、压缩机、贮罐、冷却器、丝网分离器、过滤器。④膜过滤（绝对过滤）利用微孔滤膜对空气进行过滤，膜的孔径0.2-0.45微米，大于这一孔径的微生物能绝对截留。
膜过滤器：聚四氟乙烯、偏聚二氟乙烯、、聚丙烯、纤维素脂膜等
氨基酸生产方法：
1、蛋白水解法：①酸水解：盐水、硫酸，110-120℃，12-24h；缺点氨基酸结构被破坏，污染环境。②碱水解：氢氧化钠、氢氧化钡，100℃，6h；缺点氨基酸结构被破坏，消旋。③酶水解缺点水解不彻底，可用于生产肽、胨等。
2、化学合成法：丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。化学合成法借助于有机合成及化学工程相结合的技术生产氨基酸的一种方法。虽然化学合成法可以生产目前已知的所有氨基酸，但多数不具备工业价值，原因是应用化学生产的氨基酸含有D和L两种旋光异构体（手性异构体），其中的D-异构体不能被大多数动物所利用。因此，用化学合成法生产氨基酸时除考虑合成工艺条件外，还要考虑异构体属性问题和D-异构体的消旋利用，三者缺一都影响氨基酸的利用。在氨基酸工业中应用化学合成法批量生产的氨基酸仅限于甘氨酸、蛋氨酸和色氨酸。其中，甘氨酸是应用化学合成法生产的最理想的品种，因为甘氨酸没有旋光异构体。DL混合型蛋氨酸及色氨酸能为畜禽利用，因此也具有一定价值。3、酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸。应用此法批量生产的氨基酸有赖氨酸、L-胱氨酸。4、发酵法：发酵法生产氨基酸是利用微生物具有的能够合成其自身所需的各种氨基酸能力，通过对菌株的诱变等处理，选育出各种缺陷型及抗性的变异菌株，以解除代谢节中的反馈与阻遏，达到以过量合成某种氨基酸为目的的一种氨基酸生产方法。应用发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸，基次是赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸。另外，色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、丙氨酸等也可由发酵法获得，但因生产水平低，尚不具备实用价值。生产菌株一般是各种营养缺陷型的黄色短杆菌。微生物细胞内氨基酸的生物合成都是利用能量代谢过程中衍生的一些中间代谢产物为起点，经过一系列伴随着自由能损失的不可逆反应，来保证各种氨基酸的不断供应。
第四章菌种选育、制备与保藏
第一节微生物的特性及工业微生物的要求一、工业生产常用的微生物
１、细菌(bacteria)：短杆菌：GA、Gln、lys枯草芽孢杆菌：淀粉酶（BF7658）、碱性蛋白酶等地衣芽孢杆菌：HASS(耐高温α-淀粉酶)α-Amylase苏云金芽孢杆菌：BT生物农药梭状芽孢杆菌：丙酮、丁酸等的发酵
２、酵母菌(yeast):啤酒酵母：酿酒酵母、辅酶类物质的发酵酒精酵母：汉逊酵母：食品工业，用于乙酸乙酯的发酵假丝酵母：scp生产，石油发酵
３、霉菌(mould)：黑曲霉：柠檬酸工业、酿酒业（UV-11,UV-48）、酶制剂工业（糖化酶）黄曲霉：酱油生产(3042)，面酱青霉菌：青霉素的生产红曲霉：红曲制造，用于南方红曲酒（女儿红）的生产；使用红色色素的生产；豆腐乳的生产等。赤霉菌：赤霉素的生产（一种植物生长激素）。
４、放线菌(antinomycetes)：最大的经济价值在于能生产多种抗生素。５、担子菌(basidiomycetes)：６、藻类(alga)：
抗生素是次级代谢产物，需要生物体进行复杂的代谢，有６０％以上是放线菌生产的。
二、工业化菌种的要求:（1）廉价原料、生长迅速、目的产物产量高。（2）易于控制培养条件，酶活性高。发酵周期较短。（3）抗杂菌和噬菌体的能力强。（4）菌种遗传性能稳定，不易变异和退化，不产生任何有害的生物活性物质和毒素，保证安全生产。（5）产品容易分离提纯。第二节工业微生物菌种的选育
菌种选育的目的：1、提高发酵单位或产量2、改进产品质量3、去除多余的产物5、抗生素合成基因表达4、产生新抗生素一、自然育种
从自然界分离获得菌种，根据菌种的自发突变进行筛选而获得菌种。
从自然界中分离筛选菌种的方法步骤：1采样(方法、地点、时间和周围环境记录)2增殖培养3纯种分离(纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：1．稀释分离法2．平板划线分离法⑴涂菌：⑵划线分离：①分步划线法；②一次划线法：3．组织分离法)4纯培养5生产性能测定(测定代谢产物或其它目的性状)从自发突变体中获得菌株
自然状态下，碱基对发生自然突变的机率为10-8～10-9
自然突变有两种情况：正突变、负突变
回复突变：高产菌株在传代的过程中，由于自然突变导致高产性状的丢失，生产性能下降。单菌落分离法：单细胞悬浮液→平板菌落→挑取、测定（产生单位、生长速度等）二、诱变育种
通过诱变剂处理微生物细胞，使突变频率提高，变异幅度增大，选出具有优良特性的变异菌株为诱变育种。特点：速度快、收效大、方法简便、工作量大诱变剂和诱变处理
物理诱变剂：射线如紫外线、X射线、γ射线，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线。许多高产菌株的选育都用过紫外线，对于一般实验室、中小型工厂都适用，也很安全。其他的几种射线都是电离性质的，有一定的穿透力，一般都由专业人员在专门的设备中使用，否则有一定危险性。
紫外线波长范围广，对诱变最有效的波长260nm左右，用菌（孢子）悬浮液处理，功率15W，距离30cm。作用机理：形成胸腺嘧啶二聚体以改变DNA活性，造成菌体的变异或死亡。
中子是原子核的组成部分，是不带电荷的粒子，可由回旋加速器、静电加速器或原子反应堆产生。可以分为快中子和慢中子。快中子能量0.2百万至10百万电子伏特；较X射线、γ射线具有较大的电离密度，能更多的引起点突变和染色体畸变。进行诱变育种时，用菌（孢子）悬浮液或长于平皿上的菌落处理，剂量100~1500戈。化学诱变剂：化学因子如碱基类似物、5氟尿嘧啶、烷化剂等(化学诱变剂中使用最多、最有效的是烷化剂).使用化学诱变剂的优缺点：1、大多数情况下，突变数量要比电离辐射更有效。2、经济。只需要少量的合适的诱变剂，设备是实验室的一般玻璃器皿，一个蒸气罩。而电离辐射进行工作时，设备费用大，并要注意安全性。3、大部分诱变剂是致癌剂，所以在使用中必须非常谨慎，要避免化学诱变剂与皮肤接触，，且切勿吸入其蒸气，有人对某些诱变剂极其敏感，甚至未直接接触就会过敏，这就更要当心。确定出发菌株↓
菌种的纯化选优
↓←出发菌株的性能鉴定同步培养↓
制备单细胞（或单孢子）悬液↓←活菌浓度测定
诱变剂的选择与确定诱变剂量的预试验↓
诱变处理
↓平板分离
↓计形态变异的菌落数，计算突变率挑取疑似突变菌落纯培养↓
突变体的初步筛选
↓←用简单快捷的方法重复筛选
↓←摇瓶发酵试验选出突变体（根据情况进行生产试验或重复诱变处理）
出发菌株的选择菌悬液的制备前培养诱变处理变异菌株的分离和筛选
杂交育种及基因工程育种：在分子水平上，对目标基因直接处理，然后通过高通量的筛选方法，提高目标蛋白的性能。常规的杂交育种原生质体融合DNA重组技术
1.杂交育种：杂交育种是指将两个基因型不同的菌株经吻合（或接合）使遗传物质重新组合，从中分离合筛选具有新性状的菌株。包括细菌的杂交育种、霉菌的杂交育种和放线菌的杂交育种。
2.原生质体育种：用脱壁酶处理将微生物细胞壁除去，制成原生质体，再用聚乙二醇（PEG）促进原生质体发生融合，从而获得异核体或重组合子的技术叫做原生质体融合（ProtoplastFusion）。原生质体育种技术主要有原生质体融合、原生质体转化技术，此外尚有原生质体诱变育种等。原生质休融合育种是基因重组的一种重要方法。原生质体融合作为一种新的基因重组手段是1978年第三届国际工业微生物遗传学讨论会上提出来的。
2.1特点:(一)杂交频率较高：细胞壁去除后在高渗条件下形成类似于球形的原生质体。(二)受接合型或致育型的限制较小：二亲株中任何一株都可能起受体或供体的作用，因此有利于不同种属间微生物的杂交。(三)遗传物质传递更为完整：原生质体融合是二亲株的细胞质和细胞核进行类似的合二为一的过程。(四)存在着两株以上亲株同时参与融合形成融合子的可能性。(五)有可能采用产量性状较高的菌株作融合亲株。(六)提高菌株产量的潜力较大。(七)有助于建立工业微生物转化体系。
2.2原生质体融合育种步骤：1．标记菌株的筛选和稳定性验证。2．原生质体制备。3．等量原生质体加聚乙二醇促进融合。4．涂布于再生培养基，再生出菌落。5．选择性培养基上划线生长，分离验证，挑取融合子进一步试验、保藏。6．生产性能筛选。
原生质体制备的影响因素1菌体的前处理:为了使酶作用的效果好一些，可将菌作一些前处
理。如细菌加入亚抑制剂量的青霉素。2菌体的培养时间:为了使细胞易于原生质体化，一般选择增殖期的菌体。3酶浓度:对于不同种属的微生物，不仅对酶的种类要求不同，就是对酶的浓度也有差异。另外，最佳酶浓度还随不同的生长期的菌体而变化。4酶处理温度5破壁时的pH值6渗透压稳定剂:等渗透压在原生质体制备中，不仅起到保护原生质体免于膨裂，而且还有助于酶和底物的结合，渗透压稳定剂多采用甘露醇，山梨醇，蔗糖等有机物和KCl和NaCl等无机物。基因育种
基因重组育种：是运用体外DNA各种操作或修改手法获得目的基因，再借助于病毒、细菌质粒或其他载体，将目的基因转移至新的宿主细胞并使其在新的宿主细胞系统内进行复制和
表达，或者通过细胞间的相互作用，使一个细胞的优秀性状经其间遗传物质的交换而转移给另个细胞的方法。一个完整的基因克隆过程包括以下步骤１、获得待克隆的DNA片段（基因）；２、目的基因与载体在体外连接；３、重组DNA分子导入宿主细胞；４、筛选、鉴定阳性重组子；５、重组子的扩增与／或表达。第三节工业微生物菌种制
种子的准则①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；②生理性状稳定；③菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；④无杂菌污染；⑤保持稳定的生产能力。
种子扩大培养就是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养面而获得一定数量和质量的纯种过程。保藏菌种(休眠状态)→斜面→逐渐扩大摇瓶或偏瓶与种子罐
生产车间种子制备
种子罐的级数主要决定于菌种的性质和菌体生长速度及发酵设备的合理应用；种子罐级数越少越有利于生产过程的简化和发酵过程的控制。
接种龄：种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。
接种量：移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。接种量的大小取决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度。
影响种子质量的因素原材料质量培养条件（温度、湿度、通气量）斜面冷藏时间种子质量控制措施菌种稳定性检查无菌检查第四节菌种的复壮与保藏
菌种复壮
选育一株理想的菌株是一件艰苦的工作，而欲使菌种始终保持优良性状的遗传稳定性，便于长期使用，还需要做很多日常的工作。实际上，由于各种各样的原因，要使菌种永远不变是不可能的，菌种衰退是一种潜在的威胁。只有掌握了菌种衰退的某些规律，才能采取相应的措施，尽量减少菌种的衰退或使已衰退的菌种得以复壮。菌种衰退（degeneration）是指由于自发突变的结果，而使某物种原有的一系列生物学性状发生量变或质变的现象。
菌种衰退的现象菌落和细胞形态改变生长速度缓慢，产孢子越来越少代谢产物生产能力下降，即出现负突变致病菌对宿主侵染能力下降对外界不良条件的抵抗能力下降等菌种衰退的原因：基因突变－－主要原因（1、有关基因发生负突变导致菌种衰退2、表型延迟造成菌种衰退3、质粒脱落导致菌种衰退）连续传代－－加速衰退不适宜的培养和保藏条件－－加速衰退
菌种衰退的防止控制传代次数创造良好的培养条件利用不易衰退的细胞移种传代采用有效的菌种保藏方法讲究菌种选育技术定期进行分离纯化
菌种复壮狭义的复壮－－消极的措施是指在菌种已经发生衰退的情况下，通过纯种分离和测定典型性状、生产性能等指标，从已衰退的群体中筛选出少数尚未退化的个体，以达到恢复原菌株固有性状的相应措施。广义的复壮－－积极的措施是指在菌种的典型特征或生产性状尚未衰退前，就经常有意识地采取纯种分离和生产性状测定工作，以期从中选择到自发的正突变个体。
菌种复壮的主要方法纯种分离法菌落纯（“菌种纯”）细胞纯（“菌株纯”）通过纯种分离,可将衰退菌种细胞群体中一部分仍保持原有典型性状的单细胞分离出来,经扩大培养,就可恢复原菌株的典型性状。
宿主体内复壮法对于寄生性微生物的衰退菌株，可通过接种到相应昆虫或动植物宿主体内来提高菌株的毒性。淘汰法将衰退菌种进行一定的处理（如药物、低温、高温等），往往可以起到淘汰已衰退个体而达到复壮的目的。
遗传育种法把退化的菌种重新进行遗传育种，从中再选出高产而不易退化的稳定性较好的生产菌种性状稳定的菌种是微生物工作最重要的基本要求，否则生产或科研都无法正常进行。影响微生物菌种稳定性的因素：a）变异；b）污染；c）死亡
菌种保藏
目的尽可能保持其原有性状和活力的稳定，确保菌种不死亡、不变异、不被污染，以达到便于研究、交换和使用等诸方面的需要。
原理挑选典型菌种的优良纯种来进行保藏，最好保藏它们的休眠体，如分生孢子、芽孢等。/人为地创造环境条件（如：干燥、低温和缺氧），使微生物长期处于代谢不活泼、生长繁殖受抑制的休眠状态。/尽可能采用不同的手段保藏一些比较重要的微生物菌株。
方法斜面低温保藏法石蜡油封藏法砂土管保藏法麸皮保藏法甘油悬液保藏法冷冻真空干燥保藏法液氮超低温保藏法宿主保藏法
（一）斜面低温保藏法－－常用保藏法将菌种接种在适宜的斜面培养基上，待菌种生长完全后，置于4℃左右的冰箱中保藏，每隔一定时间（保藏期）再转接至新的斜面培养基上，生长后继续保藏，如此连续不断。广泛适用于各大类微生物菌种的短期保藏主要保藏措施是低温。一般可保存1～6个月左右。(简便易行，容易推广，存活率高；但菌株仍有一定程度的代谢活动能力，保藏期短，传代次数多，菌种较容易发生变异和被污染。)（二）石蜡油封藏法在无菌条件下，将灭过菌并已蒸发掉水分的液体石蜡倒入培养成熟的菌种斜面（或半固体穿刺培养物）上，石蜡油层高出斜面顶端1cm，使培养物与空气隔绝，加胶塞并用固体石蜡封口后，垂直放在室温或4℃冰箱内保藏。广泛适用于各大类微生物菌种的中期保藏不适用于保藏某些能分解烃类的菌种。主要保藏措施是低温、阻氧。一般可保存1～2年左右。
（三）砂土管保藏法长期保藏菌种的方法，适用于产孢子的微生物及形成芽孢的细菌，对于一些对干燥敏感的细菌及酵母则不适用。兼具低温、干燥、隔氧和无营养物等诸条件，故保藏期较长、效果较好，且微生物移接方便，经济简便。它的保藏期约1～10年。将砂与土分别洗净、烘干、过筛，按一定比例分装于小试管中，砂土的高度约1cm，121℃蒸汽灭菌1～1.5h，间歇灭菌3次。50℃烘干后经检查无误后备用。将待保藏的菌株制成菌悬液或孢子悬液滴入砂土管中，放线菌和霉菌也可直接刮下孢子与载体混匀，而后置于干燥器中抽真空约2～4h，用火焰熔封管口(或用石蜡封口)，置于干燥器中，在室温或4℃冰箱内保藏。长期保藏菌种的方法，适用于产孢子的微生物及形成芽孢的细菌，对于一些对干燥敏感的细菌及酵母则不适用。兼具低温、干燥、隔氧和无营养物等诸条件，故保藏期较长、效果较好，且微生物移接方便，经济简便。它的保藏期约1～10年。（四）麸皮保藏法又称曲法保藏。即以麸皮作载体，吸附接入的孢子，然后在低温干燥条件下保存。其制作方法是，将麸皮与水以一定的比例拌匀，装量为试管体积2/5，湿热灭菌后经冷却，接入新鲜培养的菌种，适温培养至孢子长成。将试管置于盛有氯化钙等干燥剂的干燥器中，于室温下干燥数日后移入低温下保藏；干燥后也可将试管用火焰熔封，再
保藏，则效果更好。适用于产孢子的霉菌和某些放线菌，保藏期在1年以上。因操作简单、经济实惠，工厂较多采用。
（五）甘油悬液保藏法此法是将菌种悬浮在甘油蒸馏水中，置于低温下保藏，本法较简便，
但需置备低温冰箱。保藏温度若采用－20℃，保藏期约为0.5～1年，而采用－70℃，保藏期可达10年。将拟保藏菌种对数期的培养液直接与经121℃蒸汽灭菌20min的甘油混合，并使甘油的终浓度在10％～15％，再分装于小离心管中，低温冰箱中保藏。基因工程菌常采用本法保藏。
（六）冷冻真空干燥保藏法又称冷冻干燥保藏法，简称冻干法。用保护剂制备拟保藏菌种的细胞悬液或孢子悬液于安瓿管中，再在低温下快速将含菌样冻结，并减压抽真空，使水升华将样品脱水干燥，形成完全干燥的固体菌块。并在真空条件下立即熔封，造成无氧真空环境，最后置于低温下，使微生物处于休眠状态，而得以长期保藏。适用于各大类微生物。
主要保藏措施是低温、干燥、缺氧、有保护剂，保藏期一般长达5～15年，存活率高，变异率低，是目前被广泛采用的一种较理想的保藏方法。技术要求较高，且需要冻干机等设备。
（七）液氮超低温保藏法简称液氮保藏法或液氮法。它是以甘油、二甲基亚砜等作为保护剂，
在液氮超低温（－196℃）下保藏的方法。其主要原理是菌种细胞从常温过渡到低温，并在降到低温之前，使细胞内的自由水通过细胞膜外渗出来，以免膜内因自由水凝结成冰晶而使细胞损伤。此法适用于各种微生物菌种的保藏。此法的主要保藏措施是超低温、有保护剂，保藏期一般可达到15年以上，是目前公认的最有效的菌种长期保藏技术之一。此法的优点是操作简便、高效，且可使用各种培养形式的微生物进行保藏。其缺点是需购超低温液氮设备，且液氮消耗较多，操作费用较高。（八）宿主保藏法此法适用于专性活细胞寄生微生物（如病毒、立克次氏体等）。植物病毒可用植物幼叶的汁液与病毒混合，冷冻或干燥保存。
噬菌体可以经过细菌培养扩大后，与培养基混合直接保存。
动物病毒可直接用病毒感染适宜的脏器或体液，然后分装于试管中密封，低温保存。
在上述的菌种保藏方法中，以斜面低温保藏法、石蜡油封藏法、宿主保藏法最为简便；砂土管保藏法、麸皮保藏法和甘油悬液保藏法次之；以冷冻真空干燥保藏法和液氮超低温保藏法最为复杂，但其保藏效果最好。应用时，可根据实际需要选用。
美国ATCC采用冷冻干燥保藏法和液氮保藏法来保藏所有菌种。我国CCCCM采用斜面低温保藏法、冷冻干燥保藏法和液氮保藏法进行菌种保藏。
第五章发酵工艺控制
第一节发酵过程方式：一、分批发酵二、补料分批发酵三、半连续发酵四、连续发酵
分批发酵：（batchcultureorfermentation）种子投种到培养基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。是一种准封闭式系统。
分析：如果生产的产品是菌体细胞，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。如果产品是次级代谢产物，则宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长生产期，以提高产量。
分批培养的特点：(1)整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、酸碱除外）(2)整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。
分批培养的优缺点优点：操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握。缺点：产率低。
补料分批发酵:是在分批发酵过程中补入新鲜的料液，以克服由于养分的不足，导致发酵过早结束。半连续发酵:在补料分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发发酵(行业中称为带放)。
连续培养:发酵过程中一边补入新鲜的料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。优点：设备利用率高，操作简单，产品质量较稳定；及时排除在发酵过程中产生的对发酵过程有害的物质。问题：(1)污染杂菌问题(2)生产菌种突变问题
第二节发酵条件的影响及其控制
发酵工艺控制的基础：了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响
如何进行控制？测定各种参数依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳参数
发酵过程检测控制的主要的参数--1、物理参数
发酵过程检测控制的主要的参数--2、化学参数
发酵过程检测控制的主要的参数--3、生物参数
一、基质浓度对发酵的影响及其控制如在谷氨酸发酵中以乙醇为碳源，控制发酵液的乙醇浓度在2.5~3.5g／L范围内可延长谷氨酸合成时间。又如在葡萄糖氧化酶(GOD)发酵中葡萄糖对GOD的形成具有双重作用，低浓度下有诱导作用；高浓度会起分解代谢物阻遏作用。
二、灭菌情况培养基灭菌条件对产酶的影响。葡萄糖氧化酶发酵培养基的灭菌条件对产酶有显著的影响。灭菌条件中灭菌温度比灭菌时间对产酶的影响更大。
三、种子质量选择适当的接种菌龄十分重要，太年轻或过老的种子对发酵不利。通常采用较大的接种量可缩短生产达到高峰的时间，使产物的合成提前。
四、温度对发酵的影响和控制1.影响各种酶促反应的速度发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。2.改变发酵液的物理性质3.改变菌体代谢产物的合成方向温度小于30℃，合成金霉素的能力强;温度等于35℃，只合成四环素温度影响基质和氧的吸收速度;影响饱和溶氧浓度影响发酵温度变化的因素--发酵热（KJ/m3h）
发酵热=生物热+搅拌热-蒸发热-显热-辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。显热：发酵排气散发带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。
最适发酵温度的选择选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制
五、pH的影响和控制影响菌体生长代谢的酶活性。影响代谢产物的合成方向。影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。
影响发酵pH变化的因素：pH的变化决定于所用的生产菌：培养基中营养物质的代谢引起pH的变化：培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生NH3，则pH上升；有机酸的积累，使pH下降。一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
最适pH的选择根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH。同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物采用最适产物合成的pH。采用合适的培养基配比C：N合适生理酸性物质和生理碱性物质比例合适添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐在发酵过程中直接补加酸或碱过去流加硫酸或氢氧化钠，现采用补加氨水、尿素、硫酸铵在发酵过程中调节补糖速度控制pH六、溶氧的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
描述微生物需氧的物理量
比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2g菌-1h-1摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2L-1h-1。r=QO2.X
一般对于微生物：CCr:＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%
产黄青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.
溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。六、溶氧的影响
影响需氧的因素r=QO2.X菌体浓度QO2：遗传因素。菌龄。营养的成分与浓度。有害物质的积累。培养条件。七、补料
（一）碳源种类的影响及控制
迅速利用的碳源;种类：葡萄糖。优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量。缺点：有些品种产生分解产物阻遏效应。
缓慢利用的碳源种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油。优点：不易产生分解产物阻遏效应。有利于延长次级代谢产物的分泌期。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度补料的类型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入
补糖的依据：残糖量。pH值。Qc。X。粘度。溶氧。尾气中O2和CO2的含量。发酵液的总体积。
补糖量的控制：
经验法：根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。
例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%,pH开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。每小时前期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）氮源的影响和控制
迅速利用的氮源种类：氨水、铵盐和玉米浆。优点：易被菌体利用，明显促进菌体生长。缺点：对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成迅速利用的氮源。
缓慢利用的氮源种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉。优点：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。
氮源浓度的影响控制氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
（三）磷酸盐的影响和控制磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM）。对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成。（10mM以下）
磷酸盐浓度的控制1一般在基础培养基中采用适宜浓度。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。2一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。3要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。4当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。
第三节泡沫对发酵的影响及控制
概念:气体分散在少量液体中，气体与液体之间被一层液膜隔开就形成了泡沫。液面上的泡沫，气相所占比例大，与液体有明显界限。流态泡沫，分散于发酵液内部，比较稳定，与液体之间无明显界限。
影响1影响着微生物对氧的吸收，妨碍二氧化碳的排除；2使发酵液的装料系数减少。3大量的泡沫易造成逃液。4增加污染杂菌的机会。
发酵初期泡沫的高稳定性与发酵液的高表现黏度和低界面张力有关，而随着霉菌产生的蛋白
酶、淀粉酶的增多和对营养物质的利用，造成产生泡沫的蛋白质等物质分解，培养液的性质发生改变，黏度降低促使界面张力上升，泡沫减少，当达到发酵的后期，由于微生物细胞的自溶，又使蛋白质的浓度增加，促使发酵过程的泡沫上升。
泡沫的控制方法:1.调整培养基成分减少培养基中易起泡的成分减少培养基中粘度大的成分2、适当减少通气量及搅拌转速3、采用机械消泡（罐内装置和罐外装置）4、采用削沫剂消泡
工业上常用的消泡剂1天然油脂类;玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等2高碳醇类:十八醇、乙二醇聚合物3聚醚类:聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油4硅酮类:聚二甲基硅氧烷消泡剂使用的注意事项：1不能用量过大2细密地扩散到泡沫效果好3加入土温-80具有增效作用4多种消泡剂并用
第四节发酵终点的判断
确定合适的微生物发解终点，对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。生产能力是指单位时间内单位罐体积所积累的产物量。其单位为g/L-h。生产不能只单纯追求高生产力，而不顾及产品的成本，必须把二者结合起来，既要高产量，又要低成本。
1、从经济因素上考虑，如何确定一个合理的放罐时间？最大限度地降低成本和最大限度地取得最大生产能力的发酵时间为最适发酵时间。
2、从产品质量上考虑，如何确定一个合理的放罐时间？发酵时间长短对后步提取工艺和产品质量有很大的影最大。
3、确定一个合理的放罐时间，为什么有时还要考虑特殊因素？判断放罐的主要指标有：产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH值、培养液的外观、黏度等确定。
不同的发酵类型，要求达到的目标不同，因而对一发酵终点的判断准也应有所不同。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（(kg/m3.h)、得率（kg产物/kg基质）和发酵系数「kg产物／（罐容m3发酵周期h)]。
下游技术成本占的比重较大、产品价格较贵，除了高的产率和发酵系数外，还要求高的产物浓度。
考虑放罐时间时，还应考虑下列因素，如：体积生产率〔每升发酵液，每小时形成的产物量（g）表示〕和总生产率（放罐时发酵单位除以总发酵生产时间）。
这里总发酵生产时间包括发酵周期和辅助操作时间，因此要提高总的生产率，则有必要缩短发酵周期。这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，且耗电大，成本提高，因每吨冷却水所得到的产量下跌，另外，放罐时间对下游工序有很大影响。第五节发酵染菌的防治及处理
一、染菌的检查、判断（一）观察法1.菌体浓度（OD值）异常（OD:opticaldensity）2.溶解氧（DO）异常3.pH值异常4.泡沫过多（二）镜检法（三）平板划线培养法（四）酚红肉汤培养法二、发酵染菌的原因1.种子带菌2.空气带菌3.设备渗漏4.培养基灭菌不彻底5.技术管理不善三、染菌情况分析
1.单罐染菌罐本身而非系统问题。如种子带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效。
2.多罐染菌系统问题，如空气过滤系统有问题，特别是总过滤器长期没有检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有渗漏或灭菌不彻底。
3.前期染菌种子带菌、培养基灭菌不彻底。
4.中后期染菌补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗漏，一般不会是种子问题。四、噬菌体（phage）染菌及其防治
（一）phage的检查（单层琼脂法；双层琼脂法；平板交叉划线法；液体培养检查法）
（二）phage的防治工艺角度1.消灭环境中的phage2.药物防治菌种选育1.轮换菌种2.选育抗phage的菌株
第六章发酵产物的提取与精制
在工业生产规模的前提下考虑分离精制方法时，必须注意：1.能够达到所要求的纯度；2.收率高；3.生产成本尽可能低；4.工艺过程尽可能缩短和简化；5.生产中所产生的废物能够处理；6.实验过程能够成功地进行放大。
1.发酵液的特性及提取精制工程概要
发酵醪的特性：(1)含水量高，一般含水量达90％～99％；(2)发酵产物浓度较低；(3)悬浮固形物主要是菌体和蛋白质的胶状物；(4)培养基残留成分中还含有无机盐类、非蛋白质大分子杂质及其降解产物；(5)其他少量的代谢副产物；(6)色素、热原质、毒性物质等有机杂质。生物物质分离过程的一般步骤
2.发酵液的预处理：离心过滤与菌体分离：细菌和酵母,采用高速离心；霉菌和放线菌，采用过滤。离心分离：根据发酵液中的物质比重不同，在离心力场的作用下，将悬浮液中的固相和液相加以分离。(1)沉降式：管式；蝶式离心机(2)过滤式：多种形式分批、自动间隙或连续式。碟式高速离心机：结构：倒锥形多孔碟片金属转鼓。工作原理：中心进料，因固液比重不同，在碟片空间内由于离心力的作用，把醪分成固液两相。
管式高速离心机：下部进料，经档板分散于转筒底部，受离心力作用而上旋，轻液位于筒的中央螺旋向上移动，菌体则靠近筒壁，经分离盘时，轻液沿轻液孔进入集液槽。菌体位于转筒壁，停机的时候取出。管式分离机主要分为澄清型和分离型两种。澄清型：难分离悬浮液的液固分离。分离型：难分离的乳浊液(液液二相分离、液液固三相分离)。
过滤
1）影响过滤速度的因素（胶体物存在情况）：(1)培养基组成及利用程度。(2)发酵终点的判定是否正确。(3)菌种。2）提高过滤设备处理能力的途径：扩大设备尺寸，增加过滤面积。增大设备规模提高过滤速度（强化设备处理能力）
3）改善滤饼结构的物理化学方法：在制备悬浮液过程中或之后，造成大颗粒(1)酸化凝结法：
胶体体系的稳定性与其带电荷有关。在某pH下，净电荷为0，溶解度最小(pH=pI)。常用酸试剂：草酸、盐酸、硫酸及磷酸。Fe2＋+金霉素+草酸→草酸铁＋金霉素；Ca2＋+草酸→草酸钙；(2)热处理法：〈热凝固法〉加热使蛋白质凝固，不适宜用于热敏感的发酵产品的生产中。(3)添加絮凝剂：胶体粒子间电荷相同而互斥而不聚沉。利用絮凝剂（分子活性基团多，多点结合、长链线性结构、高电荷密度）特点而使胶体粒子沉淀。常用的絮凝剂：聚丙烯酰胺〈PAM〉、含40000个PAM单体。(4)添加助滤剂：能形成一层不可压缩的滤层，截留了悬浮杂质，隔离了细小、易压缩杂质与过滤介质接触，以形成疏松滤饼。注意：
a．方法：预涂层，或醪中直接加入，或两法兼用。
b．助滤剂种类、用量要恰当，是取得良好过滤效果的关键。
(5)添加反应剂添加能相互反应、或能和某些溶解盐类反应生成不溶解的沉淀的物质。3CaCl2+2Na3PO4→Ca3(PO4)2↓+6NaCl关键在选择合适的反应剂
(6)添加酶制剂：当醪中有不溶解的多糖存在时，加入能使其转化为单糖的酶制剂，改善粘度，对提高过滤速滤有帮助。
4）工艺措施A保持适当的滤饼厚度B采取最大的允许过滤压力C控制适当的悬浮物的浓度D固形颗粒分级过滤
5）结构措施A反向过滤B动态过滤(过滤速度高，过滤介质截留的固体粒子连续地被除去，不能形成较厚滤饼层)。C电场、磁场过滤。（两性物质）D自动过滤
6）过滤介质：过滤单元上使用的过滤介质按材料大致可分为：(1)天然纤维和合成纤维滤布（帆布、绸绢、涤纶、尼龙布、玻璃纤维），选择时主要注意：①不同纤维的物理、化学性能不同；②纹路：平纹、链纹(2)天然毛毡和合成滤毡（三维均匀纤维团，无粘结剂。用途广，能使涂层和滤饼的形成迅速均匀）(3)微孔纤维薄膜和金属薄膜：A：主要是醋酸纤维素，聚碳酸脂类；B：惰性金属合金为主；(4)多孔陶瓷，金属陶瓷与烧结树脂（再生能力好）(5)连孔型泡沫塑料与泡沫金属（三维空间网状，空隙占97%）
细胞破碎：由于有许多生化物质存在于细胞内部，必须在纯化以前将细胞破碎，使胞内物质释放到液相中，然后方可进行提取。细胞破碎方法
3.发酵产物的提取：沉淀法：利用物质能和某些酸、碱或盐形成不溶性或复合物沉淀或结晶。根据所加入沉淀剂的不同，沉淀法可分为：等电点法、盐酸盐法、金属盐法、盐析、有机溶剂、非离子型聚合物、聚电解质、高价金属离子。等电点法：利用两性电解质在等电点的溶解度最低和不同电解质有不同等电点的特性，将两性电解质分离的方法。通过加酸或碱调pH＝pI，pro分子的净电荷为零，分子聚集在一起。注意：宜均匀。等电点法提取谷氨酸工艺流程
盐酸盐法：在发酵液加入盐酸使氨基酸成为氨基酸盐酸盐析出，在加碱中和到氨基酸等电点，使氨基酸沉淀析出。盐酸盐法提取谷氨酸使利用它在冷浓盐酸溶液中不溶，容易形成谷氨酸盐酸盐晶。
3.1.3金属盐法：在发酵液加入重金属盐，使难溶的氨基酸金属盐沉淀析出，经溶解后在调pH到氨基酸等电点，使氨基酸沉淀析出。目前，锌盐和钙盐使用较多。（1）锌盐-等电点法、等电点-锌盐法（2）钙盐法（图）3.1.4溶剂沉淀法：利用某些物质在有机溶剂中的溶解度不同而使其分离的方法。原理：有机溶剂能降低溶液的介电常数，使溶质分子间因引力而凝集；或破坏水膜(降低水活度)而溶解度降低；或破坏pro副键，改变其空间结构而使疏水基团暴露而析出。优点：溶剂易除；
缺点：易使蛋白质变性。影响有机溶剂沉淀的因素：①溶剂的种类和数量：丙酮>乙醇>甲醇②沉淀的温度：温度越低沉淀越完全。
3.1.5盐析法：盐与蛋白质溶解度的关系：(1)盐溶：[盐]低时，S随[盐]增加而增加；(2)盐析：[盐]高时，S随[盐]增加而降低；溶解度与盐浓度的关系可用下式表示：
logS=β－KSI。S：蛋白质的溶解度；I：离子强度；β：常数，与蛋白质种类有关，与盐的种类无关；KS：盐析常数，与盐种类有关，与温度和pH无关；（1）机理：蛋白胶体稳定的原因是蛋白质颗粒周围水化膜和电荷的存在。加入盐，中和表面电荷、破坏水化膜。（2）影响盐析的因素：盐种类影响KS，KS越大，效果越好。盐析剂用量。温度和pH：影响β值而影响S。尤其是影响相对溶解度。杂质。（3）注意事项①[盐]因被提取物种类不同而不同；②[盐]因被提取物的来源不同而不同；③杂质对盐析有影响；④盐析时的pH≈pI（？）；⑤盐析产品还需进一步纯化（？）；
3.1.5其它（1）加热沉淀法：蛋白质的热变性；适用于变性活化能差别较大的蛋白质分离。热稳定性。（2）非离子型聚合物沉淀法：与有机溶剂相似，能降低水化度。（3）聚电解质：作用机制复杂，有絮凝作用，也有盐析作用，还有降低水化等作用。
3.2树脂法和吸附法树脂法：利用树脂与产物结合，让产物保留在树脂上与杂质分开，再从树脂上洗脱产物或让杂质与树脂结合，产物直接流出。有吸附树脂和离子交换树脂。特点：高效、设备简单、操作方便、易于自动化、减少三废等。原理：（图）离子交换树脂是用有机合成方法，将苯乙烯或丙烯酸(酯)聚合生成具有三维空间立体网络结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通常为酸性或碱性基团)而制成。
不溶于水和一般溶剂。大多数颗粒状，也有一些纤维状或粉状。树脂颗粒的尺寸一般在0.3～1.2mm范围内，大部分在0.4～0.6mm之间。它们有较高的机械强度(坚牢性)，化学性质也很稳定，有较长的使用寿命。//离子交换树脂中含有一种(或几种)化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子(如H+或Na+)或阴离子(如OH-或叫姐姐，Cl-)，同时吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。
离子交换的类型按组分：(有机、无机)离子交换剂。按性能：(阳、阴、两性、吸附型、选择型、氧化还原型)离子交换剂。
（1）阳离子交换剂：强酸型：(-R-SO3H)中性：弱酸性：
（2）阴离子交换剂：都含有氨基。强：季胺酸[-N+(CH3)3]；弱：叔-N(CH3)2,、仲(-NHCH3)、伯(-NH2)。（3）两性离子交换剂：交换剂本体上同时带有酸性和碱性基团。（4）选择性离子交换树脂：又称螯合性离子交换树脂，因为有与金属离子形成螯合物的基团，而具有离子选择性。（5）吸附树脂：亦称脱色树脂，有较大的表面积，具多孔性，吸附功能强。（6）电子交换树脂其作用不是进行离子交换而是电子转移，能起氧化还原作用，(亦称氧还树脂)可用氧化剂或还原剂再生。
离子交换树脂的理化性能a.对离子交换树脂的一般要求：（1）容量大（活性基团/重量）。足够多含活性基因；基团能完全电离。（2）良好的可逆性。（3）适宜的机械强度。（4）化学稳定性。b、离换树脂的处理、再生、转型、保存（1）处理：树脂浸泡→酸处理→碱处理液→水洗（2）再生：使用过的树脂恢复到原状况的方法（往往只作简单转型处理）。（3）转型：使树脂上带上使用时希望的离子。（如：Na型用氢氧化钠；H型用盐酸处理；NH4+型：用氨水处理）（4）保存：中型盐型保存阴离子交换树脂，Cl－型较OH－稳定。阳离子交换树脂。Na＋型稳定。c、交换树脂的理化特性（1）颗粒度：颗粒小，交换速度快，压力损失较大。（2）含水量：一般40-60%。（3）比重：①干真比重：干燥状态下树脂材料本身的比重。②湿真比重：充分膨胀后树脂颗粒本身的比重。③视比重：指树脂充分吸水膨胀后的堆积密度。（4）膨胀性：因可交换离子不同而不同。一般强酸性阳离子交换树脂由Na+变为H+型，强碱性阳离子交换树脂由Cl型变为OH型，体积都大约增加5%。膨胀性在实际中的意义：①阳、阴树脂混合床的分层。②尽量减少再生次数。（5）耐磨损强度：树脂在使用过程中会产生磨损。一般每年为3-7%（6）耐热性：有一定的耐热性能，温度过高或过低，对强度和容量都会有影响。一般：阳比阴树脂的耐热性高，其中盐型比游离型的耐热性高。（7）交换容量：指树脂交换能力的大小，是衡量树脂性能的重要指标。两种表示方法：①理论(全)交换量：树脂的特性决定。②工作(操作)交换量：受操作条件、柱长度、粒度、离子性质。浓度、流速、交换基团等因素的影响。一般：弱酸（碱）>强酸（碱）树脂。交联度小的交换容量大。离子交换操作方式：1、分批法：交换在一容器中进行。2、固定床法：也称柱过滤法，交换在动态下进行。分批法不如固定床法好：用分批法，因为交换受到平衡的限制，树脂的饱和度不高。而固定床法，树脂的饱和度高（当然同样存在平衡限制的情况），因为液体在流动的过程中，平衡状态因新的溶液的流入而逐渐被所打破，使离子交换速度加快。离子交换树脂的品种：。国外一些产品用字母c代表阳离子树脂(c为cation的第一个字母)，a代表阴离子树脂(a为anion的第一个字母)，如amberlite的irc和ira分别为阳树脂和阴树脂，亦分别代表阳树脂和阴树脂。我国化工部规定(hg2-884-76)，离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类：0代表强酸性，1代表弱酸性，2代表强碱性，3代表弱碱性，4代表螯合性，5代表两性，6代表氧化还原。第二位数字代表不同的骨架结构：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表环氧系等。第三位数字为顺序号，用以区别基体、交联基等的差异。此外大孔型树脂在数字前加字母d。因此，d001是大孔强酸性苯乙烯系树脂。（图）
化学反应（以提取谷氨酸为例：）图工艺流程（以提取谷氨酸为例：）
①上柱：发酵液→→稀释并调pH5.0～5.5→→倒上柱→→阳离子交换树脂→→水洗→→60℃，4%NaOH洗脱→→高流分收集→→调pH3.2结晶→→离心分离→→谷氨酸②树脂处理：离子交换柱→→水洗（反洗，正洗）→→5.4%HCL再生→→水洗③树脂再交换：母液+漏液（倒冲水）+低流分→→树脂再交换
吸附法：固体表面分子受力不平衡，界面分子力场不饱和，而具有吸附分子、原子、离子的能力。吸附主要有三类型：物理、化学、交换吸附；工业中常用物理吸附和交换吸附。
吸附剂要求：①自身不溶解，也不破坏或分解被分离物。②表面积大。③大小均匀。工业用吸附剂主要有三类型：(1)疏水或非极性吸附剂：适合于从极性溶媒(水)中吸附溶质。
代表是活性碳，有疏水性。在极性液中，吸附力：溶质>溶媒，有环>无环。(2)亲水或极性吸附剂：适用于从非极性或小极性溶媒中吸附溶质。代表：硅胶，氧化铝，活性土（铝硅酸），有酸性、碱性、中性之分。碱性物质→→酸性吸附剂，反之亦然。(3)离子交换树脂吸附剂：属极性吸附剂，与（2）不同的是，还具有离子交换的性能。注意：①根据提炼的性质选择恰当的类型。②活性炭的选择性差。吸附操作工艺：（1）固定床吸附操作：吸附穿透点溶质洗脱，吸附剂再生；可进行多床串联的半连续操作（2）膨胀床吸附操作：孔隙率高，可处理菌体悬浮液。吸附剂：较高吸附能力，一定密度（抵御流速）。结构：液体分布器使流速均匀。流程：缓冲液→吸附清洗→固定床清洗→固定床洗脱。变速操作：（3）流化床吸附操作：循环进液，流速较高。不许特殊吸附剂，结构简单，操作方便，可连续操作。返混剧烈，吸附剂利用效率较低。（4）移动床和模拟移动床吸附操作：固相相对运动活性炭吸附法：活性炭吸附抗生素：向抗生素发酵液中加入活性炭，搅拌或振摇一定时间后使抗生素有效成分吸附于活性炭上，然后过滤弃去滤液，洗涤碳饼，去杂后即可进行洗脱。
注意：1）调节适当pH；2）保持一定湿度；3）合理用量；4）充分搅拌；5）洗脱溶剂的温度、pH、用量，少量多次。活性炭吸附脱色。
3.3蒸馏提取分离法：蒸馏原理：挥发性差异＋部分汽化与冷凝操作。精馏：相对挥发性差异＋多次部分汽化与冷凝操作。确定蒸馏流程和工艺参数的依据：产品要求、杂质种类、特性等。
3.3.1、蒸馏流程的选择依据：1.原料和成熟醪特性2.产品质量要求3.节约：蒸汽、水循环使用。投资=>如塔的高度，采用公用管道。4.操作方便：多元组分分离的先后顺序
3.3.2工业发酵中各种蒸馏的特点：1.酒精工业中蒸馏的特点：原料有：淀粉质、糖蜜、纤维素。原料不同→发酵过程中生成杂质也不同→蒸馏操作的具体过程不同。⑴淀粉质原料
若蛋白质含量高→杂醇油较多→（注意除之）；果胶含量高→甲醇较多→（注意除之）。⑵糖原料醛酯含量高（是注意分离重点）；干物质含量高时，注意塔板形式的选择。⑶纤维素、废纸浆原料：甲醇含量高、酒度低、易积垢。2、白酒蒸馏的特点：要求：成品中不仅具有一定的乙醇，还要求有一定含量的酯酸，以保证其成品的特殊的香味、口味。温度不能太高，酒度不能太高，尽量能将醪中的酸、酯等呈香物质提取出来。3、丙酮-丁醇蒸馏的特点：
多元混合物蒸馏：多塔式蒸馏,不同塔提取不同产物。两种流程：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→乙醇精馏塔(图)3.4萃取法。原理：以分配定律为基础。即，物质因溶解度不同，从一种溶剂转入另一溶剂而被分离。分配定律：在恒温、恒压下，一种物质在两种溶剂中的分配浓度比是常数。最适萃取次数计算方法：
3.4.1溶媒萃取法（1）单级萃取：单级萃取流程示意图
（2）多次错流萃取：多次错流萃取系统
（3）多极逆流萃取：多次逆流萃取系统
（4）青霉素G的溶媒萃取：流程图
①喷淋塔：优点：结构简单，塔体内除各流股物；料进出的连接管和分散装外，别无其它内部构件。缺点：轴向返混严重，传质效率低。适于仅需一、二个理论级的场合。
②填料萃取塔：塔内充填适宜的填料，塔两端装有两相进出口管。连续相充满整个塔，分散相由分布器分散成液滴进入填料层，在与连续相逆流接触中进行萃取。结构简单、造价低廉、操作方便，故在工业上有一定的应用。对两相的流动有所改善，返混有所抑制，但其级效率仍然较小。适于理论级小于3，处理量较小的场合。③筛板萃取塔表面更新好。多层筛板使分散相多次分散及凝聚，表面得以多次的更新。限制了轴向的返混。塔结构简单、价格低廉。级效率不太高：适于所需理论级数较少、处理量较大，而且物系具有腐蚀性的场合。国内在芳烃抽提中应用筛板塔获得了良好的效果。④脉冲筛板塔：外力作用使液体在塔内产生脉冲运动，迫使液体经过筛板上的小孔，使分散相破碎成较小的液滴分散在连续相中，并形成强烈的湍动，从而促进传质过程的进行。塔两端直径较大部分为上澄清段和下澄清段，中间为两相传质段，其中装有若干层具有小孔的筛板，板间距较小，一般为50mm。脉冲频率较高、振幅较小时萃取效果较好。如脉冲过于激烈，将导致严重的轴向返混，传质效率反而下降。
结构简单，传质效率高，但生产能力有限。
⑤往复筛板萃取塔：将若干层筛板按一定间距固定在中心轴上，由塔顶的传动机构驱动而作往复运动。当筛板向上运动时，迫使筛板上侧的液体经筛孔向下喷射；当筛板向下运动时，又迫使筛板下侧的液体向上喷射。萃取效率与塔板的往复频率密切相关。当振幅一定时，效率随频率的增大而提高。可较大幅度地增加相际接触面积和提高液体的湍动程度，传质效率高，生产能力大，在石油化工、食品、制药等工业中应用广泛。⑥转盘萃取塔：在圆柱形的塔体内装有多层固定环形挡板，称为定环。定环将塔隔成多个空间，两定环之间均装一转盘。转盘固定在中心转轴上，由塔顶的电机驱动。塔两端留有一定的空间作为澄清室，并以栅型挡板与中段萃取段隔开，以减少萃取扰动影响分层。
转盘塔传质效率较高：当转盘以较高转速旋转时，转盘则带动其附近的液体一起转动，使液体内部形成速度梯度，产生剪应力，使连续相产生涡流，处于湍动的状态，而使分散相液滴变形，以致破裂或合并，以增加相际传质面积，促进表面更新。而其定环则将旋涡运动限制在由定环分割的若干个小空间内，抑制了轴向返混。由于转盘及定环均较薄而光滑，不至于使局部的剪应力过高，避免了乳化现象，有利于两相的分离。
影响溶媒萃取的主要因素：（1）乳化：1)乳化即液体分散体系。其存在会使有机溶媒和水相分层困难。乳化液的二种类型：①水包油型O/W；②油包水型W/O。2)破坏乳浊液的方法：
①过滤和离心分离法；②加热法；③稀释法；④加电解质法；⑤吸附法；⑥顶替法；⑦转型法（2）pH：影响物质在溶剂中的溶解度；影响物质的选择性。（3）温度：影响传质速率，改变萃取速度。（4）盐析作用：加入盐，既降低物质在水中的溶解度，提高其在有机相中的溶解量。同时，也降低了有机溶媒在水中的溶解度。（5）带溶剂（6）溶媒的选择：较大的溶解度和良好的选择性；相似相溶。
3.4.2双水相萃取法(twoaqueousphaseextraction)一些高分子水溶液（如聚乙二醇硫酸盐水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相中的溶解度有较大差别。K=CT/C。应用：对温度无影响。不损害生物活性。采用生物特异性的配基可以提高选择性。→可用于澄清发酵液分离，也可用于处理细胞悬浮液。双水相系统提取人生长激素
3.4.3反胶束萃取法：反微团（reversedmicelles）萃取。机理：带电蛋白质与反微团极性头之间的静电作用力是蛋白质从水相迁入有机相，改变条件后又可以回到水相。应用：阴离子表面活性剂OT（AOT）；阳离子表面活性剂TOMAC；有机溶剂异辛烷
3.4.4超临界流体萃取（SFE）：原理：利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出。
超临界流体萃取的流程包括：（1）超临界流体发生源，由萃取剂储瓶、高压泵及其他附属装置组成。（2）超临界流体萃取部分，由样品萃取管及附属装置组成，随着流体的流动，使含被萃取溶质的流体与样品基体分开。（3）溶质减压吸附分离部分，由喷口及吸收管组成，萃取出来的。溶质及流体减压降温转化学常温常压态，流体挥发逸出，溶质吸附在吸收管内多孔填料表面，用合适溶剂就可把溶质洗脱收集。
萃取条件的选择有几种情况：（1）同一种流体选择不同的压力来改变提取条件，从而提取出不同类型的化合物；（2）根据提取物在不同条件下，在超临界流体中的溶解性来选择合适的提取条件；（3）将分析物沉积在吸附剂上，用超临界流体洗脱，以达到分类选择提取的目的；（4）对极性较大的组分，可用甲醇增加萃取剂强度。影响萃取效率的因素除了萃取剂流体的压力、组成、萃取温度外，萃取过程的时间及吸收管的温度也影响萃取效率，萃取时间取决于两个因素：（1）是被萃取物在流体中的溶解度，溶解度越大，萃取效率越高，速度也越快；（2）是被萃取物质在基体中的传质速率越大，萃取越完全，效率也越高。收集器或吸收管的温度也会影响到回收率，降低温度有利于提高回收率。SFE在生物工程方面的应用：近年来的研究发现超临界条件下的酶催化反应可用于某些化合物的合成和拆分。在超临界或亚临界条件下的水可作为一种酸催化剂，对纤维素的转化起催化作用，使其迅速转化为葡萄糖。用于物质结晶和超细颗粒的制备当中。用超临界CO2作介质，高压CO2易于渗透到细胞内，突然降压，细胞内因胞内外较大的压差而急剧膨胀发生破裂。
3.5凝胶层析法：层析法：层析系统都由两个相组成：固定相+流动相。//待分离的混合物通过固定相时，与两相发生相互作用（吸附、溶解、结合等）的能力不同，在两相中的分配（含量对比）不同，随流动相移动的速度不同。//分部收集流出液，可得到样品中所含的各单一组份。按两相所处状态分类
按层析原理分类
按操作形式不同分类
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凝胶层析法的原理：两种运动垂直向下运动和布朗运动。大分子：分布于凝胶颗粒的间隙，以较快的速度流过层析柱；小分子：能不断地进出于一个又一个的颗粒微孔的内外；组分：分子按由大到小的顺序先后而分离。
常用凝胶：由于胶体溶液凝结而成的固体物质,其内部具有很微细的多孔网状结构.层析法中常用凝胶有：1.天然：(1)马铃薯淀粉凝胶(2)琼脂和琼脂糖凝胶2.人工合成：(1)聚丙烯酰胺凝胶(2)交联的葡萄糖凝胶（1）琼脂糖凝胶（agarosegel）由琼脂中分离出来的天然凝胶，依靠糖链之间的次级键维持网状结构，琼脂糖密度越大，网状结构越密集。可分离相对分子质量108的大分子及病毒，但由于琼脂的强吸附作用，洗脱困难，琼脂糖凝胶做成珠状后不再脱水干燥，否则不能溶胀恢复原有。
（2）聚丙烯酰胺（Bio-GelP)：人工合成凝胶，以丙烯酰胺为单位，由甲叉双丙烯酰胺
交联而成。交联剂越多，孔隙度越小。不耐酸：pH2-11。商品聚丙烯酰胺为颗粒状干粉，有成块粘附倾向，在溶剂中自动溶胀成胶。根据聚丙烯酰胺凝胶的溶胀性质和分离范围的不同，可分成10种类型。各种类型均以英文字母P和阿拉伯数字表示，从Bio-GelP-2至Bio-Ge1P-300。P后面的阿拉伯数字乘以1000即相当于排阻限度（按球蛋白或肽计算）。（3）交联葡聚糖凝胶（Sephadex)葡聚糖凝胶（Sephadex）具有良好的化学稳定性，是目前生化产品制备中最常用的凝胶。葡聚糖凝胶网孔大小可通过调节交联剂和葡聚糖的配比
及反应条件来控制。交联度越大，网孔越小，吸水膨胀就越小。交联度越小，网孔越大，吸水膨胀就越大。G类葡聚糖凝胶常用G-X代表，X数字既代表交联度，也代表持水量：数字越小，交联度越大，网孔越小，适用于分离低分子质量生化产品。数字越大，交联度越小，网孔越大，适用于分离高分子生化产品。数字也代表凝胶的持水量，如G-25表示1g干胶持水G-100表示1g干胶持水10mL，依次类推。
凝胶层析的基本操作：1．层析柱的选择：层析柱大小主要是根据样品量的多少以及对分辨率的要求来进行选择。一般来讲，主要是层析柱的长度对分辨率影响较大，长的层析柱分辨率要比短的高；但层析柱过长会引起柱子不均一、流速过慢等困难。一般柱长度不超过100cm，可以将柱子串联使用。层析柱的直径和长度比一般在1：25～1：100之间。
2凝胶的选择与处理：(1)孔径r正比与凝胶聚合物分子直径d，反比于凝胶浓度平方根。(2).选择适宜的凝胶是取得良好分离效果的最根本的保证。选取何种凝胶及其型号、粒度，一方面要考虑凝胶的性质，包括凝胶的分离范围（渗入限与排阻限）还有它的理化稳定性、强度、非特异吸附性质等；另一方面还要注意到分离目的和样品的性质。(3)细粒凝胶柱流速低，但洗脱峰窄，分辨率高，多用于精制分离或分析等。(4)粗粒凝胶柱流速高，但洗脱峰平坦，分辨率低，多用于粗制分离，脱盐等。(5)一般柱层析中，使用干颗粒直径在70μm左右较合适。对于在水中保存的凝胶如琼脂粉凝胶颗粒直径应在150μm左右。(6)凝胶颗粒大小要均匀，这样流速稳定，效果较好。(7)干粉形式保存使用前用水或洗脱缓冲液充分溶胀：将干胶往水里加，边加边搅，以防凝胶结块，然后放到沸水浴中加热接近100℃，几个小时就可以使其溶胀，还可起到除去颗粒内部气泡和杀菌作用。3装柱：缓慢加入，自然沉积，逐层水平上升，可得均匀柱。柱装得不好往往造成洗脱区带加宽，甚至使一些本来可以分开的区带重叠。装柱时操作压力太大，会使凝胶床压得太实，从而降低流速。新柱装好后，要用洗脱缓冲液平衡，一般用35倍体积的缓冲液在恒压下流过柱床。检验均匀性：可用带色的高分子物质如蓝色葡聚糖-201*配成2mg/mL的溶液过柱，观察色带是否均匀下降。也可以对光检查，看其是否均匀或有无气泡存在。4加样：要求样品粘度小于0.01Pas。对蛋白质类样品浓度以不大于4％为宜。如果样品浑浊，应先过滤或离心除去颗粒后上柱。分析用量一般为每100mL床体积加样品1～2mL。制备用量一般为每100mL床体积加样品20～30mL。样品与柱床体积比例悬殊时分离效果好，但过少的样品量不但会造成设备和器材的浪费，降低工作效率，还会造成样品稀释。加样时应尽量减少样品的稀释及凝胶床面的搅动。否则将造成色谱带扩散、紊乱，严重影响分离效果。5洗脱：保持一定的操作压、流速、冼脱液成分，以防凝胶颗粒的涨缩引起柱床体积变化或流速改变。洗脱液：主要取决于待分离样品，一般来说只要能溶解被洗脱物质并不使其变性的缓冲液都可以用于凝胶层析。为了防止凝胶可能有吸附作用，一般也采用缓冲盐。
操作注意：(1)凝胶的选择要恰当(据发酵醪、产物性质而定)。(2)须膨胀后使用。(3)装柱后要洗涤。(4)要反冲除杂质。(5)保存须防腐。
影响凝胶层析的因素：1.种类(选择)：应视处理液和洗脱液的性质而定。2.粒度：粒度的大小影响颗粒间间隙的大小，从而影响分离效果。3.洗脱液的速度：恒定、合适。流速的快慢,会导致色层谱变形，影响分离效果。保持洗脱速度恒定通常有两种方法，一种是使用恒流泵，另一种是恒压重力洗脱。4.离子强度和pH值：非水溶性物质→→有机剂洗脱；水溶性物质→→水或缓冲洗脱液(具有不同离子强度和pH值)洗脱。较快的流速下得到的冼脱峰宽。流速低洗脱峰窄而高。也就是说，流速较低，分辨率较高，样品稀释较轻。5.样品液体积：体积比浓度的影响更大,5-10%。6.凝胶柱长度、直径柱长：直径=10：1或7：1。7.Vi和V0对于装填良好的柱V0/Vi=40-60%
防止微生物污染的方法。防止污染的办法：加抑菌剂加防腐剂。工业用防腐剂要求：①不与凝胶发生作用。②不会引起溶质变化。③不会使凝胶色泽变化。凝胶的再生：方法：视污染程度不同而不同(1)局部增补凝胶(局部)。(2)酸、碱再生(轻度)。(3)综合再生(严重)。现象：多次使用，凝胶颗粒可能逐渐沉积压紧，流速变慢。处理方法：将凝胶自柱内倒出重新填装；反冲法，使凝胶松散冲起，然后自然沉降，形成新的柱床。
凝胶用过后，有几种保存方法：湿态保存：在水相中加防腐剂，或水洗到中性，高压灭菌
封存（或低温存放）；半收缩保存：水洗滤干，加％乙醇使胶收缩，再浸泡于70％乙醇中保存；干燥保存：水洗滤干，依次用50%-70%-90%-95%乙醇脱水，再用乙醚洗去乙醇，干燥(或60～80℃烘干）后保存。凝胶层析在工业发酵中的应用：脱盐、去除热源物质、浓缩、分析、分子量测定、纯化青霉素等。
凝胶层析常见问题1．流速慢（1）有气泡、出水管阻塞（2）没打开夹子（3）柱压太紧（操作压过大、长期使用、接头漏气）。2．柱内产生气泡（1）上水口不流或皮管破裂，洗脱液外流（2）接口漏气，如上水口螺丝拧的不紧。3．条带扭曲（1）胶面不平（2）样品或洗脱液中有颗粒（3）装柱不均匀。4．分辩率不高（1）装柱不均匀（2）样品量过大（3）流速太快（4）柱不垂直或不合适（5）长菌（6）拄下口软管太长（7）胶不适当。3.6.1膜分离法：利用可解离基团，在外电场作用下，经过选择透过性高分子膜，使多种带电性物质分离的方法。离换树脂：离子间的交换是它的主要机理。离子交换膜：离子选择透过是主要机理。
3.6.2膜分离技术分类
透析：盐浓度差异→生物大分子溶液的脱盐；超滤、微滤孔径：超滤<微滤；压差：超滤>微滤。对象：超滤for分子，微滤for菌体。反渗透：外加压力大于浓度产生的压力差，用于1nm以下小分子的浓缩。电渗析：For脱盐，分离小分子电解质。渗透汽化：液体混合物在膜两侧有压差，被分离混合物中某组分可优先透过膜，在膜得下游侧汽化去除。材料，适用范围。液膜技术：液液萃取+膜技术→液体固定成膜。根据：物质在液膜内溶解度不同，辅助化学反应。气体渗透：气体渗透速率差异→利用气体膜分离不同气体影响离子交换膜电渗析的因素（1）膜电位：膜电位是由膜两侧溶液中离子浓度不等和膜的选择透过性能所引起。膜电位的产生会促进一种离子扩散而抑制另一种离子的扩散。（2）结垢：因生成氢氧化物而出现。解决措施：正负电极反接；也可用HCl、H2SO4调pH，或添加偏磷酸钠。（3）极化：工作状态下，因离子“真空”
＋－
现象出现，而导致水离解为H和OH离子的现象。
电子交换膜分类：膜的种类：按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜；按膜分离过程的推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温度差等膜；按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。工业用离子交换膜必备的条件：(1)性能：选择性；高的离子透过性；好的导电性；(2)一定的机械强度；均匀光洁；膨胀性小；(3)化学稳定性好；(4)价格便宜.
4.1浓缩：去除溶剂，将低浓度→→高浓度。据去除溶剂方式，而分为：蒸发、冰冻、吸收、超浓缩。用于：有机酸、氨基酸、核苷酸、酶制剂等的发酵液及提取液。
4.1.1蒸发浓缩：将溶液加热到沸腾，溶剂蒸发，溶质留下。机理：某一温度下，溶液具有一定的饱和蒸汽压，当液面溶剂蒸汽分子密度很小时，溶剂分子就会不断地汽化逸出空间，
以维持这一饱和蒸汽压。分子受热动能增加。受热越多，获得的动能也越大，分子逃离的可能性越大。低温时，分子的动能小，运动速度慢，不能远离汽相和液相的空间，蒸发速度很慢。影响蒸发浓缩的因素：温度：高，动能大；面积：大，汽化的分子数多、蒸速快；溶剂蒸汽压：越大，越慢；蒸发浓缩的工业分类：常压：环管、横管竖、夹套、外循环、强制循环、薄膜。真空：单效、多效。蒸发浓缩过程的选择和要求：（1）选择：蒸发方法因被蒸发溶液的性质不同而不同(如①热敏性；②高粘度；③易结垢或析出晶体；④发泡；⑤腐蚀性)（2）要求：传热强度大，汽液分离好，设备适应物料性质。强制循环蒸发浓缩过程：料液流速大，传热系数高，适宜浓缩粘度大，易结晶结构的物料；但动力消耗大。薄膜蒸发浓缩：薄层流动，短时受热，高效传热。分为：升膜式；降膜式；回转式；离心式；板式
4.1.2冰冻浓缩法：在冰冻时，水分子结成冰。盐类及发酵产品不进入冰内而留在液相中。
4.1.3吸收浓缩：吸收剂直接吸收溶剂分子，使溶液浓缩。基本要求：吸收剂与溶液不发生化学反应。4.1.4超滤浓缩法使用特殊的薄膜选择性透过溶质。常用作生物大分子的浓缩和脱盐。超滤膜用惰性载体支撑。4.2结晶：物质有结晶和无定形两种状态，区别在于构成单位的排列方式是否规则。
结晶：利用可溶物质的溶解性及其受温度变化影响不同，使溶质以晶体状态从溶液中析出的过程=>制备纯物质的有效方法，具有高度的选择性。广泛应用于发酵工业中。
4.2.1晶体性质：①连续、均一性；②各向异性；③对称性。4.2.2物质形成晶体的条件：
①要有能形成晶体的物质。②溶质的纯度。③溶液的饱和度。形成晶体的必要条件：超过饱和状态，即当溶液达到某一过饱和程度时，才能析出晶体。饱和程度用过饱和率(过饱和溶液浓度与饱和溶液浓度之比)表示。4.2.3晶体形成过程：①过饱和溶液的形成（前提）②晶核的形成③晶体的生长（以过饱和度为推动力）。溶解吸热，结晶放热，因此结晶是一个同时有质量和热量传递的过程。4.2.4结晶与温度、浓度的关系（图）。稳定区(不饱和区)：不会发生结晶。不稳定区(过饱和区)：结晶能自动生成。介稳区：结晶不能自动进行。向处于介稳区的溶液中加入晶体，能诱导结晶产生，晶体能生长。4.2.5影响晶体生成的因素：1.过饱和率：影响晶核形成的速度和晶体生长速度(大小)。但对成核速度的影响比对晶体生长速度的影响大。过饱和率适中对成核有利。过饱和率过高时，形成小颗粒晶体。2.粘度：晶体生长速度与溶液粘度成反比(μ大，分子扩散慢，妨碍定向排列)。3.温度：⑴对V成核的影响：V成核随T↑而↑，达最大后，随T↑而↓。⑵对晶体大小的影响：影响较大。温高时，晶体较大，相反则小。T过高时，导致晶形和结晶水的变化4.搅拌：促进扩散和成核，提高晶体生长速度。搅拌强度应有一定的极限。5.冷却速度：影响晶核的生长和晶体的大小。6.pH与等电点：结晶选择在等电点附近。7.晶种：能诱导结晶，一般在结晶开始前投入。8晶浆浓度：高浓度增大固液接触表面积及操作难。9循环流速：提高传质，迅速均匀的结晶，晶垢少；过大使晶体磨损。10晶垢：设备预防，维持相应操作条件，定期除垢。11杂质：影响晶体的纯度、理化特性、活性；降低结晶效率；可用除杂设备处理。12晶习修改剂。4.2.6结晶器：结晶器的分类：冷却式结晶器：搅拌槽，Howard结晶器。蒸发式结晶器：Krystal-Oslo结晶器，DTB型结晶器，DP结晶器。结晶器的选择：目标产物的溶解度曲线。与温度联系的紧密程度4.2.7发酵工业中常用结晶方法：冷却热饱和液并添加晶种；蒸发部分溶媒；添加反应剂或有机溶剂；盐析结晶；等电点结晶
4.3成品干燥：干燥通常是指将潮湿固体，半固体或浓缩液中的水分（或溶剂）蒸发除去的过程。目的：除去水分，便于保存、包装和运输。注意：保持其活性，营养价值及药效。在干燥系统中，干燥介质与被干燥物质的温度呈动态的平衡关系。4.3.1干燥原理：1.固体中水分种类表面(自由)水分：不与固体结合而附着于其表面，去除速度最快、最均匀。毛细管水分：是一种结合水分，蒸发时水分逸出慢，时间长而且需要较高温度。膜包围水分：被质膜所包围的水分，需经过缓慢扩散至膜外才能蒸发，最难除去2.干燥过程与蒸发过程的异同，相同之处：都以加热水分汽化为手段。不同之处：蒸发是液态物料中的水分沸腾汽化。而干燥是固体或液体物料中的水分非沸腾汽化。
从干燥的这一特点，可得到以下共识：干燥过程受：传热规律，水分性质，水气运转和转化的影响。①干燥物料不一定是液态，水分的运动和汽化可能受到物料层的影响。②水分未达到沸点就汽化，其蒸汽压比周围汽体压强小。蒸汽能否大量排出，要受周围汽体条件的影响。③干燥是传热和传质相结合的操作，干燥速度由传热速率和传质速率共同控制。
4.3.2常用的干燥方法
对流加热干燥法；接触加热干燥法；冷冻升华干燥法：冷冻→升华→剩余水分蒸发
4.3.3影响干燥速率的因素：1、湿物料的性质和形状：主要是指物料的物理结构（导热性能），化学组成、形状和大小（决定水的存在状况），物料层的厚度、水分的结合方式。2.湿物料本身的温度：一般来说，越高，速度越快(温度越高，水分运动速率越快)。3.干燥介质的温度：通常越高，速度越快，不能无限制的提高，应低于物料的变质(分解、焦化、熔融)温度。干燥介质的进出口温差越小，干燥V↑，但热的利用效率下降。4.物料的最初、最终和临界湿含量：如果物料的最终湿含量高于临界湿含量，干燥速度较快，相反则慢。5.干燥介质的湿度和流动情况：介质相对湿度越低，水分汽化越快。同时还因介质的流动情况不同而异（湍流，层流）6.干燥介质和被干燥物料的接触情况和干燥器类型：喷雾、沸腾等不同而异。4.3.4工业发酵中常用的干燥过程1气流干燥：（1）特点：干燥强度大，时间短；设备简单，生产能力大，可整合多工序；物料要求（2）几种气流干燥器：长管式气流干燥流程；短管式气流干燥流程；旋风式气流干燥流程。2沸腾干燥：原理：气流使固液两相脉动或湍动，水分挥发。（1）特点：快速，物料短时受热；传热系数大，生产能力高；设备简单，自动化；
可调节物料受热时间；对物料及其中颗粒的物理特性有一定要求；纵向返混；停留时间不均。（2）设备与应用：根据物料特性选用加料器；单层沸腾干燥流程；喷雾沸腾造粒干燥流程。
3喷雾干燥：物料雾化，水分急速蒸发。特点：快速优质；可得无菌粉末态产品，可通过改变操作条件控制粉末物理性质；自动化，连续化；昂贵，耗能。常见应用方式：压力喷雾干燥，离心喷雾干燥，气流喷雾干燥。4冷冻升华干燥：低温低压升华水分。特点：保持产品活性、形态、溶解度。效率低，投入大，设备结构：冷冻；真空；去除水汽：抽出，冷凝成霜，药剂吸收；加热升华水分。5真空干燥：负压下加热去除水分；低温干燥；快速；可回收溶剂；无空气氧化；设备分为间歇式和连续式。第七章植物细胞培养
1.植物细胞培养发展史1902年，提出植物细胞全能性的假说；30年代组织培养获得了飞跃发展：1939年，培养了烟草、萝卜、杨等形成层组织。50年代，确立了植物细胞嫩能够够成功的生长于悬浮培养物中。1956年，Nickelll和Routin首次申请用植物细胞培养生产化学物质的专利。从1959年在20L玻璃瓶中建立的第一个植物细胞大量培养系统并放大到30L和134L的不锈钢发酵罐来培养植物细胞以来，至今植物细胞培养已经着手研究的植物多达100余种。2.植物细胞培养特性与基本培养技术优点：不受气候、季节和地域的影响；细胞增殖速度快而且生产效率高；可通过对细胞的物理和化学环境、遗传环境进行一定程度的调节控制；选择性的生产所需要的代谢产物等。主要问题有：培养周期较长、生长缓慢、生产率低；所需要有效成分含量不高；大量培养相对困难，往往不耐剪切、接种量大及放大后产量下降等一系列问题。植物细胞培养最基本要无菌操作。细胞大量培养时，主要技术分为愈伤组织的个体培养和细胞或组织的液体悬浮培养。在人工控制下高密度大量培养有益植物细胞技术称之为植物细胞大规模培养，其目的在于通过细胞工业规模培养，获得细胞、初级及次级代谢产物，为药品、食品及化工行业提供服务。培养方法：悬浮培养法：分批培养法、半连续培养法、连续培养法。固定化培养法。
分批培养法：主要采用气升式反应器，其培养过程用通气代替搅拌，细胞产量高于平叶轮培养器。本培养方法中植物细胞生长规律与微生物相似，随着细胞增长，培养液营养物质不断下降。细胞增长过程也分为延迟期、对数生长期、转换期、静止期及衰减期等阶段。半连续培养法：在反应器中投料和接种培养一段时间后，将部分培养液和新鲜培养液进行交换的培养方法称之为半连续培养法。反应过程通常以一定时间间隔进行数次反复操作以达到培养细胞与生产有用物质的目的。连续培养法：采用连续培养反应器，在投料和接种培养一段时间后，以一定速度连续采集细胞与培养液，并以同样速度供给新鲜培养基，此种培养方式可使细胞生长环境长期维持恒定。连续培养法细胞生产能力一般较分批法高，但因细胞生长缓慢，培养时间长，要维持系统无菌状态，技术条件要求相当苛刻。固定化培养法：固定化培养采用固定化反应器，这类反应器有网状多孔板、尼龙网套及中空纤维膜等形式。固定化培养法的优点在于细胞位置固定，易于获得高密度细胞群体及建立细胞间物理学和化学联系，维持细胞间物理化学梯度，利于细胞组织化，易于控制培养条件及获得次生产物。
3.快速繁殖：通过传统的快繁已经获得了许多植物再生株：包括水稻、玉米、番茄、马铃薯、甘蔗、草莓、兰花、香蕉、葡萄、苹果等。通过悬浮培养进行快速繁殖：如胡萝卜体细胞胚在补料分批培养中的动力学研究，胡萝卜体细胞胚发生培养过程进行的前期探索研究，提出了描述底物利用、培养过程增殖和胚发生的动力学模测。但这些报道还仅局限于作为模型细胞研究的阶段，与真正的实用化估计还有一定距离。5.有用代谢产物的生产：细胞培养特点：①植物生产多种化学物质，远比微生物生产的种类多②其中一些化学物质难以化学合成，或难以用基因工程手段来增加其生产；③细胞培养的全过程都能有效地得以控制,产物持续生产；④增殖速度比整个植物体栽培快得多；⑤易于在生物反应器中大规模培养；⑥植物细胞合成次生代谢物朝着对人们有用的产物方向进行。代谢物生产的控制因子：有化学因子、物理因子、生物学因子以及培养工程方面的因子。化学因子包括培养基种类、无机盐类、植物激素或其类似物、诱导子；物理因子包括光、温度、pH、氧；生物学因子有分化、遗传形质和细胞龄；培养工程方面的因子包括反应器型式、培养方式方法等。谷氨酸调节PH：氨基酸具有二性解离性，以谷氨酸为例，当pH3.22时，谷氨酸以阳离子状态存在，因此可以用阳离子交换树脂来提取。为了取得较好的回收效果，上柱前，先将发酵液浓度调整为2.0－2.5Be，pH调整为5.0，反向上柱。原因：pH5.0时，可先将Na+、NH4+离子吸附分离，此后pH会下降到3.22以下，谷氨酸以阳离子存在得以分离。
友情提示：本文中关于《发酵工程总结》给出的范例仅供您参考拓展思维使用，发酵工程总结：该篇文章建议您自主创作。
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