绪论：一、概念：发酵工程（Fermentation Engineering）指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。

二、发酵工程研究的主要内容发酵工程主要包括代谢工程和发酵工艺两个主要内容具体来说它一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定化细胞所做的反应器加工底物，以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。

发酵工艺主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。

如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。

四、发酵工程的特点一个完整的发酵过程包括：1材料的预处理2生物催化剂的制备3生化反应器及发应条件的选择与监控第二章：菌种的来源一、工业化生产菌种的要求❑能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物❑有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强❑遗传性能要相对稳定❑不易感染它种微生物或噬菌体❑产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）❑生产特性要符合工艺要求二、自然界中菌种分离的一般过程(步骤):土样的采取→预处理→培养→菌落的选择→产品的鉴定.目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物.三、采样时要注意的问题:气候、水分、空气;来源要广;结合产品的特点;标签：地点、时间、气候等四、目的微生物富集的一些基本方法富集的目的：让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。

富集的三种方案：❑定向培养:采用特定的有利于目的微生物富集的条件，进行培养。

❑当不可能采用定向培养时，则可设计在一个分类学中考虑，❑不能提供任何有助于筛选产生菌的信息，这时只能通过随机分离的办法. 定向培养的方法物理方法：加热、膜过滤等但主要是通过培养的方法定向培养的富集方法1、底物2、pH条件3、培养时间4、培养温度等一切能提高目的微生物相对生长速度的手段，培养（固体、液体；分批连续）后使目的微生物在种群中占优势。

五、菌落的选出1.从产物角度出发：在培养时以产物的形成有目的的设计培养基利用简单、快速的鉴定方法，如抗生素2.从形态的角度：菌落的外观形态，是微生物的一个重要表征。

如多糖产生菌在适当的培养基上生长，从具有粘液性的菌落外观上就可以初步识别。

六、菌株选育、分子改造方法：基因突变：自然选育、诱变育种基因重组:杂交、原生质体融合、基因工程基因的直接进化：点突变、易错PCR、同序法DNA Shuffling等第三章:发酵培养基一、发酵培养基所需成分1、碳源1)、作用：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分提供合成目的产物所必须的碳成分2)、来源：糖类、油脂、有机酸、正烷烃3)、工业上常用的糖类①葡萄糖②糖蜜③淀粉、糊精2、氮源氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。

常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。

1)、无机氮源选择合适的无机氮源有两层意义：满足菌体生长稳定和调节发酵过程中的pH2)、有机氮源成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子3、无机盐和微量元素来源：C、N源，以盐的形式补充使用注意点：A 对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑B使用时注意盐的形式（pH的变化）4、生长因子、前体和产物促进剂前体作用：前体有助于提高产量和组份用法：前体使用时普遍采用流加的方法5、水三、发酵培养基的设计和优化：1、培养基成分选择的原则：菌种的同化能力、代谢的阻遏和诱导、合适的C、N比：100∶0.2～2.0、pH的要求2、成分含量的确定1）、理论转化率与实际转化率理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。

实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小2）、实验设计培养基成分的含量最终都是通过实验获得的合理的实验方法：多因子实验：均匀设计、正交实验设计、响应面分析等3、培养基设计的步骤：①根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；③当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。

4、摇瓶水平到反应器水平的优化配方摇瓶——培养基设计的第一步反应器—最终的优化的基础配方5、培养基设计时注意的一些相关问题 : 原料及设备的预处理、原材料的质量、发酵特性的影响、灭菌第四章种子的扩大培养一、种子扩大培养的概念: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。

二、种子扩大培养的目的：○1接种量的需要○2菌种的驯化○3缩短发酵时间、保证生产水平三、种子的要求：○1总量及浓度能满足要求○2生理状况稳定，个体与群体○3活力强，移种至发酵后，能够迅速生长○4无杂菌污染四、种子制备的技术概要主要包括：实验室阶段、生产车间阶段实验室阶段：1培养物选择的原则 2培养基选择的原则 3起始接种物的传代问题1培养物选择的原则：目的：种子扩培到一定的量和质，根据菌种的特点最终的培养物2培养基选择的原则培养基的选择应该是有利于菌体的生长，对孢子培养基应该是有利于孢子的生长。

在原料方面，实验室种子培养阶段，规模一般比较小，因此为了保证培养基的质量，培养基的原料一般都比较精细。

3起始接种物的传代问题○1细菌：保藏斜面→活化斜面○2产孢子：保藏→母斜面→子斜面目的：使菌种的传代次数尽可能的少。

生产车间阶段:1、培养物的选择原则 2、培养基选择的原则 3、发酵级数的确定4、接种量的确定5、种龄6、种子的质量要求1培养物的选择原则：❑缩短发酵时间❑有利于获得好的发酵结果2、培养基选择的原则目的：获得一定数量和质量的菌体，因此培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培养基丰富。

3、发酵级数的确定❑级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响❑级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一般2-4级。

❑在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要的一个方面4、接种量的确定接种量＝移入种子的体积/接种后培养液的体积过大过小都不好，最终以实践定，如大多数抗生素为7-15%。

但是一般认为大一点好。

5、种龄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。

种龄短：菌体太少；种龄长：易老化。

6、种子的质量要求：量：要求达到一定的浓度质: 形态（生长处于某个阶段、均匀等等）理化指标：C、N、P的含量，pH，酶活等无污染第五章发酵过程动力学的基本概念一、发酵过程的反应描述及速度概念1.发酵过程反应的描述:XS （底物） ─→ X （菌体） ＋ P （产物） 2发酵研究的内容： 菌种的来源——找到一个好的菌种 发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念3.发酵过程反应速度的描述:XS （底物） ─→ X （菌体） ＋ P （产物）比生长速率，单位为时间的倒数，有一个精确的生物学含义：它表示在固定的生长时间内由已有的数量确定的个体产生的新个体数。

数值越大，群体中产生新个体的速率也越大。

4.微生物生长动力学的基本概念一) 微生物在一个密闭系统中的生长情况：dt ds -二) 微生物的生长动力学、Monod 方程❑ 微生物的生长速度：μ＝f(s,p,T,pH,……,)❑ 在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)Monod 研究了基质浓度与生长速度的关系———Monod 方程(1949) :μ：菌体的生长比速S ：限制性基质浓度Ks ：半饱和常数μmax: 最大比生长速度单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。

(双倒数法)：将Monod 方程取倒数可得：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod 方程的两个参数。

二、反应动力学的应用——连续培养的操作特性1.连续反应器：流入速度=流出速度=F反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等基于细胞量的物料平衡dtdX X X X V F X V =-+-αμ0F 细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率在连续培养系统达到稳定状态时，上式可变为:max s S K S μμ=+max s S v v K S=+max s S K Sμμ=+dt dX X X V F =+μ－ （没有加入菌体、连续培养达到稳定时，菌体浓度和基质保持不变） 2. D 在连续培养技术中称为稀释速率，用符号“D”表示 μ==V F D (等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。

3.基于限制性营养成分的物料平衡dtds Y X q mX Y X S V F S V F s p p =----/0μ养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速率－用于产物形成的养分消耗的速率＝养分在系统中积累的速率4.物料衡算（连续培养的反应器特性）第六章 氧的供需及对发酵的影响溶氧(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。

一 微生物对氧的需求一）描述微生物需氧的物理量1.比耗氧速度或呼吸强度（Q O2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，单位mmol O2·g菌-1·h-12.摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。

单位mmol O2·L-1·h-1 r= Q O2.X 二）溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响1.C Cr:临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。

2.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>1.三）影响需氧的因素(菌体浓度和Q O2)r= Q O2 .XQ O2与遗传因素、菌龄、营养的成分与浓度、有害物质的积累、培养条件有关二反应器中氧的传递一）发酵液中氧的传递方程：N：传氧速率kmol/m2.hk g:气膜传质系数kmol/m2.h.atmK L:液膜传质系数 m/h调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

二) 发酵液中氧的平衡1.发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h K la:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1三影响Kla的因素Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。