1、第二章第二章 發(fā)酵工程基本原理發(fā)酵工程基本原理第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程概述第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵罐及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例發(fā)酵罐及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程概述Ferment the engineering to say allFerment the engineering to say all一、發(fā)酵一、發(fā)酵四、發(fā)酵工程的基本工序四、發(fā)酵工程的基本工序二、培養(yǎng)基二、培養(yǎng)基二、影響微生物生長發(fā)育的因素二、影響微生物生長發(fā)育的因素一、發(fā)酵一、發(fā)酵1.1.什么是發(fā)酵什么是發(fā)酵 發(fā)酵發(fā)酵(fermentation)(fermentation)最初是指，用酵母作用于谷物或果汁，

2、進(jìn)行酒精最初是指，用酵母作用于谷物或果汁，進(jìn)行酒精發(fā)酵并產(chǎn)生發(fā)酵并產(chǎn)生 COCO2 2 的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。發(fā)酵是人類較早接觸的一種生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)酵是人類較早接觸的一種生物化學(xué)反應(yīng)。例如：例如：C C6 6H H1212O O6 6 2C 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP +2ATP (放出能量放出能量:118 kJ/mol):118 kJ/mol)酒化酶酒化酶發(fā)酵發(fā)酵(葡萄糖葡萄糖)此過程是微生物在無氧狀況下的呼吸過程，是微生物獲取能量的一種此過程是微生物在無氧狀況下的呼吸過程，是微生物獲取能量的一種形式。形式。在細(xì)胞漿內(nèi)所發(fā)生在細(xì)胞漿內(nèi)所發(fā)生的，由葡萄糖直接分解的

3、，由葡萄糖直接分解為丙酮酸的過程。為丙酮酸的過程。目前，人們把借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生目前，人們把借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物或其代謝產(chǎn)物的過程，統(tǒng)稱為發(fā)酵。物或其代謝產(chǎn)物的過程，統(tǒng)稱為發(fā)酵。例如：例如：黃青霉素黃青霉素 有氧發(fā)酵有氧發(fā)酵 青霉素青霉素北京棒桿菌北京棒桿菌 EMPEMP酵解酵解 丙酮酸丙酮酸Embden-Meyerhof-ParnusEmbden-Meyerhof-Parnus草酰乙酸草酰乙酸 谷氨酸谷氨酸三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶2.2.什么是發(fā)酵工程什么是發(fā)酵工程 所謂發(fā)酵工程是指，采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微

4、生物所謂發(fā)酵工程是指，采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物生命活動生命活動的的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種生物技術(shù)。過程的一種生物技術(shù)。發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。例如：例如：北京棒桿菌北京棒桿菌擴(kuò)大培養(yǎng)擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵發(fā)酵菌種菌種過濾過濾發(fā)酵液發(fā)酵液(糖化液培養(yǎng)基糖化液培養(yǎng)基)(預(yù)處理預(yù)處理)提取、分離提取、分離濃縮、純化濃縮

5、、純化干燥干燥產(chǎn)品產(chǎn)品(L-(L-谷氨酸谷氨酸)3.3.什么是微生物什么是微生物 微生物是一些個體微小、構(gòu)微生物是一些個體微小、構(gòu)造簡單的低等生物，其造簡單的低等生物，其體形一般體形一般在在0.10.1毫米以下，肉眼看不見或毫米以下，肉眼看不見或難以看清的微小生物的總稱。難以看清的微小生物的總稱。目前知道的最小的微生物是目前知道的最小的微生物是病毒。病毒。流感病毒流感病毒H1NH1N型流感病毒型流感病毒酵母菌酵母菌4.4.微生物的特點(diǎn)微生物的特點(diǎn) 微生物的個體都極為微小，一般用微米微生物的個體都極為微小，一般用微米(10(10-6-6 m)m)或納米或納米(10(10-9-9 m)m)作單作單

6、位。由于其個體微小，必然導(dǎo)致其比表面非常大位。由于其個體微小，必然導(dǎo)致其比表面非常大。（如：最普遍的桿菌。（如：最普遍的桿菌其平均長度僅為其平均長度僅為2m2m）體積小、比表面大體積小、比表面大比表面積比表面積=(1/m)=(1/m)表面積表面積體積體積高倍顯微鏡下的大腸桿菌高倍顯微鏡下的大腸桿菌（1-3m1-3m）微生物這種體積小、比表面積大，微生物這種體積小、比表面積大，有利于其與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和有利于其與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換。實(shí)際上，微生物的其它屬性信息交換。實(shí)際上，微生物的其它屬性都和此特點(diǎn)有著密切關(guān)系。都和此特點(diǎn)有著密切關(guān)系。微生物的比表面大，有利于促進(jìn)其參與生物

7、化學(xué)反應(yīng)。如：微生物的微生物的比表面大，有利于促進(jìn)其參與生物化學(xué)反應(yīng)。如：微生物的發(fā)酵。發(fā)酵。種類多、分布廣種類多、分布廣 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物在目前已發(fā)現(xiàn)的微生物在1010萬種以上。不同種類的微生物具有不同的代萬種以上。不同種類的微生物具有不同的代謝方式，能分解各式各樣的有機(jī)物和無機(jī)物。凡是動、植物能利用的營養(yǎng)謝方式，能分解各式各樣的有機(jī)物和無機(jī)物。凡是動、植物能利用的營養(yǎng)物質(zhì)，微生物一概可以利用；而大量動、植物所不能利用、甚至是劇毒物物質(zhì)，微生物一概可以利用；而大量動、植物所不能利用、甚至是劇毒物質(zhì)，微生物照樣可以很好地利用。質(zhì)，微生物照樣可以很好地利用。例如：例如：廢水生化處理就是利用微生

8、物各取所需，共同作用于廢水中的廢水生化處理就是利用微生物各取所需，共同作用于廢水中的毒性物質(zhì)，使其降解而達(dá)到防治公害的目的；發(fā)酵工業(yè)就是利用不同的微毒性物質(zhì)，使其降解而達(dá)到防治公害的目的；發(fā)酵工業(yè)就是利用不同的微生物在生化過程中累積的代謝產(chǎn)物，生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。生物在生化過程中累積的代謝產(chǎn)物，生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。由于微生物的食譜極廣，生長要求由于微生物的食譜極廣，生長要求不高，生長繁殖速度極快，使得其在自不高，生長繁殖速度極快，使得其在自然界分布極廣。這為生物化工就地取材然界分布極廣。這為生物化工就地取材提供了方便。提供了方便。漿染廠廢水生化處理漿染廠廢水生化處理生長旺、繁殖快生長旺、繁殖快 在

9、生物界中，微生物具有極高的繁殖速度，其中以二均分裂方式繁殖在生物界中，微生物具有極高的繁殖速度，其中以二均分裂方式繁殖的細(xì)菌尤為突出。的細(xì)菌尤為突出。例如：例如：大腸桿菌在大腸桿菌在 3737下，每下，每 18mit 18mit 分裂一次，每天要分裂分裂一次，每天要分裂 80 80 次次之多；之多；1 1個大腸桿菌經(jīng)個大腸桿菌經(jīng) 48h 48h 后，可產(chǎn)生后，可產(chǎn)生2.22.2101043 43 個后代。個后代。乳酸菌在乳酸菌在 2525下，每下，每 38mit 38mit 分分裂一次，每天要分裂裂一次，每天要分裂 38 38 次；次；1 1個乳個乳酸菌酸菌 48h 48h 后，可產(chǎn)生后，可產(chǎn)

10、生 2.72.7101011 11 個個后代。后代。微生物的這一特點(diǎn)在發(fā)酵工微生物的這一特點(diǎn)在發(fā)酵工業(yè)上有著重要的實(shí)踐意義，主要業(yè)上有著重要的實(shí)踐意義，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)周期短、效率高。體現(xiàn)在生產(chǎn)周期短、效率高。適應(yīng)強(qiáng)、易變異適應(yīng)強(qiáng)、易變異 微生物對環(huán)境條件尤其是惡劣極端環(huán)境有著驚人的適應(yīng)能力，堪稱生微生物對環(huán)境條件尤其是惡劣極端環(huán)境有著驚人的適應(yīng)能力，堪稱生物界之最。物界之最。例如：例如：19821982年報導(dǎo)的嗜酸熱硫球菌屬年報導(dǎo)的嗜酸熱硫球菌屬(SulfosphaerellusSulfosphaerellus)，最，最適生長溫度為適生長溫度為 7070。味精生產(chǎn)設(shè)備味精生產(chǎn)設(shè)備 由于微生物的

11、個體一般都是單由于微生物的個體一般都是單細(xì)胞或接近于單細(xì)胞，利用物理或細(xì)胞或接近于單細(xì)胞，利用物理或化學(xué)人工誘變處理，容易使它們的化學(xué)人工誘變處理，容易使它們的遺傳性質(zhì)發(fā)生異變，從而改變微生遺傳性質(zhì)發(fā)生異變，從而改變微生物的代謝途徑，產(chǎn)生新的菌種。物的代謝途徑，產(chǎn)生新的菌種。例如：例如：生產(chǎn)味精的谷氨酸棒桿生產(chǎn)味精的谷氨酸棒桿菌經(jīng)過變異后，它的高絲氨酸缺陷菌經(jīng)過變異后，它的高絲氨酸缺陷型可生產(chǎn)賴氨酸，它的抗甲硫氨酸型可生產(chǎn)賴氨酸，它的抗甲硫氨酸變異株可生產(chǎn)蛋氨酸。變異株可生產(chǎn)蛋氨酸。二、培養(yǎng)基二、培養(yǎng)基 培養(yǎng)基（培養(yǎng)基（MediumMedium）是微生物發(fā)酵過程所必需的養(yǎng)料，一般都含有碳）是微

12、生物發(fā)酵過程所必需的養(yǎng)料，一般都含有碳源、氮源物質(zhì)、無機(jī)鹽源、氮源物質(zhì)、無機(jī)鹽(包括微量元素包括微量元素)以及維生素和水等。以及維生素和水等。從發(fā)酵生產(chǎn)用途的角度來看，培養(yǎng)基可分為孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)從發(fā)酵生產(chǎn)用途的角度來看，培養(yǎng)基可分為孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基三類基和發(fā)酵培養(yǎng)基三類。1.1.孢子培養(yǎng)基孢子培養(yǎng)基 孢子培養(yǎng)基又稱為斜面培養(yǎng)基，是為了使菌體生長快，產(chǎn)生孢子數(shù)孢子培養(yǎng)基又稱為斜面培養(yǎng)基，是為了使菌體生長快，產(chǎn)生孢子數(shù)量大、質(zhì)量好，不會引起菌種變異采用的培養(yǎng)基量大、質(zhì)量好，不會引起菌種變異采用的培養(yǎng)基。一般而言，孢子培養(yǎng)基的碳源和氮一般而言，孢子培養(yǎng)基的碳源和氮源不宜多，否

13、則只長菌絲，少長或不長源不宜多，否則只長菌絲，少長或不長孢子；另外，孢子培養(yǎng)基的無機(jī)鹽濃度孢子；另外，孢子培養(yǎng)基的無機(jī)鹽濃度應(yīng)適當(dāng)控制，否則會影響孢子的顏色和應(yīng)適當(dāng)控制，否則會影響孢子的顏色和孢子的量孢子的量。孢子培養(yǎng)車間孢子培養(yǎng)車間2.2.種子培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基是供孢子發(fā)芽、生長和大量繁殖菌絲體，并使菌體長得種子培養(yǎng)基是供孢子發(fā)芽、生長和大量繁殖菌絲體，并使菌體長得粗壯，成為活力強(qiáng)的粗壯，成為活力強(qiáng)的“種子種子”的培養(yǎng)基。的培養(yǎng)基。種子培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分要求比較豐種子培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分要求比較豐富和完全，氮源和維生素的含量也要高富和完全，氮源和維生素的含量也要高些，但總濃度以略稀薄為好

14、，這樣可達(dá)些，但總濃度以略稀薄為好，這樣可達(dá)到較高的溶解氧，供大量菌體生長繁殖。到較高的溶解氧，供大量菌體生長繁殖。此外，種子培養(yǎng)基還需考慮在微生物代此外，種子培養(yǎng)基還需考慮在微生物代謝過程中能維持穩(wěn)定的謝過程中能維持穩(wěn)定的pHpH值值。青霉菌種子培養(yǎng)車間青霉菌種子培養(yǎng)車間3.3.發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基是使接種的菌絲生長并能高效表達(dá)，獲得高產(chǎn)量發(fā)酵產(chǎn)發(fā)酵培養(yǎng)基是使接種的菌絲生長并能高效表達(dá)，獲得高產(chǎn)量發(fā)酵產(chǎn)物，同時組分盡可能單一的培養(yǎng)基物，同時組分盡可能單一的培養(yǎng)基。發(fā)酵培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分發(fā)酵培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分與種子培養(yǎng)同樣，要求比較與種子培養(yǎng)同樣，要求比較豐富和完全，有利于產(chǎn)物的豐富和

15、完全，有利于產(chǎn)物的合成。合成。此外應(yīng)注意，在發(fā)酵過此外應(yīng)注意，在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)基不宜一次性大程中，培養(yǎng)基不宜一次性大量、快速加入碳源和氮源；量、快速加入碳源和氮源；在產(chǎn)物分泌期間應(yīng)維持在產(chǎn)物分泌期間應(yīng)維持pHpH值值的穩(wěn)定的穩(wěn)定。葡萄酒發(fā)酵車間葡萄酒發(fā)酵車間三、影響微生物生長發(fā)育的因素三、影響微生物生長發(fā)育的因素 微生物在生命活動中，與周圍環(huán)境有著密切的聯(lián)系。除了培養(yǎng)基的微生物在生命活動中，與周圍環(huán)境有著密切的聯(lián)系。除了培養(yǎng)基的組成外，溫度、組成外，溫度、pH pH 值、通氣等因素均影響著微生物的生長與發(fā)育。值、通氣等因素均影響著微生物的生長與發(fā)育。微生物的生長實(shí)際上是生物體的一系列生物化學(xué)

16、反應(yīng)、酶反應(yīng)的有微生物的生長實(shí)際上是生物體的一系列生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)的有機(jī)組合，溫度是這些反應(yīng)必需的條件機(jī)組合，溫度是這些反應(yīng)必需的條件。根據(jù)微生物生長的適宜溫度范圍，一般可將其大致分為低溫菌、中根據(jù)微生物生長的適宜溫度范圍，一般可將其大致分為低溫菌、中溫菌和高溫菌三類。溫菌和高溫菌三類。1.1.溫度溫度 種類種類 最適溫度最適溫度/存在環(huán)境存在環(huán)境 低溫菌低溫菌 101020 20 水、冷藏物水、冷藏物 中溫菌中溫菌 202040 40 大多數(shù)環(huán)境大多數(shù)環(huán)境 高溫菌高溫菌 505075 75 土壤、溫泉、堆肥土壤、溫泉、堆肥2.pH2.pH值值 微生物的生長需要在一定的微生物的生長需要在一

17、定的 pH pH 值環(huán)境下才可正常生長、繁殖。如果值環(huán)境下才可正常生長、繁殖。如果pHpH值不適，不但妨礙菌體的正常生長，還會改變微生物的代謝途徑及產(chǎn)物值不適，不但妨礙菌體的正常生長，還會改變微生物的代謝途徑及產(chǎn)物的性質(zhì)的性質(zhì)。例如：例如：黑曲霉黑曲霉檸檬酸檸檬酸pH=2-2.5pH=2-2.5pH=2.6-6.5pH=2.6-6.5菌體生長、繁殖菌體生長、繁殖草酸草酸pH=7pH=7丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌pH=5.5pH=5.57.07.0菌體生長、繁殖菌體生長、繁殖pH=4.3pH=4.35.35.3丙酮丁醇發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵 環(huán)境的通氣程度對微生物的生長影響很大。按照微生物對氧氣的需環(huán)境

18、的通氣程度對微生物的生長影響很大。按照微生物對氧氣的需求不同，求不同，可將其大致分為好氧性微生物、厭氧性微生物及兼性微生物三可將其大致分為好氧性微生物、厭氧性微生物及兼性微生物三類。類。3.3.通氣通氣好氧性微生物好氧性微生物 好氧性微生物（好氣微生物）在生長繁殖過程中，需要不斷攝取周好氧性微生物（好氣微生物）在生長繁殖過程中，需要不斷攝取周圍環(huán)境中的氧。微生物在發(fā)酵過程中，能利用的氧必須是溶解于培養(yǎng)基圍環(huán)境中的氧。微生物在發(fā)酵過程中，能利用的氧必須是溶解于培養(yǎng)基中的溶解氧（中的溶解氧（DODO）。）。顯微鏡下的黑曲霉菌顯微鏡下的黑曲霉菌 例如：大多數(shù)細(xì)菌例如：大多數(shù)細(xì)菌屬于好氧性微生屬于好氧

19、性微生物；物；硫桿菌屬硫桿菌屬(ThiobacillusThiobacillus)中的氧化中的氧化亞鐵硫桿菌亞鐵硫桿菌(Thio.ferroxidansThio.ferroxidans)屬于屬于好氧性固氮微生物。好氧性固氮微生物。厭氧性微生物厭氧性微生物 厭氧性微生物不需要分子態(tài)氧，分子態(tài)氧對其有毒害作用。如：厭氧性微生物不需要分子態(tài)氧，分子態(tài)氧對其有毒害作用。如：丙酮丙酮丁醇梭菌丁醇梭菌。兼性微生物兼性微生物 兼性微生物既能在有氧條件下生兼性微生物既能在有氧條件下生長，又能在無氧條件下生活。如：長，又能在無氧條件下生活。如：酵酵母菌，在有氧條件下迅速生長繁殖，母菌，在有氧條件下迅速生長繁殖，

20、在無氧條件下則進(jìn)行發(fā)酵，并產(chǎn)生大在無氧條件下則進(jìn)行發(fā)酵，并產(chǎn)生大量乙醇量乙醇。顯微鏡下的酵母菌顯微鏡下的酵母菌問題討論與練習(xí)問題討論與練習(xí)6 61 1 什么是發(fā)酵？什么是發(fā)酵工程什么是發(fā)酵？什么是發(fā)酵工程？6 63 3 影響微生物生長發(fā)育的因素有哪些影響微生物生長發(fā)育的因素有哪些？6 62 2 微生物的特點(diǎn)是什么微生物的特點(diǎn)是什么？資料卡片資料卡片6 61 1（略）（略）發(fā)酵發(fā)酵(fermentation)(fermentation)是指，借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來是指，借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物或其代謝產(chǎn)物的過程。制備微生物或其代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵工程是

21、指，采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物生命活動的某些特定發(fā)酵工程是指，采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物生命活動的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種生功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種生物技術(shù)。物技術(shù)。發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。從工程的角度來看，微生物的主要特點(diǎn)有如下幾個方面：從工程的角度來看，微生物的主要特點(diǎn)有如下幾個方面：1.1.體積小、比表面大，有利于促

22、進(jìn)其參與生物化學(xué)反應(yīng)。體積小、比表面大，有利于促進(jìn)其參與生物化學(xué)反應(yīng)。2.2.種類多、分布廣，為生物化工就地取材提供了方便。種類多、分布廣，為生物化工就地取材提供了方便。3.3.生長旺、繁殖快，有利于提高生產(chǎn)效率。生長旺、繁殖快，有利于提高生產(chǎn)效率。4.4.適應(yīng)強(qiáng)、易變異，有助于新品種的培養(yǎng)。適應(yīng)強(qiáng)、易變異，有助于新品種的培養(yǎng)。6 62 2（略）（略）資料卡片資料卡片6 63 3（略）（略）除了培養(yǎng)基的組成外，溫度、除了培養(yǎng)基的組成外，溫度、pH pH 值、通氣等因素均影響著微生物的生長與值、通氣等因素均影響著微生物的生長與發(fā)育。發(fā)育。1.1.溫度微生物的生長實(shí)際上是生物體的一系列生物化學(xué)反應(yīng)

23、、酶反應(yīng)的有機(jī)溫度微生物的生長實(shí)際上是生物體的一系列生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)的有機(jī)組合，溫度是這些反應(yīng)必需的條件。組合，溫度是這些反應(yīng)必需的條件。2.pH 2.pH 值微生物的生長需要在一定的值微生物的生長需要在一定的 pH pH 值環(huán)境下才可正常生長、繁殖。如果值環(huán)境下才可正常生長、繁殖。如果pH pH 值不適，不但妨礙菌體的正常生長，還會改變微生物的代謝途徑及產(chǎn)物的性值不適，不但妨礙菌體的正常生長，還會改變微生物的代謝途徑及產(chǎn)物的性質(zhì)。質(zhì)。3.3.通氣環(huán)境的通氣程度對微生物的生長影響很大。例如：酵母菌，在有氧條通氣環(huán)境的通氣程度對微生物的生長影響很大。例如：酵母菌，在有氧條件下迅速生長繁殖，在

24、無氧條件下則進(jìn)行發(fā)酵，并產(chǎn)生大量乙醇。件下迅速生長繁殖，在無氧條件下則進(jìn)行發(fā)酵，并產(chǎn)生大量乙醇。因此，在發(fā)酵過程中，須按照微生物對氧氣的需求不同，控制好培養(yǎng)基中因此，在發(fā)酵過程中，須按照微生物對氧氣的需求不同，控制好培養(yǎng)基中的的溶解氧溶解氧（DODO值）值）。四、發(fā)酵工程的基本工序四、發(fā)酵工程的基本工序 我們知道，發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基配制、滅菌、擴(kuò)我們知道，發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。從工程學(xué)的角度來看，我們可將發(fā)酵工程可概括地分為菌種、發(fā)酵和從工程學(xué)的角度來看，我

25、們可將發(fā)酵工程可概括地分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理）等三個階段，這三個階段通常我們又將其稱為發(fā)酵提煉（包括廢水處理）等三個階段，這三個階段通常我們又將其稱為發(fā)酵工程的上游工程、中游（發(fā)酵）工程和下游工程。即：工程的上游工程、中游（發(fā)酵）工程和下游工程。即：上游上游工程工程中游（發(fā)酵）中游（發(fā)酵）工程工程下游下游工程工程原料原料產(chǎn)品產(chǎn)品1.1.發(fā)酵的發(fā)酵的上游上游工程工程 發(fā)酵的上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（發(fā)酵的上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pHpH、溫度、溶、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成）的確定，營養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。氧和營養(yǎng)組成）的確定，營養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。發(fā)酵的上游工程的基本

26、工序可簡單地表述為：發(fā)酵的上游工程的基本工序可簡單地表述為：菌種菌種菌種選育菌種選育孢子制備孢子制備種子種子種子制備種子制備種子的擴(kuò)大培養(yǎng)種子的擴(kuò)大培養(yǎng)菌種的菌種的選育選育 菌種的選育常見的有自然選育和誘變育種兩種方法。菌種的選育常見的有自然選育和誘變育種兩種方法。自然選育自然選育菌種采樣菌種采樣增殖培養(yǎng)增殖培養(yǎng)純種分離純種分離純種培養(yǎng)純種培養(yǎng)生產(chǎn)性能測定生產(chǎn)性能測定菌種菌種野生菌種野生菌種 不經(jīng)過人工處理，利用菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做自不經(jīng)過人工處理，利用菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做自然選育。自然選育是一種簡單易行的選育方法，它可以達(dá)到純化菌種，防然選育。自然選育是一

27、種簡單易行的選育方法，它可以達(dá)到純化菌種，防止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)量的目的。但是自然選育的最大缺點(diǎn)是效止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)量的目的。但是自然選育的最大缺點(diǎn)是效率低、進(jìn)展慢。率低、進(jìn)展慢。菌種自然選育基本步驟可表述為：菌種自然選育基本步驟可表述為：使培養(yǎng)物獲得單使培養(yǎng)物獲得單個菌落個菌落 測定代謝產(chǎn)物或其測定代謝產(chǎn)物或其它目的性狀它目的性狀誘變選育誘變選育 誘變選育是利用各種物理、化學(xué)因素，通過人工誘發(fā)的基因突變而進(jìn)誘變選育是利用各種物理、化學(xué)因素，通過人工誘發(fā)的基因突變而進(jìn)行菌種篩選的過程。菌種誘變選育基本步驟可表述為：行菌種篩選的過程。菌種誘變選育基本步驟可表述為：同步培養(yǎng)同步

28、培養(yǎng)出發(fā)菌株出發(fā)菌株使菌細(xì)胞處于相同或接近的生理狀態(tài)使菌細(xì)胞處于相同或接近的生理狀態(tài)制備孢子懸液制備孢子懸液誘變處理誘變處理化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑物理誘變劑物理誘變劑得到基因突變的菌株得到基因突變的菌株平板分離平板分離挑取疑似突變菌落挑取疑似突變菌落突變體的篩選突變體的篩選純種培養(yǎng)純種培養(yǎng)生產(chǎn)性能測定生產(chǎn)性能測定菌種菌種通過多次篩選，確定目標(biāo)突變菌株通過多次篩選，確定目標(biāo)突變菌株純種培養(yǎng)純種培養(yǎng)問題：問題：什么是化學(xué)誘變？什什么是化學(xué)誘變？什么是物料誘變？么是物料誘變？資料卡片資料卡片一、化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制一、化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制 引起突變的化學(xué)物質(zhì)稱為化學(xué)誘變劑。常見的變劑有烷化劑、核酸

29、堿基類似引起突變的化學(xué)物質(zhì)稱為化學(xué)誘變劑。常見的變劑有烷化劑、核酸堿基類似物及其它類誘變劑。物及其它類誘變劑。烷化劑往往帶有一個或多個活潑的烷基，如烷基磺酸鹽、亞硝基烷基化合物烷化劑往往帶有一個或多個活潑的烷基，如烷基磺酸鹽、亞硝基烷基化合物等。烷化劑的作用機(jī)制是：通過烷基化，導(dǎo)致等。烷化劑的作用機(jī)制是：通過烷基化，導(dǎo)致 DNADNA斷裂、缺失或修補(bǔ)。斷裂、缺失或修補(bǔ)。1.1.烷化劑烷化劑2.2.核酸堿基類核酸堿基類 核酸堿基類化學(xué)誘變劑具有與核酸堿基類化學(xué)誘變劑具有與 DNADNA堿基類似的結(jié)構(gòu)。如，堿基類似的結(jié)構(gòu)。如，5-5-溴尿嘧啶、溴尿嘧啶、2-2-氨氨基嘌呤等。其作用機(jī)制是作為基嘌呤

30、等。其作用機(jī)制是作為 DNADNA的成份而滲入到的成份而滲入到DNADNA分子中去，使分子中去，使DNADNA復(fù)制時發(fā)復(fù)制時發(fā)生配對錯誤，從而引起有機(jī)體變異。生配對錯誤，從而引起有機(jī)體變異。3.3.亞硝酸亞硝酸 亞硝酸能使嘌呤或嘧啶脫氨，改變核酸結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，造成亞硝酸能使嘌呤或嘧啶脫氨，改變核酸結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，造成 DNADNA復(fù)制紊亂。亞復(fù)制紊亂。亞硝酸還能造成硝酸還能造成DNADNA雙鏈間的交聯(lián)而引起遺傳效應(yīng)。雙鏈間的交聯(lián)而引起遺傳效應(yīng)。資料卡片資料卡片二、物理誘變二、物理誘變 通過物理方法引起的突變稱為物理誘變。常見的物理誘變劑有紫外線，通過物理方法引起的突變稱為物理誘變。常見的物理誘變劑有

31、紫外線，X X射線，射線，-射線，快中子，激光，微波，離子束等。射線，快中子，激光，微波，離子束等。紫外輻射可以引起堿基轉(zhuǎn)換、顛換、移碼突變或缺失；激光通過光效應(yīng)、紫外輻射可以引起堿基轉(zhuǎn)換、顛換、移碼突變或缺失；激光通過光效應(yīng)、熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)的綜合作用，能使生物的染色體斷裂或形成片斷；熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)的綜合作用，能使生物的染色體斷裂或形成片斷；-射線可射線可使脫氧核糖的堿基發(fā)生氧化或使脫氧核糖的堿基發(fā)生氧化或DNADNA分子的化學(xué)鍵斷裂、同時還能引起染色體畸變。分子的化學(xué)鍵斷裂、同時還能引起染色體畸變。微波輻射屬于一種低能電磁輻射，具有較強(qiáng)生物效應(yīng)的頻率范圍在微波輻射屬于一種低能電磁輻射，具

32、有較強(qiáng)生物效應(yīng)的頻率范圍在 300MHz300MHz300GHz300GHz，對生物體具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。其熱效應(yīng)能引起生物體局部溫度，對生物體具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。其熱效應(yīng)能引起生物體局部溫度上升，從而引起生理生化反應(yīng)；其非熱效應(yīng)能使生物體產(chǎn)生非溫度關(guān)聯(lián)的各種上升，從而引起生理生化反應(yīng)；其非熱效應(yīng)能使生物體產(chǎn)生非溫度關(guān)聯(lián)的各種生理生化反應(yīng)。在這兩種效應(yīng)的綜合作用下生理生化反應(yīng)。在這兩種效應(yīng)的綜合作用下,生物體會產(chǎn)生一系列突變效應(yīng)。生物體會產(chǎn)生一系列突變效應(yīng)。種子的擴(kuò)大培養(yǎng)種子的擴(kuò)大培養(yǎng) 種子的擴(kuò)大培養(yǎng)就是，種子的擴(kuò)大培養(yǎng)就是，為每次發(fā)酵罐的投料提供相當(dāng)數(shù)量的代謝旺盛為每次發(fā)酵罐的投料提供相

33、當(dāng)數(shù)量的代謝旺盛的種子的種子。菌種菌種接種、培養(yǎng)接種、培養(yǎng)休眠狀生產(chǎn)休眠狀生產(chǎn)用種子用種子接種、斜面接種、斜面活化活化扁瓶或搖瓶扁瓶或搖瓶冷凍干燥管冷凍干燥管斜面菌種斜面菌種種子罐種子罐種子種子 將選育得到的菌種通過將選育得到的菌種通過搖瓶、種子罐等逐級擴(kuò)大培搖瓶、種子罐等逐級擴(kuò)大培養(yǎng)，養(yǎng)，最終可獲得一定數(shù)量和最終可獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種質(zhì)量的純種。實(shí)驗室階段的種子培養(yǎng)實(shí)驗室階段的種子培養(yǎng)生產(chǎn)車間階段的種子培養(yǎng)生產(chǎn)車間階段的種子培養(yǎng)菌種的工藝要求菌種的工藝要求 品種純正、生產(chǎn)能力高、遺傳性狀穩(wěn)定。品種純正、生產(chǎn)能力高、遺傳性狀穩(wěn)定。菌種品質(zhì)菌種品質(zhì)淀粉淀粉 葡萄糖葡萄糖 酒精酒精 +二氧化碳

34、二氧化碳淀粉酶淀粉酶酒化酶酒化酶醋酸桿菌醋酸桿菌O O2 2CHCH3 3COOH+COCOOH+CO2 2醋酸桿菌醋酸桿菌 菌種品種的純正與否，直接影響著發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì)。若菌種中菌種品種的純正與否，直接影響著發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì)。若菌種中含有有害雜菌，常會使我們得不到發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)品。含有有害雜菌，常會使我們得不到發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)品。例如：例如：釀酒釀酒 我們知道，遺傳與變異是生物的基本屬性。在發(fā)酵的上游工程中，對我們知道，遺傳與變異是生物的基本屬性。在發(fā)酵的上游工程中，對選育出來的菌種還需經(jīng)過多級擴(kuò)大培養(yǎng)。若菌種的遺傳性狀不穩(wěn)定，則會選育出來的菌種還需經(jīng)過多級擴(kuò)大培養(yǎng)。若菌種的遺傳性狀不穩(wěn)定，

35、則會發(fā)生變異直接影響發(fā)酵生產(chǎn)。發(fā)生變異直接影響發(fā)酵生產(chǎn)。例如：例如：啤酒酵母常采用三級擴(kuò)大培養(yǎng)，擴(kuò)大倍數(shù)為啤酒酵母常采用三級擴(kuò)大培養(yǎng)，擴(kuò)大倍數(shù)為4 46 6倍。倍。種子各階段的制備，應(yīng)無其它微種子各階段的制備，應(yīng)無其它微生物污染、種子生命力強(qiáng)。生物污染、種子生命力強(qiáng)。若種子的制備受到其它微生物的若種子的制備受到其它微生物的污染，往往會使發(fā)酵得不到所需的目污染，往往會使發(fā)酵得不到所需的目標(biāo)產(chǎn)品。標(biāo)產(chǎn)品。種子制備種子制備病毒株種子制備病毒株種子制備 菌種保存應(yīng)采用冷凍干燥管或液菌種保存應(yīng)采用冷凍干燥管或液氮管，使菌種經(jīng)存放后能保持菌種的氮管，使菌種經(jīng)存放后能保持菌種的存活和生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性。存活和

36、生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性。冷凍干燥保藏是一切生物樣品保冷凍干燥保藏是一切生物樣品保藏的重要方法，特別適用于微生物菌藏的重要方法，特別適用于微生物菌種的保藏。種的保藏。菌種保存菌種保存菌種冷凍干燥保存菌種冷凍干燥保存 菌種經(jīng)過長時間的保存、長期的使用或轉(zhuǎn)管次數(shù)過多后，其活力往往菌種經(jīng)過長時間的保存、長期的使用或轉(zhuǎn)管次數(shù)過多后，其活力往往會下降。應(yīng)定期對菌種進(jìn)行分離復(fù)壯，以防菌種退化確保菌種的純正和生會下降。應(yīng)定期對菌種進(jìn)行分離復(fù)壯，以防菌種退化確保菌種的純正和生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性。產(chǎn)能力的穩(wěn)定性。常用的菌種復(fù)壯方法有常用的菌種復(fù)壯方法有“重新選育法重新選育法”、“移植活化法移植活化法”、“改變養(yǎng)改變養(yǎng)分法分

37、法”和和“改善環(huán)境法改善環(huán)境法”。菌種復(fù)壯菌種復(fù)壯 在發(fā)酵生產(chǎn)中，應(yīng)注意儲在發(fā)酵生產(chǎn)中，應(yīng)注意儲備生產(chǎn)能力相同而遺傳性狀不備生產(chǎn)能力相同而遺傳性狀不同的幾個備用菌種，以備生產(chǎn)同的幾個備用菌種，以備生產(chǎn)菌種受噬菌體污染或其它異常菌種受噬菌體污染或其它異常情況時替換。情況時替換。菌種儲備菌種儲備蘋果醋發(fā)酵生產(chǎn)線蘋果醋發(fā)酵生產(chǎn)線資料卡片資料卡片1.1.重新選育法重新選育法 利用原有的菌株，通過重新選育得到菌種。利用原有的菌株，通過重新選育得到菌種。2.2.移植活化法移植活化法 當(dāng)菌種保存期久了，其活力會有一定程度的下降。此時，可將其進(jìn)行重新當(dāng)菌種保存期久了，其活力會有一定程度的下降。此時，可將其進(jìn)行

38、重新移植培養(yǎng)，維持其活力。移植培養(yǎng)，維持其活力。3.3.改變養(yǎng)分法改變養(yǎng)分法 有些菌類對培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分，往往有喜新厭舊的現(xiàn)象，連續(xù)用同一營養(yǎng)有些菌類對培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分，往往有喜新厭舊的現(xiàn)象，連續(xù)用同一營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基，會使該菌種生產(chǎn)力下降、退化。因此，隔一段時間后，通過改成分的培養(yǎng)基，會使該菌種生產(chǎn)力下降、退化。因此，隔一段時間后，通過改變其培養(yǎng)基的組成和比例，也能起到菌種復(fù)壯的作用。變其培養(yǎng)基的組成和比例，也能起到菌種復(fù)壯的作用。4.4.改善環(huán)境法改善環(huán)境法 一個優(yōu)良的菌種，若傳代次數(shù)太多，或環(huán)境不好，也會引起衰退。此時只一個優(yōu)良的菌種，若傳代次數(shù)太多，或環(huán)境不好，也會引起衰退。此時只需通

39、過改善環(huán)境對其進(jìn)行培養(yǎng)，也可起到菌種復(fù)壯的作用。需通過改善環(huán)境對其進(jìn)行培養(yǎng)，也可起到菌種復(fù)壯的作用。所謂中游工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生所謂中游工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。其主要工藝要求為：產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。其主要工藝要求為：2.2.中游工程中游工程發(fā)酵發(fā)酵 要求原材料質(zhì)量穩(wěn)定、品種純正。要求原材料質(zhì)量穩(wěn)定、品種純正。原材料最好選擇微生物發(fā)酵專用的原材料最好選擇微生物發(fā)酵專用的工業(yè)級即可，試劑級原材料成本較高。工業(yè)級即可，試劑級原材料成本較高。材料質(zhì)量材料質(zhì)量 在發(fā)酵起始及過程中，要求原材料、設(shè)備、空氣等須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌

40、在發(fā)酵起始及過程中，要求原材料、設(shè)備、空氣等須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌處理。處理。材料處理材料處理條件控制條件控制 在發(fā)酵過程中，應(yīng)按發(fā)酵的要求，嚴(yán)格控制發(fā)酵體系的溫度、在發(fā)酵過程中，應(yīng)按發(fā)酵的要求，嚴(yán)格控制發(fā)酵體系的溫度、pHpH值及值及溶解氧溶解氧(DO(DO值值)等條件。等條件。資料卡片資料卡片幾種微生物耐受和適合的幾種微生物耐受和適合的pHpH值值微生物類型微生物類型 pH pH 值范圍值范圍 微生物例舉微生物例舉嗜酸微生物嗜酸微生物 2 2 4.04.0氧化硫硫桿菌、嗜酸熱硫化葉菌、隱氧化硫硫桿菌、嗜酸熱硫化葉菌、隱蔽熱網(wǎng)菌蔽熱網(wǎng)菌耐酸微生物耐酸微生物 3.5 3.5 6 6醋酸桿菌、乳酸桿菌

41、醋酸桿菌、乳酸桿菌嗜中性微生物嗜中性微生物 6 6 8 8多數(shù)微生物、根瘤菌、放線菌多數(shù)微生物、根瘤菌、放線菌嗜堿微生物嗜堿微生物 11 11 1212少數(shù)嗜鹽堿桿菌屬、外硫紅螺菌屬、少數(shù)嗜鹽堿桿菌屬、外硫紅螺菌屬、某些芽孢桿菌某些芽孢桿菌 3.3.發(fā)酵的下游工程發(fā)酵的下游工程 發(fā)酵的下游工程是指，從發(fā)酵液中分離和純化目標(biāo)產(chǎn)品的技術(shù)。發(fā)酵的下游工程是指，從發(fā)酵液中分離和純化目標(biāo)產(chǎn)品的技術(shù)。下游工程主要包括固液分離技術(shù)（離心分離，過濾分離，沉淀分離等下游工程主要包括固液分離技術(shù)（離心分離，過濾分離，沉淀分離等工藝），細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶工藝），細(xì)胞破壁技術(shù)（超

42、聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產(chǎn)等），蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產(chǎn)品的處理及包裝技術(shù)（真空干燥和冰凍干燥等）。品的處理及包裝技術(shù)（真空干燥和冰凍干燥等）。易門云南佑生藥業(yè)有限責(zé)任公司包裝車間易門云南佑生藥業(yè)有限責(zé)任公司包裝車間玉溪云南沃森生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)車間玉溪云南沃森生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)車間問題思考與討論問題思考與討論6 64 4 發(fā)酵工程可分為哪幾個階段？各階段的主要任務(wù)是什么？發(fā)酵工程可分為哪幾個階段？各階段的主要任務(wù)是什么？6 66 6 發(fā)酵的主要工藝要求是什么？發(fā)酵的主要工藝要求

43、是什么？6 65 5 常見的菌種選育有哪些方法？常見的菌種選育有哪些方法？資料卡片資料卡片6 64 4（略）（略）1.1.從工程學(xué)的角度來看，發(fā)酵工程可概括地分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢從工程學(xué)的角度來看，發(fā)酵工程可概括地分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理）等三個階段，這三個階段通常又稱為發(fā)酵工程的上游工程、中游（發(fā)酵）水處理）等三個階段，這三個階段通常又稱為發(fā)酵工程的上游工程、中游（發(fā)酵）工程和下游工程。工程和下游工程。2.2.上游工程的主要任務(wù)是選育優(yōu)良種株，確定最適發(fā)酵條件（上游工程的主要任務(wù)是選育優(yōu)良種株，確定最適發(fā)酵條件（pHpH、溫度、溶氧、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成），選擇、準(zhǔn)備營養(yǎng)物

44、等；中游工程的主要任務(wù)是通過發(fā)酵，大量培養(yǎng)和營養(yǎng)組成），選擇、準(zhǔn)備營養(yǎng)物等；中游工程的主要任務(wù)是通過發(fā)酵，大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物；下游工程的主要任務(wù)是從發(fā)酵液中分離和純化目標(biāo)產(chǎn)品。細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物；下游工程的主要任務(wù)是從發(fā)酵液中分離和純化目標(biāo)產(chǎn)品。6 65 5（略）（略）菌種的選育常見的有自然選育和誘變育種兩種方法。不經(jīng)過人工處理，利用菌種的選育常見的有自然選育和誘變育種兩種方法。不經(jīng)過人工處理，利用菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做自然選育；利用各種物理、化學(xué)因素，菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做自然選育；利用各種物理、化學(xué)因素，通過人工誘發(fā)的基因突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做

45、誘變選育。通過人工誘發(fā)的基因突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫做誘變選育。資料卡片資料卡片6 66 6（略）（略）從微生物的生長及發(fā)酵的特點(diǎn)來看，發(fā)酵的主要工藝要求可簡單概括為三個從微生物的生長及發(fā)酵的特點(diǎn)來看，發(fā)酵的主要工藝要求可簡單概括為三個方面。即：方面。即：1.1.材料質(zhì)量材料質(zhì)量要求原材料質(zhì)量穩(wěn)定、品種純正。要求原材料質(zhì)量穩(wěn)定、品種純正。2.2.材料處理材料處理在發(fā)酵起始及過程中，要求原材料、設(shè)備、空氣等須經(jīng)過嚴(yán)格在發(fā)酵起始及過程中，要求原材料、設(shè)備、空氣等須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌處理。的滅菌處理。3.3.條件控制條件控制在發(fā)酵過程中，應(yīng)按發(fā)酵的要求，嚴(yán)格控制發(fā)酵體系的溫度、在發(fā)酵過程中，應(yīng)按發(fā)酵的要求，嚴(yán)格控制發(fā)酵體系的溫度、pHpH值及溶解氧值及溶解氧(DO(DO值值)等條件。等條件。

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