生物工艺学复习重点

第一章第一章 1 生物工艺学定义 生物工艺学 也称生物技术 是指以现代生命科学为基础 结合其他 基础学科的科学原理 采用先进的过程技术手段 按照设计改造生物体或生物原料 为人 类生产出所需要产品或达到某种目的的技术 2 研究内容 在生物反应过程中具有普遍意义的工艺技术问题 以探讨生物产品生产过程中共性为目的 从工艺角度阐明细胞生长和代谢产物与细胞的培 养条件之间的相互关系 为生产过程的优化提供理论基础 3 生物技术的发展简史 1 传统经验制造技术 天然发酵阶段特点 自然发酵 历 史悠久 工艺独特 经验丰富 2 纯种培养技术的成功 初级代谢产物生产阶段 标志 了解微生物在发酵过程中的作用 特点是 大多数为厌氧发酵过程的产物 产物的 化学结构简单 初级代谢产物 其生产通常是在敞开环境中进行 生产过程简单 生产设 备相对要求不高 规模一般不大 3 搅拌技术成熟 好氧培养阶段 标志 抗生素工业的通风机械搅拌罐的应用 特点 产品类型多 不但有初级代谢产物 也出现了次级代谢产物 还有生物转化及酶反应等产品 技术要求高 主要使用纯种发酵 在发酵过程中通入无菌空气 规模巨大 技术发展快 4 基因重组技术的成熟 现代生物技术阶段标志 DNA 是遗传物质 4 生物技术的应用 农业 食品工业 医药工业 化学冶金工业 能源工业 环境保护 第二章第二章 5 常用工业生产微生物菌种 工业常用细菌 放线菌 酵母菌 霉菌 6 诱变育种的一般步骤 出发菌株 自然分离纯化 制备单孢子悬液 诱变剂处理 稀释涂平板 培养 计数 突变株分离 初筛 复筛 突变性能检测 筛选出高产菌株 保存 7 初筛 复筛概念与筛选方法 初筛 目的是删去明确不符合要求的大部分菌株 把生产性状类似的菌株尽量保留下来 使优良菌种不致于漏网 初筛工作以量为主 测定的精确性还在其次 初筛的手段应尽可 能快速 简单 复筛的目的是确认符合生产要求的菌株 所以 复筛步骤以质为主 应精确测定每个菌株 的生产指标 初筛选方法 平皿快速检测法 纸片培养显色法 变色圈法 透明圈法 生长圈法 抑制圈 法等 复筛方法 1 微生物初筛鉴定 何属 何种 目的 预知微生物对人 动物或植 物是否有致病性 但分类复杂 2 发酵培养基的选择 3 培养与发酵 4 抽提试验 8 微生物杂交育种基本程序 选择原始亲本 诱变筛选直接亲本 亲和力鉴定 杂交 分离到基本培养基和选择培养基上培养 筛选重组体 鉴定 9 什么是原始亲本 直接亲本 原始亲本是微生物杂交育种中具有不同遗传背景的优质出发菌株 主要根据杂交的目的来选 择 从育种角度出发 通常选择具有优良性状如产量高 代谢快 产孢子能力强 无色素 泡沫少 粘性小等发酵性能好的菌株为原始亲本 直接亲本 微生物杂交育种所使用的配对菌株称为直接亲本 特点 经原始亲本菌株诱变而来 具有营养缺陷型标记或其他标记 10 孢子制备分为放线菌孢子制备 霉菌孢子制备 细菌培养物制备 各自特点 1 放线菌孢子制备 琼脂斜面培养基 不丰富碳源和氮源 温度多数 28 C 少数 37 C 培养时间 5 14 天 2 霉菌孢子制备 以大米 小米 玉米 麸皮 麦粒等天然农产品为培养基 培养温度为 25 28 培养时间为 4 14 天 3 细菌培养物制备 斜面培养基 碳源限量而氮源丰富 牛肉膏 蛋白胨常用作有机氮源 温度大多数为 37 少数 28 培养时间 1 2 天 产芽孢的细菌则需培养 5 10 天 11 影响孢子制备的因素及其控制 1 培养基 构成孢子培养基原材料 其产地 品种 加工方法和用量 2 培养温度和湿度 斜面孢子培养时 培养室的相对湿度对孢子形成的速度 数量和质量 有很大影响 真菌对湿度要求偏高 放线菌对湿度要求偏低 最适培养温度和湿度是相对 的 培养温度 培养基组分不同也会影响到微生物培养的最适相对湿度 3 培养时间和冷藏时间 孢子的培养时间及冷藏时间对孢子质量有重要影响 过于年轻的孢 子经不起冷藏 孢子的培养时间应控制在孢子量多 孢子成熟 发酵产量正常的阶段终止 培养 冷藏总原则是冷藏时间宜短不宜长 4 接种量 制备孢子时的接种量要适中 因为接种量的大小影响到在一定量培养基中孢子的 个体数量的多少 进而影响到菌体的生理状态 12 影响种子质量的主要因素 1 培养基 2 培养条件 3 种龄 种子培养时间 4 接 种量 13 菌种退化的概念及其原因 菌种退化 群体中退化细胞在数量上占一定数值后 表现出菌种生产性能下降的现象 常表现为 在形态上的分生孢子减少或颜色改变 甚至变形 在生理上常指产量的下降 菌种退化原因 1 自然突变 较高的代谢繁殖能力导致大量基因突变 多数为负突变 2 环 境条件 如营养条件 环境温度也是重要的作用因素 14 菌种保藏的原理 根据菌种的生物 生理 生化特点 人工地创造条件 使菌种的代谢 活动处于不活泼状态 生长繁殖处于休眠状态 第三章第三章 15 为什么要进行淀粉制糖 1 许多微生物并不能直接利用淀粉 2 有些微生物能够直接利用淀粉作原料 但必须在微生物分解出胞外淀粉酶类以后才能 进行 过程缓慢 发酵过程周期过长 实际生产上无法被采用 3 若直接利用淀粉会由于灭菌中高温导致淀粉变糊 结块 发酵液粘度增加 无法进行 发酵 16 DE 值 DX 值指什么 葡萄糖值 DE 值 工业上用 DE 值 也称葡萄糖值 表示淀粉糖的糖组成 糖化液中的 还原糖含量 以葡萄糖计算 占干物质的百分率称为 DE 值 糖化液中的葡萄糖含量占干物质的百分率称为 DX 值 17 淀粉水解糖的制备方法有哪几类 其概念是什么 1 酸解法 又称酸糖化法 它是以酸为催化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法 2 酶解法 利用专一性很强的淀粉酶 糖化酶将淀粉水解为葡萄糖 又称为双酶法或多 酶法 3 酸酶结合法 酸酶法 先将淀粉酸水解成糊精或低聚糖 然后利用糖化酶水解其为葡萄糖 酶酸法 将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定程度 再用酸水解成葡萄糖 18 淀粉水解中酸水解有 3 个反应 是什么 反应 1 酶催化 淀粉水解成葡萄糖 主要反应 反应 2 酸 热作用发生的复合反应 次要反应 反应 3 分解反应 次要反应 19 酸水解条件选择及其控制 1 淀粉的质量 酸水解法以酸为催化剂 无专一性 2 淀粉乳浓度的选择 淀粉乳浓度 下降 DE 值上升 副反应减少 浓度过低 设备利用率低 3 酸的种类和用量 4 糖 化温度 压力和时间 5 淀粉中含蛋白质等杂质对糖液质量的影响 6 糖化终点的控 制和检查 20 淀粉酶水解的的两个步骤 液化和糖化 酶水解位置水解次序水解产物 液化淀粉酶1 4 糖苷键无先后次序 葡萄糖 麦芽糖 麦芽 三塘 异麦芽糖 低聚 糖 糖化糖化酶1 4 和 1 6 糖苷键从非还原性末端开始葡萄糖 21 糊化和老化的概念 1 淀粉的糊化 指淀粉受热后 淀粉颗粒膨胀 晶体结构消失 互相接触变成糊状液体 即使停止搅拌 淀粉也不会再沉淀的现象 2 淀粉的老化 分子 间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程 也就是复结晶过程 22 糖化的概念 利用糖化酶 也称葡萄糖淀粉酶 将淀粉液化产物糊精及低聚糖进一步水 解成葡萄糖的过程 第四章第四章 23 培养基的概念 作用 要求 培养基 指一切可供微生物细胞生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需的 按一定比例配 制的多种营养物质的混合物 作用 满足微生物生长 促进产物生成 基本要求 1 满足微生物生长所需的各种营养成分 碳源 氮源 生长因子等 2 针对不同发酵规模的生产 有不同成分的培养基 24 微生物营养的五大要素 碳源 氮源 无机盐及微量元素 生长因子 前体 产物促进 剂 水 25 葡萄糖效应 又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用 葡萄糖或某些容易利用的碳源 其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象 26 碳源的作用 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 27 氮源的定义 作用 类型 定义 指构成微生物细胞和代谢产物中的氮素来源的营养物质 作用 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 类型 分为无机氮源和有机氮源两种 28 生长因子定义 微生物生长不可缺少的微量的有机物质 如氨基酸 嘌呤 嘧啶 维生 素等 只对于无法合成这些成分的微生物必不可少 29 培养基按纯度分为哪 3 种 按用途分为哪 3 种 按纯度分为合成培养基 天然培养基和半合成培养基 按用途分为孢子 种子和发酵培养基 30 培养基成分选择的原则 1 菌体的同化能力 2 代谢的阻遏与诱导 3 合适的碳氮比 4 Ph 的要求 31 正交试验的实质和步骤 实质 选择适当正交表 合理安排实验的分析事宜按结果的一种试验方法 步骤 1 根据要求和客观条件确定因子和水平 列出因子水平表 2 根据因子和水平数选用合适的正交表 设计表头 开始实验 3 根据正交表给出的实验方案 进行实验 4 对实验进行分析 选出较优的实验条件及对结果有显著影响的因子 32 培养基设计时应注意的问题 原料及设备的预处理 原材料的质量 发酵特性的影响 灭菌 第五章第五章 33 灭菌消毒概念 消毒 杀死物体表面及内部一部分对人体有害的病原菌的营养体 而对 被消毒的物体基本无害的措施 如对皮肤 水果 饮用水的消毒 啤酒 牛奶 果汁等消 毒 灭菌 杀死任何物体内外的一切微生物的方法 灭菌后的物体不再有可存活的微生物 34 致死温度 杀死微生物的极限温度 致死时间 在致死温度下 杀死全部微生物所需要的时间 35 无菌检测的方式 无菌试验 镜检 试剂盒 无菌试验 肉汤培养法 双蝶法 斜面培养法 镜检 用显微镜观察取样中有无杂菌 试剂盒 快速高效检测手段 36 双碟的定义 在抗生素效价测定中 装有培养基和试验菌的玻璃培养皿称为双碟 分为底层 不含菌 和菌层 第六章第六章 37 1 呼吸强度 比耗氧速率 单位质量的菌体 以干重计 在单位时间内消耗氧的量 mmolO2 g 干细胞 h 用 QO2 表示 2 耗氧速率 指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量 以 r 表示 单位 mmolO2 L h 3 临界氧浓度 在溶氧浓度低时 呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加 当溶氧浓度达 到某一值后 呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化时的溶解氧浓度 用 C 临界表示 38 图文描述氧传递阻力与途径 氧从空气泡传递到低保过程中要克服的阻力 从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面 通过气液界面 从气液界面扩散通过气 泡的液膜到液相主体 液相溶解氧的传递 从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大 细胞表面 氧通过细胞壁 微生物细胞内氧的传递 通常 和 步传递阻力最大 是整个过程的控制步骤 39 双膜理论 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面 在界面的一侧存在一层气膜 在界面的液体一侧存在一层液膜 气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态 分子之间无对流运动 因此 氧分子只能以扩散方式借助浓度差透过双膜 另外 气泡内 除气膜以外的气体分子处于对流状态 成为气流主体 在空气主流空间的任一点氧分子浓 度相同 液体也如此 40 控制溶氧的工艺手段 1 改变通气速率 增大通风量 2 改变搅拌速度 3 改 变气体组成中的氧分压 4 改变罐压 5 改变发酵液的理化性质 6 加入传氧中间介 质 传氧中间介质有 1 血红蛋白 2 烃类碳氢化合物 煤油 石蜡 甲苯与水等 3 含 氟碳化物 第七章第七章 41 发酵染菌的概念 发酵异常现象 发酵染菌 在发酵过程中 生产菌以外的其他微生物侵入了发酵液 从而使发酵过程失去 了真正意义上的纯种培养 发酵异常现象 1 溶解氧的异常变化 2 排气的 CO2异常变化 3 其他异常现象 4 设备渗漏方面原因 5 空气过滤系统方面原因 42 不同生产阶段染菌对发酵的影响 种子培养期染菌 对整个发酵过程的危害极大 发酵前期染菌 严重干扰生产菌的生长繁殖 发酵中期染菌 干扰生产菌的代谢 影响产物的生成 发酵后期染菌 影响相对较小 种子带菌 将导致染菌范围不断扩大 使生产蒙受重大损失 空气带菌 使发酵大面积染菌 培养基或设备灭菌不彻底 一般不具延续性 使单个 批 发酵罐发酵失败 设备渗漏 染菌几率较大 43 杂菌检查的目的意义 方法 目的意义 发酵过程是否染菌应以无菌试验的结果为依据进行判断 在发酵生产过程中 如何及早发现杂菌的污染并及时采取措施加以处理 是避免染菌造成 严重经济损失的重要手段 因此 生产上要求能准确 快速的检查出杂菌的污染 检查方法主要有以下四种 1 显微镜检查法 镜检法 2 肉汤培养法 3 平板划 线培养或斜面培养检查法 4 发酵过程的异常现象观察法 44 杂菌污染的挽救及处理 a 种子培养期染菌 应经灭菌后弃之 并对种子罐 管道等进行仔细检查和彻底灭菌 b 发酵前期染菌 营养成分消耗不多 应迅速重新灭菌 补充必要的营养成分 重新接种 进行发酵 c 发酵中 后期染菌 加入适当的杀菌剂或抗生素以及正常的发酵液 以抑制杂菌的生长 速度 产品的含量若达一定值 只要明确是染菌也可放罐 d 发酵后对设备的处理 空罐加热灭菌后至 120 以上 30min 后 才能使用 也可用甲醛 熏蒸或甲醛溶液浸泡 12h 以上等方法进行处理 第八章第八章 45 分批发酵 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式 在这一过程中 除了氧 气 消泡剂及控制 pH 的酸或碱外 不再加入任何其它物质 发酵过程中培养基成分减少 微生物得到繁殖 补料发酵 又称半连续发酵或流加分批发酵 指在分批发酵过程中 间歇或连续地补加新 鲜培养基的发酵方式 连续发酵 培养基料液连续输入发酵罐 并同时放出含有产品的相同体积发酵液 使发酵 罐内料液量维持恒定 微生物在近似恒定状态 恒定的基质浓度 恒定的产物浓度 恒定 的 pH 恒定菌体浓度 恒定的比生长速率 下生长的发酵方式 46 发酵过程控制的意义 最佳工艺条件的优选 即最佳工艺参数的确定 以及在发酵过程 中通过过程调节达到最适水平的控制 47 什么是发酵热 生物热 发酵热 发酵过程中所产生的热量 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q辐射 生物热 来源 微生物对营养物质的分解所释放的能量 48 CO2对发酵影响的机理 答 CO2及 HCO3 主要是影响细胞膜的结构 导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变 影响到细胞膜的输送效率 导致细胞生长受到抑制 形态发生改变 培养液中的 CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位 HCO3 影响细胞膜的膜蛋白 49 泡沫控制的机理 对发酵有何影响 机理 A 当泡沫的表层有在着由极性的表面活性物质形成双电系层 可加入另一种具有相反 电荷的表面活性剂 以降低泡沫的机械强度 或加入具强极性的物质与发泡剂争夺液膜上 的空间 降低液膜强度 使泡沫破裂 B 泡沫的液膜具较大的表面粘度时 可加入某些分子内聚力较小的物质 以降低液膜的粘 度 使液膜的液体流失 导致泡沫破裂 50 分散剂的作用 帮助消泡剂扩散和缓慢释放 具加速和延长消泡剂作用 减少消泡剂粘 性 第九章第九章 51 植物细胞的培养方法 方式 方法 主要有植物细胞的大规模悬浮培养 适于大量快速地增殖细胞 不利于次生物质的 积累 和植物细胞或原生质体的固定化培养 细胞生长缓慢而次生物质含量相对较高 植物细胞的培养方式主要有间歇培养 连续和固定化培养等多种 52 影响植物细胞培养的因素有 1 细胞的遗传特性 2 培养的环境条件 如 温度 Ph 53 植物细胞培养反应器有哪些 反应器主要有机械式搅拌生物反应器 鼓泡塔与气升式生物反应器 填充床式生物反应器 流化床生物反应器和膜式生物反应器等 第十章第十章 54 动物细胞培养的环境是什么 影响动物细胞生长 繁殖的因素 影响动物细胞生长 繁殖的因素有温度 PH 值 营养成分 溶氧 气体环境 渗透压以 及其他因素 52 动物细胞培养的一般步骤