发酵工程期末考试复习资料.doc

第一章 绪 论发酵工程: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。发酵工程包括代谢工程和发酵工艺两个主要内容。发酵工程的四个转折点：天然发酵时代（10004000年前）纯培养时期（第一个转折点，1680年1932年）通气搅拌技术时期（第二个转折点，第二次世界大战时期）代谢控制发酵技术（第三个转折点，1956年氨基酸发酵）现代生物技术时期（第四个转折点）基本问题:过程放大和优化。第二章 工业微生物菌种的来源工业化生产菌种的要求？答：能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物；菌种改造的可操作性强； 遗传性相对稳定；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；生产特性要符合工艺要求。从自然界中分离出发菌株的环节：土样的采取 预处理 培养 菌落的选择 产品的鉴定出发菌株的分离方法：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，一般从底物、 pH、培养时间、培养温度等方面考虑；当不可以采用定向培养时，则设计一个分类学中分离的方法；不能提供任何有助于筛选产生菌的信息时，通过随机分离的办法。第三章 发酵培养基 发酵培养基与微生物培养基的不同之处？答：发酵培养基除了满足菌体的生长外还必须促进产物的形成。培养基能够满足产物最经济的合成； 发酵后所形成的副产物少； 原料来丰富，价格低，性能稳定，便于储藏。 具有满足工艺要求，如不影响通气、提取、纯化等。 培养基按其组成物质的纯度、状态、用途可分为三大类型：按纯度 分：合成培养基、天然培养基。按状态分：固体培养基、半固体培养基、液体培养基。按用途分：孢子培养基、种子培养基、发酵培养基。发酵培养基的组成：碳源；氮源；维生素；无机盐和微量元素；生长因子、前体和产物促进剂；水。发酵用糖：葡萄糖、糖蜜、淀粉、糊精。培养基优化的方法？答：利用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃瓶等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。培养基优化的步聚？答： 根据前人的经验配方，初步确定可能的培养基成分； 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分； 通过正交实验确定各成分最适的浓度。第四章 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。 双种：两个种子罐接种到一个发酵罐中。倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐。 接种量：取决于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度，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。接种量移入种子的体积 /接种后培养液的体积种龄: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。接种时间：一般在对数生长期末，细胞活力强，菌体浓度相对较大，但是最终由实验结果定。发酵级数：一般由菌丝体培养开始计算发酵级数，但有时，工厂从第一级种子罐开始计算发酵级数。发酵级数确定的依据？答：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。种子制备的过程可分为：实验室阶段、生产车间阶段。实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此现象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养。生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归为发酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段。第五章 发酵过程动力学的基本概念比速：单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物的量。是生物反应中用于描述反应速度的常用概念。比生长速率：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。单位为时间的倒数。动力学模型的类型：机制模型：根据反应机制建立。现象模型（经验模型）：能定量地描述发酵过程和反映主要因素的影响。基质浓度与生长速度的关系式：Monod方程：菌体的生长比速；S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数；m ax : 最大比生长速度单一限制性基质S：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。 反应方程式：S（底物） X（菌体） P（产物）第六章 氧的供需及对发酵的影响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，mmol O2g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。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度体积传氧系数（K l a）：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。影响Kl a的因素有哪些？答：影响摇瓶kla的因素：装液量和摇瓶机的种类；影响发酵罐中Kla的因素：搅拌速度、d、通气量；小型发酵罐和大型发酵罐调节k l a的特点：小型发酵罐，转速可调、大型发酵罐，转速往往不可调；影响Kla的其它因素: 空气分布器、液体的粘度；发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成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。第七章 发酵过程的代谢控制发酵过程控制的参数？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。发酵过程pH变化的原因是什么？答：基质代谢 a.糖代谢，糖缺乏，pH上升；b.氮代谢；c.生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降 ； 产物形成 ； 菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。怎样控制pH？答：基础培养基调节pH； 在基础料中加入pH缓冲物；通过补料调节pH； 当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH ；选择合适的pH调节剂； 发酵的不同阶段采取不同的pH值；根据微生物的生长对温度的要求不同分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长； 嗜温菌适应于15430C生长；嗜热菌适应于37650C生长； 嗜高温菌适应于650C以上生长。 不同微生物对温度的要求的原因？答：微生物对温度的要求不同与它们膜的结构、物理化学性质有密切关系，微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。根据细胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。（细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最佳生长状态）；微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关。发酵热：就是发酵过程中释放出来的净热量。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因： Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射染菌：发酵过程中除了生产菌以外，还有其它菌生长繁殖染菌的危害：造成大量原材料浪费和经济的损失； 扰乱生产秩序，破坏生产计划；遇到连续染菌，特别在找不到染菌原因往往会影响人们的情绪和生产积极性；影响产品外观及内在质量 。染噬菌体染菌对发酵的危害？答：发酵中如果受噬菌体的侵染，一般发生溶菌，随之出现发酵迟缓或停止，而且受噬菌体感染后, 往往会反复连续感染,使生产无法进行，甚至使种子全部丧失。泡沫：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。泡沫产生的原因是什么？答：气液接触（形成的首要条件）；含助泡剂；起泡速度高于破泡速度。发酵过程泡沫产生的原因？答：通气搅拌的强烈程度； 培养基配比与原料组成；菌种、种子质量和接种量； 灭菌质量。泡沫的控制方法：加入消泡剂（消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭）；机械破碎。第八章 生物反应器根据反应是否需要氧气为基准将微生物反应器可分为: 需氧微生物反应器（通气发酵罐）； 厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）。机械搅拌发酵罐：优点：pH和温度容易控制 ； 尺寸放大的方法大致已确定； 适用于连续搅拌式反应器 等。缺点：搅拌功率消耗大； 结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。自吸式发酵罐：优点：节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积；减少工厂发酵设备投资约30左右；设备便于自动化、连续化，降低老定强度，减少劳动力；设备结构简单，溶氧效率高，操作方便。缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。工作原理： 自吸式发酵罐的构件主要使自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。气升式发酵罐特点：结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节约动了约50，节约钢材； 操作无噪音；料液可充满达8090，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染