武汉大学微生物工程期末考试重点排版调整后

1、第一章绪论微生物工程利用生物特性和发酵理论，通过现代化的工程技术手段，进行工业化规模生 产，使受培养的微生物或动植物细胞积累所需产品的一门技术学科。是生物技（遗传工程、细胞工程、微生物工程（又称发酵工程）、酶工程（又称生化工程） 和生物反应器工程。）的重要组成部分。微生物工程组成上游工程：菌种的特性与选育；培养基的配制、选择及其灭菌理论。发酵工程：发酵醪的特性；发酵机理；发酵过程动力学；空气除菌；微生物对 氧的吸收与利用；微生物的培养方式及自动化控制等。下游工程：发酵液预处理；初步纯化（即提取）；高度纯化（即精制）；成品加 工。发酵（工业上的）泛指利用微生物制造或者生产某些产品的过程，包括：1

2、、厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2、通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。微生物发酵生产的特点1、 一步生产：微生物发酵是有一系列极其复杂的生化反应组成，反应所需的各种酶均包含在微生物细胞内。一次它“吃的是草”产出的的“牛奶”。而用化学方法合唱，等到“牛奶”则需要许多步骤才能完成。2、反应条件温和：因酶的最适反应条件是常温常压；而化学合成则需要在剧烈 的反应条件，如高温、高压、强酸、强碱以及金属催化剂的参与下才能进行。3、原料纯度要求低：常以农副产品作原料，如薯干、麸皮。原料来源丰富，价 格低廉，而化学合成法的原料纯度要求高，

3、较昂贵。4、设备通用性：由于微生物发酵一般都是纯种发酵，所以必须有培养基灭菌系 统和空气除菌系统，而化学工程就不需要这些设备： 对微生物发酵来说，无 论好氧发酵还是厌氧发酵，它们的发酵设备都大同小异，即好氧的一般都用 搅拌式发酵罐加空气过滤系统，厌氧发酵都用密封式发酵罐。5、对环境的污染相对较小：发酵所用的原料是农副产品，废水中虽然生物需氧 量（biological oxyge n dema nd 简称 BOD ）、化学需氧量（chemical oxyge n dema nd简称COD）较高，但有毒物质少；化学合成法除强酸强碱等剧烈条 件外，还常用些重金属作催化剂，因此排出的废水毒性较大。6、

4、反应液的流体力学性质不同：发酵醪中包括有固相（如淀粉颗粒，微生物菌 体）、液相（如发酵培养基）和气相（如通入的氧气，产生的二氧化碳），是 一类非牛顿流体，在这种流体中质量传递、动量传递等特性与化学工程中的 牛顿流体有很大的不同，不服从牛顿力学规律。微生物工程发展简史1. 自然发酵期：只知其然而不知其所以然的时期2. 奠基期：纯培养技术的建立是第一代微生物发酵技术3. 发展期：一系列新技术的建立，使微生物发酵技术得到快速发展4. 发展趋势：第三代微生物发酵技术一一微生物工程发酵的流程空气保藏菌种空气净化处理斜而活化碳源.氮源、 无机盐等营养 物质扩大培养种可罐一 主发酵产物分离纯化成品微生物工程

5、的应用领域涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题一、微生物工程在医药工业中的应用二、微生物工程在食品工业中的应用三、微生物工程在农业中的应用四、微生物工程在化工能源领域中的应用五、微生物工程在环保领域的应用六、微生物工程在冶金领域的应用七、微生物工程在高新技术研究中的应用第一章 生产中常用菌种的分离、选育和保藏 微生物工程对菌种的要求1、操作性：培养条件简单，发酵易控制，产品易分离。2、稳定性生产力：能在廉价的培养基上迅速生长，所需的代谢产物的产量高, 其它代谢产物少。3、遗产稳定性：抗噬菌体能力强，菌种纯粹，不易变异退化4、安全性：是非病原菌，不产有害生物活性物质

6、或毒素 生产用菌种的分离一、菌种的来源根据资料直接向有关科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买从大自然中分离筛选新的微生物菌种。基本程序：采样一预处理一富集培养一筛选一鉴定新种分离与筛选的步骤1定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。2采样：有针对性地采集样品。3增殖：人为地通过控制养分或者培养条件，使得所需的菌种增殖培养后，在 数量上占优势。4分离：利用分离技术等到纯种。5发酵性能测定：进行生产性能测定。这些特性包括形态、培养特征、营养要 求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵 最是温度、最适pH值、提取工艺等。生产用菌种的选育工业菌种的选

7、育：是运用遗传学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行的多方 位的改造。通过改造，可使现存的优良性状强化，或去除不良性质或增加新的 性状。菌种选育1杂交育种：借助有性重组，是不同菌种的遗传物质得以交换 2原生质融合育种：借助原生质融合技术实现遗传物质的交换 3基因工程育种：定向育种，技术含量高，应用面广。4自然选育5诱变育种基因突变：自然选育詹诱变育种基因重组:杂交鲁原生质体融合*基因工程基因的直接进化:点突变*易错PCR詹同序法DNA Shuffling等菌种保藏的主要方法斜面保藏法和矿物油保藏法沙土管干燥保藏法真空冷冻干燥保藏法液氮保藏法低温保藏法(六)悬液保藏法保藏机构的主要保藏

8、方式：真空冷冻干燥保藏法第二章微生物的代谢调节和代谢工程代谢概论：代谢(metabolism):细胞内发生的各种化学反应的总称分解代谢(catabolism)；合成代谢(anabolism) 分解代谢复杂分子 =简单小分子 ATP 珂(有机物)合成代谢代谢调节(regulation of metablism):是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的 需要而改变的一种作用。酶量的调节；酶活性的调节微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条 件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。代谢调节方式细胞透性的调节 代谢途径区域化 代谢流向的调控 代谢速度的调控代谢速

9、度的调控:微生物 细胞的 代谢调2 节主要 类型酶合成的调节， 调节的是酶分子I的合成量4A在遗传学水平上发生的酚活性调节， 调节的是已有I 酶分子的活性。在酶化学水 平匕发生的初级代谢和次级代谢1初级代谢：一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能 量的过程，成为触及代谢，该过程所生产的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸，以及酶或辅酶等。次级代谢：是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前提，合成一些 对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长繁殖所必需的物质的过程。这一 过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。代谢工程概念代谢工程是指利用基

10、因工程技术，定向地对细胞代谢途径进行修饰、改造， 以改变微生物的代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合， 构建新的大写途径，产生新的代谢产物的工程技术领域。代谢工程主要是引入 了代谢网络理论。这个理论将细胞的生化反应以网络整体来考虑，而不是孤立 地来考虑。1、改变代谢途径1.1加速限速反应1.2改变分支代谢途径流向1.3构建代谢旁路1.4改变能量代谢途径2、扩展代谢途径3、转移或构建新的代谢途径3.1转移代谢途径3.2构建新的代谢途径代谢调控在发酵工业中的应用代谢条件的控制-遗传学方法1营养缺陷型突变株的应用2、抗反馈控制突变株的应用3、选育组成型和超产突变株4、增加结构基因数

11、目发酵条件的控制-生物化学方法 1添加前体物绕过反馈控制点 2添加诱导剂3发酵与分离过程耦合4控制细胞膜的通透性5控制发酵的培养基成分微生物代谢产物的过量生产-提高触及代谢产物的产量的方法-提高次级代谢产物的方法-高浓度微生物的培养第三章发酵工艺条件的确定工艺条件控制的目的：为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达培养基 的选择和确定一、培养基的营养成分微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶，将周围环境中大分子的蛋白 质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用， 吸收这些小分子营养来实现的。(1) 能源(2) 碳源： S crit，为非限制

12、性底物S罐体搅拌器和挡板 消泡器 联轴器及轴承变速装首 空气分布装置 轴封冷却装置Stirrer gland 轴封Foam breaker 泡器Baffle档板Flat bioded 曲屉甥 impeller扼幷器Air-sparger空气分布器第七章发酵过程优化与放大发酵罐的比拟放大比拟放大的内容：罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的 放大问题，这些内容都有一定的内在联系比拟放大的依据：1、单位体积液体的搅拌消耗功率2、搅拌雷诺准数3、溶氧系数4、搅拌桨末端线速度5、混合时间6、通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子一致生物反应器过程的多尺度理论 1背景: 测量参数及其变化的

13、意义缺乏理解；最佳工艺控制点为依据的静态操作方法；缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容 2内容：不同尺度的网络状态关系：生命所特有的信息流、物质流、能量流具有“变化 着的结构”，不仅是线性或动力学因素；以往各自研究的技术背景从单一尺度去理解和分析研究生物过程的特点，现在 跨尺度测量与控制。3呈网络多输入多输出关系：网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系一多输入多输出关系 信息流、物质流和能量流生命属性所特有的时空串联反应关系微生物代谢流 网络研究的核心问题 4跨尺度观察与操作 工业规模的生物过程只能在反应器尺度上进行测量与操作 可以从低一层次尺度的规律或性质，来预测研究另一尺度层次的

14、规律或性质 多尺度综合与各因子过程的相互量化关系，澄清不同灰度间相互作用和耦合的 原则和条件 跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳入跨学科和跨技术的手段 第八章 工业发酵染菌的防治发酵染菌的危害所谓“杂菌”，是指在发酵培养中侵入了有碍生产的其他微生物。几乎所有的发酵工业，都有可能遭受杂菌的污染。染菌的结果，轻者影响产量 或产品质量，重者可能导致倒罐，甚至停产。发酵过程中染菌的检查判断杂菌的检查方法目前生产上常用的杂菌检查方法有： 显微镜检查：染色镜检 平板划线检查：倒平板 空培养 待测样品划线 培养观察 酚红肉汤培养检查：无菌肉汤培养基空培养接入样品 培养观察 判断发酵是否染菌应以无菌试

15、验结果为根据 发酵染菌率总染菌坤5设备染閨率；不同 甜种发酵的染菌率；不 同农酵 阶段 的 染 閑 率：李百染菌率匕操件染菌率：染菌原因的分析避免在发酵生产中污染杂菌应以预防为主。“防重于治”，事前防止胜于事后挽 救。如果一旦发生染菌现象就要尽快找出原因，及时纠正、堵塞漏洞才能减少损失, 并从中吸取经验教训，避免以后有类似情况发生，保持生产的正常进行。发酵染菌的防止一、种子带菌的原因及防止二、发酵设备、管件的渗漏与配置三、发酵罐与管件的死角四、染菌后的挽救措施：分批、连续；前中后期分开讨论 液体通气发酵一谷氨酸发酵谷氨酸(Glutamic acid)是最先成功地利用发酵法进行生产的氨基酸，谷氨

16、酸发酵 是典型的代谢调控发酵，因此了解谷氨酸发酵机理，掌握其发酵工艺，将有助于 对代谢调控发酵的理解，有助于对其它有氧发酵，特别是氨基酸发酵的理解和掌 握。谷氨酸发酵工艺简介谷氨酸生产以淀粉质材料为原料， 先将其水解成葡萄糖，并以此为碳源，以液氨 为氮源，发酵而成。在发酵工艺上，由原先的中糖一次性发酵发展为高糖流加发 酵。淀粉液化斜面亠一级种二级种级过滤二级过滤消泡剂杆过滤空气戶33Eq屮和I离子交换冷济等电谷氨酸发 酵的工艺 流程结晶于燥22则不具有味精的鲜味。谷氨酸仅是味精生产中的半成品，谷氨酸与适量的碱进行中和反应生成谷氨酸一钠，谷氨酸一钠的商品名称为味精或味素 如果谷氨酸钠与过量碱作用

17、，生成谷氨酸二钠,酒精生产工艺学概述酒精的生产原料淀粉质原料、糖质原料、纤维质原料（1）薯类原料：甘薯、木薯和马铃薯等。（2）谷物原料：玉米、高粱、大米和小麦等（3）糖类原料：废糖蜜、甘蔗、甜菜等。（4）纤维素原料：森林工业和木材加工工业的下脚料、农作物秸秆、甘蔗渣、 废纤维垃圾和废纸浆等。（5）其他原料：亚硫酸纸浆废液、淀粉渣等。工艺流程1. 原料粉碎2. 蒸煮糊化3糖化4. 酵母发酵5. 蒸馏提纯酒母的扩大培养原菌斜面试管液体试管三角瓶培养卡氏罐这一阶段的培养，是扩大酒母种子的开始。生产上希望在这一阶段培养得到细胞 健壮、没有杂菌的种子酒母。因此，无菌条件要求较严，酵母培养基的营养成分 要

18、求也高。酒母罐培养从卡氏罐以后酒母扩大培养属于酒母车间进行培养，其流程为： 卡氏罐一一小酒母罐一一大酒母罐一一成熟酒母送发酵车间第一次测试:遏低的 阻降制 的会？机 ?酶变株控 株个突变调 变一性突变 问突第节性改 请型对调节经 ,陷过外调已 下缺通额的出 况养是入样找 恂营成引这中合么离株列駿物什分变序氨生为何突&产酸的你到 何生氨控？得 任量耕鸿札盂 道过中JA成分 知离茵制产在 不分杆抑生何-在何肠馈酸如株 果如大反氨你变 如1 2 3冬覽秃兰陷型和调节性尖变这两个类型的突变组合在个as抹中？-大肠杆茵全基因组序列已知，请问：场5现在应该如何快速选育瓜氨酸生产菌株？怎样提高产童?精氨辱是由直线式代谢途径产生的：谷氨酸经过四步转 换冬鸟氨酸，鸟氨酸经一步合成瓜氨酸，最后由两次酶促 反应合成将氨酸。大肠杆茵能吸收利用所有的氨基酸及中 间产物。假如你想使用大肠杆茵突变株发酵生产瓜氨酸