发酵工程期末考试重点整理（终极版）

本文格式为Word版，下载可任意编辑——发酵工程期末考试重点整理（终极版）●发酵工程：以微生物、动植物细胞为生物作用剂进行工业化生产的工程，包括发酵工艺和发酵设备。●主要研究内容：菌种选育与构建、大规模培养基和空气的灭菌、大规模细胞培养过程、细胞生长和产物形成动力学、生物反应器的优化设计和操作、发酵产品的分开纯化过程中的技术问题等。

●发酵工程原理：指导发酵产品研究与开发，发酵工厂设计与建设以及发酵生产实践的理论。●初级代谢：是大量生物都具有的生物化学反应，蛋白质、核酸的合成等，均称为初级代谢。

●初级代谢产物：指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、多糖等。●次级代谢：微生物以初级代谢产物为前提合成的对微生物本身的生命活动没有明确功能的物质的过程。●自然选育：不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程。

●杂交育种：将两个基因型不同的菌株经吻合使遗传物质重新组合，分开和筛选具有新性状的菌株。●诱变育种：利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、高效的筛选方法，从中挑拣出少数符合目的的突变株，以供科学试验或生产实践使用。●原生质体融合育种：两个亲本的原生质体在高渗条件下混合，由聚乙二醇作为助融剂，使它们相互凝集，发生细胞融合，接着两个亲本基因组由接触到交换，从而实现遗传重组。

●前体：某些化合物参与发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物中去，而自身结构并没有明显变化，产物的产量却因前体的参与而有较大的提高。●抑制剂：某些化合物可以抑制特定代谢途径的进行，使另一种代谢途径活跃，获得人们所需产物的积累。如生产甘油加抑制剂亚硫酸钠，它与代谢过程中的乙醛生成加成物。这样使乙醇代谢途径中的乙醛不能成为NADH2(还原型辅酶I)的受氢体，而使NADH2在细胞中积累，从而激活α－磷酸甘油脱氢酶的活性，使磷酸二羟基丙酮取代乙醛作为NADH2的受氢体而还原为α－磷酸甘油，其水解后即形成甘油。

●促进剂：指那些既不是营养物质又不是前体，但却能提高产量的添加剂，如加巴比妥盐能使利福霉素单位增加，并能使链霉菌推迟自溶，延长分泌期。●灭菌：用化学或物理的方法杀灭或除掉物料及其器皿中所有的生命体。消毒是指杀死病原微生物的过程。●分批灭菌：培养基置于发酵罐中加热，达到预定温度后维持一段时间，再冷却到发酵所需温度的灭菌。●连续灭菌：在发酵罐外连续不断地进行加热、维持和冷却，同时把灭完菌的培养基通入已灭过菌的发酵罐的灭菌方式。

●对数残留定律：在微生物死亡过程中的任一时刻，活菌数的减少速率与该时刻残留的活菌数成正比，这就是微生物死亡的对数残留定律。微分式为：-dN/dτ=kN；积分式为：τ=（2,303/k）log(N0/Ns)N0开始灭菌时的活菌数Ns灭菌终止时残留菌数。

●单种法：一个种子灌接种一只发酵罐的接种方法。●双种法：用两只种子灌接种一只发酵罐的接种方法。

●倒种法：从一只发酵罐中倒出适合的，适量的发酵液给另一个发酵罐做种子的方法。

●生长关联型：产物生成与菌体生长之间有平行的准量关系。这样的产品或为菌体本身或初级代谢产物。●部分生长关联型：菌体生长出现两个高峰，第一个生长高峰与产物合成无平行的准量关系，其次个生长高峰与产物合成有平行的准量关系。

●非生长关联型：细胞生长与产物合成无平行的准量关系，只与菌体的总量有关。大部分次级代谢产物属于这一类。

●凝聚：是在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。

絮凝：在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团的过程，是一种以物理的集合为主的过程。

●如何从一个菌种得到另一个菌种（如从生产菌种获得缺陷型）：

①诱变剂处理：采用辐射、化学试剂等因素处理细菌。②淘汰野生型：抗生素法或菌丝过滤法。

③检出缺陷型：用一个培养皿即可检出，有夹层培养法和限量补充培养法；在不同培养皿上分别进行对照和检出的有逐个捡出法和影印检出法。④鉴定缺陷型：可借生长谱法进行。

●如何从土壤中筛选芽孢杆菌（微生物）？

采样预处理增殖培养纯种分开菌落选择初筛复筛野生菌株性能鉴定（生产性能试验、毒性试验、菌种鉴定）菌种保藏

采样用取样铲，将表层5cm左右的浮土除去，取5-25cm处的土样10～25g，装入事先准准备好的塑料袋内扎好、编号并记录地点、土壤土质、植被名称、时间及其他环境条件。悬液稀释预处理从土壤中分开芽孢杆菌时,由于芽孢具有耐高温特性,100℃很难杀死,要在121℃才能完全死亡。

分开：培养基营养成分、PH、选择性抑制剂；培养：注意温度、PH、氧气需求及培养时间；菌落选择：铺菌法、复印法；复筛：生长速率、底物消耗、产物合成的测定。●菌种保藏原理、常用方法原理：菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可以通过保持培养基营养成分在最低水平，缺氧状态，枯燥和低温，使菌种处于休眠状态，抑制其繁殖能力。常用方法：（1）斜面冰箱保藏法：三个月。（2）石蜡油封存法：六个月。（3）沙土管保藏法：产孢子或芽孢的微生物。（4）真空冷冻枯燥保藏法：需要一定设备，要求比较严格。（5）液氮超低温保藏法：寻常在微生物孢子或营养细胞培养物中参与20%的甘油，将其保存在液氮或-80℃冰箱中，可保藏数年而不死。●培养基主要营养成份及其生理功能

培养基的成分：分为碳源、氮源、生长因子、无机盐及微量元素、水和能源。碳源，细胞及其产物的碳架结构和能量的来源。氮源：主要用于构成菌体细胞物质（如氨基酸、蛋白质、核酸等）和含氮代谢物等的氮素来源。生长因子：微生物代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成。无机盐元素：P、S、Ca、Mg、Na、K、Fe、Cl等。P：核酸、ATP辅酶、代谢中间体的组成成分。在代谢途径的调理方面，起着重要作用。S：蛋白质、辅酶、生物素、谷光甘肽等组成成分。是含硫氨基酸的组成成分和某些辅酶的活性基。Fe：细胞色素、过氧化氢酶的组成成分。Mg、Ca：酶的辅基、激活剂。K、Na：调理渗透压。微量元素：Zn、Co、Mn、Cu等，主要是酶的辅基和激活剂。水分：是营养物质，由于离开水生命活动即中止；参与代谢活动，如水解与合成多糖、蛋白质等均有水参与反应；是环境条件，大量反应需要在水中进行；是细胞物质的连续相。能源：为微生物提供生长代谢所需的能源。微生物根据其生理类群的不同，其能源物质也不同，有时能源物质是独立于碳源之外的。●发酵工业中常用碳源及其优缺点

常用的碳源：糖类、油脂、有机酸、低碳醇、烃类。在特别状况下（如碳源贫乏时），蛋白质水解产物或氨基酸等也可被某些菌种作为碳源使用。

（1）糖类：a：速效碳源，如葡萄糖等。优点：易于利用。缺点：高浓度会造成抑制，利用过程中产酸速度快，使pH下降。但是过多的葡萄糖会过分加速菌体的呼吸，以致影响某些酶的活性，从而抑制微生物的生长和产物的合成。b.长效碳源，如淀粉等，优点是长效，边糖化边利用，不会造成高浓度抑制，且价格较低廉。缺点是增大培养基的粘度且有些微生物不具有淀粉酶和糖化酶，不能利用这类碳源。

（2）油脂:优点是高还原态能源和碳源，同时也是消沫剂。缺点是脂肪的分解利用，可造成有机酸积累，使培养液pH下降。

（3）有机酸盐：如乙酸盐等，也可做速效碳源，缺点是成本较高，利用后pH上升。（4）醇类：如乙醇，低浓度是可被少数微生物作碳源，缺点是成本高。

（5）烃类：石油微生物的碳源，其他微生物一般不能利用。近年来随着石油工业的发展，微生物工业的碳源也有所扩大，一些烃类物质已用于发酵工业中。●如何使培养基有一个适当的PH缓冲能力？

生理酸性、碱性盐和pH缓冲剂的参与和搭配，以使pH值在发酵过程中不易超过一定范围。（在微生物的生长、代谢过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物，如不及时调理，就会抑制甚至杀死其自身，因而在设计培养基时，就要考虑培养基成分对pH的调理能力。

●培养基主要无机盐及其生理功能

P：核酸、ATP辅酶、代谢中间体的组成成分。在代谢途径的调理方面，起着重要作用，有利于糖代谢的进行，能促进微生物的生长。S：蛋白质、辅酶、生物素、谷光甘肽等组成成分。硫存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨基酸的组成成分和某些辅酶的活性基；Fe：细胞色素、过氧化氢酶的组成成分，是菌体有氧氧化必不可少的元素。Mg、Ca：酶的辅基、激活剂。K、Na：调理渗透压。与维持细胞的渗透压有关，是微生物发酵培养基的必要成分。Cl：在一般微生物中不具有营养作用，但对一些噬盐菌来讲是有用的。●开发一个菌株的培养基配方：

1.研究思路与原则：A）先要了解该菌的营养类型和生态类型。B）确定培养基的类型和划定培养条件的范围。C）进行培养基成分与培养条件的选择：(a)要根据供试菌的营养需要，包括生长需要和合成产物的需要。(b)比例范围，如C：N比。(c)培养基物态。(d)pH缓冲能力。(e)培养温度。(f)溶氧。（g）原料价格、来源、加工方式。2.研究方案设计：（A）选择因子与水平，先选因子后选水平（B）选择适合的正交表，或者响应面方法，如爬坡法。（C）填写表格，配制培养基，准备培养条件。（D）建立检验指标与方法。3.操作及本卷须知：摇瓶规格要一致，培养基要确凿。不能染菌。种子液要混匀，加量要确凿。检验结果要确凿。4.计算与分析：确定培养基配方与环境条件控制指标。5.验证试验与适当调整●分批灭菌的简要步骤

分批灭菌的操作要点a)配料：将培养基在配制罐中配好后，通过专用管道输入发酵罐中。b)升温阶段：开动搅拌系统，先用夹套或蛇管预热(尾气开)，当温度升温到90-100℃时，中止搅拌，三路进气，同时三路排气。升温过程应尽可能快一些，以利于营养物质的保持。c)保温阶段：温度达到预定温度后，关小进汽、排汽阀门，依照罐温变化状况调理各路进汽与排汽量，使罐温维持在预定灭菌温度之上1~2度范围内。d)冷却阶段：灭菌时间达到后，关闭所有与发酵罐直接相通的阀门，马上引入无菌空气保压，开搅拌、排气阀，引入冷却水冷却。

●典型空气除菌的工艺流程：

采气前置过滤器空压机储气管冷却器油水分开器加热器总过滤器分过滤器发酵罐

a)采气：高度每上升10米，含菌数下降一个数量级，因此最好采集一定高度的空气。b)前置过滤：除去大颗粒沙土、纤维等杂物，以防损伤空压机。c)空压机：这是一个空气驱动设备，需要的能耗很大。d)储气罐：消除往复式空压机产生的气流脉冲。e)冷却器：空气经冷却后才能通入发酵罐。

f)油水分开器：冷却后的空气温度低于漏点后，即有水滴析出。g)加热器：通过加温使相对湿度降下来。h)总过滤器：为过滤除菌的主要设备，

i)分过滤器：为了保险起见，还要进行一次过滤。则空气的无菌度、温度、湿度即可达到要求。●常用的灭菌方法及其适应性如何

（1）化学灭菌：一些化学药剂能使微生物中的蛋白质、酶及核酸发生反应而具有杀菌作用。常用的化学药剂有甲醛、氯、高锰酸钾等。化学灭菌法不用于培养基的灭菌。但染菌后的培养基可以用化学药剂处理。（2）射线灭菌：利用紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的γ射线进行灭菌的方法。最但紫外线的穿透力低，所以仅用于表面消毒和空气的消毒。微波灭菌设备的兴起，为灭菌提供了新的选择。

（3）干热灭菌：干热灭菌常用的干热条件为在160℃下保温1h：干热灭菌不如湿热灭菌有效。一些要求保持枯燥的试验器具和材料(如培养皿、接种针等)可以用于热灭菌，

（4）湿热灭菌：湿热灭菌即利用饱和水蒸气进行灭菌。简单使蛋白质凝固而杀火各种微生物，同时，蒸汽的价格低廉，来源便利，灭菌效果可靠。所以培养基灭菌、发酵设备及管道的灭菌，普遍采用湿热灭菌。（5）过滤除菌：过滤除菌即利用过滤方法截留微生物，达到除菌的目的。只适用于澄清流体的除菌。

●如何判断菌种的质量。

A）pH；B)菌体形态（染色镜检：形态均一，染色均一，深色较健康。如：酵母菌，丝状真菌边缘的光滑完整程度，假使在液态培养中假使分支较多则比较健康）、浓度（需要在小的范围内波动）；C)培养基外观、气味（凭经验来看）；D)产物含量、酶活力；E)无杂菌●生长关联型、部分生长关联型、非生长关联型发酵

（1）生长关联型：产物生成与菌体生长之间有平行的准量关系。产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。氯霉素、杆菌肽等次级代谢产物的发酵也属此类。（2）部分生长关联型：菌体生长出现两个高峰，第一个生长高峰与产物合成无平行的准量关系，其次个生长高峰与产物合成有平行的准量关系。这类产品有丙酮丁醇、丙酸、延胡索酸、谷氨酸等。

（3）非生长关联型：细胞生长与产物合成无平行的准量关系，只与菌体的总量有关。产物的形成和初级代谢是分开的。大部分次级代谢产物属于这一类。如多数抗生素、色素、毒素、超量分泌的维生素等。●分批发酵、补料分批发酵、连续发酵

分批发酵：指在一封闭培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再参与任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。

优点：(1)操作简单、操作引起染菌的概率低；(2)设备一次性投资低；(3)一般不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：(1)产物浓度低、提取浓缩比例大，耗能多；(2)非生产时间较长、设备利用率低。

发酵过程从移种后开始，一般分为：延滞期、对数期、稳定期及衰亡期，也有分为：中止期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期，一般发酵不允许进入衰亡期。分批发酵的分类对实践的指导意义：假使生产的产品是生长关联型，则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；假使产品是非生长关联型，则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长稳定期，以提高产量。

补料分批发酵：是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，但不取出发酵液。优点：(1)使发酵系统中维持很低的基质浓度，节气及搅拌；(2)和连续发酵比无菌条件要求较低；(3)与连续发酵比较少有菌种老化和变异等问题；(4)产物浓度高，浓缩比小，提取成本低。

缺点：(1)存在一定的非生产时间；(2)和分批发酵比，流加新鲜培养基增加了染菌的概率；(3)后期维持高供氧率会明显增加发酵成本。连续发酵：是培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的一致体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态下生长的发酵方式。

优点：(1)能维持低基质浓度；(2)可以提高设备利用率和单位时间的产量；(3)便于自动控制。

缺点：(1)菌种发生变异的可能性较大；(2)要求严格的无菌条件；(3)发酵液中产物浓度低，浓缩比大。●泡沫如何控制：

(1)预防泡沫的形成：A选择不产泡沫的培养基成分；B选择适合的灭菌条件；C选育不产泡沫的菌株；(2)控制泡沫的方法：A机械消沫：钉、耙、离心式消沫器；B消沫剂消沫；

溶氧不足如何处理

●溶氧浓度对发酵的影响：1、厌氧发酵：溶氧浓度>0，有害；以无机或有机氧化物作为呼吸链的电子最终受体。2、好氧发酵：一定的溶氧浓度是必需的；以氧气作为呼吸链的电子最终受体。当dc/dt0.01mol／L时，浓度再增加，交换速度就增加得较慢当浓度再继续增加，交换速度达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散控制。●如何选择适合的萃取溶剂：（1）要选择分派系数大的溶剂；（2）利用相像相容的特性，选择对欲提溶质选择性溶解的萃取溶剂；（3）要最大限度的分开欲提溶质和杂质，则是分开因素（β）越大越好；（4）要得到好的分开效果，不仅要求分开因素β高，还要求原溶剂和溶剂互溶性小，最好为互不相容；（5）原溶剂和溶剂互溶性小，最好为互不相容；（6）不产生乳化现象。（7）溶剂的毒性要低，溶剂可分为低毒性；中等毒性；强毒性。（8）防火防爆，闪点高，安全性好；（9）价廉易得。●常见超临界萃取工艺原理？超临界萃取典型过程是由萃取阶段和分开阶段组合而成。在萃取阶段，超临界流体将所需组分从原料中提取出来。在分开阶段，通过变化某个参数或其他方法，使萃取组分从超临界流体中分开出来，并使萃取剂循环使用。可以把超临界萃取的典型过程分为三类：等温法、等压法和吸附吸收法。（1）等温法：通过变化压力而使萃取组分从超临界流体中分开出来；（2）等压法：利用温度的变化来实现溶质与萃取剂的分开；（3）吸附法：采用可吸附溶质而不吸附萃取剂的吸附剂使两者分开。●柱色层分开的装置及其操作：装置有：蠕动泵、层析柱、检测器和部分收集器。操作：装柱、加样、洗脱。A.蠕动泵：增加层析柱中的压力，使滚动相有一个较大且均匀的流速。B.层析柱：寻常用玻璃柱或带有玻璃观测窗的金属柱。柱的入口端应有进料分布头；柱底端有支持固定相的玻璃棉或砂孔玻璃板；高径比为20～30；出口管应尽量短。C.装柱：将层析剂与不超过层析剂用量的一份缓冲液调成浆料，然后将浆料渐渐边加边搅拌，一次加完。D．加样：样品首先需用装柱用的缓冲液平衡，除去柱上部过多的缓冲液，使液面刚达到床层顶面，然后关上出口阀，将样品沿柱壁缓慢铺在床层顶面，开启出口阀，使样品进入顶面，再用缓冲液洗涤上部柱壁，使层析面上保存1～2cm缓冲液，连接柱进口，开始进行洗脱。E.洗脱：开始可以先用缓冲液洗涤层析柱，去除一些未被结合的杂质。洗脱方法：（1）恒定洗脱法；（2）逐次洗脱法；（3）梯度洗脱法；F.检测器：通过检测器连续监测层析柱底出口处液体中各组分的物理－化学特性。G.部分收集器：滴数式、容量式、重量式等。

●通用式发酵罐的主要结构部件及其功能：主要部件包括罐身、搅