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、发酵产品的分离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：是许多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，分离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，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。●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，使它们互相凝集，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：某些化合物加入发酵培养基中，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加入而有较大的提高。●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灭菌结束时残留菌数。●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宜的，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，第二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---纯种分离---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10～25

g，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离芽孢杆菌时,由于芽孢具有耐高温特性,100℃很难杀死,要在121℃才能彻底死亡。分离：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，干燥和低温，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）真空冷冻干燥保藏法：需要一定设备，要求比较严格。（5）液氮超低温保藏法：通常在微生物孢子或营养细胞培养物中加入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。在代谢途径的调节方面，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：调节渗透压。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，因为离开水生命活动即停止；参与代谢活动，如水解与合成多糖、蛋白质等均有水参加反应；是环境条件，许多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。在特殊情况下（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，且价格较便宜。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缓冲剂的加入和搭配，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，如不及时调节，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的调节能力。●影响离子交换速度的因素有哪些，这些因素是如何影响的？颗粒大小：颗粒减小有利于交换速度的提高；交联度：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就越容易。温度：随着温度的升高离子交速度提高；离子的化合价：离子的化合价越高，离子与树脂骨架之间的库伦引力越大，因此扩散速度就愈小；离子的大小：小离子与树脂骨架的碰撞较少，交换速度比较快；搅拌速度：当液膜控制时，一定范围内增加搅拌速度会使交换速度增加；溶液浓度：当C<0.001mol／L时一般为外扩散控制；当0.001mol／L<C<0.01mol／L时，浓度增加时，交换速度也按比例增加；当C>0.01mol／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。●如何选择合适的萃取溶剂：（1）要选择分配系数大的溶剂；（2）利用相似相容的特性，选择对欲提溶质选择性溶解的萃取溶剂；（3）要最大限度的分离欲提溶质和杂质，则是分离因素（β）越大越好；（4）要得到好的分离效果，不仅要求分离因素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离阶段组合而成。在萃取阶段，超临界流体将所需组分从原料中提取出来。在分离阶段，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离出来，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离出来；（2）等压法：利用温度的变化来实现溶质与萃取剂的分离；（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离。●柱色层分离的装置及其操作：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，使流动相有一个较大且均匀的流速。B.层析柱：通常用玻璃柱或带有玻璃观察窗的金属柱。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，然后将浆料慢慢边加边搅拌，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，打开出口阀，使样品进入顶面，再用缓冲液洗涤上部柱壁，使层析面上保留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、搅拌器、挡板、轴封、消泡器、联轴器、轴承、变速装置、空气分布器、冷却装置、人孔及灯、视镜等。搅拌器：打碎气泡，推动发酵液翻腾，促使发酵液各组分均匀分布（轴向），提高氧气传质速率，增加溶氧浓度（径向）。挡板：是防止液面中央产生漩涡，促使发酵液激烈翻动，提高溶氧。消泡器：在发酵罐内消除泡沫。联轴器及轴承联轴器：搅拌轴若过长，可分成2、3节，因此需要联轴器。轴承：罐外援轴承，可用滚动轴承，可以加油润滑。为了减少震动，大中型发酵罐还应装有可调节的中间轴承，它不能加润滑油，需要磨合轴承。变速装置：发酵罐的转速一般在80—160r/min，小罐也不超过300r/min，因此要变速。轴封：轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。发酵罐的换热装置包括夹套式换热装置、竖式蛇管换热装置、竖式列管（排管）换热装置。●分批灭菌、连续灭菌的时间计算（K值已给）：就是保温时间。例：采用一台连续灭菌设备为50m3的发酵罐制备无菌培养基36m3，培养基污染度为106个菌/ml，要求灭菌度Ns=10-3个/罐，灭菌温度为398K，查图得此时的反应速度常数K=11min-1，灭菌时培养液流量(v)为18