发酵工程与设备习题答案

第一章1．简述发酵工程的概念及其主要内容。发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是应用生物学、化学和工程技术学的原理，大规模（工厂化）培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。发酵工程可分为上游工程、中游工程和下游工程。生产微生物细胞（或生物量）；生产微生物的酶；生产微生物的代谢产物；生产基因重组产物；将一个化合物经过发酵改造其化学结构——生物转化。2.什么叫次级代谢产物？次级代谢产物是微生物在哪些生长时期形成的？其与初级代谢产物有什么关系？以初级代谢产物为原料通过次级代谢合成的，对自身无明确生理作用的代谢产物叫次级代谢产物。关系：先产生初级代谢产物，后产生次级代谢产物；初级代谢是次级代谢的基础；次级代谢是初级代谢在特定前提下的继续与发展。3.发酵过程有哪些组成部分？用于菌种扩大培养和发酵生产用的培养基配方；培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌；足量的高活性、纯培养的接种物；在适宜条件的发酵罐中培养菌体生产产物；产物的提取和纯化；生产过程的废物的处理。第二章1.发酵工程菌株的选育方法有哪些？各有何特点？自然选育：自发突变率低，变异程度较轻微，变异过程十分缓慢；自发突变不定向，负向变异可能性大，正向变异可能性小诱变育种：方法简单，快速，收效显著。原生质体融合：打破种属间的界限，提高重组频率，扩大重组幅度。杂交育种：使不同菌株的优良性状集中在重组体中，扩大变异范围，具有更强的方向性和目的性。基因工程育种：按人们的愿望使生物体的遗传性状发生定向变异。2.发酵工程对菌种有何要求？菌种的分离和筛选基本流程是怎样的？要求：能大量高效合成产物；发酵培养基原料廉价；培养条件容易控制；易于液中提取产物；不易污染其它杂菌和噬菌体；无毒无害；性能稳定，不易退化3.菌种退化的主要表现，并分析原因和防治的方法。表现：菌种的退化可以是形态上的，也可以是生理上的，如原有细胞形态性状变得不典型，菌种生长速度变慢，产生的孢子变少，代谢产物生产能力下降等。原因：一是菌种保藏不当；二是菌种生长的要求没有得到满足。方法：1）减少传代次数；2）创造良好的培养条件；3）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；4）采用有效的菌种保藏方法；最有效的方法是菌种复壮，具体是采用纯种分离技术选出优良菌株；寄生性菌株通过在寄主体内生长恢复寄生性；淘汰衰退的个体。4.说明菌种保藏的基本原理和方法，并指出国内的菌种的主要保藏机构。原理：根据菌种特性，创造有利于其休眠的环境（如干燥、低温、缺氧、缺乏营养、加保护剂等）保存孢子、芽孢等的休眠体。方法：斜面低温保藏法；液体石蜡封存保藏法；砂土管保藏法；悬液保藏法；真空冷冻干燥保藏法；低温保藏法；液氮超低温保藏法。CGMCC普通微生物菌种保藏管理中心CCTCC中国典型培养物保藏中心ACCC中国农业微生物菌种保藏管理中心AS-IV中国科学院武汉病毒研究所CFCC中国林业微生物菌种保藏管理中心CICC中国工业微生物菌种保藏管理中心CMCC中国医学细菌保藏管理中心CVCC兽医微生物菌种保藏管理中心GIMCC广东省微生物研究所微生物菌种保藏中心SH上海市农业科学院食用菌研究所BCRC台湾生物资源保存及研究中心5.常用的工业微生物种类有哪些？每种举3个典型代表并说明其主要发酵产品。细菌:枯草芽孢杆菌；乳酸杆菌；醋酸杆菌；棒状杆菌；短杆菌。淀粉酶；蛋白酶；乳酸；氨基酸；肌苷酸放线菌：常用的放线菌：链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。能产生多种抗生素。如链霉素、红霉素、金霉素、庆大霉素等酵母菌：啤酒酵母；假丝酵母；类酵母；酿酒；面包；低凝固点石油；脂肪酶；酵母菌体蛋白霉菌：根霉、毛霉、犁头霉，红曲霉，曲霉、青霉，酶制剂；抗生素；有机酸；甾体激素等6.采取什么方法能够分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物？(1)取样：从苯含量较高的环境中采集土样或水样；(1)配制培养基，制备平板：一种仅以苯作为唯一碳源(A)，另一种不含任何碳源作为对照(B)；(3)稀释：将样品适当稀释(十倍稀释法)，涂布入平板；(4)培养：将平板置于适当温度条件下培养，观察是否有菌落产生；(5)选择培养：将A平板上的菌落编号并分别转接至B平板，置于相同温度条件下培养(在B平板上生长的菌落是可利用空气中CO2的自养型微生物)；(6)筛选培养：挑取在A乎板上生长而不在B平板上生长的菌落，在一个新的A平板上划线、培养．获得单菌落，初步确定为可利用苯作为碳源和能源的微生物纯培养物；(7)将初步确定的目标菌株转接至以苯作为惟一碳源的液体培养基中进行摇瓶发酵实验，利用相应化学分析方法定量分析该菌株分解利用苯的情况。第三章1.简要说明工业发酵培养基的选择依据。①满足产物最经济的合成。②发酵后所形成的副产物尽可能的少。③培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。④应能满足总体工艺的要求，如不影响通气、提取、纯化及废物处理等。2．发酵过程中泡沫形成的原因是什么？有何危害？如何消除泡沫？原因：与培养基的组分或微生物产生的一些因子有关，主要是培养基中的蛋白质在气液界面处形成稳定薄膜所致。泡沫会导致培养基中的细胞逃逸进而自溶，释放出胞内蛋白，进一步增加泡沫的稳定性。危害：①导致发酵罐工作容积减小；②传质传热速率降低；③干扰传感器使发酵过程的监控失效；④空气过滤器受潮易污染杂菌；⑤发酵液逃逸导致产物损失。消泡沫方法：①改用合成培养基，改进某些物理参数（如pH、温度、通风和搅拌）；②利用机械消泡器；③利用消泡剂（会降低传氧速率）。3.种子培养基和发酵培养基有何异同？①种子培养基的糖分较少，氮源较多②种子培养基应和发酵培养基成分相近③对于连续发酵，种子培养基和发酵培养基应当相同④对抗生素发酵，种子培养基应含有充足的碳源和氮源4.在设计某一发酵培养基时应当了解哪些知识？①根据前人的经验和培养基成分确定一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；③培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法第四章1.什么叫对数残留定律？在应用对数残留定律进行培养基灭菌工艺条件计算是灭菌度一般选多少？对数残留定律：培养基中的微生物受热的死亡速率与残存的微生物数量成正比，即通常生产中取培养基的灭菌要求即灭菌度为N=10-3个/罐2.选用什么灭菌工艺条件既能达到灭菌要求，又能减少营养物质的破坏。为什么？连续灭菌。高温短时，当灭菌温度上升时，微生物杀灭速度的上升，超过培养及成分的速度，根据这一理论，培养基灭菌采用高温短时间的方法，以减少营养成分的破碎，营养成分虽因温度增加，破坏也增加，但因灭菌温度大为缩短，总的破坏量因此减少。3.过滤除菌的机理有哪些？纤维介质过滤除菌起作用的是哪几个机理？①惯性作用；②扩散作用；③静电吸附；④拦截作用1惯性冲击（捕集）作用2拦截捕集作用3扩散作用4重力沉降作用5静电吸引作用4.一台连续灭菌器的灭菌温度是129.5℃，要求在40min内对30m3的培养基进行灭菌,培养基的原始污染度是105个菌/cm3,要求灭菌后30m3培养基中只有一个菌，试计算灭菌时间应为多长（已知129.5℃下枯草杆菌芽孢比热死速率常数是28.7min-1）。解：根据对数残留定律kNdtdN5.某发酵罐的通风量为103/min，发酵周期100h，要求倒罐率为0.1%，原始空气含菌量为5000个/m3，试计算过滤器过滤介质的厚度（选用直径为16μm的棉花纤维，当空气的流速为0.1m/s时过滤常数是0.135cm-1）。第五章1．单细胞微生物分批培养过程分为哪几个时期？各个时期的比生长速率分别是多少？细胞生长可分为迟滞期、加速期、对数生长期、减速期、稳定生长期和衰亡期6个阶段。①迟滞期，将少量的单细胞接种到一定体积的固定培养基中，开始阶段细胞并不分裂，细胞数目不增加这一阶段称为迟滞期。②.加速期，经过迟滞期后，细胞开始大量繁殖，进入一个短暂的加速期并很快到达对数生长期。③对数生长期，微生物经过迟滞期的调整后，进入快速生长阶段，使细胞数目和菌体质量的增长随培养时间成直线上升，这一时期称为对数生长期。④.减速期，分批培养中，微生物群体不会长时间保持指数增长这是由于营养物质的缺乏代谢产物的积累，从而导致生长速率下降。进入减速期⑤稳定生长期，微生物在对数生长后期，随着基质的消耗，即当限制性基质浓度S=Ks时，基质则不能支持微生物的下一集细胞分裂。⑥.衰亡期，稳定生长期后，随着基质的严重缺乏，代谢产物得更多积累，细胞的能量储备消耗完毕以及环境条件的恶劣变化使细胞生长进入衰亡期。2.何为分批式培养与发酵、连续式培养与发酵、分批补液式培养与发酵？试比较三者的优缺点及其在发酵工业中的应用情况。分批培养与发酵法：采用单罐液体深层发酵法，即液体培养基一次性投入发酵罐，灭菌、冷却、接种后，进行一次性培养与发酵，最后一次性收获的培养与发酵的方法。连续培养：指在以一定的速度向发酵罐内连续供给新鲜培养基，同时以相同速度将培养液从发酵罐内放出，从而使发酵罐内液体量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长和进行代谢活动的方法。优点：恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的。避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐等各种操作，有利于提高生产率。发酵产品质量稳定。便于自动控制。缺点：菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合。分批补料培养；指在分批式培养液体深层培养至中后期时，通过间歇或连续向发酵罐中补加灭菌的新鲜液体培养基，增加发酵液的总量，以维持较高的发酵产物的增长幅度最后一次性收获的发酵方式。与分批培养方式比较①.可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；②.对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率；③.微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；并可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研究。与连续培养方式比较①不需要严格的无菌条件；②2.不会产生微生物菌种的老化和变异；③.最终产物浓度较高，有利于产物的分离；④.使用范围广3.何谓Monod方程？简述Monod方程的指导意义、试用范围以及在可逆性抑制剂作用下主要参数变化。Monod方程——菌体生长比速μ与限制性基质浓度S的关系方程（见课本）4．在分批式培养与发酵中，根据产物生成与微生物生长和基质消耗的关系，发酵动力学模型有哪些？这些动力学模型对发酵生产实践有什么指导意义？根据产物生成与微生物生长和基质消耗之间的关系，Gaden(1959)将分批发酵产物生成动力学类型分为生长偶联型、非生长偶联型和部分生长偶联型。如果生产的产品是生长偶联型（如菌体与初级代谢产物），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；如果产品是非生长偶联型（如次级代谢产物），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平衡期，以提高产量。5.连续式培养发酵有哪些？在开放式单级均匀混合非循环连续培养与发酵系统中，写出稀释度（D）与限制性营养物浓度（S）以及细胞浓度（x）的动力学的数学表达式，绘出稀释度（D）对限制性营养物浓度（S）、细胞浓度（x）、细胞生长速率（D·x）、倍增时间（td）影响的动力学曲线并讨论其意义。开放式与封闭式连续培养与发酵；单级(罐)式与多级(罐)式连续培养与发酵均匀混合型与非均匀混合型连续培养与发酵；循环式与非循环式连续培养与发酵6.以生物素为限制性基质，当北京棒杆菌的比生长速率是0.036h-1时，生物素的浓度应该是多少？已知该菌对生物素的最大比生长速率是0.2h-1，饱和常数是0.40μg/L。（自己计算）第六章1、发酵罐应满足哪些基本要求？