8-16章思考题答案

第八章发酵过程1，发酵过程的定义发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，还包括固定化细胞的反应过程，生物法废水处理过程和细胞采矿等过程。2，为何要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、PH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时，为掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、PH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。3，发酵过程的主要控制参数主要分为哪三大类物理参数（温度、压力、搅拌速度、搅拌功率、空气流量、粘度、浊度）化学参数（PH、基质浓度、溶解氧（DO）浓度、氧化还原电位、产物浓度、尾气O2浓度和CO2浓度、其它参数）生物参数（菌（丝）体浓度）4，发酵过程中通常测定的参数有哪些目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌速度、PH、溶氧、基质浓度、菌体浓度（干重、离心压缩细胞体积）等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等。5，发酵过程中参数测定的方法有哪两种在线测定取样测定（离线测定）6，简述发酵过程的代谢变化规律。为什么要了解这一规律。代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数(培养基、培养条件等)和产物形成速率三者间的关系。了解生产菌种在具有合适的培养基、PH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。7，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的定义。对这三种发酵方式进行比较。分批发酵：是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制PH的酸或碱外，不再加入任何其他物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。特点：微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理、化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。优点：操作简单，操作引起的染菌概率低，不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：非生产时期较长，设备利用率低。补料分批发酵：又称半连续发酵或流加分批发酵，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。优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比，不需要严格的无菌条件，不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：存在一定的非生产时间，和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。连续发酵：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品相同的体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的PH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。优点：能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点：菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。8，按照产物生成与菌体生长是否同步，可将分批发酵分为哪两种类型，并用公式进行表述。这种分类方法对实际生产有何指导意义生长关联型（第一类型）和生长无关联型（第二、三类型）生长关联型：产物的形成与生长有关，如酒精、某些酶。QP=YP/x·μQP——产物形成比速率（g/h·L）YP/x——菌体生长为基准的产物的率（g/g）μ——比生长速率（h-1）生长无关联型：产物的形成速率与生长无关，只与细胞的积累量有关。如，抗生素。dP/dt=βXβ:比例常数dP/dt：产物合成速度（g/L·h）X：菌体浓度（g/L）从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（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；如果产品是非生长关联型（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。9，代谢变化、代谢曲线代谢变化就是反应发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者的关系。代谢变化是反应发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养调节等）和产物形成速率三者之间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。10，温度对发酵过程有何影响？影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向11，pH值对发酵过程有何影响？影响酶的活性影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解PH不同，往往引起菌体代谢过程的不同12，简述发酵过程中引起pH下降和上升的因素引起PH下降的因素：碳源过量；消泡油添加过量；生理酸性物质的存在引起PH上升的因素：氮源过多；生理碱性物质的存在；中间补料，碱性物质添加过多13，发酵过程中pH的控制方式。调节基础培养基的配方：调节碳氮比（C/N）；添加缓冲剂。补料控制：直接加酸加碱；补加碳源或氮源。14，发酵过程中泡沫产生的原因由外界引起的气流被机械的分散形成（通风、搅拌）发酵过程中产生的气体聚结形成（发泡性物质）15，发酵过程中泡沫的产生有何不利的影响降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后踢去工序带来困难16，在发酵过程中影响泡沫稳定性的因素有哪些通气与搅拌的强度培养基的配比以及原材料的组成培养基的破坏程度接种量的大小培养液本身性质的变化培养基灭菌的方法和操作染菌17，发酵过程中泡沫控制的方法。物理消沫法（包括罐内消沫法和罐外消沫法）化学消沫法18，化学消泡的机理。当泡沫的表层存在着由极性表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲，或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。19，发酵过程中补料控制的目的，所补的物料包括哪些类型，补料的原则及控制策略补料控制目的：解除基质过浓的抑制；解除产物的反馈抑制；解除葡萄糖分解代谢阻遏效应所补物料包括的类型：补充微生物能源和碳源的需要补充菌体所需要的氮源补充微量元素和无机盐补料的原则：制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展；为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。控制策略大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质—以经验数据或预测数据控制流加；—以PH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；—以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流浃；—用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。20，临界氧浓度临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。21，请叙述发酵过程中溶解氧的一般变化规律。发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧量明显下降。发酵中后期：溶氧浓度明显的受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显的上升。22，二氧化碳对发酵的影响及其机理，发酵过程如何控制二氧化碳CO2对发酵的影响：CO2对菌体有抑制作用，当排气中的CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中的CO2浓度达到1.6*10-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。CO2对发酵也有影响：对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含有5%的CO2对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡机理：CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；HCO3-影响细胞膜的膜蛋白CO2的控制：CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。她的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度，发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。23，发酵过程的基本自控系统包括哪些前馈控制（feedforwardcontrol）后（反）馈抑制（feedbackcontrol）自适应控制（adaptivecontrol）24，发酵动力学的定义，研究发酵动力学的目的。发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。目的：通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理、化学因素的影响，为调控提供依据）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；控制发酵流程，甚至用计算机来进行控制25，研究发酵动力学方法有哪两种？宏观处理法：—结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）—非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）质量平衡法（根据质量守恒定律）物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成速度—物质在系统中消耗的速度26，简述Monod方程与米氏方程的区别与联系。根据实验结果计算Monod方程的参数Monod方程与米氏方程的区别与联系：Monod方程是对实验现象的总结，是经验方程米氏方程是根据酶反应极力推导得出，是机理方程Monod方程与米氏方程的相似性根据实验结果计算Monod方程的参数双倒数法，线性回归，求得和27，恒化器和恒浊器的定义。恒化器：以某种必须营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培养液中限制性底物浓度保持恒定。恒浊器：通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度。28，在连续培养过程中，其实际结果为何会和理论推导的结果发生偏差限制性基质为碳源时，部分消耗的碳源作为能量供生命活动，X偏低；N,S为限制性基质，D较小时会积累多糖，脂肪等，X偏高；Mg，P，K为限制性基质时，同上，但细胞内这些物质下降，YX/S增大，细胞浓度偏高；复合培养基时，情况复杂，随着μ变化，限制性基质会改变，X下降。29，宏观产率系数是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，i表示菌体或产物，j表示底物。例如，菌体对底物的产率系数可以表示为YX/S=30，理论代谢产物产率的计算假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率YP/Stheor根据化学计量关系计算由生物化学计量关系计算31，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵动力学方程的推导32，研究连续培养动力学有何用途确定最佳啊培养条件富集，选育特殊形状菌种：①建立选择性的培养环境；②生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。第九章厌氧发酵设备1、酒精发酵设备的基本要求满足酒精发酵的工艺要求；满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。将发酵的热量及时移走；有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题2、酒精发酵罐的冷却装置有哪三种形式？中小型发酵罐多采用灌顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却。大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。此外，也有采用罐外列管式喷淋冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。3、微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向周围散失的热损失Q3等三部分热量组成。即：Q=Q1-(Q2+Q3)1)Q1的估算2)对数平均温度差的计算4、酒精发酵罐罐数的计算5、