发酵工程复习

1发酵工程：采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种技术。其研究内容包括菌种选育、培养基的配置、灭菌、种子扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯（生物分离工程）等方面。2种子扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。3菌种衰退：菌种经过长期人工培养或保藏，由于自发突变的作用而引起某些优良特性变弱或消失的现象。4前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。5促进剂：是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后可以影响微生物的正常代谢，促进中间代谢物的积累，或提高次级代谢产物的产量。6微生物代谢的控制：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。7生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。8发酵热：所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。9搅拌热：在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关。10分批培养：简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。11补料分批培养(发酵）：在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。12比耗氧速度：单位时间内单位体积重量的菌体细胞所消耗的氧气。13菌体比生长速率：单位时间单位质量的菌体所增加的菌体量。它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。14淀粉的糊化：淀粉颗粒由于受热膨胀、晶体结构消失，变成糊状液体的现象，称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。15淀粉的糖化：以酸或酶为催化剂，在一定温度下使淀粉水解为葡萄糖等可发酵性糖的过程。16过滤效率：就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤器过滤能力的指标。17染菌率：总染菌率指一年发酵染菌的批（次）数与总投料批（次）数之比的百分率。1空气除菌的方法主要有（辐射灭菌）、（加热灭菌）、（静电除菌）、（介质过滤）。2固态发酵的温度控制主要是靠控制（进窖温度）和（淀粉含量）来解决。3现代发酵工业要研究的主要内容就是通过改变（培养条件）和（遗传特性），使微生物的代谢途径改变或代谢调节失控而获得某一发酵产物的过量产生。4空气介质过滤除菌的机理是（直接拦截）、（惯性撞击）、（扩散拦截）、（重力沉降）、（静电吸引）。5按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化的关系，可以把发酵分为（生长关联型）、（部分生长关联型）、（非生长关联型）。6原料的预处理包括（原料除杂）、（原料的粉碎）、（原料的输送）。7按照发酵进行的过程可以把发酵分为（分批发酵）、（补料分批发酵）、（连续发酵）。1．发酵工程发展的历史：一传统的微生物发酵技术——天然发酵二纯培养技术的建立——纯种发酵三深层培养技术——通风发酵四微生物工程——代谢调控发酵，基因工程重组发酵2．发酵工程需要解决的关键技术问题及其工程学意义是什么？（1）需要解决的关键技术问题：微生物能够积累最大目的产物（产量）的条件是什么？——高产量底物最多被微生物转化为产物（转化率）的条件是什么——高转化率微生物最快速度发酵生产目的产物（生产强度）的条件是什么——高生产强度（2）解决这些问题的工程学意义在于：高产量便于产品分离提取高转化率降低原料成本高生产强度缩短生产周期3．为什么野生型的菌株通常不能被称之为细胞工厂？野生型菌株代谢速率和产物积累浓度低；野生型菌株的代谢产物往往是多种产品的混合物，直接用于工业生产时产品分离难度较大;野生型菌株主要依靠自然进化，速度慢，随机性强，不适合用于工业生产;多数微生物底物谱较窄，而生物质成分复杂，难以被一种微生物全部利用。4.发酵生产中的种子需要满足什么条件？菌种细胞的生长活力强，移种至发酵罐后能迅速生长，延滞期短；生理形状稳定；菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；无杂菌污染；保持稳定的生产能力。5.代谢工程研究的设计思路有哪些？基本思想：根据已有的遗传和生化知识，找出限速步骤，进行遗传操作，定向地改造微生物的自然能力。具体设计的思路有：1）改变代谢途径增强催化某反应的酶的表达量或活性，从而提高代谢流；在有竞争途径（如分支代谢途径）存在时，阻断有害的或无关的竞争代谢途径代谢产物的合成，从而达到改变代谢流，提高目标产物产量的目的。2）扩展代谢途径通过基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代谢途径进一步向前或向后延伸，从而可利用新的原料用于合成目标产物或产生新的末端代谢产物。3）构建新的代谢途径构建新的代谢途径一般指引入外源基因（簇）来改造和修饰代谢网络，使细胞从不能合成某种代谢产物转变为能合成此代谢产物。6.代谢工程的基本思想和目标是什么？基本思想：根据已有的遗传和生化知识，找出限速步骤，进行遗传操作，定向地改造微生物的自然能力。目标：拓展底物利用能力和范围;引入新的合成途径，或延伸已有途径;减少副产物形成；提高产量、产率和生产强度；改善细胞生理功能。7.微生物发酵中原料选择的原则：原料价格低廉；因地制宜，就地取材；原料资源要丰富，容易收集；原料要容易贮藏；对人体无害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含；适合微生物的需要和吸收利用;对生产中除发酵以外的其他方面，如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少。8.为什么要进行原料预处理？原料预处理的方法有哪些？预处理的必要性：发酵工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序生产的正常和顺利进行。为保证后续工序生产的正常和顺利进行，还需对原料进行适当加工。为保证生产环境的清洁，必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。预处理的方法：原料除杂原料的粉碎原料的输送9.发酵培养基应包括哪些组成成分？能源物质碳源物质氮源物质无机盐和微量元素缓冲剂前体促进剂和抑制剂水分10.连续灭菌的优缺点:优点:保留较多的营养；容易放大；较易自动控制；糖受蒸汽的影响较少；缩短灭菌周期；在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；发酵罐利用率高；蒸汽负荷均匀。缺点:设备比较复杂，投资较大。11.分批灭菌的优缺点优点：设备投资较少染菌的危险性较小人工操作较方便对培养基中固体物质含量较多时更为适宜缺点：灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。12.工业上防治杂菌污染的具体措施有哪些？1）使用的培养基和设备须经灭菌；2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理；3）设备应严密，发酵罐维持正压环境；4）培养过程中加入的物料应经过灭菌；5）使用无污染的纯粹种子。13.发酵过程中夹杂其它杂菌会造成哪些不良影响？生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难;杂菌会降解目的产物；杂菌会污染最终产品；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。14.发酵工艺条件控制的目的是什么？需要控制哪些主要条件？发酵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。需要控制的主要条件包括：温度、pH、氧、CO2、泡沫、补料控制等。15.泡沫对发酵有哪些不利影响？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提取工序带来困难16.pH值如何影响微生物的生长繁殖和产物合成？pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH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，使代谢产物的质量和比例发生改变17.温度如何影响发酵？影响细胞生长影响产物形成影响发酵液的物理性质影响生物合成方向18.连续发酵的优缺点。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。19.培养基采用高温短时灭菌的基本原理。（1）实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即：NkdtdNtKNN0lnN：任一时刻的活细菌浓度（个/L）t：时间（min）K：比热死速率常数（min-1）。K值越大微生物越容易死亡一定温度下，不同微生物有不同的的比热死速率常数K随着温度的变化，比热死速率常数K有较大的变化（2）当温度超过120˚C时，热阻极强的嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的热杀灭动力学也接近对数死亡动力学即符合一级反应规律。（3）微生物及营养物质的比热死灭速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征RTEeAK/两边取对数得到：AKRTElnlnA：比例常数（min-1）ΔE：杀死微生物所需的活化能（J/mol）T：绝对温度R：通用气体常数[J/（mol.k）]从阿累尼乌斯可以推断活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，反应的ΔE越高，K对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大。芽孢的活化能ΔE远远大于营养物质的活化能。将温度提高到一定程度，会加速细菌芽孢的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少，所以在培养基灭菌的过程中通常会考虑选择使用高温短时灭菌。20.按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化可以把发酵分为三种类型：第一类型（生长相关型）第二类型（部分生长关联型）第三类型（非生长关联型）发酵过程优化的一般原则