發(fā)酵工藝學課后題

1、第一章按照現(xiàn)代觀點，發(fā)酵的定義是什么？ 通過微生物的生長代謝活動，產(chǎn)生和積累人們所需代謝產(chǎn)物的一切微生物培養(yǎng)過程通稱為發(fā)酵。歷史上哪位科學家闡明了發(fā)酵的化學本質(zhì)，按照他的觀點，發(fā)酵的化學本質(zhì)是什么？1897年巴克納（Buchner）闡明了微生物發(fā)酵的化學反映本質(zhì)，證明了乙醇發(fā)酵是酵母細胞中的酶催化了 一系列化學反應的結(jié)果。按發(fā)酵類型可將微生物發(fā)酵產(chǎn)品分為哪幾類？以微生物菌體 為產(chǎn)品的微生物發(fā)酵；以 酶制劑和酶調(diào)節(jié)劑 為產(chǎn)品的微生物發(fā)酵；以微生物的 代謝產(chǎn)物 為產(chǎn) 品的微生物發(fā)酵；此外，還包括 微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵、工程菌、工程細胞的產(chǎn)物 的發(fā)酵等。采用液體深層培養(yǎng)法生產(chǎn)微生物發(fā)酵產(chǎn)品時，主要包括哪些

2、工藝過程？菌種t孢子制備t種子制備t發(fā)酵t發(fā)酵液預處理t提取精制t成品檢驗t成品包裝ATy -_*第三章速效碳源與遲效碳源 ：葡萄糖、蔗糖等被微生物利用的速度較快的碳源為 速效碳源 ；而乳糖、淀粉等被利 用的速度相對較為緩慢的為 遲效碳源 。速效氮源與遲效氮源 ：無機氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機氮可直接被菌體吸收利用，被稱為速效氮源 ；花生餅粉、酵母膏等有機氮源中所含的氮存在于蛋白質(zhì)中，必須在微生物分泌的蛋白酶作用下， 水解成氨基酸和多肽以后，才能被菌體直接利用，被稱為 遲效氮源 。生理酸性物質(zhì) 與生理堿性物質(zhì) ：經(jīng)過微生物代謝作用后，能形成酸性物質(zhì)的營養(yǎng)成分稱為生理酸性物質(zhì)； 同理。

3、誘導物（inducer）： 般是指一些特殊的小分子物質(zhì)，在微生物發(fā)酵過程中添加這些小分子物質(zhì)后，能夠 誘導代謝產(chǎn)物的生物合成，從而顯著提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。前體（precursor）:在微生物代謝產(chǎn)物的生物合成過程中，有些化合物能直接被微生物利用構(gòu)成產(chǎn)物分子 結(jié)構(gòu)本身的一部分，而化合物本身的結(jié)構(gòu)沒有多大變化。促進劑（ accelerant） 在發(fā)酵培養(yǎng)基中加入某些微量的化學物質(zhì)，可促進目的代謝產(chǎn)物的合成。 抑制劑（ inhibitor） 在發(fā)酵過程中加入某些化學物質(zhì)會抑制某些代謝途徑的進行，同時會使另一代謝途徑 活躍，從而獲得人們所需的某種代謝產(chǎn)物，或使正常代謝的中間產(chǎn)物積累起來。孢子培養(yǎng)基 ：

4、供菌種繁殖孢子用的培養(yǎng)基。種子培養(yǎng)基 ：供孢子發(fā)芽和大量繁殖菌絲體用的培養(yǎng)基。發(fā)酵培養(yǎng)基 ：供菌種在進一步的生長繁殖后生物合成目的產(chǎn)物用的培養(yǎng)基。補料培養(yǎng)基 ：在補料分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)補加的、含有一種或多種培養(yǎng)基成分的新鮮料液。孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基在營養(yǎng)需求上有什么不同？ 孢子營養(yǎng)要求：）營養(yǎng)成分不要太豐富，碳源和氮源的濃度要低，否則不易產(chǎn)生孢子；2）無機鹽濃度要低，否則會影響孢子量和孢子顏色。3）培養(yǎng)基的 pH 和濕度要適宜，否則孢子的生長量會受到影響。 種子營養(yǎng)要求：營養(yǎng)成分要比較豐富和完全，含容易被利用的碳源、氮源無機鹽和維生素等。培養(yǎng)基的組成能維持 pH 在一定范

5、圍內(nèi)，以保證菌體生長時的酶活力。營養(yǎng)物質(zhì)的總濃度以略稀薄為宜，以保持一定溶氧水平，有利于大量菌體的生長繁殖。最后一級種子培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分要盡可能接近發(fā)酵培養(yǎng)基的成分，使種子進入發(fā)酵培養(yǎng)基后能迅速適應，快速生長。發(fā)酵營養(yǎng)要求：營養(yǎng)物質(zhì)的組成比較豐富，濃度恰當；在一定條件下，所采用的各種原材料彼此之間不能產(chǎn)生化學反應，理化性質(zhì)相對穩(wěn)定；粘度適中，具有適當?shù)臐B透壓；要考慮所選用的原材料品種和濃度與代謝產(chǎn)物生物合成過程中的調(diào)節(jié)關(guān)系，要利于主要產(chǎn)物的生物合成并維持較長時間的最高生產(chǎn)速率，不需要的產(chǎn)物合成速率降至最低；生產(chǎn)過程中，既不影響通氣與攪拌的效果，又不影響或稍影響產(chǎn)物的分離精制和廢物處理；大生產(chǎn)中

6、選用的原材料盡量做到因地制宜，質(zhì)憂價廉，成本低。試述培養(yǎng)基的篩選方法及其應用。 單因子實驗法、正交試驗、均勻設(shè)計。 應用：分析推斷優(yōu)化培養(yǎng)基的組分和濃度，還可以考察個因子之間的交互作用。論述影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素。原材料質(zhì)量、水質(zhì)、滅菌、培養(yǎng)基黏度。第四章發(fā)酵工業(yè)中滅菌的目的是什么？防止發(fā)酵過程染菌，確保正常生產(chǎn)。濕熱滅菌有哪些特點？ 價格低廉，來源方便，滅菌效果可靠，所以它是最基本的滅菌方法。什么是熱阻？什么是相對熱阻？熱阻是指微生物在某一種特定條件下的致死時間。 相對熱阻 是指某一微生物在某條件下的致死時間與另一 微生物在相同條件下的致死時間的比值。介質(zhì)過濾除菌的主要機制是什么？ 空氣氣流流

7、速大時，氣流中的微粒具有較大的慣性力。當微粒隨氣流以一定速度向纖維垂直運動因受纖維 阻擋而急劇改變運動方向時，由于微粒具有的慣性作用使它們?nèi)匀谎卦瓉矸较蚯斑M碰撞到纖維表面，產(chǎn)生 摩擦粘附而使微粒被截留在纖維表面，這種作用亦稱慣性碰撞截留。5工業(yè)生產(chǎn)中采用高溫快速滅菌的依據(jù)是什么？ 由于它使微生物的蛋白質(zhì)和核酸等重要生物高分子發(fā)生變性、破壞，例如它可使核酸發(fā)生脫氨、脫嘌呤或 降解，以及破壞細胞膜上的類脂質(zhì)成分等。連續(xù)滅菌 (continuous sterilization)將配制好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行滅菌。優(yōu)點： 1.采用高溫快速滅菌法 2.可以把培養(yǎng)

8、基按其性質(zhì)分開滅菌 3.有利于自動控制 4.節(jié)省冷卻水缺點： 1.投資費用高 2.對物料要求高 3.蒸汽用量大分批滅菌(batch sterilization)：配好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，經(jīng)過間接蒸汽預熱，然后直接通入飽和蒸汽加熱，使培養(yǎng)基和設(shè)備一起滅菌，達到要求的溫度和壓力后維持一段時間，在冷卻至發(fā)酵要求的溫度。優(yōu)點： 1.不需附加設(shè)備 2.蒸汽利用率高 3.節(jié)約勞動力缺點 1.培養(yǎng)基質(zhì)量比較差 2.罐的利用率低 3. 冷卻水用量大空氣過濾除菌的流程中有哪些設(shè)備？這些設(shè)備各有什么用？采風塔 粗過濾器 通風設(shè)備 空氣儲罐 冷卻器 氣液分離設(shè)備 -旋風分離器 加熱器 。第五章 重點章節(jié)孢子制備和

9、種子制備的一般過程有哪些？孢子培養(yǎng)： 母瓶：活化、純化，使保藏菌種生長，并去處變異株。所以接種時要稀一點、便于純化生長到單菌落。子瓶 : 大量繁殖，得到大量孢子。接種：從母斜面上點接種，選取生長好的單菌落接種時密一點，得到大量的孢子種子制備過程：實驗室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實驗室常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在 菌種室完成，因此將這些培養(yǎng)過程稱為實驗室階段的種子培養(yǎng)。生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進行，一般在工廠歸為發(fā)酵車間管理，因此稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn) 車間階段。影響孢子質(zhì)量和種子質(zhì)量的主要因素有哪些？如何控制？(P93-P98)孢子質(zhì)量：培養(yǎng)基 培養(yǎng)溫度和濕度

10、 培養(yǎng)時間和冷藏時間 接種量 種子質(zhì)量：培養(yǎng)基 培養(yǎng)條件 種齡 接種量 種子質(zhì)量標準 種子異常分析菌種保藏的目的和原理是什么？主要有哪些保藏方法？微生物菌種的保藏： 目的：一個優(yōu)良的菌種被選育出來后，要保持其生產(chǎn)性能的穩(wěn)定，不污染雜菌，不死 亡，這是菌種保藏的主要目的。 原理：根據(jù)菌種的生理生化特性，人工創(chuàng)造條件使菌體的代謝活動處于休眠狀態(tài)。創(chuàng)造有利于休眠狀態(tài)的 環(huán)境條件，以降低菌種的代謝活動，減少菌種變異，達到長期保存的目的。干燥保藏法 懸液保藏法 石蠟油封存法 沙土管 低溫保藏：低溫、液氮、凍干 斜面保藏法和穿刺保藏法 第六章攝氧率：（OUR; Oxygen Utilization Rat

11、io）:單位時間內(nèi)單位體積培養(yǎng)液中微生物攝取氧的量。呼吸強度 ：比耗氧速率 相對于單位質(zhì)量的干菌體在單位時間內(nèi)所消耗的氧量。也稱呼吸強度呼吸臨界氧濃度 ：在溶氧濃度低時，呼吸強度隨溶解氧濃度的增加而增加，當溶氧濃度達到某一值后，呼 吸強度不再隨溶解氧濃度的增加而變化，此時的溶氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度。影響微生物需氧量的因素有哪些？并解釋其原因。1）微生物種類：種類不同，其生理特性不同，代謝活動中的需氧量也不同2）培養(yǎng)基的組成與種類 :培養(yǎng)基的組成對菌種的需氧量有顯著的影響，碳源的種類和濃度影響尤為顯著。 一般而說，碳源濃度在一定范圍內(nèi)，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。3）菌齡;不同菌種需氧量情況

12、各異； 同一菌種不同菌齡， 其需氧程度也不同； 一般菌齡低者， 呼吸強度高。 例如；菌齡為 24 小時的產(chǎn)黃青霉呼吸強度最高4） 培養(yǎng)條件：pH、溫度等一般溫度愈高，營養(yǎng)越豐富，臨界值也相應越高5）有毒產(chǎn)物的形成與積累CO2是菌體代謝產(chǎn)生的氣態(tài)終產(chǎn)物，它的生成與菌體的呼吸作用密切相關(guān)。CO2在水中的溶解度是氧的 30倍，因而發(fā)酵過程中不及時將培養(yǎng)液中的CC2排出，勢必影響菌的呼吸，進而影響菌的代謝。發(fā)酵液氣泡中的氧傳遞到微生物細胞內(nèi)，并完成氧化過程都要克服哪些傳遞阻力？答 1 供氧方面的阻力1） 氣膜阻力（1/ki ; 1/Kg）：為氣體主流及氣-液界面的氣膜阻力，與空氣情況有關(guān)。2）氣液界面

13、阻力（1/k2； 1/KJ :與空氣情況有關(guān)，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的 則返回氣相。3）液膜阻力（1/k3; 1/Kl）:為從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。4） 液流阻力（1/k4; 1/Klb）:液體主流中傳遞的阻力；也與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。2 耗氧方面的阻力1）細胞周圍液膜阻力（1/k5;1/Klc）與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。2）菌絲叢或團內(nèi)的擴散阻力（ 1/k6;1/KA） 與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關(guān)，單細胞的細菌和酵母菌不存在這種阻力；對于菌絲，這種阻力最為突出。3）細胞膜的阻力（ 1/k7;1/KW）： 與微生物的生理特

14、性有關(guān)。4）細胞內(nèi)反應阻力（ 1/k8;1/KR） 氧分子與細胞內(nèi)呼吸酶系反 應時的阻力；與微生物的種類、生理特性有關(guān)。4影響液相體積氧傳遞系數(shù)的因素有哪些？這些因素與Kia有什么關(guān)系？ （ P110）答 1 攪拌功率： 2空氣流速：正比 3發(fā)酵液的物理性質(zhì)：與黏度成反比 4泡沫的影響：降低空氣分布器形式和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)：發(fā)酵過程中攪拌的作用有哪些？1） 把從空氣管中引入發(fā)酵罐的空氣打成碎泡，增加氣-液接觸面積“ a”亦即增加氧的傳遞面積。2）使液體形成渦流，從而延長氣泡在液體中的停留時間。3） 增加液體的湍流程度，降低氣泡周圍的液膜阻力和液體主流中的流體阻力，從而增大Ka值。4）減少菌絲結(jié)團現(xiàn)象

15、， 降低細胞壁表面的液膜阻力， 改變細胞對氧和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收， 同時降低細胞周圍 “廢物”和“廢氣”的濃度，有利于微生物的代謝。5）是發(fā)酵罐內(nèi)的溫度和營養(yǎng)物質(zhì)濃度達到均一，使系統(tǒng)充分混合。如何測定發(fā)酵罐上的攝氧率和Kla？ P115攝氧率r=（單位時間內(nèi)通入罐內(nèi)氧氣的量一單位時間內(nèi)由發(fā)酵罐排出的氧氣的量）/發(fā)酵液體積Kla=r/（C*-CL）C*=4CL第七章發(fā)酵熱 ：所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 凈熱量： 在發(fā)酵過程中產(chǎn)生菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量， 機械攪拌產(chǎn)生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產(chǎn)生的熱量和各種散失的熱量的 代數(shù)和就叫做凈熱量。生物熱 ：在發(fā)酵過程中

16、，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP提供細胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。機械性泡沫： 存在于發(fā)酵液表面與發(fā)酵液有明顯的界限。在發(fā)酵早期，由原材料中含氧有機物形成的。 液態(tài)泡沫： 均勻分布在發(fā)酵液中，與發(fā)酵液無明顯界限，多出現(xiàn)在發(fā)酵后期，與菌體粘度有關(guān)。比生長速率卩：mol/（g h）或g/（gh）;它表示細胞合成產(chǎn)物的速度或能力，可以作為判斷微生物合成代謝 產(chǎn)物的效率。比生產(chǎn)速率Q,:單位時間單位重量菌體所合成的產(chǎn)物量。發(fā)酵過程中的代謝參數(shù)主要有哪幾類？每類主要有哪些參數(shù)？

17、物理：溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、空氣流量、表觀黏度。化學：pH、基質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、溶解氧濃度、廢氣中氧含量、廢氣中CO2含量、DNA含量、關(guān)鍵酶。生物：菌體濃度、菌絲形態(tài)（形狀、粗細、染色深淺、脂肪顆粒、空泡）按操作方式的不同，發(fā)酵可分為哪幾種類型？分批發(fā)酵： 一次性投入料液，發(fā)酵過程中不補料，一直到放罐。優(yōu)點是 ： 1）發(fā)酵工藝簡單，發(fā)酵過程容易控制2）發(fā)酵過程中可以觀察到發(fā)酵參數(shù)與菌體生長或與產(chǎn)物合成的變化關(guān)系，從而為優(yōu)化發(fā)酵工藝條件提供依據(jù)。缺點是 ：發(fā)酵產(chǎn)量低。補料分批發(fā)酵 ：在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。優(yōu)點： 在這樣一種系統(tǒng)中可以

18、維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應;可以通過補控控制達 到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件;還可以利用計算機控制合理的補料速率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)工藝。缺點 ： 由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌機會 適用范圍：補料分批發(fā)酵廣泛應用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有機酸及高聚物等的生產(chǎn)。連續(xù)發(fā)酵： 是指以一定的速率向發(fā)酵液中添加新鮮培養(yǎng)基的同時，以相同的速率流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵 罐內(nèi)的液量維持恒定不變，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方法。次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵過程可分為那幾個階段，每個階段有什么特點？a菌體生長階段：生產(chǎn)菌接種至發(fā)酵培養(yǎng)基后，在合適的

19、培養(yǎng)條件下，經(jīng)過一定時間的適應，就開始生長 和繁殖，經(jīng)過對數(shù)生長期，達到穩(wěn)定期。產(chǎn)物合成階段：此階段主要合成次級代謝產(chǎn)物。在此期間，產(chǎn)物的產(chǎn)量逐漸增多，直至達高峰，生產(chǎn)速 率也達到最大，直至產(chǎn)物合成能力衰退。菌體自溶階段：此階段的菌體衰老、細胞開始自溶，氨氮含量增加，pH上升，產(chǎn)物合成能力衰退，生產(chǎn)速率下降。發(fā)酵中影響菌體濃度的因素有哪些？菌體的濃度與次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量有什么關(guān)系？影響：（1）微生物的種類和自身的遺傳特性的影響。（細菌45min，酵母菌min，真菌3h）（ 2）營養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境條件有密切關(guān)系。營養(yǎng)物質(zhì)均存在一個上限濃度，在此限度以內(nèi)，菌體比生長速率 則隨濃度增加而增加，但超過此上

20、限，濃度繼續(xù)增加，反而會引起生長速率下降。這種效應通常稱為基質(zhì) 抑制作用。有機氮源有利于菌體生長。（ 3）培養(yǎng)條件：溫度，通氣量， pH關(guān)系： 1、在一定的條件下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量與菌體濃度呈正相關(guān)。Rp= QpX , Rp生產(chǎn)速率（單位時間單位體積發(fā)酵液中產(chǎn)生的產(chǎn)物量），X菌體濃度，Qp比生產(chǎn)速率2、菌體濃度過高時，則降低代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。原因：（1 ）營養(yǎng)物質(zhì)的過度消耗和 CO2的大量積累，導致菌體的比生產(chǎn)速率下降。（2）菌濃過高，攝氧率增加，溶氧下降，比生產(chǎn)速率下降。什么是最適菌體濃度？從氧的供需關(guān)系上說明如何確定發(fā)酵的最適菌體濃度？ 最適菌體濃度： 在一定的發(fā)酵條件下，使微生物的呼吸不受抑

21、制時的最大菌體濃度。1 菌體濃度與攝氧率成正比 2 菌體濃度與傳氧速率成反比3菌體濃度與比生產(chǎn)速率（Qp）開始不影響后成反比 4菌體濃度與生產(chǎn)速率（Rp）先增后減發(fā)酵過程中補入氮源或碳源會對 pH 產(chǎn)生怎樣的影響？怎樣利用補料控制 pH？在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料與調(diào)pH 沒有矛盾時采用補料調(diào) pH當補料與調(diào) pH 發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào) pH（1） 調(diào)節(jié)補糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié) pH 當NH2-N低，pH低時補氨水；當 NH2-N低，pH高時補（NHSQ影響生物熱的因素有哪些？1菌種的特性 2菌種的生長階段 3營養(yǎng)物質(zhì)的種類和濃度 4菌體的呼吸強度溫度對發(fā)酵有何影響？怎樣選擇最適發(fā)酵溫度？ p140答 溫度影響酶的活性 溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 溫度影響代謝產(chǎn)物合成方向 最適溫度選擇：根據(jù)菌種 生長階段選擇 根據(jù)培養(yǎng)條件選擇 菌種的生長情況pH 對發(fā)酵有何影響 ?引起 pH 變化的因素有哪些？影響：酶的活性 基質(zhì)或中間產(chǎn)物的解離狀態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物的穩(wěn)定性 微生物細胞膜所帶電荷的改變代謝方向變化因素：菌種遺傳特性培養(yǎng)基的成分發(fā)酵工藝條件可采用哪些方