发酵工程总结Word格式.docx

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所以说，发酵工程在生物工程中是最关键的过程。

现代发酵工程处于生物技术的中心地位，绝大多数生物技术的目标都是通过发酵工程来实现的。

因此生物技术的主要应用领域往往就是发酵工程的研究对象。

1-3请简述发酵工程的发展史。

1）基因工程出现之前的时代（1982年前）；

1859年发现发酵原理、设计了便于灭菌的密闭式发酵罐；

1929,1940年发现和分离出青霉素，青霉素发酵、将通气搅拌引入发酵工业；

1956年谷氨酸等氨基酸、核苷酸等发酵成功、代谢控制育种理论的建立；

60年代采用烷烃、乙酸、天然气等为原料的石油发酵；

2）基因工程出现后的时代（1982年后）。

80年代随着基因工程技术的发展，人们可定向选育高产菌株；

1991年综述代谢工程，在对细胞内代谢网络系统分析的基础上开始运用基因工程技术改造细胞代谢途径，以改进细胞性能或提高产物生产能力。

组学的发展……

系统工程和合成生物学……

1-4何谓初级代谢和次生代谢？

举例说明初级代谢产物和次生代谢产物。

初级代谢：

微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程称为初级代谢。

常见的初级代谢产物有：

乙醇、氨基酸、呈味核苷酸、有机酸、多羟基化合物、多糖（黄原胶、结冷胶）、糖类和维生素。

次生代谢：

是相对于初级代谢而言的一个概念。

它是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无必要功能的物质的过程。

次生代谢产物大都是分子结构复杂的化合物。

根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、酶和毒素。

3灭菌

3-1灭菌的方法有哪几种？

化学药剂灭菌（过氧乙酸、次氯酸钠、二氧化氯、甲醛、过氧乙酸、环氧乙烷……）

射线灭菌（紫外线、高能电磁波、放射性物质产生的高能粒子）

干热灭菌（160°

C，1h；

主要由于氧化作用而死亡：

微波加热灭菌、烘箱加热灭菌）

湿热灭菌（120°

C，30min；

利用饱和蒸汽灭菌）

过滤除菌（空气除菌、料液的过滤除菌）

3-2何谓空消和实消？

各自操作如何？

空消：

培养基采用连续灭菌时，发酵罐需在培养基灭菌前直接通蒸汽进行空罐灭菌（进汽→关阀升压→保压30min→降压后通入无菌空气→冷却）；

实消：

实罐灭菌，即分批灭菌，将配制好的培养基放在发酵罐或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用装置一起进行灭菌。

3-3连续灭菌流程有哪几种？

各自的特点是什么？

连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程：

由连消泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器组成

薄板换热器连续灭菌流程：

由3个薄板换热器、维持管组成，节约了蒸汽和冷却水

喷射加热连续灭菌流程：

由喷射加热器、维持管、膨胀阀和真空冷却器组成

3-4简述发酵用无菌空气的质量标准。

1. 连续提供一定流量的压缩空气，VVM=0.1-2.0；

2. 空气的压力一般为0.2-0.4Mpa;

3. 进入过滤器前空气的相对湿度≤70%；

4. 进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10-30°

C;

5. 过滤后空气的无菌程度为10-3。

3-5空气过滤除菌流程一般包括哪几部分？

各自的作用是什么？

粗过滤器【去除大颗粒尘埃，粗过滤器分为布袋过滤器、油浴洗涤和水雾除尘器3种】→空气压缩机【供给能量】→贮罐【缓冲排气压力，稳定气压】→油水分离器【去除压缩空气中的大颗粒油水雾】→空气冷却器【冷却压缩空气，使其析出水汽】→水分离器【分离压缩空气的水汽】→加热器【除水后相对湿度一般为100%，加热以降至50-60%】→总过滤器【除菌，给全厂提供无菌空气】→分过滤器【进一步除菌，保证各发酵罐空气无菌】

3-6某生物制药厂采用空气冷却流程一制备无菌空气，当地空气相对湿度60%。

空气进入总过滤器时的状态是：

相对湿度60%、压力0.4MPa，温度35°

C。

通过计算确定，当地气温最高不能高于多少？

（10、12、15、20、35°

C的饱和水蒸汽压力分别为1228、1418、1705、2339、5615Pa）

P1=0.1MPa，P2=0.4MPa，

ϕ1=ϕ2，4Pb1=Pb2，

根据饱和蒸气压数据，得t<

12°

C

3-7深层过滤除菌的机理是什么？

请简述其各自的作用机制。

深层过滤介质的孔隙大于微生物。

利用颗粒的惯性冲击、布朗运动、颗粒与介质的静电引力、重力沉降等作用将细菌拦截在介质中进行除菌。

一般认为惯性、拦截和布朗运动的作用较大，而重力和静电引力的作用较小。

惯性冲击作用：

当灰尘颗粒随气流前进遇到过滤介质时，气流受阻而改变方向，而颗粒因惯性作用仍沿直线向前运动，与纤维碰撞摩擦而吸附在纤维表面，以此拦截颗粒。

拦截滞留作用：

在空气流速较小时，微粒的流动与空气流线相似，受纤维所阻时，改变方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。

而滞流区的空气流速更慢，进到滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维，从而被粘附滞留。

布朗运动：

在很小气速和较小的纤维间隙时，则布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而将微粒截留住。

重力沉降作用：

重力沉降作用是一个稳定的分离作用。

当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就很容易沉降。

大颗粒比小颗粒更易沉降；

对小颗粒来说，只有气速很慢时才起作用。

一般它与拦截作用相配合，即在纤维的边界滞流区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。

静电作用：

干空气与非导体的物质（如过滤介质纤维）间的相对运动摩擦，会产生诱导电荷。

悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，15%带负电荷。

这些带电的微粒就会受异性电荷的物体吸引而沉降。

3-8空气过滤除菌的设备主要有哪些？

4发酵技术

4-1发酵培养技术有哪些？

各种技术的特点是什么？

分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵、连续发酵

分批发酵：

发酵液体积恒定，发酵液中物质浓度随时间而变化；

分批补料发酵：

在分批发酵过程中，间隙或连续的补加新鲜培养基的培养技术。

由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在不断增加；

半连续发酵：

补料分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（行业中称为带放）；

连续发酵：

补料的同时放走发酵液，发酵液体积不变。

4-2 请简述分批培养过程微生物细胞的典型生长曲线及其每个阶段的特点。

停滞期：

刚接种后的一段时间内，因菌种对新的生长环境有一适应过程，细胞数目和菌量不变的过程

加速期：

通常很短，比生长速率可在短时间内从最小升到最大值。

对数期：

细胞已完全适应其周围环境后，便进入恒定的对数或指数生长期。

减速期：

随着养分的减少，有害代谢物的积累，生长不可能再无限制地继续。

这时虽然细胞量仍旧在增加，但其比生长速率不断下降，细胞在代谢与形态方面逐渐蜕化。

平衡期：

实际上是一种生长和死亡的动态平衡，µ

【比生长速率】=α【比死亡速率】，净生长速率等于零。

由于此时菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢产物在此时大量合成，菌的形态也发生较大的变化（如菌体分化，染色变浅，形成空胞等）。

死亡期：

当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期。

这时α＞µ

，生长呈负增长。

工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。

发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短还取决于X0（初始浓度）。

4-3简述微生物产物合成与细胞生长之间的关系及其工艺控制策略。

生长耦联型：

微生物的生长、碳水化合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行的，营养期和分化期彼此不分开，也即代谢产物的生成和细胞的生长是同步的和完全耦联的【策略：

延长发酵周期有利于产物合成】；

非生长耦联型：

产物一般不是直接或间接来自微生物的产能降解代谢，而是通过两用代谢途径合成的，所以产物的生产与细胞生长无直接关系【策略：

如次生代谢产物，则以缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长生产期，以提高产量】；

混合生长耦联型：

产物间接的与微生物的初级产能代谢途径相关，这类反应产物的生产与细胞的生长仅有间接关系【策略：

根据其耦联程度而灵活调节】。

4-4名词解释：

比生长速率：

指单位菌体（每克菌体）单位时间内（一小时）增加的菌体量

基质比消耗速率：

指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量，它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。

产物比生成速率：

指每克菌体在一个小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力。

对基质的细胞得率系数【YG】：

指每消耗1g（或mol）基质所产生的菌体重。

对基质的产物得率系数【YP】：

指每消耗1g（或mol）基质所合成的产物质量。

基质消耗速率方程：

。

X是当前菌浓度，m是细菌维持生命活动的消耗系数

Luedeking-Piret方程：

基本形式为

，是描述产物形成动力学中混合生长耦联型的模型。

5发酵工艺

5-1培养基的种类有哪些？

前体、促进剂和抑制剂有何不同？

何谓碳分解代谢物阻遏、快速利用氮源、生理酸性和碱性氮源？

培养基按纯度分为合成培养基【成分完全已知】和复合培养基【一些成分不完全明确】；

按状态分固体培养基、半固体培养基、液体培养基；

按用途分孢子培养基【繁殖孢子用】、种子培养基【培育种子（用于生产的初始菌）用】、发酵培养基【生产用】。

前体是指加入后能直接在生物合成中结合到产物分子中而其自身的结构并没有多大变化，但产物的产量却有较大提高的物质【如VB12的氯化钴】。

促进剂是指既不是营养物又不是前体但能提高产量的物质【如促进分散的表面活性剂】。

抑制剂是指在发酵过程中加入某些物质会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一代谢途径活跃，从而使所需产物或正常代谢的中间产物得以积累【甘油发酵中添加亚硫酸氢钠】。

碳分解代谢物阻遏是指微生物在混合碳源发酵时优先利用速效碳源（通常为葡萄糖），且该碳源的代谢产物会抑制其它非速效碳源代谢相关的基因表达和蛋白活性，从而影响非速效碳源利用的现象。

快速利用氮源即无机氮源，包括氨水、硝酸盐、铵盐。

无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性氮源，代谢后产生碱性物质的无机氮源（NO3-）称为生理碱性氮源

5-2最适pH与微生物生长和产物形成的相互关系有哪几种？

如何确定某一微生物发酵的生长和