发酵工程课后思考题答案.docx
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发酵工程课后思考题答案
一、思考题
1.发酵及发酵工程定义？
答：
定义：
发酵工程是应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。
由于它以培养微生物为主，所以又称为微生物工程。
传统发酵是指酵母作用于果汁或发芽的谷物时产生二氧化碳的现象；
生化和生理学意义的发酵指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式；或者更严的说发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。
工业上的发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。
青霉素发酵能成功的原因，主要是解决了两大技术问题：
1）通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题；2）抗杂菌污染的纯种培养技术：
无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。
2.发酵工程基本组成部分？
答：
从广义上讲，由三部分组成：
上游工程、发酵工程、下游工程
3.发酵工业产业化应抓好哪三个环节？
答：
三个环节：
投产试验、规模化生产和市场营销
4.当前发酵工业面临三大问题是什么？
答：
菌种问题、合适的反应器、基质的选择
菌种问题：
纯种、遗传稳定性、安全、周期短、转化率高产率高、抗污染能力强：
噬菌体、蛭弧菌
合适的反应器：
生产规模化、原料利用量大并且具有一定选择性、节能、结构多样化、操作制动化、节省劳力
基质的选择:
价廉、原料利用量大并且具有一定选择性、易被利用、副产物少、满足工艺要求
5.我国发酵工业应该走什么样的产业化道路？
答:
第一步为技术积累阶段、第二步为产业崛起阶段、第三步为持续发展阶段
二、思考题
1、自然界分离微生物的一般操作步骤？
答：
标本采集→预处理→富集培养→菌种分离（初筛、复筛）→发酵性能鉴定→菌种保藏目的：
高效地获取一株高产目的产物的微生物；
2、从环境中分离目的微生物时，为何一定要进行富集富集？
答：
富集的目的：
让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。
Ø富集的基本方法：
1、控制营养：
如以唯一碳源或氮源作底物；2、控制培养条件：
如pH、温度、通气量等；3、抑制不需要的种类
3、什么叫自然选育？
自然选育在工艺生产中的意义？
答：
定义：
不经人工处理，利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为自然选育。
意义：
自然选育是一种简单易行的方法，可达到纯化菌种、防止菌种退化、稳定生产、提高产量的目的。
虽然其突变率很低，但却是工厂保证稳产高产的重要措施
回复突变：
高产菌株在传代的过程中，由于自然突变导致高产性状的丢失，生产性能下降，这种情况我们称为回复突变。
4、诱变育种对出发菌株有哪些要求？
答：
出发菌株定义：
出发菌株指用于诱变育种的最初菌株或每代诱变的试验菌株。
要求：
★对菌株产量，形态、生理等情况了解；★生长繁殖快，营养要求低，产孢子多且早；★对诱变剂敏感；★菌株要有一定的生产能力；★多出发菌株：
一般采用3~4个出发菌株，在逐代处理后，将产量高、特性好的菌株留作继续诱变的出发菌株。
5、诱变选育的流程？
答：
出发菌株经纯化活化前培养（同步培养）→培养液（离心、洗涤、）→单细胞获单胞子悬液→诱变处理→后培养（中间培养）→平板分离→初筛→复筛→保藏及扩大试验
筛选的关键是选择一定的特征（如菌落特征、生化特征等）去判断所筛选的菌株是我们所需要的突变株。
6、工业上优良生产菌种应具备哪些基本特性？
答：
能在廉价原料制成的培养基上生长，且大量高效地合成产物；遗传性能要相对稳定；菌种改造的可操作性要强；抗噬菌体及杂菌污染能力强；产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）；发酵条件如温度、pH、溶解氧、泡沫等易控制。
三、思考题
1、何谓种子接种量、接种龄？
答：
接种量指移入种子液的体积和接种后培养液体积之比。
种龄是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。
2、影响种子质量的因素是哪些？
答：
①原材料质量②种龄③培养条件④斜面冷藏时间
3、保证种子质量有哪些措施？
答：
①菌种的稳定性检查；②提供种子培养的适宜环境；③无杂菌检查
4、工业上接种的方法有哪些？
答：
四、思考题
1、发酵培养基的特点和要求？
答：
①培养基能够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所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响
通气、提取、纯化及废物处理等。
2、常用的碳源有哪些？
常用的糖类有哪些？
答：
常用的碳源：
糖类、油脂、有机酸、正烷烃；常用的糖类：
葡萄糖、糖蜜、淀粉、糊精、脂类
3、什么是生理性酸性物质？
什么是生理性碱性物质？
答：
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，这种经微生物生理作用（代）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸铵；若菌体代后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。
正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。
4、常用的无机氮中的作用？
答：
常用的无机氮：
种类：
铵盐、硝酸盐和氨水；所以选择合适的无机氮源有两层意义：
满足菌体生长、稳定和调节发酵过程中的pH
5、什么是前体？
源和有机氮源有哪些？
有机氮源在发酵培养基前体添加的方式？
答：
前体指某些化合物加入到发酵培养基中后，能直接使微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，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。
作用：
前体有助于提高产量和组份；用法：
前体使用时普遍采用流加的方法，前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07%流加也有利于提高前体的转化率前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化
6、什么是生长因子？
生长因子的来源？
答：
凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。
有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B族维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子
7、举例说明培养基设计的方法与步骤？
答：
培养基的设计首先是培养基成分的确定，然后再决定各成分在培养基中的比例。
设计原则：
目的明确、营养协调、理化适宜、经济节约。
设计方法：
①生态模拟②参阅文献③精心设计④试验比较
步骤：
①根据前人的经验和培养基成分，初步确定可能的培养基成分；②通过单因素实验最终确定出最为适宜的培养基成分；③当培养基成分确定后，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。
五、思考题
⒈灭菌的方法有哪些？
如何根据灭菌对象和要求的不同选用不同的方法？
答：
灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。
消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的。
方法：
培养基的加热灭菌、空气的过滤除菌、紫外线或电离辐射、化学药物灭菌
化学试剂灭菌法：
甲醛、乙醇或新洁尔灭、高锰酸钾等，适用围：
环境、皮肤及器械的表面消毒
射线灭菌法：
电磁波、紫外线或放射性物质，适用围：
无菌室、接种箱
干热灭菌法：
常用烘箱，灭菌条件：
160℃下保温1h，适用围：
金属或玻璃器皿
湿热灭菌法：
利用饱和蒸汽灭菌，条件：
121℃，30min，适用围：
生产设备及培养基灭菌
过滤除菌法：
利用过滤方法阻留微生物，适用围：
制备无菌空气
火焰灭菌法：
火焰，适用围：
接种针、玻璃棒、三角瓶口
⒉比较分批灭菌与连续灭菌的优缺点。
答：
优点
缺点
连续
灭菌
1.高温短时灭菌，培养基
营养成分损失少。
2.发酵罐占用时间缩短，
利用率高。
1.设备复杂，操作麻烦,
染菌机会多。
2.不适合含大量固体物
料的灭菌。
间歇
灭菌
1.设备要求低，不需另外
加热、冷却装置。
2.操作要求低，适合小批
量生产规模
3.适合含大量固体物料的
灭菌
1.培养基的营养物质损
失大，灭菌后培养基
质量下降
2.发酵罐的利用率较低
3.不适合大规模生产的
灭菌
⒊影响培养基灭菌的因素有哪些？
答：
培养基成分、培养基成分的颗粒度、培养基的pH、微生物细胞的含水量、微生物性质与数量、冷空气排除情况、泡沫、搅拌
4.分析过滤除菌机理与影响过滤除菌的因素，考虑如何提高过滤除菌的效率。
答：
微粒随气流通过滤层时，由于滤层纤维的层层阻碍，使气流出现无数次改变运动速度和方向的绕流运动，引起微粒与滤层纤维间产生惯性冲击、拦截、布朗扩散、重力沉降、静电引力等作用把微粒滞留在纤维表面上，实现过滤的目的。
提高过滤除菌效率的措施
①设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。
②设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质。
③保证进口空气清洁度，减少进口空气的含菌数。
④降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质能在干燥状态下工作。
六、思考题
1、根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？
答：
嗜冷菌：
0～260C生长，嗜温菌：
15～430C生长，嗜热菌：
37～650C生长，嗜高温菌：
>650C生长。
2、发酵过程的温度会不会变化？
为什么？
答:
会变化，因为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、通气热等会使发酵过程中的温度变化。
3、发酵热的定义
答：
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
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。
4、生物热的大小与哪些因素有关？
答：
1）、与发酵的类型有关：
微生物进行有氧呼吸产生的热比无氧呼吸产生的热多；2）、与呼吸作用的强弱有关；3）、培养基营养成分越丰富，生物热也越大。
5、温度对发酵有哪些影响？
答：
1、温度影响微生物细胞的生长2、温度影响反应速率（产物形成）3、温度会改变发酵液的理化性质4、温度影响生物合成的方向。
6、发酵过程温度的选择有什么依据？
答：
1、根据菌种不同选择2、根据发酵阶段选择：
即二阶段发酵3、根据培养条件选择
4、根据菌生长情况
七、思考题
1、发酵过程中pH会不会发生变化，为什么？
答：
会变化。
【1】、基质代：
（1）糖代特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。
糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升；NH3利用后pH下降；当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。
（3）生理酸性物质、生理碱性物质利用后pH会下降或上升。
【2】、产物形成：
某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。
如
有机酸类产生使pH下降；红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
【3】、菌体自溶，pH上升；发酵后期，pH上升
2、pH对发酵的影响表现在哪些方面？
答：
（1）影响菌体的生长
（2）pH影响酶的活性（3）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变（4）pH值影响培养基某些成分和中间代物的解离（5）pH影响代方向（6）影响产物稳定性。
3、为了确定发酵的最佳pH，我们该如何实验？
答：
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
4、发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？
答：
1）、调节好基础料的初始pH：
基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。
若要控制灭菌后pH在6.0，灭菌前pH往往要调到6.5~6.8。
2）、在基础料中加入维持pH的物质：
如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。
3）、通过补料调节pH：
在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。
在补料与调pH没有矛盾时采用补料调节pH。
如
（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH。
（2）当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补（NH4）2SO4。
通过补料调节pH值既调节了培养液的pH值，又可补充营养，进一步提高发酵产率。
4）、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。
5、发酵用的复合pH电极有哪些要求？
答：
1）、能高温灭菌，过高的温度将对玻璃膜材质和参比电极性质产生影响，造成不可逆转的破坏。
2）、具有长时间的稳定性，应保证转换系数和不对称电位能适应发酵周期长、中途不能更换和不能标定的要求
3）、要求一定的液络部流通，维持的液接界电位稳定，防止使用过程中液络部被含硫物、蛋白质和非水溶液污染，造成电极测量漂移
4）、外加不锈钢护套或工程塑料护套后安装于罐
八、思考题
1、比耗氧速度、呼吸强度、临界溶氧浓度、氧饱和度的概念？
答：
1）、比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：
单位重量的细胞（干重）在单位时间所消耗的氧气，mmolO2/（g菌·h）2）、呼吸临界氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
如果对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。
3）、氧饱和度：
发酵液中实际氧浓度/临界氧浓度。
2、影响微生物需氧的因素有哪些？
答：
遗传因素：
不同的微生物呼吸强度是不同的。
一般为25～100mmolO2/（L·h）。
菌龄：
一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。
代类型：
若产物是通过三羧酸循环（TCA）获取，则呼吸强度高，如Glu、天冬氨酸的生产；若糖酵解途径（EMP），则呼吸强度低，如苯丙氨酸、亮氨酸的生产。
培养基的成分与浓度：
培养基成分尤其是碳源对细胞的耗氧量有很大影响。
培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。
营养丰富，菌体生长快，耗氧量大.
发酵条件：
温度、pH通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧；温度还影响发酵液中的溶氧浓度；有些有害物质的积累，如NH3、CO2会抑制微生物的呼吸
3、发酵液中的体积氧传递方程？
答：
发酵液中氧的传递方程：
N：
传氧速率kmol/m2.h
kg:
气膜传质系数kmol/m2.h.atm
kL:
液膜传质系数m/h
C*＝P·H，与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
kL:
以氧浓度为推动力的总传递系数（m/h）
再令：
单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a（m2/m3）
Na:
体积传氧速率kmol/m3.h
Kla:
以（C*-C）为推动力的体积溶氧系数h-1
4、如何调节摇瓶发酵的供氧水平？
答：
5、如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平？
答：
一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。
但是增大通气的时间一定要把握好。
6、如何测定发酵液中的溶氧浓度，以及发酵罐的Kla?
答:
九、思考题
1、发酵中控制泡沫的途径有哪些？
答：
① 调整培养基的成分（如少加或缓加易起泡的原材料）、或改变某些物理化学参数（如pH、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。
但效果有限；
② 选育在生长期不产生泡沫的微生物突变株。
如有人已用杂交育种方法选育出不产生泡沫的土霉素菌株；
③ 机械消泡；
④ 化学消泡：
加消泡剂，当今发酵工业中常用的方法。
十、思考题
1、如何检查判断是否染菌？
答：
1）、种子培养异常
菌体生长缓慢
●菌种：
使用时间、传代、菌龄、接种量
●培养基：
原料成分、营养缺乏
●操作：
灭菌、供氧、搅拌、温度波动大、pH
菌丝结团
●种子：
冷藏时间长
●操作：
通气、搅拌、溶氧、培养基、泡沫
代不正常：
培养基、环境、接种量、杂菌
2）、发酵异常:
菌体生长差、pH异常、溶氧水平异常、泡沫过多、菌体浓度过高或过低。
2、发酵染菌应从哪几个方面进行分析？
答：
◆从污染杂菌种类来分析◆从染菌规模来分析◆从染菌时间来分析
3、在工业生产中杂菌污染的途经及应采取哪些措施防止污染杂菌？
答：
A、种子带菌及预防
B、培养基灭菌不彻底导致染菌及预防
C、空气带菌及预防D、设备的渗漏或“死角”造成的染菌及预防
E、操作不当造成染菌F、噬菌体污染及预防
4、工业生产中发现染菌应采取哪些措施？
答：
发酵液经灭菌后再放罐，严格控制培养液流失。
清理生产环境，清除噬菌体载体——发酵液残渣。
生产环境用漂白粉、新洁尔灭等消毒。
调换生产菌种。
培养基中加草酸。
噬菌体具有专一性。
暂时停产1~4周，车间用甲醛消毒。
选育抗噬菌体的新菌株。
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