生物工艺学全解.docx

1、生物工艺学全解第一章 绪论1、生物工艺学包含的四大块内容：原料预处理和培养基的制备、菌种的选育及代谢调节、生物反应过程的工艺控制、下游加工。 2、生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。生物催化剂特点：优点：常温、常压下反应 反应速率大 催化作用专一 价格低廉 缺点：稳定性差 控制条件严格 易变异（细胞）生物反应过程实质是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程(process engineering)。3、生物技术研究的主要内容：基因工程(DNA重组技术，gene engineering) 、细胞工程(cell engineering)、酶工程(enzyme engineering)、

2、发酵工程(fermentation engineering)、蛋白质工程(protein engineering)、第二章 菌种的来源1、分离微生物新种的过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定。2、代谢控制发酵（Metabolic Control fermentation）：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。3、菌种的保藏方法：A 斜面冰箱保藏法B 沙土管保藏法C 石蜡油封存法D 真空冷冻干燥保藏法E 液氮超低温保藏法4. 生物工程专业相关的主要数据库有哪些？维普中文科技期刊数据库、中国期刊全文

3、数据库、万方系列数据库、science online、springer link等。第三章 菌种选育1、 常用菌种选育方法（1）自然选育:是指在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变(spontaneous mutation)而进行菌种筛选的过程。特点：自发突变的频率较低，变异程度不大。所以该法培育新菌种的过程十分缓慢。应用：自然选育在工业生产中可以达到纯化菌种，防止菌种衰退，稳定生产，提高产量的目的。（2）诱变育种:是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学研究使用

4、。诱变育种的理论基础是基因突变。2、诱变育种的典型流程3、抗噬菌体菌株的检出方法：平板点滴法、单层琼脂法、双层琼脂法。第三章 微生物的代谢调节1、微生物初级代谢调节包括酶活调节、酶合成调节、遗传控制2、改变细胞膜通透性的方法A限制培养基中生物素浓度在15mg/L，控制细胞膜中脂质的合成；B 加入青霉素，抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；C 加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂(如聚氧化乙酰硬脂酰胺)，将脂类从细胞壁中溶解出来，使细胞壁疏松，通透性增加；D 控制Mn2+、Zn2+的浓度，干扰细胞膜或细胞壁的形成；E 可以通过诱变育种的方法，筛选细胞透性突变株。3、 生物素对谷氨酸合成的影响

5、（1）生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而有利于谷氨酸的合成；（2）生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。第四章 微生物次级代谢与调节1、微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。修饰初级代谢中间体的三种生化过程 生物氧化与还原、生物甲基化、生物卤化2、次级代谢物生物合成的原理 一旦前体被合成，在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。在某些情况下

6、单体结构单位被聚合，形成聚合物。这些特有的生物合成中间体产物需做后几步的结构修饰，修饰的程度取决于产生菌的生理条件。有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的。第五章 发酵培养基1、提供生长因子的农副产品原料：1) 玉米浆2) 麸皮水解液3) 糖蜜4) 酵母：可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。2、产物促进剂是指那些非细胞生长所必需的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 3、发酵培养基的设计和优化方法正交试验设计、均匀设计、响应面分析正交试验设计：利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分

7、试验结果的分析,了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。正交实验数据分析，见教材P112-114例题，表4-16，同时确定因素的主次顺序、各因素的优水平、各因素水平的最优组合。小数点后保留一位。4、完整响应面分析方法实验设计通常包括：（1）PlackettBurman实验设计 ，（2）最陡爬坡实验，（3）中心组合实验设计三个过程。第六章 发酵培养基灭菌和空气净化1. 理论灭菌时间的计算3.1间歇实罐灭菌时间的计算 3.2连续灭菌的灭菌时间计算：2、高温瞬时灭菌法可以减少培养基营养成分的破坏的原理：随着温度升高，灭菌速率常数增加的倍数大于培养基中营养成分的分解速率常数的增加倍数。即当灭菌温度升高

8、时，微生物杀灭速度增加较快，而培养基营养成分破坏的速度增加较慢。因此，采用较高的温度，较短的灭菌时间，可以减少培养基营养成分的破坏。第七章 种子的扩大培养1、种子罐级数：是指制备种子需逐级扩大培养的次数，取决于菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度、所采用发酵罐的容积。 种子罐级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响。级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一般24级。2、种子制备分两个阶段：实验室种子制备阶段 生产车间种子制备阶段好氧微生物菌种扩培常用设备：超净工作台、震荡培养箱、种子罐等。接种量：是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。通常接种量：细菌1-5%，酵母菌5-10%，霉

9、菌7-15%，有时20-25%第八章 发酵工艺控制1、发酵方式（1）补料分批发酵：指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点： 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾； 克服养分的不足，避免发酵过早结束。2、发酵控制参数按性质分类：物理参数、化学参数、生物参数按检测手段分类：直接参数：在线检测参数 离线检测参数 间接参数3、生物热(biological heat)是菌体生长过程中直接释放到体外的热能，使发酵液温度升高。4、 pH值对发酵的影响（1）影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的

10、活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；（2）影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄；影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；（3）pH值不同，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。5、临界氧浓度(critical value of dissolved oxygen concentration) ：指不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。如对产物形成而言便称为产物合成的临界氧浓度。6、引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因： 污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身耗氧能力不

11、强，溶氧变化就可能不明显； 菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降； 某些设备或工艺控制发生故障或变化，也可能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。7、常用的消泡剂有4大类：天然油脂类、脂肪酸和酯类、聚醚类、硅酮类8、造成染菌的主要原因 设备渗漏 空气带菌 种子带菌 灭菌不彻底 技术管理不善第九章 生物反应动力学1、 Monod方程的参数求解：2、 连续培养动力学稀释率：单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率3、 细胞的物料平衡单级连续培养的细胞物料平衡方程如下：根据单级连续培养的细胞物料平衡方程，按照比生长速率和稀释率D的大小关系，讨

12、论培养罐内细胞浓度和营养物质浓度的变化情况。4、 限制性基质的物料平衡临界稀释率（DC）: 发生洗出时的稀释率。第十章下游加工过程概论1、整个下游加工过程应遵循下列四个原则1) 时间短；2) 温度低, （选择在生物物质的温度范围内）；3) pH适中;4) 严格清洗消毒（包括厂房、设备及管路，注意死角）。2、一般下游加工过程可分为4个阶段1)培养液（发酵液）的预处理和固液分离；2)初步纯化（提取）；3)高度纯化（精制）；4)成品加工。第十三章 细胞破碎1、Ks盐析法：在一定pH和温度下，改变体系离子强度进行盐析的方法；盐析法：在一定离子强度下，改变pH和温度进行盐析；常用的盐析用盐： 硫酸铵、硫

13、酸钠，磷酸盐，柠檬酸盐。第十五章 膜 过 滤 法1、 膜过滤法。包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种过程。市售的超滤器大致有四种型式：管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式。2、将下列表示相同意义的词连线separation factor 分离因子 membrane separation膜分离ion-exchange 离子交换 Biotechnology生物技术Metabolic Control fermentation 代谢控制发酵Downstream Processing 下游工程Chromatographic Resolution色谱分离Biocatalyst，

14、生物催化剂Orthogonal experimental design 正交实验设计response surface analysis响应面分析方法Inducible enzyme 诱导酶末端代谢产物阻遏(End-product repression)分解代谢产物阻遏(Catabolite repression)代谢工程（metabolic engineering) 临界氧浓度(critical value of dissolved oxygen concentration)补料分批培养（feed-batch culture， FBC）细 胞 破 碎 Cell Disruption高压匀浆法（

15、High-pressure homogenization盐析(Salt induced precipitation)微滤(Microfiltration，MF)超 滤 (ultrafiltration，UF )反渗透（Reverse osmosis，RO）纳滤(nanofiltration,NF)正相色谱（Normal Phase Chromatography，NPC），反相色谱（Reversed Phase Chromatography，RPC），第十六章 溶剂萃取和浸取1、常用聚合物双水相系统：聚乙二醇葡聚糖、聚乙二醇无机盐系统第十七章 离 子 交 换 法1、离子交换原理及分类离子交换树脂

16、是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。是一类带有官能团的网状结构的高分子化合物，其结构有三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的官能团和官能团所带的相反电荷的可交换离子。2、树脂按活性离子分类，活性离子是阳离子（和阳离子发生交换）就称为阳离子交换树脂；如果是阴离子，则称为阴离子交换树脂。3、离子交换树脂的理化性能指标1）外观；2）交联度；3）化学稳定性；4）机械强度；5）交换量4、影响离子交换树脂选择性的因素1）离子价数离子交换树脂总是优先选择高价离子，而低价离子被吸附时则较弱。5、离子交换树脂的工作过程：1）树脂预处理：新树脂装入柱后，先用去离子水浸泡12h左右，使树脂充

17、分吸水膨胀，再用2-3倍树脂体积的10%左右食盐水浸泡4h以上。用水洗净残留的NaCl，再根据树脂类型和使用所需要的型号分别用酸和碱处理，最后调pH值至所需范围。2）上柱交换交换方式：采用顺流和逆流进行3）洗脱：用亲和力更强的同性离子取代树脂上吸附的目的产物。4）树脂的再生：先用清水洗涤，然后用再生剂再生，最后用清水洗至所需pH值。6、工作过程：交换：利用ISEP离子交换系统，对膜滤液中的赖氨酸离子进行吸附，与其他杂质分离，吸附分离下来的废水及杂质排出柱体，吸附饱和的柱体进入洗脱回填区。回填：通过洗脱液回填压出柱体内的废水和杂质，以提高洗脱液纯度。洗脱：利用一定浓度的氨水消除酸性，将赖氨酸离子

18、从树脂上解析下来，并使树脂得到再生。转型：再生柱进入再生区经过稀硫酸转型后在吸附区达到最佳的吸附能力。第十八章 色谱分离法1、色谱分离（Chromatographic Resolution，CR）利用多组分混合物中各组分物理化学性质（如吸附力、分子极性、分子形状和大小、分子亲合力、分配系数等）的差别，使各组分以不同程度分布在固定相和流动相中。当多组分混合物随流动相流动时，由于各组分物理化学性质的差别，而以不同的速率移动，使之分离。特点分离效率高；检测能力强；样品用量少；适用范围广。2.色谱分离过程：两种组分的理化性质原本存在着微小的差异，经过反复多次地吸附解吸再吸附再解吸的过程使微小差异累积起

19、来，结果使吸附能力弱的组分先流出色谱柱，吸附能力强的组分后流出色谱柱，从而使各个组分得到了分离。3. 检测器UV-Vis、荧光、电化学、蒸发光散射、示差折光、质谱等检测器。第十九章 蒸发、蒸馏和结晶1、多效蒸发：第一个蒸发器(称为第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器(第二效)的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器 (第三效)的加热蒸汽，依此类推。第二十章 典型发酵产品介绍1、白酒的四大香型：米香型：桂林三花酒；发酵完成后经过反复二至三次蒸馏，酒精度数较高， 民间过去叫“三蒸酒”、“三熬酒”。酿酒师们总结出了“观花论酒”的经验。当酒度在55至 60时，由于液体表面张力，酒面晃

20、动便泛起数层酒花，经久不散。酿酒师们说“起花了，三花！”就接酒。酱香型 （茅型酒）茅台酒；原料为高粱，曲为纯小麦制高温曲，八次蒸料，八次下曲，八次发酵，八次蒸馏（但仅取酒7次，因为第一次蒸馏出的不作正品，泼回酒窖重新发酵）。浓香型 （庐型酒）：庐州老窖产于四川泸州市。千年窖，万年糟，传统的老五甑生产工艺，混蒸，主体香为己酸乙酯。纯小麦制大曲，以糯玉米为原料。根据酒的质量可分特曲、头曲、二曲和三曲。五粮液采用五种粮食（高梁、大米、糯米、小麦、玉米）为原料。清香型 （汾型酒）：汾酒产于山西汾阳县杏花村，二次发酵二次勾兑。前次发酵21天，蒸馏，加酒糟，再发酵21天，再蒸馏。清蒸二次清工艺，乙酸乙酯和

21、乳酸乙酯两者的结合为主体香。2、青霉素生产工艺青霉素簇和头孢菌素簇是临床上最为重要的抗生素，属于-内酰胺类抗生素。青霉素(Benzylpenicillin / Penicillin)是指分子中含有青霉烷酸，能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素。3、青霉素的生物合成过程：（1）在青霉素发酵中，已知产黄青霉利用葡萄糖和氨，经由a氨基己二酸、半胱氨酸和缬氨酸在三肽合成酶的催化下合成三肽，异青霉素N合成酶催化发生环化生成异青霉素N，再与苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰甘氨酸等在异青霉素N酰基转移酶催化进行转酰基反应，产生青霉素G 。（2）常用菌种为产黄青霉。（3）发酵控制加糖控

22、制一般在残糖将至0.6左右，pH上升时开始加糖。补氮及加前体加硫酸铵、氨水或尿素，使发酵液氮源控制在0.010.05。补前体以使发酵液中残余苯乙酰胺浓度为0.050.08。pH控制加酸或碱自动控制pH，一般为6.46.6。温度控制一般前期2526，后期23，以减少后期发酵液中青霉素的降解破坏。通气和搅拌抗生素深层培养需要通气与搅拌。4、枯草杆菌BF-7658液体深层发酵生产-淀粉酶的发酵控制：工艺流程：5、 二步发酵法生产维生素C工艺有酸转化工艺和碱转化工艺两种。维生素C（2,3,4,5,6-五羟基-2-己烯酸-4-内酯 ）的合成方法主要有莱氏化学合成法和微生物发酵合成法两种。酸转化设备简单、

23、流程短，但制得的维生素C破坏严重、质量差，设备腐蚀严重，三废多，因此逐渐淘汰。碱转化虽然流程较长、投资大，但产品质量好，故目前绝大部分工厂均采用碱转化工艺。1985年转让二步发酵法生产维生素C工艺给世界上生产维生素最大企业瑞士霍夫曼罗氏制药公司。我国医药工业史上首次出口技术。二步发酵法的整个生产工艺流程可分为发酵、提取、转化和精制四部分6、谷氨酸发酵菌种主要是棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌。这些菌都是需氧微生物，都需要以生物素为生长因子。7、 柠檬酸的发酵生产工艺以糖质原料发酵生产柠檬酸的常用菌种是黑曲霉8、黑曲霉柠檬酸的积累机制总结1) Mn2缺乏抑制了蛋白质合成，导致细胞内NH4浓度升高，解除了对磷酸果糖激酶（PFK）的抑制，促进了EMP途径的畅通；2) 丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制，可以不断地提供草酰乙酸。同时组成型柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸能力。3) 控制Fe2+含量，顺乌头酸酶活力低，柠檬酸进一步代谢减少，使柠檬酸积累；4) 柠檬酸积累使pH值降低，在低pH值下，顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，就更有利于柠檬酸的积累并排出体外。发酵操作方法分为不置换法和置换法两种。柠檬酸提取方法