复习题及答案 生物工艺 发酵 期末 考试.docx

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复习题及答案生物工艺发酵期末考试

对数残留公式p93

式中：

t---灭菌时间（秒）；k---反应速度常数，与菌的种类和加热温度有关（s－１）

No---灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个）

Nt---经过灭菌时间t后，残存活菌个数（个）

连续发酵p161

是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使培养物能在近似恒定状态下生长的培养方式。

各速率p144

菌体生长速vx：

单位时间内细胞重量的变化；

式中：

X---细胞浓度，g/L;t---时间，h；μ---比生长速率，h-1

基质消耗速率vs：

单位时间内基质的变化量。

-------菌体生长速率

----菌体得率系数

产物生成速率：

单位时间内产物的变化量。

Vp=

各比速率

比生长速率：

是菌体浓度除菌体的生长速率和菌体浓度除菌体的繁殖速率。

在平衡条件下，比生长速率的定义为：

X--菌体浓度，t--时间。

比生长速率μ除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。

基质比消耗速率（γ，g／g菌体·h）qs：

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（

，g／g菌体·h）：

单位质量细胞在单位时间内生成产物的速率，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。

微生物耗氧速率p188

指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位mmolO2/（L.h）。

微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。

r=

式中r--微生物耗氧速率，mmolO2/（L.h）；

--菌体呼吸强度，mmolO2/（g.h）

X--发酵液中菌体的浓度,g/L

摄氧率p188

摄氧率（OUR）：

单位体积的发酵液在单位时间内的吸氧量，mmolO2/（L.h），摄氧率（耗氧速率）取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。

r=QO2.X

供氧与耗氧的动态关系：

OUR=r

呼吸强度p188

呼吸强度：

单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2/（g干菌体-h），表示微生物的相对吸氧量。

kLap187

即体积溶氧系数或液相体积氧传递系数。

代表氧由气相至液相传递的难易程度，它与发酵过程控制、放大和反应器设计密切相关。

可以用来衡量发酵罐的通气效率。

kLa受通气量、通气速率、搅拌轴功率等设备条件影响。

OTR：

氧传递速率，mmolO2/（L.h），氧由气相向液相的传递速率,表征发酵罐设备的供氧能力。

各得率系数p157

生长得率系数：

是指每消耗1mo1基质所产生的菌体重量（g）。

为菌体增加量，

为基质消耗量，即消耗

的基质生成

的菌体（此为实际的率）

产物得率系数：

每消耗1mol基质所生成的产物质量（g）。

为代谢产物生成量，即表示消耗

的基质生成

的产物。

基于氧的细胞得率系数：

是指每消耗1mo1基质所产生的菌体重量（g）

产物生成理论得率系数：

YP=

即表示理论时可以生成产物的量。

菌体生长理论得率系数：

YG=

即表示理论消耗一定基质可以使菌体生长得量

临界氧浓度

在好氧发酵中，微生物对氧有一个最低要求，满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度。

用Cr表示。

在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。

呼吸商（RQ）P195

RQ（呼吸商）=

。

RQ可以反映菌的代谢情况.。

酵母发酵RQ=1，糖有氧代谢，仅生成菌体，无产物生成；RQ>1.1，糖经EMP生成乙醇。

Monod方程p162

1942年，Monod首先提出分批发酵中比生长速率与限制性营养物浓度之间的关系符合方程：

式中：

S—限制性营养物质浓度，g/L；μmax–最大比生长速率；Ks—底物利用常数。

微生物培养种子异常表现p58

（1）生长发育缓慢或过快：

与孢子质量或种子罐培养条件有关。

生产中，通入种子罐的无菌空气的温度较低或者培养基的灭菌质量较差是种子生长代谢缓慢的主要原因。

（2）菌丝结团：

在液体培养条件下，菌丝聚集成团，影响氧及营养物质的吸收。

原因和搅拌效果差、接种量小有关。

（3）菌丝粘壁：

种子培养过程中，由于搅拌效果不好或泡沫过多及种子罐装料系数过小等原因使菌丝逐步粘在罐壁上。

其结果使培养液中的菌丝减少，可能形成菌丝团。

味精生产主要工序p289

味精生产全过程分为4个部分：

a.谷氨酸的中和b.中和液的除铁、除锌c.谷氨酸中和液的脱色d.中和液的浓缩和结晶。

亚硫酸盐法及碱法甘油发酵p115

亚硫酸盐法甘油发酵:

正常情况酵母菌在无氧条件下：

丙酮酸→乙醛→乙醇。

当加入NaHSO3,乙醛+NaHSO3,→CH3C（OH）HOSO2Na（难溶结晶状加成物），乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，生成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油经脱磷酸而有甘油累积。

1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP结余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸氢钠不能加太多，否则会使酵母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以便获得一些能量，供生命活动所需。

碱法甘油发酵：

正常情况酵母菌在无氧条件下：

丙酮酸→乙醛→乙醇。

酒精酵母，发酵液保持碱性，pH7.6以上，发酵产生的乙醛不能作为受氢体，而是2分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。

此时，由3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH2用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油。

不产生ATP。

杂菌污染途径p233

一、种子带菌二、空气带菌；三、操作失误导致染菌

四、设备渗漏或“死角”造成的染菌；五、噬菌体污染

影响种子质量的因素p56

a.孢子质量:

温度、湿度,培养时间、冷藏时间（总的原则是冷藏时间宜短不宜长）

b.培养基：

营养成分适合种子、PH要稳定适合菌的生长发育。

c.种龄:

种子培养时间称为种龄。

在工业发酵生产中，一般都选在生命力极为旺盛的对数生长期，菌体量尚未达到最高峰时移种。

d.接种量:

接种量大小与菌种特性、种子质量和发酵条件有关。

e.培养条件:

影响因素为温度、pH值、搅拌速度、通气量等。

氧的传递方程p187

在稳定状态时，单位接触面氧的传递速率为：

OTR=KG（p-p*）=KL（c*-cL）

式中：

KG---以氧分压差为总推动力的总传质系数，kmol/（m2.h.MPa）

KL---以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/h

P*---与液相中氧浓度cL相平衡时氧的分压，MPa

C*---与气相中氧分压平衡时的液相氧的浓度，kmol/m3

正交试验p64

嘌呤核苷酸的生物全合成途径（主要途径）p130

从磷酸核糖开始，和谷氨酰胺、甘氨酸、CO2、天冬氨酸等代谢物质逐步结合，最后将环闭合起来形成肌苷酸（IMP），IMP继续向下代谢转化为腺嘌呤核苷一磷酸（AMP）及鸟嘌呤核苷一磷酸（GMP）。

从IMP转化为AMP及GMP的途径，在枯草芽孢杆菌中，分出两条环形路线：

一条是经过XMP（黄嘌呤核苷一磷酸）合成GMP，在经过GMP还原酶扥作用生成IMP；另一条经过SAMP（腺苷琥珀酸）合成AMP，再经过AMP脱氨酶的作用生成IMP。

恒化法

控制恒定的流速，使由于细菌生长而耗去的营养及时得到补充，培养室中营养物浓度基本恒定，从而保持细菌的恒定生长速率，故称恒化连续培养。

（培养基速率固定）

恒浊法

不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定的连续培养方法叫恒浊连续培养。

（菌体密度固定）

连续发酵中为什么μ=D，单级连续发酵稀释率公式p162

对发酵反应系统来说，细胞的物料平衡可表示为：

流入的细胞—流出的细胞+生长的细胞—死去的细胞=积累的细胞，即

式中：

:

流入发酵罐的细胞浓度，g/L;

:

流出发酵罐的细胞浓度，g/L.;

:

比生长速率，h-1;F:

培养基流速，L/h;V:

发酵罐内液体的体积，L;

k;比死亡速率，h-1：

t;时间，h

对普通单级连续发酵而言，

=0，在多数连续培养中

>>k,所以方程简化为

定义稀释率D=

单位为h-1在恒定状态时，

=0，所以

=

即在恒定状态时，比生长速率等于稀释率。

即

=D.

双酶法（喷射法）工艺流程p81及液化与糖化检验方法及原因

调浆---->配料---->一次喷射液化------>液化层流罐保温------>二次喷射液化----->高温维持罐----->二次液化----->冷却---->糖化

1．测定液化反应终点（碘反应）

取淀粉液化液数滴，滴加碘液进行检测。

淀粉在α-淀粉酶的作用下，随着水解程度的加深，其碘色反应发生如下变化：

蓝→紫→红→浅红→不显色（即碘原色）。

2．糖化终点测定（无水乙醇检验）

取糖化液数滴，滴入无水乙醇中，看是否生成白色絮状物。

若无白色絮状物生成，表明糖化比较彻底。

用公式说明微生物生长代谢中碳源用途及理论得率p165

微生物生长代谢中碳源用途:

a.满足菌体生长的消耗，可用

表示，

b.维持菌体生存的消耗，用

表示。

C.代谢产物积累的消耗，用

表示。

=

+

+

设YG表示用于生长的碳源对菌体的得率常数，则有

设m表示微生物的碳源维持常数，则有

设Ym表示碳源对代谢产物的得率常数，则有

所以

谷氨酸等电点提取流程及工艺参数，工业上如何结合使用离子交换法，理由p288

1.流程：

将发酵液加盐酸调PH至谷氨酸的等电点PH=2.33,使谷氨酸沉淀析出。

原因：

谷氨酸分子中有两个酸性羧基和一个碱性氨基，pk1=2.91、pk2=4.25、pk3=9.67,其等电点为3.22.

2.先将发酵液稀释到一定浓度，用盐酸将发酵液调至一定PH，采用阳离子交换树脂吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，得到浓缩与提纯的谷氨酸。

贴壁依赖型动物细胞需要用何种方法培养，支持物有哪些p259264

1.动物细胞无论是贴壁培养或是悬浮培养，均可用分批式、流加式、半连续式、连续式等培养方式。

2.支持物：

玻璃、塑料制品、微载体。

植物细胞培养基的组成及植物细胞培养方法p270

植物细胞培养与动物细胞培养相比，其最大的优点是植物细胞能在简单的合成培养基上生长。

其培养基的成分有碳源、有机氮源、无机盐类、维生素、植物生长激素和有机酸等其他物质。

植物细胞培养的方法有单倍体细胞培养、原生质体培养、固体培养、液体培养、悬浮培养和固定化培养。

发酵过程中为什么要对pH值进行控制,p182

pH对发酵的影响

（1）pH影响酶的活性。

当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻。

（2）pH影响微生物细胞膜所带电荷。

从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行。

（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。

（4）pH值影响代谢方向。

pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。

（5）pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响，因此应该按发酵过程的不同阶段分别控制不同的PH范围，使产物的产量达到最大。

影响发酵温度的因素，p180

发酵过程中既有产生热量的因素，又有散失热能的因素，因而引起发酵温度的变化。

发酵热是引起发酵过程温度变化的主要原因。

所谓发酵热:

发酵过程中释放出来的净热量。

Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射

产生热量的因素：

a.生物热：

由于菌体的生长繁殖和形成代谢产物，不断地利用营养物质，将其分解氧化获得能量，其中一部分能量用于合成高能化合物，供合成细胞物质和合成代谢产物所需要的能量。

其余部分以热的形式散发出来，这就是生物热。

b.搅拌热：

机械能转变为热能的热功当量,是由于搅拌带动发酵液作机械运动,造成液体之间,液体和设备之间的摩擦产生的,数量可观。

散失热能的因素：

a.蒸气热：

通气时，引起发酵液水分蒸发，发酵液因蒸发而被带走的热量称为蒸发热。

b.辐射热：

因发酵过程温度与周围环境温度不同，发酵液的部分热量通过罐体向外辐射。

客观存在的大小，取决于罐内外温度差，冬天大些，夏天小些。

一般不超过5%

温度的控制（降温），p182

a.利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。

b.如果气温较高，冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。

供氧与微生物代谢的关系，p186

1.好氧微生物的生长发育、繁殖和形成代谢产物都需要消耗氧气以完成生物氧化、菌体生长和代谢产物生成的作用。

2.氧是构成细胞本身和代谢产物的组分之一（如氧作为受氢体形成水）

3.氧直接参与一些生物反应

如何控制溶氧,

溶氧浓度决定因素：

供氧和需氧两方面。

供氧方面：

设法提高氧传递的推动力和液相体积溶氧传递系数Kla值。

1.改变通气速率（增大通气量），在低通风量情况下，增大通风量对提高溶氧效果显著。

2.改变搅拌速度，气泡可充分破碎，增大有效气液接触面积；液流滞留增加，液膜厚度减小，提高供氧能力。

3.改变气体组成中的氧分压，通入纯氧，可提高c*值，提高供氧能力。

4.改变罐压，增加罐压。

5.改变发酵液的理化性质，如温度，培养基的物理性质。

（二）需氧方面：

发酵液的摄氧速率随菌体浓度增加而按比例增加，但氧的传递速率是随菌体浓度的对数关系减少的，因此可以控制菌的比生长速率比临界值略高一点的水平达到最适浓度。

（三）还可采用调节温度、中间补水、添加表面活性剂等工艺措施来改善溶氧水平。

固定化细胞在基因工程菌中应用优点，原因p245

1.质粒的不稳定性对基因工程菌的培养和产物的生产有着极大的影响，将基因工程菌株固定化后培养可增加基因工程菌的稳定性。

提高生物量和提高克隆基因产物的产量。

2.非生长的基因工程菌的固定化，可提高其半衰期并能稳定操作较长时间。

3.基因工程提供了改良的微生物，在利用这些微生物的时候，人们自然地考虑到使用具很多优势的固定化技术，基因工程菌的固定化研究推动了固定化技术的发展。

生物素缺陷型对工业发酵中谷氨酸大量积累起到哪些作用？

生物素是如何影响细胞膜的通透性的？

说明生产中如何控制工艺使谷氨酸大量积累（具体）p288

生物素缺陷型对工业发酵中谷氨酸能大量积累起到哪些作用

生物素缺陷型菌种不能合成生物素，抑制不饱和脂肪酸的合成。

磷脂合成量减少，细胞膜的通透性增大，提高谷氨酸的产量。

控制细胞膜通透性

生物素充足的条件下：

合成完整的细胞膜，积累的谷氨酸不能及时转到胞外，引起反馈抑制，不利于谷氨酸的合成。

生物素不足的条件下：

谷氨酸生产菌大多为生物素缺陷型，谷氨酸发酵时通过控制生物素亚适量，使最后一代细菌细胞变形、拉长，改变了细胞膜的通透性，引起代谢失调，使谷氨酸得以积累。

为了提高谷氨酸的产率一般可采取以下几种途径：

p288P125

（1）对数生长期：

随着氨被利用，PH值又下降，溶氧浓度急剧下降，然后又维持在一定水平上。

为了及时供给菌体生长必需的氮源及调节培养液的PH值至7.5~8.0，必须流加尿素。

（2）谷氨酸合成阶段：

为了提供谷氨酸合成所必须的氨及维持谷氨酸合成最适的PH=7.2~7.4，必须及时流加尿素，又为了促进谷氨酸的合成需加大通气量，并将发酵温度提高到谷氨酸合成最适的温度34~37度；

（3）发酵后期：

菌体衰老，糖耗缓慢，此时流加尿素必须相应减少，当营养物质耗尽酸度不再增加时，需及时放罐。

损耗。

柠檬酸生物合成途径。

柠檬酸的积累机制？

如何控制柠檬酸发酵使之大量积累？

p285

1.柠檬酸生物合成途径

葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸，丙酮酸在有氧条件下，一方面氧化脱羧生成乙酰CoA，另一方面经丙酮酸羧化生成草酰乙酸，草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成酶的作用下缩合生成柠檬酸。

2.柠檬酸积累机制是:

p122

1Mn2+缺乏，抑制了蛋白合成导致细胞内NH4+浓度升高；

一条呼吸活动强的侧系呼吸链不产生ATP；

这两方面因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径畅通。

②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2的固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。

③控制Fe2+含量时，顺乌头酸水合酶活力降低，使柠檬酸积累。

顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡：

柠檬酸：

顺乌头酸：

异柠檬酸=90：

3：

7

④随着柠檬酸积累，pH降低到一定程度时，使顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠檬酸自身的积累。

⑤由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断地提供草酰乙酸。

3.控制柠檬酸发酵使之大量积累p121

（1）EMP畅通无阻：

控制Mn2+，提高NH4+，解除柠檬酸对PFK的抑制。

控制溶氧，防止侧系呼吸链失活。

（2）通过CO2固定反应生成C4二羧酸，保持中间产物的及时补充，保证柠檬酸的积累。

（3）菌体生长到足够菌数时，适量加入亚铁氰化钾，使铁硫中心的Fe2+生成配合物，则顺乌头酸酶失活或活性很低，而积累柠檬酸。

固定化细胞与固定化酶比较的优点p245

1.固定化细胞保持了胞内酶系的原始状态与天然环境，因而更稳定。

2.固定化细胞保持了胞内原有的多酶系统，这对于多步催化反应的优势更加明显，且无需辅酶再生。

3.固定化增殖细胞发酵具有显著的优越性：

a.固定化细胞的密度大、可增值，因而可获得高度密集而体积缩小的工程菌集合体，不需要微生物菌体的多次培养、扩大，从而缩短了发酵生产周期，提高生产能力。

b.发酵稳定性好，可以较长时间反复使用或连续使用。

C.发酵液含菌体较少，有利于产品分离纯化，提高产品质量。