发酵工程与设备习题问题详解Word格式.docx

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表现：

菌种的退化可以是形态上的，也可以是生理上的，如原有细胞形态性状变得不典型，菌种生长速度变慢，产生的孢子变少，代产物生产能力下降等。

原因：

一是菌种保藏不当；

二是菌种生长的要求没有得到满足。

方法：

1）减少传代次数；

2）创造良好的培养条件；

3）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；

4）采用有效的菌种保藏方法；

最有效的方法是菌种复壮，具体是

采用纯种分离技术选出优良菌株；

寄生性菌株通过在寄主体生长恢复寄生性；

淘汰衰退的个体。

4.说明菌种保藏的基本原理和方法，并指出国的菌种的主要保藏机构。

原理：

根据菌种特性，创造有利于其休眠的环境（如干燥、低温、缺氧、缺乏营养、加保护剂等）保存孢子、芽孢等的休眠体。

斜面低温保藏法；

液体石蜡封存保藏法；

砂土管保藏法；

悬液保藏法；

真空冷冻干燥保藏法；

低温保藏法；

液氮超低温保藏法。

CGMCC普通微生物菌种保藏管理中心

CCTCC中国典型培养物保藏中心

ACCC中国农业微生物菌种保藏管理中心

AS-IV中国科学院病毒研究所

CFCC中国林业微生物菌种保藏管理中心

CICC中国工业微生物菌种保藏管理中心

CMCC中国医学细菌保藏管理中心

CVCC兽医微生物菌种保藏管理中心

GIMCC省微生物研究所微生物菌种保藏中心

SH市农业科学院食用菌研究所

BCRC生物资源保存及研究中心

5.常用的工业微生物种类有哪些？

每种举3个典型代表并说明其主要发酵产品。

细菌:

枯草芽孢杆菌；

乳酸杆菌；

醋酸杆菌；

棒状杆菌；

短杆菌。

淀粉酶；

蛋白酶；

乳酸；

氨基酸；

肌苷酸

放线菌：

常用的放线菌：

链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。

能产生多种抗生素。

如链霉素、红霉素、金霉素、庆大霉素等

酵母菌：

啤酒酵母；

假丝酵母；

类酵母；

酿酒；

面包；

低凝固点石油；

脂肪酶；

酵母菌体蛋白

霉菌：

根霉、毛霉、犁头霉，红曲霉，曲霉、青霉，酶制剂；

抗生素；

有机酸；

甾体激素等

6.采取什么方法能够分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物？

（1）取样：

从苯含量较高的环境中采集土样或水样；

（1）配制培养基，制备平板：

一种仅以苯作为唯一碳源（A），另一种不含任何碳源作为对照（B）；

（3）稀释：

将样品适当稀释（十倍稀释法），涂布入平板；

（4）培养：

将平板置于适当温度条件下培养，观察是否有菌落产生；

（5）选择培养：

将A平板上的菌落编号并分别转接至B平板，置于相同温度条件下培养（在B平板上生长的菌落是可利用空气中CO2的自养型微生物）；

（6）筛选培养：

挑取在A乎板上生长而不在B平板上生长的菌落，在一个新的A平板上划线、培养．获得单菌落，初步确定为可利用苯作为碳源和能源的微生物纯培养物；

（7）将初步确定的目标菌株转接至以苯作为惟一碳源的液体培养基中进行摇瓶发酵实验，利用相应化学分析方法定量分析该菌株分解利用苯的情况。

第三章

1.简要说明工业发酵培养基的选择依据。

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应能满足总体工艺的要求，如不影响通气、提取、纯化及废物处理等。

2．发酵过程中泡沫形成的原因是什么？

有何危害？

如何消除泡沫？

与培养基的组分或微生物产生的一些因子有关，主要是培养基中的蛋白质在气液界面处形成稳定薄膜所致。

泡沫会导致培养基中的细胞逃逸进而自溶，释放出胞蛋白，进一步增加泡沫的稳定性。

危害：

导致发酵罐工作容积减小；

传质传热速率降低；

干扰传感器使发酵过程的监控失效；

空气过滤器受潮易污染杂菌；

发酵液逃逸导致产物损失。

消泡沫方法：

改用合成培养基，改进某些物理参数（如pH、温度、通风和搅拌）；

利用机械消泡器；

利用消泡剂（会降低传氧速率）。

3.种子培养基和发酵培养基有何异同？

1种子培养基的糖分较少，氮源较多

2种子培养基应和发酵培养基成分相近

3对于连续发酵，种子培养基和发酵培养基应当相同

4对抗生素发酵，种子培养基应含有充足的碳源和氮源

4.在设计某一发酵培养基时应当了解哪些知识？

①根据前人的经验和培养基成分确定一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分

②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；

③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

第四章

1.什么叫对数残留定律？

在应用对数残留定律进行培养基灭菌工艺条件计算是灭菌度一般选多少？

对数残留定律：

培养基中的微生物受热的死亡速率与残存的微生物数量成正比，即

通常生产中取培养基的灭菌要求即灭菌度为N=10-3个/罐

2.选用什么灭菌工艺条件既能达到灭菌要求，又能减少营养物质的破坏。

为什么？

连续灭菌。

高温短时，当灭菌温度上升时，微生物杀灭速度的上升，超过培养及成分的速度，根据这一理论，培养基灭菌采用高温短时间的方法，以减少营养成分的破碎，营养成分虽因温度增加，破坏也增加，但因灭菌温度大为缩短，总的破坏量因此减少。

3.过滤除菌的机理有哪些？

纤维介质过滤除菌起作用的是哪几个机理？

惯性作用；

扩散作用；

静电吸附；

拦截作用

1>

惯性冲击（捕集）作用2>

拦截捕集作用3>

扩散作用4>

重力沉降作用5>

静电吸引作用

4.一台连续灭菌器的灭菌温度是129.5℃，要求在40min对30m3的培养基进行灭菌,培养基的原始污染度是105个菌/cm3,要求灭菌后30m3培养基中只有一个菌，试计算灭菌时间应为多长（已知129.5℃下枯草杆菌芽孢比热死速率常数是28.7min-1）。

解：

根据对数残留定律

5.某发酵罐的通风量为103/min，发酵周期100h，要求倒罐率为0.1%，原始空气含菌量为5000个/m3，试计算过滤器过滤介质的厚度（选用直径为16μm的棉花纤维，当空气的流速为0.1m/s时过滤常数是0.135cm-1）。

第五章

1．单细胞微生物分批培养过程分为哪几个时期？

各个时期的比生长速率分别是多少？

细胞生长可分为迟滞期、加速期、对数生长期、减速期、稳定生长期和衰亡期6个阶段。

迟滞期，将少量的单细胞接种到一定体积的固定培养基中，开始阶段细胞并不分裂，细胞数目不增加这一阶段称为迟滞期。

.加速期，经过迟滞期后，细胞开始大量繁殖，进入一个短暂的加速期并很快到达对数生长期。

对数生长期，微生物经过迟滞期的调整后，进入快速生长阶段，使细胞数目和菌体质量的增长随培养时间成直线上升，这一时期称为对数生长期。

.减速期，分批培养中，微生物群体不会长时间保持指数增长这是由于营养物质的缺乏代产物的积累，从而导致生长速率下降。

进入减速期

稳定生长期，微生物在对数生长后期，随着基质的消耗，即当限制性基质浓度S=Ks时，基质则不能支持微生物的下一集细胞分裂。

.衰亡期，稳定生长期后，随着基质的严重缺乏，代产物得更多积累，细胞的能量储备消耗完毕以及环境条件的恶劣变化使细胞生长进入衰亡期。

2.何为分批式培养与发酵、连续式培养与发酵、分批补液式培养与发酵？

试比较三者的优缺点及其在发酵工业中的应用情况。

分批培养与发酵法：

采用单罐液体深层发酵法，即液体培养基一次性投入发酵罐，灭菌、冷却、接种后，进行一次性培养与发酵，最后一次性收获的培养与发酵的方法。

连续培养：

指在以一定的速度向发酵罐连续供给新鲜培养基，同时以相同速度将培养液从发酵罐放出，从而使发酵罐液体量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长和进行代活动的方法。

优点：

恒定状态可有效地延长分批培养中的对数期，达到稳定高速培养微生物或产生大量代产物的目的。

避免分批培养所需的清洗、投料、灭菌、接种、放罐等各种操作，有利于提高生产率。

发酵产品质量稳定。

便于自动控制。

缺点：

菌种在长时间培养中易变异，且容易染菌。

若操作不当，新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合。

分批补料培养；

指在分批式培养液体深层培养至中后期时，通过间歇或连续向发酵罐中补加灭菌的新鲜液体培养基，增加发酵液的总量，以维持较高的发酵产物的增长幅度最后一次性收获的发酵方式。

与分批培养方式比较

.可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；

.对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；

在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率；

.微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；

并可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研究。

与连续培养方式比较

1不需要严格的无菌条件；

22.不会产生微生物菌种的老化和变异；

.最终产物浓度较高，有利于产物的分离；

.使用围广

3.何谓Monod方程？

简述Monod方程的指导意义、试用围以及在可逆性抑制剂作用下主要参数变化。

Monod方程——菌体生长比速μ与限制性基质浓度S的关系方程（见课本）

4．在分批式培养与发酵中，根据产物生成与微生物生长和基质消耗的关系，发酵动力学模型有哪些？

这些动力学模型对发酵生产实践有什么指导意义？

根据产物生成与微生物生长和基质消耗之间的关系，Gaden（1959）将分批发酵产物生成动力学类型分为生长偶联型、非生长偶联型和部分生长偶联型。

如果生产的产品是生长偶联型（如菌体与初级代产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；

如果产品是非生长偶联型（如次级代产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。

5.连续式培养发酵有哪些？

在开放式单级均匀混合非循环连续培养与发酵系统中，写出稀释度（D）与限制性营养物浓度（S）以及细胞浓度（x）的动力学的数学表达式，绘出稀释度（D）对限制性营养物浓度（S）、细胞浓度（x）、细胞生长速率（D·

x）、倍增时间（td）影响的动力学曲线并讨论其意义。

开放式与封闭式连续培养与发酵；

单级（罐）式与多级（罐）式连续培养与发酵均匀混合型与非均匀混合型连续培养与发酵；

循环式与非循环式连续培养与发酵

6.以生物素为限制性基质，当棒杆菌的比生长速率是0.036h-1时，生物素的浓度应该是多少？

已知该菌对生物素的最大比生长速率是0.2h-1，饱和常数是0.40μg/L。

（自己计算）

第六章

1、发酵罐应满足哪些基本要求？

能够保证无菌状态，可灭菌，耐2.5kg/cm2（表压）的压力；

提供好气（嫌气）环境；

设备能耗尽可能低；

具有温度控制、pH控制及取样装置；

蒸发损失不应过大；

设备操作、清洗和维护的人工尽可能少；

通用性；

壁要光滑、减少死角；

不同容积的设备应具有相似的几何形状，便于按比例放大；

成本尽可能低。

2、机械搅拌发酵罐搅拌器的型式有哪些？

各有什么特点和应用？

（1）轴向流的代表：

螺旋桨搅拌器

混合效果好

剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌轴上升，不能打碎气泡，不利于溶氧，只用于培养基的配制，料液的混合。

（2）径向流搅拌器的型式与特点：

圆盘平直叶涡轮搅拌器：

是径向流的代表，在圆盘上焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴向流差，不利于混合，径向流强，剪切作用强，有利于打碎气泡，溶氧效果好，功率消耗大。

圆盘弯叶涡轮搅拌器：

径向流较差，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平直叶，轴向流较强，混合效果较好，功率消耗小。

圆盘箭叶涡轮搅拌器：

径向流差，剪切作用小，溶氧效果差；

轴向流强，混合效果最好，功率消耗最小。

3、试比较机械搅拌发酵罐、自吸式发酵罐、和升气式发酵罐的结构和优缺点。

（1）气升式发酵罐：

特点及结构：

利用压缩空气的动能使醪液翻动，以减去机械搅拌和挡板，节省动力；

罐外冷却，减少了罐附件。

优点:

结构简单，附件少，容易制造，维修和清洗。

取消了搅拌转动，减少了投资，节省动力约50%，对菌体无损伤。

密封性能好，不易染菌。

能自消泡，不须加消泡剂。

装料系数高，可达80%-90%。

缺点:

耗气量非常大。

混合与通气相耦合问题，很难在不改变通气的条件下改变混合状况。

循环周期长，2.5分钟以上，对于好氧菌,不能满足溶氧需要。

对于粘度大的醪液，相间混和接触较差。

无菌空气压力高，罐压低，罐底易出现沉淀。

降温也比较困难。

（2）自吸式发酵罐：

特点不用空压机，在搅拌时或液体高速喷射时自动吸入空气。

不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.

搅拌转速要求高,如20立方米罐,要求400rpm,而通用罐<

200rpm,功率消耗大,产生泡沫多,装料系数减少，≤70%；

空气过滤器的阻力要求小;

发酵罐压力低,仅有0.1-0.2kg/cm2,易染菌,主要用于饲料酵母,液体醋等粗放的通风发酵。

（3）通用式发酵罐的优缺点

适用围广，便于控温，醪液混合效果好，罐压高。

搅拌功率消耗大，每立方米需2千瓦左右；

罐结构复杂，不易清洗，死角多，易渗漏，易染菌。

培养菌丝体时，搅拌易受伤。

需庞大的无菌空气制备系统，投资高，能耗高。

第七章

1什么叫搅拌轴功率？

搅拌器以既定的转速旋转时用以克服介质的阻力所需用的功率

2发酵工业常见的非牛顿型流体有哪些？

彬汉塑性流体

拟塑性流体

涨塑性流体

凯松体流体

3测定KLa的方法有哪些？

各有那些优缺点？

亚硫酸盐氧化法

方法简便，取样体积小，可减少由于发酵罐中液体体积的变化所造成的误差

费时长，准确性很差

排气法

A稳态法

快捷，一般仅需15min，可采用添加有死菌体的发酵培养基，适用于小型发酵装置

用于大型发酵罐时有一定的局限性，不能用于超过1m高的装置

B动态法

在真是的发酵体系中测定KLa；

在发酵过程的不同阶段都可进行；

测定迅速；

仅需复膜溶氧电极即可

溶氧浓度的增加围较小，对需氧量接近发酵罐供氧能力的发酵过程不适用；

恢复通风后，微生物的呼吸速率xQO2不是一个常数；

在高于1m的发酵罐中用此法测定的Kla值明显偏低；

不适用于黏性体系

氧的衡算法

最简便；

可在发酵过程中测定溶氧效率

4影响发酵罐的KLa的因素有哪些？

其机理是什么？

空气流速

KLa随空气流速的增加而增大，但空气速度过大，则可使叶轮发生过载

搅拌

打散气泡，增大气液接触面；

形成涡流，延长气泡在液体中停留时间；

形成湍流，减小气泡外的液膜阻力；

避免菌丝结团，减少菌丝团阻力

发酵液的性质

黏度、pH、极性、表面力、离子浓度、菌体浓度等，都会影响气泡的大小、稳定性和氧的传递速率

5比拟放大的基准有哪些？

反应器的几何特征

2、氧的体积传递系数（kLa）

3、最大剪切力（对机械搅拌反应器，可用搅拌器叶尖线速度表示）

4、单位体积液体的搅拌消耗功率（P/VL）

5、单位反应器有效体积的通气速率（VVM）

6、通气表观线速度

7、混合时间

8、搅拌雷诺准数

7计算见课本

第八章

1PH对发酵过程有哪些影响，发酵过程中应如何控制PH？

（1）①影响酶活性，改变菌体的代途径

②影响细胞膜带电情况，改变膜透性，影响微生物对营养吸收及产物的分泌

③影响某些营养物质的可给性

④改变培养基的氧化还原条件

⑤影响产物的稳定性

⑥影响某些微生物的形态

（2）①调节基础培养基的配方

调整碳氮源的配比

调整生理酸/碱性物质的比例

使用缓冲剂或加入碳酸钙

②补料控制

H2SO4和NaOH直接控制

用补硫酸铵和氨水控制PH较高时补加硫酸铵。

当pH较低时补加氨水。

可以通过补加糖或油来调节pH

2溶解氧对发酵过程有哪些影响？

发酵过程中应如何控制溶解氧？

（10溶解氧影响菌体生长和代产物积累

对大多数需氧发酵，溶解氧高有利于菌体生长和产物合成，但并非越高越好

（2）提高溶氧的方法有：

改变气体成分，用纯氧增加氧分压，也成“富氧通气”

提高罐压，但CO2溶解度也增加

提高通气量，但会产生大量泡沫

提高搅拌速度和增加挡板，但工业化大生产中，大型发酵罐的转速一般都是固定的，高转速也造成大量泡沫产生

3发酵过程中泡沫消长的规律是什么？

应如何控制和消除泡沫？

（1）泡沫多少与通气搅拌的程度有关，搅拌是引起泡沫的主要原因。

泡沫的产生与培养基的成分有关，蛋白质原料是主要的发泡物质，丰富的有机质增加黏度，有利于泡沫的稳定。

灭菌方法也会影响泡沫的形成。

菌种不同，如有的生长慢，易起泡。

发酵过程中，初期泡沫稳定，随着营养物的分解利用，泡沫减少，发酵中后期，菌体大量繁殖，发酵液粘稠，菌体自溶造成可溶性蛋白质浓度增加，泡沫上升

（2）泡沫的消除：

①机械消沫：

在罐装消沫浆。

但作用不大。

②化学消沫：

A.消泡剂有天然油，豆油，菜子油等，它还作为碳源被菌利用。

B.高分子物质如聚氧丙烯甘油（GP）、聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE），又叫泡敌。

消泡能力比植物油60-80倍强。

目前工业上已取代油。

4发酵生产中应如何防治杂菌和噬菌体的污染？

（1）无菌检查

显微镜检查

无菌试验法

试剂盒检验法

（2）发酵设备的定期检查

（3）严格按要求进行操作

第十一章

1沉淀法主要包括哪些方法？

其机理分别是什么？

盐析法

破坏水化膜

破坏水化膜，暴露出憎水区域

中和电荷，减少静电斥力

等电点沉淀法

有机溶剂沉淀法

降低溶剂介电常数

相反力

非离子型聚合物沉淀法

与有机溶剂相似，能降低水活度，破坏蛋白质的水化膜。

常用非离子性聚合物为Polyethyleneglycol（PEG）：

是一种水溶性的高分子聚合物，分子量4,000以上的PEG可以用来沉淀蛋白质

聚电解质沉淀法

架桥与静电

金属离子沉淀法

2发酵工业常用的吸附剂有哪些？

应如何选用？

活性炭

它能吸附绝大部分有机气体以及恶臭物质

对SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害气体也有优良的吸附能力

性能稳定、抗腐蚀。

可燃性

活性氧化铝

无毒、对水的吸附容量很大

废气的净化

可在移动床中使用

硅胶

常用于处理含湿量较高的气体干燥，烃类物质回收等

沸石分子筛

常用于含SO2、NOX、CO、CO2、NH3、CCl4、水蒸汽和气态碳氢化合物废气的净化

大孔吸附树脂

选择性好，解吸容易、机械强度好、可反复使用和流体阻力较小

3多级逆流萃取流程的萃取机理是什么？

料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反

第十二章离子交换分离

1.常用的离子交换树脂有哪几种？

其交换机理是什么？

离子交换树脂

阳离子交换树脂：

强酸性阳离子交换树脂，弱酸性阳离子交换树脂

阴离子交换树脂：

强碱性阴离子交换树脂，弱碱性阴离子交换树脂

特种树脂：

大孔离子交换树脂，螯合树脂，多糖基离子交换剂，萃淋树脂

2.在发酵工业应如何选用离子交换树脂？

3.简述离子交换分离技术的基本原理。

离子交换分离技术是基于不溶性高分子化合物作为层析物质的一种分离方法。

通过分子中的活性离子将溶液中带相反电荷的物质吸附在离子交换剂上，然后用适当的洗脱溶剂将吸附物质再从离子交换剂上洗脱下来，从而达到目的产物的分离、浓缩和纯化的目的。

第十三章膜分离技术

1.截留分子量、膜的浓差极化和膜污染各是什么？

如何减轻膜污染？

截留分子量：

相当于一定截留率（通常为90%或95%）的相对分子量。

浓差极化:

在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。

膜污染:

由于溶质与膜的相互作用而在膜表面和孔吸附，或因浓差极化，溶质在膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”引起膜性能变化的现象。

对料液进行预处理：

除菌；

对膜进行预处理：

开发抗污染的膜；

改变操作条件：

加大料液流速。

2.什么是膜分离？

常用的膜分离过程有哪几种？

膜分离：

利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

反渗透，NF纳滤，Ultrafiltration超滤，微滤，一般过滤

膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。

3.什么是超滤？

影响超滤的因素有哪些？

超滤在发酵工业有哪些应用？

超滤：

分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02μm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可变化。

4.什么是反渗透？

简述其基本原理。

反渗透：

在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。

其基本原理为溶解扩散。

在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。

第十四章蒸馏设备

1.酒精发酵成熟醪中含有哪些杂质？

在蒸馏过程中应如何除去？

杂质类别

化学组成

理化特点

去除方法

头级杂质（醛酯杂质）

乙醛、乙酸乙酯、甲酸乙酯

沸点比乙醇低

排醛塔排至大气或冷凝收集做工业酒精

中级杂质（酯酒）

异丁酸乙酯、异戊酸乙酯等

沸点与乙醇接近

在塔顶滴加NaOH溶液，生成不挥发性盐类或沉淀

尾级杂质（杂醇油）

高级醇、戊醇、异丁醇、甘油、异丙醇等

沸点比乙醇高

在进料板以下（/上）第2~4块气（/液）相取出

端级杂质（甲醇）

甲醇

酒精浓度低时难挥发，酒精浓度高时易挥发

脱甲醇塔，自塔顶排出做工业酒精

2.两塔蒸馏流程液相过塔和汽相过塔各有哪些优缺点？

气相：

粗馏塔顶上升的酒精蒸汽直接进入精馏塔，可以节约加热蒸汽和冷却水

两塔直接联通，互相影响。

液相：

较气相过塔多一次排除头级杂质