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发酵工程复习资料
1.发酵工业的特点:
1．一步生产: 微生物发酵是由一系列极其复杂的生化反应组成, 反应所需的各种酶均包含在微生物细胞内。
2.反应条件温和
3.原料纯度要求低: 常以农副产品作原料, 如薯干、 麸皮等。原料来源丰富, 价格低廉。
4.设备的通用性高:对微生物发酵来说, 无论好氧发酵还是厌氧发酵, 它们的发酵设备都大同小异, 即好氧的一般都用搅拌式发酵罐加空气过滤系统。厌氧发酵都用密封式发酵罐。
5.对环境的污染相对较小: 发酵所用的原料是农副产品, 废水中虽然生物需氧量( BOD) 、 化学需氧量( COD) 较高, 但有毒物质少。
6.生产受自然条件限制小
2.发酵工业常见菌种类型:
细菌:枯草芽孢杆菌、 醋酸杆菌、 棒状杆菌、 短杆菌等
放线菌:链霉菌属、 小单胞菌属
酵母菌:啤酒酵母、 假丝酵母、 类酵母等
霉菌:根霉、 毛霉、 犁头霉、 红曲霉、 曲霉及青霉等
未培养微生物
3.发酵工业对菌种的要求:
1， 能够利用廉价的原料, 简单的培养基, 大量高效地合成产物
2, 有关合成产物的途径尽可能地简单, 或者说菌种改造的可操作要强
3, 遗传性能要相对稳定
4, 不易感染它种微生物或噬菌体
5, 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)
6, 生长快, 发酵周期短, 生产特性要符合工艺要求
7, 培养条件易于控制
4.微生物菌种的分离筛选的步骤:
样品采集→样品的预处理→目的菌富集培养→菌种初筛→菌种复筛→菌种发酵性能鉴定→菌种保藏。
5.诱变育种的基本步骤:
出发菌株的选择
处理菌悬液的制备
诱变处理
中间培养
分离和筛选
6.菌种变异及退化机理及其防止措施:
菌种退化主要指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株, 由于进行接种传代或保藏之后, 群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。
主要原因: 基因突变、 连续传代。
防止措施:采用减少传代、 经常纯化、 创造良好的培养条件、 用单细胞移植传代以及科学保藏等措施,不但能够使菌种保持优良的生产能力, 而且还能使已退化的菌种得到恢复提高。
7.设计适宜于工业大规模发酵的培养基应遵徇的原则:
必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。
有利于减少培养基原料的单耗, 即提高单位营养物质的转化率。
有利于提高产物的浓度, 以提高单位容积发酵罐的生产能力。
有利于提高产物的合成速度, 缩短发酵周期。
尽量减少副产物的形成, 便于产物的分离纯化, 并尽可能减少”三废”物质.
原料价格低廉, 质量稳定, 取材容易。
所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响, 利于提高氧的利用率, 降低能耗。
8.碳源作用及常见种类:
1、 作用: 提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必须的碳成分; 提供合成目的产物所必须的碳成分。2、 来源: 糖类、 油脂、 有机酸、 正烷烃、 低碳醇。( 特殊情况下, 如碳源缺乏时, 蛋白质水解物或氨基酸等也可被微生物视为碳源使用)
9.氮源的作用及种类: 主要用于构成菌体细胞物质( 氨基酸, 蛋白质、 核酸等) 和含氮代谢物。常见的氮源可分为两大类: 有机氮源和无机氮源。
无机氮源种类: 氨盐、 硝酸盐和氨水
有机氮源种类:花生饼粉、 黄豆饼粉、 玉米浆、 玉米蛋白粉、 蛋白胨、 酵母粉等
10.生长调节物质包括生长因子、 前体、 产物抑制剂和促进剂
11.培养基类型:
( 1) 斜面培养基( 2) 种子培养基( 3) 发酵培养基
12.不同发酵时期染菌对发酵的影响即如何让处理
( 1) 种子培养期染菌由于接种量较小, 生产菌生长一开始不占优势, 而且培养液营养丰富, 培养液中几乎没有抗生素( 产物) 或只有很少抗生素( 产物) 。因而它防御杂菌能力低, 容易污染杂菌。如在此阶段染菌, 应将培养液全部废弃。
( 2) 发酵前期染菌发酵前期最易染菌, 且危害最大。原因: 发酵前期菌量不很多, 与杂菌没有竞争优势; 且还未合成产物或产生很少, 抵御杂菌能力弱。在这个时期要特别警惕以制止染菌的发生。染菌措施: 能够用降低培养温度, 调整补料量, 用酸碱调pH值, 缩短培养周期等措施予以补救。如果前期染菌, 且培养基养料消耗不多, 能够重新灭菌, 补加一些营养, 重新接种再用。
( 3) 发酵中期染菌发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸, 培养液pH下降; 糖、 氮消耗快, 发酵液发粘, 菌丝自溶, 产物分泌减少或停止, 有时甚至会使已产生的产物分解。有时也会使发酵液发臭, 产生大量泡沫。措施: 降温培养, 减少补料, 密切注意代谢变化情况。如果发酵单位到达一定水平能够提前放罐, 或者抗生素生产中能够将高单位的发酵液输送一部分到染菌罐, 抑制杂菌。
( 4) 发酵后期染菌发酵后期发酵液内已积累大量的产物, 特别是抗生素, 对杂菌有一定的抑制或杀灭能力。因此如果染菌不多, 对生产影响不大。如果染菌严重, 又破坏性较大, 能够提前放罐。
13.杂菌污染的途径
( 1) 种子带菌
( 2) 设备的渗漏或”死角”
( 3) 空气带菌
(4)培养基灭菌不彻底
( 5) 操作不当
( 6) 噬菌体染菌
14.无菌技术包括:
干热灭菌法
湿热灭菌法
射线灭菌法
化学药剂灭菌法
过滤除菌法原理
火焰灭菌法原理
15.分批发酵: 是一种准封闭培养的例子, 是指一次性投料、 接种直到发酵结束, 此过程中发酵液始终留在发酵罐内。因此分批发酵的过程属于典型的非稳态过程。
16.连续发酵: 在分批发酵时向发酵罐以适当的速率添加新鲜培养基和放出等量的发酵液, 则能够获得一个相对稳定的连续发酵状态, 即在发酵罐中形成的新细胞数量与从发酵罐中流出的细胞数量相等。
17.影响微生物耗氧的因素
1， 微生物本身遗传特征的影响
2， 培养基的成分和浓度
3， 菌龄
4， 发酵条件
5， 代谢类型
18.泡沫的危害(泡沫对发酵的影响):
主要表现在: 1降低了发酵罐的装料系数。发酵罐的装料系数一般取0.7一般充满余下空间的泡沫约占所需培养基的10%, 且其余成分也不完全与主题培养基相同。
2增加了菌群的非均一性。由于泡沫高低的变化和处在不同生长周期的微生物随泡沫漂浮或粘附在罐壁上, 使这部分的菌体有时在气相环境中生长, 引起菌的分化甚至自溶, 从而影响了菌群的均一性。
3增加了污染杂菌的机会。发酵液溅到轴封等处, 容易染菌。
4大量起泡, 控制不及时回导致”逃液”, 导致产物流失。
5消泡剂的加入有时会影响发酵产量或给下游分离纯化与精致工序带来麻烦。
19.搅拌器的类型
1.平叶式2.弯叶式3.箭叶式,
20.全挡板条件: 指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。
21.机械搅拌发酵罐基本条件
1， 发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高, 氧的利用率越高。
2， 发酵罐能承受一定的压力。
3， 要保证发酵液必须的溶氧量。
4， 发酵罐应具有足够的冷却面积。
5， 搅拌器的轴封应严密, 防染菌和减少泄露。
6， 发酵罐内应尽量减少死角, 避免藏污纳垢, 灭菌能彻底, 避免染菌。
22.自吸式的特点
1， 不必配备空气压缩机及其附属设备, 节约投资。
2， 设备简单, 溶氧速率高, 能耗较低。
3， 用于酵母生产和醋酸发酵生产效率高。
4， 设备便于自动化, 连续化。
23.文饰管发酵罐的原理和优点
原理: 用泵将发酵液送入文氏管中, 由于发酵液在文氏管的收缩段中流速增加, 形成真空, 将空气吸入, 并使气泡分散与液体混合均匀, 提高发酵液的溶解氧。
优点: 吸氧的效率高, 气, 液, 固三相均匀混合, 设备简单, 无需空气压缩机及搅拌器, 动力消耗省。
24.清洁生产”清洁生产”定义为对生产过程和产品实施综合防治战略, 以减少对人类和环境的风险。对生产过程, 包括节约原材料和能源, 革除有毒材料, 减少所有排放物的排放量和毒性; 对产品来说, 则要减少从原材料到最终处理的产品的整个生命周期对人类健康和环境的影响。
25.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值影响微生物细胞膜所带电荷的改变, 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。
26.最适温度选择依据
1、 根据菌种及生长阶段选择
(1)微生物种类不同, 所具有的酶系及其性质不同, 所要求的温度范围也不同。
(2)根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少, 发酵目的是要尽快达到大量的菌体, 取稍高的温度, 促使菌的呼吸与代谢, 使菌生长迅速;
在中期菌量已达到合成产物的最适量, 发酵需要延长中期, 从而提高产量, 因此中期温度要稍低一些, 能够推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期, 产物合成能力降低, 延长发酵周期没有必要, 就又提高温度, 刺激产物合成到放罐。
2、 根据培养条件选择
温度选择还要根据培养条件综合考虑, 灵活选择。通气条件差时可适当降低温度, 使菌呼吸速率降低些, 溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时, 温度也该低些。因为温度高营养利用快, 会使菌过早自溶。
3、 根据菌生长情况
菌生长快, 维持在较高温度时间要短些; 菌生长慢, 维持较高温度时间可长些。培养条件适宜, 如营养丰富, 通气能满足, 那么前期温度可髙些, 以利于菌的生长。
总的来说, 温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要经过重复实践来定出最适温度。
27.温度对发酵的影响
1、 温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率, 酶反应有一个最适温度
2、 温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素, 当温度低于300C时, 这种菌合成金霉素能力较强; 温度提高, 合成四环素的比例也提高, 温度达到350C时, 金霉素的合成几乎停止, 只产生四环素。
温度还影响基质溶解度, 氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
28.种子扩大培养的目的
(1)接种量的需要
(2)菌种的驯化
(3)缩短发酵时间、 保证生产水平
29.影响培养基灭菌的因素
(1)微生物种类
(2)初始菌量
(3)培养基成份
(4)传热与混合状况
(5)培养基中固体颗粒的存在影响热穿透。
(6)蒸汽中空气的存在降低蒸汽分压和灭菌温度。
(7)pH值
30.发酵工业染菌危害
(1)发酵过程污染杂菌, 会严重的影响生产, 是发酵工业的致命伤。
(2)造成大量原材料的浪费, 在经济上造成巨大损失
(3)扰乱生产秩序, 破坏生产计划。
(4)遇到连续染菌, 特别在找不到染菌原因往往会影响人们的情绪和生产积极性。
(5)影响产品外观及内在质量
31.请设计一实验方案从自然界筛选产抗生素微生物。
因为细菌芽孢耐热性高,在筛选前可先进行预热,可杀死其中一些不耐热的细菌,在设计含有细菌成长所需营养物质的培养基,在涂一层抗生素,最后将菌株涂上去,培养一段时间后观察是否有抗生圈产生,,若有则为抗生素的芽孢细菌.
32.发酵工程发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系, 是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。
33.末端产物阻遏: 是指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。
34.分解代谢物阻遏: 是指有两种碳源( 或氮源) 分解底物同时存在时, 细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶的合成和累积。
35.Kla测定的方法
1.亚硫酸盐氧化法2.取样极谱法3.物料衡算法4.动态法5.排气法6.复膜电极法
36.代谢产物的合成与微生物生长的动力学关系→几种类型
1.生长相关型2.生长部分相关型3.非生长关联型
37.生长调节物质
1.生长因子: 从广义上讲, 凡是微生物生长不可缺少的数量的有机物质, 如氨基酸、 嘌呤、 嘧啶、 维生素等均称生长因子。
2.前体: 指加入到发酵培养基中, 能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去, 其自身的结构并没有多大变化, 可是产物的产量却因其加入而有较大提高的一类化合物。
3.产物合成促进剂: 指那些细胞生长非必须的, 但加入后却能显着提高发酵产量的一些物质, 常以添加剂的形式加入发酵培养基中。
38.PH调控一般有以下几种方法
①配制合适的培养基, 调节培养基的初始pH至合适范围并使其有很好的缓冲能力。
②培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂, 如CaCO3等防止pH过度下降。
③培养过程中加入基质性酸碱调节剂, 如氨水等。
④加生理酸性或碱性盐基质, 经过代谢调节pH。
⑤将pH控制与代谢调节结合起来, 经过补料来控制pH。过酸时, 加适量的氮源, 提高发酵的通气量; 过碱时, 适当增加碳源, 降低通气量。
39.临界氧浓度
指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度.对产物而言,就是不影响产物合成所允许的最低溶氧浓度.
40.底物比消耗速率:单位质量细胞在单位时间内的底物消耗量.
41.产物比生成速率: 单位质量的细胞在单位时间内生成产物的速率。
42.分批灭菌和连续灭菌的比较
分批灭菌优点: 1．不需附加设备2．蒸汽利用率高3．节约劳动力
缺点: 1．培养基质量比较差2．罐的利用率低3.冷却水用量大
连续灭菌优点: 1.采用高温快速灭菌法2．能够把培养基按其性质分开灭菌
3．有利于自动控制4．节省冷却水
缺点1．投资费用高2.对物料要求高3．蒸汽用量大
发酵罐的基本结构1、 罐体
2、 搅拌器和挡板
3、 消泡器
4、 联轴器及轴承
5、 变速装置
6、 空气分布装置
7、 轴封
8、 冷却装置