發(fā)酵調(diào)控學(xué)復(fù)習(xí)題

1、發(fā)酵調(diào)控學(xué)復(fù)習(xí)題2011年一、簡答題1. 發(fā)酵調(diào)控學(xué)的原理通過掌握微生物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境的關(guān)系，設(shè)計(jì)、調(diào)控微生物的生活環(huán)境，使其產(chǎn)生期望的目的產(chǎn)物。掌握計(jì)算機(jī)在發(fā)酵控制方面的知識(shí)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷過程正常與否，制定優(yōu)化控制方案。同時(shí)掌握各類典型代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)與調(diào)節(jié)的參數(shù)。2. 檸檬酸的發(fā)酵生產(chǎn)原理果提取法：檸檬酸從檸檬、橘子、蘋果等檸檬酸含量較高的水果中提取。 生物發(fā)酵法：、表面發(fā)酵法。將原料先放入煮沸過內(nèi)加入水煮沸，一次加皇血鹽和EDTA二鈉鹽煮沸，配成培養(yǎng)基液，加入適量的硫酸銨、磷酸二氫鉀作為氮源和營養(yǎng)鹽，將培養(yǎng)基液在45-50度下送入發(fā)酵室，接入黑曲霉干孢，發(fā)酵， 、固體表

2、面發(fā)酵法：多以海藻酸鈉為載體 。將丙烯酰胺單體（ACAM）和N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）溶于水后與微生物細(xì)胞混合，加入四甲基乙二胺和過硫酸鉀，室溫下放置30min，得凝膠，提取，得檸檬酸。、深層發(fā)酵法 定向培養(yǎng)，使其適應(yīng)以糖蜜為原料的深層發(fā)酵，并提高菌株的產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率，對(duì)蜜糖進(jìn)行預(yù)處理、發(fā)酵、提取，得檸檬酸。3. 乳酸的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理發(fā)酵法；糖在乳酸菌作用下，調(diào)pH 5左右，保持50ºC發(fā)酵三-五天得粗乳酸。 同型發(fā)酵：微生物通過EMP代謝途徑發(fā)酵，乳酸是代謝唯一產(chǎn)物，異型發(fā)酵：微生物經(jīng)由Bifidus途徑和PK途徑生成乳酸、CO2和乙醇。合成法：合成方法制備乳酸有乳腈法、

3、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等，用于工業(yè)生產(chǎn)的僅乳腈法(也叫乙醛氫氰酸法)和丙稀腈法。乳腈法：乳腈法是將乙醛和冷的氫氰酸連續(xù)送入反應(yīng)器生成乳腈（或直接用乳腈作原料），用泵將乳腈打入水解釜，注入硫酸、水，使乳腈水解得到粗乳酸。然后再將粗乳酸送人酯化釜，加入乙醇酯化，經(jīng)精餾、濃縮、分解得精乳酸。4. 肌苷酸的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理枯草桿菌通過HMP途徑提供合成嘌呤、嘧啶和芳香族氨基酸的基本前體物5-磷酸核糖。要積累肌苷合成的前體，就得盡可能抑制EMP途徑，增強(qiáng)HMP途徑。 肌苷合成的直接前體IMP是嘌呤核苷酸合成的核心，從它分出兩條環(huán)行路線：一條經(jīng)XMP合成GMP，再經(jīng)GMP還原酶作用生成IMP；另一條經(jīng)過

4、SAMP合成AMP，再經(jīng)AMP脫氨酶作用生成IMP。 腺嘌呤、黃嘌呤雙重缺陷型、并對(duì)8-氮雜鳥嘌呤有抗性的枯草桿菌變異株，肌苷產(chǎn)量達(dá)22.3g/L，添加1次黃嘌呤則產(chǎn)苷高達(dá)33.1gL。5四環(huán)素的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理四環(huán)素生產(chǎn)采用合成金霉素的金色鏈霉菌菌種，通過在特定的培養(yǎng)條件下，控制產(chǎn)生菌的生物合成方向，使其產(chǎn)生95%以上的四環(huán)素。金霉素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與四環(huán)素十分相似，區(qū)別僅在C-7位上，以Cl取代了H。所以，金霉素又稱為7-氯四環(huán)素。金霉素鏈霉菌是金霉素的產(chǎn)生菌，但當(dāng)培養(yǎng)基中存在抑氯物質(zhì)時(shí)，由于氯的摻入受阻，而使得金霉素鏈霉菌的生物合成方向發(fā)生變化，并使四環(huán)素成為主要產(chǎn)物。本實(shí)驗(yàn)以M-促進(jìn)劑（硫

5、醇苯駢噻唑）作為氯化霉的抑制劑，以溴化鈉作為競爭性抑制劑進(jìn)行四環(huán)素的定向發(fā)酵。6、尿苷的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理從頭合成途徑（denovo synthesis）：體內(nèi)嘌呤核苷酸的合成代謝中，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及CO2等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)，合成嘌呤核苷酸稱為從頭合成途徑。補(bǔ)救合成途徑（salvage pathway）：利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)過簡單的反應(yīng)過程，合成嘌呤核苷酸。腺嘌呤 + PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸 ） AMP + PPi次黃嘌呤 + PRPP （5-磷酸核糖-1-焦磷酸 ） IMP + PPi鳥嘌呤 + PRPP （5-磷酸核糖-1-焦磷酸 ）

6、 GMP + PPi鳥苷的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理抗黃氨胍突變株，產(chǎn)量得到提高。其中枯草芽孢桿菌T104可以生成11.0g/I，對(duì)糖轉(zhuǎn)化率為13.8。SAMP合成酶缺失株，于34發(fā)酵70h，鳥苷產(chǎn)量達(dá)19g/L。酵過程中后期DO控制在20，對(duì)鳥苷發(fā)酵最合適，最高產(chǎn)苷達(dá)到17.7gL。7、紅霉素的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理原料在V型高速混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行混合均勻后送入揉和機(jī)與純水混合后制成軟體。送入制粒機(jī)制成圓柱形顆粒后進(jìn)入圓丸機(jī)制成濕潤的圓形顆粒，再進(jìn)入高效硫化床干燥機(jī)進(jìn)行干燥，干燥后進(jìn)入篩分機(jī)，其中篩上物料進(jìn)入包衣機(jī)噴灑一層包衣液，篩下物料回到高速混合機(jī)混合。包衣后物料送入干燥機(jī)干燥，過篩，篩上物料進(jìn)入膠囊機(jī)裝囊，

7、包裝成品。篩下物料回V型高速混合機(jī)。8、青霉素的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理天然青霉素：青霉素生產(chǎn)分菌種發(fā)酵和提取精制菌種發(fā)酵：將產(chǎn)青霉菌接種培養(yǎng)基上，在25下培養(yǎng)，得青霉菌孢子培養(yǎng)物。孢子制成懸浮液接種到培養(yǎng)基中，通空氣攪拌，在27下培養(yǎng)2428h，將種子培養(yǎng)液接種到含有苯乙酸前體的培養(yǎng)基中，通空氣，攪拌，在27下培養(yǎng)7天。提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻，過濾。濾液在pH22.5的條件下，進(jìn)行逆流萃取，得丁酯萃取液，轉(zhuǎn)入pH7.07.2的緩沖液中，然后再轉(zhuǎn)入丁酯中，將此丁酯萃取液經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得。半合成青霉素：以6APA為中間體與多種化學(xué)合成有機(jī)酸進(jìn)行?；磻?yīng)，可制得各種類型的半

8、合成青霉素。9、谷氨酸的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理由三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脫氫酶和氫供體存在下進(jìn)行還原性氨化作用而得到。淀粉的酸水解工藝1、調(diào)漿：干淀粉用水調(diào)成10-11Bx的淀粉乳，加鹽酸0.5-0.8至pH1.5。2、糖化：蒸汽加熱、加壓糖化25min。3、中和：冷卻至80，燒堿中和至pH4.0-5.0（避免產(chǎn)生焦糖又保證過濾，中和為沉淀膠體）。4、脫色：活性炭脫色和脫色樹脂?；钚蕴坑昧繛?.6-0.8，在70及酸性條件下攪拌后過濾。淀粉的酶法糖化工藝以大米或碎米為原料時(shí)采用大米浸泡磨漿，再調(diào)成15Bx，pH6.0，加細(xì)菌-淀粉酶在85 下液化30min，加糖化酶60 糖化24h，

9、過濾后可供配制培養(yǎng)基。10、維生素C的生物發(fā)酵生產(chǎn)原理萊氏法,這種方法是以葡萄糖媒促還原所制備D - 山梨醇為原料,由生黑葡萄糖酸桿菌或醋酸桿菌屬的某些菌株發(fā)酵產(chǎn)生L - 山梨糖,經(jīng)過酮化,化學(xué)氧化和水解幾步反應(yīng)過程即可得到VC 的重要前體- 2 - 酮基- L 古龍酸,再經(jīng)轉(zhuǎn)化生成VC。11、發(fā)酵終點(diǎn)的判斷方法。要確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間，須要考慮下列幾個(gè)因素：1.考慮經(jīng)濟(jì)因素:要以最低的成本獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間2.產(chǎn)品質(zhì)量因素:酵時(shí)間太短，勢必有過多的尚未代謝的營養(yǎng)物質(zhì)（如可溶性蛋白質(zhì)、脂肪等）殘留在發(fā)酵液中。發(fā)酵時(shí)間太長，菌體會(huì)自溶.故要考慮發(fā)酵周期長短對(duì)產(chǎn)物提取工藝的影響

10、.3.特殊因素:特殊情況下，如染菌、代謝異常.應(yīng)該及時(shí)采取措施（如改變溫度或補(bǔ)充營養(yǎng)等），并適當(dāng)提前或拖后放罐時(shí)間。確定放罐的指標(biāo)有：產(chǎn)物的產(chǎn)量、過濾速度、氨基氮的含量、菌絲形態(tài)、pH值、發(fā)酵液的外觀和粘度等。發(fā)酵終點(diǎn)的掌握，就要綜合考慮這些參數(shù)來確定。12、厭氧代謝的特點(diǎn)能量代謝 分解代謝 合成代謝13、補(bǔ)料、分批發(fā)酵的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，優(yōu)點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；（2）克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結(jié)束。補(bǔ)料-優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，能減緩代謝有害物的不利影響。受

11、發(fā)酵罐的體積限制，補(bǔ)料發(fā)酵雖補(bǔ)充養(yǎng)分或前體的不足，但有害代謝物的不斷積累，產(chǎn)物合成最終難免受到阻遏。分批發(fā)酵-操作簡單，周期短，染菌的機(jī)會(huì)減少，生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量易掌握。存在基質(zhì)抑制問題，出現(xiàn)二次生長現(xiàn)象。如對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物抗生素用分批發(fā)酵不合適；因其周期較短，一般在1-3天，產(chǎn)率較低。 養(yǎng)分易于耗竭，無法維持下去。14、連續(xù)發(fā)酵的特點(diǎn)又稱連續(xù)流動(dòng)培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質(zhì)對(duì)菌的生長就受到限制，培養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）維持低

12、基質(zhì)濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；（2）避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物；（3）可以提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產(chǎn)時(shí)間；（4）便于自動(dòng)控制。（5）有利于多種碳源的利用以及目標(biāo)產(chǎn)物的生產(chǎn)。生產(chǎn)率提高，設(shè)備利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。但連續(xù)培養(yǎng)也有缺點(diǎn)：（1）長時(shí)間的連續(xù)培養(yǎng)難以保證純種培養(yǎng)；（2）菌種發(fā)生變異的可能性較大。（3）工藝復(fù)雜，易污染，菌種突變難預(yù)測。15、舉例說明溫度對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)方向的影響例如，在四環(huán)類抗生素發(fā)酵中，金色鏈絲菌能同時(shí)產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素，在30時(shí)，它合成金霉素的能力較強(qiáng)。隨著溫度的提高，合成四環(huán)素的比例提高。當(dāng)

13、溫度超過35時(shí)，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。影響菌體生長-前高溫，后低溫。（復(fù)雜回答）四環(huán)素，0-30h高溫，30-150h低溫，150h以后高溫。青霉素，0-5h，30；5-40h，25；40-125h，20；125-165h，25；比恒溫培養(yǎng)產(chǎn)量提高15%。產(chǎn)物合成方向-金色鏈霉菌，30以下，合成金霉素能力強(qiáng)，35下，只合成四環(huán)素。20下，氨基酸合成途徑的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)酶的反饋抑制作用比正常溫度37下強(qiáng)。因此，在抗生素發(fā)酵后期，降低溫度，抑制蛋白質(zhì)、核酸的合成，促進(jìn)終產(chǎn)物合成。16、舉例說明補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)方向的影響在分批發(fā)酵過程中補(bǔ)人新鮮料液，以克服由于養(yǎng)分的不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)

14、束 能在系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，從而避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)和能夠按設(shè)備的通氣能力去維持適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵條件，并且能減緩代謝有害物的不利影響。受發(fā)酵罐的體積限制，補(bǔ)料-分批發(fā)酵雖可通過補(bǔ)料補(bǔ)充養(yǎng)分或前體的不足，但由于有害代謝物的不斷積累，產(chǎn)物合成最終難免受到阻遏。二、論述題（如果出現(xiàn)在簡答題部分，按簡答題要求答）1. pH在發(fā)酵過程中的變化及調(diào)控特點(diǎn)微生物生長過程中機(jī)體內(nèi)發(fā)生的絕大多數(shù)的反應(yīng)是酶促反應(yīng)，而酶促反應(yīng)都有一個(gè)最適pH范圍，在此范圍內(nèi)只要條件適合，酶促反應(yīng)速率最高，微生物生長速率最大，因此微生物生長也有一個(gè)最適生長的pH范圍。此外微生物生長還有一個(gè)最低與最高的pH范圍，低于或高出這個(gè)范

15、圍，微生物的生長就被抑制，微生物不同生長的最適、最低與最高的pH范圍也不同 pH通過影響細(xì)胞質(zhì)膜的透性、膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和物質(zhì)的溶解性或電離性來影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響微生物的生長速率。質(zhì)子是一種唯一不帶電子的陽離子，它在溶液里能迅速地與水結(jié)合成水合氫離子(H3O+等)。在偏堿性條件下，OH-占優(yōu)勢，水合氫離子和OH-對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的溶解度和離解狀態(tài)，細(xì)胞表面電荷平衡和細(xì)胞的膠體性質(zhì)等方面均會(huì)產(chǎn)生重大影響；在酸性條件下H+可以與營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合，并能從可交換的結(jié)合物或細(xì)胞表面置換出某些陽離子，從而影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時(shí)由于PH值較低，CO2溶解度降低，某些金屬離子如Mn2+、Ca2+、Mo2+等

16、溶解度增加，導(dǎo)致它們?cè)谌芤褐械臐舛仍黾?，從而?duì)機(jī)體產(chǎn)生不利的作用。2、糖在發(fā)酵工程中的調(diào)控特點(diǎn)糖化酶從非還原性末端水解a-1,6糖苷鍵。終點(diǎn)確定：DE值達(dá)最高時(shí)（DE值不再上升時(shí)），停止沒反應(yīng)（加熱至80°C，20min滅酶）。否則DE值將由葡萄糖經(jīng)a-1,6糖苷鍵起復(fù)合反應(yīng)而降低。糖化的溫度（50-60°C）和ph值（4.0-5.0）決定于所用糖化劑的性質(zhì)。琥珀酰CoA、-酮戊二酸或草酰乙酸，為三羧酸循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的限制因素。檸檬酸合成需要乙酰CoA、草酰乙酸，如草酰乙酸不足，便會(huì)積累乙酰CoA。若草酰乙酸過量，從丙酮酸轉(zhuǎn)化為蘋果酸的補(bǔ)給反應(yīng)便會(huì)受到抑制，從而避免它進(jìn)一步積累，

17、只有生成天冬氨酸，減少草酰乙酸的量，才能使抑制消失。2. OD對(duì)發(fā)酵過程影響的特點(diǎn)培養(yǎng)好氧微生物可以通過振蕩或通氣等方式使之有充足的氧氣供它們生長；培養(yǎng)專性厭氧微生物則要排除環(huán)境中的氧，同時(shí)通過在培養(yǎng)基中添加還原劑的方式降低培養(yǎng)基的氧化還原電勢；培養(yǎng)兼性厭氧或氧的耐氧型微生物，可以用深層靜止培養(yǎng)的方式等。3. 微生物次級(jí)代謝物生物合成的原理（1）前體存在，在適當(dāng)條件下它們便流向次級(jí)代謝物生物合成的專用途徑。（2）在某些情況下單體結(jié)構(gòu)單位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物、寡肽和聚醚類抗生素等 （3）這些特有的生物合成中間產(chǎn)物需作后幾步的結(jié)構(gòu)修飾，修飾的深度取決于產(chǎn)生菌的生理?xiàng)l件。（4）這些特有的生物合成中間產(chǎn)物需作后幾步的結(jié)構(gòu)修飾，修飾的深度取決于產(chǎn)生菌的生理?xiàng)l件4. 檸檬酸生產(chǎn)過程中黑曲霉長菌的最適PH為中性，而產(chǎn)酸的最適PH在2.02.5，菌蓋形成后，只是在菌蓋下面有一個(gè)低PH區(qū)域，菌體合成檸檬酸的活動(dòng)都是在這低PH區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，所以不應(yīng)該攪動(dòng)，避免低值區(qū)域的PH值上升而長菌不產(chǎn)酸，然而黑曲霉是好氧菌，談?wù)勀愕目捶?。要是淺盤發(fā)酵，表面發(fā)酵是氣相傳養(yǎng)，因此傳養(yǎng)效率高，所以只要保持室內(nèi)有適當(dāng)空氣流通就可以滿足霉菌對(duì)氧的需求。但是要注意較高的CO2會(huì)影響菌體的生長和降低產(chǎn)酸能力，一般將CO2控制在3%以下即可。當(dāng)時(shí)厚盤發(fā)酵時(shí)，在物料鋪攤厚度上，厚度發(fā)酵的曲霉厚度在50cm左右，比淺盤的1