微生物工程工藝原理

微生物工程工藝原理緒論一、名詞解釋微生物工程：微生物工程是指利用微生物的特性和代活動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)在發(fā)酵和分離提取以與微生物機(jī)能的利用。發(fā)酵工程：是研究生物技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各單元操作的工藝和設(shè)備的一門學(xué)科，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。也叫微生物工程。二、問(wèn)答題2、微生物工業(yè)生產(chǎn)主要有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？?jī)?yōu)點(diǎn)：1變獲得有益的突變株，使生產(chǎn)產(chǎn)率提高。2、微生物酶的種類很多，能催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，發(fā)酵過(guò)程應(yīng)設(shè)備一次完成。3、反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，條件溫和，能耗少，可以用簡(jiǎn)易的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)多種多樣的產(chǎn)品。4工業(yè)廢水或可再生資源，微生物能有選擇地吸收所需物質(zhì)。5、容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇性地在復(fù)雜化合物的特定部位進(jìn)行氧化、還原、轉(zhuǎn)化等反應(yīng)。6、發(fā)酵過(guò)程需要防止雜菌污染，培養(yǎng)基需要進(jìn)行滅菌，設(shè)備也需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌，空氣需要過(guò)濾等。缺點(diǎn)：1造成提取和精制的困難。2、微生物反應(yīng)是活細(xì)胞反應(yīng)，除受環(huán)境因素影響外，也受細(xì)胞因素影響，且菌體易變異，實(shí)際控制難。3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價(jià)廉，但質(zhì)量和價(jià)格波動(dòng)大。4、生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，花費(fèi)高，反應(yīng)器效率低。5物濃度不能很高，導(dǎo)致使用大體積的反應(yīng)器，并要在無(wú)雜菌污染情況下進(jìn)行操作。6CODBOD，放，生產(chǎn)門檻高，資金投入較大。3、一般發(fā)酵過(guò)程主要有哪幾部分組成？典型的發(fā)酵過(guò)程可以劃分成以下六個(gè)基本組成部分：生產(chǎn)菌種選育和擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐與其附屬設(shè)備的滅菌；生產(chǎn)菌種接種入生物反應(yīng)器中，無(wú)菌空氣的制備與通風(fēng)；控制生產(chǎn)菌種最適生長(zhǎng)和代條件，進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)；產(chǎn)物提取和精制；過(guò)程中排出的廢棄物的處理。6、微生物工程的發(fā)展歷史可分為哪幾個(gè)階段？自然發(fā)酵時(shí)期2.純培養(yǎng)技術(shù)時(shí)期（階段以顯微鏡的誕生和微生物）3.通氣攪拌的好氣性發(fā)酵工程技術(shù)時(shí)期（一階段以青霉素的）4.人工誘變育種與代控制發(fā)酵工程技術(shù)時(shí)期5.酵動(dòng)力學(xué)和連續(xù)化、自動(dòng)化發(fā)酵工程技術(shù)時(shí)期6.微生物酶反應(yīng)合成與化學(xué)合成相結(jié)合工程技術(shù)時(shí)期第1章菌種與種子擴(kuò)大培養(yǎng)* 一、名詞解釋：種子擴(kuò)大培養(yǎng)：就是將保藏菌種經(jīng)過(guò)試管斜面活化和逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng),而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過(guò)程稱為種子擴(kuò)大培養(yǎng)。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。菌種選育、菌種退化：菌種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期人工培養(yǎng)或保藏，由于自發(fā)突變的作用，而引起某些優(yōu)良特性變?nèi)趸蛳У默F(xiàn)象稱為菌種退化。菌種保藏OD值：是細(xì)胞個(gè)數(shù)，菌體大小和發(fā)酵液色澤深淺的綜合反應(yīng)，可用比色計(jì)或分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。二、問(wèn)答題1、微生物工業(yè)對(duì)生產(chǎn)菌種的要什么？1----價(jià)值高2、要求不高、易控制的培養(yǎng)條件下迅速生長(zhǎng)和發(fā)酵，發(fā)酵周期短。----可操作性強(qiáng)3、代調(diào)控要求選擇高產(chǎn)菌株，如營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株或調(diào)節(jié)突變型菌株4、菌體能力強(qiáng)，以防止感染噬菌體而造成“倒罐”現(xiàn)象的發(fā)生。5、純粹，不易退化，可保證發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。----遺傳穩(wěn)定性強(qiáng)6、非病原菌，不產(chǎn)生任何有害的物質(zhì)和毒素，以保證產(chǎn)品的安全。----安全性強(qiáng)2、菌種退化的表現(xiàn)有哪些？原因是什么？預(yù)防方法有哪些？菌種退化表現(xiàn)：菌種發(fā)酵力、繁殖力、代能力、生產(chǎn)性能、產(chǎn)物得率等下降，發(fā)酵周期延長(zhǎng)，抗不良環(huán)境條件的性能減弱。菌種退化的原因：因主要是有關(guān)基因的負(fù)突變外因：1、菌種保藏不妥（染菌等）2、菌種生長(zhǎng)的要求沒(méi)有得到滿足（培養(yǎng)條件不良）3、傳代接種次數(shù)過(guò)多防止菌種退化的方法：定期進(jìn)行分離復(fù)壯。提供合適的培養(yǎng)條件，滿足其生長(zhǎng)要求。盡量控制減少接種傳代次數(shù)。做好菌種的保藏工作。采用幼齡菌接種培養(yǎng)5、菌種保藏的原理和目的分別是什么？常用的菌種保藏的方法有哪些？染雜菌，不死亡。不活潑的休眠狀態(tài)。工業(yè)微生物菌種保藏技術(shù)* (1)斜面保藏：3-6(2)沙土管干燥保藏：2* (3)液氮保藏：2-3*(4)懸液保藏：常溫或低溫*(5)超低溫保藏：1年以上*(6)冷凍干燥保藏：5-10第2章培養(yǎng)基制備與滅菌一、名詞解釋：葡萄糖值 DE指葡萄糖（把所有還原糖都當(dāng)成葡萄糖算）占干物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)。葡萄糖值（主要是溫度和加熱方式下的致死時(shí)間，表示微生物對(duì)熱的抵抗能力。二、問(wèn)答題：2、淀粉水解糖的制備方法主要有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？1、酸解法：定義：以酸（無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸）萄糖的方法。是一種常用的，傳統(tǒng)的水解方法。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備要求簡(jiǎn)單，水解時(shí)間短（20mi，設(shè)備生產(chǎn)能力大缺點(diǎn)：高溫高壓下進(jìn)行，設(shè)備要求耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，副反應(yīng)多，對(duì)原料要求嚴(yán)格，淀粉顆粒不宜過(guò)大，淀粉乳濃度不能過(guò)高。2（雙酶水解法）α-淀粉酶（液化）葡萄糖淀粉酶（糖化）優(yōu)點(diǎn)：1、反應(yīng)條件溫和。2、酶的專一性強(qiáng)，副反應(yīng)少3、可在較高的淀粉乳濃度下水解4、糖液的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富5、糖液色澤淺，無(wú)苦味，有利于糖液的精制缺點(diǎn)：時(shí)間長(zhǎng)（2～3）天，要求的設(shè)備多，糖液過(guò)濾困難。3、酸酶結(jié)合法酸酶法酶酸法3、微生物滅菌的方法主要有哪些？為什么培養(yǎng)基采用濕熱滅菌的方法？常用滅菌方法：干熱滅菌、濕熱滅菌、物理滅菌（射線、微波等滅菌（各種化學(xué)藥品）6、分批滅菌和連續(xù)滅菌在操作上有何不同？各有什么特點(diǎn)？不同之處為：分批時(shí)，這三個(gè)階段在時(shí)間上錯(cuò)開（完成；連續(xù)時(shí)，這三個(gè)階段在空間上錯(cuò)開（同一時(shí)間，不同設(shè)備完成故連續(xù)滅菌需分別設(shè)置加熱設(shè)備、保溫維持設(shè)備和冷卻設(shè)備分批滅菌的優(yōu)點(diǎn)：1.對(duì)于含有固體顆?；蚝休^多泡沫的培養(yǎng)基，殺菌更徹底。2.適用于小容積發(fā)酵罐，節(jié)約資金和能源缺點(diǎn)：1.滅菌時(shí)間長(zhǎng)，培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成破壞較大。 2.發(fā)酵罐利用率低。 不適用自動(dòng)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度大。1）可以采用高溫短時(shí)滅菌HTST2）3）蒸汽負(fù)荷均衡；4）熱效率高；5）可采用自動(dòng)控制，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；10、如何對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌？第3章糖嫌氣性發(fā)酵產(chǎn)物積累機(jī)制一、名詞解釋微生物通過(guò)其代活動(dòng)，利用基質(zhì)（底物）產(chǎn)物的在規(guī)律。人為地改變微生物的代調(diào)控機(jī)制，過(guò)量積累中間產(chǎn)物。EMP型發(fā)酵：二、問(wèn)答題2化合物）糖酵解途徑的特點(diǎn)1、廣泛存在于各種細(xì)胞中，每個(gè)反應(yīng)都不需要氧參與。2、分為兩個(gè)階段：6C（葡萄糖） 3C（3-磷酸甘油醛：消耗2ATP3C（3-磷酸甘油醛）4ATP3104解途徑的。5調(diào)節(jié)糖酵解的因素主要有：1成2、能荷3CoA3、說(shuō)明糖酵解生成的產(chǎn)物的去向分別如何？4發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生甘油的原因？作用下成為受氫體被還原成乙醇。酵母Ⅱ型發(fā)酵：磷酸二羥丙酮代替乙醛作為氫受體形成甘油，這樣酵母酒精發(fā)酵轉(zhuǎn)為甘油發(fā)酵稱為酵母Ⅱ型發(fā)酵。(pH7.6油、乙酸、乙醇。2CHOHO 22CO6126 2 2酒精發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生甘油的原因：當(dāng)環(huán)境滲透壓升高，釀酒酵母將合成并在胞積累甘油以維持細(xì)胞外的滲透壓平衡；當(dāng)在缺氧條件下生長(zhǎng)時(shí)，釀酒酵母將合成并在胞積累甘油以維持細(xì)胞的氧化還原平衡。存在于胞漿中的3-磷酸甘油脫氫酶，以NAD+為輔酶，催化磷酸二羥丙酮生成3-磷酸甘油，然后3-磷酸甘油磷酸酶催化3-磷酸甘油生成甘油。41.好養(yǎng)發(fā)酵的機(jī)制是什么？好氧發(fā)酵機(jī)制：糖的有氧氧化過(guò)程（EMP-TCAEMPAA;A通過(guò)它丙酮酸才能進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行徹底分解，因而此步反應(yīng)視為EMP和TCA之間的連接橋梁。三、三羧酸循環(huán)（TCA）TCAACOHO，放出大量能量（ATP)。2 2在TCANADH,FADH2 2能量，這種氧化作用稱為生物氧化或氧化呼吸或細(xì)胞呼吸?？偡磻?yīng)式為：CHO+6O+38ADP 6HO+6CO +38ATP6126 2 2 25.5一、解釋名詞：初級(jí)代產(chǎn)物：微生物通過(guò)代活動(dòng)所產(chǎn)生的、自身生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。顯生理功能，或并非是微生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。反饋抑制：反應(yīng)途徑中當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)該途徑中有關(guān)催化生成該產(chǎn)物的酶的活力起到抑制的作用，這種調(diào)節(jié)方式稱為反饋抑制。物合成的調(diào)節(jié)方式。分解代物阻遏：細(xì)胞同時(shí)有兩種分解底物（如碳源）或其分解產(chǎn)物存在時(shí)，被菌體迅速利用的那種分解底物會(huì)阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株菌株。抗結(jié)構(gòu)類似物菌株：在培養(yǎng)基人為的加入某種氨基酸結(jié)構(gòu)類似物，迫使微生物發(fā)生基因突變，從遺傳學(xué)角度改變了這種氨基酸對(duì)代途徑的反饋抑制作用的菌株。二、問(wèn)答題：1、谷氨酸的生物合成途徑是什么？包含哪些生化過(guò)程？：葡萄糖經(jīng)：葡萄糖經(jīng)EMP和HMP途徑生成丙酮酸，一方面丙酮酸氧化脫羧生成乙酰乙酰CO2TCA由TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶催化下生成谷氨酸。3、說(shuō)明谷氨酸生產(chǎn)菌細(xì)胞膜滲透性改變方法與其機(jī)理。作用機(jī)理：改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)使磷脂合成量為正常的1/2或1/3，使細(xì)胞膜不作用機(jī)理：改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)使磷脂合成量為正常的1/2或1/3，使細(xì)胞膜不完整，有破損，而達(dá)到改變通透性的目的。完整，有破損，而達(dá)到改變通透性的目的。改變方法：1.從生物素入手，選育生物素缺陷型菌株限制外源性生物素供應(yīng)。 2.改變方法：1.從生物素入手，選育生物素缺陷型菌株限制外源性生物素供應(yīng)。 2.選育油酸缺陷型。 3.選育甘油缺陷型。 4.選育溫度敏感型突變株。 5.其他，如營(yíng)養(yǎng)缺陷型；藥物抗性突變株；敏感型突變株等。 6.添加表面活性劑與飽和脂肪酸，它們是生物素拮抗劑，阻礙磷脂的合成，使細(xì)胞膜合成不正常。 7.添加青霉素等抗生素，使細(xì)胞壁合成不正常，使細(xì)胞膜易破損選育油酸缺陷型。 3.選育甘油缺陷型。 4.選育溫度敏感型突變株。 5.其他，如營(yíng)養(yǎng)缺陷型；藥物抗性突變株；敏感型突變株等。 6.添加表面活性劑與飽和脂肪酸，它們是生物素拮抗劑，阻礙磷脂的合成，使細(xì)胞膜合成不正常。 7.添加青霉素等抗生素，使細(xì)胞壁合成不正常，使細(xì)胞膜易破損（酸期時(shí)添加）第6章核酸類物質(zhì)的發(fā)酵機(jī)制一、名詞解釋：全合成途徑：從磷酸核糖開始，逐步加上必要的成分，最后閉合成環(huán)（呤或嘧啶環(huán)）合成核苷酸的途徑。補(bǔ)救合成途徑：從培養(yǎng)基中吸取嘌呤或嘧啶堿基、戊糖、磷酸，通過(guò)一系列酶的催化作用合成核苷酸的途徑。二、問(wèn)答題：2、核苷酸微生物生物合成主要有哪幾條途徑？全合成途徑：從磷酸核糖開始，逐步加上必要的成分，最后閉合成環(huán)（呤或嘧啶環(huán)）合成核苷酸的途徑。補(bǔ)救合成途徑：從培養(yǎng)基中吸取嘌呤或嘧啶堿基、戊糖、磷酸，通過(guò)一系列酶的催化作用合成核苷酸的途徑。7一、名詞解釋：初級(jí)代：是指微生物合成它們生長(zhǎng)所必需的物質(zhì)的代。次級(jí)代：是指微生物在生長(zhǎng)后期進(jìn)行的與他們的生長(zhǎng)無(wú)明顯關(guān)系的代：糖代中既能用來(lái)合成初級(jí)代產(chǎn)物，又能合成次級(jí)代產(chǎn)物的中間體。分解代產(chǎn)物阻遏（葡萄糖效應(yīng)物合成，即青霉素發(fā)酵受葡萄糖的抑制的現(xiàn)象。二、問(wèn)答題：2、說(shuō)明抗生素生物合成的代調(diào)節(jié)機(jī)制有哪些？①②酶的誘導(dǎo)作用：添加誘導(dǎo)劑，去除阻遏力。③分解代產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制：采用不易CN④磷酸鹽的調(diào)節(jié)：高濃度有利于細(xì)胞生長(zhǎng)繁⑤NH4⑥⑧次級(jí)代的能荷調(diào)節(jié)。第8章_發(fā)酵動(dòng)力學(xué)一、名詞解釋：衡與其在規(guī)律。稀釋率：指單位時(shí)間流過(guò)單位體積發(fā)酵罐培養(yǎng)液的體積數(shù)二、問(wèn)答題：2、分批培養(yǎng)的微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)規(guī)律是什么？二次生長(zhǎng)在哪個(gè)時(shí)期？微生物生長(zhǎng)規(guī)律：1.系和細(xì)胞物質(zhì)3的影響，細(xì)胞破裂，死亡加速。二次生長(zhǎng)在3、什么是莫諾方程？其建立的條件是什么？時(shí)間生時(shí)間生SK Smax

菌體的量：S莫諾方程是在如下假設(shè)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的：1）菌體濃度表示即可。2）培養(yǎng)基中只有一種底物是生長(zhǎng)限制性底物，其他營(yíng)養(yǎng)成分不影響微生物生長(zhǎng)。4、什么是分批發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵？各有什么特點(diǎn)？ 式培養(yǎng)方法。特點(diǎn)： （1）一次性，一次投料，一次接種，一次收獲。 （2）非恒態(tài)培養(yǎng)法，所有工藝參數(shù)都隨時(shí)間而變化。 （3）是封閉系統(tǒng)，操作方式簡(jiǎn)單。 為常數(shù)。 也稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵。 特點(diǎn)：