微生物工程复习提纲（2013.6.4）
绪论
1、微生物工程？微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是发酵技术工程化的发展。
2、生物工程包括：微生物工程，细胞工程，基因工程，酶工程。
3、简述微生物工程的特点？（参考课件自己归纳总结）
4、简述微生物工程的主要内容？（参考课件自己总结）
微生物工程的内容
微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分
发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程；
提取部分也称后处理，或下游加工技术
虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的地位。
微生物工程主要内容
生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等
微生物工程
是生物技术的重要组成和葙础，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学和化学工程的基木原理有机结合起来，广泛而深入地揭示了发酵过程的木质。
微生物反应过程的特点
一）优点：（与化学工程相比）
1、生产条件
2、原料
3、生产过程
4、产品
5、高度选择性
6、生物体本身
7、微生物菌种改良
1、生产过程通常在常温常压下进行，操作条件温和，不需考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。
2、原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。
3、生产过程是以生命体的自动调节方式进行的，因此多个反应就象一个反应一样，可在单一设备（发酵罐）中进行。
4、能容易地生产复杂的髙分子化合物，如酶、光学活性体等。
5、能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位反应，如氧化、还原、官能团导入等。
6、 生产产品的生物体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物质；除特殊情 况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。
7、 通过微生物菌种改良，能够利用原有设备使生产飞跃上升。
发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点，使得微生物工程成为生物技术的核心 之一而受到广泛重视。
二）发酵过程中尚存在的问题：
1、 底物转化率、副产物的产生影响下游
2、 微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响, 且菌体易发生变异。
3、 原料是农副产品，质量波动较大。
4、 生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率低。
5、 通常底物浓度不能过髙，且要在无杂菌污染情况下进行。
6、 发酵废水常具有较高的BOD 和COD,需处理后排放。
1、 底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制困难，这 是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。
2、 微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响, 且菌体易发生变异。
3、 原料是农副产品，虽然价廉，但质fl 波动较大。
4、 生产前准备工作量大，花费髙，相对化学反应而言，反应器效率低。
5、 通常底物浓度不能过髙，且要在无杂菌污染情况下进行。
6、 发酵废水常具有较高的BOD 和COD,需处理后排放。
第一章微生物基础知识
1、简述微生物的五大共性？要点：体积小，面积大；吸收多，转化
体和衣原体 3、细菌的形态十分简单，基本上只有球状、杆状和螺旋状三人类。 4、芽孢：某些细菌在其生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或 椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。曲于每?-细胞仅形成一个芽孢，故它无繁 殖功能。芽孢有极强的抗热、抗辐射、抗化，药物和抗静水压等的能力。芽孢的休眠能力 也足十分惊人的
5、微生物的六种营养素？
快；生长旺，繁殖快； 2、
原核微生物主要有: 诂应强，易变异 细菌、放线菌、 分布广，种类多。 蓝细菌、支原体、立克次氏
一、碳源凡能提供微生物营养所耑的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。
对异养微生物来说，K 最适碳源则是〃型。K 屮，糖类是最广泛利用的碳源，K 次是 醇类、有机酸类和脂类等。
4:糖类中，单糖胜于双糖和多糖，已糖胜于戊糖，葡萄糖、果糖胜于廿露糖、半乳糖；4:多 糖屮，淀粉明显地优于纤维素成几丁质等纯多糖，纯多糖则优于琼脂等杂多糖和K 他聚合物 （如木质素）。
二、 氮源凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。
与碳源相似，微生物的氮源谱也大大广于动物或植物的。一般说來，异养微生物对氮源利川 的顺序是:“N C H.CT 或“N C H.O.X"类优于“N.H 〃类,更优于“N O 〃类，而最不易被利用的 则是“N 〃类。
三、 能源所谓能源（energysource ）,就是能为微生物的生命活动提供最初能景來源的营 养物或辐射能。
四、 生长因子生长因了 （growthfactor ）是一类对微生物正常代谢必不可少.R.不能用简单 的碳源或鉍源￡）行合成的奋机物。它的耑要景一般很少。广义的生长因子除了维牛素外，还
括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4?C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要呈较人 的氨基酸；而狭义的生长因子一般仅指维生素。
五、 无机盐无机盐主要可为微也物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。
六、 水除了少数微牛物如蓝细菌能利用水中的氢作为还原C02时的还原剂外，其他微生 物都不是利用水作为营养物质。即使如此，由于水在微生物的生命活动过程包括营养过程中 的重要性，仑仍应属于营养要素之一。
1. 水是一种蛣优良的溶剂。它不仅是细胞外的营养物质运送进细胞内以及细胞内的代谢产物 运送到细胞外的媒介，而且是细胞内几乎所朽生物化学反应的媒介。
2. 水可维持生物大分子结构的稳定，并参与菜些重要的生物化学反应，有吋，水则是某些反 应的最终产物。此外，水还具有一系列重耍的物理性质，从而保证了地球上一切生命活动的 正常进行，如：（1）髙比热（2）商气化热（3）高沸点（4）罔态水（冰）的密度小于液态 水
6、生长曲线？典型的生长曲线包括哪儿部分？各部分特点（结合第 五章分批发酵动力学总结）
微生物的生长规律（典型生长曲线）
当我们把少量纯种单细胞微生物接种到恨界积的液体培养基屮后，在适宜的温度、通 气（厌氧菌则不能通气）等条件下，它们的群体就会有规律地生起来。如果以细胞数n 的 对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条冇规律的曲线，这就是微生物的典 型生长曲线。
一般可把典型生长曲线粗分为延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等叫个吋期
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(->M)T)tol(+) 图7-4典型生长曲线 a.延滞期，ii.指数期，HI .稳定期，iv.寰亡期〕
一）延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指少虽微生物接种到新培养液中后，在开始培 养的一段吋间内细胞数0不增加的吋期。该吋期奋儿个特点：①屯长速率常数等于零。②细 胞形态变人或增长：许多+T 菌可长成长丝状，例如，Bacillusmegaterium （巨人芽孢打?菌）在 接种的当时，细胞L<:为3.4pm;培养至3.5小时，K ?长为至5.5小时时，竟可达到 19.8pm 。③细胞内RNA 尤其是rRNA 含量增高，原生质呈嗜碱性。④合成代谢活跃，核糖体、 酪类和ATP 的合成加快，易产生诱导酶。⑤对外界不良条件例如NaCI 溶液浓度、温度和抗 生素等化学药物的反应敏感。
影响延滞期长短的因素很多，除菌种外，主要有三。
1） 歯龄（接种龄）接种龄即"种了〃的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一个阶段。 这是-?种生理年龄。实验证明，如果以对数期接种龄的"种子"接种，则子代培养物的延滞期 就短；反之，如以延滞期或衰亡期的"种子"接种，则子代培养物的延滞期就长；如果以稳定 期的"种子"接种，则延滞期居中。
2） 接种:W:接种朵的人小明显影响延滞期的长短。一般说来，接种人，则延滞期短，反之 则长（图7-5）。因此，在发酵工业上，为缩短不利于提髙发酵效率的延滞期，一般采用1 / 10的接种量。
延滞期的出现，可能是因为在接种到新鲜培养液的细胞中，一时还缺乏分解或催化有关底物 的酶，或足缺乏充足的屮间代谢物。为产牛.诱导酶或合成奋关的屮间代谢物，就耑要奋一段 近应期，于是出现了生长的延滞期。
3）培养基成分接种到营养丰富的天然培养基屮的微生物，要比接种到营养单调的组合培养 基中的延滞期短。
二） 指数期又称对数期，是指在生长曲线屮，紧接着延滞期的-个细胞以几何级数速度分 裂的一段时期。
指数期有以下儿个特点：①生长速率常数R 最人，因而细胞每分裂一次所耑的代吋G （增代吋间）或原生质增加一倍所需的倍增吋间最短；②细胞进行平衡生长，荫体內各种成 分蛣为均匀；③酶系活跃，代谢旺盛。
三） 稳定期又称恒定期或最高生长期。其特点是生长速率常数R 等干0,即处于新繁殖的 细胞数与衰亡的细胞数相等，或正牛.长与负斗:长相等的动态T ?衡之中。这时的菌体产量达到 了最高点。
在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等贮藏物;多数芽孢杆菌在这时开 始形成芽孢；冇的微生物在稳定期时还开始合成抗生素等次生代谢产物。
稳定期到来的原因主要是：①营养物尤M:是生长限制W 子的耗私②营养物的比例失 调，例如C/N 比值不合适等；③酸、醇、靑素或H 2O 2等有害代谢产物的累积；④pH 、氧 化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。
四）衰亡期
在袞亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，因此，整个群体就呈现出负生长（R 为负值）。这吋，细胞形态多样，例如会产生很多膨人、不规则的返化形态；奋的微生物因 蛋白水解酶活力的増强就发生自溶;有的微生物在这吋产生或释放对人类有用的抗生素等次 生代谢产物；在芽孢杆图7-5接种星对延滞期的影哬 1.大接种星；2.中等接种量；3.小接种星
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歯中，芽孢释放往往也发生在这一时期。
产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。
最适生长温度有吋也简称为“最适温度”，其意义是某荫分裂代吋最短或生长速率最岛时的培养温度。
绝大多数生活在pH5.0?9.0之间
培养过程中调节pH值的措施
过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。
过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量。
第二章工业微生物菌种选育和保藏
1、微生物工程工业生产水平的三个决定要素：生产菌种的性能，发
酵和提取工艺条件，生产设备
获得优良的生产菌种是实现高水平微生物工程工业生产的第一环节.
2、分离与筛选菌种的具体做法一般分4个步骤：样品采集、增殖培养、纯种分离、生产性能测定
3、诱变育种：诱变育种就是人为地利用物理或化学等因素，使诱变对象细胞内的遗传物质发生变化，引起突变，并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。
4、说出几种菌种保藏的方法。
基本原理：根裾菌种的生理、生化特点，人为地创造条件，使菌种的代谢活动处于休眠状态。
要求：维持菌种的存活和减少菌种的变界，尽量使菌种保持原来优良的生产性能。
保藏吋首先选择优良纯菌种，最好是它们的休眠体如孢子（spore）、芽孢（gemma）等；其次是要创造一个有利于休眠的环境条件，如低温、干燥、缺氧和缺乏营养物质等，使菌体的代谢活动处于蛣低状态，延长艽保存期。
保存方法：
应能较长期地保存原有菌种的优良性能，使菌种稳定，时也要考虑到方法本身的经济简便。不同的苘种奋不同的保存方法，以便长期保藏。
酵母菌：定期移植斜ifu 低温仅藏法。也可采用石蜡汕封侃藏法。
霉菌：斜面保藏法和沙土管保藏法。
细菌和放线菌：一般细菌以采用冷冻干燥保藏法为住。放线菌4用沙上或冷冻保 藏法保藏。短期可采用斜面保藏。
保藏应注意的问题：
菌体状态：休眠体
基质：营养贫乏
操作过程：不应对细胞造成伤害
菌种保藏原理
主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量 降低，以减少其变异。
一般可通过保持培养基营养成分在最低水平、缺氧状态、干燥和低温，使菌种处于"休 眠"状态，抑制其繁殖能力。
保藏方法
4 °C ； 3-6 个月 产孢子或芽孢微生物，1年 甘油或二甲基亚砜作为保护剂，-20 °C 1年左右 任何微生物；一般5年以上 -196 °C :保护剂；保存期长
第三章发酵工业培养基的设计
1、简述培养基的成分及类型？ （P54）
2、 试述工业发酵培养基设计的原则？（p45）
3、 按发酵工业生产流程和在生产中的作用分为哪几种类型?
4、 例举几种工业上常用的碳源、氮源？ 1、 斜面冰箱保藏法
2、 沙土管保藏法
3、 菌丝速冻法
4、 石蜡油封存法
5、 真空冷冻干燥保藏法
6、 液氮超低温保藏法