第7章 发酵机制

第一章，绪论一、填空：微生物工程可分为发酵和提纯两部分，其中以发酵为主。

化学工程与发酵工程的本质区别在于化学工程利用非生物催化剂，发酵工程利用生物催化剂---酶。

二、判断：发酵产品是经微生物厌氧生物氧化过程获得的。

错三、课后思考题：1、发酵的定义：利用微生物的新陈代谢作用，把底物（有机物）转化成中间产物，从而获得某种工业产品。

（工业上定义、广义、有氧无氧均可）2、发酵流程：3、比拟放大的基本过程：斜面菌种－摇瓶试验(培养基、温度、起始pH值、需氧量、发酵时间)－小型发酵罐－中试－大规模工业生产4、发酵工程的发展经历了哪几个阶段？1.）自然发酵时期2）纯培养技术建立(第一个转折期)3）通气搅拌的好气性发酵工程技术建立(第二个转折期)4）人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术建立(第三个转折期)5）发酵动力学、连续化、自动化工程技术的建立(第四个转折期)6）生物合成和化学合成相结合工程技术建立(第五个转折期)5、微生物工业发展趋势1）、几个转变分解代谢→合成代谢自然发酵→人工控制的突变型发酵→代谢控制发酵→通过遗传因子的人工支配建立的发酵（如工程菌）2）、化学合成与生物合成相结合3）、大型、连续化、自动化发酵发酵罐的容量可达500t，常用的也达20-30t。

4）、人工诱变育种和代谢控制发酵微生物潜力进一步挖掘，新菌株、新产品层出不穷。

5）、原料范围不断扩大石油、植物淀粉、天然气、空气、纤维素、木质素等6、举例说明微生物工业的范围酿酒工业（啤酒、葡萄酒、白酒）食品工业（酱、酱油、食醋、腐乳、面包、酸乳）有机溶剂发酵工业（酒精、丙酮、丁醇）抗生素发酵工业（青霉素、链霉素、土霉素等）有机酸发酵工业（柠檬酸、葡萄糖酸等）酶制剂发酵工业（淀粉酶、蛋白酶等）氨基酸发酵工业（谷氨酸、赖氨酸等）核苷酸类物质发酵工业（肌苷酸、肌苷等）维生素发酵工业（维生素B12、维生素B2等）生理活性物质发酵工业（激素、赤霉素等）名贵医药产品发酵工业（干扰素、白介素等）微生物菌体蛋白发酵工业（酵母、单细胞蛋白）微生物环境净化工业（利用微生物处理废水等）生物能工业（沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等能源物质）微生物治金工业（微生物探矿、治金、石油脱硫等）第二章发酵基础知识1、写出生产以下产品的主要菌种：啤酒（啤酒酵母）、黄酒（霉菌（根霉、曲霉）、酵母菌、细菌）、味精（谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌）、柠檬酸（黑曲霉）、食醋（霉菌、酵母菌、醋酸菌）、酸奶（乳酸菌（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、乳酸链球菌））2、发酵工艺控制中，主要应监控温度、pH值、溶解氧、泡沫、氧化还原电位等。

柠檬酸发酵机制柠檬酸生产分发酵和提取两部分。

发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。

固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。

采用固态发酵生产柠檬酸，设备简单，操作容易。

液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。

发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。

深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。

微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。

现多采用通用发酵罐。

它的主要部件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气分布装置、消泡器，轴封及其他附属装置。

发酵罐径高比例一般是1:2.5，应能承受一定的压力，并有良好的密封性。

除通用式发酵罐外，还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和喷射自吸式发酵罐等。

为了得到产柠檬酸的优良菌种，通常是从不同地区采集的土壤或从腐烂的水果中分离筛选，然后通过物理和化学方法进行菌种选育。

例如薯干粉深层发酵柠檬酸的菌种就是通过不断变异和选育得到的。

菌种适合在高浓度下发酵，产酸水平较高。

柠檬酸的发酵因菌种、工艺、原料而异，但在发酵过程中还需要掌握一定的温度、通风量及pH值等条件。

一般认为，黑曲霉适合在28～30℃时产酸。

温度过高会导致菌体大量繁殖，糖被大量消耗以致产酸降低，同时还生成较多的草酸和葡萄糖酸；温度过低则发酵时间延长。

微生物生成柠檬酸要求低pH，最适pH为2～4，这不仅有利于生成柠檬酸，减少草酸等杂酸的形成，同时可避免杂菌的污染。

柠檬酸发酵要求较强的通风条件，有利于在发酵液中维持一定的溶解氧量。

通风和搅拌是增加培养基内溶解氧的主要方法。

随着菌体生成，发酵液中的溶解氧会逐渐降低，从而抑制了柠檬酸的合成。

采用增加空气流速及搅拌速度的方法，使培养液中溶解氧达到60%饱和度对产酸有利。

柠檬酸生成和菌体形态有密切关系，若发酵后期形成正常的菌球体，有利于降低发酵液粘度而增加溶解氧，因而产酸就高；若出现异状菌丝体，而且菌体大量繁殖，造成溶解氧降低，使产酸迅速下降。

第一章发酵工程概述1.发酵的传统概念和现代概念传统概念：微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程。

现代概念：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。

2.发酵工程：发酵工程是利用微生物或其他生物细胞，在特定的生物反应器内生产某种特定的产品的工业化生产过程和技术体系。

图1-1 微生物工业发酵的基本过程3.4.发酵工程与传统酿造和化学工程相比的特点。

一．与传统酿造相比：1.发酵过程以生命体自动调节方式进行2.条件温和，耗能少，设备简单3.原料以碳水化合物为主4.容易生产复杂的高分子化合物5.发酵过程中需要防止杂菌污染，要严格灭菌二．与化学工程相比：1.常温常压反应2.原料无毒，很多发酵行业生产比较粗放3.遵循生物代谢规律4.较易生产复杂的高分子化合物5.发酵液下游提取常需预处理6.注重发酵过程染菌的防止7.育种是提高产量的重要途径5.发酵工程存在的问题（1）转化率低、副产物多和下游提取困难（2）中游监控难，菌种易变异（3）原料质量波动大（4）规模放大困难；发酵废液处理困难6. 发酵罐的分类按微生物生长代谢需要分类：分为好氧和厌氧二类按照发酵罐设备特点分类：分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐按容积分类：实验室用（1～50L）中试用（50～5000L）生产用（5000L 以上）按微生物生长环境分类：悬浮生长发酵罐和支持生长发酵罐发酵罐的特征径高比适当；耐压性能合格；搅拌系统和通风系统合格尽量减少死角；有足够的冷却面积；轴封无渗漏7.通用型机械搅拌通气发酵罐为发酵工厂最常用的发酵罐，特点是由压空系统负责通气，机械搅拌系统机械搅拌。

缺点是能耗较大，机械剪切力较大，容易产生死角。

8.发酵优化的定义，目的，内容发酵过程优化定义发酵过程的优化是指最佳控制发酵过程（指其某一项或几项主要参数）的方案和方法。

发酵过程优化目的协调细胞到反应器各尺度的相互关系，从而使发酵过程更有效的进行。

《微生物学》题库第七章微生物的生长及其控制第一部分微生物生长部分一、单项选择题1、菌株的定义应该是（）。

A.具有相似特性的细胞群体B.具有有限的地理分布的微生物群体C.从一单独的细胞衍生出来的细胞群体D.与种（species）一样定义2、微生物的干重一般为其湿重的（）。

A.5%～10%B.20%～25%C.25%以上D.10%～20%3、用于总活菌计数的方法是（）A.浊度计比浊法B.血球板计数法C.平板菌落计数法D.显微镜直接计数法4、下列不属于微生物直接计数法特点的是（）A.必须利用显微镜计数B.可以区分活菌与死菌C.不能区分活菌与死菌D.计数室都是400小格组成5、一个细菌每10分钟繁殖一代，经1小时将会有多少个细菌（）A.64B.32C.9D.16、代时是指（）。

A.从对数期结束到稳定期开始的间隔时间B.培养物从接种到开始生长所需要的时间C.培养物的生长时间D.细胞分裂繁殖一代所需要的时间7、微生物分批培养时，下列符合延迟期的特点是（）。

A.微生物的代谢机能非常不活跃B.菌体体积增大C.菌体体积不变D.菌体体积减小。

8、制备原生质体，选择适宜的菌龄期为（）A.迟缓期B.对数期C.稳定期D.死亡期。

9、下述那个时期细菌群体倍增时间最快（）A.稳定期B.衰亡期C.对数期D.延滞期10、细菌芽孢产生于（）A.对数生长期B.衰亡期C.稳定期前期D.稳定期后期正确答案：D11、处于（）的微生物，死亡数肯定大于新生数。

A.适应期B.对数期C.稳定期D.衰亡期12、指数期细菌的特点是（）A.细胞以指数速度死亡B.细胞准备开始分裂C.细胞以最快速度进行分裂D.细胞死亡数和分裂数相同13、细菌最适生长温度是（）℃A.35-40B.10-20C.20-30D.30-3514、真菌最适生长温度是（）℃A.35-40B.10-20C.20-30D.30-3515、微生物生长繁殖的最高温度是（）。

A.最高生长温度B.最适生长温度C.致死温度D.无法判断16、下面关于微生物最适生长温度判断，正确的是（）A.微生物群体生长繁殖速度最快的温度B.发酵的最适温度C.积累某一代谢产物的最适温度D.无法判断17、将土壤接种在含放射性碳的葡萄糖培养基中，5天后检查，下列那种情况证明土壤中有生命（）。

微生物工程微生物工程是研究微生物生长、繁殖及代谢活动、代谢产物合成及其控制规律的科学。

营养缺陷型突变株(auxotrophic mutant):指在微生物生长过程中,因产品合成途径中某种酶缺陷,而不能生成终产物,只能生成中间代谢物,必须添加终产物,微生物才能生长的突变株。

调节突变株(adjustable mutant):指菌株因受外界条件影响,而产生不受终产物及其结构类似物反馈抑制或阻遏的突变株,此时终产物能够大量积累。

种子扩大培养种子扩大培养是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后,再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量的纯种的过程。

静置培养法又称厌气培养,即将培养基盛于发酵罐中,在接种后,不通空气进行培养;通气培养法又称好气性发酵,这种发酵在培养过程中必须通入空气,以维持一定的溶氧水平,菌体才能迅速进行生长发酵;培养基是指供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的、多种营养物质的混合物;前体在产物的生物合成过程中,被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著变化的物质消毒用物理或化学的方法杀死物料、容器器皿内外病原微生物的过程,一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢;灭菌(sterilization):用物理或化学的方法杀死物料或设备中所有有生命的有机体的技术或工艺过程;它既能杀死营养细胞又能杀死细菌芽孢。

发酵机制：是指微生物通过其代谢活动,利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。

初级代谢：初级代谢是指微生物合成它们在生长和繁殖过程中所必须的物质(如糖、氨基酸、脂肪、核苷酸及其聚合物)的过程;所合成的物质称为初级代谢产物。

次级代谢：次级代谢是指微生物在生长和繁殖过程中合成对微生物的生长、繁殖无关或功能不明确的化合物的过程;这些化合物称为次级代谢产物。

发酵动力学:是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学最低培养基:即培养基是由单一碳源葡萄糖与无机盐组成,这时葡萄糖在微生物生长代谢过程中既作为生长代谢过程中所需要的能源,又作为构成菌体材料的培养基。

1：什么是莫诺方程？其中饱和常数k值的物理意义？μ=μmax S/（Ks+ S）μ：菌体的生长比速S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速度Ks的物理意义：当比生长速率为最大比生长速率的一半时，Ks在数值上等于限制性营养物的质量浓度，其大小表示微生物对营养物质吸收亲和力的大小，即Ks最大，微生物对营养物的亲和力越小。

2：分批培养发酵中，菌体的生长规律是什么？在分批培养发酵中，随着细胞浓度和代谢浓度的不断变化，主要分为四大阶段：1.）延滞期:活菌数没增加，曲线平行于横轴,特点：生长速率常数= 0；细胞形态变大（长）；细胞内RNA特别是rRNA含量增高；合成代谢活跃，易产生诱导酶；对外界不良条件敏感2.）对数期:细胞数目以几何级数增加，其对数与时间呈直线关系。

即生长速率常数最大;平衡生长;代谢最旺盛;对理化因素较敏感3）稳定期①细胞增殖与死亡数几乎相等，细胞数达最高值；②开始积累内含物或产芽③开始合成次生代谢产物4.）衰亡期①出现“负生长”；②细胞出现多形态变化；③菌体死亡、自溶孢；3：什么是分批发酵？有什么优缺点？定义：在一个密闭系统内一次性投入有限数量的营养物进行培养的方法。

优点：操作简单；引起染菌的概率低；不会产生菌种老化和变异等问题。

缺点：非生产时间较长，设备利用率低；4：什么是补料分批培养？有什么优缺点？其是指在分批发酵过程中，间歇或连续的补加新鲜培养基的发酵方式。

优：使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比，不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。

缺：存在一定的非时间生产；和分批发酵比，中间要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。

5：什么事连续发酵，有什么优缺点？其是在开放系统中进行的，指以一定的速率向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速率流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在恒定的状态下生长的培养方法。

优：提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物代谢，生理生化和遗传特性的研究；在工业生产中可减少分批培养中每次清洗，装料，消毒，接种，放罐等操作时间，提高生产效率和自动化程度；连续培养生产出的发酵产品，质量比较稳定。

菌种退化：菌种的发酵能力降低、繁殖能力降低、发酵产品的得率降低。

种子扩大培养：是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种经转接到试管斜面活化后，再经扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。

这些纯培养物则称为种子。

前体：指某些化合物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，而其自身的结构没有多大的变化，但产物的产量却因加入前体而有较大的提高。

促进剂：指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂。

抑制剂：在发酵过程中加入某种试剂会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另外一些代谢途径活跃，从而获得人们所需要的某种产物或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来的物质。

发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律初级代谢产物：微生物因生长和繁殖需要而合成的必须的物质，包括糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸、以及由这些物质聚合而成的高分子化合物，如多糖、蛋白质等。

次级代谢产物：指微生物由初级代谢产生的中间产物出发合成的一些功能不明确、化学结构特殊、对细胞的生长繁殖并非重要的产物，包括抗生素、色素和毒素等。

巴斯德效应：在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入氧气,则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。

即呼吸抑制发酵的作用。

分解代谢物阻遏：指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶系合成的现象。

维持:活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或生长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物生成情况下的生命活动。

生长得率：表示在发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。

过程得率：又称毛产物得率或基质（原料）转化率。

一般以发酵过程的产物生成量对基质总消耗量的比值表示。

分批培养：又称分批发酵，是指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法。

补料分批培养：又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。