生物工藝學期末復習資料

生物工藝學知識點總結

第一章

緒論

1、生物工藝學（biotechnology）：

又稱為生物技術，它是應用自然科學及工程學原理，依靠生物作用劑(biological

agents)的作用將物料進行加工以提供產品或社會服務的技術。

特點：多學科和多技術的結合；生物作用劑（生物催化劑）的參與；應用大量高、精、尖設備；建立工業(yè)生產過程或進行社會服務。

生物工藝學包含的四大塊內容：原料預處理和培養(yǎng)基的制備、菌種的選育及代謝調節(jié)、生物反應過程的工藝控制、下游加工。

2、生物催化劑是游離的或固定化的細胞或酶的總稱。

生物催化劑特點：

優(yōu)點：①常溫、常壓下反應

②反應速率大

③催化作用專一

④價格低廉

缺點：穩(wěn)定性差

控制條件嚴格

易變異（細胞）

生物反應過程實質是利用生物催化劑以從事生物技術產品的生產過程(process

engineering)。

3、生物技術研究的主要內容：

基因工程(DNA重組技術，gene

engineering)、細胞工程(cell

engineering)、酶工程(enzyme

engineering)、發(fā)酵工程(fermentation

engineering)、蛋白質工程(protein

engineering)、第二章

菌種的來源

1、工業(yè)生產常用的微生物

細菌、酵母菌、霉菌、放線菌、擔子菌、藻類。

2.工業(yè)生產對微生物菌種的要求

培養(yǎng)基成分簡單、廉價、來源廣。

生長迅速、發(fā)酵周期較短，抗雜菌和噬菌體能力強。

目的產物產量高，產物類似物的產量低，且目的產物最好能分泌到胞外，利于產物分離。

對溫度、pH、離子強度、剪切力等環(huán)境因素不敏感。

對溶氧的要求低，便于培養(yǎng)及降低能耗。

菌種遺傳性能穩(wěn)定，不易變異和退化，不產生任何有害的生物活性物質和毒素。

3、分離微生物新種的過程大體可分為采樣、增殖、純化和性能測定。

含微生物材料的預處理方法：物理方法（加熱）；化學方法（pH）；誘餌法。

誘餌技術：將固體基質加到待檢的土壤或水中，待其菌落長成后再鋪平板。

分離的效率影響因素

：

1）培養(yǎng)基的養(yǎng)分；

2）pH；

3）加入的選擇性抑制劑。

4、高產培養(yǎng)基成分的選擇準則：

制備一系列的培養(yǎng)基，其中有各種類型的養(yǎng)分成為生長限制因素（C、N、P、O）；

使用一聚合或復合形式的生長限制養(yǎng)分；

避免使用容易同化的碳（葡萄糖）或氮（NH4+），它們可能引起分解代謝物阻遏；

確定含有所需的輔因子(Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+)

加入緩沖溶液以減小pH變化。

5、代謝控制發(fā)酵（Metabolic

Control

fermentation）：用人工誘變的方法，有意識地改變微生物的代謝途徑，最大限度地積累產物，這種發(fā)酵形象地稱為代謝控制發(fā)酵，最早在氨基酸發(fā)酵中得到成功應用。

6、菌種的衰退表觀現(xiàn)象有哪些？

目的產物的產量下降

營養(yǎng)物質代謝和生長繁殖能力下降

發(fā)酵周期延長

抗不良環(huán)境的性能減弱

7、菌種的衰退的原因

菌種保藏不當

提供不了當?shù)臈l件或不利的條件

經誘變得到的新菌株發(fā)生回復突變

8、菌種的復壯方法：

純種分離

通過寄主體進行復壯

淘汰已衰退的個體

9、菌種的保藏的原理

根據(jù)菌種的生理生化特點，人工創(chuàng)造條件，使孢子或菌體的生長代謝活動盡量降低，以減少其變異。一般可通過保持培養(yǎng)基營養(yǎng)成分在最低水平，缺氧狀態(tài)，干燥和低溫，使菌種處于“休眠”狀態(tài)，抑制其繁殖能力。

10、菌種的保藏方法：

A

斜面冰箱保藏法

B

沙土管保藏法

C

石蠟油封存法

D

真空冷凍干燥保藏法

E

液氮超低溫保藏法

11與生物工程相關性較大的國內主要菌種保藏機構包括：

工業(yè)微生物菌種保臧管理中心、農業(yè)微生物菌種保藏管理中心、普通微生物菌種保臧管理中心、抗生素菌種保藏管理中心

從自然環(huán)境中分離微生物菌種的的工藝過程

12.生物工程專業(yè)相關的主要數(shù)據(jù)庫有哪些？

維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、萬方系列數(shù)據(jù)庫、science

online、springer

link等。

第三章

菌種選育

1、常用菌種選育方法

（1）自然選育:是指在生產過程中，不經過人工處理，利用菌種的自發(fā)突變(spontaneous

mutation)而進行菌種篩選的過程。

特點：自發(fā)突變的頻率較低，變異程度不大。所以該法培育新菌種的過程十分緩慢。

應用：自然選育在工業(yè)生產中可以達到純化菌種，防止菌種衰退，穩(wěn)定生產，提高產量的目的。

（2）誘變育種:是利用物理或化學誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，促進其突變率大幅度提高，然后采用簡便、快速和高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的的突變株，以供生產實踐或科學研究使用。誘變育種的理論基礎是基因突變。

誘變育種的典型流程

常用誘變劑：物理誘變劑、化學誘變劑（堿基類似物、與堿基反應的物質、在DNA分子中插入或缺失一個或幾個堿基物質）、生物誘變劑

（3）分子育種（DNA重組、基因工程）：用人為的方法將所需的某一供體生物的遺傳物質DNA分子提取出來，在離體條件下切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后導入某一受體細胞中，讓外來的遺傳物質在其中進行正常的復制和表達，從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。

（4）雜交育種(Hybridization)：

常規(guī)雜交育種(Hybridization)：一般是指人為利用真核微生物的有性生殖或準性生殖或原核微生物的接合、F因子轉移、轉導和轉化等過程，促使兩個具有不同遺傳性狀的菌株發(fā)生基因重組，以獲得性能優(yōu)良的生產菌株。

原生質體融合技術：通過人工方法，使遺傳性狀不同的兩個細胞的原生質體發(fā)生融合，并產生重組子的過程，亦稱為“細胞融合”(cell

fusion)。

原生質體融合的基本過程：原生質體形成、原生質體融合、原生質體的再生。

3.抗噬菌體菌株的檢出方法：

平板點滴法、單層瓊脂法、雙層瓊脂法。

4、工程菌的不穩(wěn)定性表現(xiàn)

質粒的不穩(wěn)定（質粒的丟失、重組質粒的DNA片段脫落）、表達產物的不穩(wěn)定

第三章

微生物的代謝調節(jié)

1、微生物代謝調節(jié)方式

概念：微生物在生長過程中機體內的復雜代謝過程是相互協(xié)調和高度有序的，并對外界環(huán)境的改變能夠迅速做出反應,其原則是經濟合理地利用和合成所需的各種物質和能量,使細胞處于平衡生長狀態(tài)。微生物代謝分為初級代謝和次級代謝。

代謝流向的調控分為代謝物的合成和代謝物的降解；通過快速啟動蛋白質的合成和有關的代謝途徑，平衡各代謝物流和反應速率來適應外界環(huán)境的變化。

代謝速度的調控分為酶量（粗調）（酶合成的誘導和酶合成的阻遏）和酶活（細調）（酶活性的激活、酶活性的抑制）

反饋阻遏是轉錄水平的調節(jié)，產生效應慢；影響催化一系列反應的多個酶

反饋抑制是酶活性水平調節(jié)，產生效應快。只對是一系列反應中的第一個酶起作用

2、微生物初級代謝調節(jié)包括酶活調節(jié)、酶合成調節(jié)、遺傳控制

（1）酶活性的調節(jié)（細調）：一定數(shù)量的酶，通過其分子構象或分子結構的改變來調節(jié)其催化反應的速率。酶活調節(jié)的影響因素包括：底物和產物的性質和濃度、壓力、pH、離子強度、輔助因子以及其他酶的存在等等。特點是反應快速。

酶活性的調節(jié)包括：酶活性的激活和酶活性的抑制（反饋抑制）

（2）酶合成的調節(jié)：通過調節(jié)酶合成的量來控制微生物代謝速度的調節(jié)機制。這類調節(jié)在基因轉錄水平上進行，對代謝活動的調節(jié)是間接的、緩慢的（3）酶合成的阻遏：在某代謝途徑中，當末端產物過量時，微生物的調節(jié)體系就會阻止代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端產物生成，這種現(xiàn)象稱為酶合成的阻遏。

末端代謝產物阻遏:由于某代謝途徑末端產物的過量積累而引起酶合成的(反饋)阻遏。

分解代謝物阻遏：當細胞內同時存在兩種可利用底物（碳源或氮源）時，利用快的底物會阻遏與利用慢的底物有關的酶合成。

這種阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的結果，而是由這種底物分解過程中產生的中間代謝物引起的，所以稱為分解代謝物阻遏（過去被稱為葡萄糖效應）。

3、改變細胞膜通透性的方法

A限制培養(yǎng)基中生物素濃度在1～5mg/L，控制細胞膜中脂質的合成；

B

加入青霉素，抑制細胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯(lián)；

C

加入表面活性劑如吐溫80或陽離子表面活性劑(如聚氧化乙酰硬脂酰胺)，將脂類從細胞壁中溶解出來，使細胞壁疏松，通透性增加；

D

控制Mn2+、Zn2+的濃度，干擾細胞膜或細胞壁的形成；

E

可以通過誘變育種的方法，篩選細胞透性突變株。

5、人工控制微生物代謝的兩種手段：

（1）生物合成途徑的遺傳控制

（2）發(fā)酵條件的控制

6.生物素對谷氨酸合成的影響

（1）生物素是丙酮酸羧化酶的輔酶，生物素在低于亞適濃度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化產生草酰乙酸，進而有利于谷氨酸的合成；

（2）生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰輔酶A羧化酶的輔酶，該酶催化乙酰輔酶A羧化生成丙二酸單酰輔酶A，再經一系列轉化合成脂肪酸，而脂肪酸又是構成細胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可間接地影響細胞膜的透性。

第四章

微生物次級代謝與調節(jié)

1、次級代謝產物：某些微生物在生命循環(huán)的某一個階段產生的物質，它們一般是在菌生長終止后合成的。其生物合成至少有一部分是與核內和核外的遺傳物質有關，同時也與這類遺傳信息產生的酶所控制的代謝途徑有關。微生物產生的次級代謝物有抗生素、毒素、色素和生物堿等。

2、初級與次級代謝途徑相互連接

次級代謝物通常是由初級代謝中間體經修飾后形成的修飾初級代謝中間體的三種生化過程

生物氧化與還原、生物甲基化、生物鹵化

3、前體：指加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，它能被微生物直接結合到產物分子中去，而自身的結構無多大變化有些還具有促進產物合成的作用。

中間體是指養(yǎng)分或基質進入一途徑后被轉化為一種或多種不同的物質，他們均被進一步代謝，最終獲得該途徑的終產物。

4、次級代謝物生物合成的原理

①一旦前體被合成，在適當條件下它們便流向次級代謝物生物合成的專用途徑。

②在某些情況下單體結構單位被聚合，形成聚合物。這些特有的生物合成中間體產物需做后幾步的結構修飾，修飾的程度取決于產生菌的生理條件。有些復雜抗生素是由幾個來自不同生物合成途徑組成的。

第五章

發(fā)酵培養(yǎng)基

1、培養(yǎng)基通常指人工配制的供微生物生長、繁殖、代謝和合成所需產物的營養(yǎng)物質和原料，同時，培養(yǎng)基也為微生物等提供除營養(yǎng)外的其它生長所必需的環(huán)境條件

培養(yǎng)基提供微生物生長繁殖和產物合成所需的碳源、氮源、無機鹽、生長因子、水和氧氣等

2、工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的要求

：

①培養(yǎng)基能夠滿足產物最經濟地合成②發(fā)酵后所形成的副產物盡可能的少

③培養(yǎng)基的原料應因地制宜，價格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運輸，適合大規(guī)模儲藏，能保證生產上的供應。

④所用培養(yǎng)基應能滿足總體工藝的要求，如不應影響通氣、提取、純化及廢物處理等。

3、工業(yè)上常用的碳源：葡萄糖、乳糖、淀粉、蔗糖

工業(yè)上常用的氮源：無機氮源：氨水，銨鹽，硝酸鹽等。有機氮源：玉米漿、豆餅粉、花生餅粉、棉籽粉、魚粉、酵母浸出液等。生理酸性物質，如硫酸銨。生理堿性物質，如硝酸鈉。

提供生長因子的農副產品原料：

1)

玉米漿

2)

麩皮水解液

3)

糖蜜

4)

酵母：可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。

產物促進劑是指那些非細胞生長所必需的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產量的添加劑。

4、發(fā)酵培養(yǎng)基的設計和優(yōu)化方法

正交試驗設計、均勻設計、響應面分析

正交試驗設計：利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設計方法。它是由試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分試驗結果的分析,了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合。

正交實驗數(shù)據(jù)分析，見教材P112-114例題，表4-16，同時確定因素的主次順序、各因素的優(yōu)水平、各因素水平的最優(yōu)組合。小數(shù)點后保留一位。

響應面分析方法：適宜于解決非線性數(shù)據(jù)處理的相關問題，它囊括了試驗設計、建模、檢驗模型的合適性、尋求最佳組合條件等眾多試驗和統(tǒng)計技術；通過對過程的回歸擬合和響應曲面、等高線的繪制、可方便地求出相應于各因素水平的響應值。在各因素水平的響應值的基礎上，可以找出預測的響應最優(yōu)值以及相應的實驗條件。

完整響應面分析方法實驗設計通常包括：（1）Plackett—Burman實驗設計，（2）最陡爬坡實驗，（3）中心組合實驗設計三個過程。

第六章

發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌和空氣凈化

在發(fā)酵工業(yè)生產中，為了保證純種培養(yǎng)，在生產菌種接種培養(yǎng)前，要對培養(yǎng)基、空氣系統(tǒng)、消泡劑、流加物料、設備、管道等進行滅菌，還要對生產環(huán)境進行消毒，防止雜菌和噬菌體的大量繁殖。

常用的滅菌方法有：干熱滅菌法、火焰滅菌法、電磁波射線滅菌法、濕熱滅菌法（主要是高壓蒸汽滅菌）、化學藥劑滅菌法、過濾除菌法等

1.微生物熱阻：微生物在某一特定條件下（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。

2.對數(shù)殘留定律中各符號的意義。

3.理論滅菌時間的計算

3.1間歇實罐滅菌時間的計算

3.2連續(xù)滅菌的滅菌時間計算：

4.滅菌溫度的選擇：隨著溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的分解速率常數(shù)的增加倍數(shù)。即當滅菌溫度升高時，微生物殺滅速度提高，培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞的速度減慢。

高溫瞬時滅菌法可以減少培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞的原理：

隨著溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的分解速率常數(shù)的增加倍數(shù)。即當滅菌溫度升高時，微生物殺滅速度增加較快，而培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞的速度增加較慢。因此，采用較高的溫度，較短的滅菌時間，可以減少培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞。

5.影響培養(yǎng)基滅菌的因素

：所污染雜菌的種類、數(shù)量、滅菌溫度和時間，培養(yǎng)基成分、pH值、培養(yǎng)基中顆粒、泡沫等對培養(yǎng)基滅菌也有影響。

6.無菌空氣：指通過除菌處理使空氣中含菌量降低至一個極低的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。

7.介質過濾除菌是使空氣通過經高溫滅菌的介質過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質層中，而達到除菌的目的。是大多數(shù)發(fā)酵廠廣泛采用的方法。按除菌機制可分為：

絕對（表面）過濾和深層介質過濾。

介質過濾除菌的機理：空氣流通過這種介質過濾層時，借助慣性碰撞、攔截滯流、靜電吸附、擴散等作用，將其塵埃和微生物截留在介質層內，達到過濾除菌目的。

第七章

種子的擴大培養(yǎng)

1、種子擴大培養(yǎng)：指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產菌種接入試管斜面活化后，再經過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質量的純種過程。

這些純種培養(yǎng)物稱為種子

2、種子擴大培養(yǎng)的目的與要求

（1）種子擴培的目的①接種量的需要

②

菌種的馴化

③縮短發(fā)酵時間、保證生產水平

（2）種子的要求

①菌種細胞的生長活力強，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長，延遲期短

②

生理性狀穩(wěn)定③菌體總量及濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求④無雜菌污染⑤保持穩(wěn)定的生產能力。

3、種子罐級數(shù)：是指制備種子需逐級擴大培養(yǎng)的次數(shù)，取決于菌種生長特性、孢子發(fā)芽及菌體繁殖速度、所采用發(fā)酵罐的容積。

種子罐級數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長特性、接種量的影響。級數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般2～4級。

4、種子制備分兩個階段：實驗室種子制備階段

生產車間種子制備階段

好氧微生物菌種擴培常用設備：超凈工作臺、震蕩培養(yǎng)箱、種子罐等。

5、種齡：是指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間。

接種量：是指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。

通常接種量：細菌1-5%，酵母菌5-10%，霉菌7-15%，有時20-25%

青霉素生產的種子制備過程：

安瓿管→斜面孢子→大米孢子→一級種子→二級種子→發(fā)酵

第八章

發(fā)酵工藝控制

1、微生物發(fā)酵的生產水平取決于生產菌種本身的性能和合適的環(huán)境條件。

2、發(fā)酵過程的代謝變化

從產物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產物形成速率這三者之間的關系。在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產物生成是否與菌體生長同步的關系，將微生物產物形成動力學分為①

生長關聯(lián)型

和②

非生長關聯(lián)型。

3、發(fā)酵方式

（1）補料－分批發(fā)酵：指分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。

優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質濃度。

低基質濃度的優(yōu)點：①

可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?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)酵過早結束。

（2）半連續(xù)發(fā)酵：是指在補料－分批發(fā)酵的基礎上，間歇地放掉部分發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。

優(yōu)點：①

可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?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)酵過早結束；③緩解有害代謝產物的積累。

（3）連續(xù)發(fā)酵：指培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，菌的生長就受到所提供基質的限制，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：

①

維持低基質濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?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

可以提高設備利用率和單位時間的產量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產時間；

④

便于自動控制。

4、發(fā)酵控制參數(shù)

按性質分類：物理參數(shù)、化學參數(shù)、生物參數(shù)

按檢測手段分類：①直接參數(shù)：⑴在線檢測參數(shù)

⑵

離線檢測參數(shù)

②間接參數(shù)

5、發(fā)酵熱

發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+

Q攪拌-

Q蒸發(fā)-

Q顯-

Q輻射

生物熱(biological

heat)是菌體生長過程中直接釋放到體外的熱能，使發(fā)酵液溫度升高。

攪拌熱(agitation

heat)是攪拌器引起的液體之間和液體與設備之間的摩擦所產生的熱量。

6.pH值對發(fā)酵的影響

（1）影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；

（2）影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收和代謝產物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進而微生物對這些成分的吸收；

（3）pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產物的質量和比例發(fā)生改變。

7、引起發(fā)酵液pH值異常波動的因素

pH值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件

pH下降：

①

培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補糖過多加上溶氧不足，致使有機酸大量積累而pH下降；

②

消泡劑加得過多；

③

生理酸性物質的存在，銨被利用，pH下降。

pH上升：

①

培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。氮源過多，氨基氮釋放，使pH上升；

②

生理堿性物質存在；

③

中間補料氨水或尿素等堿性物質加入過多。

8、臨界氧濃度(critical

value

of

dissolved

oxygen

concentration)

：指不影響菌的呼吸所允許的最低氧濃度。如對產物形成而言便稱為產物合成的臨界氧濃度。

呼吸強度又稱氧比消耗速率，是指單位質量的干菌體在單位時間內所吸取的氧量，以

Q

O2表示，單位為mmolO2／(g干菌體·h)。

耗氧速率又稱攝氧率，是指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內的吸氧量，以r表示，單位為mmol

O2／(L·h)。

9、引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：

①

污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時間內下降到零附近，如果雜菌本身耗氧能力不強，溶氧變化就可能不明顯；

②

菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降；

③

某些設備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也可能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。

10、泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響

在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，通氣、攪拌以及代謝氣體的逸出，再加上培養(yǎng)基中糖、蛋白質、代謝物等表面活性劑的存在，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。

形成的泡沫有兩種類型：

一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；

另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluid

foam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限

大量的泡沫引起的負作用：

發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系統(tǒng)減小；

增加了菌群的非均一性；

造成大量逃液，增加染菌機會；

嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異常或菌體自溶；

消泡劑的添加將給提取工序帶來困難。

泡沫的消除

調整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原料）或改變某些物理化學參數(shù)（如pH值、溫度、通氣和攪拌）或者改變發(fā)酵工藝（如采用分次投料）來控制，以減少泡沫形成的機會。

采用菌種選育的方法，篩選不產生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素。

采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。

常用的消泡劑有4大類：

天然油脂類、脂肪酸和酯類、聚醚類、硅酮類

11、造成染菌的主要原因

設備滲漏

空氣帶菌

種子帶菌

滅菌不徹底

技術管理不善

第九章

生物反應動力學

1.微生物反應動力學

研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化的規(guī)律。

具體研究內容：微生物生長過程中質量的平衡；發(fā)酵過程中菌體的生長速率、基質消耗速率和產物生成速率的相互關系

；環(huán)境因素對這三種速率的影響。

2.分批發(fā)酵工藝中縮短和消除延遲期的方法有：

增加接種量、采用最適種齡、選用繁殖速度快的菌種以及盡量保持接種前后所處的培養(yǎng)基介質和條件一致。

3.Monod方程的參數(shù)求解：

μmS

KS+S

μ=

S:限制性基質濃度mol/m3；KS:飽和常數(shù)mol/m3

例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：

S(mg/l)

153

221

μ(h-1)

0.06

0.24

0.43

0.66

0.70

利用MONOD方程作圖如下，求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax，KS和td?

解：據(jù)圖可知，：

1/μmax=0.95；KS/μmax=90；根據(jù)

可以求得：

μmax＝1.1

(h-1);

KS＝99mg/L，td＝ln2/μmax＝0.63h

4.連續(xù)培養(yǎng)動力學

稀釋率：單位時間內加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內培養(yǎng)基體積的分率

5.細胞的物料平衡

單級連續(xù)培養(yǎng)的細胞物料平衡方程如下：

根據(jù)單級連續(xù)培養(yǎng)的細胞物料平衡方程，按照比生長速率μ和稀釋率D的大小關系，討論培養(yǎng)罐內細胞濃度和營養(yǎng)物質濃度的變化情況。

答：

μ

D:

則

dX/dt

>0，培養(yǎng)罐內細胞濃度不斷增加，營養(yǎng)物質濃度隨之減少

μ

D：則dX/dt

<0，罐內細胞濃度不斷減少，最后導致X趨近0.μ

=

D：則dX/dt

=0，細胞濃度不隨時間而變化，即培養(yǎng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

6.限制性基質的物料平衡

臨界稀釋率（DC）:

發(fā)生洗出時的稀釋率。

操作的稀釋率不是可以隨意改變的，而有一個限度。超過此稀釋率時連續(xù)培養(yǎng)就無法進行，臨界稀釋率取決于加料中的限制性基質濃度，即細胞在此培養(yǎng)基中能達到的最大比生長速率。DC=

μmS

/(KS+S)

第十章　下游加工過程概論

1、下游技術（工程）

（downstream

processing）：對于由生物界自然產生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細胞組織培養(yǎng)的、酶反應等各種生物工業(yè)生產過程獲得的生物原料，經提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產品的技術。

2.發(fā)酵液的特點

1）含水多，產物含量低；

2）含菌體蛋白；

3）溶有原來培養(yǎng)基成分；

4）相當多的副產物和色素；

5）易被雜菌污染或使產物進一步分解；

6）易起泡，粘性物質多。

3、整個下游加工過程應遵循下列四個原則

1)

時間短；2)

溫度低,（選擇在生物物質的溫度范圍內）；3)

pH適中;4)

嚴格清洗消毒（包括廠房、設備及管路，注意死角）。

4、一般下游加工過程可分為4個階段

1)培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的預處理和固液分離；2)初步純化（提取）；3)高度純化（精制）；4)成品加工。

5、下游加工過程的一般流程

第十二章

發(fā)酵液的預處理和固液分離方法

1、改善發(fā)酵液過濾特性的物理化學方法：

調酸（等電點）、熱處理、電解質處理、添加凝聚劑、添加表面活性物質、添加反應劑、冷凍-解凍及添加助濾劑等。

2、凝聚——指在電解質作用下，由于膠粒之間雙電層電排斥作用降低，電位下降，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象；常用的凝聚劑電解質有：硫酸鋁

Al2(SO4)3?18H2O（明礬）；氯化鋁

AlCl3?6H2O;三氯化鐵

FeCl3;硫酸亞鐵

FeSO4·7H2O

；石灰；ZnSO4；MgCO3

絮凝——指在某些高分子絮凝劑存在下，基于橋架作用，使膠粒形成較大絮凝團的過程。工業(yè)上使用的絮凝劑可分為三類：

1）有機高分子聚合物，如聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物；

2）無機高分子聚合物，如聚合鋁鹽、聚合鐵鹽等；

3）天然有機高分子絮凝劑，如聚糖類膠粘物、海藻酸鈉、明膠、骨膠、殼多糖、脫乙酰殼多糖等。

目前最常見的高分子聚合物絮凝劑有機合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）類衍生物

3、雜蛋白的去除方法有沉淀法、變性法、吸附法

4、固液分離的方法：重力沉降、浮選、旋液分離、介質過濾、離心。

5、根據(jù)過濾機理，過濾操作可分為澄清過濾和濾餅過濾。

第十三章

細胞破碎

1、細胞破碎的阻力：

細菌破碎的主要阻力:肽聚糖的網狀結構，網狀結構越致密，破碎的難度越大，革蘭氏陰性細菌網狀結構不及革蘭氏陽性細菌的堅固；

酵母細胞壁破碎的阻力:主要決定于壁結構交聯(lián)的緊密程度和它的厚度；

霉菌細胞壁中含有幾丁質或纖維素的纖維狀結構，其強度比細菌和酵母菌的細胞壁有所提高。

2、常用破碎方法

機械法：珠磨法（固體剪切作用）、高壓勻漿法（液體剪切作用）、超聲破碎法（液體剪切作用）、X-press法（固體剪切作用）。

非機械法：酶溶法（酶分解作用）、化學滲透法（改變細胞膜的滲透性）、滲透壓法（滲透壓劇烈改變）、凍結融化法（反復凍結-融化）、干燥法（改變細胞膜滲透性）

3、破碎率的測定方法

1）直接測定法

2）目的產物測定法

3）導電率測定法

第十四章

沉

淀

法（Precipitation）

1、固相析出技術：通過加入某種試劑或改變溶液條件，使生化產物溶解度降低，以固體形式（沉淀和晶體）從溶液中沉降析出的分離純化技術。

結晶法：在固相析出過程中，析出物為晶體稱為結晶法。

沉淀法：在固相析出過程中，析出物為無定形固體稱為沉淀法。常用的沉淀法：鹽析法、有機溶劑沉淀法和等電點沉淀法等。

2、鹽析(Salt

induced

precipitation)：在高濃度的中性鹽存在下，蛋白質（酶）等生物大分子物質在水溶液中的溶解度降低，產生沉淀的過程。原因如下：

1）無機離子與蛋白質表面電荷中和，形成離子對，部分中和了蛋白質的電性，使蛋白質分子之間的排斥力減弱，從而能夠相互靠攏；

2）中性鹽的親水性大，使蛋白質脫去水化膜，疏水區(qū)暴露，由于疏水區(qū)的相互作用導致沉淀；

Ks鹽析法：在一定pH和溫度下，改變體系離子強度進行鹽析的方法；

β鹽析法：在一定離子強度下，改變pH和溫度進行鹽析；

常用的鹽析用鹽：

硫酸銨、硫酸鈉，磷酸鹽，檸檬酸鹽。

3、有機溶劑沉淀：在含有溶質的水溶液中加入一定量親水的有機溶劑，降低溶質的溶解度，使其沉淀析出。

原理：

（1）降低了溶質的介電常數(shù)，使溶質之間的靜電引力增加，從而出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，導致沉淀。

（2）有機溶劑的水合作用，降低了自由水的濃度，降低了親水溶質表面水化層的厚度，降低了親水性，導致脫水凝聚。

常用的有機溶劑沉析劑：

乙醇：沉析作用強，揮發(fā)性適中，無毒常用于蛋白質、核酸、多糖等生物大分子的沉析；

丙酮：沉析作用更強，用量省，但毒性大，應用范圍不廣；

4、等電點沉淀：調節(jié)體系pH值，使兩性電解質的溶解度下降，析出的操作稱為等電點沉淀。

原理：蛋白質是兩性電解質，當溶液pH值處于等電點時，分子表面凈電荷為0，雙電層和水化膜結構被破壞，由于分子間引力，形成蛋白質聚集體，進而產生沉淀。

第十五章

膜

過

濾

法

1、膜過濾法指以壓力為推動力，依靠膜的選擇性，將液體中的組分進行分離的方法。基本原理是篩孔分離過程。在壓差的推動下，原料液中的溶劑和小的溶質粒子從高壓的料液側透過膜到低壓側，所得到的液體一般稱為濾出液或透過液，而大的粒子組分被膜截留。包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）四種過程。

在工業(yè)上用得最廣的膜材料是醋酸纖維素和聚砜。

濃差極化：當溶劑透過膜，而溶質留在膜上，使膜面濃度增大，并高于主體中濃度，這種濃度差導致溶質自膜面反擴散至主體中，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。在超濾中，為減少濃差極化，通常采用錯流操作。

膜的污染：膜在使用中，盡管操作條件保持不變，但通量仍逐漸降低的現(xiàn)象。

污染原因：膜與料液中某一溶質的相互作用；吸附在膜上的溶質和其它溶質的相互作用。

膜污染的消除：污染必須通過清洗的辦法才能消除。經清洗后如純水通量達到或接近原來水平，則認為污染已消除。

減輕膜污染的方法

1）預處理

2）改變膜的表面性質

市售的超濾器大致有四種型式：管式、中空纖維式、螺旋卷繞式和平板式。

2.將下列表示相同意義的詞連線

separation

factor

分離因子

membrane

separation膜分離

ion-exchange

離子交換

Biotechnology生物技術

Metabolic

Control

fermentation

代謝控制發(fā)酵

Downstream

Processing

下游工程

Chromatographic

Resolution色譜分離

Biocatalyst，生物催化劑

Orthogonal

experimental

design

正交實驗設計

response

surface

analysis響應面分析方法

Inducible

enzyme

誘導酶

末端代謝產物阻遏(End-product

repression)

分解代謝產物阻遏(Catabolite

repression)

代謝工程（metabolic

engineering)

臨界氧濃度(critical

value

of

dissolved

oxygen

concentration)

補料分批培養(yǎng)（feed-batch

culture，F(xiàn)BC）

細

胞

破

碎

Cell

Disruption

高壓勻漿法（High-pressure

homogenization

鹽析(Salt

induced

precipitation)

微濾(Microfiltration，MF)

超

濾

(ultrafiltration，UF)

反滲透（Reverse

osmosis，RO）

納濾(nanofiltration,NF)

正相色譜（Normal

Phase

Chromatography，NPC），反相色譜（Reversed

Phase

Chromatography，RPC），第十六章

溶劑萃取和浸取

1、溶劑萃取

利用一種溶質組分（如產物）在兩個互不混溶的液相（如水相和有機溶劑相）中竟爭性溶解和分配性質上的差異來進行分離操作的。

2、“相似相溶”原理分子之間可以有兩方面的相似：一是分子結構相似，如分子的組成、官能團、形態(tài)結構的相似；二是能量(相互作用力)相似，如相互作用力有極性的和非極性之分，兩種物質如相互作用力相近，則能互相溶解。與水“相似”的物質易溶于水，與油“相似”的物質易溶于油就是相似相溶原理的表現(xiàn)。

3、分配定律和分離因數(shù)

（1）分配定律：在一定溫度一定壓力的條件下，溶質分配在兩個互不相溶的溶劑中，達到平衡時溶質在兩相中的活度之比為一常數(shù)。如果是稀溶液，活度可用濃度代替，則達到平衡時溶質在兩相中的濃度之比為一常數(shù)。稱之為分配系數(shù)K，（2）分離因數(shù)

3、乳化和去乳化

乳化：一種液體（分散相）分散在另一種不相混溶的液體（連續(xù)相）中的現(xiàn)象。乳化的結果可能形成兩種形式的乳濁液：一種是水包油型（O/W），另一種為油包水型（W

/

O）。

生產過程出現(xiàn)的乳濁液是水包油型（O/W），還是油包水型（W

/

O），主要由表面活性劑的性質決定。

4、雙水相萃取：在一定條件下，水相也可以形成兩相(即雙水相系統(tǒng))甚至多相。于是有可能將水溶性的酶、蛋白質等生物活性物質從一個水相轉移到另一水相中，從而完成分離任務。

常用聚合物雙水相系統(tǒng)：聚乙二醇－葡聚糖、聚乙二醇－無機鹽系統(tǒng)

雙水相萃取的優(yōu)點：

1）使固液分離和純化兩個步驟同時進行，一步完成；

2）適合熱敏物質的提取，主要是胞內酶；

3）親水性聚合物加入水中，形成兩相，在這兩相中，水分都占大比例（85～95％），這樣生物活性蛋白質在兩相中不會失活，且以一定比例分配于兩相中。

第十七章

離

子

交

換

法

1、離子交換原理及分類

離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機溶劑的固態(tài)高分子材料。是一類帶有官能團的網狀結構的高分子化合物，其結構有三部分組成：不溶性的三維空間網狀骨架，連接在骨架上的官能團和官能團所帶的相反電荷的可交換離子。骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生離解，可在較大的范圍內自由移動，擴散到溶液中，同時，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴散到骨架的網格或孔內。當這兩種離子濃度差較大時，就產生一種交換的推動力，使它們之間產生交換作用，利用這種濃度差的推動力使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反應。

樹脂按活性離子分類，活性離子是陽離子（和陽離子發(fā)生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為陰離子交換樹脂。

2、樹脂的命名

根據(jù)離子交換樹脂官能團的性質，將其分為強酸(0)、弱酸(1)、強堿(2)、弱堿(3)、螯合(4)、兩性(5)及氧化還原(6)等7類。

3、離子交換樹脂的理化性能指標

1）外觀；2）交聯(lián)度；3）化學穩(wěn)定性；4）機械強度；5）交換量

4、影響離子交換樹脂選擇性的因素

1）離子價數(shù)

離子交換樹脂總是優(yōu)先選擇高價離子，而低價離子被吸附時則較弱。

陽離子被吸附的順序為：Fe3+

>Al3+

>Ca2+

>Mg2+

>Na+，陰離子順序為：檸檬酸根>硫酸根>硝酸根

2）溶液濃度的影響

樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中比較大，而在濃溶液中選擇性較小。

3）離子的水化半徑

水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。

4）有機溶劑的影響

有機溶劑會使樹脂對有機離子的選擇性降低，而容易吸附無機離子，可利用有機溶劑從樹脂上洗脫難洗脫的有機物質。

5）樹脂與交換離子間的輔助力

凡能與樹脂間形成輔助力，如氫鍵、范德華力等輔助力的離子，樹脂對其吸附力就大；反之，能破壞這些輔助力的溶液就能容易地將離子從樹脂上洗脫下來。

5、離子交換樹脂的工作過程：

1）樹脂預處理：新樹脂裝入柱后，先用去離子水浸泡12h左右，使樹脂充分吸水膨脹，再用2-3倍樹脂體積的10%左右食鹽水浸泡4h以上。用水洗凈殘留的NaCl，再根據(jù)樹脂類型和使用所需要的型號分別用酸和堿處理，最后調pH值至所需范圍。

2）上柱交換交換方式：采用順流和逆流進行

3）洗脫：用親和力更強的同性離子取代樹脂上吸附的目的產物。

4）樹脂的再生：先用清水洗滌，然后用再生劑再生，最后用清水洗至所需pH值。

6.ISEP系統(tǒng)是一種連續(xù)的離子交換系統(tǒng)

目前已成功的應用在各種不同的產業(yè)領域中。ISEP系統(tǒng)采用多柱(20/30交換柱)吸附以及在穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)運行。不需要備用設備；離子交換樹脂的再生也不必中斷正常的生產。

ISEP系統(tǒng)可以處理雜質濃度較高的物料，保證產品具有穩(wěn)定的成分和濃度；采用多通道逆向流動再生方式，減少了離子交換樹脂及、再生劑和洗滌水的用量。

工作過程：

交換：利用ISEP離子交換系統(tǒng)，對膜濾液中的賴氨酸離子進行吸附，與其他雜質分離，吸附分離下來的廢水及雜質排出柱體，吸附飽和的柱體進入洗脫回填區(qū)。

回填：通過洗脫液回填壓出柱體內的廢水和雜質，以提高洗脫液純度。

洗脫：利用一定濃度的氨水消除酸性，將賴氨酸離子從樹脂上解析下來，并使樹脂得到再生。

轉型：再生柱進入再生區(qū)經過稀硫酸轉型后在吸附區(qū)達到最佳的吸附能力。

第十八章

色譜分離法

1、色譜分離（Chromatographic

Resolution，CR）利用多組分混合物中各組分物理化學性質（如吸附力、分子極性、分子形狀和大小、分子親合力、分配系數(shù)等）的差別，使各組分以不同程度分布在固定相和流動相中。當多組分混合物隨流動相流動時，由于各組分物理化學性質的差別，而以不同的速率移動，使之分離。

特點分離效率高；檢測能力強；樣品用量少；適用范圍廣。

2.色譜分離過程：

兩種組分的理化性質原本存在著微小的差異，經過反復多次地吸附→解吸→再吸附→再解吸的過程使微小差異累積起來，結果使吸附能力弱的組分先流出色譜柱，吸附能力強的組分后流出色譜柱，從而使各個組分得到了分離。

3.檢測器

UV-Vis、熒光、電化學、蒸發(fā)光散射、示差折光、質譜等檢測器。

4.色譜時間

死時間（Dead

time）：不被固定相吸附或溶解的惰性組分，從進樣到出峰的峰頂點之間測得的時間,用tM表示。

保留時間（Retention

time）：從進樣到組分峰頂點之間測得的時間，用tR表示。

調整保留時間(Adjusted

Retention

Time)：調整保留時間指組分的保留時間扣除死時間后的時間，5.氣相色譜法主要利用物質的沸點、極性及吸附性質的差異，以氣體為流動相，以液體或固體為固定相從而達到分離混合物的色譜方法。

6.液相色譜：

首先高壓泵將貯液器中流動相溶劑經過進樣器送入色譜柱，然后從控制器的出口流出。當注入欲分離的樣品時，流經進樣器貯液器的流動相將樣品同時帶入色譜柱進行分離，然后依先后順序進入檢測器，記錄儀將檢測器送出的信號記錄下來，由此得到液相色譜圖。

4.凝膠色譜介質常用的有葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠等。

分類

吸附色譜分離是指混合物隨流動相通過固定相（吸附劑）時，由于固定相對不同物質的吸附力不同而使混合物分離的方法。

分配色譜是利用混合物中各物質在兩液相中的分配系數(shù)不同而分離。根據(jù)固定相和流動相的極性與非極性的差別，分配色譜可分為正相色譜和反相色譜。

離子交換色譜是基于離子交換樹脂上可電離的離子與流動相中具有相同電荷的溶質離子進行可逆交換，由于混合物中不同溶質對交換劑具有不同的親合力而將它們分離。

凝膠色譜以凝膠為固定相，是一種根據(jù)各物質分子大小不同而進行分離的色譜技術，又稱為分子篩色譜（Molecular

Sieve

Chromatography，MSC）、空間排阻色譜或尺寸排阻色譜（Size

Exclusion

Chromatography，SEC）。

第十九章

蒸發(fā)、蒸餾和結晶

1、真空蒸發(fā)：冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力低于大氣壓、此時系統(tǒng)中的不凝性氣體必須用真空泵抽出。

目的：降低溶液的沸點。

優(yōu)點：

(1)溶液沸點低，可用溫度較低的低壓蒸汽或廢蒸汽作加熱蒸汽。

(2)溶液沸點低，同樣蒸汽所需的傳熱面小。

(3)沸點低，有利于處理高溫下易分解和變質的熱敏性物料。

(4)蒸發(fā)器的操作溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。

2、多效蒸發(fā)：第一個蒸發(fā)器(稱為第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二個蒸發(fā)器(第二效)的加熱蒸汽，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器

(第三效)的加熱蒸汽，依此類推。

3、蒸發(fā)器的分類：分為膜式蒸發(fā)器和非膜式蒸發(fā)器兩大類。膜式蒸發(fā)器又分為升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器、旋轉刮板蒸發(fā)器、板式蒸發(fā)器。

4、酒精發(fā)酵醪液蒸餾的理論基礎是拉烏爾定律。

拉烏爾定律：混合液中，蒸氣壓高的組分，在氣相中的含量總是比液相中的高；反之，蒸氣壓低的組分，在液相中的含量總是比氣相中的高。

5、飽和曲線和過飽和曲線

飽和溶液：溶液恰好飽和，溶質既無溶解也無結晶，即溶質與溶液處于平衡狀態(tài)，此溶液稱為飽和溶液；

未飽和溶液：若添加固體則固體溶解；

過飽和溶液：超過飽和點的溶質遲早要從溶液中沉淀出來。

要使溶質從溶液中結晶出來，須首先使溶液成為過飽和狀態(tài)，也即必須設法產生一定的過飽和度作為推動力。

6、溶液的過飽和度與結晶的關系：

AB為飽和曲線；CD為過飽和曲線。

AB和CD將圖分為：穩(wěn)定區(qū)、介穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)區(qū)。

穩(wěn)定區(qū)：溶液尚未飽和，沒有結晶的可能。

介穩(wěn)區(qū)：也不會自發(fā)產生晶核，但如已有晶核，則晶核長大而吸收溶質直至濃度回落到飽和線上。

不穩(wěn)區(qū)：能自發(fā)產生晶核。

如E點是溶液的原始末飽和狀態(tài)，E

H是冷卻結晶線，F(xiàn)點是飽和點，不能結晶，到達G點時，自發(fā)產生晶核。

7、結晶包括三個過程：形成過飽和溶液；晶核形成；晶體生長。

8、接觸成核(碰撞成核)：新生的晶核是晶漿(有晶體存在的結晶溶液)中已有的晶體顆粒，在結晶器中與其他固體接觸碰撞時產生的晶體表層的碎粒。其中較大的就是新的晶核。

優(yōu)點：

①動力學級數(shù)較低，即溶液過飽和度對成核影響較小。

②在低過飽和度下進行，能得到優(yōu)質結晶產品。

③產生晶核所需要的能量非常低，被碰撞的晶體不會造成宏觀上的磨損。

在工業(yè)生產中，接觸成核有以下4種方式：

(1)晶體與攪拌螺旋槳間的碰撞；

(2)湍流下晶體與結晶器壁間的碰撞；

(3)湍流下晶體與晶體的碰撞；

(4)沉降速度不同，晶體與晶體的碰撞。

其中以第1種方式為主。

第二十章

典型發(fā)酵產品介紹

1、釀造酒包括黃酒、啤酒、葡萄酒，酒精含量比較低。蒸餾酒主要指白酒、白蘭地等。蒸餾酒的酒精含量高。

2、紅葡萄酒：用果皮帶色的葡萄帶皮發(fā)酵制成，酒色呈深紅、鮮紅、紫紅或寶石紅。

白葡萄酒用白葡萄或紅皮白肉葡萄的果汁制成，酒色呈淺黃、禾稈黃、金黃色或近似無色。

3、白蘭地商標上的英文縮寫：X.O（Extra

Old）酒齡（即貯陳期）規(guī)定不低于10年。

4、啤酒生產中麥汁煮沸的目的：蒸發(fā)水分，濃縮麥汁；鈍化全部酶和麥汁殺菌；蛋白質變性和絮凝；酒花有效組分的浸出；排除麥汁中特異的異雜臭氣。

5、白酒的四大香型：

米香型：桂林三花酒；發(fā)酵完成后經過反復二至三次蒸餾，酒精度數(shù)較高，民間過去叫“三蒸酒”、“三熬酒”。釀酒師們總結出了“觀花論酒”的經驗。當酒度在55°至

60°時，由于液體表面張力，酒面晃動便泛起數(shù)層酒花，經久不散。釀酒師們說“起花了，三花！”就接酒。

醬香型

（茅型酒）茅臺酒；原料為高粱，曲為純小麥制高溫曲，八次蒸料，八次下曲，八次發(fā)酵，八次蒸餾（但僅取酒7次，因為第一次蒸餾出的不作正品，潑回酒窖重新發(fā)酵）。

濃香型

（廬型酒）：廬州老窖——產于四川瀘州市。千年窖，萬年糟，傳統(tǒng)的老五甑生產工藝，混蒸，主體香為己酸乙酯。純小麥制大曲，以糯玉米為原料。根據(jù)酒的質量可分特曲、頭曲、二曲和三曲。五糧液采用五種糧食（高梁、大米、糯米、小麥、玉米）為原料。

清香型

（汾型酒）：汾酒——產于山西汾陽縣杏花村，二次發(fā)酵二次勾兌。前次發(fā)酵21天，蒸餾，加酒糟，再發(fā)酵21天，再蒸餾。清蒸二次清工藝，乙酸乙酯和乳酸乙酯兩者的結合為主體香。

6、青霉素生產工藝

青霉素簇和頭孢菌素簇是臨床上最為重要的抗生素，屬于β-內酰胺類抗生素。

青霉素(Benzylpenicillin

/

Penicillin)是指分子中含有青霉烷酸，能破壞細菌的細胞壁并在細菌細胞的繁殖期起殺菌作用的一類抗生素。

青霉素的生物合成過程：

在青霉素發(fā)酵中，已知產黃青霉利用葡萄糖和氨，經由a—氨基己二酸、半胱氨酸和纈氨酸在三肽合成酶的催化下合成三肽，異青霉素N合成酶催化發(fā)生環(huán)化生成異青霉素N，再與苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰甘氨酸等在異青霉素N酰基轉移酶催化進行轉酰基反應，產生青霉素G。

（1）常用菌種為產黃青霉。

（2）青霉素G的合成途徑

（2）

發(fā)酵工藝

（3）發(fā)酵控制

①加糖控制一般在殘?zhí)菍⒅?.6％左右，pH上升時開始加糖。

②補氮及加前體加硫酸銨、氨水或尿素，使發(fā)酵液氮源控制在0.01～0.05％。補前體以使發(fā)酵液中殘余苯乙酰胺濃度為0.05～0.08％。

③pH控制加酸或堿自動控制pH，一般為6.4～6.6。

④溫度控制一般前期25～26℃，后期23℃，以減少后期發(fā)酵液中青霉素的降解破壞。

⑤通氣和攪拌抗生素深層培養(yǎng)需要通氣與攪拌。

⑥泡沫和消泡可用天然油脂如豆油、玉米油或用化學合成消泡劑“泡敵”（環(huán)氧丙稀環(huán)氧乙烯聚醚類）來消泡。應當控制其用量并少量多次加入。

⑦過濾宜采用鼓式真空過濾器。過濾前加去乳化劑降溫。

⑧提煉采用溶媒萃取法，醋酸丁酯（BA）作溶媒。

⑨脫色采用活性炭進行脫色。過濾。

⑩共沸蒸餾或直接結晶

7.酶制劑的生產方法：固態(tài)發(fā)酵法和深層液體培養(yǎng)法

7.1利用微生物產酶的優(yōu)點

（1）微生物種類多、酶種豐富，且菌株易誘變，菌種多樣。

（2）微生物生長繁殖快，易提取酶，特別是胞外酶。

（3）微生物培養(yǎng)基來源廣泛、價格便宜。

（4）可控制酶發(fā)酵生產過程，生產可連續(xù)化、自動化。

（5）可以利用現(xiàn)代分子生物學技術，選育菌種、增加酶產率和開發(fā)新酶種

枯草桿菌BF-7658液體深層發(fā)酵生產α-淀粉酶的發(fā)酵控制：

工藝流程：

A種子制備：

孢子培養(yǎng)一般采用馬鈴薯培養(yǎng)基，于37℃下培養(yǎng)72

h，使菌體全部形成孢子即為成熟。

種子培養(yǎng)維持罐溫37℃，罐壓0.5～0.8

atm，10h后加大通風，當菌體處于對數(shù)生長期后期，立刻接種至大罐，種子培養(yǎng)一般14h左右。

發(fā)酵控制：

通常采用低濃度發(fā)酵和高濃度補料的方法，優(yōu)點：低濃度可以避免原料中淀粉降解生成的糖過量堆積而引起分解代謝阻遏，有利于pH值控制，延長產酶期。

溫度37℃，罐壓0.5

atm，通氣量0～12

h控制0.5～0.6

VVM，12

h后控制在0.8～1.0

VVM，發(fā)酵后期控制在0.9

VVM。

補料體積和基礎培養(yǎng)基體積一般為1:3左右。從10

h左右開始補加，一般前期、后期少，中期大，根據(jù)菌體的生長情況來調整。當pH低于6.5，細胞生長粗壯時可酌減；當pH高于6.5，細胞出現(xiàn)衰老并有空胞時可酌增。

停止補料后6-8h，溫度不再上升，菌體衰老（80%菌體形成空胞），酶活不再提高，發(fā)酵即可結束。發(fā)酵周期一般為40

h。

提取：工業(yè)上回收α-淀粉酶一般采用硫酸銨鹽析法。

8.二步發(fā)酵法生產維生素C工藝有酸轉化工藝和堿轉化工藝兩種。

維生素C（2,3,4,5,6-五羥基-2-己烯酸-4-內酯）的合成方法主要有萊氏化學合成法和微生物發(fā)酵合成法兩種。

酸轉化設備簡單、流程短，但制得的維生素C破壞嚴重、質量差，設備腐蝕嚴重，三廢多，因此逐漸淘汰。

堿轉化雖然流程較長、投資大，但產品質量好，故目前絕大部分工廠均采用堿轉化工藝。

1985年轉讓二步發(fā)酵法生產維生素C工藝給世界上生產維生素最大企業(yè)－瑞士霍夫曼?羅氏制藥公司。——我國醫(yī)藥工業(yè)史上首次出口技術。

二步發(fā)酵法反應步驟：

D-山梨醇

L-山梨糖

2-酮基-

L-古龍酸

2-酮基-L-古

龍酸甲酯

維生素C鈉

維生素C

生物氧化

黑醋菌

混合菌

生物氧化

甲酯化

H2SO4,CH3OH

內酯化

NaHCO3,CH3OH

酸化

H2SO4,CH3OH

二步發(fā)酵法的整個生產工藝流程可分為發(fā)酵、提取、轉化和精制四部分

二步發(fā)酵：

第一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter

melagenus），簡稱黑醋菌。最常用的生產菌株為R-30；

第二步發(fā)酵采用的菌種為由大、小兩株細菌組成的混合菌種。小菌為氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter

oxydans），工業(yè)生產過程中使用最多的大菌為2980及152混合菌。

9.谷氨酸發(fā)酵

菌種主要是棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬及節(jié)桿菌屬的細菌。這些菌都是需氧微生物，都需要以生物素為生長因子。

谷氨酸發(fā)酵過程

發(fā)酵初期，即菌體生長的遲滯期

糖基本沒有利用，尿素分解放出氨使pH值略有上升，一般為2～4h。

對數(shù)生長期

代謝旺盛，糖耗快，尿素大量分解，pH值很快上升，但隨著氨被利用pH值又下降；溶氧濃度急劇下降，然后又維持在一定水平上；菌體濃度（OD值）迅速增大，菌體形態(tài)為排列整齊的八字形。及時供給菌體生長必需的氮源及調節(jié)培養(yǎng)液的pH值至7.5～8.0，必須流加尿素；又由于代謝旺盛，泡沫增加并放出大量發(fā)酵熱，故必須進行冷卻，使溫度維持30～32℃。菌體繁殖的結果，菌體內的生物素含量由豐富轉為貧乏。這個階段主要是菌體生長，幾乎不產酸，一般為12h左右。

谷氨酸合成階段

當菌體生長基本停滯就轉入谷氨酸合成階段，此時菌體濃度基本不變，糖與尿素分解后產生的α－酮戊二酸和氨主要用來合成谷氨酸。這一階段，為了提供谷氨酸合成所必需的氨及維持谷氨酸合成最適的pH7.2～7.4，必須及時流加尿素，又為了促進谷氨酸的合成需加大通氣量，并將發(fā)酵溫度提高到谷氨酸合成最適的溫度34～37℃。

發(fā)酵后期，菌體衰老、糖耗緩慢、殘?zhí)堑停藭r流加尿素必須相應減少。當營養(yǎng)物質耗盡酸濃度不再增加時，需及時放罐。

發(fā)酵周期一般為30多小時。

谷氨酸提取的新工藝

檸檬酸的發(fā)酵生產工藝

以糖質原料發(fā)酵生產檸檬酸的常用菌種是黑曲霉

黑曲霉檸檬酸的積累機制總結

1)

Mn2＋缺乏抑制了蛋白質合成，導致細胞內NH4＋濃度升高，解除了對磷酸果糖激酶（PFK）的抑制，促進了EMP途徑的暢通；

2)

丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調節(jié)控制，可以不斷地提供草酰乙酸。同時組成型檸檬酸合成酶不被調節(jié)，增強了合成檸檬酸能力。

3)

控制Fe2+含量，順烏頭酸酶活力低，檸檬酸進一步代謝減少，使檸檬酸積累；

4)

檸檬酸積累使pH值降低，在低pH值下，順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，就更有利于檸檬酸的積累并排出體外。

發(fā)酵操作方法分為不置換法和置換法兩種。

檸檬酸提取方法

考試題型：

填空題10題共10分；選擇題10題共10分；判斷題10題共10分，英漢詞語對照10分；簡答4題20分；分析討論題2題10分；應用題（計算題和工藝流程及發(fā)酵控制）2題或3題共30分；