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文档简介

1、发酵工程思考题1.(1)孢子培养基孢子培养基的基本配制要求是:第一,营养不要太丰富(特别是有机氮源),否则不易产孢子;第二,所用无机盐的浓度要适量,不然也会影响孢子量和孢子颜色;第三,要注意孢子培养基的pH和湿度。(2)种于培养基 种子培养基的营养成分要求比较丰富和完全,氮源和维生素的含量也要高些,但总浓度以略稀薄为好,这样时达到较高的溶解氧,供大量菌体生长繁殖。(3)发酵培养基 发酵培养基的组成除有菌体生长所必需的元素和化合物外,还要有产物所需的特定元素、前体和促进剂等。3.反馈调节:反馈调节有两种主要的调节作用反馈抑制和反馈阻遏。 反馈抑制作用是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前几步反应的

2、酶(通常是第一步反应的酶)活性的作用; 反馈阻遏作用是末端代谢产物阻止整个代谢途径酶的合成作用.菌种衰退:指菌种整体在多次接种传代过程中逐渐造成生产能力降低,表现为发酵力(如对培养基的利用)或繁殖力(如孢子的产生)下降或发酵产物得率降低的现象。 结构类似物:在化学和空间结构上和代谢的中间物(终产物)相似,因而在代谢调节方面可以代替代谢中间物(终产物)的功能,但细胞不能以其作为自身的营养物质。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合成到产物物分子中去,而其自身的结构并没有多大变化,但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。4.分解代谢降解物阻遏:几种底物同时存在时,

3、易利用对难利用或利用快对利用慢底物分解的抑制作用。调节机制:原因是分解代谢物抑制腺苷酸环化酶的活性,使环状3,5腺苷三磷酸(cAMP)浓度较低。cAMP促进可诱导酶的大量合成,是操纵子转录所必须的,提高转录的频率。5.种子扩大培养的概念: 种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处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过程。这些纯种培养物称为种子。种子扩培的目的:接种量的需要菌种的驯化缩短发酵时间、保证生产水平种子的要求:总量及浓度能满足要求生理状况稳定,个体与群体活力强,移种至发酵后,能够迅速生长无杂菌污染6.酶共价修饰调

4、节:指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开,使其活性改变的作用,从而引起酶活性的激活或抑制。变构调节:指小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的某一部位特异结合,引起酶蛋白分子构像变化、从而改变酶的活性。7.(1)发酵工程主要参数分类:代谢参数按性质分可分三类: 物理参数:温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧(二氧化碳)浓度等; 化学参数:基质浓度(包括糖、氮、磷)、pH、产物浓度、核酸量等; 生物参数:菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等。 (2)9.诱变育种的一般步骤:10. 菌种衰退产生的原因 1.保藏不恰当

5、 2.传代次数过多 3.发生回复突变 4.培养条件不适合 防止菌种衰退的方法 1.作好菌种保藏工作 2.尽可能使每次培养条件适合而一致 3.尽量减少传代次数 4.应使用幼龄菌培养12.碳源 提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分 提供合成目的产物所必须的碳成分(1)葡萄糖 所有的微生物都能利用葡萄糖 但是会引起葡萄糖效应(2)糖蜜 除糖份外,含有较多的杂质,其中有些是有用的,但是许多都会对发酵产生不利的影响,需要进行预处理。(3)淀粉、糊精使用条件:微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类缺点:难利用、发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的-淀粉酶成分比较复杂,有直链淀粉和支链

6、淀粉等等。优点:来源广泛、价格低 难利用,可以解除葡萄糖效应氮源氮源主要用于构成菌体细胞物质(氨基酸,蛋白质、核酸等)和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类:有机氮源和无机氮源。 (1)无机氮源 种类:氨盐、硝酸盐和氨水 特点:微生物对它们的吸收快,所以也称之谓迅速利用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化(2)有机氮源成分复杂:除提供氮源外,有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。13.比耗氧速度或呼吸强度(QO2):单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气,mmol O2g菌-1h-1 15.(1)CCr: 临界溶氧浓度,:指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度(2)一般对于微生物: C

7、Cr: 115%饱和浓度(3)氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度(4)一般微生物的临界溶氧浓度很小,是不是发酵过程中氧很容易满足。例:以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计, 0.25/0.052=4.8秒注意:由于产物的形成和菌体最适的生长条件,常常不一样:头孢菌素 卷须霉素生长 5% (相对于饱和浓度) 13%产物 13% 8%16.影响需氧的因素(1)菌体浓度(2)QO2 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件18. 酶活力的度量单位:1个酶活力单位是指在特定条件(25,其它为最适条件)下,在1分钟内能转化1微摩尔底物的酶量,或是转化底物中1微

8、摩尔的有关基团的酶量。19.(1)发酵过程pH变化原因 基质代谢 产物形成 菌体自溶(2)pH对发酵的影响 pH影响酶的活性 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变 pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离 pH影响代谢方向 20.发酵过程pH上升或下降的原因(1)基质代谢 糖代谢:特别是快速利用的糖,分解成小分子酸、醇,使pH下降。糖缺乏,pH上升,是补料的标志之一。 氮代谢:当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降;尿素被分解成NH3,pH上升,NH3利用后pH下降,当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。(2)产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性,使发酵液

9、pH变化。 (3)菌体自溶,pH上升,发酵后期,pH上升。 21.(1)最佳pH的确定配制不同初始pH的培养基,摇瓶考察发酵情况(2)pH的控制方式 基础培养基调节pH 在基础料中加入维持pH的物质 通过补料调节pH 当补料与调pH发生矛盾时,加酸碱调pH 选择合适的pH调节剂 发酵的不同阶段采取不同的pH值22.(1)根据微生物生长对温度的要求不同大致可分为四类: 嗜冷菌适应于026摄氏度生长 嗜温菌适应于1543摄氏度生长 嗜热菌适应于3765摄氏度生长 嗜高温菌适应于65摄氏度以上生长 (2)微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理化学性质有密切关系根据细胞膜的液体镶嵌模型,细胞在正常生

10、理条件下,膜中的脂质成分应保持液晶状态,只有当细胞膜处于液晶状态,才能维持细胞的正常生理功能,使细胞处于最佳生长状态(3)发酵过程引起温度变化的因素发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射(4)温度对发酵的影响 温度影响酶的活性,进而影响代谢产物的合成 温度还影响基质溶解度(5)最适温度的选择 根据菌种及生长阶段选择在发酵前期由于菌量少,发酵目的是要尽快达到大量的菌体,取稍高的温度,促使菌的呼吸与代谢,使菌生长迅速;在中期菌量已达到合成产物的最适量,发酵需要延长中期,从而提高产量,因此中期温度要稍低一些,可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭

11、得比较严密有利于产物合成。发酵后期,产物合成能力降低,延长发酵周期没有必要,就又提高温度,刺激产物合成到放罐。 根据培养条件选择通气条件差时可适当降低温度,使菌呼吸速率降低些,溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时,温度也该低些。因为温度高营养利用快,会使菌过早自溶。23.(1)杂菌:发酵过程中除了生产菌以外生长的其它的菌体。(2)染菌的影响:发酵过程污染杂菌,会严重的影响生产 造成大量原材料的浪费,在经济上造成巨大损失 扰乱生产秩序,破坏生产计划。 遇到连续染菌,特别在找不到染菌原因往往会影响人们的情绪和生产积极性。 影响产品外观及内在质量(3)总染菌率%=(4)发酵染菌对提炼和产品质量的影响 发酵

12、染菌对过滤的影响染菌的发酵液一般发粘,菌体大多数自溶,所以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼,导致过滤困难。 发酵染菌对提炼的影响染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的水溶性蛋白和其它杂质。采用有机溶剂萃取的提炼工艺,则极易发生乳化,很难使水相和溶剂相分离,影响进一步提纯。采用直接用离子交换树脂的提取工艺,染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面,或被离子交换树脂吸附,大大降低离子交换树脂的交换容量,而且有的杂菌很难用水冲洗干净,洗脱时与产物一起进入洗脱液,影响进一步提纯。24.杂菌: 是指在发酵培养中侵入了除菌种外,有碍生产的其他微生物。杂菌的危害 1.浪费大量原料,造成巨大经济损失 2.扰乱生产秩序

13、,破坏生产计划 3.遇到连续染菌又找不到原因,影响生产积极性 4.降低发酵产率、提取得率、产品质量 5.提高三废治理难度25.(1)造成染菌的主要原因1、设备渗漏 2、空气带菌3、种子带菌4、灭菌不彻底5、技术管理不善(2)发酵染菌后的措施l 发酵液必须灭菌后才可放下水道l 寻找染菌的原因l 染菌厉害时,车间环境要用石灰消毒26.(1)产生噬菌体的原因活菌体随意排放,造成噬菌体的感染源(2)危害:造成断种,无法生产(3)噬菌体的防治 建立工厂环境清洁卫生制度 感染噬菌体的培养物不得带入菌种室、摇瓶间 发现噬菌体停搅拌、小通风,将发酵液加热到70800C杀死噬菌体,才可排放。 环境用漂白粉消毒

14、选育抗噬菌体的菌种27.泡沫的产生及其益处 发酵过程中因通气搅拌、发酵产生的CO2以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫物质的存在,使发酵液含有一定量的泡沫,这是正常现象,泡沫的存在可以增加气液接触表面,有利于氧的传递。泡沫过多的危害 1、造成发酵罐装料系数减少,降低生产能力。 2、严重时造成排气管大量逃液。3、升到罐顶可能从轴封渗出,增加染菌机会。 4、部分菌丝黏附在罐盖或罐壁上而损失。5、影响通气搅拌正常进行,妨碍菌体呼吸,造成代谢异常,终产物产量下降或菌体提早自溶,进而促使更多泡沫生成。因此,必须对泡沫进行控制。28.化学消泡机理 消泡剂是一些表面活性剂,其表面张力较低(相对于发泡体系

15、而言),接触到气泡膜表面时,气泡膜局部表面张力降低,破坏了力的平衡,造成气泡破裂,产生气泡合并,最后导致泡沫破裂。机械消沫 机械消沫是藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用。29. (1).糖化:淀粉质原料在微生物或酶的作用下将淀粉转化为糖的过程。糖化剂:糖化中采用的催化剂,为由微生物制成的糖化曲,也可以是酶制剂。糖化菌主要是曲霉和根霉n 米曲霉黄曲霉黑曲霉As3.4309(uv-11)或其变异株n 根霉和毛霉(2)淀粉的糊化和液化l 糊化淀粉在常温下不溶于水,当水温至53以上时,淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性,称为淀粉的糊化Gelatinizati

16、on)。 淀粉颗粒变成糊精(淀粉分解的中间产物,能溶于水成胶体溶液,多用作浆糊)的过程。 糊化率(%)=糊精/总糖100%l 液化发生糊化之后的淀粉,如果继续升温,支链淀粉也开始溶解,胶体状态破坏,形成黏性较低的流动性醪液,这种现象称为淀粉的溶解,或称为液化。(3)酒精生产中常用酵母菌:啤酒酵母及其变种30.大曲的制备: 小麦磨碎:要求小麦颗粒整齐、无霉变、干燥。磨碎前加入5-10%水拌匀,润料3-4h后,用钢磨粉碎,粉碎度要求,未通过20目筛的粗粒及麦片占50-60%,通过20目筛的细粉占40-50%。 拌曲料:通过定量粉器和定量供水器,稳定比例将曲母和水连续进入搅拌机,搅匀后送入原曲设备进

17、行成型。加水量一般为麦粉重量的37-40%;曲母的用量夏季为麦粉的4-5%,冬季为5-8%,曲母一般选用上一年度生产的含菌种类和数量较杂的白色曲为好。 踩曲(曲胚成型):用压曲机压成砖状形(2-3kg松而不散)。 曲的堆积培养:可分堆曲、盖草洒水、翻曲、拆曲四步。l 堆曲:压制好的曲胚放置2-3hr,待表面略干移入曲室培养,先在曲室地面上铺一层稻草(15cm厚),曲胚三横三竖相同排列,胚之间约2cm距离,可用草隔开,促进霉菌生长,排满一层后,在曲胚上再铺一层稻草,厚约7cm,横竖排列应与下层错开,以便空气流通,一直排到4-5层为止,再排第二行。l 盖草及洒水:用草盖在表面进行保温,以后应适时洒水,便于保持温度和湿度。l 翻曲:盖草洒水后,关闭门窗,微生物开始在表面繁殖,品温升高,夏季经5-6天,冬季经7-9天,曲胚堆内温度达60左右,曲胚表面出土霉斑,可进行第一次翻曲,再过一周左右,翻第二次,目的调节曲块的温、湿度。l 拆曲:在翻曲后15天左右,可略开门窗,进行换气,到40天后(冬季至50天),曲温会降到接近空气温度时,曲块也大部份已经干燥,即可搬出曲室。成品曲的贮藏:制成的高温曲,分黄、白、黑三种颜色,以金黄色曲为最好,在曲块搬出后,应贮存3-4个月(陈曲),然后再使用。31.啤酒的酿造工艺:(1)麦芽汁的制备:麦芽的糖化麦芽汁的过滤麦芽汁的

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