发酵工艺学原理思考题及答案 文经学院

第二章思量题

1.比较固体培养与液体培养的优缺点

固体培养基：酶活力高：无菌程度要求不严：产物浓度大，易分离，有效降低产品分离成本。

劳动强度大，占地面积大，不宜自动化生产；周期长；环境条件难控制；菌种菌类不纯；

生物量检测不易，盲目性大。

液体培养基：生产效率高，便于自动化管理；生产参数可全面控制；通常生产液体种子，生产周期短。

无菌程度要求高，相对生产设备投资较大；某些发酵，因投资大和生产密度大而难以实现。

2.说明菌种扩大培养的条件。

①培养基：摇瓶用的培养基原料精细，C源浓度较低且易被利用。种子罐用培养基原料接近大生产所

用的原材料，N源浓度高，利于菌体增殖。

②温度：从试管到三角瓶到种子罐，温度逐步调整，最后接近大生产的温度，使菌种逐渐适应。

③氧的供给：需提供足够的氧气利于菌体增殖。

@PH：为菌体最适生长PH,往往与发酵最适PH不同。灭菌后，PH值下降0.5——1个单位，应调整（

三角瓶不行，不宜无菌操作）。

3.菌种扩大培养的目的和意义是什么？

①提供大量而新鲜的、具有较高活力的菌种，而达到提高发酵罐利用率，缩短发酵周期，降低能耗，

减少染菌的机会及使培养菌在数量上取得绝对优势，而抑制杂菌生长。

②使菌种逐渐适应大生产的环境。

③提高生产的成功率，减少“倒灌”现象0

4.工业生产用菌种的基本要求有什么？

①具有稳定的遗传学特性。

②微生物的生长和产物的合成对于基质无严格的要求。

③生长条件易于满足。

④对于细菌，希翼具有抗Phage的能力。

⑤有较高的活力，可在一定范围内提高生长速率和反应速度，进而缩短发酵周期，降低生产成本。

⑥目标产物易分离得到。

5.微生物发酵常用菌种有哪些？

（细菌：短杆菌，枯草芽抱杆菌，地衣芽胞杆菌，苏云金芽狗杆菌；

酵母：啤酒酵母，酒精酵母，汉逊酵母，假丝酵母；

霉菌：黑曲霉，黄曲霉，青霉菌，红曲霉。

第三章思量题

1.微生物发酵培养基的碳源主要有哪几种？

碳酸；淀粉及其水解糖；化工石油产品（醋酸，甲醇，乙醇）

2.微生物发酵培养基的氮源主要有哪几种？

无机：氨水，尿素（有服酶的M,流加）；镂盐。有机：豆粕，玉米浆，酵母粉，酵母浸出物，鱼粉；菌

体蛋白，玉米蛋白粉。

3.淀粉的水解方法主要有什么？试进行优缺点比较？

①酸解法:简单易行，对设备要求简单，设备生产能力大，用时短。

反应剧烈，副产物多；生产环境恶劣；设备需耐腐蚀，耐高温高压；对淀粉原料要求严；淀

粉浓度不宜过高。

②双酶水解法：反应条件温和；副产物少；淀粉的水解产率和转化率较高；原料可直接是粮食；使用的

淀粉浓度较高；制得的糖液颜色浅，质量高，利于精制。

酶解反应时间较K,要求的设备较多，需具备专门培养酶的条件，酶的存在使糖液过滤艰难。

③酸酶结合水解法：酸酶法(酸液化速度快，可采用较高浓度的淀粉乳酶酸法(可用粗淀粉，较酸

法水解度高，减少了副反应。)

4.双酶法淀粉的水解通常使用哪2种酶？其作用特点分别是什么？

(l)a・淀粉酶(淀粉液化酶)：只作用于淀粉a-1,4葡萄糖昔键，快速将长链淀粉水解为短链糊精，水解速

度随淀粉链长度的降低而减慢。终产物：短链糊精，少量葡萄糖。

淀粉4；1,6葡萄糖甘酶(糖化酶)：水解淀粉的a4或者a・l,6葡萄糖昔键，从淀粉的非还原性末端开

始，淀粉链越短水解速度越快。线产物：葡萄糖。

(2)酸法水解的主要副产物是什么？

①复合二糖：异麦芽糖(不利于产物的结晶提出)，龙胆二糖(抑制菌体的生长)；

②一份子G脱水形成5-羟甲基糠醛(抑制菌体的生长)；

嬖拉德反应，G与-NH,形成氨糖，有颜色，不利于精制。2

5.培养基工业灭菌的方法主要是采用蒸汽灭菌，其灭菌的原理是什么？

使用高压蒸气灭菌，利用加热产生蒸气，随着蒸气压力不断增加，温度随之升高，高压蒸汽灭菌具有穿

透力强，传导快，能使微生物的蛋白质较快变性或者凝固，作用可靠，操作简便，水蒸汽含有潜热热压灭菌温

度与时间的关系如下：115℃(68kPa)/30min,121℃(98kPa)/20min,126℃(137kPa)/15min。可杀灭包括芽胞

在内的所有微生物。

灭菌过程符合对数残留定律，写出理论灭菌时间的计算公式。t=(2.303/K)xLNN/N

0S

6.生物反应器灭菌的操作要点有什么，绘图说明操作过程。

(1)①定期检查设备、管道有无渗漏。②培养基升温时，打开所有的排气阀门。③升温时开动搅拌系统，

使培养基内部传热均匀。温度达100℃时，住手搅拌。④注意辅助设备的灭菌。⑤保温期间，要求罐压：

0.09-0.lOMPa；温度:118-121C；时间：30min。⑥灭菌结束，即将通入无菌空气，保证罐内压力后方可

冷却。⑦配制培养基时，应充分考虑培养基灭菌时的稀释。

(2)简：升温阶段，保温阶段，冷却阶段。

7.以化学反应动力学为基础，说明高温短时灭菌可以减少培养基营养成份损失的原因。

lg(k《yig(k；/k：尸E/EA

8理论灭菌时间：理论灭菌时间的计算

t=l/kxlnN/N=2.303/KxJgN/N

2

式中：N—开始灭菌(t=0)时原有活菌数：Nt.一经时间t后残存活菌数。K—灭菌速度常数(s-l),也称反应速度

0

常数或者比死亡速度常数，此常数的大小与微生物的种类与加热温度有；关t:表示理论灭菌时间

k=(2.303/t)logN/N；比死亡速率常数K,K值大，表明微生物容易死亡。

I0

对数残留定律：微生物的湿热灭菌过程，其本届上就是微生物细胞内蛋白质的变性的过程。因此，可以把灭菌过程看成是蛋白质的变

性的过程，从这个意义上讲，灭菌过程应遵循单份子反应的速度理论，那末，则有下列方程：

-dN/dl=k*N

式中，N-残存的活菌数：t一灭菌时间(s)；K—灭菌速度常数(s-1),也称反应速度常数或者比死亡速度常数，此常数的大小与微生物的

种类与加热温度有关：dN/d(—活菌数瞬时变化速率，即死亡速率。该方程称为对数残存定律，表示微生物的死亡速率与任一瞬时残存

的活菌数成正比。

实消:实消，就是分批灭菌，就是将配制好的培养基放入发酵罐或者其他装辂中，通入蒸汽将培养

基和所用设备一起进行灭菌的操作过程，也称实罐灭菌。

以肖流程：放罐-W洗为修-空消-进轨预如实消-冷却-接种发酵

实消的优缺点

优点：1、设备成木低；2、染菌风险低，连续灭菌过程需要将灭菌发酵液无菌输送至无菌发酵罐3;、易于人工

控制；4、易于处理含有高比例固体物质的培养基。

缺点：1、对于培养基的营养成份破坏大；2、蒸气用量波动大。

空消:用蒸汽对单纯的生物反应器及其附属设备灭菌。由于空消时反应器内的死用少，蒸汽的传热效率高，对于反应器灭

菌效果好，通常在较长期没有使用的反应器、染菌的反应器、更换菌种时都要进行空消。采用培养基连续灭菌的工艺，需要空消。

连消：(连续灭菌)将配制好的培养基向发酵罐等培浴装置.输送的同时进行加热、保温和冷却等火菌操

作过程。

[优点：1、能实现高温短时灭菌，能极大地保持培养基的营养；2、易于放大；3、易于自动化控制；4、减少蒸

气的用量；5、降低蒸气量的波动；6、在一定程度上减少发酵罐的腐蚀。

缺点：1、设备成本高；2、染菌风险高；3、不适合处理含有高比例固体物质的培养基。

波美度：|(汩€)表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数就叫波美度。第

四章思量题

1.能荷：能荷二([ATP]+1/2[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP]),大小在0~1之间：定量表示细胞能量状态。糖酵

解：葡萄糖或者糖原在组织中进行类似发酵的降解反应过程。最终形成乳酸或者丙酮酸，同时释出部份

能量，形成ATP供组织利用。

TCA循环：三炭酸循环(tricarboxylicacidcycle,TCA),Krebs循环。是用于将乙酰CoA中的乙酰基

氧化成二氧化碳和还原当量的酶促反应的循环系统。

磷酸五糖途径：HMP.

己糖磷酸旁路。在胞浆中进行，分两个阶段。第一阶段由G-3P脱氢生成&磷酸葡糖酸内酯开始，然

后水解生成6-磷酸葡糖酸，再氧化脱竣生成5.磷酸核酮糖。NADP+是所有上述氧化反应中的电子受体

。第二阶段是5■磷酸核酮糖经过一系列转酮基及转醛基反应」经过磷酸丁糖、磷酸戊糖及磷酸庚糖等中

间代谢物最后生成3-磷酸甘油醛及6-磷酸果糖，后二者还可重新进入糖酵解途径而进行代谢。

甘油发酵:在酒精发酵中，如果通过依姆登・迈尔霍夫途径，则中间形成磷骏甘油醛。在正常反应中它的

氧化是和它前面的反应即乙醛的还原有关。但是通过加入亚硫酸盐等将后者捕捉，就会代之以磷酸甘油

3

醛的还原形成磷酸甘油。磷酸甘油经脱磷酸而有甘油积累。这种反应称为甘油发酵。

DCA循环：乙醛酸循环，在异柠檬酸裂解酶的催化下，异柠檬酸被直接分解为乙醛酸，乙醛酸又在乙

酰辅酶A参预下，由苹果酸合成酶催化生成苹果酸，苹果酸再氧化脱氢生成草酰乙酸的过程。

侧系呼吸链：NAD（P）H经过该呼吸链，可以正常传递H+,将其氧化成H0,但并没有氧化磷酸化生成

2

ATPo酶系强烈需氧，缺氧可使酶不可逆失活。

标准呼吸链：能够正常产生ATP的呼吸链。

二氧化碳固定化反应：通过CO的固定反应来补充草酰乙酸，酶：磷酸烯醇丙酮酸（PEP）竣化酶，苹果

酸酶。二氧化碳在酶的作用下转化为还原性有机化合物的过程。

初级代谢：普通将微生物从外界吸收各科营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成维持生命活动的物质

和能量的过程。

次级代谢：在一定的生长时期（普通是稳定生长期），微生物以初级代谢产物为前体合成的对微生物本

身的生命活动没有明确功能的物质的过程。

分叉中间体：可用来合成初级代谢产物，乂可合成次级代谢产物，处于代谢分叉点上的物质。

发酵逆转：在正常的发酵过程中，微生物群体从完成为了生长型到产物积累型的转变后，大量的产物开

始生成，底物源源不断地转化成产物，但是当培养基中存在易引起分解代谢阻遏的物质时，菌体可能浮

现二次生长，微生物群体又回到了生长状态的现象。

反馈抑制：是指最终产物抑制作用，即在合成过程中有生物合成途径的终点产物对该途径的醐的活性调

节，所引起的抑制作用。

阻遏：指基因的表达转录阶段为特异的调节因子（阻遏物）所抑制，使细胞内特定的酶或者酶系合成率降

低的现象。

优先合成机制：在生物合成份支点处，通过酶活性的调节，使某种产物优先合成。

同工酶：理化相同反应而份了•结构不同的酶。

协同反馈抑制：由两个或者多个终产物产牛•的对一种酶的反馈抑制。在分支代谢途径中，几种末端产物同时都过量,

才对特定的酣具有抑制作用。若某一末端产物单独过量则无抑制作用

营养缺陷型：对某些必需的营养物质或者生长因子的合成能力浮现缺陷的变异菌株或者细胞。必须在基

本培养基［如由葡萄糖和无机盐组成的培养基）中补加相应的营养成份才干正常生长。

抗性突变株：是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或者致死物理因子的抗性变异类型。

组成型突变株：通过物理、化学或者生物方法，使调节基因发生变异，阻遏蛋白无法合成或者合成后无活

性，或者突变发生在控制基因上，最终使诱导作用解除，酶的合成畅通无阻的突变株。

分解代谢阻遏：当培养基中同时存在多种可供利用的底物时，分解利用某些底物的酶往往被最容易利用

的底物所阻遏。

代谢控制发酵：用人工诱变的方法，故意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物。

4

偶联：氧化还原反应或者分解反应与磷酸化反应相偶联。在生物体内酶反应中可看到放能反应的进行可

由ADP和正磷酸生成ATP（吸能反应）相偶联。

调节基因，legulaliupngene：能产生阻抑物的基因，通过阻抑物与控制基因的结合与否来控制控制基因

的关闭和开启。

P—启动子，Promotor：有与RNA聚合酶结合的位点，可识别转录起始点的核甘酸序列。O—控制

基因，operationgene:对结构基因起着“开关”的作用的核甘酸序列，可直接控制结构基因

的转录。

S—结构基因，structuregene:决定合成某一种蛋白质或者RNA份子结构相应的一段DNA。

2.厌氧甘油发酵和好氧甘油发酵的优缺点比较。

（①甘油厌氧发酵的缺点：

a.菌体死亡率较高，碱性条件；无能量产生；b.转化率较低，按照上述能量平衡计算，糖与甘油的转

化率不可能超过50%,加之酵母增殖需要消耗一部份糖，发酵液中残留一部份糖，实际转化率远低于50%。

这一转化或，导致了厌氧发酵生产甘油的成本较高。

②好氧发酵：

优点：在适当（或者说有限的好氧）好氧的条件下，酵母细胞进行有限的好氧呼吸，糖酵解产生的

丙酮酸可以通过TCA循环来增加其产能水平，一方面减少3—磷酸甘油醛向乙醛方向进行，增加底物向

产物转化的比例；另一方面，增加了细胞能量水平，减少了细胞的死亡率，有利于提高发酵的速率，缩

短发酵周期。

缺点：这种有限的好氧发酵，使得丙酮酸进行TCA循环的同时，也增加了TCA循环过程中的许多中

间性产物的产生，这对于甘油的提取带来了不利的影响）

3.柠檬酸发酵过程中有哪几个控制要点，如何控制？

（l）EMP畅通无阻：①控制Mn+NH+浓度，解除柠檬酸对PFK的抑制。②控制溶氧，防止侧系呼吸，

链失活

（2）强化CO固定反应生成C二竣酸：添加辅酶一生物素。

24

（3）柠檬酸后述的酶的酶活性丧失或者很低:控制培养基中的Fe，的浓度

4.说明柠檬酸发酵过程中氧的重要性。

（柠檬酸产生菌体内侧系呼吸链中的酶系强烈需氧，如果在柠檬酸的发酵过程中，发酵液的溶氧浓度在

很低的水平维持一段时间，或者在这期间中断供氧一段时间（20分钟，根据处理情况如：紧急保压等）则

这--侧系呼吸链不可逆的失活，其结果是菌体再也不产酸，而是产生了大量的菌体。因为，标准呼吸链

的存在使得菌体在代谢过程中产生了大量的ATP,用于菌体自身的生长上，即只长菌不产酸，大量的葡

萄糖被消耗了，却没有生产出柠檬酸，生产失败。）

5.简述二氧化碳固定反应对于提高柠檬酸产率的意义。

5

(葡萄糖经过EMP途经生成丙酮酸后，丙酮酸在丙酮酸脱竣酶的作用下生成为了乙酰辅酶A(CH3co-

CoA),则合成一份子柠檬酸需要3份子的CH3co-CoA,也就是需要1.5份子的葡萄糖；如果其中一份子

的丙酮酸通过CO2固定反应生成份了的C4二辣酸，那木合成份了的柠檬酸需耍1份了的葡萄糖，

产率得以提高。)

6.比较细菌发酵和酵母发酵的优缺点。

(优点:

(1)菌体体积较小，相对增殖所用的底物较少，产率高。(2)细菌的繁殖速度快,

在合适的生长条件下，其繁殖速度惟独几分钟，而酵母的增殖速度至少在一个小时以上，这就为细菌

发酵缩短发酵周期创造了条件。(3)细菌的细胞膜的通透性易于调节，对于胞外

产品，可以通过其细胞膜的通透性控制来促进产物的分泌，例如，GA的发酵；对于胞内产物，其细

胞壁比酵母的细胞壁易于破碎。

缺点：

(1)细菌菌体较小，当需要从发酵液中把菌体分离出来(有利于产物的结晶提出，或者产物就是菌体或

者菌体内的胞内物)，细菌比酵母菌难以分离。

(2)细菌发酵过程中的无菌程度要求非常严格，发酵过程中大部份的细菌对于溶氧的要求也很高，这

就增加了细菌发酵的生产成本。

(3)细菌发酵易感染噬菌体。

7.写出大肠杆菌中Lys代谢途径，说明利用大肠杆菌发酵生产Lys的菌种符性和控制要点。

EMP丙MK冬标

破裕声酸0

酸—

、藏罅

KAc

要使菌体合成并积累Lys,可以选育Hos・，这样的话，既可以解除|3—天冬氨酸的代谢支路，使代谢流向

Lys的方向进行，提高了从底物葡萄糖到产物的转化率；更重要的是由于Hos・，使得代谢过程中不可能产

生过量的Mel、Thi,尽管产生了大量的Lys,Lys可以抑制关键酶一天冬氨酸激酶1,但是天冬氨酸

激酶2、3的活性由于Met、Thr的限量，并没有受到抑制，也就是说，天冬氨酸。一半醛，仍可以大量的

生成，这就保证了Lys的生物合成途径的畅通无阻。

8.写出黄色短杆菌中Lys代谢途径，说明利用大肠杆菌发酵生产Lys的菌和特性和控制要点。

特点：（1）天冬氨酸激酶（AK）,在黄色短杆菌中是一个变构酶，并有两个活性中心，分别受Lys、Thr的

协同反馈抑制。（2）黄色短杆菌中，存在两个分支点的优先合

成机制，即优先合成Hos,然后再优先合成Met,当Met过量时，阻遏：催化Hos虎魄酰高丝氨酸所需

要的酶的合成（即虎魄酰高丝氨酸合成酶），使代谢流向合成Thr的方向进行，当Thr过量时，反馈抑制：

Asp-p•半醛Hos所需要的酶的的活性（即高丝氨酸脱氢酶），使代谢流向Lys的合成。

控制要点：根据以上代谢特点，利用黄色短杆菌生产Lys,需要选用Hos-,尽管，从理论上讲，选育Hos-进

行赖氨酸发酵，如果在其培养基中限量供给Thr,则AK酶的活性不会受到Lys的反馈抑制，实际上Lys

对AK酶的活性存在一定的抑制作用。因此，对于黄色短杆菌的Lys发酵，仅仅选育Hos.是不够的，但是为

了高效率的转化Lys,可以选育结构类似物抗性突变株：①S-L•半胱氨酸抗性突变株AEC@y•甲基赖氨

酸抗性突变株MLr@L-赖氨酸氧月亏酸盐抗性突变株LysHx®苏氨酸氧月亏酸盐抗性突ThrHxr使用黄色短

杆菌进行赖氨酸的发酵，还可以选育具有双重标记的营养缺陷型突变株（Met-+Ihr-），其本质上和Hos-是

一样的，但双重标记的营养缺陷型突变株的优点是：遗传性质稳定，恢复突变的几率少。

9.谷氨酸发酵生产过程中，主要浮现哪些异常现象？其危害是什么？产生的原因是什么？如何处理？

（1）初期PH下降（菌体生长缓慢）：

①初服不够。应提前酌情流加；

②跑尿浮现，可能是因为温度过高，尿素形成双缩服。或者培养液中的NH+分解成NH跑出。或者NH被

结合434

7

成其他物质；

③培养基中磷酸盐浓度过高，代谢平衡打破，酸性产物积累；④供氧不足。可能是

因为通风不足，泡沐塞住尾气管，压强升高，使进气管的空气流速下降。或者搅拌器转速较低，KLa

较小，特殊是当菌体处在对数生长期时。或者发酵罐压力过低。或者发酵罐的结构设计不合理，如挡板

结构，搅拌桨T/D值，两档的距离。

（2戚种后菌体生长不良，0D值偏低，耗糖速度慢。（使发酵周期变长，菌体活力低，糖酸转化率偏低）：

①菌体感染Phage；

②培养基缺V,缺磷酸盐，或者存在抑制性物质一如淀粉水解产生：龙胆二塘，5”.羟甲基糠醛。或者

灭H

菌时尿素变成双缩胭；

③通风量过大，氧气溶解水平反而不高，菌体耗糖速度低（能荷）：

④菌种不良，种子衰老或者接种温度过高，菌体被烫死；

⑤前期通风少，PH偏小，积累酸性代谢物，不利菌体生长。

（3）中后期，0D值上升，耗糖快，产酸低（只长菌不产酸）：

①V（玉米浆）过高，生长型到产物型转变不利，应维持亚适量；

H

②可能是感染杂菌（镜检可初步判断）。

（4）中后期，耗糖快，产酸低或者不产酸：

①感染杂菌；

②供氧不足，酸产物积累；

③V过高，磷酸盐过高。

H

（5）泡沫太多一因此发酵罐装液量在70%以下，酶制剂在50%（影响传热，易跑液染菌，损失发酵液

等：

①淀粉质量差，杂质多（Pr）;

②糖化不彻底，糖化液含有糊精（泡沫稳定剂）：酶剂添加量不合理或者PH调节不合理；

③糖化工艺不合理，形成的复合物（焦糖，美拉德反应物）多；

④感染杂菌，杂菌生长速度快，产生的大量CO与其他物质形成复合物；

2

⑤感染Phage,菌体破裂，Pr等物质释放；

⑥消泡剂选择不合理或者用量过少。

（6）菌体产酸后，GA产量又下降：

①PH过高，GLn合成酶活性加强，使GA+NH.—＞谷氨酰胺的反应右移，谷氨酰胺的存在不利于GA的

4

沉淀分离；

②感染杂菌，GA被作为C源、N源分解利用。

（7）GA浓度急剧增加（在分离提纯时，杂质多，等电点法，离心法难以结晶）：

8

感染phage,菌体裂解。PI=3.22,冷冻沉淀离子交换柱。

10.说明微生物细胞内NH.参预分解与合成代谢的途径。

4

在抗生物的发酵过程中，培养基中如果存在容易被利用的无机氨态氮，例如：(NH)SO、NHCL等，或

者

4244

其他可以被迅速利用的氮源，则对抗生素的合成有强烈的抑制作用；NH+可以强烈的刺激菌体的生长，

4

进而影响了菌体从生长型到产物积累性的转变，影响了抗生素的生物合成。发酵中期当微生物群体进入

产物合成期时，如果向发酵液中流加氮源，则可以造成发酵逆转。

11.写出谷氨酸发酵的最理想途径，说明co固定化反应的重要性。

2

体系不存在CO固定反应：

3/2CHO+NH-CHO+4CO

612645942

产率：147/(180*3/2)=54.4%

体系存在CO固定反应：

CHO+NH-==CHO+CO

612645942

产率：147/180==81.7%

可见，在GA的生物合成过程中，C?固定反应对于产率的提高有着多么重要的作用。

12.谷氨酸产生菌之所以能够合成、积累并分泌大量的GA,其菌种内在的原因有哪些？

①a-KGA脱氢酶酶活性微弱或者丧失。

这是菌体生成并积累a—KGA的关键，a—KGA是菌体进行TCA循环的中间性产物，很快在a—KGA脱

氢酶的作用下氧化脱救生成虎魄酸辅酶A,在正常的微生物体内他的浓度很低，也就是说，由a—KGA

进行还原氨基化生成GA的可能性很少。惟独当体内a—KGA脱氢酶活性很低时，TCA循环才干够住手，

a—KGA才得以积累。

②GA产生菌体内的NADPH的再氧化能刀欠缺或者丧失。

9

(1)NADPH是a—KGA还原氨基化生成GA必须物质，而且该还原氨基化所需要的NADPH是与柠檬酸氧

化脱竣相偶联的。(2)由于NADPH的在氧化能力欠缺或者丧失，使得体内的NADPH有一定的积累，

NADPH

9

对于抑制a—KGA的脱竣氧化有一定的意义。

③产生菌体内必须有乙醛酸循环（DCA）的关键酶一异柠檬酸裂解酶。

该酶是种调节酶，或者称为别构酶，其活性可以通过某种方式进行调节，通过该酶酣活性的调节来实

现DCA循环的封闭，DCA循环的封闭是实现GA发酵的首要条件。

④菌体有强烈的L—谷氨酸脱氢酶活性。

a—KGA+NH++NADPH==GA+NADPL—谷氨酸脱氢酶，实质上GA产生菌体内该酶的酶活性都很强,

4

该反应的关键是与异柠檬酸脱竣氧化相偶联

13.谷氨酸产生菌之所以能够在10%以上的葡萄糖培养基上，生产大量的GA,除了上述谷氨酸产生菌的内

在本质外，其需要的外在条件有什么？

①供氧浓度。过量：NADPH的再氧化能力会加强，使a-KGA的还原氨基化受到影响，不利于GA的生

成。供氧不足：积累大量的乳酸，使发酵液的pH值下降，不利于GA的产生，同时，一部份葡萄糖转

成为了乳酸，影响了糖酸转化率，降低了产物的提出率。

②NH+浓度。（1）影响到发酵液的pH值（2）与产物的形成有关：过低，不利于JKGA的还原氨基」

化过高，产生固安酰胺NH4+的供给方式：（1）液氨（2）流加尿素

③磷酸盐过量。（1）促进EMP途径，打破EMP与TCA之间的平衡，积累丙酮酸，产生乳酸等⑵产生并

积累Vai。Vai①可以抑制葡萄糖一＞丙酮酸，使GA的生物合成受到阻挠②消耗了丙酮酸，降低了糖

酸转化率③发酵液中的Vai存在，严重的影响GA的结晶、提出。

14.谷氨酸发酵过程中，生物素（V）作用表现在那几个方面？

H

（1）生物素对糖代谢的影响

①生物素对于糖酵解有促进作用，对丙酮酸的有氧氧化——乙酰辅酶A的生成也有促进作用，但两者

的促进作月不一样，对前者大一些，这样培养基中如果有较丰富的VH,就会打破糖酵解与丙酮酸氧化之

间的平衡，导致丙酮酸的积累，丙酮酸积累则可能导致乳酸的形成，乳酸声称，则使得碳源利用率降低，

而且带来的是发酵液的pH值下降。②可以通过控制生物素的浓度，以实现对于乙醛酸循环的封闭。（2）

生物素对氮代谢的影响

当VH缺乏时，异柠檬酸裂解酶的活性减弱，那末相反，当VH丰富时，异柠檬酸裂解酶的活性必然加强，

则DCA循环正常进行，DCA循环的进行，一方面提供了大量的“中间性产物”，另一方面，菌体的能和水

平得到提高。前者是菌体增殖的物质基础，后者则是菌体增殖的能量的保证。这样的结果是，有利于筐

体的增殖和生长，则GA的生物合成就会受到影响，甚至住手，这在生产上，就是通常我们说的“只长菌,

不产酸”的现象。以上分析说明，GA发酵过程中，前期，菌体的增殖期，一定的量的生物素是菌体增殖

所必需的；而在产物合成期，则要限制生物素的浓度，以保证产物的正常合成。

（3）生物素对菌体细胞膜通透性的影响

细胞膜通透性的调节对于GA发酵时非常重要的，正如前述，当菌体进入产物合成期时，开始有GA的产

10

生，这是如果能够大量的把产物及时的排泄到细胞膜外，可以解除GA对L—谷氨酸脱氢酶活性的抑制作

用，从而使现由Glucose到GA的高效率转化，物素对细胞膜合成的影响主要是通过对细胞膜的主要成

分一磷脂中的脂肪酸的生物合成来实现的，当限制了菌体脂肪酸的合成时，细胞就会形成个细胞膜

不完整的菌体。其中，将乙酰辅酶A竣化生成丙二酰辅酶A的酶是乙酰辅酶A竣化酣，该酶的辅酶是V,

H

V在此反应过程中起到传递CO的作用。当培养基中VH的浓度较低时，细胞膜的合成就会受影响。

H2

15.生物素('V)如何封闭乙醛酸循环的？

H

DCA循环的关键酶是异柠檬酸裂解酶，受以下几个因素的影响：

①为醋酸诱导

②受虎魄酸的阻遏，其活性受虎魄酸的抑制。

当VH缺乏时：

(1)丙酮酸的有氧氧化就会减弱(由于V对TCA循环的促进作用)，则：乙酰辅酶A的生成量就会少，

H

醋酸浓度降低，它的诱导作用降低。

(2)V对TCA循环的促进作用的降低，使得其中间产物虎桃酸的氧化速度降低，其浓度得到积累，这样H

它的阻遏和抑制作用加强。

两者综合的作用使得，异柠檬酸裂解酶的活性丧失，DCA循环得到封闭。

16.微生物群体当实现从生长型到产物积累性的转变后，从外观上通常会有哪些变化？这些变化的本质

是由什么引起的？

庆大霉素的发酵(放线菌)在菌体的增殖期，菌丝体细长，而进入庆大霉素的合成期，菌丝体变得粗短；

地衣芽狗杆菌由原来生长期的粗短型转变成细长。这与同样是细菌发酵的谷氨酸发酵不同，后者当菌体

从生长型转变成产物积累型后，其形态由细长变为粗短。

外观：菌体住手生长但形态发生变化，普通变得粗短，［0D］值变大。本质：某些营养成份成为限制性因

子

17.细胞膜通透性的调节方式都有那几种？调节的意义是什么？

(1)①改变细胞膜的组成与结构，使之成为不完整的膜。

②破坏细胞壁的合成，细胞膜由于缺少壁的机械保护作用可以改变其渗透性。

③通透性前活性的调节与控制，以有利于提高M的代谢产物的过量生产。

(2)过量排出产物，解除产物对酶系的抑制作用，进而提高底物转化率。

18.简述磷酸盐在抗生素发酵过程中的调节作用。

磷酸盐对抗生素发酵的影响具有双重性，主要表现在：

(1)高浓度的磷酸盐对抗生素的生物合成具有抑制和阻遏作用①抑制或者阻遏抗生

素合成途经中的某些关键酶。己有许多研究证明：当磷酸盐的浓度lOmmol/L时，菌体内与抗生素合成

有关的酶的活性将受到抑制。②高浓度的磷酸盐可以改变菌体的代谢途径。

11

高浓度的磷酸盐改变MEP,HMP,不利于HMP的进行，固然也不利于以HMP途经中的中间产为前提的

次级代谢产物的生物合成。

（2）磷酸盐浓度低时，菌体生长速度缓慢，生长量（菌体浓度）也不够，不利于抗生素的生物合成。

19.从能荷的角度解释柠檬酸发酵过程中，“只长菌，不产酸”的原因。

菌体要大量合成柠檬酸，从葡萄糖经过EMP到柠檬酸整个代谢途径需要畅通，在这个过程中，有一步

反应：丙酮酸氧化脱峻，每份子丙酮酸可产生一份子的NADH,在有氧的条件下，每份子的NADH经

过呼吸

链彻底氧化成H0,并氧化磷酸化产生3份子的ATP,造成为了微生物体内能荷的增加，能荷增加则抑

制

PFK等关犍酸的酶活性，使得从葡萄糖到柠檬酸的代谢住手。如果NADH（还原型）不能够快速的被氧

化转变成NAD（氧化型），则整个反应就会因为缺乏作为推动力的氧化型的NAD而住手，仍然不能够合

成柠檬酸。而实际上，柠檬酸产生菌可以在有氧的条件下大量生成柠檬酸，即NADH即被氧化了，又没

有产

生ATPo该菌体内存在一条侧系呼吸链，NAD（P）H经过该呼吸链，可以正常的传递H+,将其氧化为H0,

但是并没有氧化磷酸化生成ATP,该侧系呼吸链中的酶系强烈需氧，如果在柠檬酸的发酵过程中，发酵

液的溶氧浓度在很低的水平维持一段时间，或者在这期间中断供氧一段时间（20分钟，根据处理情况如：

紧急保压等）则这一侧系呼吸链不可逆的失活，其结果是菌体再也不产酸，而是产生了大量的菌体，因为，

标准呼吸链的存在使得菌体在代谢过程中产生了大量的ATP,用于菌体自身的生长上，这种现象，在生

产上通常称之为：只长菌不产酸。

第五章思量题

1.发酵热:发酵过程中，由于菌体对培养基利用而发生的生物反应及搅拌时产生的磨擦等等，都会产生

一定的热量。同时罐壁的散热、水分的蒸发等也带走了一部份热量，发酵过程中释放出来的净热量称为

发酵热。Q发酵热二Q生物热+Q搅拌热+Q蒸发热+Q辐谢热

生物热:微生物在生长过程中，由于培养基中的营养性物质：糖、蛋白质、脂肪等被氧化，同时产生大

量的热量，这些热量一部份用于合成高能物质（）等，这些高能物质用于菌体自身的生长、繁

殖上；剩余的另一部份，则以热的形式散发出来，其表现在外观上，就是使培养基的温度升高，这一部

分热量称之为生物热。

生长相关性发酵:产物生成速率与细胞生长速率有密切联系，合成的产物通常是分解代谢的直接产物。

混合生长相关性发酵：生长与产物生成相关（如乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵）。

非生长相关性发酵:在生长和产物无关联的发酵模式中，细胞生长时，无产物，但细胞住手生长后，则

有大量产物积累，产物的形成速率只与细胞积累量有关。

微生物的比生长速率：以睢位细胞浓度为基准的细胞生长速忐

12

N=r/cr：细胞生长绝对速率c：细胞浓度

搅拌轴功率：搅拌器输入搅拌流体的功率，即用以克服流体阻力所需用的功率。

氧传递动力学方程:dc/dt-kLax(c*-c)

12

也可以写成以（P*-P）为推动力的氧传递方程式：dc/dt=kLax（P*-P）式中：dc/dt——溶氧速率，mol/m3.h

kLa——体积溶氧系数，1/hc*——与气相中氧的分压呈平衡的液相中的氧的浓度，也就是一定体系下的

液相中的最大的溶氧浓度，mol/ni3c——液相中氧的实际浓度，mol/m3

氧传递的双膜理论:①溶氧过程存在一个界面，这个界面的厚度可以忽稍不计。在这个界面上，气相中

氧的分压与溶于液相中氧的浓度呈平衡关系，既Pi与Ci呈平衡关系，符合亨利定律：Ci=K*Pio②｛专质

过程是一个稳定的过程，各点氧的浓度不是时间的函数。③气膜、液膜都以层流状态存在。

泡沫:泡沫是指气体分散在少量液体中的一种体系。在这个体系中，分散相是气体连续相是液体。

化学消泡:向发酵液中流加一定量的消泡剂，利用消泡剂的特殊性质消除掉泡沫的方;法

机械消泡：一种物理消泡方法，靠机械强烈震动，压力的变化促使气泡破裂或者借机械力

将排出气体中的液体加以分离回收。

2.计算酵母菌在厌氧条件下代谢葡萄糖的发酵热？计算在好氧条件下的发酵热？两者比较说明什么？

在有氧的的条件下Glucose经过MEP途经生成丙崩酸，丙酮酸进TC4循环被氧化成82和H2O,并有38份子的ATP生成，总反应式如下：

C6H12O6+3SADP+38Pi=38ATP+6H2O+6CO2+Q生物热

・l0x38x4.18KJ/mol根据化学反应的基本原理，对于一个化学反应，可以看成是•个平衡过程，则有下式：O与物热=O可逆=T△S=△H-△

G=-674-（-380）=-294kcol/nx）l式中：△H为反应的始差，可以计算如下：

AH=△HG,C298-AHCO2,C298-△HH2O.C298

AHG.C2加一葡荀糖的标准燃烧热，474x4.18KJ/mol

AHOO2.C298,AHH20c298分别表示82和H2O的标准燃烧热：）.△G为反应的始差，即自由能，其值为40x38x4.l8KMnol则：O生物

热=-294kco!/mol=-294x4.18KJ/mol

这就意味着，酵母菌在有氧的条件下，每氧化Imol的葡萄篇则可以产生：-294x4.18KJ/mol.用于使发酵液的温度升高。（2）酵母菌在无氧的条件下

Glucose经过MEP途径生成2份子的丙丽酸,在无轨的条件下彻底氧化生成乙静、CO2。C6H1206+2ADP+2Fi=2ATP+2C2H5OH+2cO2+Q生物热

-10x2x4,l8KJ/mol

同样，有下列方程：Q生物热=Q可逆=T△S=AH-AG-674-2（-315）=-20kcol/mol

式中：AH为反应的培差，可以计算如下：△H=△HG.C298•△HCO2C298-△HH2O.C298-△HC2H50H.e298△HG.C298—匍荀糖的标准燃烧热，-674

x4.18KJ/mol△HC2H5OH.C298—乙静的标准然热一315x4.18KJ/mol

AHCO2,C2J8.△HH2O.C298分别表示CO2和H2O的标准燃烧热，0AG为反应的培差，即自由能，其值为-10x2x4.18KJ/mol则：

O生物热=-2麻8妨1»1=-20*.1810力《01这就