发酵工艺控制及微生物反应动力学自学习题.doc

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1、温度对发酵过程的影响及其控制（三组）1、 说说温度和微生物生长的关系 ？及温度对发酵生产的影响有哪些 ？（周超）答：一方面随着温度的上升，细胞中依靠酶的生物化学反应速率加快，导致微生物生长速度加快；另一方面，组成细胞的物质如蛋白质、核酸等都对温度较敏感，随着温度的升高，这些物质的立体结构受到破坏，使得依靠酶的化学反应失活，从而引起微生物生长的抑制，甚至死亡。因此只在一定的温度范围内，微生物的代谢活动和生长繁殖才随着温度的上升而增加。温度上升到一定程度，开始对微生物产生不良影响，如果温度继续升高，微生物细胞功能急骤下降以致死亡。温度可以影响发酵生产中的菌生长速率、呼吸强度、产物的生成率。2、 举

2、例说说温度影响到微生物细胞的生物合成方向 ？（周超）答：例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在低于30时，它合成金霉素的能力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度超过35时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。3、 温度可影响培养液的哪些物理性质？举例说明。 （周超）答：温度可以改变发酵液的物理性质，使其中的基质发生变化，在发酵生产中，温度对所需要的产物建立在发酵液上，温度偏低，影响微生物的繁殖；偏高，影响其代谢生长。例如，温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大的影响，随着温度的升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会改变。4、 说说温度对细胞内酶的

3、影响 ？（周超）答：不同的酶的最适温度不同。在低于其最适温度时，细胞内的代谢速率减慢，酶活性降低，但其基本空间结构不改变；在高于其最适温度时，随着温度的不断升高，细胞内的代谢加快，酶的供应更大，但酶的空间构象改变，失去其活性，可能使细胞内的某些代谢途径改变，最终死亡。5、 什么是发酵热？它由几部分组成？并说出它们的来源？（周超）答：发酵热即发酵过程中释放的出来的净热量。它由五部分构成；生物热，即微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热，其中微生物进入对数期以后就产生大量的生物热，与呼吸强度、培养基成分相关；搅拌热，顾名思义即发酵罐搅拌带动液体做机械运动，造成液体之间、液体与设备之间发生摩擦；蒸

4、发热是随发酵罐排出的尾气带走的水蒸发的热量，其温度和湿度随控制条件和季节的不同而各异，水的蒸发以及排出的气体还夹带着部分显热散失到外界；显热，由于空气、水分的改变使得发酵液中的温度改变； 辐射热，因罐内外温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射，辐射热在一年四季是不同的，冬天影响大些，夏天影响小些。6、在发酵整个过程，初期、中期、末期它们温度如何变化 ？（吴华昌）答：在发酵初期温度相对较低，随着微生物的生长繁殖温度逐渐升高在发酵中期温度达到最高，微生物生长速度达到最快，代谢最旺盛。温度升高同时也导致了酶失活速度加快，细胞开始衰老死亡，在末期时温度开始降低。7、培养耐高温的微生物菌种有何义 ？

5、（吴华昌）答：耐高温微生物是指可以在高温下存活的微生物，培养耐高温微生物可以生产一些只有在高温下才能生产的代谢产物，而普通微生物不能在高温中生存。耐高温微生物却是最佳选择，即能在高温中生存又能生产我们所需要的特定代谢产物。8、发酵的最适温度是指什么 ？生产上如何使发酵温度控制在一定的范围 ？（吴华昌）答：发酵的最适温度分为微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度，微生物生长的最适温度是指最适合微生物生长，微生物繁殖最快的温度；微生物产物合成的最适温度是指微生物在一定时间内能合成最多的代谢产物的温度。工业上使用大体积发酵罐的发酵过程，一般不需要加热，因为释放的发酵热常常超过微生物的最适温度，所以

6、需要冷却的情况较多。通常是利用发酵罐的热交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水的温度也较高时，多采用冷盐水进行降温。9、发酵过程最优化控制的意义、目标是什么？发酵产品生产中控制的参数有哪些？生产上如何实现最优化控制。（吴华昌）答：发酵过程的最优化控制可以使细菌生长达到最佳状态，从而得到最多的代谢产物达到最大利益化。发酵产品生产中控制的参数有营养要求、培养温度、pH、溶氧量、二氧化碳浓度、泡沫等。PH值对发酵过程的影响及其控制1、 举例说明控制一定的PH值还是防止杂菌污染的一个重要措施？（郑寒）答：例如细菌最适PH值6.3-7.5，霉菌和酵母生长最适PH是3-6，放线菌的生长最适PH为7-8，所

7、以我们可以通过对酵母培养基PH控制在4-5左右那么就可以有效避免染菌的细菌或者放线菌的大量增殖。2、 PH值是如何影响微生物的生长繁殖和代谢产物形成的 ？（郑寒）答：PH值可以通过影响微生物的菌体形态来影响代谢产物的形成和生长繁殖；PH值可以影响微生物产物的稳定性；PH可以影响生物合成的途径来改变代谢产物。3、 微生物本身具有一定的调节PH能力，会使PH值处于比较适宜的状态。说说发酵过程PH值变化的规律性 ？（郑寒）答：初期：接种后孢子萌发，因碳氮源代谢水平比较低，PH一般可维持不变。 快速生长期：PH变化波动较大，因菌种或培养基不同而上升或下降 成熟期：一般发酵液的PH值趋于稳定，维持在适合

8、产物形成的PH范围 衰亡期：养分耗尽，培养液中氨基氮增加，PH上升。4、 引起发酵液的PH值下降的主要原因有些 ？上升的主要原因有哪些 ？ PH值调节和控制的方法有哪些 ？（郑寒）答：（1）二氧化碳溶解或者溶氧不够无氧呼吸产生乳酸。 （2）细胞自融导致氨基氮增加，使得PH上升；缓冲液；菌种的次级代谢产物 （3）缓冲液；菌种自身控制；环境二氧化碳浓度控制；溶氧控制；5、发酵过程最优化控制的意义、目标是什么？发酵产品生产中控制的参数有哪些？生产上如何实现最优化控制。（罗宾）答：意义和目标：是得到最优的微生物生长条件和产物生产条件。参数控制：菌种的纯度；温度；PH；二氧化碳浓度；溶氧；营养物质；泡沫

9、。实现最优控制：1。确定能反应过程变化的各种理化参数及其检测方法2、 研究各参数对发酵生产水平的影响及其机制以获得最适水平或最佳范围3、 描述各参数之间随时间变化的关系4、 验证各控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制。泡沫对发酵过程的影响及其控制1、 发酵过程中泡沫产生的原因是什么？（罗宾）答：通气搅拌的强烈程度：通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。2、培养基配比与原料组成：培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌 3、菌种、种子质量和接种

10、量：菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量 4、灭菌质量：培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。2、说说过多的持久性泡沫会给发酵带来哪些不利影响？（罗宾）答：1、过多的泡沫形成，若不加以控制，会引起逃液，造成损失。2、增加了杂菌污染的机会。使部分菌体粘附到罐顶或罐壁上，不能再回到发酵液中，使发酵液中的菌体量减少。3、 泡沫中的代谢气体不容易被带走，从而使菌体的生活环境发生了改变，妨碍了菌体的呼吸，造成了代谢异常，导致菌体提前自溶，菌体自溶会促使更多的泡沫形成。3、 说说泡沫的组成及存在

11、型？（罗宾）答：微泡沫是由微生物代谢过程中所产生的各种气体或空气被分散在的液体培养基中，即发酵液中所行成的。一类是存在于发酵液的液面上，这类泡沫气象所占比例很大，泡沫与泡沫之间仅有很薄的页膜分开，并且泡沫与下面的液体之间有明显的界限。另一类是存在于粘稠的菌丝发酵液中，这种泡沫均匀而细，比较稳定，其气象所占比例由下而上逐渐增加，气泡与液面没有明显的界限，此类泡沫由称流态性泡沫。4、 以霉菌发酵为例，说说发酵过程中泡沫的消长规律？（郭磊）答：在发酵过程中，培养基的性质随着细胞的代谢活动在不断变化，因此来影响泡沫的消长。发酵初期泡沫的高稳定性与高的表观粘度与地表面张力有关，随着美军对碳、氮源的利用，

12、培养基的表观粘度下降，促使表面张力上升，泡沫的寿命逐渐缩短，泡沫减少，到了发酵后期，菌体自溶，培养基中的可溶性蛋白浓度增加，有促使泡沫的稳定性上升。5、说说化学消泡的原理？化学消泡剂有哪些特点？常用的化学消泡剂主要有哪些？（郭磊）答:1、采用表面活性物质，当泡沫的表面存在有极性表面性物质形成的双电子层时，另一种极性相反的物质的表面活性物质的加入，可以中和电性，破坏泡沫的稳定性，使泡沫破碎。或者加入极性更强的物质与发泡剂争夺泡沫表面的空间，而引起力的不平衡，并使液膜的机械强度降低，促使泡沫破碎。2、降低液膜的机械强度和表面粘度，具有较小的表面张力和较小的溶解度，对微生物细胞是无毒的，不影响氧的传

13、递，能够耐高温高压，浓度低而效率高，对产品质量和产量无影响，成本低且来源广泛。3、天然油脂、聚醚类、高级醇、硅酮类、脂肪酸、亚硫酸、磺酸盐，最多使用的是天然油脂、聚醚类。6、为增加消泡剂效果，生产上常用有哪些法 ？（郭磊）答：用惰性载体将消泡剂溶解分散；消泡剂并用增效；乳化消泡剂以提高分散能力；用化学和机械方法联合控制消泡。7、机械有泡的原理？ 机械消泡的方法有哪些？（郭磊）答：1，有泡的原因主要有两个：一是由外界引入的，因为发酵的大多数微生物是好氧的，需要从外界引入无菌空气，伴随机械的搅拌空气会被分成许多小泡，从溶氧量的角度讲，气泡越小表面积越大溶氧效果就越好，但易产生泡沫；二是因为微生物在

14、发酵过程中自身代谢产生气体，堆积成泡。2，机械消泡主要是利用机械震动或所产生的压力使气泡破裂，达到消泡目的。主要用的结构有：耙式消泡浆，旋转圆板式消泡装置，旋转叶片机消泡装置，离心力消泡装置，变径孔式消泡桨。8、 发酵过程最优化控制的意义、目标是什么？发酵产品生产中控制的参数有哪些？生产上如何实现最优化控制。（吴启红）答：1，发酵过程最优化控制的意义，目标是：尽可能减少原材料的支出，获得最大的效益；2，发酵产品生产中控制的参数有：营养物，搅拌速率，温度，pH，对氧的需求，对二氧化碳的控制，对泡沫的控制等等；3，应从生物反应过程动力学入手，因为生物反应动力学的研究内容是有关生物的，化学的与物理过

15、程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长，产物生成，传递过程等。它的目的是为描述动态行为提供数学依据，以便进行数据化处理。然后是建立动力学模型，目的在于确定最佳生产条件。最后在发酵过程中以实际为准继续优化控制，达到最终目的。氧、CO2对发酵的影响1、影响供氧的因素有哪些？（吴启红）答：搅拌，空气流量，培养液的性质，消沫剂，微生物的生长，离子强度，发酵罐中液体体积与高度，发酵液的物理性质等等2、如何测定溶解氧浓度、摄氧率、液相体积氧传递系数？（吴启红）答：1，溶解氧浓度（CL）的测定：2，摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。测定：流量（进口空

16、气中氧的氧含量出口空气中的氧含量）r= 发酵液体积氧的浓度：氧分压仪3，液相体积氧传递系数Kla的测定： 亚硫酸盐法（冷膜） 氧 亚硫酸钠的氧化 Cu2+ 2Na2SO3+O2 2Na2SO4Kla.C* = 亚硫酸浓度的降低4、临界溶氧浓度的概念及意义。（吴启红）答：临界溶氧浓度：在好氧发酵中，微生物对氧有一个最低要求，满足微生物呼吸的最低氧浓度。意义：考察工艺控制是否满足要求；检查其它异常情况的表征 ，染菌、噬菌体、设备和操作故障；间接控制的措施。5、举例说明供氧与微生物代谢有何关系？（吴启红）答：氧的供应在好氧深层培养中往往是发酵能否成功的重要因素，不同微生物对氧的需求不同，供氧不足会抑

17、制好氧微生物的生长代谢。兼性微生物能在无氧条件下通过酵解获得能量，但是氧对绝对厌氧微生物则是一种毒害，而且供氧浓度也是影响微生物代谢的因素，通常达到临界氧浓度可以使微生物呼吸强度达到最高。举例：如大肠杆菌、埃希氏菌属和产气肠杆菌等在有氧条件下生长良好，而在无氧或者氧浓度很低的时候则不生长或者死亡；对氧极端敏感的厌氧菌：代表菌种为月形单胞菌，中度厌氧菌：代表菌种为脆弱拟杆菌、产气荚膜梭菌等临床分离常见的厌氧菌在有氧条件下会死亡。6、 尾气分析包括哪些内容？排气中二氧化碳控制的意义是什么？（马玲玲）答：尾气分析包括氧和二氧化碳的浓度分析。CO2对菌体生长通常具有抑制作用当排气中二氧化碳的浓度高于4

18、%时，微生物糖代谢和呼吸速率下降，但是也需要一定浓度的二氧化碳才能使发酵得到最大产量。二氧化碳除了影响菌体生长、形态及产物合成外，还影响发酵液的酸碱平衡，使PH变化，引起生长必须的金属离子沉淀等间接造成菌体生长不良和影响产物合成。通常将二氧化碳控制在抑制作用浓度之下就可以是发酵得到理想的结果。7、 发酵过程最优化控制的意义、目标是什么？发酵产品生产中控制的参数有哪些？生产上如何实现最优化控制。（马玲玲）答：意义：随着大规模发酵出现，发酵的最优化控制变得很重要，实现最优化控制应从生长和产物动力学原理出发，区分不同的发酵阶段，寻找菌体生长，基质消耗和产物生成三者的最佳发酵参数。结合优化培养基尽可能

19、降低能源和原料消耗。以更好的菌种得到产品质量最好、产量最高、能耗最低、利润最高。将发酵控制在更高水平获得更佳的经济效益。目标：使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件、与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于发酵过程，得到低耗能高产出的产品。参数：发酵控制参数因不同的发酵过程、发酵工艺、技术指标和发酵产物等要求不同而不同，主要有以下几点：一般的耗氧型发酵罐系统，要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数发酵过程物理参数:通常有发酵罐温度（T）、发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流量（FA）、冷却水进出口温度（T1和T2）、

20、搅拌马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪表来实现自动测量。发酵过程化学参数:发酵过程典型的化学参数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。发酵过程生物参数:生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。如何实现最优化控制：主要包

21、括以下几点1、 生物反应过程动力学：有关生物、化学、物理过程之间的相互作用2、 动力学模型的建立：模拟实验过程，推测期待数据进而确定最佳生产条件3、 发酵过程优化控制：解决系统动力学、生物模型、传感器技术、适用生物过程的最优化技术、计算机-检测系统-发酵罐的接口技术今多以流加发酵报道较多，并在发酵工业取得重大突破。微生物反应动力学1、 微生物的生长和培养方式可分为哪三种类型？（马玲玲）答：第一型，生长相关型；第二型，生长部分相关型；第三型，与生长不相关型2、 在分批培养中，微生物的生长可分为哪四个阶段？说说停滞期细胞特征？影响停滞期长短的决定因素有哪些？（马玲玲）答：延迟期、对数生长期、稳定期

22、和衰亡期。停滞期即延迟期的细胞在一段时间内并不分裂，数量恒定，胞内RNA、蛋白质等物质含量有所增加，此时细胞体积相对较大，但并不是处于静止状态。影响停滞期长短因素：微生物接种到新环境暂时缺乏足够能量和必需生长因子，种子老化或未充分活化，接种造成损伤等，影响因素还有微生物种类、菌量、菌龄、营养物种类、培养温度等。3、 为什么说微生物分批培养是一种非稳态的过程？(马玲玲)答：在分批培养过程中，随着微生物细胞核底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物的生长可分为停滞期、对数期、稳定期和死亡期四个阶段。4、 请指出微生物分批培养、补料分批培养和连续培养的区别。（胡勤）答：分批培养是指在一个密闭系统内投入

23、有限数量的营养物质后，接入少量微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定条件下完成一个生长周期的微生物培养方法。相对于分批培养，还有补料分批培养和连续培养。补料分批培养是指在分批培养过程中，间接或者连续地补加新鲜培养基的培养方法。连续培养是以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液量维持恒定，使微生物能在接近恒定状态下生长。5、 什么是补料分批培养？试将其与分批培养、连续培养进行比较，总结其优点 。(胡勤)答：介于分批培养和连续培养之间的培养方法。在微生物或动植物细胞培养过程中，随着营养物质消耗，间歇或连续地添加营养成分或新鲜培养基，但不同时

24、收获培养液。发酵方式分批补料培养分批培养连续培养优点具有更多的优越性，实际应用很广有效地控制了菌体的浓度和粘度，提高产量维持低基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件利用计算机控制补料速率，稳定最佳生产工艺一次性投入料液不同代谢产物分批发酵的基本过程相同操作简单周期短染菌机会少生产过程和产品质量容易掌握控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。 6、试总结连续培养过程的优缺点。(胡勤)答：优点是设备的体积可以减小，能合理的按照发酵阶段实行连续化。操作时间可以缩短，总的操作管理较方便。中间产物及最终产物稳定生产系统化，可以节约人力物力，降低生

25、物费用，同时对微生物的生理状态和反应机制比较容易分析。 缺点：设备的合理性和加料设备的精确性要求很高，必须与全部工艺系统中的其他工段保持连续一致，营养成分的利用较分批发酵稍差，产物浓度较分批发酵略低，杂菌污染的机会较多，菌株发生变异的问题没有解决。7、 对大肠杆菌来说，何种补料方式对细胞生长最快？( 胡勤)答：是连续培养，在连续培养过程中，微生物所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的浓度、pH值及微生物细胞的浓度、比生长速度等可以自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度，因此连续培养的最大特点是使微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可达到稳定、高速增微生

26、物细胞或产生大量代谢产物的目的，所以对大肠杆菌来说，连续培养细胞生长最快。8、 发酵过程最优化控制的意义、目标是什么？发酵产品生产中控制的参数有哪些？生产上如何实现最优化控制。(胡勤)答：意义：随着大规模发酵出现，发酵的最优化控制变得很重要，实现最优化控制应从生长和产物动力学原理出发，区分不同的发酵阶段，寻找菌体生长，基质消耗和产物生成三者的最佳发酵参数。结合优化培养基尽可能降低能源和原料消耗。以更好的菌种得到产品质量最好、产量最高、能耗最低、利润最高。将发酵控制在更高水平获得更佳的经济效益。目标：使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件、与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能简化

27、，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于发酵过程，得到低耗能高产出的产品。参数：发酵控制参数因不同的发酵过程、发酵工艺、技术指标和发酵产物等要求不同而不同，主要有以下几点：一般的耗氧型发酵罐系统，要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数发酵过程物理参数:通常有发酵罐温度（T）、发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流量（FA）、冷却水进出口温度（T1和T2）、搅拌马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪表来实现自动测量。发酵过程化学参数:发酵过程典型的化学参数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），

28、这两个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。发酵过程生物参数:生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。如何实现最优化控制：主要包括以下几点4、 生物反应过程动力学：有关生物、化学、物理过程之间的相互作用5、 动力学模型的建立：模拟实验过程，推测期待数据进而确定最佳生产条件6、 发酵过程优化控制：解决系统动力学、生物模型、传感器技术、适用生物过程的最优化技术、计算机-检测系统-发酵罐的接口技术今多以流加发酵报道较多，并在发酵工业取得重大突破。