8-16章思考题答案.doc

1、第八章 发酵过程 1， 发酵过程的定义 发酵过程 即 细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，还包括 固定化细胞的反应过程，生物法废水处理过程和细胞采矿等过程。 2， 为何要研究发酵过程 微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、 PH、氧的需求等， 并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径 ，为设计合理的生产工艺提供理论 基础。同时，为掌握菌种在发酵过程中的代谢变化

2、规律，可以通过各种监 测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、 PH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。 3， 发酵过程的主要控制参数主要分为哪三大类 物理参数 （温度、压力、搅拌速度、搅拌功率、空气流量、粘度、浊度） 化学参数 （ PH、基质浓度、溶解氧（ DO）浓度、氧化还原电位、产物浓度、尾气 O2 浓度和 CO2 浓度、其它参数） 生物参数 （菌 （丝）体浓度） 4， 发酵过程中通常测定的参数有哪些 目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌速度、 PH、溶氧、基质浓度、菌体浓度（干

3、重、离心压缩细胞体积）等。 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的 O2 和 CO2 含量等。 5， 发酵过程中参数测定的方法有哪两种 在线测定 取样测定（离线测定） 6， 简述发酵过程的代谢变化规律。为什么要了解这一规律。 代谢变化就是反映 发酵过程中菌体的生长，发酵参数 (培养基、培养条件等 )和产物形成速率三者间的关系。 了解生产菌种在具有合适的培养基、 PH、温度和通气搅拌等环 境条件下对基质的利用 、 细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。 7，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的定义。对这三种发酵方式进行比较。 分批发酵 ：是指在一封闭系统内含有初始限量基质

4、的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制 PH 的酸或碱外，不再加入任何其他物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。 特点：微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理、化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。 优点：操作简单，操作引起的染菌概率低，不会产生菌种老化和变异等问题。 缺点：非生 产时期较长，设备利用率低。 补料分批发酵 ：又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。 优点：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。 缺点： 存在一定的非生产时间，和分批发

5、酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。 连续 发酵 ： 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品相同的体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度 、恒定的产物浓度、恒定的 PH、恒定菌体浓度、恒定的比生 长速率 ） 下生长的发酵方式。 优点：能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。 缺点：菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。 8， 按照产物生成与菌体生长是否同步，可将分批发酵分为哪两种类型，并用公式进行表述。这种分类方法对实际生产有何指导意义 生长关联型（第一类型）和生长无关联型（第二 、三 类型） 生长关联型

6、：产物的形成与生长有关，如酒精、某些酶。 QP=YP/x QP 产物形成比速率（ g/h L） YP/x 菌体生长为基准的产物的率（ g/g） 比生长速率（ h-1） 生长无关联型： 产物的形成速率与生长无关，只与细胞的积累量有关。如，抗生素。 dP/dt= X :比例常数 dP/dt：产物合成速度（ g/L h） X：菌体浓度（ g/L） 从上述分批发酵类型可以分析： 如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期； 如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提

7、高产量。 9，代谢变化、代谢曲线 代谢变 化就是反应发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者的关系。 代谢变化是反应发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养调节等）和产物形成速率三者之间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。 10，温度对发酵过程有何影响？ 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 影响发酵液的物理性质 影响生物合成的方向 11， pH 值对发酵过程有何影响？ 影响酶的活性 影响微生物细胞膜所带电荷的状态 影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解 PH 不同，往往引起菌体代谢过程的不同 12，简述发酵过程中引起 pH下降和上升的因

8、素 引起 PH 下降的因素：碳源过量；消泡油添加过量；生理酸性物质的存在 引起 PH 上升的因素：氮源过多；生理碱性物质的存在；中间补料，碱性物质添加过多 13，发酵过程中 pH的控制方式。 调节基础培养基的配方：调节碳氮比（ C/N）；添加缓冲剂。 补料控制：直接加酸加碱；补加碳源或氮源。 14，发酵过程中泡沫产生的原因 由外界引起的气流被机械的分散形成（通风、搅拌） 发酵过程中产生的气体聚结形成（发泡性物质） 15，发酵过程中泡沫的产生有何不利的影响 降低发酵设备的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的机会 导致产物的损失 消泡剂会给后踢去工序带来困难 16，在发酵过程中影响泡沫稳定性

9、的因素有哪些 通气与搅拌的强度 培养基的配比以及原材料的组成 培养基的破坏程度 接种量的大小 培养液本身性质的变化 培养基灭菌的方法和操作 染菌 17，发酵过程中泡沫控制的方法。 物理消沫法（包括罐内消沫法和罐外消沫法） 化学消沫法 18，化学消泡的机理。 当泡沫的表层存在着由极性表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲，或加入某些具有强极 性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。 当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。 19，发酵过程中补料控制的

10、目的，所补的物料包括哪些类型，补料的原则及控制策略 补料 控制目的： 解除基质过浓的抑制； 解除产物的反馈抑制； 解除葡萄糖分解代谢阻遏效应 所补物料包括的类型： 补充微生物能源和碳源的需要 补充菌体所需要的氮源 补充微量元素和无机盐 补料的原则： 制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发 展； 为实现这一目 标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈 控制参数和补料速率。 控制策略 大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质 以经验数据或预测数据控制流加； 以 PH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加； 以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流浃；

11、 用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。 20，临界氧浓度 临界氧浓度（ C 临 ）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。 21，请叙述发酵过程中溶解氧的一般变化规律。 发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧量明显下降。 发酵中后期：溶氧浓度明显的受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。 发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显的上升。 22，二氧化碳对发酵的影响及其机理，发酵过程如何控制二氧化碳 CO2 对发酵的影响 ： CO2 对菌体有抑制作用，当排气中

12、的 CO2 的浓度高于 4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中的 CO2 浓度达到 1.6*10-1 mol，就会严重抑制酵母的生长； 当进气口 CO2 的含量占混合气体的 80%时，酵母活力与对照相比降低 20%。 CO2 对发酵也有影响： 对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含有 5%的 CO2 对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制 影响发酵液的酸碱平衡 机理： CO2 及 HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 培养液中的 CO

13、2 主要作用于细胞膜的脂质核心部位； HCO3-影响细胞膜的膜蛋白 CO2 的控制： CO2 在发酵液中的浓度变化不像溶解氧 那样有一定的规律。她的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度，发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌 来控制。 23，发酵过程的基本自控系统包括哪些 前馈控制（ feedforward control） 后（反）馈抑制（ feedback control） 自适应控制（ adaptive control） 24，发酵动力学的定义，研究发酵动力学的目的。 发酵动力学： 研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以

14、及各种发酵条 件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。 目的 ： 通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理、化学因素的影响，为调控提供依据） 建立反应过程的动力学模型来模拟 最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵流程，甚至用计算机来进行控制 25，研究发酵动力学方法有哪两种？ 宏观处理法： 结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立） 非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系） 质量平衡法（根据质量守恒定律） 物质在系统中的积累速度 =物质进入系 统速度 +物质在系统中生成速度 物质在 系统中消耗的速度 26，简述

15、Monod 方程与米氏方程的区别与联系。根据实验结果计算 Monod 方程的参数 Monod 方程与米氏方程的区别与联系： Monod 方程是对实验现象的总结，是 经验方程 米氏方程是根据酶反应极力推导得出，是机理方程 Monod 方程与米氏方程的相似性 根据实验结果计算 Monod 方程的参数 双倒数法，线性回归，求得 和 27，恒化器和恒浊器的定义。 恒化器： 以某种必须营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培 养液中限制性底物浓度保持恒定。 恒浊器： 通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度。 28，在连续培养过程中，其实际结果为何会和理论

16、推导的结果发生偏差 限制性基质为碳源时，部分消耗的碳源作为能量供生命活动， X 偏低； N,S 为限制性基质， D 较小时会积累多糖，脂肪等， X 偏高； Mg， P， K 为限制性基质时， 同上，但细胞内这些物质下降， YX/S 增大，细胞浓度偏高； 复合培养基时，情况复杂，随着变化，限制性基质会改变， X 下降。 29，宏观产率系数 是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或 产物的潜力进行评价， i 表示菌体或产物， j 表示底物。 例如，菌体对底物的产率系数可以表示为 YX/S= 30，理论代谢产物产率的计算 假设发酵过程中完全没有菌体 生成，则 YP/S 可达理论

17、最高值，称为理论代谢产物产率 YP/Stheor 根据化学计量关系计算 由生物化学计量关系计算 31，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵动力学方程的推导 32，研究连续培养动力学有何用途 确定最佳啊培养条件 富集，选育特殊形状菌种： 建立选择性的培养环境；生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。 第九章 厌氧发酵设备 1、酒精发酵设备的基本要求 满足酒精发酵的工艺要求； 满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。 将发酵的热量及时移走； 有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题 2、酒精发酵罐的冷却装置有哪三种形式？ 中小型发酵罐 多采用灌顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却

18、。 大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。 此外，也有采用罐外列管式喷淋冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。 3、微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热 微生 物在厌氧发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成 Q1，蒸发热损失 Q2，罐壁向周围散失的热损失 Q3 等三部分热量组成。即：Q=Q1-(Q2+Q3) 1) Q1 的估算 2) 对数平均温度差 的计算 4、酒精发酵罐罐数的计算 5、啤酒圆筒体锥底发酵罐的优缺点 优点： 加速发酵， C.C.T 发酵和传统发酵相比，由于发酵基质（麦汁）和酵母对流获得强化，可加速发酵

19、 厂房投资节省 冷耗节省 C.C.T 发酵可依赖 CIP 自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。 缺点： 由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低（只 能使用 56 代） 贮酒时，澄清比较困难（特别在使用非凝聚性酵母），过滤必须强化； 若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要 57d 以上，短期贮酒不能保持温度一致。 第十章 通风发酵设备 1，常用的通风发酵罐有哪几种类型 机械通风搅拌发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐 2，机械搅拌发酵罐的基本要求 发酵罐应具有适宜的径高比 发酵罐能承受一定的压力 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保

20、证发酵液必须饿溶解氧。 发酵罐应具有足够的冷却面积 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污 ，灭菌能彻底，避免染菌 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄露。 3，机械搅拌发酵罐的 搅拌器的作用和种类 搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。 4，挡板的作用 挡板的作用是改变液流的方向，由径向改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。通常，挡板宽度取（ 0.10.2） D，装设 64块即可满足全挡板条件。 5，全挡板条件 是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变，要达到全挡板条件必须满足下式要求： 6， 消泡器

21、的作 用和种类 消泡器的作用是将泡沫打破。 消泡器常用的形式有 锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约 1020 毫米。 消泡器的长度约为罐径的 0.65 倍。 7，发酵罐上常用的轴封有哪两种，比较其优缺点 常用的轴封有 填料函和端面轴封两种。 填料函式轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转达到密封的效果。 端面轴封又称机械轴封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密的相贴合，并做相对转动而达到密封。 优缺点比较 填料函式轴封的优点是 结构简单 。 主要缺点是： 死角多， 很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌 轴的磨损情况较严重；

22、填料压紧后摩擦功率消耗大； 寿命短，经常维修，耗工时多 。 端面式轴封的优点是： 清洁 ； 密封可靠 ； 无死角，可以防止杂菌污染 ； 使用寿命长 ； 摩擦功率损耗小 ； 轴或轴套不受磨损； 它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，对轴的震动敏感性小。 缺点是： 结构比填料密封复杂，装拆不便； 对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。 8，机械搅拌发酵罐的冷却装置有哪三种？各适用于什么场合？比较其优缺点？ 夹套式换热装置 这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐； 夹套的高度比静止液面的高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。 优点是：结构简单，加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清

23、洁灭菌工作，有利于发酵。 缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。 竖式蛇管换热装置 这种装置是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积 5m3 以上的发酵罐多用这种换热装置。 优点：冷却水在管内流速大，传热系数高。这种冷却装置适用于水温度较低的地区，水的用量较少。 缺点：但是气温高的地区，冷却水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过 40，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外弯曲位置比较容易蚀穿。 竖式列管（排管）换热装置 这种装置是以列管形式分组对称装于发酵罐内。 优点：加工方便，适用于

24、气温较高，水源充足的地区。 缺点：传热系数较蛇管低，用水量较大。 9，自吸式发酵罐的充气原理 自吸式发酵罐的主要构件是自吸式搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时，空气则由导气管吸入。 转 子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮 均为空心形。 10，气升式发酵罐的工作（充气）原理 11， 搅拌器的轴功率 搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。 12，影响搅拌器输入搅拌液体的功率的因素 一个具体的搅拌器所输入搅拌液体

25、的功率取决于下列因素： 叶轮和罐的相对尺寸；搅拌器的转速；流体的性质；挡板的尺寸和数目 13，功率准数 14，根据功率准数所 表征的意义推导下式 15，机械搅拌发酵罐主要由哪三个部分组成及各自的作用 机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐体三部分组成。三个组成部分各起如下的作用： 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成，由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转，以实现搅拌的目的。 轴封：为搅拌器和搅拌轴之间的动密封，以封住罐内的流体不致泄露。 罐体：罐体、加热装置及附件。它是盛放反应物料和提供传热量的部件 16，根据产品的年产量计算所需发酵罐的数量，并计算发酵罐的结构尺寸 17

26、，了解机械搅拌发酵罐的结 构 18，空气中的氧进入到细胞中要经过哪些步骤 19，根据氧的传质方程，请叙述影响氧传递的因素。 溶液的性质对氧溶解度的影响 气液比表面积对氧溶解度的 影响 影响氧传递系数的因素： 530DNPPN 搅拌；空气线速度；空气分布管；发酵液性质；表面活性剂；离子强度；菌体浓度； 第十一章 发酵染菌的防治 1， 何谓 “ 杂菌 ” ？ 所谓“ 杂菌 ” 是指在发酵中侵入了有碍生产的其他微生物。 2，不同染菌途径对发酵的影响 种子带菌：种子带菌可使发酵染菌具有延续性。 空气带菌：空气带菌也使发酵具有延续性，导致染菌范围扩大至所有发酵罐。 培养基 或设备灭菌不彻底：一般为孤立事

27、件，不具备延续性。 设备渗漏：这种途径造成的染菌危害较大。 3，染菌是如何影响产物提取和产品质量的 对过滤的影响： 发酵液粘度加大 菌体大多自溶 由于发酵不彻底，基质残留浓度增加 。 导致过滤时间拉长，影响设备的周转和使用，破坏生产平衡 大幅度降低过滤收率 对提取的影响： 有机溶剂萃取工艺：染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，使水相和溶剂项难以分开。 离子交换工艺：染菌易粘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量。 对产品质量的影响： 对 内在质量的影响：染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其他杂质，对产品的纯度有较大影响。 对产品外观的影响：一些染菌的发酵

28、液经处理过滤后得到澄清的发酵液，放置后会出现浑浊，影响产品的外观。 4，无菌试验的目的 监测培养基、发酵罐及附属设备灭菌是否彻底 监测发酵过程中是否有杂菌从外界侵入 了解整个生产过程中是否存在染菌的隐患和死角 5，杂菌的检查方法有哪几种？各种检查方法的比较？ 目前市场上常用的染菌方法有三种： 显微镜检查：染色镜检 平板划线检查：倒平板空培养待测样品划线培养观察 酚红肉汤培养检查：无菌肉 汤培养基空培养接入样品培养观察 各种检查方法的比较： 显微镜检查方法简单快速，能及时发现杂菌，但由于镜检取样少，视野的观察面也小，因此不易检出早期杂菌。 平板划线法和肉汤培养法的缺点是需经较长时间培养（一般要过夜）才能判断结果，且操作较繁琐，但他要比显微镜能检出更早的杂菌，而且结果也更为准确。