微生物发酵工程试题库

微生物发酵工程试题库目录目录·······························································1一、单项选择题共39题·············································2答案··························································5二、多项选择题共38题············································6答案························································10三、填空共48题·················································11答案·························································13四、名词解释110 共299个·············································14答案··························································22五、简答题共89题···············································55答案·························································59六、论述题共29题···············································84答案·························································84试题库说明·····················································109110 微生物发酵工程试题库一、单项选择题1．一类单细胞有分枝的丝状微生物，以孢子繁殖，分布广泛大多是腐生菌，少数是动植物寄生菌，是抗生素的主要产生菌，2/3以上抗生素由该类菌产生。这类微生物是：A．细菌B．霉菌C．放线菌D．酵母菌2．分离放线菌时为了抑制霉菌的生长往往加入A．氯化钠B．丁酸钠C．丙酸钠D．硫酸钠3．用液氮长期保藏菌种是因为液氮温度可达（），远远低于微生物新陈代谢作用停止的温度。A．-1800CB．-1700CC．-1600CD．-1960C4．在微生物发酵工程中利用乳酸杆菌生产乳酸的发酵属于（）。A．好气性发酵B．厌气性发酵C．兼性发酵D．好厌间歇发酵5．配料较粗，营养丰富，完全，C/N合适，原料来源充足，质优价廉，成本低，有利于大量积累产物。这些是（）的一般特点。A．选择培养基B．保藏培养基C．种子培养基D．发酵培养基6．()是一类微生物维持正常生长不可缺少的，但自身不能合成的微量有机化合物。A．生长因素B．碳源C．氮源D．微量元素7．生物反应器间歇操作,在发酵过程中,不断进行通气(好氧发酵)和为调节发酵液的pH而加入酸碱溶液外,与外界没有其它物料交换。这种培养方式操作简单,是一种最为广泛使用的方式,称之为（）。A．连续发酵B．半连续发酵C．补料分批发酵D．分批发酵8．要求发酵设备现代化程度高、体系内营养物浓度和产物浓度始终一致、菌种容易发生变异的问题无法解决这种发酵方式是（）。A．连续发酵B．分批发酵C．补料分批发酵D．半连续发酵9．厌氧发酵罐一般为立式圆柱形，装料系数为（）。110 A．0.8-0.9B．0.6-0.8C．0.5-0.8D．0.5-0.910．菌体的倍增时间是（）增加一倍所需要的时间。A．细胞质量B．菌体浓度C．菌体种类D．呼吸强度11．该类微生物名称不是分类学上的名词,是一些丝状真菌的通称.，分布极广；在工业上可以利用该类微生物生产有机酸、糖化酶、蛋白酶等。大多能够引起有机物质发生变质。这类微生物是()。A．细菌B．霉菌C．放线菌D．酵母菌12．分离一般细菌时为了抑制霉菌和酵母菌的生长往往加入（）。A．链霉素和氯霉素B．青霉素和链霉素C．氯霉素和青霉素D．放线酮和制霉菌素13．矿油保藏法是将灭过菌的液体石蜡倒入菌体生长斜面，高于斜面1cm,然后置于冰箱保藏。该保藏法是基于（）原理进行的。A．缺氧B．低温C．干燥D．冷冻14．在微生物发酵工程中利用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醉的发酵属于（）。A．好气性发酵B．厌气性发酵C．兼性发酵D．好厌间歇发酵15．发酵过程中，出现了污染，工人们进行了如下处理：a.严控发酵液流失;b.彻底清理生产环境;c.停产一段时间;d.调换生产菌种。这是（）污染。A．噬菌体污染B．细菌污染C．霉菌污染D．多种微生物污染16．配料较粗，营养丰富，完全，C/N合适，原料来源充足，质优价廉，成本低，有利于大量积累产物。这些是（）的一般特点。A．选择培养基B．保藏培养基C．种子培养基D．发酵培养基17．发酵初期提高底物浓度可以延长微生物的（）,从而提高发酵的容量产率和产物浓度。A．延迟期B．指数生长期C．稳定期D．衰退期18．微生物在单罐连续培养时达到稳定的平衡条件是（）。A．D>μB．D<μC．D=μD．D≠μ19．在通用式发酵罐的结构中为了（）在发酵罐内壁需安装挡板。A．防止搅拌器运转时液体溢出B．防止搅拌器运转时液体产生漩涡，C．防止搅拌器运转时液体飞出轴封D．防止搅拌器运转时浆叶不工作20．通过温和型噬菌体作为媒介，把供体细胞中的DNA片断携带到受体细胞中，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象称为（）。110 A．转导B．转化C．接合D．转染21．这是一群属于真菌的单细胞微生物，分布于含糖质较多的偏酸性环境中。形状为球形、椭球形、有些能形成假菌丝。这类微生物是()。A．细菌B．放线菌C．霉菌D．酵母菌22．在分离G+菌时为了抑制G-菌的生长，往往加入（）。A．青霉素B．粘菌素BC．链霉素D．制霉菌素23．砂土管保藏法是基于（）原理进行微生物保藏的。A．缺氧B．低温C．干燥D．冷冻24．在微生物发酵工程中利用酵母生产酒精属于（）。A．好气性发酵B．厌气性发酵C．兼性发酵D．好厌间歇发酵25．紫外灭菌采用（）的紫外线进行A．200nmB．240nmC．260nmD．270nm26．分批发酵中以分解代谢为主的阶段属于（）A．产物合成阶段B．菌体生长阶段C．菌体自溶阶段D．产物转化阶段27．工业化大规模生产啤酒就是采用（）方式进行的。A．连续发酵B．半连续发酵C．分批发酵D．补料分批发酵28．在通用式发酵罐中空气分布装置有单管及环形管等形式，（）以利于液体的搅动，使固形物不易沉积。A．装于中间一档搅拌器的下面，喷孔向下B．装于中间一档搅拌器的下面，喷孔向上C．装于最低一档搅拌器的下面，喷孔向上D．装于最低一档搅拌器的下面，喷孔向下29．单位底物所产生的菌体或产物量即为（）。A．收率B．生产率C．产率D．得率30．发酵法生产维生素B2（核黄素）所用的微生物是A．阿氏假囊酵母B．毕赤氏酵母C．热带假丝酵母D．葡萄汁酵母31．在分离霉菌时为了抑制细菌和酵母菌的生长，往往加入A．氯霉素和放线酮B．红霉素和氯霉素C．链霉素和放线酮D．红霉素和放线酮110 32．曲法保藏是基于（）原理对微生物进行保藏的。A．干燥B．低温C．缺氧D．冷冻33．在微生物发酵工程中，导致菌体过剩，溶解氧下降的可能原因是（）。A．发酵液转稀B．发酵液过浓C．种子质量D．pH不正常34．采用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中所有生命物质的过程称之为（）。A．灭菌B．消毒C．除菌D．抑菌35．过滤除菌中的压力降ΔP是一种（）损失。A．风量B．热量C．能量D．压力36．采取一定措施使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定范围内，即保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，中途不排出发酵液。从而达到提高容量产率，产物浓度和得率的目的发酵是（）。A.半连续发酵B．分批发酵C．连续发酵D．补料分批发酵37．发酵工业上对培养基灭菌时,除了考虑尽可能杀菌之外,还要尽可能考虑A．降低能源消耗B．缩短灭菌时间C．减少培养基成分破坏D．减少人工投入38．不用空气压缩机的自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。自吸式发酵罐的缺点是进罐空气处于()，因而增加了染菌机会。A．升压B．降压C．正压D．负压39．在发酵过程中，利用菌体的生长代表各种酶的总催化活力即为（）。A．代谢率B．酶活力C．生长率D．酶活率单项选择题答案1．C2．C3．D4．B5．D6．A7．D8．A9．A10．A11．B12．D13．A14．B15．A16．D17．B18．C19．B20．A21．D22．B23．C24．C25．C26．B27．A28．D29．D30．A31．A32．A33．B34．A35．C36．D37．C38．D39．C110 二、多项选择题1．发酵工程的前提条件是指具有（）和（）条件A．具有合适的生产菌种B．具备控制微生物生长代谢的工艺C．菌种筛选技术D．产物分离工艺E．发酵设备2．采用微生物发酵工程可以生产许多有用物质，主要包括：A．抗菌素B．维生素C．氨基酸D．蛋白酶E．生理盐水3．微生物发酵工程发酵产物的类型主要包括:A．产物是微生物菌体本身B．产品是微生物初级代谢产物C．产品是微生物次级代谢产物D．产品是微生物代谢的转化产物E．产品是微生物产生的色素4．引起发酵液中pH下降的因素有：A．碳源不足B．碳、氮比例不当C．消泡剂加得过多D．生理酸性物质的存在E．碳源较多5．发酵培养基中营养基质无机盐和微量元素的主要作用包括:A．构成菌体原生质的成分B．作为酶的组分或维持酶活性C．调节细胞渗透压D．缓冲pH值E．参与产物的生物合成6．在研究发酵反应动力学时，首先应建立数学模型，要对复杂过程进行简化处理，作出如下的假设：A．搅拌系统能保证理想的混合,避免各区域的T,pH,s等变量差异;B．T,pH等条件能控制,保持稳定,使动力学参数也相应稳定;C．菌体有固定化学组成,不随发酵时间和某些条件变化而明显改变D．各发酵动力学变量对发酵条件变化反应无明显滞后E．发酵反应底物和产物的浓度是一定的7．培养基灭菌是否彻底直接关系到生产过程的成败,灭菌失败主要不良后果包括:A．杂菌污染造成生产能力的下降B．杂菌产物使目的产物的提取和分离变得非常困难C．菌种发生遗传变异D．改变反应介质的pH值,使生物反应发生异常变化E．杂菌可能会分解产物,使生产过程失败8．过滤除菌的一般流程包括以下几个步骤：110 A．把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤进入空气压缩机B．从空气压缩机出来的空气（>0.2MPa，温度120～150ºC），冷却至适当温度（20～25ºC）C．除去油和水，再加热至30～35ºC，D．最后通过总空气过滤器和分过滤器除菌E．获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空气。9．在发酵工艺控制中，主要是控制反映发酵过程中代谢变化的工艺控制参数，其中物理参数包括：A．温度B．罐压C．搅拌转速和搅拌功率D．空气流量E．菌体接种量10．发酵过程中较常测定的参数有：　　　　　　A．温度B．罐压C．空气流量D．pHE．溶氧11．微生物发酵工程的特点包括许多方面，其中（）和（）是重要的特点。A．生产前无需准备，不产生需要处理的废物B．生化反应是在常温常压下进行的C．原料需精制后使用D．能选择性地进行复杂化合物的转化反应E．底物能完全转化成目的产物.12．采用微生物发酵工程技术可以生产许多与人类生活相关的物质，如：A．红霉素B．味精C．五粮液酒D．酸奶E．啤酒13．下列物质中是微生物次级代谢产物的有：A．抗生素B．激素C．生物碱D．氨基酸E．维生素14．微生物工业生产中常用原料(培养基成分)必需要满足下列条件:A．可发酵性强对菌体无毒B．价格低来源丰富C．非发酵性物质的含量低D．均对产物的质量无影响E．不引起环境问题15．分批培养是一个封闭的系统。接种后,除氧之外,一般都不向系统内添加和除去任何物质。因此,分批培养系统只能在一段时间内支持微生物的增殖。菌体生长规律可以概括为以下几个时期:A．延迟期B．对数生长期110 C．减速期D．静止期E．衰退期16．机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。它是利用机械搅拌器的作用使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖和代谢所需要的溶解氧。为保证发酵工艺应满足下列条件：A．发酵罐体拆卸方便，便于维修B．发酵罐应具有适宜径高比。一般为1.7～4倍左右。C．罐体各部件要有强度，能承受相当的压力D．通风装置能使气液充分混合，保证发酵必须的溶解氧E．具有足够的冷却面积。能控制发酵过程不同阶段所需的温度17．生物产品的后处理过程一般包括:A．培养液的预处理B．浓缩C．产物的捕获D．初步纯化E．精制18．在发酵工艺控制中，主要是控制反映发酵过程中代谢变化的工艺控制参数，其中化学参数包括：A．基质浓度B．pHC．产物浓度D．溶氧浓度E．排气中O2和CO2含量:19．空气过滤器的类型：A．纤维状颗粒状介质过滤器B．平板式纤维纸分过滤器C．管式过滤器D．柱式过滤器E．折叠式低速过滤器20．在某种特定环境下、长期处理某一特定微生物群体、同时不断对其进行移种传代、以达到积累和选择合适的自发突变体的目的。这个过程称为（），（）就是利用该过程筛选出A．诱变育种B．杂交育种C．乙肝疫苗D．定向培育E．卡介苗21．采用微生物发酵工程技术可以生产许多药品，如：　　　　　　A．酵母片B．乳酶生C．链霉素D．感冒清E．谷氨酸22．工业用微生物的特点主要包括：A．体积小、表面积大B．吸收快、转化快C．生长旺、繁殖快D．易变异、适应性强E．种类多、分布广23．现代发酵技术的特点:A．注重菌种选育，选择高产菌株B．发酵工程与化学工程更紧密的结合110 C．发展酶，细胞的固定化技术D．遗传工程技术的应用，使得定向育种真正成为可能E．计算机等自控技术的应用，提高了整体水平24．在微生物发酵工程中pH对发酵的影响表现在以下几方面：A．影响酶活力B．影响细胞膜所带电荷状态，改变膜渗透性，影响对营养的吸收利用C．影响某些底物和中间体的离解，影响菌对营养的利用D．改变细胞形态E．改变代谢方向25．补料分批发酵中物料的补料流加方式包括：A．恒定流速补料操作B．恒定底物浓度操作C．指数流速操作D．间歇补料操作E．连续补料操作26．通风搅拌发酵罐主要包括：A．循环式通风发酵罐B．排管式发酵罐C．喷射式发酵罐D．回转喷射式发酵罐E．高位塔式发酵罐27．胞内产物分离纯化时必须先破碎细胞，在发酵工业中常用的细胞破碎方法有：　　　　　　A．球磨法B．高压匀浆C．超声法D．静置法E．酶溶法28．在发酵工艺控制中，主要是控制反映发酵过程中代谢变化的工艺控制参数，其中生物学参数包括：A．菌体形态B．生长比速C．氧消耗比速D．糖消耗比速E．传质系数29．在微生物发酵工程中，使用质粒构建的基因工程菌质粒具有不稳定性，影响质粒稳定的因素主要有：　　A．培养温度和培养时间B．目的基因和质粒自身的影响C．宿主的影响D．质粒拷贝数E．重组质粒的表达对稳定性的影响30．诱变育种的出发菌株的选择原则包括许多方面，（）和（）是重要的两个方面。A．对诱变剂敏感、变异幅度大B．最好选用已经过生产选育的自发突变株C．最好产生芽孢D．选用没发生过其它变异的菌株E．菌株野生型产生荚膜31．微生物发酵工程涉及的应用范围很广，以下的应用领域也与微生物发酵工程有关。A．湿法冶金B．污水处理C．机械制造D．生物降解材料制备110 E．生物农药32．真菌门包括四个亚门分别是:A．芽孢菌亚门B．接合菌亚门C．子囊菌亚门D．担子菌亚门E．半知菌亚门33．在微生物发酵工程中决定种子扩大级数的因素有：A．菌种的增殖速度B．营养物浓度C．最低接种量D．发酵规模E．种子罐与发酵罐的容积比34．在微生物发酵工程中产生的泡沫对发酵的影响表现为：:A．减少装液量B．减少产物量C．严重时影响通气和搅拌D．增加污染机会E．微生物菌体变异35．补料分批发酵中不了的目的和意义可以概括为：A．维持菌体正常代谢，推迟自溶期B．延长产物合成期C．维持较高的产物增长幅度D．降低底物消耗量E．纠正异常发酵，控制pH36．过滤除菌的机理涉及空气中颗粒被捕获的作用机理，可概括为以下几个方面：A．惯性捕集作用.B．拦截捕集作用C．扩散捕集所用D．重力沉降作用E．静电吸附作用37．在生物物质分离纯化方法中，沉淀法是常用的方法之一，主要包括：　　　　　　）A．有机溶剂沉淀法B．盐析法C．化学沉淀法D．等电点沉淀法E．离子交换沉淀法38．优良的发酵设备应具有:A．严密的结构B．良好的液体混合性能C．良好的的传质、传热速率D．配套而又可靠的检测及控制仪表E．能够远程控制发酵过程多项选择题答案1．A、B2．ABCD3．ABCD4．BCDE5．ABCDE6．ABCD7．ABDE8．ABCDE9．ABCD10．ABCDE11．B、D12．ABCDE13．ABCE14．ABCDE15．ABCDE16．BCDE17．ABCDE18．ABC19．ABCE20．D、E21．ABCE22．ABCDE23．BCDE24．ABCDE25．ABC26．ABCDE27．ABCE28．ABCD29．BCDE30．A、B31．ABDE32．BCDE33．ACDE34．ABCD35．ABCE36．ABCDE37．ABCD38．ABCD110 三、填空题1．杀死微生物的极限温度称为__________。2．通过温和型噬菌体作为媒介，把供体细胞中的DNA片断携带到受体细胞中，从而使后者]获得前者部分遗传性状的现象称为　。3．　进行酶法脱壁时使用溶菌酶处理。4．AS是一个菌种保藏中心的缩写，它的机构情况是　。5．有些微生物既是工业生产菌，有时也可能在其它的产品发酵中是杂菌。如：_________在生产食醋是使生产菌，但在酒类发酵时引起败坏。6．在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，这类发酵称之为　。7．使微生物在固体表面上生长的发酵方法称为　。8．随着微生物细胞质量的增加，其它所有可检测的菌体组成物质，如：蛋白质、DNA、RNA等也以相同比例增加，这就是　生长。9．发酵热就是微生物发酵过程中释放出来的　热量。10．油脂、糖类以及一定浓度的蛋白质会　微生物的耐热能力，在灭菌工程中需加以注意。11.空气除菌的方法很多，其中也包括辐射灭菌法，常用来进行辐射灭菌的射线有　。12．发酵罐在发酵生产中为了避免空气的进入，一般保持罐压在　（表压）左右的压力。13．控制发酵液pH的方法主要有加入酸、碱、________和中间补料。14．凡把两个不同性状个体细胞内的遗传基因转移到一个个体细胞内并使遗传物质发生重新组合的过程称为　。15．　进行酶法脱壁时使用蜗牛酶处理。16．美国标准菌种培养物保藏中心的缩写是　。17．市售商品紫外灯管的波长是________nm。18．使微生物在固体表面上生长的发酵方法称为　。19．单位底物所产生的菌体或产物量即为：　。20．相对单位质量干菌体单位时间内增加的干菌体质量，称为　（μ）。110 21．发酵用的菌体在生长繁殖过程中，本身会产生大量的热称之为：　。22．培养基中发生的泡沫对灭菌，在灭菌工程中应加以注意。23.通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小的机会。此类空气称为。24．在发酵过程的检测与自动控制中，参数溶解氧浓度是通过测试方法获得的。25．生产菌种在发酵罐中初期生长繁殖的速度慢是由　决定的。26．人为地利用物理、化学等因素，使诱变对象细胞内的遗传物质发生变化，引起突变，并通过筛选获得符合要求的变异菌株的育种方法称为　。27．青霉、曲霉进行酶法脱壁时使用　进行处理。28．ACCC是中国的一个菌种保藏中心它的中文名是　。29．分批发酵的主要特征是_________________。30．在发酵过程中，利用菌体的生长代表各种酶的总催化活力即为：　。31．构成菌体和合成产物的碳架及能量来源的物质是　。32．当微生物的生长速率等于最大比生长速率一半时的底物浓度即为：　。33．在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体与搅拌设备之间的摩擦，产生可观的热量，称之为：　。34．在灭菌工程中，高温短时灭菌低温长时灭菌，这样培养基中的营养物质将被最小程度的破坏。35.悬浮与空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒子进入高压静电场时都会被电离成带电微粒。企业采用来吸附空气中带电粒子而达到除尘、除菌的目的。36.在发酵过程的检测与自动控制中，参数酸碱度是通过测试方法获得的。37．在某种特定环境下、长期处理某一特定微生物群体、同时不断对其进行移种传代、以达到积累和选择合适的自发突变体的目的，这种育种方式称为_____________。一般以发酵过程的产物生成量对基质总消耗量的比值表示　。38．某些微生物在没有人工参与下所发生的那些突变称为　。39．菌种经过长期人工培养或保藏由于自发突变作用而引起某些优良性状变弱或消失的现象称为　。110 40．IFO是国外一个菌种保藏中心的缩写，它的中文名是　。41．_____________是通过人工的方法，使遗传性状不同的两个没有细胞壁的细胞发生融合，并产生重组子的过程。42．以发酵时间除以最后产物浓度之商即为：　。43．　是一类微生物维持正常生活不可缺少的，但细胞自身不能合成的微量有机化合物包括：氨基酸、维生素等。44．底物消耗速率与菌体细胞合成速度是平行的，这种生长类型称为　。45．在微生物生长和生产用培养基中侵入了有碍于微生物生长和生产的其它微生物称之为　。46．在灭菌工程中可以根据　来计算灭菌所需要的时间。47.发酵工程上常使用的空气除菌方法----　是采用定期灭菌的干燥物质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制造无菌空气。48.事实上,微生物发酵是由微生物产生的各种代谢_____所催化的复杂的生物化学反应过程。填空题答案1．致死温度2．转导3．芽孢杆菌4．设在中国科学院微生物研究所5．醋酸菌6．好气性发酵7．固体发酵8．均衡9．净10．增加11．α-射线或β-射线或γ-射线或紫外线或超声波或X-射线12．0.04Mpa13．缓冲剂14．基因重组15．酵母菌16．ATCC17．260nm18．固体发酵19．得率110 20．比生长速率21．生物热或Q生物22．不利或有影响23．“无菌空气”24．传感器25．接种量或是菌种的延迟期26．诱变育种27．纤维素酶28．农业微生物菌种保藏中心29．工艺变量随时间而变30．生长率31．碳源32．Monod常数或饱和常数或Ks33．搅拌热或Q搅拌34．优于或好于35．静电引力或静电（除菌）36．传感器37．定向培育38．自然突变39．菌种衰退40．大阪发酵研究所41．原生质体融合或细胞融合42．生产率43．生长因子或生长因素44．生长关联型45．染菌46．对数残留定律47．介质过滤48．酶或酶类四、名词解释题1．初级代谢产物2．基因工程3．碳氮比:4．Crabtree效应：5．无反馈控制补料操作：6．静电除尘（菌）：7．营养缺陷型:8．同步培养:9．摄氧率(OUR):110 10．细菌Crabtree效应：11．反馈控制补料操作：12．介质过滤：13．灭菌：14．生长速率:15．呼吸强度:16．恒定流速补料操作：17．单罐连续发酵:18．双水相萃取法：19．原生质体融合20．倍增时间:21．发酵周期:22．恒定底物浓度补料操作23．稀释度（连续发酵中）：24．离子交换层析法25生物技术26发酵工程27菌体/细胞发酵28代谢产物发酵29生物转化/催化30群体生物过程31理想的发酵过程32工业菌种条件33工业生产用细菌34工业生产用放线菌35工业生产用细菌36工业生产用酵母菌37菌种分离38菌种筛选39菌种选育40诱变育种41营养缺陷型42原生质体融合43基因敲除(knock-out)44基因工程菌45基因组设计46复壮47菌种保藏48基因组组装49液体发酵50固态发酵110 51好氧发酵52厌氧发酵53分批发酵54补料分批发酵55连续发酵56高细胞密度发酵57工程菌发酵58得率59种子培养基60发酵培养基61接种量62发酵过程中间分析63发酵终点判断64发酵工艺控制65物理参数66化学参数67生物学参数68发酵培养基特点69发酵培养基质量影响因素70培养基设计与优化71响应面分析法72产物合成最适温度73最适产物合成pH74最适生长pH75控制最适菌体浓度76摄氧率（OUR）/耗氧速率（OCR）77供氧方程78耗氧方程79体积氧传递系数(KLα)80普通泡沫81流态泡沫82化学消泡83机械消泡84染菌85抗噬菌体突变株86发酵动力学87动力学模型88概率论模型89决定论模型90建模步骤91Monod生长动力学模型110 92比底物消耗速率93维持系数94比氮源消耗速率95碳氮比96产物合成动力学97生长关联型产物98部分生长关联型产物99非生长关联型产物100分批发酵101补料分批发酵102高密度发酵103实消104空消105发酵过程最优化106培养基配方最优化107分批发酵生产率108补料函数109细菌Crabtree效应110恒定流速补料111恒定底物浓度补料112指数流速补料113间歇补料114连续补料115循环分批操作116稀释率117准稳态118重复补料分批发酵119透析培养120细胞循环培养121细胞固定化包埋122连续发酵/培养123封闭培养系统124半开放培养系统125开放培养系统126封闭式连续发酵系统127开放式连续发酵系统128循环/非循环系统129全混流混合130平推流混合131罐式连续发酵132单罐连续发酵110 133多罐串联连续发酵134管式连续发酵135恒浊培养136恒化培养137稀释率(D)138临界稀释率(Dc)139灭菌工程140化学试剂灭菌141射线灭菌142红外线灭菌143微波灭菌144湿热灭菌145干热灭菌146过滤除菌147微生物热阻148对数残留定律149菌体循序死亡模型150阿累尼乌斯公式151微生物比死亡速率常数152培养基成分破坏速率常数153影响培养基灭菌的因素154分批灭菌155实消与空消156分批灭菌时间计算157反应器设计八要求158厌氧发酵设备159机械搅拌发酵罐应满足条件160通风式发酵罐161罐体162冷却装置163搅拌器164搅拌轴#165全挡板条件166空气分布器167轴封168消泡器169自吸式发酵罐170循环式发酵罐171伍氏发酵罐172文氏管发酵罐173公称容积110 174通风搅拌发酵罐175气升式发酵罐176排管式发酵罐177喷射自吸式发酵罐178回转喷射式发酵罐179高位塔式发酵罐180现代固态发酵181自然富集固态发酵182强化微生物混合固态发酵183限定微生物混合固态发酵184单菌固态纯种发酵185固态发酵的界面作用186水活度187最大产热率188颗粒均匀性和硬度189混合发酵190静态密闭式固态发酵技术191填充床式发酵192动态密闭式固态发酵技术193转鼓式固态发酵反应器194搅拌式固态发酵反应器195流化床固态发酵反应器196立式多层固态发酵罐197气相双动态固态纯种发酵技术198吸附载体固态发酵技术199生化产品特点200发酵液预处理201固液分离202絮凝#203离心204过滤205膜分离206细胞破碎207压力破碎法208珠磨破碎法209超声波破碎法210渗透压破碎法211有机溶剂/表面活性剂212碱/酶处理法213生物分离纯化技术214有机溶剂萃取法110 215双水相萃取法216反胶团萃取法#217凝胶萃取法218超临界流体萃取法219有机溶剂沉淀法220等电点沉淀法221化学沉淀法222盐析法223离子交换层析224吸附层析225亲和层析226疏水层析227凝胶层析228结晶法229分离纯化法八项准则230工程菌产物分离纯化工艺设计231空气除菌工程232通气量233静电除菌234热力灭菌235气溶胶#236介质过滤237惯性冲击滞留作用238拦截滞留作用239布朗扩散作用240重力沉降作用241静电吸附作用242过滤效率243介质层厚度计算244空气净化工艺要求245过滤除菌一般流程246纤维状及颗粒状介质过滤器247平板式纤维纸分过滤器248管式过滤器249折叠式低过滤器250金属过滤器251空气冷却器252气液分离器253旋风分离器254丝网分离器255空气过滤介质110 256空气过滤器的操作要点257初级代谢产物258次级代谢产物259过量生产260反馈抑制261反馈阻遏262抗类似物突变株263细胞膜通透性突变株264营养缺陷型回复突变株265原位分离发酵266抗分解代谢阻遏突变株267诱导物结构类似物268组成型突变株269诱导物270组成型表达突变株271抑制剂272抗反馈抑制突变株273抗代谢类似物突变株274负突变菌株回复突变株275细胞膜通透性突变株276温度敏感型突变株277抗生素抗性突变株278条件抗性突变株279酶竞争性抑制剂280前体类似物281碳分解代谢阻遏/抑制282氮分解代谢阻遏283耐前体/前体类似物突变株284抗毒性突变株285菌种稳定性286发酵品品质287氧传递系数288水蒸气传递系数289摇瓶和发酵罐培养差异290体积氧传递系数与溶解氧差291CO2浓度差异292菌丝受损伤差异293菌体代数差异294培养基灭菌差异295通气与搅拌差异296热传递差异110 297种子形成差异298单位体积输入功率相等的放大与缩小299保持KLα不变或溶解氧浓度不变的放大与缩小名词解释题答案1．初级代谢产物：将微生物从外界吸收各种营养物质，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工程，称为初级代谢｡这一过程的代谢产物即为初级代谢产物。2．基因工程：是在生物体外对DNA分子进行重新组合，然后克隆到适合的受体细胞，进行增殖和表达的遗传操作。所得重组体菌株即是工程菌。3．碳氮比:培养基中碳源与氮源的含量之比,称为碳氮比,记作C/N｡C/N对微生物代谢过程有很大影响。4．Crabtree效应：在酵母培养中，糖浓度过高，即使溶解氧很充足，也由糖生成乙醇，从而使菌体得率下降的现象。5．无反馈控制补料操作：恒定流速补料和指数流速补料属于此类，无反馈控制补料操作是补料流速不随培养液变化而变化，人为地预先设定。6．静电除尘（菌）：悬浮与空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒子进入高压静电场时都会被电离成带电微粒。采用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾和尘埃。同时也除去了空气中的微生物。对1µm的微粒去除率达99％。但对于一些直径更小的微粒，静电除尘效果不佳。7．营养缺陷型:是指某一菌株丧失了合成某种营养物质的能力、在缺乏这种营养成分的情况下不能政党生长的变异菌株。如：赖氨酸营养缺陷型Lys-对应的野生型用Lys+表示。8．同步培养:使许多细胞在相同菌令下同步生长的培养方法,指所有细胞同时开始分裂,齐步成长,并同时结束。同步培养法所得到的培养物为同步培养物｡9．摄氧率(OUR):单位体积培养液中的菌体在单位时间内摄取（消耗）氧的量称为摄氧率(OUR)或氧消耗速率(OCR),用rO2表示。10．细菌Crabtree效应：细菌需氧培养中糖浓度过高生成副产物如醋酸等有机酸，抑制菌体生长。11．反馈控制补料操作：恒定底物浓度操作属于此类，是通过传感器直接测量培养物生长的特定参数，进而根据参数的变化来调节物料向培养物中补加的速率，使培养物参数保持恒值或最优值。12．介质过滤：介质过滤是发酵工程中常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气中所含的微生物，从而制造无菌空气。常用介质有：棉花、活性炭、玻璃纤维等。13．灭菌：是利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程,常用的方法主要包括:干热灭菌、湿热灭菌、辐射灭菌、过滤除菌等。14．生长速率:rX(g/L･h)单位体积培养液中单位时间内生成的干菌体量,与菌体浓度X成正比，rX=μ･X。15．呼吸强度:单位体积培养液中的菌体在单位时间内摄取（消耗）氧的量称为摄氧率(OUR)或氧消耗速率(OCR),用rO2表示。rO2与菌体浓度之比，即比氧消耗速率QO2110 ,称为呼吸速率或呼吸强度。16．恒定流速补料操作:补料流加方式之一。由于补料速度是定值，操作简便，设备简单，是最常用的流加方式，发酵液体积呈线性增长。恒定流速补料不能维持底物浓度不变。底物浓度会随时间延长而逐步降低。17．单罐连续发酵:通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基,同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组成相同,并且也与流出液的组成相同。18．双水相萃取法：生物物质分离纯化方法之一，依据目的物在不相容的聚合物或无机盐溶液形成的两相中的分配系数不同而进行分离。19．原生质体融合：是通过人工方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，也可称为“细胞融合。”20．倍增时间:为了定量表示生长速率的大小,定义微生物的细胞质量(或数量)将增大到2倍所需要时间为倍增时间,用td表示。21．发酵周期：每批反应的全过程即加入灭菌的培养基,接种,培养的诱导期,反应过程,放罐,洗罐以及空罐灭菌所需要时间的总合。22．恒定底物浓度补料操作：补料流加方式之一，又称延长培养，是指用一定的方式连续补料，维持限制性底物浓度恒定的一种操作。23．稀释度（连续发酵中）：单位时间内新进入的培养液体积占罐内培养液总体积的分数。24．离子交换层析法：生物物质分离纯化方法之一，依据分离物质的各组分的电荷性质、数量以及与离子交换剂的吸附和交换能力不同而达到分离的目的。25．生物技术（Biotechnology），有时也称生物工程（Bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需要产品或达到某种目的。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。先进的工程技术手段包括：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技术。26．发酵工程:是利用微生物或动、植物细胞的生长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系；是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术；它是渗透有工程学的微生物学和细胞生物学，是现代生物技术产业的基础与核心。27．菌体/细胞发酵:以获得具有多种用途的菌体为目的的发酵。对动、植物细胞而言，就是获得具有应用价值的大量的培养细胞。即：菌体/细胞发酵（cellfermentation）。28．代谢产物发酵:代谢产物包括初级代谢产物和次级代谢产物。前者是将细胞从外界吸收的各种营养物质，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，称为初级代谢，这一过程的产物即为初级代谢产物。主要是与细胞生长有关的产物，如氨基酸、核酸、蛋白质、碳水化合物以及与能量代谢有关的副产物等。次级代谢产物是微生物在一定的生长时期、以初级代谢产物为前体、合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程｡这一过程的产物即为次级代谢产物。有人把超出生理需求的过量初级代谢产物也称为次级代谢产物。包括：抗生素、维生素、激素、生物碱、某些色素、某些胞外聚合物等。29．110 生物转化/催化:生物转化（biotransformation）是指利用动植物细胞/微生物细胞或酶对一些化合物的某一特定部位进行催化修饰，使其转变成结构相似但具有更高经济价值的化合物。生物转化的终产物并非是由营养物质经微生物细胞的代谢后产生的，而是由微生物细胞的酶对底物进行生物催化（biocatalysis）修饰形成的。生物转化反应种类繁多，包括脱氢、氧化、羟化、缩合、还原、脱羧、酰化、脱氨、磷酸化、氨化或异构作用等。30．群体生物过程:与普通的生物发酵过程不同，这类过程是泛化了的“发酵”过程，它是以完成某些目的性的过程为发酵宗旨，多采用微生物菌群而非单一微生物进行的发酵过程。如：采用活性污泥法进行生活和工业废水处理的过程31．理想的发酵过程:一个圆满的发酵过程(anidealfermentationprocess)需要动、植物细胞和微生物具有优良的高产或强降解性状（动植物细胞/微生物的改良）；需要最佳的生长、繁殖发育和积累代谢产物的场所（生物反应器）；需要提供细胞所需的各种最适营养和环境条件（培养基和培养条件）；需要满足微生物生长繁殖发育和积累代谢产物的需要（过程控制）；需要最佳的过程在线检测手段和发酵过程的改善措施（设备的检测与控制）；需要最大化地从发酵液中分离纯化出所需产物（产物分离纯化）。如何满足上述几点就是发酵工程需要继续面临的任务。32．工业菌种条件:可在廉价原料上迅速生长，可在易于控制的培养条件下繁殖并进行发酵、所需酶活力高、发酵周期短、不易感染噬菌体、不易退化变异、非病源菌，不产有害物质和毒素、为单产高的营养缺陷型突变株或调节突变菌种或野生菌种。33．工业生产用细菌:是一类结构简单、有细胞壁的单细胞原核微生物，以二分裂方式进行繁殖，繁殖速度很快，个体微小，在自然界分布最广，其数量和种类也最多，与人类生产和生活关系密切。发酵工业生产中常用的细菌主要包括：醋杆菌、芽孢杆菌、梭菌、棒状杆菌、大肠杆菌、乳酸杆菌、假单胞菌、链球菌和大量以细菌为受体菌的基因工程菌株。34．工业生产用放线菌:是一类介于细菌和真菌之间的单细胞微生物，属于细菌域、后壁菌门、放线菌纲。多数由分枝状菌丝组成，包括基内菌丝和气生菌丝。无有性世代，以无性孢子繁殖，多数为好氧菌。在自然界分布很广，绝大多数放线菌是有益菌，能产生许多结构复杂的次级代谢产物，用于医药和植物保护。在目前发现的所有抗生素中，80%是由各种放线菌所产生的，工业上常用的放线菌包括：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属和游动放线菌属。35．工业生产用真菌:工业生产用真菌包括霉菌和酵母菌。霉菌是所有能在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝体真菌的通称，又称丝状真菌。在自然界分布广泛，喜偏酸环境，多数为好氧菌，繁殖能力很强，繁殖方式多样，菌丝体上任一片段在适宜条件下都能成新个体，在自然界靠产生各种无性孢子或有性孢子进行繁殖。霉菌除了用于传统的酿酒、制酱和其他发酵食品外，发酵工业上霉菌还用于生产酒精、有机酸、抗生素、酶制剂、维生素、植物生长激素、发酵饲料、杀虫农药及进行甾体激素转化，其中常用的菌种有根霉、曲霉、青霉、木霉、毛霉和红曲霉等。36．110 工业生产用酵母菌:是一类单细胞真核微生物的通俗名称。酵母菌在自然界中分布很广，主要存在于含糖较多的偏酸性环境中。酵母菌形态多种多样，通常呈圆形、卵形或椭圆形，个体大小差异较大。酵母菌的细胞结构已接近于高等生物，一般具有细胞壁、细胞膜、细胞核、核糖体、线粒体、内质网和液泡等。酵母菌主要以出芽方式进行无性繁殖，也可以以形成子囊和子囊孢子的方式进行有性繁殖。酵母菌发酵后能形成多种代谢产物，并且自身含有丰富的蛋白质和维生素，被广泛应用于医药、食品和化工领域，在发酵工业中占有重要地位，其中酿酒酵母、毕赤酵母、假丝酵母红酵母最为常用。酿酒酵母是现代生物学中经典且应用广泛的真核表达系统。37．菌种分离:从微生物种群复杂的样品中中获得目的菌株的技术方法即为菌种分离，或者是将两种或两种以上混合培养的微生物实现单菌种培养的方法。38．菌种筛选:从复杂的微生物群体或环境样品中选择性地培养出目的微生物菌种的过程；或者是从发生了突变的群体中筛选出正向突变体的过程，包括初筛和复筛。39．菌种选育:应用微生物遗传和变异理论，采用人工方法造成变异、再经过筛选以达成得到生产和研究用所需菌种的目的，包括两个方面：选种（经过比较鉴定自然界的微生物、从中分离筛选出符合生产要求的菌种）、育种（不断改造菌种性能、培养新的菌株、使产品产量和质量不断提高并适应工艺要求）。40．诱变育种:以物理、化学等人工因素、使微生物的遗传物质发生突变、进而导致遗传性状改变的育种技术。41．营养缺陷型:是指某一菌株丧失了合成某种营养物质的能力、在缺乏这种营养成分的情况下不能正常生长的变异菌株。如：赖氨酸营养缺陷型Lys-对应的野生型用Lys+表示。42．原生质体融合:是通过人工方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，也称为“细胞融合”。43．基因敲除:(knock-out)基因敲除和基因嵌入技术是上个世纪90年代出现的最新外源DNA导入技术。基因敲除是基因打靶技术的一种，类似于基因的同源重组。指外源DNA与受体细胞基因组中序列相同或相近的基因发生同源重组，从而代替受体细胞基因组中的相同/相似的基因序列，整合入受体细胞的基因组中。此法可产生精确的基因突变，也可正确纠正机体的基因突变。基因嵌入又称基因置换，它是利用内源基因序列两侧或外面的断裂点，用同源序列的目的基因整个置换内源基因。目前用于基因敲除和基因嵌入的技术有Cre/LoxP系统、FLPI系统等。简单的说基因敲除是指将目标基因从基因组中删除。44．基因工程菌:基因工程菌：将目的基因导入细菌体内使其表达，产生所需要的蛋白的细菌称为基因工程菌，如：大肠杆菌45．基因组设计:在已知菌株全基因组数据的基础上，利用分子操作技术对菌株基因组进行优化，减少冗余基因片段，优化代谢通路，提高菌株生长和积累代谢产物效率的方法，是基因组工程的重要研究方法之一。46．基因组组装:在已知菌株全基因组数据的基础上，利用DNA大片段克隆和删除技术，对菌株的基因组进行重新组装，与此同时，还可将外源的模块组装进金银组中。是基因组工程的重要研究方法之一。47．菌种保藏:选择适宜的培养基﹑培养温度和菌龄﹐以便得到健壮的细胞或孢子﹔保存于低温﹑隔氧﹑干燥﹑避光的环境中﹐尽量降低或停止微生物的代谢活动﹐减慢或停止生长繁殖﹔不被杂菌污染﹐在较长时期内保持著生活能力。48．复壮:将已衰退的菌种恢复到原有性状水平的操作。49．液体发酵:（liquid-statefermentation）是将发酵原料配制成液体培养基，经灭菌在生物反应器中接入动、植物细胞或微生物菌种，在一定条件下进行发酵，通过动、植物细胞或微生物菌种的代谢活动将原料底物转化为产物的过程。50．固态发酵:（solid-statefermentation）：微生物生长在潮湿且不溶于水的基质或发酵原料中所进行的发酵。菌体吸附在固体支持物（载体）上，通过微生物的代谢活动，将原料转化为发酵产品的过程。主要包括浅层发酵、厚层通气发酵和利用固态发酵反应器所进行的发酵。110 51．好氧发酵:（aerobicfermentation）是在有氧气存在的条件下进行的发酵过程，发酵所利用的微生物在代谢过程中需要氧气，所进行的呼吸属于有氧呼吸。52．厌氧发酵:（anaerobicfermentation）发酵过程中不需要氧气，微生物进行无氧呼吸，其代谢活动和代谢产物的形成不需要氧气。53．分批发酵:（batchfermentation）是指在发酵过程中，将发酵培养基或原料一次性加入，发酵完成后发酵液一次性放出发酵罐的过程，是生物反应器的间歇式操作。在发酵过程中，除了不断的输入空气（好氧发酵）和加入酸、碱调节发酵液pH外，与外界无物料交换。54．补料分批发酵:（fed-batchfermentation）又称半连续发酵或流加分批发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。补料分批发酵是指在动、植物或微生物细胞分批发酵中，以某种方式向培养系统中补加一定物料的培养技术。55．连续发酵:（continuousfermentation）是培养基料液连续输入发酵罐内，同时放出含有产物相同体积的发酵液，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）生长的发酵方式。56．高细胞密度发酵:（Highcell-densityfermentation）是一个相对概念，是指应用一定的培养技术和装置提高菌体的发酵密度，使菌体密度比普通发酵培养有显著的提高，最终提高特定产物的比生产率。用以描述的单位是干细胞重量/升(DCW/L)。从大面上来讲，凡是细胞密度比较高，以至接近其理论值的培养均可称为高密度培养，一般认为其上限值为160～200g(DCW/L)，下限值为20～30g(DCW/L)。57．工程菌发酵:（Engineeringstainfermentation）发酵是利用基因工程菌进行的，其产品涉及工业、农业、环保和医药等多个领域，尤其基因工程菌已在医药领域被充分应用。获得外源基因高效稳定表达的基因工程菌是基因工程的核心步骤与最终目的之一，而基因工程菌的发酵是基因工程产品产业化的关键。58．得率:（yield）是指单位底物所产生的菌体或产物量。此处底物多指用量最大的碳源物质。得率越高，单位产品所消耗的原料量（得率的倒数）就越小。所以，提高得率是设计发酵工艺时所追求的主要目标之一。59．种子培养基:（seedmedium）是供种子细胞生长繁殖或孢子萌发形成菌丝体的培养基。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，但总浓度以略低为好，这样可达到较高的溶解氧，供大量菌体生长繁殖。60．发酵培养基:(fermentationmedium)是供菌种生长、繁殖和合成产物用的培养基。发酵培养基既要满足菌种生长繁殖，又要通过菌种的代谢活动将原料转化为产物，同时还要考虑培养基的经济成本。发酵培养基的组成除含有菌体生长所必需的元素和化合物外，还要有合成产物所需的特定元素、前体或促进剂等。61．接种量:指移入种子的体积和接种后培养液的体积比。不同产物的发酵接种量不同，接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度。110 62发酵过程中间分析:发酵过程是微生物细胞在生物反应器中利用发酵培养基中各种营养物质生长繁殖，并通过代谢形成代谢产物的过程。发酵的任务是使菌株的生产能力高效表达，以较低的物料消耗获得更多的发酵产品。因此，通过测定发酵过程中的物理、化学及生物等信息的各种数据，可了解和掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，提供反映环境和细胞代谢生理变化的信息，从而判断发酵过程变量与预期结果是否一致，并及时进行有效的控制。使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。通过所测定的各种数据可判断决定种子罐移种时间与放罐时间，同时还对不可测变量进行估计，通过手动、自动及计算机对发酵过程进行控制，收集数据，对发酵过程进行综合分析。63．发酵终点判断:微生物发酵终点的判断对于提高单位罐体产物的生产能力是非常重要的。生产能力是指单位时间内单位罐体的产物积累量，其单位为g/L•h。不同类型的发酵，要求达到的目标不同，对发酵终点的判断也不同。发酵生产必须兼顾高生产力和低成本消耗，既要提高生产力，又要降低成本。合理的放罐时间的决定主要根据不同发酵时间所得到的产物产量计算出发酵罐的生产力和产品成本，采用生产力高而成本低的时间作为放罐时间。确定放罐的参数主要包括产物的产量、过滤速度、氨基氮含量、菌体或菌丝体形态、发酵液的pH值、发酵液的外观和粘度等。发酵终点的判断需要考虑的因素有经济因素、产品质量因素、特殊因素等。64．发酵工艺控制:发酵工程实施的两大前提条件是：①拥有进行生产的动、植物细胞株或微生物菌株；②明晰发酵工艺过程及其控制条件。发酵的工艺控制至关重要。发酵工艺控制的本质就是提供和维持动植物细胞或微生物菌株最佳的生长、发育和繁殖以及积累代谢产物的环境条件。人们可以通过检测发酵过程参数来掌握发酵过程的变化，进一步通过控制发酵参数在最佳的状态，达成发酵工艺控制的愿望。65．物理参数:发酵过程中的物理参数包括①温度：:影响酶反应速率、菌体生长率、产物合成速度、溶解氧等；②罐压：防止染菌、增加溶解氧；③搅拌转速：均匀混合，利于传热、传质和溶氧；④搅拌功率：直接影响供氧系数；⑤空气流量：直接影响溶解氧浓度、排气中O2和CO2含量；⑥表观粘度：发酵液的表观粘度影响传质和溶氧。66．化学参数:发酵过程中的化学参数包括①基质浓度②pH③产物浓度④中间产物浓度等。67．生物学参数:发酵过程中的生物学参数包括①菌体形态②生长比速(μ)：g(干菌)/g(干菌)･h=h－1③氧消耗比速(QO2)--呼吸强度mM(O2)/g(干菌)･h④糖消耗比速(QC)：g(己糖)/g(干菌)･h⑤氮消耗比速(QN):：g(N)/g(干菌)･h⑥产物合成比速(Qp)：U或g/g(干菌)･h。68．发酵培养基特点:发酵培养基的一般特点为体积较大，配料较粗，营养丰富，完全，C/N合适，适合规模生产的操作管理。原料来源充足，质优价廉，成本低，有利于大量积累产物，缩短周期，简化提取。69．发酵培养基质量影响因素:影响发酵培养基质量的因素主要有原料质量、营养成分浓度、营养成分配比、培养基pH、水质、灭菌温度与时间，培养基粘度等。70．培养基设计与优化:培养基设计必须遵循以下原则：①合适的C/N：C/N不当，影响菌体按比例吸收营养，直接影响菌体生长和产物合成。N过量，菌体生长旺盛，不利于产物积累；N不足，菌体量少影响产率。C过量，残糖高，不利于产物提取，影响产品质量；C不足，菌体过早衰老，发生自溶。②合适的浓度：浓度低，不利于菌体生长及产物合成，设备利用率低；浓度高，渗透压大，粘度大，DO低。③合适的pH：一般情况细菌、放线菌pH7-7.5、霉菌酵母菌pH4.5-6；利用缓冲液控制pH。发酵培养基的优化是进行发酵过程优化和动力学研究的先决条件。培养基的组成必须符合菌体的生长、繁殖和产物合成的各种要求，需从营养物质的种类、浓度、比例以及缓冲能力、粘度、杂质含量等方面入手，可利用正交实验等方法进行。71．响应面分析法:（responsesurfaceanalysis,110 RSA）是数学和统计学相结合的产物。由于采用了合理的实验设计，能以最经济的方式，采用很少的实验数量和时间对实验进行全面的研究，科学地提供局部与整体的关系，从而取得明确的、有目的的结论。响应面分析方法以回归方法作为函数估算的工具将多因子实验中因子与实验结果的相互关系用多项式近似，把因子与实验结果（响应值）的关系函数化，依次可对函数的面进行分析，研究因子与响应值之间、因子与因子之间的相互关系，并进行优化。72．产物合成最适温度:是指微生物细胞积累代谢产物的最适温度(optimaltemperatureforproductsynthesis)，它往往不同于微生物细胞生长繁殖的最适温度。如：以次级代谢产物为目标产物的青霉素生产菌最适生长温度为30℃，产生青霉素的最适温度为25℃；黑曲霉最适生长温度为37℃，而产生糖化酶和柠檬酸的最适温度为32～34℃。73．最适产物合成pH:微生物发酵产物合成的最适pH往往不同于生长最适pH。如丙酮丁醇梭状芽孢杆菌生长的最适pH为5.5-7.0，而发酵产物合成的最适pH为4.3-5.3；青霉素生产菌生长的最适pH为6.5-7.2，而青霉素合成的最适pH值却为6.2-6.3。74．最适生长pH:在微生物可生长繁殖的pH范围内，生长速度最快的pH即为最适生长pH。pH变化影响菌体中各种酶的酶活性，影响菌体对基质的利用速率，影响菌体的生长和产物合成。所以，发酵工业中维持生长和产物合成最适pH成为了生产成败的关键因素之一。大多数微生物生长适应的pH跨度为3-4个pH单位，其最佳生长pH跨度在0.5-1个pH单位。每一类微生物都有其最适和可耐受的pH范围。大多数细菌生长的最适pH为6.5-7.5；霉菌生长的最适pH为4.0-5.8；酵母菌生长的最适pH为3.8-6.0；放线菌的最适pH为6.5-8.0。当pH偏高或偏低时都会影响微生物的生长、繁殖以及杂菌的预防。75．控制最适菌体浓度:(controltheoptimalbacteriaconcentration)是影响需氧量的主要因素之一。发酵液的摄氧率是随菌体浓度的增加而按比例增加的，但是氧的传递率是随菌浓的对数关系而减少。因此，应控制菌体的比生长速率比临界值略高的水平，使其达到最适浓度。这是控制最适溶氧浓度的重要方法。通过控制基质的浓度来控制最适的菌体浓度，降低菌体的生长速率，间接提高溶氧水平，这是比较“消极”的办法。但是，从总经济效益出发，在设备供氧条件已定的情况下，控制菌体生长量，使发酵液溶氧量不低于临界氧值，从而提高菌体的生产能力，也可达到高产的目的。76．摄氧率（OUR）/耗氧速率（OCR）:微生物摄取氧的速率可用摄氧率（Oxygenuptakerate,OUR）或耗氧速率（oxygenconsumptionrate,OCR）表示，即单位时间内单位体积培养液中微生物摄取（消耗）氧的量，记作rO2（mmolO2/L•h），rO2值的范围一般在25-100mmolO2/L•h。77．供氧方程:在稳定情况下，氧分子从气体扩散到液体可用描述气体溶解于液体的双膜理论的传质公式来表示：OTR=KLα(C*-CL)，式中OTR为单位体积发酵液中的氧传递速率，单位：mol/m3•h；C*为溶液中饱和溶氧浓度，单位：mol/L；CL为溶液主流中的溶氧浓度，单位：mol/L；KL是以浓度差为推动力的氧传质系数，单位：1/h；α为比表面积（单位体积溶液中所含有的气液接触面积），单位：m2/m3。由于“α”不易测得，因此常将KLα作为一常项来处理，称为液相体积氧传递系数(volumetricoxygentransfercoefficient)，单位：h-1。此方程亦称为供氧方程(oxygensupplyequation)。78．耗氧方程:当发酵液中的溶氧浓度不是细胞生长和产物合成的限制因素时，该状态下的总需氧速率以摄氧率表示为：γ=Qm•X，上式中γ为摄氧率，单位：molO2/L•h；Qm是氧最大比消耗速率，单位：mmolO2/g(干细胞)•h；X为发酵液中细胞浓度，单位：g/L。此方程亦称为耗氧方程(oxygenconsumptionequation)。79．体积氧传递系数(KLα):110 在稳定情况下，氧分子从气体扩散到液体可用描述气体溶解于液体的双膜理论的传质公式来表示：OTR=KLα(C*-CL)，式中OTR为单位体积发酵液中的氧传递速率，单位：mol/m3•h；C*为溶液中饱和溶氧浓度，单位：mol/L；CL为溶液主流中的溶氧浓度，单位：mol/L；KL是以浓度差为推动力的氧传质系数，单位：1/h；α为比表面积（单位体积溶液中所含有的气液接触面积），单位：m2/m3。由于“α”不易测得，因此常将KLα作为一常项来处理，称为液相体积氧传递系数(volumetricoxygentransfercoefficient)，单位：h-1。80普通泡沫:一类存在于发酵液的液面上，这类普通泡沫(regularfoam)所占比例特别大，并且泡沫与其下面的液体间有能分辨的界限，在一些稀的种子液、前期发酵液中常见到。81．流态泡沫:另一类出现在粘稠的发酵液中。此类泡沫分散很细且均匀，比较稳定。泡沫与液体之间没有明显的液面界限，气体所占比例由下而上地逐渐增大，称为流态泡沫（fluidfoam）。82．化学消泡:(chemicaldefoaming)是一种使用化学消泡剂进行消泡的方法，加入消泡剂使泡沫破裂。优点是化学消泡剂来源广泛，消泡效果好，作用迅速可靠，尤其是合成消泡剂效率高，用量少，无需改造现有生产设备，适用于大规模发酵生产，也适于小规模的发酵研究。是目前应用较为广泛的一种消泡方法。83．机械消泡:(mechanicaldefoaming)是一种物理消泡技术。对于一个优良的生物反应器而言，应具有优化的工艺系统，使气体、发酵液成分、代谢产物和微生物具有优良的分散度和湍流程度，尽可能少地增加装置，少消耗能量。然而，在反应器中增加一个耗能小的消泡系统，不仅保证不会“逃液”，而且还能使设备保持无菌，保证菌体不会造成机械损伤，对实际发酵生产十分必要。84．染菌:在发酵工业中，除生产菌种外的所有微生物都被视为是杂菌，即：在发酵培养基中侵入了有碍生产的其它微生物。发酵生产过程污染杂菌的现象简称为“染菌(contamination)”。85．抗噬菌体突变株:抗噬菌体的突变株具备以下特征：①对以前曾出现过的噬菌体具有抗性；②为非溶源菌；③具有与原始菌株相当或更高的生产能力；④没有回复突变成噬菌体敏感株的能力；⑤用各种己知噬菌体的抗血清处理该突变株,菌体表面缺乏噬菌体。⑥在分离突变株时常遇到抗噬菌体的溶源株，尽管它们可以明显地增加产量，但因其在培养过程中会释放噬菌体到发酵液中，使发酵过程难以控制，故不应该使用。⑦使用突变株也不可避免地将受到噬菌体感染，使用抗噬菌体突变株可以获得“暂时的”稳定生产86．发酵动力学:110 发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控制创造条件。研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。以发酵过程中微生物细胞为生物催化剂的反应过程动力学是对细胞反应过程速率的一种定量描述。它是在细胞水平上，通过对细胞的生长速率、代谢产物的生成速率及底物的消耗速率等动力学特性的描述。微生物发酵动力学为微生物反应过程优化和生物反应器设计的重要理论依据。87．动力学模型:为了定量微生物生长速率随环境因素和时间变化的规律，就必须剔除一些次要的影响因素，对生物反应体系进行适当的简化，以便建立反应关键环境因素与细胞行为之间联系的数学模型，对基质、代谢产物及新生菌体这3个状态变量进行数学描述。细胞生长动力学模型是以酶动力学为基础，把细胞视为一个微小的反应器，通过复杂的酶催化反应网络把底物转化为活细胞物质和分泌产物。在细胞的总反应中有一步反应控制着整个反应速率，该步反应即为速率控制反应。细胞生长总速率取决于该步的酶反应及限制性底物浓度对该步反应速率的作用。微生物生理学家及生化工程学家提出了许多数学模型，从纯粹的经验模型到复杂的机理模型，从简单的表达式到含有很多参数的复杂方程，其中，可以大致区分为经验模型和机理模型。88．概率论模型:概率论模型着眼点为微生物个体，概率论模型必须考虑每个细胞的差异来说明某一特定现象，或用以说明平均值附近的波动情况，有均相模型和生物相分离模型两种。89．决定论模型:决定论模型着眼点为微生物群体，决定论模型不考虑每个细胞的差异，而是取菌体性质及数量的平均值进行数学处理。90．建模步骤:建模的步骤包括：①进行试验②定义建模的目标③系统的分析，结构要素的确定④简化的假设(例如，关于混合、过程结构与动态、代谢及动力学)⑤重要过程变量、参数、输入变量和状态的选择⑥应用平衡法、物理定律和经验方程建立模型⑦模型的模拟和拟合试验数据的参数的鉴别⑧模型质量的评估，重复步骤1。91．.Monod生长动力学模型:1942年，现代细胞生长动力学奠基人J.Monod基于对大肠杆菌与葡萄糖浓度关系的研究，提出了描述底物浓度对细胞生长速率影响著名的Monod模型。Monod模型是典型的决定论非结构模型。它是基于以下假设建立的。（1）菌体生长为均衡型非结构生长。因此，细胞成分只需要一个参数即细胞浓度表示即可。（2）培养基中只有一种底物是生长限制性底物（growth-limitingsubstrate），其他组分含量充分，不影响微生物生长。（3）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。Monod模型方程为：式中，μ为比生长速率，s-1；μmax为最大比生长速率(maximumspecificgrowthrate)，s-1；cs为限制性底物的质量浓度，有时也使用S表示，g/L；Ks为饱和常数(saturationconstant)，g/L。92．比底物消耗速率:(specificrateofsubstrateconsumption)若以单位质量细胞（干重）在单位时间的底物消耗量来表示，则称为底物比消耗速率，可以表示为qs。，有时也用Qs表示。93．维持系数:当底物既是能源又是碳源时，就应考虑维持能所消耗的底物。维持能用于维持其渗透压、修复DNA、RNA和其他大分子、维持细胞的结构和生命活性。对于能源的消耗速率的物料衡算为：能源总消耗速率=用于生长的消耗速率+用于维持代谢的生长速率即：，为实际生长得率（truegrowthyield），表示仅从能源可得到的最大的生长得率。此外，假设用于维持代谢的能源的消耗速率mx与x成正比，比例系数m称为维持系数（maintenancecoefficient），单位为[（ggenergysource）•（gdrycell）-1•h-1]或h-1。94．比氮源消耗速率:氮源的消耗量仅次于碳源，可定义氮源的比消耗速率qN或QN为：QN＝rN/X；95．碳氮比:培养基中碳源与氮源的含量之比，称为碳氮比（C/N110 ratio），记为C/N。C/N可定量表示为碳源和氮源的消耗速率之比,即：C/N＝rc/rN＝Qc/QN。Qc和QN分别表示碳原子和氮原子的比消耗速率。C/N高,有时表示与氮源相比,菌体摄取过量的碳源作为储存性物质积累在细胞内。相反,若使用如蛋白胨类蛋白质碳源,则C/N比过低,这时有可能反应中产生副产物NH4使培养液的pH上升。可见,C/N比是决定微生物反应状况的一个重要参数，在发酵工业界倍受重视。96．产物合成动力学:(product-formationkinetics)，非结构产物生成动力学的研究结果表明，产物的生成速率与细胞比生长速率、细胞浓度以及产物生成的模式等因素有关。对代谢产物的生成模式，根据不同的分类的依据可分为不同的模型。若根据产物的生成与底物消耗的关系则可分为产物生成与底物消耗直接相关、间接相关和无关三种类型；若根据产物生成与细胞生长的关系可分为生长偶联型、生长部分偶联型和生长非偶联型三种类型；若根据产物生成反应的进程则可分为简单型、并联型、串联型、分段型和复合型等。97．生长关联型产物:(productcouplingwiththecellgrowth)该类型指产物的生成直接与细胞的生长相偶联，产物的积累是细胞能量代谢的直接结果，它是细胞的初级代谢产物。98．部分生长关联型产物:(productpartly-couplingwiththecellgrowth)该类型产物的生成是细胞能量代谢的间接结果。产物的生成与细胞生长仅部分偶联，属于中间类型。99．非生长关联型产物:(productnon-couplingwiththecellgrowth)该类型指产物的生成与细胞100．分批发酵:（Batchfermentation）是指生物反应器的间歇式操作，在发酵过程中，除了不断的输入空气（好氧发酵）和加入酸、碱调节发酵液pH外，与外界无物料交换。这种培养方式操作简单,是一种最为广泛使用的方式。分批发酵的主要特征是所有工艺变量都随时间而变化。主要的工艺变量是各种物质的浓度及其变化速率。101．补料分批发酵:（Fed-batchFermentation）在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统中补加一定物料的培养技术。通过向培养系统中补充物料，可以使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定范围内，即保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，从而达到提高容量产率，产物浓度和得率的目的。102．高密度发酵:（Highcell-densityfermentation）高细胞密度发酵是一个相对概念，是指应用一定的培养技术和装置提高菌体的发酵密度，使菌体密度比普通发酵培养有显著的提高，最终提高特定产物的比生产率。用以描述的单位是干细胞重量/升(DCW/L)。从大面上来讲，凡是细胞密度比较高，以至接近其理论值的培养均可称为高密度培养，一般认为其上限值为160～200g(DCW/L)，下限值为20～30g(DCW/L)事实上，不同发酵产品不同的发酵菌种之间差异是很大的。高密度发酵技术的重要意义在于：是在传统发酵技术上改进的发酵技术，它采用增加发酵菌种对数期的生长时间、相对缩短衰亡时间来提高菌体的发酵密度，极大地改进了发酵工艺，最终提高产物的比生产率(单位体积单位时间内产物的产量)，不仅可减少培养体积，强化下游分离提取，还可以缩短生产周期，减少设备投资从而降低生产成本，在一定程度上减少废水量，极大地提高了发酵产品在市场上的竞争力。高密度发酵采用一定的工艺技术，保证微生物生长的适宜条件，延长微生物的指数增殖过程，从而得到高浓度的细胞。采用高细胞浓度培养技术，发酵液中菌体浓度比分批式培养可高10倍以上。103．实消:(sterilizationofmediuminfermenter)养基的分批灭菌就是将配制好的培养基置于发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌或实消110 104．空消:(sterilizationoffermenter)是发酵罐罐体及其管路的灭菌。空消时一般维持罐压在0.15-0.2MPa，罐温125~130℃，保持30-45min；要求总蒸汽压力不低于0.3~0.35MPa，使用压力不低于0.25~0.3MPa。105．发酵过程最优化:(optimizationoffermentationprocess)对于生产菌种或动植物细胞、生产产品工艺以及发酵装置已定的分批发酵而言，生产成本主要是原料费和操作费，其中主要是通气和搅拌所需费用。最优化的终极目标是：以最小费用获得最大产量。作为最优化的目标函数，可以取产量（对于一定反应器而言，实际上就是最终产物浓度Pf）、生产率（单位时间的平均产量PfV/tf）、纯利润等。也有时对这些指标的其中2个以上进行多目标函数优化。最优化的操作变量有反应时间（或结束反应的时间）、培养基配方、温度、pH、溶解氧浓度等。106．培养基配方最优化:(culturemediumoptimization)微生物或动植物细胞生长需要的营养物质主要包括：碳源、氮源、无机盐、微量元素、生长因子和水等。这些营养物质共同影响着菌体或细胞的生长繁殖与代谢产物的合成。微生物培养基配方大多是参考文献报道或依据经验而确定。必须研究所用培养基各组分的必要性和需要量。在分批培养中，所有的培养基组分一次投入，不在中途调节和控制其浓度，因而底物浓度一直下降，变化幅度很大。无论rx、rs、rp等速率参数在反应中与底物浓度有怎样的对应关系，仅根据化学计量关系确定营养物的初始浓度，也是比较合理的，即预先设定Xst为最大菌体浓度，则可得底物Si的初始浓度为：Sio=(Xst–X0)1/YX/Si；无机离子或生长因子等一旦被细胞吸收，在细胞内保持原化学状态，且含量恒定不变。这类营养物质称为储存性底物。可根据这些物质在菌体内的实际含量，用类似的方法确定其需要量。另外，可以在单因素实验的基础上，进行正交实验完成培养基配方的优化。107．分批发酵生产率:(productionrateofbatchfermentation)体积生产率是以每小时每升产物的克数来表示的（g产物/L•h），它亦是过程综合性能的变量。在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即：计算时间既包括发酵时间，也包括把前批次料液从发酵罐中排放干净的时间，罐内洗涤以及新鲜培养基加入和培养基灭菌所需要的时间。这种时间间隔有长有短，在制备酵母时可短至6h，在抗生素生产中可长达20h。除了发酵时间按工艺规定执行外，这些生产准备的时间也应予以重视才可提高生产率。108．补料函数:(thefeedingmode)补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵方式。与一般分批发酵相比有着明显差别：补料分批系统已不再是封闭系统。但是，与连续发酵相比也不同，补料分批系统并不连续地向外放出发酵液。发酵罐内的培养液体积(V)不再是个常数就很好理解了，它是随时间（t）和物料流速（F）而变化的变量。F=F(t)为补料函数，分批发酵（Fin=Fex=0）和连续发酵（Fin=Fex≠0）可被视为补料分批发酵的两极。109．细菌Crabtree效应:在大肠杆菌等细菌的需氧培养中，糖浓度过高时，生成副产物醋酸、乳酸、甲酸等有机酸，抑制菌体生长或对代谢过程产生不利影响。这种现象称为细菌Crabtree效应。110．恒定流速补料:(feedingapproachwithaconstantflowingrate)操作的补料速度是一定值，操作相对简单，设备也不繁琐，是最为常用的流加方式之一。恒定流速补料操作中，发酵液体积呈线性上升。由于在对数生长期，细胞的底物消耗亦呈指数增加，所以，恒定流速补料无法维持底物浓度恒定。底物浓度将随时间延长而逐渐下降。111．恒定底物浓度补料:恒定底物浓度补料操作亦称为延长培养(Extended110 Culture)，它是采用一定方式连续补料，维持限制性底物浓度保持在一定值的操作。112．指数流速补料:(feedingapproachwithflowingrateincreasingexponentially)操作是当比生长速率和底物消耗速率仅取决于限制性底物的浓度时，指数流速补料操作能在短时间内获得最大量的细胞。保证处于对数生长期的细胞维持比生长速率（µ）不变，培养基的补加速度和培养液的体积势必都要呈指数增加。另外，还可通过变更流速指数来控制比生长速率。113．间歇补料:(feedprovidedinpulses)是补料分批发酵的一种补料方式，即每隔一定的时间，补入一定时间的料液。发酵液的体积就逐渐增加。114．连续补料:(continuousfeeding)是补料分批发酵的补料方式，就是按照一定规律连续的进行补料，包括指数速率补料、恒速补料和变速补料。115．循环分批操作:是补料分批发酵的一种补料操作方式，这种补料分批发酵的Fex≠0，而且Fin≠Fex。实际上是菌体的循环使用。放出发酵液进入下游处理，再加入新鲜的培养基进行分批发酵，即为循环分批操作。116．稀释率:(Dilutionrate,D)是连续培养中的一个重要参数，D=F/V稀释率(ｈ-1)含义是单位时间内新进入的培养基体积占罐内培养液总体积的分数；D一旦变化，就会引起μ、X、S、P等一系列变化，直至达到新的稳定状态。如何合理地控制D使反应器中的细胞生长、产物代谢和基质消耗三者处于最佳状态至关重要。另外，D的倒数th表示培养液在罐中的平均停留时间，单位为h。117．准稳态:（quasi-steadystate）当补料速度足够低时，将会出现比生长速率μ约等于稀释率D=Fin/V的动力学稳态现象。这种现象被称为“准稳态”。118．重复补料分批发酵:(repeatedfed-batchfermentation)在发酵过程中的某个时候起，每隔单位时段，排出一定体积的发酵液。与此同时，在同一时间内，补加一定体积的培养基（含有限制生长基质）。这种操作方式就是重复补料分批发酵。采用该方式进行发酵生产，发酵液体积、稀释率以及其它如比生长速率等与代谢有关的参数都将表现出周期性的变化。119．透析培养:(dialysiscultivation)是通过半透膜使培养液与培养基接触，培养液中的细胞不能透过半透膜，只有反应产物透过膜进入培养基溶液。在此类培养中，透析装置作用有二：①将生长抑制性物质透过膜排出培养罐，从而减少抑制作用。②使培养液储罐中的营养物透过膜进入微生物培养罐，补充消耗。120．细胞循环培养:(cellularcycliccultivation)通过某种方式将细胞保留在发酵罐中加以循环利用的发酵方式即为细胞循环培养。121．细胞固定化包埋:细胞固定化包埋培养技术是以应用化学或物理手段，将细胞包埋在多孔载体内部，可使细胞保持活性并可反复利用的细胞高密度培养技术。该技术可提高单位时间、单位容积的生产能力，使发酵产物易于与菌体分离，且固定化细胞对杂菌的污染和代谢产物的反馈抑制作用比游离细胞具有更高的抵抗力。Givry等利用海藻酸钙固定化乳杆菌(Lactobacillus)，发酵半纤维素水解液来进行乳酸发酵生产，产量为62.77g/L，而采用非固定化的游离细胞发酵，产量仅为41.3g/L。122．连续发酵/培养:连续发酵（亦称连续培养）（continuousfermentation/culture）是指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出发酵液，使培养系统内各状态变量恒定的培养方法。123．封闭培养系统:封闭培养系统(closedculturesystem)110 分批发酵的发酵罐属封闭系统。在向发酵液中接入适当的菌种细胞后，除了向发酵罐中通入无菌空气，调节发酵液pH需滴加酸碱之外，一般不向系统内添加或从系统中除去任何物质。所以，分批发酵只能在一段有限的时期内支持微生物的生长、繁殖与积累代谢产物。124．半开放培养系统:半开放培养系统是指发酵罐属于半开放的培养系统，介于封闭系统与开放培养系统之间，补料分批发酵属于半开放培养系统。125．开放培养系统:在开放式发酵系统中，连续发酵是一个开放的培养系统。它可以根据发酵目的，把微生物分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。126．封闭式连续发酵系统:封闭式连续发酵系统(continuousfermentationwithaclosedsystem)封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用，也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。最大的特点是菌体不取出。127．开放式连续发酵系统:在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使用，则该装置叫做循环系统否则称非循环系统。开放式连续发酵系统(continuousfermentationwithanopensystem)又可分成全混流混合(completely-mixed-flowmixing)和平推流混合(plug-flowmixing)，前者一般在带有搅拌装置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵(continuousfermentationwithtankreactor)；后者一般在管式反应器中进行发酵，称管式连续发酵(continuousfermentationwithvesselreactor)。此外还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵(continuousfermentationwithtowerreactor)。最大的特点是菌体取出。128．循环/非循环系统:在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回培养系统进行重复使用，则该装置叫做循环系统(cyclicsystem)，否则称非循环系统(non-cyclicsystem)。129．全混流混合:全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设备出口处的浓度。130．平推流混合:是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。返混是不同停留时间的粒子的混合。混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。131．罐式连续发酵:发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。单罐连续发酵通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基,同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌罐反应器(CSTR)｡连续发酵的控制方式有两种：恒浊器法和恒化器法。132．单罐连续发酵:(single-tankcontinuous110 fermentation)除了种子罐外，使用单一发酵罐进行的连续发酵。最早介绍连续培养基本原理的是Monod（1942），著名的Monod方程（1950）就是基于单罐连续培养中所取得的实验结果。单罐连续发酵有两种类型，即：恒浊培养（turbidostat）和恒化培养（chemostat）。控制培养系统流入培养器的新鲜培养液的流速；同时，使培养器中的培养液也以同样的流速流出。133．多罐串联连续发酵:(Multi-tankContinuousFermentation)在单罐连续发酵的基础上，增加罐的级数。首先，由于多罐串联连续发酵可以比较充分地利用基质，第一级发酵罐流出的发酵液中未利用的基质，可以在以后的各级发酵罐内被继续消耗，因而多罐串联连续发酵效率较高；其次，第一级发酵罐的细胞数量达到对数生长期的数量，使后续各级连续发酵一开始便进入主发酵阶段，取消了延迟期，从而缩短了连续发酵过程的总时间，提高了设备利用率。多罐串联连续发酵的另一个优点是可以在不同级的罐内控制不同的条件。如采用葡萄糖和木糖混合发酵，由于第一罐中葡萄糖优先被利用，第二罐就有可能由于葡萄糖的浓度下降，葡萄糖抑制木糖发酵的效应得以解除，使木糖的发酵速度大幅度提高。134．管式连续发酵:管式连续发酵体系的理想型为活塞流反应器（plusflowreactor,PFR），管式连续发酵体系的管道形式有多种，如水平管式反应器(horizontaltubularreactor)、立式管式反应器(verticaltubularreactor)、盘管式反应器(coiledtubularreactor)等。在管道反应器中不断流加培养液和从罐式连续发酵系统流出的发酵液，使微生物在其中生长。如在管道中用隔板加以分隔，就相当于多罐串联的连续发酵。这种连续发酵的方法可用于酒精等厌氧发酵。先在搅拌罐中进行通风培养种子，然后将种子和培养液同时加入管道中进行厌氧发酵。135．恒浊培养:（turbidostat）以培养器中微生物细胞的密度为监控对象，通过光电控制系统来控制流入培养器的新鲜培养液的流速；同时，使培养器中的培养液也以同样的流速流出；以此保持培养器中的微生物细胞密度基本恒定的连续培养方式。136．恒化培养:（chemostat）通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定，来恒定微生物生长繁殖与代谢速度的连续培养方式。137．稀释率(D):(dilutionrate,D)是连续培养中的一个重要参数，D=F/V稀释率(ｈ-1)含义是单位时间内新进入的培养基体积占罐内培养液总体积的分数；D一旦变化，就会引起μ、X、S、P等一系列变化，直至达到新的稳定状态。如何合理地控制D使反应器中的细胞生长、产物代谢和基质消耗三者处于最佳状态至关重要。另外，D的倒数th表示培养液在罐中的平均停留时间，单位为h。138．临界稀释率(Dc):（criticaldilutionrate,Dc）在一个连续发酵体重，当稀释率D不断增加，开始时，S1随D的增加而非线性增加，X慢慢下降；当D→μm时，S1→S0，X1→0；当S1=S0时，X1＝0表示反应器中营养物质没有被利用就流出了；菌体来不及增值就被“清洗出发酵罐”，此时的稀释率定义为临界稀释率。139．灭菌工程:灭菌工程（sterilizationengineering）以最短时间和精而少的人力圆满完成灭菌工作的过程。目前，绝大多数工业发酵都采用纯种培养：要求发酵过程只能有生产菌株，不允许有“杂菌”污染。如果在培养过程中污染杂菌，杂菌便会在较短的时间内大量繁殖，与生产菌株争夺营养成分或分泌代谢产物抑制生产菌株的生长和代谢，从而干扰生产菌株正常发酵，甚至造成倒罐，严重影响生产。因此，为了保证纯种发酵，在生产菌株接种之前要对发酵培养基、空气系统、流加料液、发酵罐及管道系统等进行灭菌，还要对环境进行消毒，防止杂菌和噬菌体的大量繁殖。在生产实践中，为了防止杂菌污染，发酵生产必须实施灭菌工程。110 140．化学试剂灭菌:（chemicalsterilization）利用化学试剂对微生物的氧化作用或损伤细胞等进行灭菌。使用方法较广，可用于无法采用加热方式进行灭菌的物品。常用于环境空气灭菌及一些表面的灭菌。常用的化学试剂有甲醛、氯气（或次氯酸钠）、高锰酸钾、环氧乙烷、季铵盐（如新洁尔灭）等。141．射线灭菌:（radiationsterilization）是利用紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的高能粒子进行灭菌的方法。波长为2100~3132Å的紫外线具有杀菌作用，其中最常用的是波长为2537Å的紫外线。商品紫外灯管的波长就是260nm。紫外线的穿透能力低，所以，仅用于表面消毒和空气的消毒。此外，也可利用0.06-1.4Å的X射线或由Co60产生的γ射线进行灭菌。142．红外线灭菌:（infraredsterilization）红外线辐射是一种0.77-1000微米波长的电磁波，有较好的热效应，其中1-10微米波长的热效应最强。可进行灭菌。红外线由红外线灯泡产生，不需要经空气传导，所以加热速度快，但热效应只能在照射到的表面产生，因此，不能使一个物体的前后左右均匀加热。红外线的杀菌作用与干热空气相似，利用红外线烤箱灭菌的所需温度和时间与干热灭菌相同。多用于医疗器械的灭菌。人受红外线照射较长会感觉眼睛疲劳及头疼；长期照射会造成眼内损伤。因此，工作人至少应戴能防红外线伤害的防护镜进行操作。143．微波灭菌:(microwavesterilization)微波是一种波长为1毫米到1米左右的电磁波，频率较高，可穿透玻璃、塑料薄膜与陶瓷等物质，但不能穿透金属表面。微波能使介质内杂乱无章的极性分子在微波场的作用下，按波的频率往返运动，互相冲撞和磨擦而产生热，介质的温度可随之升高，因而在较低的温度下能起到消毒作用。一般认为其杀菌机理除热效应以外，还有电磁共振效应，场致力效应等的作用。消毒中常用的微波有2450MHZ与915MHZ两种。微波照射多用于食品加工。在医院中可用于检验室用品、非金属器械、无菌病室的食品食具、药杯及其它用品的消毒。微波长期照射可引起眼睛的晶状混浊、睾丸损伤和神经功能紊乱等全身性反应，因此必须关好门后才开始操作。144．湿热灭菌:(moistheatsterilization)温热灭菌是利用饱和蒸汽进行灭菌的方法。由于蒸汽有很强的穿透力，而且在冷凝时放出大量的潜热，很容易使蛋白质凝固而杀灭各种微生物。蒸汽的价格低廉，来源方便，灭菌效果可靠，为最基本的灭菌方法。但将饱和蒸汽通入培养基中灭菌时，冷凝水会使培养基的浓度下降，所以在配置培养基时应扣除冷凝水的体积，以保证培养基在灭菌后保持应有的浓度。通常用蒸汽对培养基灭菌的条件是在121℃的条件下（约0.1MPa表压）维持20~30min。145．干热灭菌:（dryheatsterilization）干热灭菌法是指在干燥环境（如火焰或干热空气）进行灭菌的技术。一般有火焰灭菌法和干热空气灭菌法（170-1800C，1-2小时）。146．过滤除菌:(filtrationsterilization)过滤除菌是利用过滤方法阻留微生物从而达到除菌的目的。本方法只适用于澄清流体的除菌。工业上利用过滤方法大量制备无菌空气，供好气微生物的培养过程使用。在产品提取过程中也可利用无菌过滤方法处理料液，以获得无菌产品。147微生物热阻:(thermalresistanceofmicroorganisms)每一种微生物都有一定的生长温度范围。当微生物处于生长温度的下限时，代谢作用处于不活泼状态或休眠状态。当温度超过生长温度的上限时，微生物细胞中的蛋白质等大分子物质会发生不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌就是根据微生物这一特性而进行的。微生物对热的抵抗力用此概念来表示。是指微生物在某一特定条件下(某一温度和加热方式)的致死时间。110 148对数残留定律:(logarithmicremaindertheorem)微生物受热死亡的原因主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白，如酶等，发生凝固变性，从而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热而丧失活力，但其物理性质不变。在一定温度下，微生物的受热死亡遵照分子反应速度理论。在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随残留活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率与任一瞬时残存的活菌数成正比，如大肠杆菌的死亡曲线呈线性关系，称之为对数残留定律。反映为一级化学反应动力学为：－dN/dt=KN；为活菌残留个数（为负变数，各瞬间不一样）；为灭菌时间，单位：s或min；为灭菌速率常数，单位：s-1或min-1，也称反应速率常数或比死亡速率常数；此常数的大小与微生物种类与加热温度有关；dN/dt为活菌数瞬时变化速率，即死亡速率。149菌体循序死亡模型:(modelforBacterialprogressivedeath)假设耐热性微生物芽孢的死亡不是突然发生的，而是渐变的。它需要经历一个热敏感性的中间过程后才会死亡，这一过程可用下式表示：即:芽孢由耐热的芽孢(R型)转变为死亡的芽孢(D型)的过程中,中间经历了一个对热敏感的中间态芽孢(S型)。150阿累尼乌斯公式:(Arrheniusequation)微生物受热死亡属于单分子反应，其灭菌速率常数与灭菌温度之间的关系可用阿累尼乌斯公式(Arrheniusequation)表示：或为灭菌速率常数，单位：s-1；为阿累尼乌斯常数，单位：s-1；为气体常数，8.314J/mol•K；为绝对温度，单位：K；为微生物死亡的活化能，J/mol。151微生物比死亡速率常数:（deathrateconstantofmicroorganisms）在对数残留定律方程,－dN/dt=KN中，K为灭菌速度常数(s-1);K也称为反应速度常数或比死亡速度常数,此常数的大小与微生物的种类与加热温度有关。152培养基成分破坏速率常数:(rateconstantofmediumcomponentdestruction)对于培养基而言大部分培养基的破坏也可以认为是一级分解反应，其反应动力学方程为：dc/dt=-K’c；为培养基内易被破坏成分的浓度，单位：mol/L；为灭菌时间，单位：s；为培养基内易被破坏成分的分解速率常数，单位：s-1。153影响培养基灭菌的因素:灭菌是一个复杂的过程，它包括热量传递以及微生物细胞内的一系列生化、生理变化过程，受到多种因素的影响。影响培养基灭菌的因素主要有：培养基成分、培养基的物理状态、培养基的pH值、培养基中微生物的数量、微生物细胞中含水量、微生物细胞菌龄、微生物的耐热性、空气排除情况、搅拌和泡沫等。154分批灭菌:(batchsterilization)培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基置于发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌或实消(sterilizationofmediuminfermenter)。155实消与空消:培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基置于发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌或实消(sterilizationofmediuminfermenter)。空罐灭菌（空消）(sterilizationoffermenter)是发酵罐罐体及其管路的灭菌。空消时一般维持罐压在0.15~0.2MPa，罐温125~130℃，保持30~45min；要求总蒸汽压力不低于0.3~0.35MPa，使用压力不低于0.25~0.3MPa。156分批灭菌时间计算:(batchsterilizationtimecalculation)分批灭菌时间的确定应参考理论灭菌时间作适当延长或缩短。如果仅考虑保温时段的灭菌作用，根据公式理论灭菌时间t=1/KlnN0/Nt=2.303/KlogN0/Nt，其中110 为灭菌速率常数，单位：s-1，取决于灭菌温度和灭菌对象，通常以耐热芽孢杆菌为灭菌对象，则为灭菌温度的单一函数，其计算如式而为灭菌结束时培养基中活微生物数，一般取0.001个，即灭菌失败的概率为千分之一。为灭菌开始时培养基中活微生物数，可以参考一般培养基中的活微生物数为每毫升（1~2）×107个而取得。157反应器设计八要求:(1)避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；(2)尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。应全部焊接结构（焊接部位磨光）消除积蓄耐灭菌物质；(3)防止死角、裂缝等一类情况，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境；(4)发酵系统的某些部分应能单独灭菌；(5)与反应器相通的任何连接能应采用蒸气加以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；(6)所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌，球阀、隔膜阀和截止阀比较好；(7)反应器应始终保持正压以排除渗漏；(8)为了便于清洗，反应器主体应尽量简单。158厌氧发酵设备:进行厌氧发酵使用的发酵设备。厌氧发酵也称静止培养，其发酵设备因不需要供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。一般的厌氧发酵罐采用普通的好氧发酵罐发酵中部通气即可。进行绝对的厌氧发酵时，需排尽发酵罐中的氧气，罐内的发酵液应该尽量装满，以便减少上层气相的影响。同时在培养初期充入非氧气体（N2或CO2），并维持轻微的正压。厌氧发酵需要使用大剂量接种（总操作体积的10~20%），使培养物迅速生长，减少培养物对外部氧渗入的敏感性。一旦厌氧培养物已经活跃生长起来，就不一定再向罐内充入无氧气体了。此时，发酵罐的排气口要安装水封装置，以防止氧气扩散进入罐内上部空间。159机械搅拌发酵罐应满足条件:(1)发酵罐应具有适宜径高比。罐身越长，氧的利用率越高，一般的高度与直径之比为1.7-4倍左右；(2)能承受一定压力。由于发酵罐在消毒及正常运转时，罐内有一定压力（气压和液压）和温度，因此罐体各部件要有强度，能承受相当的压力；(3)发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵必须的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件；(5)罐内应尽量减少死角，避免藏污积垢，灭菌能彻底，避免染菌；(6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。160通风式发酵罐:在通风式发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用通入发酵罐的空气代替搅拌器使发酵液均匀混合，所以设计这种通风搅拌发酵罐时，如何利用空气的动力使气泡细碎和分布均匀是要考虑的主要问题。通风搅拌发酵罐的结构简单，它的动力消耗比机械搅拌低，几种通风搅拌发酵罐可以代替机械搅拌，如：空气喷射式、回转喷射式及空气带升式发酵罐等。通风搅拌发酵罐也有循环式和非循环式之分。循环式又有外循环式和内循环式两种，非循环式又有排管式、喷射式和回转喷射式三种。161罐体:(fermentationtank)罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈纲，对于大型发酵罐可用不锈钢或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚度为2-3mm。为了满足工艺要求，发酵罐需承受一定压力，通常灭菌的压力为0.25MPa（绝对大气压）。生产用的发酵罐容积从20m3至800m3不等。罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。162冷却装置:(coolingunit)发酵罐的传热装置有夹套和蛇管两种，一般容积为5m3以下的发酵罐采用外夹套作为传热装置，而大于5m3110 以上的发酵罐由于外夹套传热面受到限制，而采用立式蛇管作为传热装置。夹套的传热系数一般为400～630kJ/m3•h•℃，蛇管则为1200～1890kJ/m3•h•℃。如果采用5～10℃低温冷却水，也有发酵罐采用外蛇管作为传热装置。它是把半圆形型钢或角钢制成螺旋形焊于发酵罐的外壁上而成的。163搅拌器:(Stirrer)通用式发酵罐内设置机械搅拌的首要目的是打碎空气气泡，增加气—液接触界面，以提高气—液间的传质速率。其次是为了使发酵液充分混和，使液体中的固形物料保持悬浮状态。搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动两种流向，不同型式的搅拌器产生的两种流向侧重也不相同。164搅拌轴:(stirringshaft)一般从罐顶伸入罐内，也可采用下伸轴的方式。小型发酵罐由于搅拌转速较高，可采用电机与搅拌轴直联的方式。而大中型发酵罐均需减速。减速装置可采用三角皮带传动、圆柱或螺旋圆锥齿轮减速机传动等。齿轮减速机的传动效率较高。发酵罐的主轴很长，大型发酵罐为了安装方便，一般做成二节或三节，用夹壳联轴节连接。165全挡板条件:通常，挡板宽度取W=（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。W：挡板宽度；m；D：罐的直径，m，Z：挡板数；也就是满足下列公式：166空气分布器:(airdistributor)空气分布装置有单管及环形管等形式，装于最低一档搅拌器的下面，喷孔向下，以利于罐底部分液体的搅动，使固形物不易沉积于罐底。空气由分布罐喷出，上升时为转动的搅拌桨打碎成小气泡并与液体混合和分散，因而加强了气液的接触效果。环形管喷孔直径为5-8mm。通常通风管内空气流速取20m/s（包括单孔管和环形管），环形管喷孔的总面积可取大致与通风管的截面积相等。167轴封:（shaftseal）发酵罐的搅拌轴与罐体之间的密封很重要，它是确保不泄露和不污染杂菌的关键部件之一。轴封是一种摩擦密封或填料函，用以防止发酵液从搅拌轴和罐顶之间泄漏和杂菌进入发酵罐。现在已大多采用端面轴封。经试用证明：端面轴封具有清洁、密封性能好、无死角、摩擦损失小以及轴无磨损现象等优点，是一种适用于密封要求高的发酵罐搅拌轴的密封方法。168消泡器:简单的消泡器为耙式消泡桨，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。消泡桨的直径约为罐径的0.8~0.9，以不妨碍旋转为原则；对于下伸轴发酵罐，可以在罐顶装半封闭涡轮消泡器，在高速旋转下，可以达到较好的机械消泡效果。此类消泡器直径约为罐径的1/2，叶端速度为12~18m/s；置于发酵罐顶部外面的消泡器一般都是利用离心力将泡沫粉碎，液体仍返回罐内。最简单的是离心式消泡器。也可以采用电机带动的碟片式离心消泡器。169自吸式发酵罐:(mechanicalagitationself-primingfermenter)罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动。叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。空气吸入管通常用一端面轴封与叶轮连接，确保不漏气。自吸式发酵罐的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，其次是这类罐搅拌转速甚高，有可能使菌丝被搅拌器切断，使正常生长受到影响。丝状菌发酵较少采用。但在食醋发酵、酵母培养、生化曝气方面已有成功使用的范例。110 170循环式发酵罐:是发酵液沿着一定路线进行循环的发酵设备与非循环式发酵罐有很大区别。非循环式发酵罐的通风是连续不断地向整个发酵液供应空气，而循环式发酵罐则是在液体循环的中途使发酵液获得氧气，在整个循环周期中予以消耗，到第二次循环时再重新获得氧。如此周而复始直到完成整个发酵过程。在发酵罐内部循环的叫内循环，借助于循环管在罐外循环的叫外循环。171伍氏发酵罐:内循环式，罐内增加了一个内套筒（取消挡板）。搅拌时液体沿着套筒外上升至液面；然后由套筒内返回罐底。结构比通用式复杂，套筒内不易清洗，功率消耗大，现在已经不常采用。172文氏管发酵罐:文氏管发酵设备是一种机械循环的通风循环式发酵设备，它与一般机械循环的通风外循环式发酵罐不同的地方是，一般外循环式的空气是由压缩机供给的，而采用文氏管装置可以从外界直接吸入空气，而不需要空压机或仅需低压鼓风机。用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散于液体混合，微生物从而获得生长和代谢所需要的氧。这种设备的优点：（1）气泡分散破碎良好，并与发酵液密切接触，所以气体的吸收效率高；（2）由于液体不断循环，可使气、液、固三相均匀混合；（3）在要求空气量不大时，利用文氏管收缩段直接吸入气体，可以不需空压机。173公称容积:(nominalcapacity)是指发酵罐圆柱部分和底封头容积之和，其值取整数，一般不计入上封头的容积。174通风搅拌发酵罐:在通风搅拌发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用通入发酵罐的空气代替搅拌器使发酵液均匀混合，所以设计这种通风搅拌发酵罐时，如何利用空气的动力使气泡细碎和分布均匀是要考虑的主要问题。通风搅拌发酵罐的结构简单，它的动力消耗比机械搅拌低，起初仅用于酵母生产。我国试验成功了几种通风搅拌发酵罐以代替机械搅拌，如：空气喷射式、回转喷射式及空气带升式发酵罐等，应用在某些品种的发酵上，从而扩大了通风搅拌的应用范围。通风搅拌发酵罐也有循环式和非循环式之分。循环式又有外循环式和内循环式两种，非循环式又有排管式、喷射式和回转喷射式三种。175气升式发酵罐:(airliftfermenter)气升式发酵罐（ALR）是应用最广泛的生物反应设备。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。176排管式发酵罐:用于酵母培养的排管式发酵罐是一种敞口式发酵罐罐内装有多排冷却蛇管，罐中央有一根垂直的供气管（总风管），下接一根水平的分风管，分风管下面又接一排支风管，排满于罐底，支风管与罐底的距离约为200mm，支风管上开有许多向下的小孔。小孔直径一般为2~4mm，小孔总面积约为总风管截面积的1.25倍。空气从小孔喷出，供给氧气并使发酵液翻动。由于小孔均匀分布在罐底的整个截面上，所以空气的分布是均匀的，但气泡的细碎化程度并不理想，因而此种发酵罐的空气利用率很低，每立方米发酵液约需120~160m2/h的空气。排管式发酵罐所需的通风量比较大，通常采用离心式或罗茨式鼓风机。177喷射自吸式发酵罐:(sprayself-primingfermenter)110 喷射自吸式发酵罐是一种新型的发酵罐.其原理是用泵将发酵液送入喷射吸气装置中，由于发酵液在喷射吸气装置的收缩段中流速增加，形成真空，将空气吸入后，使气泡分散于液体中混合均匀，提高发酵液的溶解氧。其关键部件是喷射吸气装置。178回转喷射式发酵罐:回转喷射式发酵罐是在上述喷射式发酵罐结构的基础上发展改进而成。由于喷射式发酵罐的空气喷嘴固定不动，使部分发酵液翻动不均匀，而回转喷射式发酵罐的空气喷嘴能够转动，因此空气的分布比较均匀。由于空气从喷嘴中喷出的反作用力使分布器的转臂和转动风管旋转，在空罐中通气时转速在200r/min以上，在发酵液中由于受流体阻力的影响，转速降低至30-60r/min之间，空气自喷头喷出的初速度为90-140m/s(按空气的吸入状态计)。空气离开喷头出口时，其流速减低静压增加，转臂转动使风管获得动能而旋转。喷孔直径大致取6-7mm。为了提高氧的利用率，在分布器的上部及罐体四周装有圆形及环状筛板，减少固形物沉积，使空气气泡在罐内的停留时间延长，提高空气利用率。179高位塔式发酵罐:是一种类似塔式反应器的发酵罐，其H/D值约为7左右，罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。特点是省去了机械搅拌装置，如培养基浓度适宜，而且操作得当的话，在不增加空气流量的情况下，基本上可达到通用式发酵罐的发酵水平。180现代固态发酵:（solidstatefermentation）是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固体基质中，一种或多种微生物的一个生物反应过程。因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程，对固态发酵冠以“现代”两字是基于以下考虑：①固态发酵已从传统的、落后的操作形式发展成为可纯种大规模培养的发酵类型；②各种类型、规模的固态发酵反应器已应用于科研与生产实践，使得固态发酵过程更具可控性和可操作性；③除了应用于传统发酵食品的生产，还被广泛应用于抗生素、氨基酸、多糖、有机酸、酶制剂、生物农药以及化工产品等的生产。181自然富集固态发酵:自然富集固态发酵是指利用自然界中的微生物，由不断演替的微生物进行的富集混合发酵过程。例如传统的酒曲、酱油和堆肥发酵等。不需要接种微生物，而是依赖空气和物料中的自然微生物区系，由多种微生物演替成最适于生长代谢或共同协作的小生态环境。182强化微生物混合固态发酵:强化微生物混合固态发酵是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们掌握的部分微生物代谢机制，强化接种微生物菌系不明确的富集培养物或特定微生物培养物所进行的混合发酵。例如沼气发酵、白酒发酵及废弃物发酵降解处理等。183限定微生物混合固态发酵:限定微生物混合固态发酵是在对微生物相互作用和群落认识的基础上，接种混合培养的微生物是已知和确定的，通常使用两种或两种以上经过分离纯化的微生物纯种，同时或先后接种在灭菌的培养基中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。184单菌固态纯种发酵:单菌固态纯种发酵是在纯种培养基础上建立起来的，采用已知的单一微生物菌种，接种在灭菌的固态培养基中，在无菌条件下进行的固态发酵过程。它对于扩大固态发酵的应用范围和潜力的发挥起到非常重要的作用，是固态发酵的重要方向。185固态发酵的界面作用:110 界面是指两个物体相态接触的分界层，它占有一定的厚度和面积。物质一般都具有气相、液相和固相三种状态，两种相态相接即形成界面，但由于气体分子运动、混合很快而组成一个气相，所以通常看不到气-气界面，只有气-固、气-液、液-固、液-液和固-固五种界面。大多数天然生境的营养状况极差，甚至不能供给微生物生长，微生物却在其中生活着，这是由于界面的存在和作用。在这里，界面相当于富集潜在营养物的部位，对微生物的分布、生长和演替效应影响显著。界面在微生物生态学和固态发酵中具有重要意义。186水活度:水活度是吸湿物质在很小的密闭容器内与周围空间达到平衡时的相对湿度，以0.1、0.2•••••1.0aw表示。水影响物料的理化性质，它在固态发酵中为微生物生长提供营养充足的水环境，影响微生物对氧的利用。微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活度αw，它与底物的含水量W有关。底物的性质、最终产物的类型及微生物的需求共同决定底物含水量的水平。细菌要求水活度0.9-0.99；酵母菌要求水活度0.8-0.9；真菌和少数酵母菌要求水活度0.6-0.7。基质的含水量是决定固态发酵成功与否的关键。含水量可由基质的性质、产物的类型以及微生物的需要来决定。187最大产热率:在固态发酵初始阶段，底物各个部位的温度都一样。随着发酵的进行，发酵过程中产生代谢热。由于底物热传导性很差，这些热很难及时扩散，同时，发酵过程中，底物会发生收缩，多孔性下降，更阻碍了热的传递扩散。最大产热率是指单位时间内单位发酵体积内的最大产热量。188颗粒均匀性和硬度:在固态发酵中基质原料的状态是影响微生物生长的因素之一。固态基料颗粒均匀性与颗粒内部结构（特别是颗粒刚度）以及颗粒表面特性（特别是熟度）相关。如果基质颗粒太熟，颗粒间容易成团，限制气体在颗粒之间扩散。另外，基质的湿度也会影响固体基质的均匀性。在微生物生长过程中，代谢产生的水分、代谢物和菌丝连接也使颗粒间相互黏结。颗粒表面特性，如电化学或疏水性，也对微生物表面生长有一定影响。堆积在培养基底部的颗粒容易发生变形或被压碎，降低颗粒间和颗粒内部的空隙，阻碍通风。所以，颗粒硬度也是一个重要参数。基质耐压强度可以用张力计来测量。189混合发酵:许多发酵过程是纯菌株无法完成或只能微弱地进行，必须依靠两种或多种微生物共同培养来完成，即混合培养，或称为混合发酵（mixedfermentation）190静态密闭式固态发酵技术:静态密闭式固态发酵，主要是指发酵过程中的固体基质保持相对静止状态，通常所说传统的固态发酵即指此种发酵方式。静态密闭式固态发酵反应器，主要有托盘式或填充床式反应器，这些系统均不包含搅拌设备。191填充床式发酵:使用填充床式生物反应器进行的固态发酵，其特点是静态的发酵基质填充在圆柱中，圆柱的下面是打孔的支撑板，通过孔板强制通风来给发酵物料供氧，以及调节基质的湿度和温度。典型的设计是一个高而细的圆柱。当然也有其它类型的填充床式反应器，比如木箱式、垂直或倾斜的培养室等。192动态密闭式固态发酵技术:动态密闭式固态发酵过程中培养基处于连续或间歇搅拌状态。虽然静态固态发酵能够使微生物的生境接近其自然生长状态，但由于发酵过程产生的代谢热很难被有效移除，而使其很难应用在大规模的生产上。大多数固态发酵大规模生产都是在有搅拌的系统中完成的。193转鼓式固态发酵反应器:转鼓式固态发酵反应器的结构为上体是—个水平或倾斜的圆柱体，圆柱体绕着它的中轴旋转而使反应器中发酵底物随之翻动。也可以在反应器中增加搅拌装置以强化底物的搅拌程度。由反应器的转动而对底物实施的搅拌一般是比较温和的，相对于其他混合方法，这种方法对微生物的损伤是比较小的。但是这种反应器也比较容易产生底物的结块和颗粒间的摩擦，这两种情况对于摩擦力敏感的微生物仍可造成较大的损伤。另外，温度不易控制，在转动的物体上面加装夹套困难。110 194搅拌式固态发酵反应器:根据搅拌轴轴向，搅拌式固态生物反应器可以分为两类，水平搅拌式和转鼓式。在水平搅拌式中，基质的运动是由搅拌轴的运动来提供动力的；而在转鼓式中动力是由罐体的运动来提供的。除此以外，二者其他方面都很类似。垂直式的反应器一般都要强制通风。搅拌式生物反应器和静态固体发酵填充床式反应器类似，不同之处在于搅拌式装有搅拌桨，可以连续操作也可以周期操作。搅拌床反应器已被应用于大规模固态发酵生产。195流化床固态发酵反应器:流化床固态发酵反应器是在有固体颗粒的填充床上从底部通入足够速度的空气，这些固态颗粒悬浮在气流中呈流态化。如果保持进口气流速度大于使床流态化的最小速度，那么这个床就像是沸腾了的液体，并有大的气泡迅速地从床底升到顶部。流化床发酵的特色与优点，①通气良好，有助于好氧微生物的生长，在流化床上生长的微生物呼吸率可以达到静态培养的10倍；②代谢热的去除十分完全，不会发生培养基温度过高的问题；③气体和挥发性的代谢产物可以很快消失，减小抑制；④混合效果很好，消除了发酵基质的温度和湿度梯度，利于工艺参数控制；⑤某些产物（如单细胞蛋白）可以直接在反应器中进行干燥；⑥相对于传统的固态培养，生产效率大大提高，减少生产用空间和降低操作费用。196立式多层固态发酵罐:立式多层固态发酵罐具有占地面积小、自动化程度高、生产能力大、易于监测和控制等优点。发酵物料可以在发酵罐内进行蒸煮、灭菌、降温等操作，可实现发酵罐内接种、发酵罐内喷淋加湿、自动翻料、温湿度自动检测显示、自动进出料等自动控制操作。可以在常温、常压下工作，利用夹套、内蛇管和无菌空气进行加热和冷却。由于发酵物料是在密闭条件下进行发酵，进入发酵罐内的空气和水都经过灭菌，完全消除杂菌污染的可能，最终产品的质量有确切的保证。197气相双动态固态纯种发酵技术:以压力脉动法向力为动力源的“外界周期刺激强化生物反应及细胞内外传递过程”的生物反应器设计新原理，设计开发出的“压力脉动固态发酵反应器”气相双动态固态发酵反应器的特点可归纳如下（1）无机械翻动装置，传质与传热由气体循环风机实现；（2）反应器结构简单容易密封，便于工业放大；（3）发酵罐为一耐压容器，可用压力蒸汽进行严格的空罐或实罐灭菌；（4）反应过程始终维持在正压阶段，易于保持无菌过程；（5）周期刺激促进微生物代谢、强化细胞内外的传质，减少代谢产物的反馈抑制；（6）反应器内的温度、湿度均匀一致，易于控制；发酵过程实现自控该固态发酵技术有着无限广阔的应用与发展前景，许多现行的液体发酵生产过程，可以用此现代固态发酵技术替代；压力脉动操作可使发酵时间缩短等。198吸附载体固态发酵技术:选用适宜的惰性吸附载体充当固态发酵的固相，由于多孔吸附载体是在无游离水状态下进行固态发酵，利于气—液—110 固传递，发酵水平比液体发酵提高3至5倍，设备投资比液体深层发酵低；能够维持固态发酵过程中环境的均匀性与一致性；易于分析生物量和代谢产物，利于发酵过程的控制以及动力学研究与模型建立；采用培养基实消、液体种子在位无菌接种和在位超声控湿等配套的无菌操作方法，该技术拓宽了固体发酵应用范围，极具有推广价值。吸附载体固态发酵过程中，固态载体提供了微生物生长的巨大表面，单位体积的比表面积可以始终维持在很高的水平，微生物可以在通入少量或不需要通入氧气或空气的条件下，从外界获得自身生长所需的氧气，因此，不需要通入大量无菌氧气或空气，也无需强力搅拌，节省能源。在吸附载体固态发酵过程中，使用的载体材料可以是孔隙率均匀一致的人工合成材料，如聚氨酯泡沫塑料。这类材料不仅均匀一致，而且还可以根据需要，调节其孔径大小、吸附能力等。这样的载体在发酵过程中充当固相成分，它们对微生物的生长没有副作用，微生物也不能够或难以分解利用这类材料。惰性载体固相与农作物产品固相相比，固态发酵过程中微环境的均匀性和一致性有了极大的提高，微环境的多样性也大大降低，通过调节和优化发酵条件，可以大大提高发酵效率。在惰性吸附载体固态发酵过程中，发酵液是微生物生长的营养来源。在配制发酵液时，可以像配制液态发酵的发酵液一样进行精确调配，营养成分也处于易于被微生物利用的溶解状态而且易于监测。当发酵液均匀吸附在惰性载体表面时，整个发酵系统中形成比较稳定、一致的发酵环境。在惰性吸附载体发酵过程中，发酵液形成的液膜是相对静止的，而不像液态搅拌通气发酵过程中，发酵液处于不停的高速流动中。199生化产品特点:主要包括：①目的产物在初始物料中的含量低；②合目的产物的初始物料组成复杂，除了产物外，还含有大量的细胞、代谢物、残留培养基、无机盐等；③生物活性物质的稳定性差，对PH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，易失活变性；④生化产品种类繁多，包括了大、中、小分子量的结构和性质复杂又各异的生物活性物质；⑤生化产品的应用面广，许多产品用作医药、食品、试剂等，对含量和纯度要求高等。200发酵液预处理:培养液预处理是从微生物发酵液或细胞培养液中提取目的产物的第一个必要的步骤，包括了菌体分离、细胞破碎、固体杂质去除等步骤。如前所述，由于培养液中目的产物的浓度较低，料液组成复杂，其中所含的各种杂质都会对产物的分离纯化产生很大的影响，因此在生物产物的分离纯化之前必须进行培养液的预处理。培养液的预处理主要是用来改进培养液的处理性能，其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒（如细胞碎片、核酸以及蛋白质的沉淀物），还需除去培养液中的部分可溶性杂质，并改变培养液的过滤性能，以利于产物的分离纯化，为纯化、精制做准备。201固液分离:(solid-liquidseparation)培养液中除了含有大量的菌体细胞之外，还含有相当数量的固体悬浮杂质，组要将这些固体悬浮物质除去，获得透光度好的澄清处理液进行后续分离纯化。固液分离常用的技术方法包括：絮凝、离心、过滤和膜过滤分离等。202絮凝:原理是利用电荷中和及大分子桥联作用形成更大粒子，特点为使固形物颗粒增大便于易沉降、过滤和离心，提高了固液分离速度和液体的澄清度，缺点为条件苛刻、放大困难，引入的絮凝剂可能干扰以后的分离纯化。203离心:原理是在离心产生的重力场作用下，加快颗粒的沉降速度。设备包括高速冷冻离心机、蝶片式离心机、管式离心机、倾析式离心机、筐式离心机。204过滤:原理为依据过滤介质的空隙大小进行分离，设备有板框过滤机，平板过滤机，真空旋转过滤机，管式过滤机器，蜂窝式过滤器，深层过滤器，特点为设备简单、操作容易。适合大规模工业生产。缺点为分离速度低，分离效果受物料性质变化的影响，劳动强度大。205膜分离:系指以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体的组分进行分离的方法，包括：微滤（Microfiltration,MF）、超滤（Ultrafiltration,UF）、纳滤（Nanofiltration,NF）和反渗透（Reverseosmosis,RO）。微滤、超滤、纳滤和反渗透四者既有联系又有区别。共同点是：末的制造方法基本类似，结构类似，操作方法类似;不同点是：适用范围不同，MF：0.02-10.0µm；UF：0.001-0.02µm或1000-300,000Dalton；NF：200-1,000Dalton或1nm左右和RO：350Dalton。206细胞破碎:细胞破碎就是通过采用不同手段破坏细胞外围使细胞内含物释放出来，转入液相中，以便于进行产物的分离纯化。细胞破碎的方法有很多，按照是否存在外加作用力可分为机械法和非机械法两大类。110 207压力破碎法:原理是利用压力释放时的液固剪切进行破碎，设备是压力破碎机，特点是操作简便，可连续操作，适用于不同的细胞。缺点是加压放热，需要冷却，否则生物活性物质会失活，破碎率较低，压力不稳定，需要进行反复破碎。208珠磨破碎法:原理是利用固体的剪切进行破碎，设备是细胞珠磨破碎机特点是操作简便，稳定，可连续批式操作，破碎率可以控制，容易放大，适于工业放大。缺点是珠磨时会放热，需要高效冷却，不同细胞的破碎条件差异。209超声波破碎法:原理是利用超声波形成空穴产生压力冲击使进行破碎，设备是超声破碎机，特点是操作简便，可连续或批式操作，缺点是超声波处理会产热，需冷却，破碎率较低，需反复进行破碎，应用面较窄。210渗透压破碎法:原理是利用渗透压的突变造成细胞内压力差而引起细胞破碎，特点是适于位于胞内的产物释放，细胞破碎率低产物释放好，纯度高，缺点是操作比较复杂，条件要求严格，只适用于少量样品的处理，费用高。211有机溶剂/表面活性剂:原理是利用有机溶剂或表面活性剂改变细胞壁或膜的通透性，特点是方法简单，细胞内含物释放少，产物较纯，可大规模应用。缺点是适用性有限，只适合对有机溶剂或表面活性剂稳定的产物。212碱/酶处理法:原理是经碱或酶处理使细胞壁或膜破坏，产物释放出来；特点是方法简单，可大规模应用，缺点是适用性有限，只适合于对碱或酶稳定的产物。213生物分离纯化技术:从混合体系中分离出目的产物的技术。用于生物物质分离纯化的方法除了传统的沉淀法、吸附法、离子交换、萃取法等之外，还有超滤、反渗透、电渗析、凝胶电泳、离子交换层析、亲和层析、疏水层析，等电聚焦、双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取、凝胶层析等。下表列出了主要的生物分离纯化技术的现状，产物，选择性，产出形式等。214有机溶剂萃取法:原理是依靠产物在水和有机溶剂中的分配系数的差异进行分离，特点是适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质等的分离。其中反胶团系统较适合生物活性物质的萃取。215/双水相萃取法:原理是依据目的物在不相容的聚合物或无机盐溶液形成的两相中的分配系数不同而进行分离，特点是可连续或批式操作，设备简单，萃取容易，操作稳定，易放大，适合于大规模应用。216反胶团萃取法:原理是利用表面活性剂形成的“油包水”微粒，对蛋白质等进行分离。特点是有一定的选择性，操作简单，萃取能力大。217凝胶萃取法:原理是利用凝胶可发生可逆，非连续的溶胀和皱缩以及对所吸收的液体具有选择性的性质进行物质分离，特点是设备简单，能耗低，再生容易，有良好的应用前景。218超临界流体萃取法:原理是利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时形成的超临界流体作为溶剂进行萃取，特点是萃取能力大，速度快，可通过控制温度和压力来改变对某些物质的选择性。219有机溶剂沉淀法:原理是利用有机溶剂破坏蛋白质分子的水化壳，使之聚集成更大的分子而沉淀，特点是可用于沉淀各种蛋白质，可实现分级沉淀，达到粗分离和浓缩的目的。操作简便，可大规模应用。220等电点沉淀法:原理是利用等电物质在等电点时溶解度最小的原理，在低的离子强度下，调节pH至等电点使蛋白质等所带的电荷为零，沉淀分离。特点是方法简单有效，成本较低，是常用的粗分离方法。110 221化学沉淀法:原理是通过化学试剂与目的产物形成新的化合物，改变溶解度而沉淀。特点是可针对性沉淀目的产物。222盐析法:原理是利用无机盐破坏蛋白质分子的水化层，中和表面电荷，使之聚焦成更大的分子团而沉淀。特点是可用于蛋白质分级沉淀或沉淀、粗分离及浓缩作用，对生物活性有一定的保护作用，方法简便，可大规模应用。223离子交换层析:原理是依据被分离物质各组分的电荷性质，数量以及与离子交换剂的吸附和交换能力不同而达到分离的目的，特点是适用于带有电荷的大、中、小及生物活性或非生物活性物质的分离纯化，纯化效率较高，可柱式或搅拌式操作。应用广泛，常用于实验室和工业生产。224吸附层析:原理是依据范德华力，极性氢键等作用力将分离物吸附于吸附剂上，然后改变条件进行洗脱，达到分离纯化的目的，特点是吸附色谱可柱式或搅拌式操作，吸附剂种类繁多，可选择范围和应用范围广。吸附和解吸的条件温和，不需要复杂的再生。225亲和层析:原理是依据目的产物与专一性配基的专一性相互作用进行分离，特点是选择性较高，纯化倍数和效率高。可从复杂的混合物中直接分离目的产物。226疏水层析:原理是依靠疏水相互作用进行分离，特点是选择性较好，使用稳定性好，应用较广。227凝胶层析:原理是依据分子大小不同进行分离特点是分离条件温和，活性收率较高，应用广，选择性和分辨率高，适合于生物大分子的分离纯化。228结晶法:原理是利用只有同类分子或离子才能排列成为晶体的性质进行物质分离，特点是选择性好，成本低，设备简单，操作方便，广泛应用与抗生素等的分离。229分离纯化法八项准则:主要包括：①任何人使用该分离纯化方法均能生产出合格产品；②该分离纯化方法在任何环境中使用都具有重复性，可生产出同一规格的产品；③要求分离工艺不受或少受上游工艺条件或原材料来源的影响，或者有较宽泛的稳定范围；④需严格控制的工艺步骤或技术越少越好，工艺条件可变动的范围越宽泛，工艺的重复性越好；⑤在选择分离纯化技术、工艺和条件时要确保危险性杂质的去除，保证产品质量和生产过程的安全；⑥为保证产品质量，要尽量减少工艺过程的操作单元数，否则操作单元数越多，产品的分离纯化收率越低。要求分离工艺的分离纯化技术具有高效性，一般来说，分离原理相同的技术在工艺中不重复；⑦在分离过程中，尽可能少地外加试剂，以免增加分离纯化步骤，干扰产品质量；⑧要求分离工艺的操作时间尽可能短，以保证生物产品的收率和活性。要分离工艺温和、能耗低、纯化效率高、收率高、容易操作、易于放大等。230工程菌产物分离纯化工艺设计:110 基因工程产物的分离纯化当然遵守一般蛋白质的分离纯化规律，但由于基因工程产物的特殊性，基因工程产物的分离纯化工艺的设计又有它的特点：1）产物的表达形式不同采取的设计策略也不同：分泌型的表达产物通常体积大、浓度低，因此有必要在纯化之前进行浓缩处理以尽快缩小样品体积，浓缩的方法包括沉淀和超滤等。2）根据蛋白质的不同选用不同的分离过程。3）不同分离单元之间的衔接：v工艺次序的选择策略包括：应选择不同机理的分离单元组成一套工艺；应将含量最多的杂质先分离去除；尽早采用高效的分离手段；将最昂贵、最费时的分离单元放在最后阶段。也就是说，通常先运用非特异、低分辨的操作单元，如超滤、沉淀和吸附等，在这一阶段主要的目的是尽快缩小样品体积，提高产物浓度，去除主要的杂质（包括非蛋白类杂质）；随后是高分辨率的操作单元，如具有高选择性的离子交换层析和亲和层析等，而将凝胶排阻层析这类分离规模小、分离速度慢的操作单元放在最后，这样可以使分离效益提高。231空气除菌工程：（airsterilizationengineering）空气中含有大量各种微生物，如果这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，产生各种代谢产物，干扰甚至破坏发酵的正常进行，使发酵失败。因此，空气除菌成为好氧发酵体系运作的一个重要环节。“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。232通气量：（ventilatorycapacity）单位时间内（通常为每分钟）通入到发酵容器的气体体积。对于好氧发酵，多指通到液面下的体积。好气性微生物生长和代谢产物合成都需要消耗氧气。最廉价的氧气来自空气，因此，发酵工业均采用空气作为氧气来源，需要提供大量的空气。如一个50m3的发酵罐，通气量（ventilatorycapacity）为1VVM（m3/m3.min），发酵周期为150小时，所需要通入的空气量高达50×1×150×60=4.5×105m3。233静电除菌：（Electrostaticsterilization）悬浮于空气中的微生物，其孢子大多数带有不同的电荷，约有75%的孢子带负电，15%的孢子带正电，其余l0%的孢子为中性。静电除菌是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘除菌的目的。使用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾和尘埃，同时也除去了空气中的微生物。对1µm的微粒去除率达99%，消耗能量小，每处理1000m3的空气每小时只耗电0.4-0.8kW。空气的压力损失小，一般仅（3-15）×133.3Pa,但对设备维护和安全技术措施要求较高。234热力灭菌：（heatsterilization）空气热灭菌法是将空气加热到一定温度后保温一定时间，基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）热变性而实现。235气溶胶：是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核（见大气凝结核、大气冰核）、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾（霭）、微尘和烟雾等，都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。236介质过滤：是今发酵工业上常使用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。常用过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等237惯性冲击滞留作用：（retentionfrominertialimpact）是过滤除菌的机理之一。空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力。微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进，而由于微粒运动惯性较大，难于改变运动方向，不能及时随主导气流前进。直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这就是惯性冲击滞留作用机理。238拦截滞留作用：（retentionfrominterception）是过滤除菌的机理之一。实践证明，随着气流流速度下降，微粒不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕集效率显著下降，但随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升。原因是微粒直径很细，质量很轻，它随低速气流流动，慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留，这就是拦截滞留作用机理。239布朗扩散作用：(browniandiffusion)是过滤除菌的机理之一。直径小于1μ110 m的微粒在气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气流速度、纤维间隙中布朗扩散不起作用，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机理。240重力沉降作用：(gravitysettling)是过滤除菌的机理之一。当微粒所受的重力大于气流对它的携带力时，微粒就容易沉降。单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。241静电吸附作用：(electrostaticadsorption)干空气对非导体的物质作相对运动摩擦时，会产生静电现象。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。有人测定微生物孢子带电情况时发现，约有75%的孢子具有1~60负电荷单位，15%的孢子带有5~14正电荷单位，其余10%则为中性，这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附作用。242过滤效率：(filtrationefficiency)过滤效率指的是滤层所滤去的微粒数与空气中原有微粒数的比值（见公式）N1为过滤前空气中微粒数；N2为过滤后空气中微粒数；N1/N2为过滤前、后空气中含有微粒数的比值，称为穿透率。243介质层厚度计算：根据对数定律InN2/N1=-KL或LogN2/N1=-K`L得出：L=1/K•InN1/N2或L=1/K`logN1/N2式中的N1可根据进口空气的菌体浓度、空气244空气净化工艺要求：空气净化工艺要求包括以下几点：①对于一般要求的低压无菌空气可直接采用一般鼓风机增压后进入过滤器，经一、二次过滤除菌而制得。如无菌室、超净工作台等用作层流技术的无菌空气就是采用这种简单流程。②自吸式发酵罐是由转子的抽吸作用使空气通过过滤器而除菌的。③一般的深层通风发酵，除要求无菌空气具有必要的无菌程度外，还要具有一定高的压力，这就需要比较复杂的空气除菌流程。供给发酵用的无菌空气，需要克服介质阻力、发酵液静压力和管道阻力，故一般使用空压机。245过滤除菌一般流程：发酵生产工艺中空气过滤除菌流程可分为两部分：一部分是空气处理；另一部分是空气过滤。空气处理通常通过粗过滤器、空气压缩机、冷却器、分离器、加热器制备无油、无水、干燥（相对湿度为60％左右）和有足够动能的空气。空气过滤通常采用总空气过滤器和分过滤器两级过滤，使空气满足发酵生产的无菌要求。246纤维状及颗粒状介质过滤器：是常用空气过滤器中的一种，主要由封头、空气出口、多孔板、过滤材料（涤纶布、棉花、颗粒活性炭等）、夹套、冷凝水出口、支架、排污口、空气进口、外壳、蒸气进口等部件组成。过滤器的尺寸主要是确定过滤器的内径D和有效过滤高度，最后定出整个过滤器的高度尺寸。流速一般取0.2~0.5m/s，按操作情况而定，尽量使过滤器在较高过滤效率的气流速度区运动。通过过滤器的压力降一般为0.2~0.5MPa。目前有的过滤控制的流速较低，仅为0.1~0.2m/s，相应的压力降也较小。247平板式纤维纸分过滤器：这种过滤器是适应充填薄层的过滤板或过滤纸，其结构如图所示：由筒身、顶盖、上孔板、垫圈、铜丝网、麻布、滤纸、下孔板、夹板和缓冲层等构成。常用于经总空气过滤器净化后的空气进入发酵罐之前的最后一次过滤，以期确保空气无菌，通常称为分过滤器。248管式过滤器：平板式过滤器过滤面积局限于圆筒的截面积，当过滤面积要求较大时，则设备直径很大。若将过滤介质卷装在孔管上，这样，总的过滤面积要比平板式大很多。但卷装滤纸时要防止空气从纸缝走短路，这种过滤器的安装和检查比较困难。为了防止孔管密封的底部死角积水，封管底盖要紧靠滤孔。110 249折叠式低过滤器：在一些要求过滤阻力损失很小，过滤效率比较高的场合，如洁净工作台、洁净工作室或自吸式发酵罐等，都需要设计、生产一些低速过滤器来满足它们的需要。超细纤维纸的过滤特性是气流速度越低，过滤效率越高。为了将很大的过滤面积安装在较小体积的设备内，可将长长的滤纸折成瓦愣状，安装在楞条支撑的滤框内，滤纸的周边用环氧树脂与滤框粘结密封，滤框有木制和铝制两种规格，需要反复杀菌的应采用铝制滤框，使用时将滤框用螺栓固定压紧在过滤器内，底部用垫片密封。250金属过滤器：(metalfilter)由金属过滤器、预分过滤器及蒸汽过滤器组成的成套过滤系统，简称金属过滤器。预分过滤器的作用是预过滤空气前处理系统中的铁锈等杂物，过滤介质为中空玻璃纤维或高效过滤纸；蒸汽过滤器则是阻挡蒸气管道中的锈蚀物和锅炉污垢等杂质，过滤介质为聚四氟乙烯，这两种过滤器的功能就是保护金属过滤器（过滤介质为镍金属粉末），延长其使用寿命。其过滤效率：99.9%；过滤微粒直径≥0.2μm；最大工作压力0.8MPa；工作温度≤130℃；气体阻力：在额定流量下，进口压力0.1MPa时，初始压降小于0.01MPa251空气冷却器：(aircooler)接在贮气罐或空气压缩机后面，能将压缩机产生的压缩空气冷却到45度以下，使空气中大部分水蒸气冷凝后排出机外，以适应下游净化设备干燥空气的要求，避免因水悬浮和冷凝而影响除菌。252气液分离器：(Vapor–liquidseparator)可安装在气体压缩机的出入口用于气液分离，分馏塔顶冷凝冷却器后气相除雾，各种气体水洗塔，吸收塔及解析塔的气相除雾等。气液分离器也可应用于气体除尘，油水分离及液体脱除杂质等多种工业及民用应用场合。过滤除菌流程中安装于冷却器后。253旋风分离器：(cyclonicseparation)主要是根据气体和液体的密度，做离心运动时，液体遇到器壁冷凝分离。254丝网分离器：(wiremeshseparator)丝网除沫分离是利用填料的惯性拦截作用分离空气中的水雾和油雾。所对应的分离器是丝网分离器,它可除去小至5mm的雾状颗粒，分离效率可达98-99％。255空气过滤介质：空气过滤介质要求除菌效率高，还要求能用高温灭菌、不易受油水沾污而降低除菌效率、阻力小、成本低、来源充足、经久耐用及便于调换操作。常用的有：棉花和活性炭（总过滤器及分过滤器）、玻璃棉和活性炭（一级过滤）、超细玻璃纤维纸（一般用于分过滤器）、石棉滤板（分过滤器）等，新的还有烧结材料、多孔材料等高效滤菌材料、烧结金属板、烧结金属管作为分过滤器和总过滤器的过滤介质、微孔过滤介质，如硝酸纤维酯类和聚四氟乙烯类微孔滤膜，在有预过滤的情况下，能绝对过滤干燥或潮湿的空气中平均直径大于孔径（0.2µm）的微生物。256空气过滤器的操作要点：主要包括：①当过滤器蒸气灭菌时，应事先将蒸汽和过滤器内部的冷凝水放掉，灭菌蒸汽的压力应保持在0.17–0.2MPa（表压）。②开始时先将夹套预热（有的空气过滤器无夹套则不需预热），然后将蒸汽直接冲入介质层中，小型过滤器的灭菌时间约为半小时，蒸汽从上向下冲；大型过滤器的灭菌时间约为1h，蒸汽一般先从下向上冲半小时，再从上向下冲半小时。③过滤器灭菌后应立即引入空气，以便将介质层内部的水分吹出，但温度不宜过高，以免介质被烤焦或焚化。蒸汽压力和排气速度不宜过大，以避免过滤介质被冲翻而造成短路。在使用过滤器时，如果发酵罐的压力大于过滤器的压力（这种情况主要发生在突然停止进空气或空气压力忽然下降），则发酵液会倒流到过滤器中来。因此，在过滤器通往发酵罐的管道上应安110 装单向阀门，操作时必须予以注意。257初级代谢产物：(primarymetabolite)微生物从外界吸收各种营养物质，通过合成代谢和分解代谢生成维持生命活动的物质和能量的过程称为初级代谢。微生物通过初级代谢所产生的自身生长和繁殖所必需的物质为初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸、多糖等。258次级代谢产物：(secondarymetabolite)指微生物在一定的生长时期、以初级代谢产物为前体、合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质过程｡这一过程的产物即为次级代谢产物。有人也把超出生理需求的过量的初级代谢产物亦称为次级代谢产物。次级代谢产物可积累在细胞内，但通常都分泌到细胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。从分子结构上看，次级代谢产物可分为糖苷类、多肽类、酰基类、核苷类及混杂类。如：抗生素、激素、生物碱、色素、维生素等。259过量生产：在自然界，野生型微生物细胞只合成本身所需要的物质，决不合成过量的物质。发酵方法过量生产代谢产物，必须打破或解除微生物细胞内正常的代谢调控，使代谢产物过量生成。或者：发酵过程中物质的转化过程都伴随着能量的转化，质量平衡与能量平衡密切关联。借助质能平衡可预测发酵过程中各基质需要量，并可加以利用，减少不必要消耗；亦可避免由于基质限制或抑制而影响发酵效率。发酵过程的终极目：以最小的物料和动力消耗，获得最大的产率。然而，所有微生物都具有完善的代谢调控机制，在生长繁殖过程中能量的利用和物质的代谢都是非常合理与经济的。微生物发酵工程的研究宗旨之一就是要干预微生物固有的代谢调控机制，使其过量积累代谢产物。260反馈抑制：是微生物的一种较经济的调节方式，是指代谢终端产物对酶（往往是代谢途径中第一个酶）的活性的抑制。反馈抑制可通过改变代谢途径中的一个或几个关键酶的活性影响代谢途径中各中间化合物的流量。261反馈阻遏：是指代谢终端产物（或其结构类似物）阻止催化该途径的一个或几个酶的合成，其实质是调节基因的作用，即是转录水平的调节，终端产物与阻遏蛋白结合后形成有活性的阻遏蛋白，该阻遏蛋白与操纵基因相结合，从而阻止RNA聚合酶的结合，于是结构基因停止转录，酶的合成因此受到阻遏。262抗类似物突变株：。正常情况下，合成代谢的终端产物能够与阻遏蛋白或变构酶可逆性结合，从而实现对合成途径中关键酶的反馈阻遏或反馈抑制作用。代谢拮抗物因与代谢产物结构相似而能够与阻遏物或变构酶结合，但它在细胞中不能被降解或利用，且与阻遏物或变构酶的结合是不可逆的，从而使有关的酶不可逆地停止了合成或其活性不可逆地被抑制。抗类似物突变株也称为代谢拮抗物抗性突变株。抗类似物突变株的代谢调节可被遗传性地解除，在发酵时不再受培养基成分的影响，生产较为稳定。抗类似物突变株不易发生回复突变，因此在发酵生产上被广泛应用263细胞膜通透性突变株：微生物细胞能合成的产物必须经过细胞膜和细胞壁分泌到胞外，改变细胞膜和细胞壁的通透性，使其有利于产物的分泌，是降低终端产物的一种途径。如：谷氨酸生产菌黄色短杆菌：细胞膜磷脂含量降低时，细胞的通透性增强。如果向培养基中限量添加生物素、添加脂肪酸类似物或添加青霉素等抗生素，可以增加细胞膜或细胞壁的通透性，使谷氨酸易于透过，降低谷氨酸在细胞内的积累，解除反馈调节。同理，选育丧失脂肪酸合成酶的油酸缺陷型或丧失α-磷酸甘油脱氢酶的甘油缺陷型，对于谷氨酸的积累也是有效的。264营养缺陷型回复突变株：110 采用由营养缺陷型选育回复突变株的方法来选育高产菌。当一个菌株由于突变而失去某一遗传性状后，经过回复突变可以再回复其原有的遗传性状。这是因为当某一结构基因发生突变后，该结构基因所编码的酶就因结构的改变而失活。而经过回复突变后，该酶的活性中心结构可以复原，而调节部位的结构常常并没有恢复。结果是一方面酶恢复了活性，而另一方面反馈抑制却已解除或减弱。因此，可以利用营养缺陷型的回复突变来提高发酵产品的产量。265原位分离发酵：采用边发酵边进行产物分离的原位分离发酵技术，可以使发酵体系中终端产物的浓度始终低于引起反馈调节的浓度。如：在乳酸发酵过程中利用组合电渗析、离子交换、膜分离技术减少乳酸对发酵的抑制作用，实现了边发酵边分离，获得了很好的效果。266抗分解代谢阻遏突变株：利用抗分解代谢阻遏的突变株是克服分解代谢阻遏的方法之一。在以酶受阻遏的底物为唯一碳源（氮源）的培养上，选择能生长的菌株—抗分解代谢阻遏的突变株。如：由于脯氨酸氧化酶被葡萄糖阻遏，所以将菌株接种至葡萄糖-脯氨酸（作为唯一氮源）平板上，未突变菌株的脯氨酸氧化酶被阻遏而无法利用脯氨酸作为氮源，因此不能生长。抗葡萄糖阻遏突变株却能够利用脯氨酸而正常生长。267诱导物结构类似物：添加诱导物结构类似物是在实际生产中为了提高诱导酶的产量，对诱导调节的控制方法之一。当诱导物是酶的底物时，常常添加该底物的结构类似物来增强诱导作用。因为它们不能作为底物而被酶分解，从而在胞内始终保持较高的浓度，能够持续地诱导酶的合成，进而获得较高浓度的酶。如：异丙基硫代半乳糖苷可作为乳糖的结构类似物诱导β-半乳糖苷酶的合成。268组成型突变株：利用组成型突变株是在实际生产中为了提高诱导酶的产量，对诱导调节的控制方法之一。组成型突变株是指突变不是发生在结构基因上，而是发生在调节基因或操纵基因上，从而导致调节基因编码的阻遏物（阻遏蛋白）无活性，或操纵基因对活性阻遏物的亲和力衰退，则无需诱导物便能产生诱导酶的菌株。269诱导物：凡能诱导操纵子开启的效应物称为诱导物，凡能导致操纵子关闭，阻遏转录过程的效应物称为辅助阻遏物。使用诱导物是提高初级代谢产物产量的方法之一。与糖类和蛋白质降解有关的水解酶类大都属于可诱导酶类，因此向培养基中加入诱导物会增加这些酶的产量。如催化淀粉分解为糊精、麦芽糖等的α-淀粉酶就是一种诱导酶，多种微生物都能产生这种酶。如果将能合成α-淀粉酶的菌种于含葡萄糖的培养基中培养，它就直接利用葡萄糖而不产生α-淀粉酶；如果将其培养在以淀粉为碳源的培养基中，则会产生大量的α-淀粉酶。270组成型表达突变株：除去对诱导物的需要——选育组成型产生菌是提高初级代谢产物产量的方法之一。在发酵工业中，要选择到一种廉价、高效的诱导物是不容易的，分批限量加入诱导物在工艺上也多为不便，更为有效的方法是改变菌株的遗传特性，除去对诱导物的需要，即选育组成型突变株。通过诱变处理，使调节基因发生突变，不产生有活性的阻遏蛋白，或者操纵基因发生突变不再能与阻遏物相结合。目前，已设计出多种选育组成型突变株的方法，其主要原则是创造一种利于组成型菌株生长而不利于诱导型菌株生长的培养条件，造成对组成型的选择优势以及适当的识别两类菌落的方法，从而把产生的组成型突变株选择出来。组成型突变株的获得和富集的方法包括：①在以诱导物为限制性基质的恒化器中筛选；②将菌株反复在有、无诱导物的培养基中培养；③使用诱导性能差的基质;④使用阻碍诱导作用的抑制剂。271抑制剂：有些化合物会阻碍一些酶的诱导作用。使用阻碍诱导作用的抑制剂是除去对诱导物的需要——110 选育组成型产生菌的方法之一。如：氰乙酰胺抑制绿脓杆菌酰胺酶的诱导合成。经诱变的细胞群体让其在含有诱导物和诱导抑制剂的培养基中生长，因酶的诱导受抑制只有那些不需要诱导物的突变株才能生长。272抗反馈抑制突变株：筛选抗反馈抑制突变株是提高初级代谢产物产量的方法之一。在微生物合成途径中广泛存在着反馈抑制调节，即终端产物抑制合成途径中某一个酶（一般为第一个酶）的活性，因此，降低终端产物的浓度就能积累代谢途径中间目的产物，如同培养基中去除阻遏物一样，一般采取如下方法：①选育营养缺陷型②选育抗代谢类似物的突变株。273抗代谢类似物突变株：选育抗代谢类似物的突变株是提高初级代谢产物产量的方法之一。通常微生物生长需要各种代谢物。如维生素、嘌呤、氨基酸等。以氨基酸为例：终产物氨基酸A过量时，会抑制或阻遏自身合成酶，也能整合到蛋白质中去。当A浓度足够高时，A与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，产生反馈抑制或阻遏作用。当A参与蛋白质合成，而使A的浓度下降时，A就会从调节酶的调节部位或阻遏蛋白上解离下来，从而解除反馈调节。当A的浓度再次上升到一定值时，反馈调节再次发生.。A与调节酶的变构部位或阻遏蛋白的结合是可逆的。代谢物结构类似物A1则不同，当细胞中大量存在A1时，它也能和A一样与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，发生反馈抑制与阻遏作用。但A1不能被细胞利用，而维持较高浓度，且A1与变构酶或阻遏的结合又是不可逆的，因此代谢结构类似物对微生物细胞来说是有毒害作用的。通过诱导等手段获得突变株，使得终产物A及其结构类似物A1不再与调节酶的调节部位或阻遏蛋白结合，此时A1对菌株的毒害作用就表现不出来，即该菌株对A1有抗性。若突变株抗A1性能越强（在含高浓度A1上长出来），则说明该菌株解除A对其生物合成系统的反馈调节就越彻底，那么A积累就越多。274负突变菌株回复突变株：筛选负变菌株的回复突变株，是提高初级代谢产物产量的方法之一。经诱变产生的高产菌株，在生产过程中易于发生回复突变，使生产不稳定。为防止筛选到的突变株发生回复突变，可向培养基中加入适量的结构类似物，以防止回复突变株的产生和增殖。此外，双重突变型的菌株发生回复突变的机率较小，因此可以筛选具有双重遗传标记的菌株。筛选负突变株的回复突变株亦可用于代谢产物的过量合成。研究结果表明，营养缺陷型突变株的相关合成酶要么催化亚基与调节亚基编码基因均发生突变，要么仅催化亚基或调节亚基的编码基因发生变化。如果发生前者突变的菌株发生回复突变后（即不再是营养缺陷），又有存在两种可能，要么催化亚基和调节亚基恢复（或大致恢复）均发生回复突变，要么催化亚基得到恢复而调节亚基却丧失了调节作用，后者实现了反馈抑制作用的解除而增加了目的产物的积累。275细胞膜通透性突变株：筛选细胞膜通透性突变株是提高初级代谢产物产量的方法之一。微生物细胞合成的胞外产物必须经过细胞膜和细胞壁分泌到胞外，改变细胞膜和细胞壁的通透性，使其有利于产物的分泌，是降低终端产物的一种途径。包括①筛选生物素缺陷型突变株②筛选油酸缺陷型突变株③筛选温度敏感型突变株和④添加表面活性剂。276温度敏感型突变株：筛选温度敏感型突变株能改变细胞膜的通透性，是提高初级代谢产物产量的方法之一。编码与目的产物分泌有密切关系的蛋白或合成细胞膜成分的基因发生碱基的转换或颠换，在高温条件下导致细胞膜某些结构的改变而有利用目的产物的分泌，从而解除反馈调节。277抗生素抗性突变株：110 筛选抗生素抗性突变株是提高初级代谢产物产量的方法之一。抗生素种类繁多，有些抗生素的作用机制已比较清楚。筛选抗生素抗性突变体，也能改变代谢调节，使得目的产物过量合成。衣霉素可抑制细胞膜糖蛋白的生成。枯草杆菌的衣霉素抗性突变株的α-淀粉酶的产量较亲株提高了5倍，研究结果表明，这是由于分泌机制改变的结果。抗利福平的蜡状芽孢杆菌无芽孢突变株的β-淀粉酶产量提高了7倍，这是由于芽孢的延迟生成利于β-淀粉酶的形成，而利福平的突变株往往失去了形成芽孢的能力。278条件抗性突变株：选育条件抗性突变株是提高初级代谢产物产量的方法之一。条件突变是指在特定条件下呈现异常性状的突变，即在一定条件下表现为野生表型，但在特殊条件下出现突变表型，如温度敏感突变、链霉素依赖性突变等。温度敏感型突变株常被用于提高代谢产物的产量。所谓温度敏感型突变株是指在低温下能够生长，而在高温下却不能生长繁殖的突变株。使用典型的谷氨酸棒杆菌温度敏感型突变株发酵生产谷氨酸时，通过控制发酵温度，在生长的适当阶段将发酵温度由30℃提高至40℃时，在富含生物素的培养基中可大量积累谷氨酸。279酶竞争性抑制剂：加入酶的竞争性抑制剂是提高初级代谢产物产量的方法之一。竞争性抑制是指底物和抑制剂与酶相结合时呈现的相互排斥现象，即酶与抑制剂结合后就不能与底物结合。在微生物发酵生产过程中向培养基中加入酶的竞争性抑制剂可起到增加该酶底物、减少其产物浓度的作用。如：三羧酸循环中乙酰辅酶A与草酰乙酸经柠檬酸合成酶催化生成柠檬酸，柠檬酸又因乌头酸酶的存在而和它的异构体顺乌头酸、异柠檬酸呈平衡状态。单氟乙酸在微生物细胞内可转变为单氟柠檬酸，会对乌头酸酶产生竞争性抑制作用，因此，向培养基中加入单氟乙酸可导致柠檬酸的积累，减少异柠檬酸的生成。280前体类似物：补加前体类似物是提高次级代谢产物产量的方法之一。在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养集中补加前体物或前体类似物是增加次级产物的有效方法，如青霉素G的生产中，苯乙酰-CoA是限速因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。需要说明的是，次级代谢产物形成中并不是所有前体类似物都是限制因子。281碳分解代谢阻遏/抑制：防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生是提高次级代谢产物产量的方法之一。碳分解代谢物阻遏或抑制是指微生物在混合碳源发酵时优先利用速效碳源(如葡萄糖)，且该碳源的代谢产物会抑制其他非速效碳源代谢相关的基因表达和蛋白活性，从而影响非速效碳源利用的现象。使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源，葡萄糖与麦芽糖、葡萄糖与蔗糖、葡萄糖与淀粉混合碳源的利用，也都能减少碳分解阻遏的发生。282氮分解代谢阻遏：防止氮代谢阻遏的发生是提高次级代谢产物产量的方法之一。氮代谢阻遏是指能够被微生物迅速利用的氮源（如铵离子）能阻遏某些参与其它含氮化合物代谢的酶的合成。避免使用高浓度的铵盐作氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生素发酵工业生产中比较成熟的经验。为防止氮分解阻遏的发生，可选用黄豆饼粉、蛋白胨类等物质为主要氮源。283耐前体/前体类似物突变株：筛选耐前体或前体类似物的突变株是提高次级代谢产物产量的方法之一，前体添加过量会对菌体产生毒害作用。筛选对前体及其结构类似物有抗性的突变株以减少或消除前体的反馈阻遏，可获得高产菌株。284抗毒性突变株：选育抗毒性突变株是提高次级代谢产物产量的方法之一，重金属离子、羟胺类似物质对β-内酰胺类抗生素生产菌有毒害作用，但与抗生素相结合后其毒害作用消失。选择适当浓度的此类毒性物质使其恰好抑制产生菌生长，在此条件下能生长的菌株，应为抗生素类物质过量生产的突变株。285菌种稳定性：110 指生产菌种的优良性状保持不变，如生长速度快、产物合成量高、酶活性高等。随着保存时间的延长或多次转接传代，菌种本身所具有的优良遗传性状会发生丢失，如生长缓慢、遗传标记丢失、回复突变等。因此保持和提高高产菌种的稳定性在发酵生产中具有举足轻重的作用。286发酵品品质：发酵产品的品质包括：有效成分含量、产品活性、副产物含量等。除选育性状优良、稳定性强的菌株外，优化培养基成分和发酵工艺以及分离纯化工艺等也是提升发酵产品品质的重要措施。287氧传递系数KC：Hara采用不同物质的瓶塞，在转速为210r/min,偏心距为3.5cm的摇瓶机上，29-300C下进行试验，采用外界氧扩散进入取代空瓶中CO2的方法，测定氧透过瓶塞的氧传递系数(KC)O2(cm3/min)。结果显示出：不同物质的瓶塞产生不同的阻力和不同的(Kc)O2。这表明，氧气经过过滤介质的传递阻力，在某些情况下可能是氧传递的限制因素。因此，在实际工作中，在保证除去杂菌的前提下，尽量选用传递阻力小的瓶塞材质和厚度。288水蒸气传递系数KH2O：摇瓶在振荡期间,其中的水分经由瓶塞而蒸发的问题不能忽视。由于水分的蒸发，往往产生各种不同的影响，既影响培养液的体积与摇瓶体积的比值，继而改变氧传递速率，又改变菌体产物的浓度。水蒸发量与发酵温度、周围空气的相对湿度和水汽的传递系数等因素有关。依然是Hara的实验，300C，相对湿度为29%的室中进行试验，通过摇瓶内水重量的减少测定棉塞的水汽传递系数(Kc)H2O为18~21cm3/min，相当的水蒸发量为0.6~0.7g/d。结果显示出各种菌株摇瓶发酵的水蒸发量需由试验来测定。如红霉素链霉菌于340C，100ml摇瓶中装入20ml培养基，经162小时振荡培养，测定的水蒸发量约为10ml，在发酵起始时，补加10ml水，取得的红霉素产物的最高发酵单位。同时发现，接种后的水蒸发量常常高于没有接种的蒸发量。289摇瓶和发酵罐培养差异：摇瓶和发酵罐培养的差异包括：（1）体积氧传递系数（KLα）和溶解氧的差异；（2）CO2浓度的差异；（3）菌丝受机械损伤的差异以及菌体繁殖代数的差异、培养基灭菌的差异、通气与搅拌的差异、热传递的影响和种子形成的差异等。290体积氧传递系数与溶解氧差：由于微生物发酵多数是需氧发酵，而表示氧溶入培养液速度大小的溶氧系数（Kd）（以大气压作推动力，采用亚硫酸盐氧化法测定的溶氧系数叫做亚硫酸氧化值Kd）在摇瓶发酵和罐发酵中的差异很大。摇瓶装料系数不同，Kd值也可能差几倍。罐中的（Kd）一般都大于摇瓶。由于（Kd）值不同，使各自培养液的溶氧浓度也不同，因而对菌体代谢就会产生重要的影响。特别是对溶氧要求较高而又敏感的菌株，在罐中发酵的生产能力就可能比在摇瓶中高。291CO2浓度差异：发酵液中CO2既可随空气进入，亦是菌体代谢产生的废气。CO2在水中的溶解度随外界压力的增大而增加。发酵罐处于正压状态，而摇瓶基本上是常压状态，所以罐中培养液的CO2浓度明显大于摇瓶。已知CO2对细胞呼吸和某些微生物代谢产物（如抗生素、氨基酸）的生物合成有较大的影响。292菌丝受损伤差异：摇瓶培养时，菌体只受到液体的冲击或沿着瓶壁滑动的影响，机械损伤很小。而发酵罐时，菌体特别是丝状菌，受到搅拌叶剪切力的影响而受损。其受损程度远远高于摇瓶发酵，并与搅拌时间的长短成比例。增加培养液的粘度，仅能使损伤程度有所减缓。受剪切力的影响，菌体内的低分子核酸类物质就出现漏失，高分子核酸的量也相对减少，进而影响菌体代谢。293菌体代数差异：发酵达到最后菌体浓度所需的繁殖代数与发酵液体积的对数成直线关系，如下式所示：Ng=1.44(lnV+lnx-lnXo)，Ng—菌体繁殖代数；V—发酵罐体积,m3；X—菌体浓度,kg/m3；Xo—总菌体量,110 kg。体积愈大菌体需要繁殖代数也愈多。在菌体增代繁殖过程中有可能出现突变株，繁殖代数愈多，出现突变株的机率愈多，特别是不稳定或不纯的菌株更是如此。所以发酵液中突变株的最后比例是随发酵规模增大而增加，这就可能引起菌体代数差异，继而引起发酵结果的差异。294培养基灭菌差异：培养基热灭菌的基本技术是分批灭菌和连续灭菌。分批灭菌的过程分为三个时期：预热期、维持期和冷却期。培养基体积越大，预热期和冷却期也愈长。整个灭菌所耗时间也因规模增大而延长，致使灭菌后的培养基质量发生改变，特别是热不稳定的时期更易遭到破坏，最终也会引起发酵结果的差异。295通气与搅拌差异：发酵规模的改变，发酵参数仍按几何相似放大，其单位体积消耗的功率（影响KLα大小）、搅拌叶的顶端速度（即最大剪切速度）和混合时间均不能在放大后仍保持恒定不变，因而也将产生影响，造成通气与搅拌差异。296热传递差异：发酵过程中，菌体代谢要释放出热能，输入的机械功（含搅拌和气体喷射）也要产生热能，由于这两种主要产热机制，使整个发酵过程总是不断的产生热能。所释放出的总热量，又随着发酵罐线形尺寸的立方而增加。罐的面积又随线形尺寸平方而增加。因此罐规模几何尺寸的放大，也会出现热传递的差异。297种子形成差异：发酵罐接种的种子也必须要有一定的体积和菌浓。规模愈大，所需种子液体积也愈大。因此，发酵规模的放大，必须要涉及种子培养的级数和菌种繁殖的代数，规模愈大、种子培养液级数也愈多。因而有可能引起种子质量的差异。298单位体积输入功率相等的放大与缩小：在已有的大型生产发酵罐和中间工厂试验罐中进行试验研究，也可以采用这个参数进行试验，即利用现有的几何形状相同的大型生产罐和几个中试罐。生产罐中的通气速度和搅拌速度是固定的。而中试罐的通气速度和生产罐一样，保持恒定不变，但搅拌器的转速，可以用变速电机来调节，在一定范围内能够任意变动。利用改变搅拌器的速度来调节中试罐的功率输入的大小。中试罐中也可安装和使用pH、温度、消泡等控制装置。为了保证大、中发酵罐的发酵培养基的组成、灭菌条件和接种量绝对相同，可将接种后的一部分的生产罐培养基立即输入各个中试罐中，同时开始发酵运转。299保持KLα不变或溶解氧浓度不变的放大与缩小：溶氧系数是所有需氧发酵的主要指标，所以，氧的供给能力往往就成为产物形成的限制因素早在50年代，就有一些学者提出以KLα或溶解氧浓度为依据进行缩小（或放大）。这样的缩小或放大方法，主要是考虑微生物生理活动条件的一致性，而不考虑发酵罐的几何形状是否相似。事实上，只要KLα保持在一定数值上，就能获得较好的效果。五、简答题1．发醇过程中异常现象（发酵液转稀、发酵液过浓、耗糖缓慢、pH不正常）处理措施？2．Monod(莫诺)方程表明了什么和什么的重要关系？简介Monod(莫诺)方程？3．补料分批发酵技术的特点,与分批发酵，连续发酵的区别？4通风发酵设备中的机械搅拌发酵罐必须满足的基本条件？5．发酵液pH对发酵的影响包括哪些方面？6．比底物消耗速率方程？7．补料分批发酵的适用范围？110 8．优良的发酵装置应具有的基本特征包括哪些内容？9．控制发酵过程pH的方法？10．生长关联型产物合成动力学方程？11．简介单罐连续发酵12．简介灭菌工程中的对数残留定律13．发酵过程中泡沫的控制？14．简介部分生长关联型产物合成动力学方程？15．连续发酵的特点？16．简介固体、酵母和深层发酵用空气的除菌方法及设施？17.发酵工程在生物技术中的作用和地位？18.发酵工程和人类的衣、食、住、行密切相关吗？19.从发酵工程的历史沿革探究发酵工程今后的发展方向？20.发酵工程需要进一步完善之处？21.用于发酵工业生产的菌种应该满足哪些条件？为什么？22.能产生抗生素的菌种主要是哪些菌种？23试各写出十种发酵工业常用的原核微生物或真核微生物菌种名称，并简介其能发酵生产的产物。24.生活中微生物有益的实例?25.微生物的五大共性对人类的利与弊?26.从自然界中分离和筛选工业微生物菌种时，常用的菌种分离方法有哪些？27.工业微生物菌种选育的方法有哪些？其主要操作方式是什么？28.确立种子扩大培养的级数要考虑哪些因素？在种子扩大培养过程中应注意哪些问题？29.种子扩大培养过程中，实验室扩大培养方法和生产车间扩大培养的方法有何不同？30种子培养基和发酵培养基的组成成分有什么不同？在设计上要考虑的因素分别是什么？31.影响生产菌种发挥其作用的因素有哪些？如何保证菌种的优良特性得到很好的发挥？32如何确立发酵培养基的最佳组成和发酵的最佳条件？33为什么不同产物的发酵接种量不同，如抗生素发酵接种量一般为7-7.5%，谷氨酸发酵的接种量为1%？34.举例说明如何分别控制微生物的生长与产物形成的最适发酵温度。35.试述影响发酵pH变化的因素有哪些？36.在实际发酵生产中如何调节或控制pH？37.试述影响发酵供氧的因素有哪些？110 38.控制发酵过程所产生泡沫的手段有哪些？常用的化学消泡剂主要包含哪些类型？39.简述噬菌体对发酵工业的危害以及在实际发酵生产中如何控制噬菌体污染？40.建立数学模型的原则、步骤及数学模型的分类？41.在微生物培养过程中，微生物生长速率的计算方法？42.在有氧条件下，进行微生物分批培养，得到数据见下表有氧条件下微生物分批培养数据结果时间/hcx/（g/L）cs/（g/L）时间/hcx/（g/L）cs/（g/L）00.2009.23101.776.820.2119.21123.24.640.3059.07145.60.9260.5018.67166.150.07780.988.03186.20试求：（1）μmax和Ks；（2）细胞质量倍增时间td。43.分批发酵、补料分批发酵和高密度发酵之间的关系？44.既然高密度发酵具有非常好的特点，为什么还要研究普通的补料分批发酵呢？45.深刻理解补料分批发酵涉及到的五种操作，即：间歇补料操作、连续补料操作、循环分批操作、循环间歇补料操作和循环连续补料操作。46.为什么说“生物过程的优化在生物技术产业化中具有非常重要的意义”？47.影响发酵工程中高密度发酵生产的因素有哪些？48.大肠杆菌在限制性葡萄糖供给的条件下进行有氧连续发酵。假定其系统符合Monod动力学，当发酵系统的稀释率控制在D=0.2h-1时，试确定流出液的含糖量和细胞浓度(S0=5g/L，μmax=0.25h-1，KS=100mg/L，Yx/s=0.4g/g)。49.全混流与平推流的差别？50.多罐串联连续发酵为什么能提高生产力？51.有一发酵罐内装培养基40m3，在121℃的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基中含有耐热菌的芽孢107个，在121℃时的灭菌速率常数为0.0281s-1。试求灭菌失败的几率为0.001所需要的时间。52.根据上题中的条件，并且已知升温阶段培养基温度从100℃升到121℃需要20min，考虑这一阶段的灭菌作用，求保温时间。53.为什么在灭菌工程中高温短时的灭菌效果优于低温长时？110 54.红外灭菌和微波灭菌？55.影响培养基灭菌的因素有哪些?56.生物反应器？一个良好的生物反应器应具备什么条件？57.通用式发酵罐与气升式发酵罐的区别？58.废水处理厌氧生物反应器发展经历了哪几个阶段？废水厌氧处理技术的核心是什么？59.发酵罐中搅拌的作用是什么？机械搅拌器型式有哪些？目前的发展趋势是什么？60.发酵罐放大的准则有哪些？通气量和搅拌转速通常采用哪个准则放大？61.请简述发酵过程参数检测与计算机控制在发酵过程中的作用。62.现代固态发酵的发展趋势如何，有哪些应用前景？63.应用到固态发酵中的微生物有何要求，如何获得？64.在固态发酵过程中如何进行发酵的过程控制？65.现代固态发酵技术在哪些方面得到了广泛应用？66.现代固态发酵和液态发酵的差异主要有哪些？67.现代固态发酵技术在医药生产方面的应用？举例说明。68.现代固态发酵技术在化工产品生产方面的应用？举例说明。69.发酵产品与其他生物产品相比有何不同？为什么在分离与纯化工程中应加以注意？70一个优良的发酵产品分离纯化的方法应具有什么样的特点？71.初级分离阶段与纯化精制阶段有何不同？72.如果不进行发酵液预处理就开始分离纯化，那么结果会怎样？73.哪种细胞破碎方法更适合胞内产物分离呢？74.试比较溶剂萃取、双水相萃取和超临界流体萃取的异同？75.试比较盐析沉淀和有机溶剂沉淀的异同？76.试比较膜分离技术中的反渗透、超滤、微滤、纳滤和透析的异同？77.简述发酵用无菌空气质量标准。为保证这个标准的实施，空气净化系统应采用什么措施？78.试设计一个两级冷却、分离、加热的空气除菌流程图，并说明各设备的主要作用和特点。79.介质过滤除菌的机理是什么？如何提高过滤除菌的效率？80.压缩空气预处理的目的？81.气液分离器有哪些类型？各有何特点？82.论述在空气净化系统流程设计时，应如何考虑节省能量？83.试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为5000个/m3，通过过滤器无菌要求为10-3。滤层选用df=16μm，气速Vs=110 0.1m/s，填充系数α=8%。求：过滤效率η及滤层厚度L。84.下图为谷氨酸棒杆菌苏氨酸、蛋氨酸和赖氨酸的合成途径，可采用什么方法提高赖氨酸产量？若想获得遗传性状稳定的菌株可采用哪些具体措施？85.提高初级代谢产物产量的方法？86.提高次级代谢产物产量的方法？87.结合本章知识分析获得青霉素高产产黄青霉菌的主要手段。88思考下面段落内容正确与否？——在自然界，微生物从来不过量的合成它所不需要的物质。所以，过量生产某些化合物对微生物菌体来说，是一种“病态”过程，它固有的代谢调控机制随时都可能回复到原有的状态。从上述内容理来深刻解微生物的菌种改造与发酵过程控制。89..发酵规模扩大可以理解，为什么还研究缩小？简答题答案1．答：a.发酵液转稀:适时补入适当碳源或氮源促使繁殖新菌体，恢复正常b.发酵液过浓:措施:补入10%无菌水，使菌液浓度下降，改善发酵条件。c.耗糖缓慢:措施:补入适量合适的氮源，磷盐，提高发酵温度，风量；d.pH不正常:措施：采用酸或碱调整。2．答：Monod提出直角双曲线经验式,表达了生长速率与生长限制基质浓度的关系。110 式中,μm-----最大比生长速率(h-1);S------限制性底物浓度(g/L);Ks-----饱和常数；3．答：由于基质的缓慢补入，既满足了微生物生长和产物合成的持续需要，又避免了由于基质过量引起的各种调控反应，从而能使产率获得很大提高；补料技术本身的提高(少次多量、少量多次、流加、微机控制流加等)；使整个发酵过程中不断地调节补料率，维持各项物质的供需平衡。补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式；区别于分批发酵技术：由于补加物料，补料分批发酵系统不一再是封闭系统；区别于连续发酵技术：补料分批系统并不是连续地向外放出发酵液，罐内的培养液体积（V）不再是个常数，而是随时间（t）和物料流速（F）而变化的变量（变体积操作）。4．答：机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。它是利用机械搅拌器的作用使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖和代谢所需要的溶解氧。为保证发酵工艺应满足下列条件：1.发酵罐应具有适宜径高比。罐身越长，氧的利用率越高;，一般为1.7～4倍左右。2.罐体各部件要有强度，能承受相当的压力,可进行正常的发酵罐灭菌。3.发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵必须的溶解氧。4.具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件。5.罐内应尽量减少死角，避免藏污积垢，灭菌能彻底，避免染菌。6.搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。5．答：(1)影响酶活力;(2)影响细胞膜所带电荷的状态，改变膜的渗透性，影响对营养的吸收利用。(3)影响某些底物和中间体的离解，影响菌对营养的利用;(4)改变细胞形态；(5)改变代谢方向。6．答：底物消耗的快慢常用比底物消耗速率Qs(g/g･h)表示,即相对单位质量于菌体单位时间内的底物消耗量,Qs＝rs/X，若μ用Monod方程表示,Qsmax是最大比底物消耗率7．答：110 1）高菌体浓度培养（高密度培养）系统；2）存在高浓度底物抑制的系统；如苯酚等，通过流加底物降低抑制。3）存在Crabtree效应的系统（酵母培养中，初糖过高，即使溶氧充足，也会产生乙醇，影响菌体得率）；4）受异化代谢物阻遏的系统（葡萄糖作碳源时，分解代谢物抑制异化代谢有关的酶合成）；5）利用营养突变体的系统；6）希望延长反应时间或补充损失水分的系统。（答出五点即得5分）8．答：一个优良的发酵装置应（1）具有严密的结构，必须能完全防止杂菌的污染；（2）具有良好的液体混合性能及较高的传质、传热速率，（3）具有配套而又可靠的检测及控制仪表。（4）能够满足不同发酵工艺需要，获得最大生产效率，（5）易于操作。9．答：1)培养基中适当添加生理酸性盐或生理碱性盐;2)培养基中适当添加缓冲剂；磷酸盐；3)自动检控，补酸或碱氨水(NH4)2SO4，CaCO3等4)补料：按需补糖；恒速补糖，酸，碱调节;10．答：产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵,糖提供了生长所需的能量。糖利用速度的变化与产物合成速度的变化是平行的。如利用酵母菌的酒精发酵和酵母的好气性培养属于此型。该型为生长关联型,这一类型是由碳源直接氧化进行的初级代谢物的生产,其合成动力学可表为:dP/dt=αμXα为生长关联型产物的形成比率11．答：通常先要进行一段时间的分批发酵,当反应器中的细胞浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基,同时以相同流量取出发酵液,110 使反应器内的发酵液体积保持恒定。如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌罐反应器｡12．答：在灭菌过程中,活菌数逐渐减少,其减少量随残留活菌数的减少而递减,即微生物的死亡速率与任一瞬时残留的活菌数成正比,,称为对数残留定律,即反映为一级化学反应动力学为:－dN/dt=KNN:残存的活菌数;t:灭菌时间(s);dN/dt:活菌数瞬时变化速率,即死亡速率。K:灭菌速度常数(s-1);也称为反应速度常数或比死亡速度常数13．答：(1)机械消沫：浆式消沫器，伞形旋风分离器，超声波;(2)加消沫剂:如：豆油、聚氧乙烯氧丙烯甘油（泡敌）、聚二醇、硅酮类等(3)工艺控制:采用综合治理方式调节通气，搅拌，罐压，不加或少加起泡物质。14．答：部分生长关联型产物合成动力学方程？菌体生长和产物合成是分开的。发酵过程可分为两阶段。第一阶段为菌体生长阶段,菌体生长与基质消耗成正比,无产物生成。第二阶段为产物合成阶段，产物的合成,菌体的生长和基质的消耗成正比,但菌体生长量比前一阶段要小。某些氨基酸和柠檬酸的发酵属于此种类型,这类发酵的动力学行为可表示为:dP/dt=αμX+βXβ为非生长关联型产物形成常数(ｇ产物/ｇ菌体･h)｡15．答：（1）设备方面：对设备要求严格。体积小；（2）操作情况：时间可以缩短；（3）生产情况：中间和最终产物稳定、生产费用下降；110 （4）微生物的情况：对微生物的生理生态和反应机制已与分析；染菌几率高存在菌种变异可能；16答：大多数需氧发酵是通入空气进行的。在使用之前必需除去其中的有害部分。（1）厚层固体制曲需要的空气量大，压力不高，无菌度不严格，一般使用离心式通风设备并经适当的空气处理（湿、温）就可以了。（2）酵母培养空气消耗量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压力以克服发酵罐的液柱阻力，所以一般采用罗茨鼓风机或高压离心式鼓风。（3）对于密闭式深层好气发酵则需要严格的无菌度，必须经过除菌措施，由于空气中含有水分和油雾杂质，必须经冷却、脱水、脱油等步骤，因此，无菌空气的制备须经过一个复杂的空气处理过程。同时，为了克服设备和管道的阻力并维持一定的罐压，需要用空气压缩机。17．答：生物技术有时也称为生物工程，是以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理、采用先进的工程技术手段、按预先的设计来改造生物体或加工生物原料从而产生出人类需要的产品或达到某种目的。发酵工程是利用微生物或动、植物细胞的生长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系；是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术；它是渗透有工程学的微生物学和细胞生物学，发酵工程是现代生物技术的基础与核心。18．答：发酵工程与人类的衣、食、住、行密切相关。至今为止，发酵工程产品的种类越来越多，所涉及的领域越来越广泛，试归类如下：1）酿酒工业；2）食品工业；3）乳品业；4）有机溶剂工业；5）抗生素工业；6）有机酸工业；7）酶制剂工业；8）氨基酸工业；9）核苷酸类发酵工业；10）维生素工业；11）农业和畜牧业用生物活性物质工业；12)疫苗(Vaccines)制造业；13）生物能源制造业；14）微生物高分子材料工业；15）环境保护菌剂制造业；16）近年，功能发酵制品的生产迅猛发展，在其生产过程中不同程度或多或少使用了发酵工程技术。随着生物科学与技术的不断发展，采用发酵工程技术生产的产品种类越来越多。生物技术替代传统化学工业中高温、高压、高酸碱环境已势不可挡。19．答：发酵工程的发展遵循了从简单到复杂，从表面到深层，从低级到高级，从单层次到多层次，从单一到多元，从业升到人工等等的发展历程，今后的发展方向应该从以下几方面：1）继续依托资源微生物学的研究成果，开发新型发酵制品；2）继续采用基因工程和代谢工程对现有菌种进行改造，采用合成生物学技术创建新型生命体以满足发酵工程的需要；3）进一步实现生物反应器的优化；4）加大发酵过程的优化力度；5）开发高效分离纯化方法；6）开展清洁生产(cleanproduction)，致力于环境友好(environmental-friendly)，实现循环经济(circulareconomy)。打破“发酵工程与人争粮、争水；发酵工程与粮争地、争水”的局面。从根本上解决发酵原料主要采用玉米及其深加工产品的问题。开发采用植物纤维素作为发酵原料的新技术。致力于发酵全过程的清洁生产；发酵工艺与发酵产品环境友好；开展资源节约和循环经济。追求的目标是：发酵过程的废弃物可循环使用，发酵生产零排放。快”分离纯化方法的研究；4）固态发酵中的吸附载体固态发酵；5）生物新技术在发酵工程中的应用如：合成生物学等。20．答：(1)110 发酵底物不能完全转化成为目的产物，同时产生副产物，造成下游提取和精制比较困难。(2)发酵生产君主和细胞稳定性提高方法的建立；(3)发酵工程规模生产廉价原料如纤维素的使用；(4)发酵工程生产过程的简化；(5)发酵工程产生的废水与废弃物的处理的改善。仁者见仁，智者见智。笔者认为发酵工程仍需进一步加大研究力度深入发展的包括以下方面：1）发酵过程的放大；2）发酵过程的控制工程；3）对于不同产品“稳准狠，短廉21.答：1）菌种能在廉价原料制成的培养基条件上迅速生长，并大量高效地生成所需的代谢产物。这样，可以降低生产原理成本；2）菌种可以在易于控制的培养条件下（糖浓度、pH、温度、溶解氧、渗透压等）迅速生长和发酵，且所需酶活力高。这样，使发酵生产时易于控制；3）菌种生长速度和反应速度较快，发酵周期短。这样，可以缩短发酵生产周期；4）根据代谢控制的要求，选择单产高的营养缺陷型突变株或调节突变菌种或野生菌种。这样，使得生产菌种稳定并易于控制代谢产物的过量积累；5）选育抗噬菌体能力强的菌种，使其不易感染噬菌体。这样，可以是发酵生产菌株具有抗噬菌体感染的能力；6）菌种不易退化变异，保证发酵生产和产品质量的稳定。这样，可使生产菌种具有稳定性；7）菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素（包括抗生素、激素、毒素等）。这样，可以保证生产安全。22.答：主要是放线菌，常见的有：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属和游动放线菌属的放线菌。23.答：醋杆菌：主要用来发酵生产各种食用醋；枯草芽孢杆菌：主要用于生产α-淀粉酶、蛋白酶、5’-核苷酸酶和溶菌酶等各种酶制剂，以及某些氨基酸和核苷；丙酮丁醇梭菌：是工业发酵生产丙酮丁醇的重要菌种；丁酸梭菌：能生产丁酸；巴氏梭菌:能产生己酸;德氏乳杆菌:可发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、果糖、半乳糖和糊精等;棘孢小单孢菌:产生庆大霉素；酿酒酵母：主要用于啤酒、白酒、酒精和面包的生产；粘红酵母：能合成β-胡萝卜素；黑根霉：能产生反丁烯二酸和果胶酶，也是微生物转化甾族化合物的重要真菌。24.答：请从衣食住行多方面进行考虑。25.答：五大共性：：①体积小，面积大；②吸收多，转化快；③生长旺，繁殖快；④适应强，易变异；⑤分布广，种类多。其中，体积小面积大最基本，因为一个小体积大面积系统，必然有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的交换面。利弊①“吸收多，转化快”为高速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物能在自然界和人类实践中更好地发挥其超小型“活的化工厂”的作用。②“生长旺盛，繁殖快”在发酵工业中具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上；且若是一些危害人、畜和农作物的病原微生物或会使物品霉腐变质的有害微生物，它们的这一特性就会给人类带来极大的损失或祸害。③“适应强，易变异”110 ，有益的变异可为人类创造巨大的经济和社会效益；有害的变异使原本已得到控制的相应传染病变得无药可治，进而各种优良菌种产生性状的退化则会使生产无法正常维持。④“分布广，种类多”，可以到处传播以至达到“无孔不入”的地步，只要条件合适，它们就可“随遇而安”，为人类在新世纪中进一步开发利用微生物资源提供了无限广阔的前景。26.答：从自然界中分离和筛选工业微生物菌种时，常用的菌种分离方法有：①施加选择压力分离法，主要以两种方式进行，一是通过控制培养基中的营养物质组成和比例，如碳源、氮源和微量元素等，或在培养基中加入抑制剂，制作选择性培养基。二是通过控制微生物的培养条件，如培养温度、培养基pH、渗透压、氧气等；②使用加富培养基、选择培养基、鉴别培养基进行菌种分离；③专一性降解菌的分离时使用降解物作为唯一碳源或唯一氮源来进行培养等方法。27.答：工业微生物菌种选育的方法有：1)选种-----经过比较鉴定自然界的微生物、从中分离筛选出符合生产要求的菌种；2)育种-----不断改造菌种性能、培养新的菌株、使产品产量和质量不断提高并适应工艺要求。育种的方法包括：①诱变育种（使用物理、化学或生物诱变剂处理菌种，从处理过的菌种中筛选出目的菌株；②也可采用定向培育----在某种特定环境下、长期处理某一特定微生物群体、同时不断对其进行移种传代、以达到积累和选择合适的自发突变体的目的；③原生质体融合----通过人工方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，亦可称为“细胞融合”；④基因重组育种----造成基因型变化的核酸的交换过程。包括发生在生物体内(如减数分裂中异源双链的核酸交换)和在体外环境中用人工手段使不同来源DNA重新组合的过程；⑤通过基因组工程对遗传。28.答：决定种子扩大级数的因素：①菌种的增殖速度；②最低接种量；③发酵规模；④种子罐与发酵罐的容积比。由于发酵菌种的不同，扩大培养的方法和种子扩大的级数也不同。种子扩大培养应根据菌种的生理特性，选择合适的培养基和培养条件，从而制备出优良的种子。优良的菌种不等于优良的种子，优良的菌种只有经过合适的扩大培养条件，使其优良的遗传特性得到表达才能成为优良的种子。优良的种子接入到发酵罐后进行发酵，可缩短发酵周期，提高设备的利用率，同时也有利于减少杂菌污染的机会。因此，发酵种子的质量对发酵的成败起十分重要的作用。优良的种子必须具备的特征包括生长繁殖能力强，纯度高（无杂菌污染），生理特性和生产能力稳定等。29答：实验室扩大培养方法是从原始菌种到固体试管斜面再到摇瓶扩大培养，最后到种子罐培养；生产车间扩大培养的方法：依据菌种生长特性，孢子萌发及菌体繁殖的速度以及所用的发酵罐的容积确定种子罐级数，实验室种子通过一级种子罐、二级种子罐等最后接种到发酵罐。生产上考虑到缩短菌种延迟期的问题所以，种子罐中常常加入少许发酵培养用的培养基成分。110 30.答：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，但总浓度以略低为好，这样可达到较高的溶解氧，供大量菌体生长繁殖。种子培养基的成分要考虑在微生物代谢过程中能维持稳定的pH，其组成还要根据不同菌种的生理特征而定。一般种子培养基都用营养丰富而完全的天然有机氮源，因为有些氨基酸能刺激孢子发芽。但无机氮源容易利用，有利于菌体迅速生长，所以在种子培养基中常包括有机及无机氮源。最后一级种子培养基的成分最好能较接近发酵培养基，这样可使种子进入发酵培养基后能迅速适应，快速生长。发酵培养基除含有微生物生长和合成代谢产物所需要的碳源、氮源、水、无机盐、生长因子外，还必须含有合成产物所需要的特定元素、前体和促进剂，另外还要考虑价格问题等。种子培养基考虑的是能保证在生产中获得大量优质孢子或营养细胞；发酵培养基考虑的因素供菌种生长、繁殖和合成产物。31.答：影响生产菌种发挥其作用的因素有:①原材料质量；②培养条件；③温度和pH；④湿度；⑤通气量；⑥斜面冷藏时间；⑦培养基等。想保证菌种的优良特性得到很好的发挥，必须做到：严格执行生产工艺要求，减少传代次数，防止菌种发生基因突变，提供种子培养的适宜环境条件，防止杂菌污染，对于好样微生物而言，严格执行供养条件要求，以保证菌种的稳定性。另外，发酵生产过程中严格进行菌种稳定性检查也是保证菌种的优良特性得到很好发挥的重要方面。32答：发酵培养基的设计可以参照前人的经验配方的基础上，再结合所用菌种和产品的特性，采用小型发酵设备，对碳源、氮源、无机盐和前体等进行逐个单因子试验，综合考虑各因素的影响，得到一个比较适合生产菌种的生产配方。为了缩短时间，采用适当的统计学方法是非常必要的。可以通过进行比较少的实验次数而得到较满意的实验结果。通过方差分析和极差分析方法对结果进行评价，更好地了解哪些因素对结果的影响较大。得到优化的培养基配方。最佳发酵条件的确立也是采用先单因素，后多因素研究的方法，借助于正交试验和响应面法进行优化，已获得最佳的发酵条件。33.答：在达到预定的目的产物产量的情况下，不同的生产菌种在发酵工艺条件不同，培养基组成的不同、生长条件以及菌种生长繁殖合成代谢产物时的情况不同，所以采用的接种量不同。事实上这是由于微生物菌种特征以及生产条件多因素的影响所决定的。34.答：如青霉素生产菌株生长的最适温度（30℃）而产生青霉素的最适温度（25℃）不同。在青霉素发酵初期，微生物的菌体浓度还比较低，青霉素还未开始合成，此时主要是促使微生物细胞的生长，这时应优先考虑生长最适温度；而当发酵达到一定时期，微生物细胞已达到一定浓度，青霉素开始分泌，这时就需要满足生物合成的最适温度。35.答：110 培养基中营养物质的代谢是引起pH变化的重要原因，引起发酵液pH变化的因素包括：1）培养基中的碳／氮比例不当、2）微生物生理酸碱性物质的存在、3）消泡油加的过多、4）中间补料液中氨水或尿素等碱性物质加入过多。36.答：1）调节发酵液初始pH、2）加入弱酸或弱碱调节发酵液pH、3）采用补料方式稳定发酵液pH、4）加入碳酸钙调节发酵液pH、5）流加氨水调节发酵液pH、6）流加尿素调节发酵液pH等。37.答：1）设备供O2能力:气源；搅拌形式，功率，转速；罐的结构，罐的形状等；2）菌令及其遗传学特性；3）通气流量，罐压;；4）培养基性质及其补料；5）温度。38.答：泡沫的控制策略可采用两种途径：①调整培养基成分（少加或缓加易起泡的成分）、改变某些物理化学参数（pH、温度、通气及搅拌）、改变发酵工艺（采用分批补料），减少泡沫形成的机会。这些方法一定限度内可降低泡沫的产生；②采用机械消沫、加入消沫剂来消除已形成的泡沫，这类方法在发酵生产中具有实用性。发酵过程中常用的化学消泡剂主要有天然油脂类(naturalfatsandoil)、高级醇类(Higheralcohols)、脂肪酸和酯类(Fattyacidsandesters)、聚醚类(Polyether)、硅酮类(silicone)等。39.答：噬菌体则极易污染发酵生产，导致发酵异常，造成严重损失。一个新的发酵工厂往往在投产不久便出现噬菌体污染，造成生产混乱。事实上，当有许多细菌存在时，相应的噬菌体就会马上出现，其浓度在自然条件下很容易增高。溶源性细菌的一部分菌体细胞中的噬菌体DNA在自然因素诱导下，能与细菌染色体和其他附着处分离、增殖，演变为感染噬菌体。噬菌体污染后造成的损失，因发酵企业的种类、污染时间、污染程度等条件的不同而异。一般来说，噬菌体引起的发酵异常有以下几种情况：①污染较轻或在发酵末期污染，使发酵过程减慢或降低发酵产率；②细菌在对数生长期受到污染，且污染量大，将造成细菌裂解，最终导致发酵被迫终止；③噬菌体污染后可以观察到糖消耗减慢、pH变化异常、产气减少、发酵液稀薄，具活性的生产菌体数量减少。噬菌体污染的防治：（1）防止噬菌体入侵(preventthephageintrusion)和蔓延、（2）选用抗噬菌体突变株(antiphagemutant)、（3）使用抑制噬菌体复制的化学药物(chemicalsinhibitingthephagereplication)。40答：原则：（1）首先要明确建立模型的目的。除为了深入研究微生物生长这一复杂现象之外，多数是为了设计微生物反应器、探索最优操作条件，或者对反应过程进行最优控制。（2）要明确建立模型的假设，从而明确模型的适用范围。（3）模型中所含参数，最好能通过实验测定。（4）模型应尽量简单。步骤：110 （1）进行试验；（2）定义建模的目标；（3）系统的分析，结构要素的确定；（4）简化的假设(例如，关于混合、过程结构与动态、代谢及动力学)；（5）重要过程变量、参数、输入变量和状态的选择；（6）应用平衡法、物理定律和经验方程建立模型；（7）模型的模拟和拟合试验数据的参数的鉴别；8）模型质量的评估，重复步骤1。分类：（1）结构模型与非结构模型、（2）分立模型与非分立模型（3）随机性模型与模糊模型。41答：（一）若以细胞数目的增加来表示细胞群体的生长速率，则定义：cn为细胞的数密度，即单位体积中的细胞数目，为细胞数密度随时间的变化；rn为以细胞数为基准的细胞生长速率。则细胞的生长速率可表示为：（二）若以细胞质量的增加来表示细胞群体的生长速率，则定义：cx为细胞浓度，即单位体积中的细胞干重，有时也使用X来表示；为细胞浓度随时间的变化；rx为以细胞干重为基准的细胞生长速率。同样，对分批操作体系，在平衡生长的条件下，细胞的生长速率可表示为：42答：以教材中公式计算即可得到结果。43.答：补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵方式。与一般分批发酵相比有着明显差别：补料分批系统已不再是封闭系统。但是，与连续发酵相比也不同，补料分批系统并不连续地向外放出发酵液。发酵罐内的培养液体积(V)不再是个常数就很好理解了，它是随时间（t）和物料流速（F）而变化的变量。F=F(t)为补料函数(thefeedingmode)，分批发酵（Fin=Fex=0）和连续发酵（Fin=Fex≠0）可被视为补料分批发酵的两极。补料函数Fex特征Fin特征发酵方式F=F(t)Fex=0Fin=0分批发酵（Fin=Fex=0）Fin=Fin(t)补料分批发酵Fex≠0Fin≠Fex补料分批发酵Fin=Fex连续发酵（Fin=Fex≠0）110 高细胞密度发酵是一个相对概念，是指应用一定的培养技术和装置提高菌体的发酵密度，使菌体密度比普通发酵培养有显著的提高，最终提高特定产物的比生产率。用以描述的单位是干细胞重量/升(DCW/L)。从大面上来讲，凡是细胞密度比较高，以至接近其理论值的培养均可称为高密度培养，一般认为其上限值为160～200g(DCW/L)，下限值为20～30g(DCW/L)事实上，不同发酵产品不同的发酵菌种之间差异是很大的。高密度发酵成功的关键技术是补料策略，这就是补料分批发酵和高密度发酵之间的关系。44.答：高密度发酵技术的重要意义在于：是在传统发酵技术上改进的发酵技术，它采用增加发酵菌种对数期的生长时间、相对缩短衰亡时间来提高菌体的发酵密度，极大地改进了发酵工艺，最终提高产物的比生产率(单位体积单位时间内产物的产量)，不仅可减少培养体积，强化下游分离提取，还可以缩短生产周期，减少设备投资从而降低生产成本，在一定程度上减少废水量，极大地提高了发酵产品在市场上的竞争力。高密度发酵采用一定的工艺技术，保证微生物生长的适宜条件，延长微生物的指数增殖过程，从而得到高浓度的细胞。采用高细胞浓度培养技术，发酵液中菌体浓度比分批式培养可高10倍以上。补料分批发酵和高密度发酵之间的关系：高密度发酵成功的关键技术是补料策略。所以要研究普通的补料分批发酵。45.答：46.答：110 生物过程的优化就是将影响过程的所有因素最佳化使发酵产率达到最大。如：培养基成分的优化、培养温度的优化等。生物过程的优化通常涉及普通微生物学、细胞工程、生物化学、生理、数学及计算机等。进行生物过程的优化主要是进行以下主要步骤：①全部影响因素的确认；②影响因素的筛选，以确定各个因素的影响程度；③根据影响因素和过程优化的要求，选择优化策略；④实验结果的数学或统计学分析，以确定最佳条件；⑤最佳条件的验证。影响生物过程的因素往往影响产物的生产成本，决定研究成果可否实施产业化。所以，生物过程的优化在生物技术产业化中具有非常重要的意义。47.答：①发酵培养基及培养条件在高密度培养过程中占有很重要的地位。培养基与发酵液中的产物含量以及比生长速率之间存在直接关系，高浓度的培养基成分对高密度培养有一定的抑制作用，培养条件则与发酵过程中不同菌体的生理生化特性有关。两者都是在高密度培养过程中最基本和必需优化的因素；②充足的底物是高密度培养的基础，培养过程中可以通过流加补料等方式补充菌体所耗费的营养物质。其中低浓度氨水是常用的底物之一，它不仅可以作为氮源的补给还可以调节培养液的pH；③由于积累的代谢副产物明显抑制菌体的生长，所以必须去除代谢副产物、提高比生长速率。如：采用原位分离发酵方式便可除去副产物的影响。如：对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌进行透析发酵，便可除去副产物乙酸盐和丙酸盐，消除副产物的影响；④对于水溶性的高分子聚合物的发酵生产如：γ-聚谷氨酸、β-聚苹果酸、ε-聚赖氨酸等，产物的积累将提高发酵液的粘度，影响发酵液的传质系数，从而降低生产率。针对此类发酵应采用原位分离技术，提高发酵生产率。总之，必须结合工艺过程的整体特点，全方位考虑才能使菌体浓度达到高密度。培养基优化、补料策略、pH值的选择以及代谢调控都是减少代谢副产物形成并使菌体以最大生长率生长，达到高密度培养的有效途径。48.答：大肠杆菌在限制性葡萄糖供给的条件下进行有氧连续发酵。假定其系统符合Monod动力学，当发酵系统的稀释率控制在D=0.2h-1时，试确定流出液的含糖量和细胞浓度(S0=5g/L，μmax=0.25h-1，KS=100mg/L，Yx/s=0.4g/g)。X1=YX/SS0=0.4g/g·5g/L=2.0g/LS1=0.1g/L·0.2h-1/0.25h-1-0.2h-1=0.4g/L49.答：110 全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设备出口处的浓度。平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。返混是不同停留时间的粒子的混合。混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。50.答：在二级连续培养中，μ2可相当于单级连续培养中的μ,因此,1/μ2可以单罐连续培养时的停留时间th代入，于是前式可写为：th`＝1/μ1+th(1－X1/X2)通过实例可看出培养液在罐中的培养时间比单罐连续培养时少，因此相应地提高了生产力。第一罐情况与单罐培养相同；第二罐料液中菌体浓度X02即为第一罐流出液的菌体浓度X1,第二罐料液的基质浓度S02即为第一罐流出液的基质浓度S1,则F1=F2如考虑二级连续培养时,X01=0，X02=X1,dX1/dt=dX2/dt=0,V1=V2则第一级FX1=x1V或μ1=D第二级FX2＝FX1+X2Vμ2=D(1－X1/X2)D=μ2X2/(X2－X1)由于两级中D相等，而第二级中比生长速率μ2一般可相当于单罐连续培养中的比生长速率μ,所以二级培养时的稀释度可较单级培养时大X2/(X2－X1)倍。在二级连续培养中，欲达到与单级连续培养同样的微生物量所需的培养时间th`为：th`＝1/μ1+(1/μ2){(X2－X1)/X2}51.答：有一发酵罐内装培养基40m3，在121℃的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基中含有耐热菌的芽孢107个，在121℃时的灭菌速率常数为0.0281s-1。试求灭菌失败的几率为0.001所需要的时间。解：；；52.解：110 考虑培养基升温阶段（100℃升到121℃）的灭菌作用，在升温到121℃时，培养基中的活微生物数已由降为个。从公式（13-21）可知是温度的函数，在升温阶段（100℃升到121℃），不是常数而是随着温度变化。用图解积分法得：由此可见，考虑升温阶段的灭菌作用后，保温时间比不考虑时减少了18%。所以发酵罐体积愈大，其分批灭菌的升温时间愈长，升温时的灭菌作用也愈大，就更应考虑升温阶段的灭菌作用，其保温时间应适当缩短。在一般计算中，可不必考虑升温时的灭菌作用，因计算复杂，而直接用保温阶段的灭菌速率常数来计算灭菌时间反而较安全些。53.答：利用高压蒸汽进行灭菌时，随着温度的升高，微生物菌体固然会被杀死，但培养基中的成分也会受到破坏。实践证明，高温可以使微生物菌体内的蛋白变性失活，从而无法生长进而死亡，但高温同样可以使培养基内的蛋白质、维生素等受到破坏。因此，既要达到灭菌效果，又要保证培养基的成分就显得尤为重要。由阿累尼乌斯方程可得，K=A·e-△Ea/RT，式中，K为微生物死亡速率常数，A称为指前因子或表观频率因子，△Ea为微生物死亡的活化能，R为气体常数，T为温度；K’=A’·e-△Ea’/RT，式中K’为培养基破坏速率常数，A’称为指前因子或表观频率因子，△Ea’为培养基破坏的活化能，R为气体常数，T为温度。当温度由T1升高到T2时，有K1=A·e-△Ea/RT1，K2=A·e-△Ea/RT2，则K1/K2=e（△Ea/R）（1/T1—1/T2），求对数得ln（K1/K2）=（△Ea/R）（1/T1—1/T2）；同理可得ln（K’1/K’2）=（△Ea’/R）（1/T1—1/T2）。110 所以，介质的温度可随之升高，因而在较低的温度下能起到消毒作用。一般认为其杀菌机理除热效应以外，还有电磁共振效应，场致力效应等的作用。消毒中常用的微波有2450MHZ与915MHZ两种。微波照射多用于食品加工。在医院中可用于检验室用品、非金属器械、无菌病室的食品食具、药杯及其它用品的消毒。微波长期照射可引起眼睛的晶状混浊、睾丸损伤和神经功能紊乱等全身性反应，因此必须关好门后才开始操作。实验中测得△Ea﹥△Ea’，故ln（K1/K2）﹥ln（K’1/K’2）综上，当温度由T1升高到T2后，微生物的死亡速率增大倍数大于培养基破坏的增大倍数。温度越高，微生物死亡情况的变化程度越大于培养基的破坏程度，即采用高温短时间的灭菌方法可以提高灭菌速率，同时可以有效的保护培养基的营养成分，这比低温长时间效果更好。因此，湿热灭菌中，高温短时间优于低温长时间灭菌。54.答：红外线灭菌（infraredsterilization）红外线辐射是一种0.77-1000微米波长的电磁波，有较好的热效应，其中1-10微米波长的热效应最强。可进行灭菌。红外线由红外线灯泡产生，不需要经空气传导，所以加热速度快，但热效应只能在照射到的表面产生，因此，不能使一个物体的前后左右均匀加热。红外线的杀菌作用与干热空气相似，利用红外线烤箱灭菌的所需温度和时间与干热灭菌相同。多用于医疗器械的灭菌。人受红外线照射较长会感觉眼睛疲劳及头疼；长期照射会造成眼内损伤。因此，工作人至少应戴能防红外线伤害的防护镜进行操作。微波灭菌(microwavesterilization)微波是一种波长为1毫米到1米左右的电磁波，频率较高，可穿透玻璃、塑料薄膜与陶瓷等物质，但不能穿透金属表面。微波能使介质内杂乱无章的极性分子在微波场的作用下，按波的频率往返运动，互相冲撞和磨擦而产生热，55.答：主要包括：（1）培养基成分(culturemediumcomponent)、（2）培养基的物理状态(physicalstateofculturemedium)、（3）培养基的pH值(pHofculturemedium)、（4）培养基中微生物的数量(microorganismsinculturemedium)、（5）微生物细胞中含水量(watercontentinmicrobialcells)、（6）微生物细胞菌龄(cellageofmicroogranisms)、（7）微生物的耐热性(heatresistanceofmicroorganisms)、（8）空气排除情况(airelimination)、（9）搅拌(stir)、（10）泡沫(foam)等等。110 56.答：生物反应器是指微生物和动植物细胞培养装置—发酵罐，优良的发酵设备应具有严密的结构，良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率，同时还应具有配套而又可靠的检测及控制仪表。判断发酵设备好坏的唯一标准应是能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。另外，由于发酵采用的菌种不同，产物不同或发酵类型不同，发酵条件又各不相同，应根据发酵过程的特定和要求来设计和选择发酵设备的型式和结构。57答：通用式发酵罐又称机械搅拌通气发酵罐，是一种既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐。通用式发酵罐在发酵企业中被广泛采用。其工作原理是利用机械搅拌器的搅拌作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程中所需的氧。机械搅拌通气式发酵罐的优点是：操作弹性大，pH和温度易于控制；有较规范的工业放大方法；适合连续培养；缺点为：驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底洗净，易造成污染；在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞易受损伤。结构特点：发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置等。气升式发酵罐是近20年发展起来的，其特点是结构简单，不易污染，氧传质效率高，能耗低，安装维修方便。较适合于单细胞蛋白等物质的生产。与机械搅拌式生化反应器相比，气升式微生物反应器的主要优点是：①省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌；②反应器结构简单；③功率消耗小；④减少了剪切作用对细胞的损害；⑤溶氧速率高，KLα可达1000h-1。58.答：厌氧生物反应器经历了三个时代如表15-1所示。废水厌氧处理技术的核心是厌氧生物反应器。要求有较高的微生物浓度、较长的污泥龄和较短的水力停留时间。时代时间特点典型反应器第一代19世纪末-20世纪中期很难分离水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)；HRT为20-30天,；出水水质差。完全混合消化池(mixeddigester)；1955年Schroepter开发厌氧接触法,采用了二沉池和污泥回流系统,使消化池中生物量浓度提高,污泥龄延长,停留时间缩短,处理效果显著提高。110 第二代20世纪中期-20世纪80年代分离了HRT和SRT；SRT可以达到上百天；HRT从数天至数十天缩短至数小时至数天；厌氧微生物可附着于载体表面或互相黏结缠绕，形成致密颗粒污泥；具高有机负荷和水力负荷；结构简单，投资小，占地少。厌氧滤池(anaerobicfilter,AF)、上流式厌氧污泥床、厌氧折板反应器(anaerobicbaffledreactor,ABR)、厌氧附着膜膨胀床反应器(anaerobicattachedfilmexpandedbed,AAFEB)和厌氧流化床(anaerobicfluidizedbed,AFB)。第三代20世纪80年代至今进水和污泥之间接触良好；布水均匀；具有很高的水力和有机负荷。升流式厌氧流化床(upflowfluidedbed,UFB)、厌氧膨胀颗粒污泥床、内循环式反应器、厌氧膜生物反应器59答：搅拌的作用是打碎气泡，提高气液接触面积，促进空气中氧在发酵液中的溶解；第二个作用是液液混合，促进溶解氧和营养物质向细胞表面输送,并有助于代谢产物的快速排出和扩散。机械搅拌器型式有径向流搅拌器、轴向流搅拌器、组合搅拌器针。对发酵罐规模的不断扩大，充分利用两种搅拌器的优势，取长补短，采用多级多种组合方式是今后大型发酵罐设计的发展方向。60.答：如何保证细胞在不同规模发酵罐中具有相似的生长状况和代谢模式，是生物反应过程放大的核心。放大就是根据小规模发酵罐的最佳条件计算出大规模发酵罐的条件。空气流量和搅拌速率一般以KLα相同的原则进行放大。61.答：在发酵过程中对发酵过程各参数进行实时的在线检测，了解细胞的生理生化特征变化，对发酵过程进行自动控制，能够为真正实现高效生产提供数据参考。发酵过程参数检测包括在线和离线检测。在线检测就是利用各种传感器及其它手段对发酵罐中各种参数变量进行测量，并通过光电转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理指导后续发酵控制操作。离线检测就是取样后利用各种技术手段进行分析测量。发酵过程的计算机控制系统(computercontrolsystem)通常采用闭环系统，它是一种具有双向控制结构的系统，即闭环系统。在闭环系统中，计算机实现对被控对象进行检测与控制两方面的内容。通过检测，计算机可以了解生产过程的当前状态，以及系统按照输出的控制参数执行控制的效果。如果生产过程未处于理想状态，计算机就会输出一个“控制改变量”使过程朝理想状态方向变化。62.答：固态发酵在有机酸、酒精、生物活性物质、风味物质及其他类化合物领域的研究得到迅速发展及应用。110 固态发酵是解决粮食危机、能源危机和环境危机的有效手段。许多工农业残渣、城市生活垃圾对人类的生存环境产生了不利影响，采用现代固态发酵技术可以将这些物质进行降解、修复和转化，化害为益。废弃物资源化既对自然生态系统无害．又可以成功解决环境问题、减轻资源危机。固态发酵潜力巨大，但与液体发酵相比，在传质、传热等方面缺乏有效的研究，难以实现大规模工业化生产。有待人们深入的加以研究。惰性吸附载体固态发酵具有优势，将是发酵工程中一个重要研究方向。这种固态发酵方式对于固态发酵过程中微生物的生理与动力学研究将会有很大的帮助，这些研究将更加有助于固态发酵的过程控制以及反应器设计，有助于提高固态发酵效率。随着其他固态发酵技术（如压力脉动固态发酵技术与计算机过程控制技术）在固态发酵过程中的应用，人们将改变对传统固态发酵的看法，古老的固态发酵技术也将成为一项科学的现代发酵生产技术。63.答：适宜于固态发酵微生物应具备以下基本特征：①能够利用多糖混合物；②有完整的酶系，可迅速从对某一种糖的代谢转为对另一种糖的代谢；③能够深入到料层中，也能穿入基质细胞内；④在发酵过程中以菌丝形状生长，而不易孢子化；⑤生长迅速，染菌概率小；⑥可以在含水量低的基质中生长；⑦能够耐受高浓度的营养盐；⑧可以耐受基质预处理过程中产生的苯类等有毒物质；自然条件下的丝状真菌通常在缺乏自由水的固态底物上生长，如植物的根、茎、叶上，最终发酵产物的蛋白含量可达20-24%。这归因于丝状真菌的菌丝可以穿入细胞间或细胞内的空隙中，从而更好地利用底物，实际上绝大多数丝状真菌都具备这种穿透力。真菌的这种穿透作用主要是所分泌的酶所致。显而易见，固态发酵的最佳微生物即为丝状微生物，即：真菌或放线菌。64.答：固体发酵的主要控制条件有：营养因素，含水量和pH，通气与传质，温度与热量传递等。1）营养因素。营养因素常为真菌生长的限制性因素。在固体物质中，由于基质的有限扩散以及对真菌接触基质的限制，营养限制更趋严重。营养调节的重要指标包括：碳源和氮源的可利用性和碳氮比等，最适碳氮比可在10~100的范围内变化，某些固态发酵工艺中氮源的品质则是关键性的。2）水影响物料的理化性质，它在固态发酵中为微生物生长提供营养充足的水环境，影响微生物对氧的利用。因此，应考虑选择适当的起始含水量，并在发酵过程中采用适当方式补充水的蒸发损失。pH是影响微生物生长代谢又一关键因素，用于固体发酵的某些基质对pH的变化具有良好的缓冲性，因而，减少了对pH控制的需求。固态基质pH的调节主要是在配制培养基的时候进行。发酵过程中pH的控制措施是在培养基中添加缓冲液。3）固体发酵的气体环境中，氧和二氧化碳的分压是影响微生物生长代谢和产物形成的重要因素。通风培养时，改变新鲜风和循环风的比例可有效地影响空气的组分，调节氧和二氧化碳的分压。4）固体发酵中的散热方法有许多种：①向发酵器中大量通风；②用浸水的粗麻布覆盖培养盒；③将发酵器置于控温室或恒温水浴中；④向发酵器夹层通入循环水等。通风最为常用，发酵温度过高，可增加通风量除去多余热量；发酵温度过低，降低或停止通风。65.答：110 固态发酵在以下方面得到广泛应用:1)食品加工业；2）固态发酵生产有机酸；3）固态发酵生产生物活性物质；4）固态发酵生产风味化合物；5)固态发酵还可生产其它产品，如生物表面活性剂、麸酸胺、色素、维生素、类胡萝卜素、黄原胶等；6)固态发酵技术在资源环境中的应用，如:①生物燃料（biofuel）②生物农药（biopesticide）③生物转化（biotransformation）④生物解毒（biologicaldetoxification）⑤生物修复（Bioremediation）。66.答：固态发酵与液态发酵的本质区别是以气相还是以液相为连续相，具体表现为固体发酵基质中游离水的多少。固态发酵中微生物生长在缺乏或几乎缺乏不可见液体水的颗粒之间，在固态发酵系统中，微生物可以从湿的基质颗粒中获得所需的水分。固体发酵基质的含水量可以有效控制在12-80％之间，大多含水量在60％左右。与固态发酵相反，典型的深层液体发酵的发酵液中只有5％左右的溶质，至少有95％的水。同时在培养体系及微生物作用方式、发酵过程、发酵液产物及后处理方面均有差异。67.答：近年来，有些研究集中在利用固态发酵生产抗生素，对以上抗生素研究大多采用农业剩余物，仅少数采用甘蔗渣或紫菜惰性支持物；伊枯草菌素、枯草菌溶血素用细菌类菌株，其他抗生素用丝状真菌菌株。伊枯草菌素是一种有力抗真菌类素，可以有效地抑制植物病原体，固态发酵生产这种抗生素常用底物为麸皮或豆腐渣，固态发酵比液态发酵效率高6-8倍。Yang等研究用纤维素作底物固态生产四环素，发酵周期8天，可得四环素10-11mg／kg底物。枯草菌溶血素是一种血纤维蛋白抑制剂，可用重组细菌固态发酵技术生产，固态发酵为液态发酵的4-5倍。68.答：可以利用固态发酵成功生产表面活性剂。该方法利用残渣，成本大大下降，具有相当大的吸引力。利用一株短杆菌（Brevibacteriumsp.），以接种葡萄糖、尿素、维生素、食盐等物质的甘蔗渣为底物，可固态生产麸酸胺，产量高达80mg／kgSDM（干发酵底物）。甘蔗渣作底物，也可用红曲霉（M.purfureus）固态生产红、黄色素，固态发酵转鼓培养比静态培69答：1）发酵产品的特点：①目的产物在初始物料中的含量低；②合目的产物的初始物料组成复杂，除了产物外，还含有大量的细胞、代谢物、残留培养基、无机盐等③生物活性物质稳定性差，对pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等敏感，易失活变性④生化产品种类繁多，包括了大、中、小分子量的结构和性质复杂又各异的生物活性物质；⑤生化产品的应用面广，许多产品用作医药、食品、试剂等，对含量和纯度要求高。2）发酵类型及发酵产品的上述特征为分离纯化方法提出了苛刻的要求：产品的任何分离纯化方110 法都不破坏、不改变、不干扰发酵产品自身应具有的特性，亦包括生物活性。为了保持发酵产品的生物活性，就必须做到条件温和；为了从含有复杂混合物的发酵液中高效地将产物分离纯化，分离纯化方法就必须具备选择性好、专一性强；具有高的分离纯化倍数。从发酵产品成本的角度出发，要求分离纯化方法应具有方便快捷，分离纯化各步骤协调统一，产物收率高等特点。70.答：①任何人使用该分离纯化方法均能生产出合格产品；②该分离纯化方法在任何环境中使用都具有重复性，可生产出同一规格的产品；③要求分离工艺不受或少受上游工艺条件或原材料来源的影响，或者有较宽泛的稳定范围；④需严格控制的工艺步骤或技术越少越好，工艺条件可变动的范围越宽泛，工艺的重复性越好；⑤在选择分离纯化技术、工艺和条件时要确保危险性杂质的去除，保证产品质量和生产过程的安全；⑥为保证产品质量，要尽量减少工艺过程的操作单元数，否则操作单元数越多，产品的分离纯化收率越低。要求分离工艺的分离纯化技术具有高效性，一般来说分离原理相同的技术在工艺中不重复；⑦在分离过程中，尽可能少地外加试剂，以免增加分离纯化步骤，干扰产品质量；⑧要求分离工艺的操作时间尽可能短，以保证生物产品的收率和活性。要求分离工艺温和、能耗低、纯化效率高、收率高、容易操作、易于放大等。71.答：初级分离阶段在细胞培养结束之后，其任务是分离细胞和培养液、破碎细胞释放产物（如果产物在胞内）、溶解包涵体、复原蛋白质、浓缩产物和去除大部分杂质等。纯化精制阶段是在初级分离的基础上，用各种高选择性的手段和方法，将目标产物和干扰杂质尽可能地分开，使产物的纯度达到相关的要求，成为各种级别的产品。一般初级分离阶段处理量比较大，需要考虑成本问题，而纯化精制阶段处理量较少，选择方法更容易些。72.答：目的产物的浓度较低，料液组成复杂，其中所含的各种杂质都会对产物的后期分离纯化产生很大的影响。很难获得合格的产品。73.答：常见的细胞破碎方法主要包括：①利用压力释放时的液固剪切进行的压力破碎法，该法采用的仪器为压力破碎机。操作简便，可连续操作，适用于不同的细胞。不足之处在于：加压放热，需要冷却，否则生物活性物质会失活；破碎较低，压力不稳定，需要进行反复破碎；②利用固体的剪切进行破碎的珠磨破碎法，使用的仪器为细胞珠磨破碎机。操作简便、稳定，可连续批式操作，破碎率可以控制，容易放大，适用于工业放大。不足之处在于：珠磨时会鼓热，需婆高效冷却，不同细胞的破碎条件差异大；③110 利用超声波形成空穴产生压力冲击使进行破碎的超声波破碎法，使用的仪器为超声破碎机。操作简便，可连续或批式操作。不足之处在于：超声波处理会产热，需要冷却，破碎率较低，需反复进行破碎，应用面较窄；④利用渗透压的突变，造成细胞内压力差而引起细胞破碎的渗透压法。适用于位于胞内质的产物释放，细胞的破碎率低，但产物的释放较好，纯度较高。不足之处在于：操作比较复杂，条件要求严格，只适用于少量样品的处理，费用高；⑤利用有机溶剂或表面活性剂改变细胞璧或膜的通透性，使胞内产物得以释放的有机溶剂或表面活性剂法。该法简单，缅胞内含物释放少，产物较纯，可大规模应用。不足之处为适用性有限，只适合于对有机溶剂或表面活性剂稳定的产物；⑥经碱或酶的处理使细胞壁或膜破坏，使产物释放出来的碱或酶处理法。该法简单，可大规模应用。但适用性有限，只适于对碱或酶稳定的产物。可根据不同产物的需求选择不同的分离方法。74.答：有机溶剂萃取法，依靠产物在水和有机溶剂中的分配系数的差异进行分离，适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质等的分离，其中反胶团系统较适合生物活性物质的萃取；双水相萃取法，依据目的物在不相容的聚合物或无机盐溶液形成的两相中的分配系数不同而进行分离，可连续或批式操作，设备简单，萃取容易，操作稳定，易放大，适合于大规模应用；超临界流体萃取，利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时形成的超临界流体作为溶剂进行萃取，萃取能力大，速度快，可通过控制温度和压力来改变对某些物质的选择性。75.答：有机溶剂沉淀法利用有机溶剂破坏蛋白质分子的水化壳，使之聚集成更大的分子而沉淀可用于沉淀各种蛋白质，可实现分级沉淀，达到粗分离和浓缩的目的。操作简便，可大规模应用；盐析法，利用无机盐破坏蛋白质分子的水化层，中和表面电荷，使之聚焦成更大的分子团而沉淀，可用于蛋白质分级沉淀或沉淀、粗分离及浓缩作用，对生物活性有一定的保护作用，方法简便，可大规模应用。76.答：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。微滤、超滤、纳滤和反渗透四者既有联系又有区别。共同点是：末的制造方法基本类似，结构类似，操作方法类似;不同点是：适用范围不同，MF：0.02-10.0µm；UF:0.001-0.02µm或1000-300,000Dalton，NF:200-1,000Dalton或1nm左右；RO:350Dalton。77.答：1）在工程设计上，通风发酵对无菌空气的具体要求主要包括：①连续提供一定流量的压缩空气。其表征单位一般为单位时间（min）单位体积（m3110 ）培养基中通入标准状况下空气的体积（m3）,常用VVM表示，其值一般为0.1-2.0；②空气的压强（表压）为0.2-0.4MPa；③进入过滤器之前，空气的相对湿度≤70%；④进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10~30℃；⑤过滤后空气的无菌程度为N=10-3，其含义是1000次使用周期中，只允许有1个杂菌。2）发酵生产对于通入的无菌空气有严格的要求。根据企业条件、环境条件和技术工艺要求，可选择不同的空气过滤除菌流程，主要包括：①将空气冷却至露点以上的空气除菌；②一次冷却析水、加热的空气除菌；③二次冷却析水、加热的空气除菌；④高效前置过滤除菌；⑤利用热空气加热冷空气的空气除菌；⑥冷热空气直接混合式空气除菌。在本节中还将介绍过滤介质和过滤除菌设备，主要包括：粗过滤器、总空气过滤器、空气压缩机、贮气罐、空气冷却器和气液分离器等。78.答：下图是常用的二次冷却析水、加热的空气除菌流程示意图。适合于各种气候条件，尤其是气候炎热、相对湿度高的地区，能完全分离空气中的水分、水雾和油雾。它与一次冷却析水、加热的空气除菌流程相比，在一次冷却析水之后增加了一次冷却和丝网膜析水。空气经过第一个冷却器冷却后，温度通常为30-35℃，此时大部分水和油已结成浓度高、颗粒大的雾粒，用旋风分离器即可分离。空气再流经第二冷却器后，温度进一步下降至20-25℃，进一步冷却后析出的是一部分较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离。除水后空气的相对湿度较高，需用加热器加热，使相对湿度降低至50-60％，保证过滤器的正常运行。79.答：1）微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流直线前进，使气流无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进。这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、阻拦、布朗扩散、静电吸引等作用而将微粒滞留在纤维表面上。2）要用一定高度的介质过滤器取得较大的除菌效率，应选用纤维较细而填充率较大的介质，并采用较大的气流速度。但随着填充率及气流速度的增大及纤维直径的减小，通过介质层的阻力（即压力降）将增加，使空压机的出口压力受到影响。阻力过大，还容易导致介质层被吹翻。而气流速度过大，摩擦过激则会引起某些介质（如活性炭、棉花等）的焚化。80.答：空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求的参数，根据空气的性质，结合环境的空气条件和所用设备的特性而制定的。为了将空气过滤除菌并输送至发酵罐，必需通过空气110 压缩机增加空气的压力，以便克服过滤阻力，提供气体流动的动能；为了减轻过滤的负荷，一般是把吸气口吸入的空气先经过压缩前粗过滤，然后进入空气压缩机。压缩后的空气一般压力在l.96×105Pa以上，温度为120℃(往复式压缩机)或150℃(涡轮式压缩机)，其相对湿度大大降低。81.答：气液分离器包括旋涡分离、丝网除沫分离和拆流分离三种形式。1）旋涡分离主要是根据气体和液体的密度，做离心运动时，液体遇到器壁冷凝分离。所对应的分离器是旋风分离器，为了保证分离效率，其直径不能太大，进气口的气流速度要适当，一般在15-25m/s，排气口气流速度为4-8m/s；2）丝网除沫分离是利用填料的惯性拦截作用分离空气中的水雾和油雾。所对应的分离器是丝网分离器，它可除去小至5mm的雾状颗粒，分离效率可达98-99％。由于雾沫会堵塞孔隙而增大压力损失，丝网除沫分离不适于雾沫浓度很大的情况；3）折流分离的原理是当液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续有一个向前的速度，向前的液体附着在阻挡壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。折流分离的优点是：①分离效率比重力沉降高；②体积比重力沉降减小很多；③工作稳定。缺点是：①分离负荷范围窄，超过气液混合物规定流速后，分离效率急剧下降；②阻力比重力沉降大。82.答：1）空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求的参数，根据空气的性质，结合环境的空气条件和所用设备的特性而制定的。为了将空气过滤除菌并输送至发酵罐，必需通过空气压缩机增加空气的压力，以便克服过滤阻力，提供气体流动的动能；为了减轻过滤的负荷，一般是把吸气口吸入的空气先经过压缩前粗过滤，然后进入空气压缩机。2）一般过滤介质不能长时间耐受如此高的温度，因此，必须通过冷却器予以冷却，低于发酵温度10℃左右。必须把空气冷却至露点温度（空气湿度达到饱和时的温度），使其中的水分和油凝结为水滴和油雾，用分离器予以析出（通常简称析水）。3）因此，需要对析水后的空气加热到略高于发酵温度5℃左右，相对湿度降为60％左右，使未除去的水分子不至于凝结。最后，通过总过滤器和分过滤器除菌，获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。值得一提的是，在气温与相对湿度较低的地区和季节，若压缩空气经冷却到所需温度没有冷凝水析出，就可直接进入总空气过滤器。83.答：试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为5000个/m3，通过过滤器无菌要求为10-3。滤层选用df=16μm，气速Vs=0.1m/s，填充系数α=8%。求：过滤效率η及滤层厚度L。按照教材中所列公式进行计算110 84答：筛选得到的高丝氨酸营养缺陷型突变株,由于缺乏催化天冬氨酸半醛为高丝氨酸的高丝氨酸脱氢酶，因此丧失了合成高丝氨酸的能力。这一方面阻断的合成苏氨酸和甲硫氨酸的支路代谢，节省了原料，使天冬氨酸半醛转入赖氨酸的合成，另一方面通过限制高丝氨酸的补给，使苏氨酸和甲硫氨酸生成量有限，从而解除了苏氨酸和赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制作用，使赖氨酸得以积累。想获得遗传性状稳定的菌株可用的措施有：1）采用有效的菌种保藏方法2.）定期进行纯化、复壮定期对获得的菌种(群体)进行纯种分离和选择性培养，此措施可以保持菌种的稳定性。3.)控制传代次数尽量避免不必要的传代并将传代次数降到最低限度，以减少细胞增殖过程中所产生的自发突变几率。4.)创造良好的培养条件。5).培养过程中加入抗性物质等经诱变产生的高产菌株，在生产过程中易于发生回复突变，使生产不稳定。6).提高质粒稳定性。85.答：1）补加前体类似物。在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养集中补加前体物或前体类似物是增加次级产物的有效方法，如青霉素G的生产中，苯乙酰-CoA是限速因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。需要说明的是，次级代谢产物形成中并不是所有前体类似物都是限制因子。2）防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生。青霉素由两部分组成，一部分是带酰基的侧链，另一部分是青霉素的的母核，称为6-氨基青霉烷酸（6-APA）。产黄青霉菌（Penicilliumchrysogehum）的青霉素合成受碳分解代谢产物阻遏，如δ(L-α-氨基己二酰)-(L-半胱氨酰)-D-缬氨酸（ACV合成酶），异青霉素N（IPN）合成酶，酰基转移酶均可被葡萄糖阻遏。葡萄糖可以刺激菌体生长，使作为青霉素合成中间体的α-氨基己二酸转向合成赖氨酸110 ，抑制青霉素的合成。葡萄糖降低青霉素生物合成的速率和得率，还由于葡萄糖与6-氨基青霉烷酸之间形成复合物，从而减少了可用于合成青霉素的中间产物。碳源的缓慢利用是大量合成青霉素的关键。青霉素发酵过程中限量流加葡萄糖（或蜜糖）以减少碳分解阻遏发生，早已是一项很有效的提高产量的方法。86.答：正确。自然界野生菌种的产量是比较低的，必须经过筛选，所以，应先选出较高产量的微生物菌株，在进行菌种改造，获得理想的生产菌种。同时，需选育遗传性状稳定的菌株，提高高产菌种的稳定性。随着保存时间的延长或多次转接传代，菌种本身所具有的优良遗传性状会发生丢失，如生长缓慢、遗传标记丢失、回复突变等。遗传特性稳定的菌种是保障发酵工业的高产和稳产、发酵产品品质稳定的主要因素，可通过适当的菌种保存方法、定期进行纯化和复壮等方法提高菌种的稳定性。在发酵过程中必须提供一切能够满足微生物最佳生长、代谢和产物合成的条件，而这些条件必须是经过实验研究优化了的最佳条件。87.答：微生物从外界吸收各种营养物质，通过合成代谢和分解代谢生成维持生命活动的物质和能量的过程称为初级代谢。微生物通过初级代谢所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质称为初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸、多糖等。由于初级代谢产物是由初级代谢的主要途径合成，微生物细胞对其合成控制较强，可通过以下方法提高初级代谢产物的产量。1)使用诱导物；2）除去诱导物——选育组成型产生菌；3）降低分解代谢产物浓度，减少阻遏的发生；4）解除分解代谢阻遏―筛选抗分解代谢阻遏突变株；5）解除反馈抑制－筛选抗反馈抑制突变株；6）防止回复突变的产生和筛选负变菌株的回复突变株；7）改变细胞膜的通透性；8）筛选抗生素抗性突变株；9）选育条件抗性突变株；10）调节生长速率；11）加入酶的竞争性抑制剂。88.答：次级代谢产物是指细胞生长不必需的、无明显生理功能的微生物代谢产物。次级代谢产物可积累在细胞内，但通常都分泌到细胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。从分子结构上看，次级代谢产物可分为糖苷类、多肽类、酰基类、核苷类及混杂类。次级代谢产物均来自初级代谢产物，为其直接衍生物、或者经分子结构上的修饰、或进一步装配聚合而成。如：糖酵解的乙酰CoA是合成四环素、红霉素及β-胡萝卜素的前体。缬氨酸、半胱氨酸是合成青霉素，头孢霉素的前体。色氨酸是合成麦角碱的前体等。产生前体物质的初级代谢过程受到控制时，也必然影响次级代谢的进行，因此，初级代谢还具有调节次级代谢的作用，可通过调控初级代谢实现对次级代谢的调节。常用的提高次级代谢产物产量的方法有以下几种：1)补加前体类似物；2)加入诱导物；3)防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生；4)防止氮代谢阻遏的发生；5)筛选耐前体或前体类似物110 的突变株；6)选育抗抗生素突变株；7）筛选营养缺陷型的回复突变株；8）抗毒性突变株的选育。89.答：人们经历了艰苦的努力，从摇瓶培养至罐发酵，逐级扩大，经过中试，实现产业化。所以发酵规模从小到大的扩大研究很好理解。企业生产某种产品获得经济效益，在漫长的生产实践过程中，大规模生产工艺逐步优化，已经完全不同于当初中试获得的工艺条件。但是，由于生产菌种的自发突变或是发酵产品的市场变化等因素，必须对大规模生产的产品的工艺进行优化，已获得更高的经济效益。这是，就应将现行工厂发酵生产设备中已有的环境条件缩小到中小型设备中，作为中小型试验的条件，以保证中小型设备中进行的研究结果能够在生产设备中重现出来。六、论述题：1．如何提高高产菌的稳定性？2．发酵过程中溶解氧的控制措施？（从供氧和需氧量方面考虑）3．试述对微生物反应器设计的基本要求？4．大规模微生物发酵工程生产,选择菌种应遵循的原则是什么？（微生物发酵工程对微生物菌种的要求主要包括哪些内容）5．在灭菌过程中，影响培养基灭菌的因素有哪些?6．发酵对微生物反应器设计的要求？7．什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵？8.发酵反应与化学反应的异同？9现代发酵工程的新发展主要表现在那几个方面，展望发酵工程有哪些发展趋势？10.可用于生产外源基因编码蛋白的常用基因工程宿主菌有哪些菌种，各有什么优势？11.细菌、放线菌、霉菌、酵母菌菌落的区别及其在发酵工业的应用?12.工程菌构建中目的基因如何获得？13.基因敲除的基本原理及具体操作方法。14.为什么生产性能优良的菌株在保藏过程中会出现退化？应采取哪些措施以防止菌种退化？15.菌种保藏的基本原理是什么？菌种保藏方法及其特点主要有哪些？16.试述发酵温度是如何影响微生物生长、产物形成及基质消耗的？17.实际发酵中采用哪些手段调节或控制发酵的溶氧？18.简述碳源、氮源与磷酸盐等基质对微生物生长与产物形成的影响。19.常用的补料发酵方式有哪些？各有什么优缺点？20.Monod方程的推广方程及其两个参数的计算方法？21.生长偶联型产物、生长部分偶联型产物及生长非偶联型产物的动力学公式？110 22.连续发酵的种类及各自的特点？23.分批灭菌(batchsterilization)的设备与计算24.常见的通风发酵罐有哪些？分别描述它们各自的结构特征及优缺点。25.常见的生物物质分离纯化方法有哪些?各自的特点怎样？26.使用吸附色谱、离子交换色谱技术和凝胶色谱技术应具备的条件？27.实验室发酵研究与工业规模发酵生产的异同？28.发酵规模改变对发酵本身的影响表现在哪些方面？29.发酵放大的原理与方法包括哪些方法？论述题答案：1．答：（1）首先在菌种选育中应把菌株产量分布中的稳度作为评价菌株的条件之一。不仅以产量高低为基准；（2）菌株选育中避免使用含有多核的包子和菌丝片断；（3）用单倍化试剂处理高产菌株，有提高菌株稳定性的作用；（4）在培养基中加入某些金属离子可增加菌株的稳定性；（5）利用营养缺陷型和原养型在生理和抗性上的不同，在发酵培养基中加入抗生素也会有防止回复突变发生的效果；（6）在生产过程中应尽力减少菌种传代次数，这是发酵工业中普遍遵循的原则；（7）杂菌污染、发酵条件改变都能引起发酵生产产量波动，应注意区分原因。2．答：从供氧方面考虑:供氧方程:dC/dt=KLa(C*–C)dC/dt------单位时间内培养溶液氧浓度的变化;KL------氧传质系数;a------比界面面积;C*------在罐内氧分压下培养液中氧的饱和浓度;C------发酵液中的溶O2浓度;由此可见，凡是使KLa和C*增加的因素都能使发酵供氧改善，通常采用:a)在通入的空气中掺入纯氧，使氧分压增高;b)提高罐压，有负作用，要求提高设备强度；增加CO2在水中溶解度，从而影响pH;c)改变通气速率，其作用是增加液体中夹持气体体积的平均成分。d)增加搅拌作用，改善罐内液体的混合和循环，抑制气泡聚合的效果。从需氧方面考虑:需氧方面的表示:r=QO2･Ccr----摄氧率,mmolO2/L･h;QO2------呼吸强度,mmolO2/g菌（干重）･hCc------菌的浓度,g/L若氧浓度处在暂时的稳定状态，下式必然成立:KLa(C*–C)=QO2･Cc显然，那些影响此方程的因子会改变溶氧的浓度。1)通过减少菌的生长速率也可达到限制菌对氧的大量消耗从而提高溶氧水平。这样看来有“消极作用”，但，从总的经济效果来看，这样是合理的。2)由于氧传质的温度系数比生长速率的温度系数低，降低培养温度可得到较高的溶氧值。110 3．答：1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。应全部焊接结构（焊接部位磨光），消除积蓄耐灭菌物质。3）防止死角、裂缝等一类情况，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境；4）发酵系统的某些部分应能单独灭菌；5）与反应器相通的任何连接能应采用蒸气加以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；6）所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌，球阀、隔膜阀和截止阀比较好；7）反应器应始终保持正压以排除渗漏；8）为了便于清洗，反应器主体应尽量简单。4．答：当前发酵工业用微生物的总趋势是从发酵菌转向氧化菌、从野生菌转向变异菌、从自然选育菌转向代谢控制种、从诱发基因突变转向基因重组的定向育种｡尽管工业菌种多种多样，但作为大规模生产选择菌种应遵循以下原则：1）能在廉价原料制成的培养基条件上迅速生长，并生成所需的代谢产物、产量高；2）可以在易于控制的培养条件下(糖浓度､pH､温度､溶解氧､渗透压等)迅速生长和发酵､且所需酶活力高；3）生长速度和反应速度较快、发酵周期短；4）根据代谢控制的要求，选择单产高的营养缺陷型突变株或调节突变菌种或野生菌种；5）选育抗噬菌体能力强的菌种，使其不易感染噬菌体；6）菌种不易退化变异，保证发酵生产和产品质量的稳定；7）菌种不是病原菌不产生任何有害的生物活性物质和毒素（包括抗生素、激素、毒素等),以保证安全｡5．答：在灭菌过程中，影响培养基灭菌的因素主要有：1）培养基成分；2）培养基物理状态；3）培养基的pH值；4）培养基中微生物的数量；5）微生物细胞中的水含量；6）微生物细胞菌令；7）微生物的耐热性；8）空气的排除情况；9）搅拌与否；10）泡沫有无等等6．答：1） 避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。应全部焊接结构（焊接部位磨光），消除积蓄耐灭菌物质；3）防止死角、裂缝等一类情况，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境；4）发酵系统的某些部分应能单独灭菌；5）与反应器相通的任何连接能应采用蒸气加以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；6）所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌，球阀、隔膜阀和截止阀比较好；7）反应器应始终保持正压以排除渗漏；8）为了便于清洗，反应器主体应尽量简单。7．答1）分批发酵：是指生物反应器的间歇操作,在发酵过程中,除了不断进行通气(好氧发酵)和为调节发酵液的pH而加入酸碱溶液外,与外界没有其它物料交换。这种培养方式操作简单,是一种最为广泛使用的方式。2）补料分批发酵：110 以某种方式向分批发酵系统中补加一定物料的培养技术。使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定范围内，即保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，从而提高容量产率，产物浓度和得率。补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式。区别于分批发酵技术：由于补加物料，补料分批发酵系统不一再是封闭系统；区别于连续发酵技术：补料分批系统并不是连续地向外放出发酵液，罐内的培养液体积不再是个常数，而是随时间和物料流速而变化的变量（变体积操作）。3）连续发酵：是在反应器中连续不断地流加新鲜培养基，同时又连续不断地排出发酵液，使微生物的生长和代谢活动保持旺盛的稳定状态，而pH、营养成分、溶解氧等保持一定，并从系统外部予以调控。这样就大大地提高了设备利用率，具有单位产量的反应器容积小、人工费用低、产品质量稳定以及反应速率容易控制等优点。8.答：(1)动植物或微生物细胞所进行的生物化学反应，通常在常温与常压下进行。因此，没有爆炸之类的危险。发酵设备虽属压力容器，高压蒸汽灭菌时，设备需耐压。但是，各种设备无需考虑类似于化工设备的防爆问题。有些发酵设备还具有多种用途。(2)除某些动植物细胞对培养基成分要求苛刻之外，绝大多数微生物的培养原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，加入少量的有机或无机氮源，在不含有毒物质的前提下，一般无需精制，微生物细胞能有选择地摄取所需要的营养物质。(3)生物反应是以动植物或微生物细胞或者细胞所合成的酶类催化进行的。所以，若干个反应过程能够像单一反应一样，在发酵罐或细胞反应器中完成。(4)发酵工程能够较容易地合成出复杂的高分子化合物、各种酶类、有选择性地生产出光学活性物质等。(5)发酵工程中的生物转化具有高度专一性，能选择性地进行复杂化合物特定部位的氧化、还原、官能团转移或导入等。(6)发酵工程中生物反应是依靠动植物或微生物细胞的生长与繁殖，有些细胞本身就是发酵产物，富含多种维生素、蛋白质以及酶等有用物质。所以，发酵液一般对生物体无害。(7)无菌操作是发酵工程区别于化学工程最重要的方面。整个发酵过程在无菌状态下运转，发酵设备的灭菌与空气除菌是极其重要的。稍有不慎，就会因染菌而遭受惨重损失，尤其是噬菌体感染危害巨大。同时，在对动植物细胞进行批量发酵时，防止细菌污染亦是应加以防范的。(8)通过对动植物或微生物细胞进行改造，提高细胞或菌体的代谢能力，在原有设备不变的情况下，生产效率可以得到大幅度的提高。9.答：现代发酵工程的新发展主要表现在：使用合成生物学的新技术构建新的发酵生产菌株以及使用固态发酵替代液体发酵等。发展趋势只要表现在以下方面：1）继续依托资源微生物学的研究成果，开发新型发酵制品，采用微生物新种或者新的动、植物细胞系研究开发能够提高人们生活水平和健康质量的新型发酵工程制品；开发疾病预防、疾病诊断、疾病治疗用的新型发酵工程制品；特别是具有防癌、抗癌作用的新型发酵工程制品；开发毒副作用小的新型生防发酵工程制品；注重微生物在环境污染防治和修复中群体效应机制的研究，开发相应的新型发酵工程制品；注重微生物在生物能源领域的应用，开发相应的新型发酵工程制品；2）继续采用基因工程和代谢工程对现有菌种进行改造，采用合成生物学技术创建新型生命体以满足发酵工程的需要。GregoryS.110 有关萜类代谢物在经过优化的底盘生物大肠杆菌内的异源表达方面做了大量工作，建立了基于非甲羟戊酸途径为基础的各种萜类物质表达的基本功能模块，通过不同启动子、不同拷贝数的组合筛选对该功能模块的代谢流进行微调，使底盘生物对碳源的利用率达到最佳。他合成了抗癌药紫杉醇前体的代谢路径，并在大肠杆菌中成功表达，使紫杉醇前体产量提高了一万倍以上；3）进一步实现生物反应器的优化，近年，全世界最大体积的不锈钢生产用发酵罐（800m3规模），已经在中国建成并投入使用。的确对于大宗的发酵产品而言，当菌株的生产能力达到峰值，没有进一步提升的空间时，生产用发酵罐的体积越大，生产成本亦就越低。发酵工业更多需要的反应器是具有全方位检测（发酵参数全面在线检测）、多元化控制（应对参数变化的控制装置自动化程度高）、多层次排查（进料口、出料口、排气口具有在线检测）、有内置强度可调的光照系统，可进行光合培养、并可稳定连续生产的发酵装置。随着发酵原料的不断扩展，开发可利用植物纤维素作为发酵原料的专一性更强的发酵设备，将会受到使用者的青睐；4）加大发酵过程的优化力度，任何一个与发酵工程有关的研究者和生产者，都曾或将面对发酵过程的优化。所以，阐明生物过程宏观现象与生命体微观机制间的关系，从大量的数据中探寻过程优化的敏感参数，解明发酵过程优化与放大的关键点是发酵工程不得不长期面对的课题。开展以细胞代谢流为核心的过程分析,，注重发酵菌种分子水平遗传特性、细胞水平代谢调节、反应器水平的物质传递。研究从宏观到微观的反应器物料流与微生物细胞代谢流之间的关系。开发基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术；5）开发高效分离纯化方法，发酵产品优良的分离纯化方法是可作到“简、短、少”和“稳、准、很”，即：方法简单、耗时短、外加药品少、稳定性好、产品纯度高、产品收率高。采用高分子印迹技术合成出结构特异的树脂装柱，对于已知结构高附加值的发酵产物进行分离纯化将是一个很好的选择。6）开展清洁生产(cleanproduction)，致力于环境友好(environmental-friendly)，实现循环经济(circulareconomy)打破“发酵工程与人争粮、争水；发酵工程与粮争地、争水”的局面。从根本上解决发酵原料主要采用玉米及其深加工产品的问题。开发采用植物纤维素作为发酵原料的新技术。致力于发酵全过程的清洁生产；发酵工艺与发酵产品环境友好；开展资源节约和循环经济。追求的目标是：发酵过程的废弃物可循环使用，发酵生产零排放。总之，发酵工程领域还有很多理论和实际问题尚未解决，需要生物科学、化学工程、计算机科学等领域的人们共同努力，脚踏实地的开展实验与研究。10.答：①大肠杆菌表达系统：大肠杆菌因其培养要求低、生长迅速、遗传背景清楚和表达量高等优点，是生命科学研究的模式生物之一；其表达系统是目前人类掌握最成熟，应用范围最广的原核表达系统。但大肠杆菌产内毒素，且表达外源蛋白多是非分泌型表达，会在细胞内部形成不可溶解的包涵体，容易导致产物活性低、纯化难度大；并且缺乏翻译后对真核蛋白修饰加工的功能，导致表达产生的蛋白无法进行糖基化、磷酸化、正确折叠和分泌等修饰⋯，只适合表达不需要修饰的外源蛋白，这些问题限制其在工程菌发酵中的工业化应用。②枯草杆菌表达系统：枯草杆菌全基因组序列已经被测定，是非致病的土壤微生物，被美国食品药品监督委员会给予“GRAS”(GenerallyRegardedasSafe)110 的称号。由于其可以高效分泌表达外源蛋白到发酵液中，使得回收和纯化外源蛋白较为简单。但是枯草杆菌有其自身的局限性，主要体现在：质粒具有不稳定性，外源基因表达受到限制；对数生长末期细胞大量产生各种蛋白酶，容易破坏外源蛋白；不能正确折叠外源蛋白的三维结构等，这些因素均制约了其在生产蛋白质药物中的应用。③酵母表达系统：酵母菌是单细胞低等真核生物，安全可靠，生长繁殖快，培养周期短，且在表达真核基因方面能够弥补原核表达系统的不足，因此成为最普遍的真核表达系统之一。巴斯德毕赤酵母遗传背景清晰，易于高密度发酵，外源蛋白为整合表达且表达量高，适合大批量生产外源蛋白。但毕赤酵母不是食品微生物，因其具有高效的甲醇氧化酶启动子，发酵时需添加甲醇诱导，用它来生产药品或食品还存在争议。其次，表达分泌的外源蛋白在发酵液中容易被毕赤酵母自身产生的蛋白酶降解，并且蛋白酶浓度会随着高密度培养的进行而增大，增加了降解外源蛋白的机率。因此，虽然毕赤酵母在基因调控表达研究方面比较热门，却不是商业化外源蛋白最佳的表达系统。④丝状真菌表达系统：丝状真菌具有良好的安全性，胞外分泌蛋白能力强，并且能够进行各种翻译后加工，如糖基化修饰、蛋白分子折叠和二硫键的形成等，其表达分泌的外源蛋白产量大活性高。但是，丝状真菌只有在表达同源蛋白(真菌来源)时效果比较好，而对来自其他高等生物的异源蛋白(主要是哺乳动物和植物基因)的表达不是十分理想。因此，丝状真菌表达系统更多用于表达同源蛋白。11.答：（1）细菌的菌落特征多样，表面光滑或粗糙；边缘整齐或不整齐；有些表面产色素；菌落或大或小但一般较小；菌落干燥或湿润；接种时易于从固体培养基挑起。细菌是一类结构简单、有细胞壁的单细胞原核微生物，以二分裂方式进行繁殖，繁殖速度很快。细菌一般个体微小，在自然界分布最广，其数量和种类也最多，与人类生产和生活关系十分密切。（2）放线菌菌落为颗粒状；表面呈絮状，有些产色素；接种时不易从固体培养基挑起或整个被挑起。放线菌是一大类介于细菌和真菌之间的单细胞微生物，属于细菌域、后壁菌门、放线菌纲。大部分放线菌由分枝状菌丝组成，包括培养基内的营养菌丝（基内菌丝）和生长在表面的气生菌丝。放线菌没有有性繁殖，主要以无性孢子进行繁殖。大多数放线菌是好氧菌，只有某些种是微量好氧菌和厌氧菌。少数放线菌自养，绝大多数属于异养型，并且营养要求差别很大，有的能利用简单化合物，有的却需要复杂的有机化合物。放线菌在自然界分布很广，虽然个别种类的放线菌对人类有害，例如分枝杆菌能引起肺结核和麻风病等，但绝大多数放线菌是有益菌，能产生许多结构复杂的次级代谢产物，用于医药和植物保护。在目前发现的所有抗生素中，80%是由各种放线菌所产生的，其中主要是链霉菌和小单孢菌。一些种类的放线菌还能产生各种酶制剂、酶抑制剂、维生素和有机酸等。此外，放线菌还可用于甾体转化、烃类发酵、石油脱蜡和污水处理等方面。（3）霉菌菌落固体培养基上长出一些肉眼可见的绒毛状、絮状或蛛网状的菌落，有些产色素。霉菌是一个形态学分类概念，所有能在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝体的真菌通称为霉菌，又称丝状真菌。霉菌在自然界分布广泛，喜偏酸性环境，大多数为好氧菌。霉菌繁殖能力很强，而且繁殖方式多种多样，110 霉菌菌丝体上任一片段在适宜条件下都能发展成新个体，但在自然界中，霉菌主要依靠产生各种无性孢子或有性孢子进行繁殖。霉菌是人类实践活动中最早利用和认识的一类微生物，除了用于传统的酿酒、制酱和其他发酵食品外，发酵工业上霉菌还用于生产酒精、有机酸、抗生素、酶制剂、维生素、植物生长激素、发酵饲料、杀虫农药及进行甾体激素转化，其中常用的菌种有根霉、曲霉、青霉、木霉和红曲霉等。（4）酵母菌的菌落边缘整齐，表面湿润，大多为乳白色，个别红色。酵母菌是一类单细胞真核微生物的通俗名称。酵母菌在自然界中分布很广，主要存在于含糖较多的偏酸性环境中。酵母菌形态多种多样，通常呈圆形、卵形或椭圆形，个体大小差异较大。酵母菌的细胞结构已接近于高等生物，一般具有细胞壁、细胞膜、细胞核、核糖体、线粒体、内质网和液泡等。酵母菌主要以出芽方式进行无性繁殖，也可以以形成子囊和子囊孢子的方式进行有性繁殖。酵母菌发酵后能形成多种代谢产物，并且自身含有丰富的蛋白质和维生素，可以利用石油或农副产品及工业废料生产菌体蛋白，从而被广泛应用于医药、食品和化工领域，在发酵工业中占有重要地位，其中啤酒酵母和假丝酵母最为常用。毛霉(Mucor)属接合菌亚门毛霉目毛霉属、外形呈毛状、属单细胞（菌丝无隔）、多核。菌丝无隔、菌丝分枝（单轴式、假轴式）。分解蛋白能力强。因其糖化能力强、可用于酒精和有机酸发酵原料的糖化和发酵。引起食物腐败。代表菌株：鲁氏毛霉(Mucorroaxianus)此菌能产生蛋白酶和淀粉酶、有分解大豆蛋白的能力、制作腐乳、生产酒精；根霉(Rhizopus)属接合菌亚门、毛霉目根霉属、有假根而得名.单细胞生物(菌丝无隔)、有匍匐菌丝、一定阶段在假根相反方向长出孢囊梗(单生或成簇)顶端形成孢子囊(内生孢囊孢子）。代表菌株：米根霉(Rhizopusoryzae)最适温度370C、淀粉酶活力强、多作糖化菌、也具酒精发酵和蛋白质的分解能力；梨头酶(Absidia)菌丝和根霉相似、匍匐菌丝成弓形、其上长出孢子梗。孢子囊顶生呈梨形。分布广、大多为污染菌。代表菌株：蓝色梨头霉(Absidiacoerulea)对甾体化合物有转化作用。曲霉(Aspergillus)属子囊菌的曲霉属、多为细胞(菌丝有隔)、营养菌丝大多匍匐生长、无假根、分生孢子梗从足细胞（厚壁而膨胀大的菌丝）生出。分生孢子梗顶端膨大表面生出小梗、单层或双层。少数有闭囊壳。代表菌株：米曲霉(Aspergillusoryzae)有较强的蛋白分解能力、又具有糖化能力、在酿酒中作为糖化菌。蛋白酶和淀粉酶的生产菌；青霉(Penicillium)属子囊菌，也是多细胞、菌丝有分隔、有分枝、与曲霉相似、大多无足细胞。分生孢子梗有祺隔、多次分枝产生几轮小梗、顶端产生成串的分生孢子。代表菌株：产黄青霉(Penicilliumchrysogenum)工业生产上用其变种生产青霉素、也能生产葡萄糖氧化酶、葡萄糖酸、柠檬酸和抗坏血酸。木霉(Trichoderma)分布广、是腐烂菌。木霉是目前生产纤维素酶的主要菌。营养菌丝体有隔、气生菌丝分化成直立的分生孢子梗、孢子梗长出对称性侧枝、侧枝末端长出分枝的瓶形小梗、其上长出成簇的分生孢子头(10-20球形孢子)。孢子成熟呈绿色或铜绿色。代表菌株：绿色木霉通常能够产生高度活性的纤维素酶，对纤维素的分解能力很强。在木质素、纤维素丰富的基质上生长快，传播蔓延迅速。棉籽壳。木屑、段木都是其良好的营养物。12.答：目前获得目的基因的方法主要有早期使用的基因文库法、化学合成法和聚合酶链式反应（PCR）法等。（1）基因文库法(genelibrarymethod)：基因文库法通过建立基因文库分离靶基因。基因文库分为基因组文库和cDNA文库。文库构建完成后，110 利用放射性同位素探针或其他筛选方法可以在文库中将目的基因筛选出来。基因组文库主要是利用限制性内切酶将基因组DNA用限制酶消化成大小不等的片段，然后将所有片段与载体连接，经噬菌体包装再转染或通过质粒DNA转化，构建含基因组全部遗传信息的文库，即基因组文库。cDNA文库是以mRNA为模板，在反转录酶作用下形成互补单链DNA（cDNA），再经DNA聚合酶的作用产生双链DNA，双链DNA与载体连接后，进行噬菌体的包装与转染或质粒DNA的转化而构建的文库。再利用探针将目的基因从文库中“钓”出来。由于从细胞中提取的mRNA的数目要比全基因组小得多，还可去除真核生物基因中不表达的内含子，因此利用此法可以大大地减少工作量。如果能够从mRNA中直接提纯目的mRNA进行反转录,则可直接得到相应的目的cDNA用于克隆；（2）化学合成法：自20世纪80年代以来，DNA化学合成技术取得了突破性的进展，特别是自动化合成技术的发展，人们能简便、快速、高效地合成DNA片段。如果已经知道某种基因的核苷酸序列或从蛋白质肽链的氨基酸序列可以推导出编码该肽链的核苷酸序列，那么就可以使用全自动合成仪合成目的基因；（3）聚合酶链式反应法(PCR,polymerasechainreaction)：聚合酶链式反应法又称为PCR技术。对于已知全部或部分核苷酸序列的基因，以基因组DNA或cDNA模板，通过PCR扩增即可得到目的基因片段。PCR扩增反应可以使几个DNA模板分子经数小时的扩增后增加到百万倍以上，因此能用微量的样品获取目的基因。13答：目前较为成熟的基因敲除技术主要有同源重组、随机插入突变和RNAi技术。1）同源重组敲除技术是将载体转化进入宿主细胞后，载体DNA序列与宿主染色体中同源DNA序列发生同源重组，随后将体外改造的DNA定点整合到宿主细胞基因组上确定的位点，或与基因组中的确定片段置换，导致目标基因的缺失或失活，从而改变细胞的遗传特性。2）随机插入突变常采用转座酶介导的转座重组，转座酶由基因转座子(Transposon，Tn)编码。转座子是一种DNA序列单元，其两端多为两个颠倒重复序列(IS序列)，在重复序列之间有编码抗生素及转座酶的基因。转座子能随机插入到宿主染色体的许多位点上，使插入位置的基因失活或突变，并且还可从插入位点脱落下来，脱落时可携带宿主基因组的一部分DNA片段，造成基因缺失。3）RNAi（RNAinterference）是利用短片段的双链RNA（siRNA）促使目标基因的mRNA降解来高效、特异地阻断目标基因的表达，从而导致目标基因的沉默(genesilencing)。由于少量的双链RNA就能阻断基因的表达，并且这种效应可以传递到子代细胞中，所以RNAi的反应过程也可以用于基因敲除，一般直接导入RNAi的效应分子siRNA，就可特异性抑制目标基因的表达。110 14.答：现代发酵工业中所用的菌种几乎都是通过育种技术人工选育出的优良高产菌株，其世代周期一般较短，在传代和保藏(strainpreservation)过程中容易发生变异、退化，甚至死亡，导致其性能发生衰退，良好的微生物保藏方法是防止菌种衰退的有效措施之一。因自发突变而使菌种原有的一系列生物学性状发生从量变到质变的退化性变异过程称为菌种衰退。菌种衰退在生产中表现的结果就是产品产量和质量的下降，开始在细胞群体中只出现极少数发生负突变的菌株，经过数次传代后，群体中负突变菌株的比例逐渐增大，最后成为优势菌，从而使整个群体表现出严重的衰退。导致菌种的衰退除了碱基突变这个遗传因素外，有时候传代次数过多、生长环境不良、营养成分不合理及培养时间过长等外界因素也会引起菌种的衰退。目前，防止菌种衰退的措施主要包括降低传代次数、为菌株创造良好的培养条件、使用不易衰退的纯粹菌种，以及采用适宜的菌种保藏方法保藏菌种等。其中最常用的方法就是严格控制菌种的传代次数，使传代造成的变异降到最低。对于已经衰退的菌种还可以进行复壮（strainrejuvenation）。工业生产菌种的重要性状大多属于数量性状，而这类性状是最易衰退的，选择适宜的菌种保藏方法不仅能保持菌种优良的生产性能，而且有利于减少菌种的传代次数，从而可以减少变异、防止菌种退化和死亡。对于已经衰退的菌种可以通过复壮（strainrejuvenation）恢复其原有性状。目前，防止菌种衰退的措施主要包括降低传代次数、为菌株创造良好的培养条件、使用不易衰退的纯粹菌种，以及采用适宜的菌种保藏方法保藏菌种等。其中最常用的方法就是严格控制菌种的传代次数，使传代造成的变异降到最低。对于已经衰退的菌种还可以进行（strainrejuvenation）。15.答：110 菌种保藏的基本原理是根据菌株的生理生化特点，人工创造一定的条件，尽量降低其生长代谢活动，使其处于休眠状态，以减少其变异。菌种保藏首先要挑选典型菌种的优良纯种，最好采用它们的休眠体(如分生孢子、芽孢等)，通过创造营养贫乏、缺氧、避光、干燥和低温等条件，使微生物的代谢活动降至最低程度，抑制其生长繁殖能力，保持菌种的优良性状。每种微生物因生理生化特性和对环境条件适应能力不同，适合采用的保藏方法也不一样。一种有效保藏方法,首先应能保持原有菌种的优良性状不变,同时还须考虑保藏方法的通用性和操作的简便性。以下为几种常用的菌种保藏方法。（1）斜面保藏法(preservationbyagarslant)将菌种接种于适宜的斜面培养基上，待充分生长后，把培养好新鲜菌种的试管置于4℃冰箱保藏。斜面保藏法是经典的保藏方法，使用最为普遍，该法简单易行，对大多数微生物都适宜，不需要特殊设备，可以随时观察保藏菌种的变化。但保藏的时间较短，如长期保存需每隔1-3个月重新转接一次，菌种容易衰退。（2）液体石蜡保藏法(preservationbyliquidparaffin)在生长良好的斜面或穿刺培养物表面覆盖无菌液体石蜡，液体石蜡液面以高出培养基最上端1cm左右为宜，将试管直立，置于4℃冰箱中保存。液体石蜡一方面可以防止培养基水分蒸发而引起菌株死亡，另一方面可隔绝培养物与空气接触，限制氧的供应，以降低菌株代谢活动，从而延长菌种的保藏期。此法适用于不能利用石蜡油作碳源的细菌、霉菌、酵母等微生物的保存，保存期约一年左右。（3）沙土管保藏法(preservationbysand)沙土管保藏法是利用细沙和贫瘠的土所创造的干燥条件，使能产生孢子或芽孢的微生物达到保藏目的。沙土管保藏法需制备沙土管，首先取河沙加入浓度为10%－20%的稀盐酸，加热煮沸30分钟，以去除其中的有机质，倒去盐酸，用水冲洗至中性，烘干，用40目筛子过筛，弃去粗颗粒；另取非耕作层的不含腐植质的瘦黄土或红土，水洗涤至中性，烘干，碾碎，100目筛子过筛去除粗颗粒；然后按一份土、三份沙的比例（或根据需要而用其他比例，甚至可全部用沙或全部用土）混合，把混匀的沙土分装入安瓿管或小试管中，高度为1厘米左右，塞上棉塞，进行灭菌，烘干；灭菌后抽检沙土管，经培养检查后无微生物生长即可使用。需要保藏的菌株先斜面培养，再将斜面孢子制成孢子悬液接入沙土管中或将斜面孢子直接与沙土混合，置干燥器中吸干沙中的水分，将干燥后的沙土管用火焰熔封管口，置冰箱或室内干燥处保存。其特点是干燥、低温、隔氧和无营养物。此法操作简单，保藏的效果也较好，适合于产孢子或芽孢的微生物，保藏时间可达数年，甚至数十年。（4）真空冷冻干燥保藏法(preservationbyvacuumfreezinganddrying)真空冷冻干燥保藏是在低温、干燥和缺氧的条件下保藏菌种。基本操作过程是先将充分生长的微生物制成悬浮液，再与保护剂混合，然后放在特制的安培管内，菌种经过-40℃低温速冻后，在低温下真空抽干，将菌液在冻结状态下升华其中水分，最后将安培管真空熔封，并低温保藏。为了防止冷冻干燥过程中细胞发生损伤和死亡，需要加入保护剂，一般常用的保护剂为脱脂牛奶或动物血清等。不同微生物适合的保护剂不同，不适宜的保护剂在保存过程中造成菌种的死亡率很高。真空冷冻干燥保藏法同时具备干燥、低温和缺氧的菌种保藏条件，使微生物的生长和代谢都基本停止，不易发生变异，所以菌种保藏时间较长，可达数十年之久。虽然这种保藏方法需要一定的设备条件，操作程序较麻烦，技术要求比较严格，但是存活率高，变异少，保藏效果好，普遍适用各种微生物，是国内外保藏中心采用的主要保藏方法。（5）液氮超低温保藏法(cryopreservationbyliquidnitrogen)液氮超低温保藏法是将生长良好的微生物制备成菌悬液，与保护剂混合，再密封于安瓿管中，经程序降温冻结后，置于-196℃—-150℃110 液氮中保藏。菌悬液可用终浓度为10％甘油或5％二甲基亚砜作为保护剂。液氮超低温保藏技术已被公认为当前最有效的菌种保藏技术之一，也是使用范围较广的微生物保藏方法，尤其是一些不产孢子的菌丝体，用其它保藏方法不理想，可用此法保藏。液氮保藏的另一大优点是可以利用各种培养形式的微生物进行保藏，不论孢子或菌体、液体培养物或固体培养物均可使用该法。由于微生物在-130℃以下，新陈代谢活动停止，而液氮的温度可达-196℃，远远低于-130℃，因此用液氮能长期保存菌种，并且保藏的菌种存活率较高。（6）低温保藏法(Cryopreservation)根据保藏温度不同分为普通冷冻保藏技术和超低温冷冻保藏技术。普通冷冻保藏技术是在密封性较好的螺口小管或离心管中加入1ml左右的菌液，封口后置于冰箱的冷藏室(-20℃)保藏，此方法保藏期约为1-2年。保藏过程中应注意控制保藏温度，已经解冻的菌种不能再用低温保藏，需重新移种后再冷藏，此法虽简便易行，但不适宜多数微生物的长期保藏，如果同时加入20%甘油溶液作为冷冻保护剂则效果较好。超低温冷冻保藏技术(-60—-80℃)与液氮超低温保藏法类似，菌悬液中加入等体积的20％甘油或10％二甲亚砜作保护剂，混匀后再分装于小离心管中，置-60℃以下低温保藏。超低温冷冻保藏是保藏微生物菌种最简单而有效的方法，基因工程菌常采用该法保藏。16.答：.环境温度与发酵中细胞的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等密切相。温度对微生物细胞生长和产物合成的影响是多方面的，不仅可以改变培养基的性质，而且还会影响细胞代谢过程中各种酶的活性。因此在发酵过程中必须保证稳定而适宜的温度。（1）温度影响微生物生长：因热平衡的关系，温度可以传递到细胞内，对微生物细胞内部的所有结构物质产生影响。微生物的生长表现是一系列复杂生化反应的综合结果，其反应速度受温度影响。（2）温度影响基质消耗：温度的改变可以影响基质的消耗与比生长速率。假定微生物比生长速率µ取决于糖的比消耗速率qs,则它们之间存在以下关系：qs=m+Bµ，式中m为维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖消耗速率。m与渗透压调节、代谢产物生成、转移性及除繁殖以外的其他生物转化等过程所需的能量有关。这些过程受温度的影响，所以m也和温度T有关。B为生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说明同样比生长速率下专门用于生长的糖耗越大。实际生产来中，需要适度地抑制菌体生长。这是因为最适温度会使菌体生长过量，超过发酵罐生产能力，导致整个生产菌的群体退化和产率下降。实际生产中，通过降低温度来控制µ在能耗上不划算，特别是发酵温度与环境温度接近时，更不能采用此法。其实，适当提高温度降低菌体生长速率，对生产节能更为有利。（3）温度影响产物合成：发酵过程中，温度对生长和产物合成的影响不同。从酶动力学角度来看，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快。但是，过高的温度会影响微生物酶的活性，酶会因过热而失去活性，以致菌体容易衰老，影响最终产量。温度除了直接影响发酵过程的各种反应速率外，还能改变发酵液的物理性质间接影响产物的合成。温度通过影响氧在培养液中的溶解度、氧传递速度、基质的传质速率及养分的分解与吸收速率等，间接影响产物的合成。为了使微生物的生长速度最快，实现代谢产物产率最高，在发酵生产过程中必须根据微生物菌种的特性，选择和控制最适温度。110 另外，发酵温度选择还与培养过程所用培养基成分和浓度有关。当使用浓度较低或较易利用的培养基时，提高温度会使营养物质过早耗尽，导致微生物细胞过早自溶，使产物的产量降低；而对那些难以利用的营养成分，提高温度则有利于微生物生长与产物的形成。在红霉素的发酵过程中，当以玉米浆作为培养基时，提高发酵温度的效果就比采用黄豆粉的效果差，其原因是黄豆粉培养基难以利用，提高温度有利于细胞对其加以利用。发酵温度的选择还与通气条件有关。在通气条件较差的情况下，最适发酵温度也可能比正常良好通气条件下要低一些。这时由于处于较低温度，氧溶解度相应要大些，同时微生物的生长速度也比较小，从而弥补了因通气不足而造成的代谢异常。总之，在各种微生物的发酵过程中，各阶段的最适温度选择要综合考虑。需通过大量实验和生产实践掌握发酵规律。在工业生产实践中，掌握了最适温度的控制而使产量大幅提高的案例不胜枚举。近年借助于计算机模拟最佳发酵条件，根据发酵各阶段的特性，控制不同的温度进行发酵，已成为业内争相使用的先端技术之一。17.答：发酵生产中控制溶氧的主要手段列表手段名称做法以及控制溶氧的原理改变通气速率(增大通风量)(increasethequantityofventilation)改变通气速率主要是通过变化KLα来改变供氧能力。包括：①在低通气量情况下，增大通气量对提高溶氧浓度具有显著效果；②在空气流速已较大情况下，再增加通气速率，作用不明显，有时会产生副作用，如泡沫形成、水分蒸发、罐温增加、逃夜以及染菌几率增加等。改变搅拌速度(changethestirringspeed)可以从以下方面改善溶氧速率：①搅拌可使大的气泡打碎成为微小气泡，增加氧与液体的接触面积，而且小气泡上升速度比大气泡慢，相应地氧与液体接触的时间延长；②使液体作涡流运动，使气泡作螺旋运动上升，延长气泡运动路线，增加气液接触时间；③使发酵液呈湍流运动，减少气泡周围液膜厚度和液膜阻力，增大KLα值；④使菌体分散，避免结团，利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一，也减少菌体表面液膜的厚度，利于氧的传递。改变气体组成(changethegascompositio)通入纯氧改变空气中氧的含量，提高C*值，从而提高供氧能力。纯氧成本高，平时不用，关键时刻此法可行。菌体的摄氧率达到高峰阶段，采用富氧气体改善供氧状况是可行的。如溶氧低于临界值时，短时间内加入纯氧是行之有效的。此法在实验室动植物细胞培养中已被采用。对于高附加值产品的发酵亦可采用此法。大规模生产中可采用除去空气中氮气，提高氧分压。改变罐压(changethetankpressure)增加罐压实际上就是改变氧分压Po2来提高C*，从而提高供氧能力。但不是十分有效，主要原因是：①提高罐压就要相应地增加空压机的出口压力，也就是增加了动力消耗；②发酵罐的强度也要相应增加；③提高罐压后，产生的CO2溶解量也要增加（它在水中的溶解度是氧的30倍），会使培养液的pH值发生变化。这些对菌体生产都极为不利。110 改变发酵液的理化性质（changethephysicalandchemicalpropertiesoffermentationliquid）①在发酵过程中，菌体的繁殖及代谢可引起发酵液性质不断改变。表现为改变发酵液表面张力、粘度及离子强度等，影响发酵液中气泡大小、气泡的溶解性、稳定性以及合并为大气泡的速率；②发酵液性质还影响液体的流动及界面或液膜的阻力，显著地影响氧的溶解速度；③发酵液中菌丝浓度所引起的表观粘度的增加，也可使通气速率下降。培养基的丰富程度(mediumrichness)①发酵液性质限制氧传递时，就应改善发酵液的性质，如加入消沫剂、补加无菌水、改变培养基的成分等都可以改善通气效果，以适应菌体的生长；②有人在气升式生物发酵罐中通过改变培养基成分、降低黏度提高溶氧值、从而使泰乐菌素的发酵单位增加2.5倍；降低发酵温度降低发酵温度可以得到较高的溶氧值。这是由于氧在水中的饱和溶解度（C*）的增加，使供氧方程的推动力（C*-CL）增加和降低了菌体的呼吸强度。但是由于氧传递的温度系数比生长速率的温度系数小，所以采用降温方法提高溶氧值的前提是对产物合成没有副作用。控制最适菌体浓度(controltheoptimalbacteriaconcentration)菌体浓度是影响需氧量的主要因素之一。发酵液的摄氧率是随菌体浓度的增加而按比例增加的，但是氧的传递率是随菌浓的对数关系而减少。因此，应控制菌体的比生长速率比临界值略高的水平，使其达到最适浓度。这是控制最适溶氧浓度的重要方法。通过控制基质的浓度来控制最适的菌体浓度，降低菌体的生长速率，间接提高溶氧水平，这是比较“消极”的办法。但是，从总经济效益出发，在设备供氧条件已定的情况下，控制菌体生长量使发酵液溶氧量不低于临界氧值，从而提高菌体的生产能力也可达到高产的目的加入传氧中间介质(addtheoxygentransferringintermediate)传氧中间介质一般是不溶于发酵液的液体，呈乳化状态来提高气液相之间的传递，即：在气液之间起到了氧传递的促进作用。传氧中间介质包括：血红蛋白、烃类碳氢化合物(煤油、石蜡、甲苯与水等)和含氟碳化物等。18.答：据被菌体利用的速度快慢，分为迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源。前者能较迅速地参与代谢、合成菌体及产生能量，并产生分解产物（如丙酮酸等），利于菌体生长。但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻碍作用。缓慢利用的碳源，多数为聚合物，被菌体缓慢利用，利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，被许多微生物药物的发酵所采用。碳源的浓度对发酵也有明显影响。由于营养过于丰富所引起的菌体异常繁殖，对菌体的代谢、产物的合成以及氧的传递都会产生不良的影响。若产生阻遏作用的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的抑制。反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物合成就会停止。氮源像碳源一样，也有迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源。前者如氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）和玉米浆等，后者如黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉等蛋白质。它们的作用不同。速效氮源容易被菌体所利用，促进菌体生长。但是对某些代谢产物的合成，特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。110 磷是细胞生长繁殖和合成代谢产物必需的成分。微生物细胞良好生长允许的磷酸盐浓度为0.32-300mmol。良好合成次级代谢产物所允许的最高平均浓度为1.0mmol，提高至10mmol就明显抑制合成。相比之下，菌体生长所允许浓度范围比次级代谢产物合成允许的浓度范围大。因此，控制磷酸盐浓度对微生物次生代谢产物发酵而言至关重要，磷酸盐还影响中间产物相关酶的活性，从而间接影响产物产量。18.流加补料可分为补充生产菌株所需的碳源、氮源、微量元素或无机盐以及诱导底物等。发酵过程中流加补料的原则是控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。所以，需根据微生物的生长和代谢以及生物合成规律，利用流加补料的措施给予生产菌株适当的调节，使之能够在合成阶段利用足够且不过多的营养基质，维持正常代谢以及产物合成。近年来对补料方法、时机和数量以及料液成分、浓度等都进行了深入研究。一般采用一次大量或多次少量或连续流加的方法；一次性大量补料方法虽然操作简单，相比分批发酵有所改善，但会使发酵液瞬时被大量稀释，扰乱细胞的生理代谢，难于控制发酵过程处于最佳状态。少量多次虽然操作麻烦，但更为合理，被绝大多数发酵企业所采用。补料方式包括：连续流加、不连续流加、多周期流加和脉冲式流加等。每次流加又可分为：快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流加。从反应器发酵体积来看，可分为：变体积补料和恒体积补料；从反应器数目来看，可分为：单级补料和多级补料。从补加成分来看，可分为：单组分补料和多组分补料等。指数流加发酵（exponentialfed-batchfermentation）被认为是最成功的基因工程菌高密度培养的方法。微生物理想的生长模式是菌体量相对时间以指数函数增加，因此，可以使流加物料量以时间的指数函数增加。间歇补料、恒速流加补料和指数补料等不同方式既影响菌体的生物量，也影响发酵产物的合成。下面是几种补料分批发酵方式对酵母菌发酵生产谷胱甘肽（GSH）的影响。恒速流加的实验结果：由于以恒定流速加入葡萄糖，解除了底物抑制、产物反馈抑制和葡萄糖阻遏效应，延长了菌体的生长周期，增加了菌体浓度和GSH产量。指数流加的实验结果：指数流加有利于酵母菌体的生长。72小时后，发酵液中可达到极高的菌体浓度。然而，经与恒速流加补料比较，采用指数流加方式培养获得的酵母菌体中GSH有所降低，发酵液中GSH总量增加不大。这可能是后期较高的葡萄糖流加速度抑制了GSH的合成。19.答：噬菌体则极易污染发酵生产，导致发酵异常，造成严重损失。一个新的发酵工厂往往在投产不久便出现噬菌体污染，造成生产混乱。事实上，当有许多细菌存在时，相应的噬菌体就会马上出现，其浓度在自然条件下很容易增高。溶源性细菌的一部分菌体细胞中的噬菌体DNA在自然因素诱导下，能与细菌染色体和其他附着处分离、增殖，演变为感染噬菌体。噬菌体污染后造成的损失，因发酵企业的种类、污染时间、污染程度等条件的不同而异。一般来说，噬菌体引起的发酵异常有以下几种情况：①污染较轻或在发酵末期污染，使发酵过程减慢或降低发酵产率；②细菌在对数生长期受到污染，且污染量大，将造成细菌裂解，最终导致发酵被迫终止；③噬菌体污染后可以观察到糖消耗减慢、pH变化异常、产气减少、发酵液稀薄，具活性的生产菌体数量减少。噬菌体污染的防治：（1）防止噬菌体入侵(preventthephageintrusion)和蔓延、（2）选用抗噬菌体突变株(antiphagemutant)、（3）使用抑制噬菌体复制的化学药物(chemicalsinhibitingthephagereplication)。110 20.答：Monod模型方程为：式中，μ为比生长速率，s-1；μmax为最大比生长速率(maximumspecificgrowthrate)，s-1；cs为限制性底物的质量浓度，有时也使用S表示，g/L；Ks为饱和常数(saturationconstant)，g/L。对其它情况，则需在动力学实验的基础上重新关联细胞生长与环境的关系。因此，提出了其他的非结构生长模型。如Tessier方程：Moser方程：Contois方程：Blackman方程：当cs>>2Ks时，μ≈μmax；当cs＜2Ks时，LogisticLaw方程：研究表明，如果初始底物浓度过高，细胞的比生长速率亦会降低。其原因是培养体系的渗透压和离子强度因底物浓度过高而变大，跨膜运输体系受到抑制，或者某些在低底物浓度时不易积累的抑制性副产物的大量积累所致。为此提出下述表达式：或式中，cs0为底物初始浓度；Ks0为无量积常数。μmax和Ks是Monod方程的两个重要参数。μmax称为最大比生长速率，可视为细胞在底物过量时的比生长速率。Ks则是细胞对限制性底物亲和性的一种度量，Ks值的大小除与微生物种类有关外，还与底物的类型有关。实验结果显示出：ks值一般较小，对糖类底物常以毫克每升计，对氨基酸类则以微克每升计。而培养基中限制性底物浓度一般很高。其结果，比生长速率μ与限制性底物浓度cs的关系近似为零级动力学，此时，μ与cs无关，一般认为，当此时cs>10Ks时，存在μ≈μmax。对Monod方程参数的测定方法如下：110 (1)将Monod方程转化为线性方程的形式：或以1/μ对1/cs作图，可确定动力学参数。（2）将Monod方程按E-H作图法改写为：以μ对作图，（3）为了减少误差，将公式改写为：作图表示，此法又常称为Langmuir作图法。110 21.答：1）生长关联型：这一类型是由碳原直接氧化进行的初级代谢物的生产,其合成动力学可表为：dP/dt=αμX；α为生长关联型产物的形成比率(ｇ产物/ｇ菌体)｡由此可得出产物合成比速率(Qp)：Qp=dP/Xdt=αμ由于,dP/dt=αμXAndQp=dP/Xdt=αμ所以,产物合成速度dP/dt与比生长速率和菌体浓度成正比。产物的比合成速率Qp,仅与比生长速率成正比。故：对于生长关联型产物而言,应通过获得高比生长速率来提高产物合成的速度。2）部分生长关联型：菌体生长和产物合成是分开的。发酵过程可分为两阶段。第一阶段为菌体生长阶段,菌体生长与基质消耗成正比,无产物生成。第二阶段为产物合成阶段，产物的合成,菌体的生长和基质的消耗成正比,但菌体生长量比前一阶段要小。某些氨基酸和柠檬酸的发酵属于此种类型,这类发酵的动力学行为可表示为：dP/dt=αμX+βXQp=dP/Xdt=αμ+β；β为非生长关联型产物形成常数(ｇ产物/ｇ菌体･h)｡故：产物形成的速度分别受生长关联和非生长关联常数α和β的影响｡3）非生长关联型,产物为次级代谢产物,特征是产物合成与利用碳源无准量关系，产物合成在菌体生长停止及底物耗完之后才开始,也分为两个阶段,第一阶段生长占主导地位,生长与基质消耗成正比,无或有少量产物生成;第二阶段产物合成为主,少量生长或不生长或负生长以及少量基质消耗。抗菌素、维生素等的发酵属于此种类型,这类发酵的动力学行为可表示为：dP/dt=βXQp=dP/Xdt=β110 故：产物形成速度只同已有的菌体量有关,比生长速率对产物合成速率没有影响。22.答：相对于分批发酵的封闭培养系统(closedculturesystem)和补料分批发酵的半开放培养系统(semi-openculturesystem)，连续发酵是一个开放的培养系统(openculturesystem)。它可以根据发酵目的，把微生物分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。连续发酵的方式可分成开放式连续发酵系统(continuousfermentationwithanopensystem)和封闭式连续发酵系统(continuousfermentationwithaclosedsystem)。在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使用，则该装置叫做循环系统(cyclicsystem)，否则称非循环系统(non-cyclicsystem)。根据理想混合状态，开放式连续发酵系统又可分成全混流混合(completely-mixed-flowmixing)和平推流混合(plug-flowmixing)，前者一般在带有搅拌装置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵(continuousfermentationwithtankreactor)；后者一般在管式反应器中进行发酵，称管式连续发酵(continuousfermentationwithvesselreactor)。此外还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵(continuousfermentationwithtowerreactor)。封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用，也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。膜连续发酵是典型的封闭式连续发酵，它是采用一种只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞的有机膜将发酵设备分隔，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物通过膜连续不断地从另一间隔流出。对于具有产物抑制的连续发酵体系，采用膜发酵的方法可不断移出代谢产物，从而提高产品得率。罐式连续发酵的理想型为连续搅拌釜式反应器（continuousstirredtankreactor，CSTR），根据发酵罐数量的多寡，罐式连续发酵又可分成单罐连续发酵(single-tankcontinuousfermentation)和多罐串联连续发酵(Multi-tankContinuousFermentation)。管式连续发酵体系的理想型为活塞流反应器（plusflowreactor,PFR），管式连续发酵体系的管道形式有多种，如水平管式反应器(horizontaltubularreactor)、立式管式反应器(verticaltubularreactor)盘管式反应器(coiledtubularreactor)110 等。在管道反应器中不断流加培养液和从罐式连续发酵系统流出的发酵液，使微生物在其中生长。这种连续发酵方法主要用于厌氧发酵。如在管道中用隔板加以分隔，就相当于多罐串联的连续发酵。塔式发酵罐(towerfermentor)有两种：一种是用多孔板将发酵罐分隔成若干室的板式塔反应器(platetowerreactor)，这样一台多孔板塔式发酵罐就相当于一组多级串联的连续发酵装置。另一种是在罐内装填细胞固定化载体，使菌体在上面生长的填料塔反应器(packedtowerreactor)，这种形式仍然属于单罐式。膜连续发酵，膜生物反应器可以分为：（1）分离膜生物反应器（BiomassSeparationMembraneBioreactor，BSMBR）；（2）无泡曝气膜生物反应器（MembraneAeractionBioreactor，MABR）；（3）萃取膜生物反应器（ExtractiveMembraneBioreactor，EMBR）。其中BSMBR是目前研究和应用最为广泛的膜生物反应器，其所使用的膜组件主要功能是进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应器继续发酵，水透过膜排出。MABR由中空纤维膜填料部分和水流部分组成，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。EMBR则是采用萃取膜将废水中有毒、有害或溶解性差的物质进行萃取后，采用专性细菌对其进行单独降解，废水与活性污泥被膜隔开来，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，从而使专性细菌不受废水中离子强度和pH的影响。23.答：分批灭菌的设备:分批灭菌可在所用的发酵罐中进行。将培养基在配料罐中配好，通过专用管道用泵打入发酵罐，开始灭菌。通用式发酵罐常见的管路配备：一般有空气管路和排气管路，取样用的取样管道，放料用的出料管道，接种管道，消泡剂管道，补料管道等。发酵罐传热用的夹套或蛇管，因采用间壁传热而与发酵罐内部不相同。确保设备的严密是防止染菌污染的重要措施。因此，在空罐或实罐灭菌前，发酵罐及附属设备必须全面进行严密度检查，在确实无渗漏情况下才开始灭菌。灭菌时应注意温度与气压是否对应。培养基及发酵设备的灭菌包括分批灭菌（也称实罐灭菌或实消）、空罐灭菌（空消）(sterilizationoffermenter)、连续灭菌（连消）和过滤器及管道灭菌等。保证分批灭菌的成功，必须满足以下条件：①内部结构合理（无死角），焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象；②蒸汽压力稳定；③操作方法合理。在培养基灭菌之前，通常应先将与罐相连的空气分过滤器用蒸汽灭菌并用空气吹干。实罐灭菌时，先将输料管路内的污水放掉冲净，然后将配置好的培养基泵至发酵罐（种子罐或料罐）中，同时开动搅拌器进行灭菌。灭菌前先将各排气阀打开，将蒸汽引入夹套或蛇管进行预热，待罐温升至80~90℃后，将排气阀逐渐关小。接着将蒸汽从进气口、排料口、取样口直接通入罐中（如有冲视镜管也同时进气），使罐温上升到118~121℃，罐压维持在0.09~0.1MPa（表压），并保持30min左右。各路进气要通畅，防止短路逆流；罐内液体翻动要激烈；各路排气也要通畅，110 但排气量不宜过大，以节约用气量。在保温阶段，凡进口在培养基液面以下的各管道及冲视镜管都应进气；凡开口在液面之上者均应排气。无论与罐相连的管路如何配制，在实消时均应遵循“不进则出”的原则，这样才能保证灭菌彻底，不留死角。保温结束后，依次关闭各排气、进气阀门，立即引入无菌空气以保持罐压，然后开夹套或蛇管冷却水冷却。在引入无菌空气前，应注意罐压必须低于过滤器压力，否则物料将倒流入过滤器内，后果严重。灭菌时，总蒸汽管道压力要求不低于0.3~0.35MPa，使用压力不低于0.2MPa。空罐灭菌（空消）(sterilizationoffermenter)是发酵罐罐体的灭菌。空消时一般维持罐压在0.15~0.2MPa，罐温125~130℃，保持30~45min；要求总蒸汽压力不低于0.3~0.35MPa，使用压力不低于0.25~0.3MPa。分批灭菌的计算：分批灭菌的过程包括升温、保温和降温三个阶段，灭菌主要是在保温过程中实现，升温阶段后期也有一定的灭菌作用。培养基的升温，可以在夹套或蛇管内通入蒸汽间壁加热，也可以直接将蒸汽通入培养基中，或两者兼用。但直接通蒸汽会因冷凝水的加入改变灭菌后培养基的体积。培养基的保温阶段是灭菌的主要时段。习惯上，把保温时间看为灭菌时间。分批灭菌所涉及的计算主要是灭菌时间计算和热量计算。分批灭菌时间的确定应参考理论灭菌时间作适当延长或缩短。如果仅考虑保温时段的灭菌作用，根据公式理论灭菌时间t=1/KlnN0/Nt=2.303/KlogN0/Nt，其中为灭菌速率常数，单位：s-1，取决于灭菌温度和灭菌对象，通常以耐热芽孢杆菌为灭菌对象，则为灭菌温度的单一函数，其计算如下：而为灭菌结束时培养基中活微生物数，一般取0.001个，即灭菌失败的概率为千分之一。为灭菌开始时培养基中活微生物数，可以参考一般培养基中的活微生物数为每毫升（1~2）×107个而取得。24.答：在通风搅拌发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用通入发酵罐的空气代替搅拌器使发酵液均匀混合，所以设计这种通风搅拌发酵罐时，如何利用空气的动力使气泡细碎和分布均匀是要考虑的主要问题。通风搅拌发酵罐的结构简单，它的动力消耗比机械搅拌低，起初仅用于酵母生产。我国试验成功了几种通风搅拌发酵罐以代替机械搅拌，如：空气喷射式、回转喷射式及空气带升式发酵罐等，应用在某些品种的发酵上，从而扩大了通风搅拌的应用范围。通风搅拌发酵罐也有循环式和非循环式之分。循环式又有外循环式和内循环式两种，非循环式又有排管式、喷射式和回转喷射式三种。现分别叙述于后。（一）循环式通风发酵罐循环式通风发酵罐系列利用空气的动力使液体在循环管中上升，并沿着一定路线进行循环，所以这种发酵罐也叫空气带升式发酵罐。与通用式发酵罐比较，它具有以下优点：1）发酵罐内没有搅拌装置，清洗方便，加工容易；2110 ）由于取消了搅拌用的电机，而通风量与通用式发酵罐大致相等，所以动力消耗有很大降低。带升式发酵罐有内循环和外循环两种。循环管有单根的也有多根的。对于外循环式发酵罐发酵液的冷却是在循环管外用喷淋冷却或夹套冷却，而内循环式发酵罐则需在罐内加蛇管（或列管）或在罐外用夹套冷却。发酵液在环流罐内循环一次所需要的时间，称为循环周期。培养不同的微生物时，由于菌的秏氧速率不同，所要求的循环周期亦有所不同。据报道，黑曲霉发酵生产糖化酶时，当菌体浓度为7%时，循环周期要求2.5~3.5min，不得大于4min，否则会造成缺氧而使糖化酶活力急剧下降。如上所述，空气带升式发酵罐的循环周期有一定的范围，对于某些强呼吸菌种，需要较短的循环周期才能使发酵罐内微生物不致缺氧，在这种情况下，不可能无限制地增加空气的压力和流量，此时就必须采用机械方法（循环管上增设泵或螺旋桨）来输送液体加大循环量。气升式发酵罐，与机械搅拌式生化反应器相比，气升式微生物反应器的主要优点是：①省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌；②反应器结构简单；③功率消耗小；④减少了剪切作用对细胞的损害；⑤溶氧速率高，KLα可达1000h-1。（二）排管式发酵罐用于酵母培养的排管式发酵罐是一种敞口式发酵罐罐内装有多排冷却蛇管，罐中央有一根垂直的供气管（总风管），下接一根水平的分风管，分风管下面又接一排支风管，排满于罐底，支风管与罐底的距离约为200mm，支风管上开有许多向下的小孔。小孔直径一般为2~4mm，小孔总面积约为总风管截面积的1.25倍。空气从小孔喷出，供给氧气并使发酵液翻动。由于小孔均匀分布在罐底的整个截面上，所以空气的分布是均匀的，但气泡的细碎化程度并不理想，因而此种发酵罐的空气利用率很低，每立方米发酵液约需120~160m2/h的空气。排管式发酵罐所需的通风量比较大，通常采用离心式或罗茨式鼓风机。（三）喷射式发酵罐喷气式发酵罐的底部装有旋涡式空气喷射器，空气从喷射器喷嘴喷出时同时作旋转运动，带动发酵液旋转，增加混合效果。压缩空气沿切线方向进入喷射器，其回转切线速度为17~37m/s，至喷口呈锥形喷出，喷出速度为60~130m/s（均按空气的吸入状态计）。喷嘴直径一般取5~6mm。过小易被培养基堵塞而且压力降太大；过大则喷出速度小，气泡与液体的相对速度也小，大气泡就不易分裂，气液接触的界面阻力也随之增大，对氧的溶解不利。空气喷射器通常安装在离罐底250~400mm距离之间，过高则罐底部分的培养基易于沉积，过低则由喷射器喷出的气流直接冲击罐底钢板使之很快磨损。喷射器在罐内布置原则是不使集中在罐的某一局部，而应大体上在整个罐的截面上均匀分布。此种以空气喷射代替机械搅拌的发酵罐曾在10m2发酵罐上应用，对于培养液中固形物浓度较低的发酵液（如杀螟杆菌、土霉素），已取得较好的效果。（四）回转喷射式发酵罐回转喷射式发酵罐是在上述喷射式发酵罐结构的基础上发展改进而成。由于喷射式发酵罐的空气喷嘴固定不动，使部分发酵液翻动不均匀，而回转喷射式发酵罐的空气喷嘴能够转动，因此空气的分布比较均匀。由于空气从喷嘴中喷出的反作用力使分布器的转臂和转动风管旋转，在空罐中通气时转速在200r/min以上，在发酵液中由于受流体阻力的影响，转速降低至30~60r/min之间，空气自喷头喷出的初速度为90~140m/s(按空气的吸入状态计)。空气离开喷头出口时，其流速减低静压增加，转臂转动使风管获得动能而旋转。喷孔直径大致取6~7mm。发酵罐的结构和空气分布器在罐内的配置见图。为了提高氧的利用率，在分布器的上部及罐体四周装有圆形及环状筛板，减少固形物沉积，使空气气泡在罐内的停留时间延长，提高空气利用率。优点：110 通风搅拌代替机械搅拌，投资少，动力消耗省，简化设备、减少检修费；缺点：空气利用率较差；溶氧系数较低；罐底有少量固体沉积物不能被微生物利用，仅对固体含量和浓度较低的某些菌种的发酵有较好的效果（五）高位塔式发酵罐是一种类似塔式反应器的发酵罐，其H/D值约为7左右，罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。特点是省去了机械搅拌装置，如培养基浓度适宜，而且操作得当的话，在不增加空气流量的情况下，基本上可达到通用式发酵罐的发酵水平。国内工厂曾用过容积为40m2的高位塔式发酵罐来生产抗生素，该罐直径2m，总高位14m，共装有筛板6块，筛板间距为1.5m，最下面的一块筛板有10mm直径的小孔2000个，上面5块筛板各有10mm小孔6300个，每块筛板上都有一个直径为450mm的降液管，在降液管下端的水平面与筛板之间的空间则是气—液充分混合区。由于筛板对气泡的阻挡作用，使空气在罐内停留较长时间，同时在筛板上大气泡被重新分散，进而提高了氧的利用率。高位塔式发酵罐由于省去了机械搅拌装置，其造价仅为一般通用式发酵罐的1/3左右，操作费用也相应降低。25.答：1）色谱分离亦称色层分离或色谱分离，它是一种物理分离方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质(如吸附力、分子极性、分子形状和大小、分子亲和力等)的差别，使各组分以不同程度分布在两相中。其中一相是固定的，称为固定相；另一相则流过此固定相，称为流动相。当多组分混合物随流动相流动时，由于各组分物理化学性质的差别而以不同的速率移动，使之分开；2）吸附色谱为利用固定相介质表面的活性基团对不同溶质分子发生吸附作用的强弱进行分离方法。固定相基质是颗粒状的吸附剂。在吸附剂的表面存在着许多随机分布的吸附位点，这些位点通过范德华力和静电引力与生物分子结合，其结合力的大小与各种生物分子的结构和吸附介质的性质有密切关系；3）离子交换色谱以离子交换剂作为固定相，液体为流动相的系统中进行的物质分离。子交换剂与水溶液中离子或离子化合物的反应主要以离子交换方式进行，或者借助于离子交换剂上电荷基因对溶液中离子或离子化合物的吸附作用进行；凝胶色谱（排阻色谱、分子筛色谱）是利用生物大分子的分子量差异进行的色谱分离方法。介质主要是以葡聚糖、琼脂糖、聚丙烯酰胺等为原料，通过特殊工艺加工成色谱介质。已成为生物医药领域科研和生产必不可少的分离介质。凝胶色谱介质是内部具有大孔网状结构的凝胶微粒，不同大小的网状孔径像筛子，可以把不同大小的生物大分子按一定的顺序进行分离，分子量大分子由于不能进入或不能完全进入凝胶内部，而沿着凝胶颗粒间的空隙或大的网状孔通过，大分子迁移的路径近短，在柱内停留的时间少、在色谱过程中迁移率快，走在小分子的前面，先从色谱柱中流出。26.答：110 用于生物物质分离纯化的方法除了传统的沉淀法、吸附法、离子交换、萃取法等之外，还有超滤、反渗透、电渗析、凝胶电泳、离子交换层析、亲和层析、疏水层析，等电聚焦、双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取、凝胶层析等。名称方法原理特点结晶法结晶法利用只有同类分子或离子才能排列成为晶体的性质进行物质分离选择性好，成本低，设备简单，操作方便，广泛应用与抗生素等的分离层析法离子交换层析依据被分离物质各组分的电荷性质，数量以及与离子交换剂的吸附和交换能力不同而达到分离的目的适用于带有电荷的大、中、小及生物活性或非生物活性物质的分离纯化，纯化效率较高，可柱式或搅拌式操作。应用广泛，常用于实验室和工业生产吸附层析法依据范德华力，极性氢键等作用力将分离物吸附于吸附剂上，然后改变条件进行洗脱，达到分离纯化的目的吸附色谱可柱式或搅拌式操作，吸附剂种类繁多，可选择范围和应用范围广。吸附和解吸的条件温和，不需要复杂的再生。亲和层析法依据目的产物与专一性配基的专一性相互作用进行分离选择性较高，纯化倍数和效率高。可从复杂的混合物中直接分离目的产物。疏水层析法依靠疏水相互作用进行分离选择性较好，使用稳定性好，应用较广。凝胶层析法依据分子大小不同进行分离分离条件温和，活性收率较高，应用广，选择性和分辨率高，适合于生物大分子的分离纯化。萃取法有机溶剂萃取法依靠产物在水和有机溶剂中的分配系数的差异进行分离适用于有机化合物及结合有脂质或非极性侧链的蛋白质等的分离。其中反胶团系统较适合生物活性物质的萃取萃取法沉淀法双水相萃取法依据目的物在不相容的聚合物或无机盐溶液形成的两相中的分配系数不同而进行分离可连续或批式操作，设备简单，萃取容易，操作稳定，易放大，适合于大规模应用。反胶团萃取法利用表面活性剂形成的“油包水”微粒，对蛋白质等进行分离。有一定的选择性，操作简单，萃取能力大凝胶萃取法利用凝胶可发生可逆非连续的溶胀和皱缩以及对所吸收的液体具有选择性的性质进行分离设备简单，能耗低，再生容易，有良好的应用前景110 超临界流体萃取利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时形成的超临界流体作为溶剂进行萃取萃取能力大，速度快，可通过控制温度和压力来改变对某些物质的选择性。有机溶剂沉淀法利用有机溶剂破坏蛋白质分子的水化壳，使之聚集成更大的分子而沉淀可用于沉淀各种蛋白质，可实现分级沉淀，达到粗分离和浓缩的目的。操作简便，可大规模应用沉淀法盐析法利用无机盐破坏蛋白质分子的水化层，中和表面电荷，使之聚焦成更大的分子团而沉淀可用于蛋白质分级沉淀或沉淀、粗分离及浓缩作用，对生物活性有一定的保护作用，方法简便，可大规模应用。化学沉淀法通过化学试剂与目的产物形成新的化合物，改变溶解度而沉淀可针对性沉淀目的产物等电点沉淀法利用等电物质在等电点时溶解度最小的原理，在低的离子强度下，调节pH至等电点使蛋白质等所带的电荷为零，沉淀分离。方法简单有效，成本较低，是常用的粗分离方法27.答：实验室研究目的：研究菌种的保藏；研究菌株在固体培养基上培养和繁殖条件；考查培养基最适组成；实验室规模的培养技术。实验室试验就是利用前述的设备尽可能得到培养新菌株或实施新工艺的最佳发酵条件；工业发酵过程研究目的是：工厂生产规模，进行大规模生产，取得经济过程。微生物摇瓶与罐培养的差异：（1）体积氧传递系数（KLα）和溶解氧的差异，由于微生物发酵多数是需氧发酵，而表示氧溶入培养液速度大小的溶氧系数（Kd）（以大气压作推动力，采用亚硫酸盐氧化法测定的溶氧系数叫做亚硫酸氧化值Kd）在摇瓶发酵和罐发酵中的差异很大，见表。摇瓶装料系数不同，Kd值也可能差几倍。罐中的（Kd）一般都大于摇瓶。由于（Kd）值不同，使各自培养液的溶氧浓度也不同，因而对菌体代谢就会产生重要的影响。特别是对溶氧要求较高而又敏感的菌株，在罐中发酵的生产能力就可能比在摇瓶中高。（2）CO2浓度的差异，发酵液中CO2既可随空气进入，亦是菌体代谢产生的废气。CO2在水中的溶解度随外界压力的增大而增加。发酵罐处于正压状态，而摇瓶基本上是常压状态，所以罐中培养液的CO2浓度明显大于摇瓶。已知CO2对细胞呼吸和某些微生物代谢产物（如抗生素、氨基酸）的生物合成有较大的影响。（3）菌丝受机械损伤的差异，摇瓶培养时，菌体只受到液体的冲击或沿着瓶壁滑动的影响，机械损伤很轻。而发酵罐时菌体特别是丝状菌，却受到搅拌叶的剪切力的影响而受损。其受损程度远远大于摇瓶发酵，并与搅拌时间的长短成比例。增加培养液的粘度，仅能使损伤程度有所减轻。丝状菌受损伤以前，菌体内的低分子核酸类物质就出现漏失，高分子核酸的量也相对减少，进而影响菌体110 代谢。综上所述，上述三个原因就可能造成摇瓶发酵与罐发酵结果之间存在着差异。如果菌丝要求较高的KLα值和溶解氧时，罐中生产能力就有可能高于摇瓶，并随KLα和溶氧水平上升而提高，如果菌株对机械损伤是比较敏感的，则罐中生产能力就会低于摇瓶，并随搅拌能力增强而降低。有时菌株对溶氧和搅拌强度都敏感，其结果就随发酵罐的特性而不同。消除这种规模发酵结果的差异，使摇瓶发酵结果能反映罐上的结果，是一个很重要的问题。根据已有的实践经验，可以在摇瓶实验中从上述三个方面模拟罐上发酵的条件。为提高摇瓶的Kd和溶氧水平，可以增加摇瓶机的转速和减少培养基的装量。28.答：发酵规模改变对发酵本身的影响表现在以下几方面（1）菌体繁殖代数的差异。体积愈大菌体需要繁殖代数也愈多。在菌体增代繁殖过程中有可能出现变株，繁殖代数愈多，出现变株的机率愈多，特别是不稳定或不纯的菌株更是如此。所以发酵液中变株的最后比例是随发酵规模增大而增加，这就可能引起发酵结果的差异；（2）培养基灭菌的差异。培养基热灭菌的基本技术是分批灭菌和连续灭菌。分批灭菌的过程分为三个时期：预热期、维持期和冷却期。培养基体积越大，预热期和冷却期也愈长。整个灭菌所耗的时间也因规模增大而延长，致使灭菌后的培养基质量发生改变，特别是热不稳定的时期更易遭到破坏，最终也会引起发酵结果的差异；（3）通气与搅拌的差异。发酵规模的改变，发酵参数仍按几何相似放大，其单位体积消耗的功率（影响大小）、搅拌叶的顶端速度（即最大剪切速度）和混合时间均不能在放大后仍保持恒定不变，因而也产生影响；（4）热传递的影响。发酵过程中，菌体代谢要释放出热能，量输入的机械功（含搅拌和气体喷射）也要产生热能，由于这两种主要产热机制，使整个发酵过程总是不断的产生热能。所释放出的总热量，又随着发酵罐线形尺寸的立方而增加。罐的面积又随线形尺寸平方而增加。因此罐规模几何尺寸的放大，也会出现热传递的差异；（5）种子形成的差异。发酵罐接种的种子也必须要有一定的体积和菌浓。规模愈大，所需种子液体积也愈大。因此，发酵规模的放大，必须要涉及种子培养的级数和菌种繁殖的代数，规模愈大、种子培养液级数也愈多。因而有可能引起种子质量的差异。综上所述，发酵放大过程，不仅是单纯发酵液体积的增大，菌种本身的质量和其它发酵工艺条件也会引起改变。如果不设法消除上述的差异，放大前后的结果就会发生明显的差异。因此，无论在进行发酵设备规模的放大，或者在新菌种（或新工艺）的放大转移中，都必须考虑上述的内在差异，寻找引起差异的主要原因，设法缩小其差异，才能获得良好的结果。29.答：放大原理：放大必须要使菌体在大、中、小型的罐中所处的外界环境完全一致。这就涉及到物理学基础和生物学基础。1）物理学基础：作为放大的参数的挑选要因对象的不同而不同，应该选择对发酵影响比较敏感的参数作为依据。可供选择的放大参数有：①液体体积氧传递系数KLα；②单位体积输入功率P/V；③搅拌器的顶端速度；④混合时间；⑤雷诺准数或动量因素；⑥关键外部因素的反馈抑制等。2）生物学基础：大多数微生物发酵生产中，其产物的相对浓度既受单位体积发酵液的输入功率P/V的影响，也受液相体积氧传递系数KLα的影响。其相对浓度随KLα或P/V110 增大而增大，达到最大值后，即趋向水平。从工程角度进行放大，即使得到圆满的结果，仍须研究菌体在大罐和小罐中的代谢变化，以确定代谢产物的产量的P/V或KLα等参数变间的相互关系，才能更合理的进行放大。放大方法：常采取用单位体积输入功率相等和保持KLα不变为基础的两种方法进行。采取用单位体积输入功率相等方法在已有的大型生产发酵罐和中间工厂试验罐中进行试验研究，也可以采用这个参数进行试验，即利用现有的几何形状相同的大型生产罐和几个中试罐。生产罐中的通气速度和搅拌速度是固定的。而中试罐的通气速度和生产罐一样，保持恒定不变，但搅拌器的转速，可以用变速电机来调节，在一定范围内能够任意变动。利用改变搅拌器的速度来调节中试罐的功率输入的大小。中试罐中也可安装和使用PH、温度、消泡等控制装置。为了保证大、中发酵罐的发酵培养基的组成、灭菌条件和接种量绝对相同，可将接种后的一部分的生产罐培养基立即输入各个中试罐中，同时开始发酵运转。采用保持KLα不变为基础的方法，特别是搅拌转速和功率消耗的放大。其基本步骤是：首先要选择一个合适的KLα值，只是放大的关键问题。根据微生物发酵产物的产率与KLα大小的关系，选择合适的KLα。最优化研究表明，大多数经济上满意的操作点都接近于曲线上的转折点。然后根据KLα与通气速率、搅拌转速和发酵罐规模大小等操作变量之间的关系式，计算出搅拌速度、发酵液功率消耗和修正的雷诺准数。然后利用计算的结果，在大罐中进行试验检验。说明：部分计算题未列入该试题库。110