生物工艺原理

1.名词解释

生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术。

生物转化：微生物的生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。

种子扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。

生理酸性物质：无机氮源被菌体作为氮源利用后，能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质

生理碱性物质：如硫酸铵，代谢后能产生碱性物质的无机氮源称为生理碱性物质

前体物质：前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。

促进剂：所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。

淀粉的糊化与老化：糊化：指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象,称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。

淀粉的老化实际上是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶的过程。

DE值：DE值：糖化液中还原糖含量（以葡萄糖计）占干物质的百分率，用以表示淀粉

糖的糖组成。

分叉中间体：糖代谢的中间体，即可以来合成初级代谢产物，又可以来合成次级代谢产物，这种中间体叫分叉中间体，如丙二酰CoＡ。

发酵热：发酵热指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3·h)为单位表示。

2.生物反应过程可分为哪四个部分.

（1）原材料预处理

选择物理、化学方法加工

培养基（发酵过程、动植物细胞或组织培养）的配制和灭菌、底物（酶反应过程）的准备。（2）生物催化剂的制备

发酵过程：筛选高产、稳定、易培养的菌种；制备种子。

酶反应过程：选择相应的酶，考虑纯度、添加量等；固定化应提前进行，然后装入酶反应器。

动植物细胞：建立稳定的细胞系。

污水处理：选择适当的降解污染的微生物。

（3）生物反应器及反应条件的选择

主要为活细胞生长或酶反应提供适宜的条件。如温度、pH、DO等。

建立稳定的条件控制系统。

具有方便的参数检测系统。

（4）产物的分离纯化

又称下游过程：用适当的方法将含量比较少的产物从反应液（胞外产物）、细胞中（胞内产物）初步提取出来，然后加以精制，达到最后产品的要求。

方法：吸附法、溶媒萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等。

3.生物反应过程的特点有哪些.

（1）采用生物催化剂，因此要在常温常压下进行反应。生物催化剂易失活，稳定性差。（2）可以通过DNA重组、细胞融合、诱变育种等手段创造新产品。

（3）采用一些可再生资源如：碳水化合物、蛋白质等为主要原料，成本低，废物危害性小。但是原料成分难以控制，质量不稳定。

（4）与一般化工生产相比，设备简单，能耗较低。往往反应罐体积很大，需要无菌操作。（5）酶反应过程专一性强，转化率高，但成本高。

（6）发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制；反应液杂质多，提纯麻烦。（7）生产过程中需要防止杂菌以及噬菌体的污染。

2.工业化菌种有哪些要求?

1、能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物

2、有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强

3、遗传性能要相对稳定

4、不易感染它种微生物或噬菌体

5、产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）

6、生产特性要符合工艺要求

3.菌种保藏的环境要素。常用的菌种保藏的方法有哪些？

环境因素：干燥、低温、缺氧、缺营养、添加保护剂等

1)斜面保藏法和穿刺保藏法2) 沙土管干燥保藏法3) 液体石蜡保藏法4) 真空冷冻干燥保藏法P59 5）液氮超低温保藏法6）悬液保藏法7）菌丝速冻法4.决定种子扩大培养的级数的依据是什么?

种子罐级数：是指制备种子需逐级扩大培养的次数，取决于：

菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度；

所采用发酵罐的容积

5. 选择种子培养基时应考虑那些因素？种龄和接种量一般如

何选择？

培养基

营养成分适合种子培养的需要

选择有利于孢子发芽和菌体生长的培养基；

营养上要易于被菌体直接吸收和利用；

营养成分要适当丰富和完全，氮源和维生素含量要高

营养成分要尽可能与发酵培养基相近。

接种量的选择：决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度。

采用较大的接种量可以缩短发酵罐中菌丝繁殖到达高峰的时间，使产物的形成提前到来。但若接种量过多，往往使菌丝生长过快，培养液粘度增加，造成溶氧不足，而影响产物的合成。接种量过小，延长发酵周期，往往还会引起其他不正常情况。

通常种龄是以处于生命力极旺盛的对数生长期，菌体量还未达到最大值时的培养时间较为合适。时间太长，菌种趋于老化，生产能力下降，菌体自溶；种龄太短，造成发酵前期生长缓慢。不同菌种或同一菌种工艺条件不同，种龄是不一样的，一般需经过多种实验来确定。嗜碱性芽孢杆菌生产碱性蛋白酶，12小时最好。

6.种子质量主要从哪两方面控制?

必须保证生产菌种的稳定性

提供种子培养的适宜环境条件，保证无杂菌侵入

1. 菌种稳定性的检查：

少量菌种--无菌生理盐水--递增稀释--平板划线培养。

挑出形态整齐，孢子丰满的菌落进行摇瓶试验，测定其生产能力。

2. 无菌检查：

显微镜观察、种子液进行无菌试验、生化分析。

种子液平板划线、斜面培养用肉眼观察是否有异常菌落、异常现象及镜检是否有杂菌。

2.选择培养基成分时应考虑哪些问题？

（1）营养物质应满足微生物的需要

（2）代谢的阻遏和诱导

（3）合适的碳氮比

（4）pH的要求

3.在酒精生产中,葡萄糖转化为酒精的理论转化率如何计算?

葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为∶

C6H12O6 ─→2C2H5OH + 2CO2

则1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理论转化率为

2×46.05/180.1×100%=51.1%

但是在生产中大约有5%的葡萄糖用于合成酵母细胞和副产物，实际上乙醇生成量约为理论值的95%，则乙醇对糖的实际转化率约为48.5%。

4.培养基设计的一般步骤。

①根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑

的问题，初步确定可能的培养基成分；

②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；

③数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。

5.了解淀粉的性质。

•淀粉可分为直链和支链淀粉两类。

•直链淀粉通过α-1，4键连接。

•支链淀粉的直链部分通过α-1，4键连接，分支点则

有α-1，6键连接，支链平均有25个葡萄糖基团，因

而还原性末端数量较少。

6.淀粉的水解过程中,葡萄糖会发生哪些反应?

葡萄糖在酸性介质中加热脱水环化,形成5-羟甲基糠醛。部分的5-羟甲基糠醛缩合生成黄棕色色素。

7淀粉水解过程中液化和糖化检测方法.

•检验液化：是否有淀粉，用碘液，是否呈兰色；

•检验糖化：是否水解完全

–测定还原糖；

–用无水酒精(糊精能溶于水，不溶于酒精)。

8 淀粉的水解方法有哪些？在淀粉的酸水解过程中，发生哪三种反应？

哪个是主导反应？

酸解法、酶解法、酸酶结合法

在淀粉的酸水解过程中，三种反应同时发生，淀粉的水解反应是主要的，葡萄糖的复合和分解反应是次要的，复合反应和分解反应对葡萄糖的生产来说是不利的，影响菌体的正常发酵及工厂的生产成本。

9 淀粉的双酶制糖工艺中,a－淀粉酶和糖化酶的作用方式.