微生物工程复习提纲洲洲的

微生物工程复习提纲（2013.6.4）绪论1、微生物工程？微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是发酵技术工程化的发展。2、生物工程包括：微生物工程，细胞工程，基因工程，酶工程。3、简述微生物工程的特点？（参考课件自己归纳总结）4、简述微生物工程的主要内容？（参考课件自己总结）微生物工程的内容微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程；提取部分也称后处理，或下游加工技术虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的地位。微生物工程主要内容生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等微生物工程是生物技术的重要组成和基础，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机结合起来，广泛而深入地揭示了发酵过程的本质。微生物反应过程的特点一）优点：（与化学工程相比）1、生产条件2、原料3、生产过程4、产品5、高度选择性6、生物体本身7、微生物菌种改良1、生产过程通常在常温常压下进行，操作条件温和，不需考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。2、原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。3、生产过程是以生命体的自动调节方式进行的，因此多个反应就象一个反应一样，可在单一设备（发酵罐）中进行。4、能容易地生产复杂的高分子化合物，如酶、光学活性体等。5、能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位反应，如氧化、还原、官能团导入等。6、生产产品的生物体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物质；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。7、通过微生物菌种改良，能够利用原有设备使生产飞跃上升。发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点，使得微生物工程成为生物技术的核心之一而受到广泛重视。二）发酵过程中尚存在的问题：1、底物转化率、副产物的产生影响下游2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。3、原料是农副产品，质量波动较大。4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率低。5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。6、发酵废水常具有较高的BOD和COD，需处理后排放。1、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。3、原料是农副产品，虽然价廉，但质量波动较大。4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率低。5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。6、发酵废水常具有较高的BOD和COD，需处理后排放。第一章微生物基础知识1、简述微生物的五大共性？要点：体积小，面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；分布广，种类多。2、原核微生物主要有：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体3、细菌的形态十分简单，基本上只有球状、杆状和螺旋状三大类。4、芽孢：某些细菌在其生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，称为芽孢。由于每一细胞仅形成一个芽孢，故它无繁殖功能。芽孢有极强的抗热、抗辐射、抗化学药物和抗静水压等的能力。芽孢的休眠能力也是十分惊人的5、微生物的六种营养素？一、碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。对异养微生物来说，其最适碳源则是“C·H·D”型。其中，糖类是最广泛利用的碳源，其次是醇类、有机酸类和脂类等。在糖类中，单糖胜于双糖和多糖，已糖胜于戊糖，葡萄糖、果糖胜于甘露糖、半乳糖；在多糖中，淀粉明显地优于纤维素或几丁质等纯多糖，纯多糖则优于琼脂等杂多糖和其他聚合物（如木质素）。二、氮源凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。与碳源相似，微生物的氮源谱也大大广于动物或植物的。一般说来，异养微生物对氮源利用的顺序是：“N·C·H·O”或“N·C·H·O·X”类优于“N·H”类，更优于“N·O”类，而最不易被利用的则是“N”类。三、能源所谓能源（energysource），就是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。四、生长因子生长因子（growthfactor）是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。它的需要量一般很少。广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸；而狭义的生长因子一般仅指维生素。五、无机盐无机盐主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。六、水除了少数微生物如蓝细菌能利用水中的氢作为还原CO2时的还原剂外，其他微生物都不是利用水作为营养物质。即使如此，由于水在微生物的生命活动过程包括营养过程中的重要性，它仍应属于营养要素之一。1.水是一种最优良的溶剂。它不仅是细胞外的营养物质运送进细胞内以及细胞内的代谢产物运送到细胞外的媒介，而且是细胞内几乎所有生物化学反应的媒介。2.水可维持生物大分子结构的稳定，并参与某些重要的生物化学反应，有时，水则是某些反应的最终产物。此外，水还具有一系列重要的物理性质，从而保证了地球上一切生命活动的正常进行，如：（1）高比热（2）高气化热（3）高沸点（4）固态水（冰）的密度小于液态水6、生长曲线？典型的生长曲线包括哪几部分？各部分特点（结合第五章分批发酵动力学总结）微生物的生长规律（典型生长曲线）当我们把少量纯种单细胞微生物接种到恒容积的液体培养基中后，在适宜的温度、通气（厌氧菌则不能通气）等条件下，它们的群体就会有规律地生长起来。如果以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条有规律的曲线，这就是微生物的典型生长曲线。一般可把典型生长曲线粗分为延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期一）延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一段时间内细胞数目不增加的时期。该时期有几个特点：①生长速率常数等于零。②细胞形态变大或增长：许多杆菌可长成长丝状，例如，Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌）在接种的当时，细胞长为3.4μm；培养至3.5小时，其长为9.1μm；至5.5小时时，竟可达到19.8μm。③细胞内RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性。④合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。⑤对外界不良条件例如NaCl溶液浓度、温度和抗生素等化学药物的反应敏感。影响延滞期长短的因素很多，除菌种外，主要有三。1）菌龄（接种龄）接种龄即“种子”的群体生长年龄，亦即它处在生长曲线上的哪一个阶段。这是一种生理年龄。实验证明，如果以对数期接种龄的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就短；反之，如以延滞期或衰亡期的“种子”接种，则子代培养物的延滞期就长；如果以稳定期的“种子”接种，则延滞期居中。2）接种量接种量的大小明显影响延滞期的长短。一般说来，接种量大，则延滞期短，反之则长（图7-5）。因此，在发酵工业上，为缩短不利于提高发酵效率的延滞期，一般采用1／10的接种量。延滞期的出现，可能是因为在接种到新鲜培养液的细胞中，一时还缺乏分解或催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中间代谢物。为产生诱导酶或合成有关的中间代谢物，就需要有一段适应期，于是出现了生长的延滞期。3）培养基成分接种到营养丰富的天然培养基中的微生物，要比接种到营养单调的组合培养基中的延滞期短。二）指数期又称对数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期。指数期有以下几个特点：①生长速率常数R最大，因而细胞每分裂一次所需的代时G（增代时间）或原生质增加一倍所需的倍增时间最短；②细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；③酶系活跃，代谢旺盛。三）稳定期又称恒定期或最高生长期。其特点是生长速率常数R等于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。这时的菌体产量达到了最高点。在稳定期时，细胞开始贮存糖原、异染颗粒和脂肪等贮藏物；多数芽孢杆菌在这时开始形成芽孢；有的微生物在稳定期时还开始合成抗生素等次生代谢产物。稳定期到来的原因主要是：①营养物尤其是生长限制因子的耗尽；②营养物的比例失调，例如C／N比值不合适等；③酸、醇、毒素或H2O2等有害代谢产物的累积；④pH、氧化还原势等物化条件越来越不适宜，等等。四）衰亡期在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，因此，整个群体就呈现出负生长（R为负值）。这时，细胞形态多样，例如会产生很多膨大、不规则的退化形态；有的微生物因蛋白水解酶活力的增强就发生自溶；有的微生物在这时产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物；在芽孢杆菌中，芽孢释放往往也发生在这一时期。产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。最适生长温度有时也简称为“最适温度”，其意义是某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度。绝大多数生活在pH5.0~9.0之间培养过程中调节pH值的措施过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量。第二章工业微生物菌种选育和保藏1、微生物工程工业生产水平的三个决定要素:生产菌种的性能，发酵和提取工艺条件，生产设备。获得优良的生产菌种是实现高水平微生物工程工业生产的第一环节.2、分离与筛选菌种的具体做法一般分4个步骤：样品采集、增殖培养、纯种分离、生产性能测定3、诱变育种：诱变育种就是人为地利用物理或化学等因素，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一种育种方法。4、说出几种菌种保藏的方法。基本原理：根据菌种的生理、生化特点，人为地创造条件，使菌种的代谢活动处于休眠状态。要求：维持菌种的存活和减少菌种的变异，尽量使菌种保持原来优良的生产性能。保藏时首先选择优良纯菌种，最好是它们的休眠体如孢子（spore）、芽孢(gemma)等；其次是要创造一个有利于休眠的环境条件，如低温、干燥、缺氧和缺乏营养物质等，使菌体的代谢活动处于最低状态，延长其保存期。保存方法：应能较长期地保存原有菌种的优良性能，使菌种稳定，同时也要考虑到方法本身的经济简便。不同的菌种有不同的保存方法，以便长期保藏。酵母菌：定期移植斜面低温保藏法。也可采用石蜡油封保藏法。霉菌：斜面保藏法和沙土管保藏法。细菌和放线菌：一般细菌以采用冷冻干燥保藏法为佳。放线菌可用沙土或冷冻保藏法保藏。短期可采用斜面保藏。保藏应注意的问题：菌体状态：休眠体基质：营养贫乏操作过程：不应对细胞造成伤害菌种保藏原理主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平、缺氧状态、干燥和低温，使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。保藏方法1、斜面冰箱保藏法4C；3-6个月2、沙土管保藏法产孢子或芽孢微生物，1年3、菌丝速冻法甘油或二甲基亚砜作为保护剂，-20C4、石蜡油封存法1年左右5、真空冷冻干燥保藏法任何微生物；一般5年以上6、液氮超低温保藏法-196C；保护剂；保存期长第三章发酵工业培养基的设计1、简述培养基的成分及类型？（p54）2、试述工业发酵培养基设计的原则？（p45）3、按发酵工业生产流程和在生产中的作用分为哪几种类型？4、例举几种工业上常用的碳源、氮源？