微生物工程复习资料

第一章绪论

1、发酵工程发展过程中几个标志性人物和事件：

1）1680列文胡克显微镜

2）1857 巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起

3）1897 毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精──酶

4）1905 科赫固体培养基的发明，奠定了纯培养技术。

5）1928 弗莱明发现青霉素

6）1953 Watson 和Crick 双螺旋结构

2、发酵工程研究内容（5点）：

1）微生物菌株选育——微生物菌株选育、改造与功能优化技术；

2）发酵工艺——发酵过程优化、控制与反应器技术；

3）单元操作——发酵工程过程工程技术；

4）发酵产品分离提取工艺——发酵产品高效提取技术与装备；

5）废物处理——绿色制造工艺的开发。

第二章工业微生物菌种的选育及扩大培养

1、原生质体融合概念：就是把两个亲本的细胞分别去掉细胞壁，获得原生质体，将两亲本的原生质体在高渗条件下混合，由聚乙二醇（PEG）作为助融剂，使它们互相凝集，发生细胞质融合，接着两亲本基因组由接触到交换，从而实现遗传重组。

2、原生质体育种技术主要有哪些：融合、转化技术、诱变技术

3、原生质体融合的方法和特点。

方法：1）硝酸钠法；2）高钙离子法；3）PEG法；4）多聚化合物法。

特点：1）大幅度提高亲本之间重组频率；2）扩大重组的亲本范围；3）原生质体融合时亲本整套染色体参与交换，遗传物质转移和重组性状较多，集中双亲优良性状机会更大；4）可以和其它育种方法相结合，把由其他方法得到的优良性状通过原生质体融合再组合到一个单株中；5）用微生物的原生质体进行诱变，可明显提高诱变频率。

4、原生质体融合的基本工程（步骤）：

5、原生质体形成率和再审率（计算方法）：

1）将用酶处理前的菌体经无菌水(或高渗溶液)系列稀释，涂布在完全培养基平板上培养，计出原菌数，该数值为A。

2）将用酶处理后得到的原生质体分别经如下两个过程处理：①用无菌水适当稀释，在完全培养基上培养计数。由于原生质体在低渗透压下会破裂失活，所以长出的菌落数为未形成原生质体的原菌数，该数值为B。②用高渗透压液适当稀释，在再生培养基平板上培养计数，生长出的菌落数为原生质体再生的菌数和未形成原生质体的原菌数之和，该数值为C。

原生质体形成率=%100?-A

B A 原生质体再生率=%100?--B

A B C

6、菌种保藏原理及保藏方法：

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；2）沙土管保藏法；3）菌丝速冻法；4）石蜡油封存法； 5）真空冷冻干燥保藏法；6）液氮超低温保藏法。 7、种子扩陪的概念，目的以及标准：种子扩大培养：指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终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。目的：（1）接种量的需要，抑制侵染；（2）缩短发酵周期；（3）逐级适应。标准：（1）生长活力强、同步性较好；（2）生理状态稳定，生产能力稳定；（3）总量及浓度满足要求；（4）无杂菌及噬菌体污染。 8、种子扩陪的过程（实验室，生产车间）： 1）实验室阶段：⑴培养物选择的原则：

目的：种子扩培到一定的量和质，根据菌种的特点最终的培养物可分为两类：对于不产孢子和芽孢的微生物，获得一定数量和质量的菌体；对于不产芽孢和孢子的微生物，实验室阶段的种子扩培最终是获得一定数量和质量的菌体，如谷氨酸的种子培养。对于产孢子的微生物：①获得一定数量和质量的孢子:培养步骤少,因而更容易获得量和质稳定的种子,但操作繁琐。②获得一定数量和质量的菌丝体:便于操作,但需要更仔细的控制。 ⑵培养基选择的原则：培养基的选择应该是有利于菌体的生长，对孢子培养基应该是有利于孢子的生长。在原料方面，实验室种子培养阶段，规模一般比较小，因此为了保证培养基的质量，培养基的原料一般都比较精细。

⑶起始接种物的传代问题：目的：使菌种的传代次数尽可能的少。细菌保藏斜面 → 活化斜面

产孢子保藏 → 母斜面 → 子斜面

2）生产车间阶段：⑴培养物的选择原则：在生产车间阶段，最终一般都是获得一定数量的菌丝体。菌丝体比孢子要有利：缩短发酵时间；有利于获得好的发酵结果。 ⑵培养基选择的原则：目的：获得一定数量和质量的菌体，因此培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培养基丰富。在原料方面：不如实验室阶段那么精细，而是基本接近于发酵培养基，这有两个方面的原因:一是成本；二是驯化。

⑶发酵级数的确定：一般由菌丝体培养开始计算发酵级数，但有时，工厂从第一级种子罐开始计算发酵级数。

谷氨酸：三级发酵一级种子（摇瓶）→二级种子（小罐）→发酵青霉素：三级发酵一级种子（小罐）→二级种子（中罐）→发酵

发酵级数确定的依据：①级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响；②级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一般2-4级；③在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要的一个方面。

⑷接种量的确定：接种后培养液的体积

移入种子的体积

接种量

过大过小都不好，最终以实践定，如大多数抗生素为7-15%。但是一般认为大一点好。双种：两个种子罐接种到一个发酵罐中。

倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐。

⑸种龄：种龄是指种子罐中培养的菌体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。种龄短：菌体太少；种龄长：易老化。

原则：对数生长期末，细胞活力强，菌体浓度相对较大，但是最终由实验结果定。 ⑹种子的质量要求：

量：要求达到一定的浓度；

质：形态(生长处于某个阶段、均匀等等)理化指标：C 、N 、P 的含量，pH ，酶活等；无污染。 9、根据菌种特点，在实验室阶段，扩陪目的有所不同（对于产孢子与不产孢子而言）： 1）对于不产孢子和芽孢的微生物——获得一定数量和质量的菌体。

2）对于产孢子的微生物——获得一定数量和质量的孢子；获得一定数量和质量的菌丝体。

1、培养基类型：

1）按培养基成分：合成培养基；天然培养基；半合成培养基。 2）按物理状态分：固体（固体；半固体；脱水）；液体。

3）按用途、类型分：基础培养基；完全培养基；富集培养基；选择培养基；鉴别培养基；孢子培养基；种子培养基；发酵培养基。 2、配制孢子培养基时应注意哪些方面：

配制时需注意：A ）营养不要太丰富（特别是有机氮源），否则不易产孢子。如灰色链霉菌在葡萄糖-硝酸盐-其他盐的培养基上都能很好地生长和产生孢子，但若加入0.5%酵母膏或酪蛋白后，就只长菌体而不产孢子B ）所用无机盐的浓度要适量，否则会影响孢子量和孢子颜色。C ）注意pH 和培养基的湿度。

3、常见的孢子培养基有哪些：

1）麸皮培养基2）小米培养基3）大米培养基4）玉米碎屑培养基5）用葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏和食盐等配制的琼脂斜面培养基

4、工业上常用碳源、氮源（有机、无机、实速）各有哪些？氮源对发酵液pH产生的何种影响？

碳源：糖类（最广泛的；葡萄糖最易被利用）、油脂、有机酸、低碳醇等。

氮源：有机氮源：豆饼（粕）粉、花生饼粉、鱼粉、蚕蛹粉、酵母粉、玉米浆、尿素等。

无机氮源：铵盐、硝酸盐等。

速效氮：无机氮源和尿素、玉米浆等可被迅速利用。

迟效氮：蛋白质氮则需先水解成肽和氨基酸后才能被吸收利用。

氮源对发酵液pH产生的影响：(NH4)SO4? 2NH3 + H2SO4 NaNO3 + 4H2? NH3 + 2H2O + NaOH 反应中所产生的NH3被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质。在常用的无机氮中，硫酸铵被菌体利用后会使培养液的pH下降，为生理酸性物质；硝酸钠被同化时则引起培养液pH上升，为生理碱性物质。

5、典型的无机盐和微量元素的功能：

磷酸盐磷：是某些蛋白质和核酸的组成成分；磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用；微生物对磷的需要量一般为0.005～0.01mol/L。常用K3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4。

硫：硫含硫氨基酸的组成成分，胱氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸。某些产物的组成成分，青霉素、头孢霉素。硫是构成一些酶的活性基。硫酸镁加入培养基中，在碱性条件下会形成氢氧化镁沉淀，配料时要注意。

铁：细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧化物酶等组成成分。微生物有氧氧化必不可少的元素。盐钾：不参与细胞结构物质的组成是许多酶的激活剂菌体生长所需钾量约为0.1g/L（以K2SO4计）。

微量元素：微量元素需量微少，但又不可缺少一般作为碳、氮源的农副产物天然原料中，本身含有，不必另加，某些金属离子，特别是汞离子和铜离子，具有明显的毒性。

6、生长因子的概念、类别及哪些提供生长因子：

生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物质。

类别：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶及其衍生物。

提供生长因子的农副产品原料：玉米浆、麸皮水解液、糖蜜。

7、前提的概念：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，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又较大的提高。

8、促进剂和抑制剂的概念：

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

抑制剂：抑制某些代谢途径的进行，同时刺激另一代谢途径，以致可以改变微生物的代谢途径。

9、淀粉水解糖的制备方法（优缺点）（了解）：

（1）酸解法：以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。优点：生产简易，由淀粉逐步水解为葡萄糖的整个化学反应过程，仅在一个高压容器内进行，水解时间短，设备生产能力大；缺点：1）由于水解作用是在高温高压条件下进行的，要求设备耐腐蚀、耐高温、高压；2）在酸水解过程中，除了淀粉的水解反应外，尚有副反应的发生，将造成淀粉的利用率降低；3）酸水解法对淀粉原料要求严格，淀粉浓度不宜过高。

（2）酶解法（双酶水解法）：酶解法可分两步：第一步：利用a-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖，使淀粉的可溶性增加，此过程称“液化”；第二步：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖，此过程称“糖化”。“液化”和“糖化”都是在酶作用下完成的，故得名。优点：1）淀粉水解是在酶的作用下进行的，酶解反应条件温和，对设备要求较低。2）微生物酶作用的专一性强，淀粉的水解副反应少，因而水解糖液纯度高，淀粉的转化率（出糖率）高。3）可在较高淀粉乳浓度下水解，且可采用粗原料。4）酶法制得的糖液色浅、较纯净、无苦味、质量高。缺点：酶解反应时间较长（需2-3天），要求的设备较多，需具备专门培养酶的条件，由于酶本身是蛋白质，易造成糖液过滤困难。

（3）酸酶结合法：

①酸酶法：

特点：液化速度快；糖化是由酶来进行的，对液化液要求不高，可采用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率；用酸较少，产品颜色浅，糖液质量较高。

②酶酸法：

10、淀粉的酸水解会发生哪些反应：1）葡萄糖的复合反应2）葡萄糖的分解反应。

第四章微生物反应动力学

1、微生物反应动力学的研究内容：揭示动态变量和发酵条件之间的关系。

2、反应计量学的相关内容（细胞衡算、联立解方程、呼吸熵得率系数）：

反应计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。

化学反应计量：物质的量--物质的量

微生物反应计量的复杂性、不完全性：反应成分种类繁多；代谢途径错综复杂；生物生长和代谢产物生成并存。

各物质和各组分之间的数量关系：碳源+氮源+O2=菌体+有机产物+CO2+H2O

（1）微生物反应过程元素衡算：

细胞的分子式CH x O y N z典型细胞 CH1.8O0.2N0.5

CH m O n+aO2+bNH3→ cCH x O y N z+dCH u O v N w+eH2O+fCO2

例：酵母耗氧培养，采用乙醇为基质，符合如下反应方程：

C2H5OH+aO2+bNH3 →cCH1.66O0.13N0.49+eH2O+fCO2

且呼吸商RQ=0.5，求各系数。

解：根据元素平衡：

C：2=c+f；H：6+3b=1.66c+2e；O：1+2a=0.49c+e+2f；N：b=0.13c

已知呼吸熵RQ=0.5，则f=0.5a

将以上5式联立求解，得：a=1.84；b=0.14；c=1.10；e=2.30；f=0.92。

（2）得率系数：

基于底物消耗的细胞得率系数、产物得率系数：

基于碳消耗的细胞得率系数Yc：

由于Yc 仅考虑底物和细胞的共同项——碳，可以认为它比细胞得率系数更合理。Y c 一定小于1，一般在0.4～0.6之间。基于能量消耗的细胞得率Y ave-：

能量参数：有效电子数、总有效能、ATP 。

基于有效电子数的细胞得率是指底物完全氧化失去每1mol 有效电子时的细胞生成量。

S Y -ave 底物有效电子数，即底物完全燃烧所转移的有效电子数。

耗氧培养时，碳源异化代谢的能量主要是通过氧化磷酸化得到，每消耗1mol 氧，需要传递4mol

电子。因此：1mol 葡萄糖完全氧化时，需要消耗6mol 氧气，因此 S Y -ave =1×6×4=24（mol 电子）

基于总有效能的细胞得率Y KJ ：

（3）能量衡算：

3、三种发酵基本操作方式的特点： 1）分批操作：

特点：①效率低。②尽管微生物的活性和机能因其所处的环境大幅度变化，也根本不控制培养基组分浓度等环境因素，而任其自然变化，这样不利于生产。③在每一批主反应（生产阶段）之前，必须进行几级种子培养。但由于操作相对较易，目前仍是发酵工业的主要方式。 2）补料分批操作：

介于分批培养和连续培养之间的操作方式；在进行分批培养的时候，随着营养的消耗，向反应器内补充一种或多种营养物质，以达到延长生产期和控制发酵过程的目的。

反复补料分批培养：随着补料操作的进行，发酵液的体积逐渐增大，到了一定时候将部分发酵液取出，剩下的发酵液继续进行补料分批培养，如此可反复进行多次，称为反复补料分批培养。

3）连续操作：

优点：①省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了延迟期，提高设备的利用率和单位时间产量。②发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制；③易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。

△E-消耗的总能量（包括同化和分解代谢）基于A TP 生成的细胞得率。

Y ATP/S —相对于基质的A TP 生成得率。 Ms —基质的分子质量。

缺点：①对设备、仪器及控制元器件的技术要求较高，从而增加投资成本；②开放的系统和长周期发酵，易造成杂菌污染；③长周期连续发酵易发生微生物变异，生长慢的高产菌株可逐渐被生长快的低变异菌株取代，从而降低产率；④丝状菌体易附着在器壁上和在发酵液中结团，造成连续操作的困难。

4、发酵动力学的相关内容：

1）发酵过程的反应描述及速度概念：（产物）

（菌体）

（底物）P

S X+

?→

生物过程反应速度的描述：①菌体生长速率/菌体比生长速率；

②基质消耗速率/基质比消耗速率；③产物形成速率/产物比形成速率。

菌体生长速率、比生长速率：

比生长速率除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。

例题：以乙醇为惟一碳源进行产气气杆菌培养，菌体初始溶度Xo=0.1kg/m3,培养至3.2h,菌体溶度为8.44 kg/m3，如果不考虑延迟期，比生长速率μ一定，求倍增时间t d？解：

2）基质消耗速率：

以菌体得率系数为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率之间的关系。

发酵过程反应速度的描述：（产物）

（菌体）

（底物）P

S X+

?→

基质的消耗速度：

= (g.L-1.s-1)

基质的消耗比速：X

= (h-1、s-1)

单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念。

发酵过程反应速度的描述：（产物）

（菌体）

（底物）P

S X+

?→

基质的消耗比速：X

ds q s -=

(h -1

)

菌体的生长比速：X

d s x

=μ (h -1

)

产物的形成比速：X

dp q p -

(h -1

)

3）分批操作：

(1)微生物的生长动力学、微生物在一个密闭系统中的生长情况： ①延迟期：0dx =dt

X=X 0

产生的原因：适应培养基营养条件、适应培养基物理环境、抑制剂的降解、孢子发芽、种龄。 ②指数生长期:μ=μmax (μ是由生物的遗传基因决定的)

)](ex p[0lag t t X X -=μ )()ln(0

lag t t X X -=μ

③减速期: 0d

微生物的生长速度：μ＝f(s,p,T,pH,……,) 在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)

1) 细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；

2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； 3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。 Monod 方程：S

Ks mS

μμ

μ：菌体的生长比速;S ：限制性基质浓度；Ks ：饱和常数；μmax : 最大比生长速度。例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：

S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h -1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax ，Ks ？解：将数据整理：

S/μ 100 137.5 148.8 231.8 315.7 S 6 33 64 153 221

μμμ

μmax ＝1.11 (h -1

); Ks ＝97.6 mg/L

④静止期：0dx =dt

X=X max 00S Y X X Y X m +=

⑤衰亡期: 0d

d s m K S

K S

-+=

μμ X K dt dX

d -= )ex p(t K X X d m -= (2)基质消耗动力学的基本概念：

S 1 菌体 S S 2 产物 S 3 维持

维持消耗(m) ：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时

间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。（产物）

（菌体）（底物）P X S X

+?→?+维持物料衡算：dt ds dt ds dt ds dt

dS 3

21+

+= dt

dP Y 1mX Y X dt dS P G ++μ=- P

p G

s Y q m Y q

①当以氮源、无机盐、维生素作为底物消耗时，由于这些组分只能构成细胞的组成成分，而不能提供能量，因此Y X/S 近似为定值。

S X Y X dt dS /μ=

- S X s Y q /μ= ②当底物既为能源又为碳源时，但是此时还没有产物生成：

mX Y X

dt dS G

+=-

μ m Y q G s +=μ (3)产物形成动力学的基本概念：

①一类发酵：产物的形成和菌体的生长相偶联（偶联型模型） dt

dX Y dt dP X

P =

其动力学方程可表示为：

///P/X P [] Y / []/ X /;

[]

/() Q P X P X P P X d P dX

Y Y X Q Y dt dt

g g P g L g L d P g L h dt

g μμ

===?或式中—系以菌体细胞量为基准的产物生成系数，；—产物浓度，；—菌体浓度，—产物生成速率，；—产物形成的比速率，产物／g h ?（细胞）。产物的形成与细胞生长呈相关的过

程。产物是细胞能量代谢的结果，此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如乙醇、乳酸发酵。

②二类发酵：产物的形成和菌体的生长部分偶联（混合型）X dt

dX dt

dP βα+=

其动力学方程可表示为：

P [] Q / /()d P dX

X X X dt dt g g g g h αβαμβαμβαβ=+=+?或＝＋式中：—与生长偶联的产物形成系数，细胞；—非生长偶联的比生产速率，细胞。

③三类发酵：产物的形成和菌体的生长非偶联（非偶联型）

其动力学方程可表示为：

[]

Q /()P d P X dt

g g h βββ==?　或　式中：—非生长偶联的比生产速率，细胞。

4）补料分批操作：补料分批即可采用间歇添加，也可采用连续流加的方法。菌体：V )(X dt

XV d μ= 限制性底物：dt

VX d Y FS dt

VS d S

)(1)(-=

产物：V )(X q dt

VP d p = 菌体总量变化：dt

dV X dt

dX V dt

XV d +=)(

①恒速流加培养动力学特点：体积变化：F

= 稀释率（更新速率）D ：V

F D =

恒速流加培养菌体的变化速率：

X D dt

)(-=μ 恒速流加培养底物浓度变化：

X in Y X

S S D dt dS μ-

-=)( 恒速流加培养产物浓度变化：

DP X q dt

p -= 恒速流加培养的最大特点：L K dt VX d =)( （K L ——线性生长速率常数）

②指数流加培养动力学特点：

指数流加能够保持恒定的比生长速率。由V )(X dt

XV d μ=得)

ex p(V 00t X XV μ=产物的形成与细胞生长不相关或无直接关系，其特

点是细胞生长期基本无产物合成，细胞停止生长产物则大量合成。属于这类的产物是次级代谢产物。例如青霉素、链霉素等抗生素发酵。

产物的形成与细胞生长部分相关或具有间接关系，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。

指数流加时，限制性底物的浓度也应恒定（假设底物恒定为S ）。则)(Y X S S F XV in S -=μ 因此)

(Y )ex p(V )

(Y X 00X S S t X S S XV

F in S in S -=

μμμ

可见随着时间的不断增加，限制性底物的流速必须要随着时间的增加呈指数增加。当S << Sin 时。上式可以简化为：in

S in

S S t X S XY

F X 00X Y )

ex p(V Y μμμ=

5）连续操作：

（1）菌体：FX V -=X dt

dX V μ X F V X dt dX -=μ )X (D dt dX -=μ

当达到稳定状态后：

0===dt

dt dS dt dX μ=D (2)限制性底物的物料衡算：

in S S F dt dS V

X Y XV

)(μ--= S

S S D dt

dS X Y X )(μ--=

在稳态下，可以得到：)(Y X S S X in S -=

达到稳态时，限制性底物浓度和稀释率的关系：D D S m S -=μK

故菌体浓度和稀释率的关系：)(Y X D

K S X m S in S --=μ

（3）产物浓度：FP XV dt dP V

p -=q DP X dt dP p -=q D

P p q = （4）临界稀释率Dc ：在单级连续培养过程中，可以通过改变加料的速率来改变稳态下的菌体比生长速率。in

S in

m C S K D +=

S μ

(5)连续培养的细胞产率：对有些连续培养，其过程优化的目标是达到单位时间单位体积的细胞产量（Px ）最大， Px 称为细胞产率。

)(Y )(Y X X D

K S D S S D DX P m S in S in S X --=-==μ

第五章发酵过程工艺的优化与控制

1、温度对发酵有哪些影响？

1）温度对微生物细胞成长的影响：温度升高细胞的生长繁殖加快

生长代谢和繁殖都是酶促反应，随着温度的升高，反应速度加快，呼吸强度增加，必然导致细胞生长繁殖加快。另一方面,随着温度的上升，酶失活的速度也越快，菌体衰老提前，发

酵周期缩短。

2) 温度对产物形成的影响：阿累尼乌斯方程：

dT dlnk r 2

1r2r1

T 1T 1k k log

6.4E -=

活化能E 的大小表明温度变化引起酶反应速率的大小。

假如：生长活化能 34 kJ/mol ；呼吸活化能71kJ/mol ；产物形成活化能112kJ/mol 。则此结果表明产物形成速率对温度的反应最为敏感，偏离最适温度引起的生产率下降比其他两个参数的变化更为严重。

3）温度影响发酵液的物理性质：温度除了影响发酵过程中各反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质，间接影响微生物的生物合成。溶解度、氧的传递、基质分解速率 4）温度还可能影响生物合成的方向：

低在金色链丝菌

金霉素

于30℃下

温度达到35℃时

四环素

37 ℃抑制92%

2、发酵热由哪些组成（各是什么意思，定义）：（1）生物热（Q 生物）：产生菌在生长繁殖过程中本身会产生大量的热。（2）搅拌热（Q 搅拌）：搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量可观的热。

（3）蒸发热（Q 蒸发)：空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换，同时必然会引起水分的蒸发，蒸发所需的热量即为蒸发热。（4）显热（Q 显）：排出气体所带的热。（5）辐射热（Q 辐射）：因罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。 3、发酵热的测定方法（2个）：方法一：通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，由下式求得这段时间内

的发酵热：Q 发酵 = GC (t 2- t 1) / V (J / m 3

· h) G ——冷却水流量，kg/h ；C ——水的比热，J/kg ·℃；t 1、t 2——进、出口的冷却水温度，℃；

V ——发酵液体积，m 3

方法二：通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置测得温度随时间上升的速率S, 按下式可求得发酵热：Q 发酵=（M 1C 1+M 2C 2）·S（KJ/h ）

S ——温度随时间上升的速率，℃/h ；M 1——系统中发酵液的质量，kg ；M 2——系统中发酵罐的质量，kg ；C 1——发酵液的比热，kJ/ kg ·℃；C 2——发酵罐的比热，kJ/kg ·℃ 4、氧气传递的阻力分析（传氧、耗氧）：氧传递的各种阻力的示意图：

供氧部分

耗氧部分

包括通过气膜、气-液界面、液膜及液

体主流的扩散。包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜

及细胞内的扩散。

推动力：氧的分压Δp 或浓度差ΔC 供氧方面的阻力：G

k 1 I

k 1 L

k 1 LB

k 1

1)气膜阻力（ 1/k 1；1/K G ）：与空气情况有关。 2)气液界面阻力（1/k 2；1/K I ）：与空气情况有关。 3)液膜阻力（1/k 3；1/K L ）：与发酵液的成分和浓度有关。 4)液流阻力（1/k 4；1/K LB ）：与发酵液的成分和浓度有关。耗氧方面的阻力：LC

k 1 A k 1 w k 1 R

k 1

1）细胞周围液膜阻力（1/k 5；1/K LC ）与发酵液的成分和浓度有关。

2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k 6；1/K A ）与微生物的种类、生理特性状态有关。 3）细胞膜的阻力（1/k 7；1/KW ）与微生物的生理特性有关。 4）反应阻力（1/k 8；1/K R ）与微生物的种类、生理特性有关。

氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程中需克服的总阻力等于供氧阻力和

耗氧阻力之和，即：R W A LC LB L I G t k k k k k k k k k 1

11111111+

++++++= 供氧方面：①由于氧很难溶于水，所以供氧方面的气液面阻力（1/K I ）是氧溶于水时的限制因素。②良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/k L 、1/k LB ，加速氧的传递。耗氧方面：①细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，即1/k LC 很小；② 在搅拌和合理的工艺条件下，结团现象减少，因而能降低1/k A ；③通过搅拌、添加表面活性剂等方法，增加细胞膜透性，可使1/k w 降低；④1/k R 与微生物生长及代谢的条件有关：培养基的成分与其相应的酶的作用失活；某些生理条件如温度、pH 等不适于酶的反应；一些代谢物的积累或未能及时从反应处移去。⑤通过选育优良菌种，优化反应条件将1/k R 降低。 5、 K L a 的影响因素：

1）搅拌：①把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，增加气-液接触面积“a ”,亦即增加氧的传递面积。②使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。③增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体主流中的流体阻力，从而增大K L a 值。④使培养液分布均匀，减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改善细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围“废物”和“废气”的浓度。搅拌转速对K L a 的影响很大，对微生物的摄

氧率也有影响，但对