微生物工程期末复习提纲及具体解答

微生物工程复习提纲及具体解答

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1、发酵定义：传统发酵、生化和生理学意义的发酵、工业上的发酵（名词解释）（重点）

传统发酵：最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁、麦芽汁或发芽谷物产生气泡（CO2）的现象，或者是指酒的生产过程。

生化和生理学意义的发酵：指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。

工业上的发酵：泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程， 包括： 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。

2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。 2、发酵工程定义:（名词解释）（重点）是指利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点,在合适条件下通过现代化工程技术手段,由微生物的某种特定功能生产出人类需要的产品。 3、 微生物的生物转化发酵（名词解释）

是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物的生化反应。

（最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的） 4、生物反应过程四个组成部分？（填空）（重点）原材料预处理 生物催化剂的制备 生物反应器及反应条件的选择 产物的分离纯化

发酵技术的核心组成部分（填空、简答）（重点）

第一部分 生物细胞 （获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞(或酶)。）

第二部分 发酵设备与工艺 （选择最精良设备,开发最优技术操作,创造充分发挥生物细胞(或酶)作用的最佳环境）

附：目前的研究表明：用于发酵技术过程最有效、最稳定、最方便的催化剂形式是整体生物；而目前最普遍采用的整体生物是微生物细胞。

5、发酵工程要实现发酵过程并获得发酵产品,必须具备那些条件？（填空、简答）

? 要具有某种适宜的微生物――即必须要有好的菌种。

? 要保证或控制微生物进行代谢得各种条件(培养基组成,温度,O2,PH等)――---适宜的工艺条件。

? 具有进行微生物发酵的设备――必要的发酵设备

? 具有将菌体或代谢产物提取出来,精制成产品得方法和设备――具有完善的产品提取技术。

6、微生物工程与化学工程相比，微生物反应过程具有那些化学工程无法比拟的特点？（简答、论述）

? 作为生物化学反应，通常在常温常压下进行，所以无爆炸危险，各种设备无需考虑防爆问题。同时还有可能使一种设备具有多种用途。

? 原料通常以糖蜜，淀粉等碳水化合物为主，加入少量有机即或无机氮源，只要不含毒物，一般无精制必要，微生物本身能有选择地摄取所需物质。

? 反应以生命体的自动调节方式进行，因此数十个反应过程能象单一反应一样，在单一设备（发酵罐）内很容易进行。

? 能容易生产复杂的高分子化合物，酶类的生产和光学活性体的有选择性生产等，是发酵工业最有特色的领域。

? 由于生命体的特有反应机制，能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的氧化，还原，官能团导入等反应。

? 生产发酵产物的微生物菌体本身也是发酵产物，富含 维生素，蛋白质，酶等有用物质。因此，除特殊情况外，发酵液通常对生物体无害。

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7、微生物工程的发展简史主要经历了那几个阶段及特点？（填空、简答） (1)传统的微生物发酵技术--天然发酵

天然发酵技术有着很悠久的历史,从史前到19世纪,人类在不了解发酵本质之前,就利用自然发酵现象制成各种饮料和其它食品.几千年前人类就已经有利用微生物的代谢产物的作为。在早期原始社会几乎所有氏族都在食品富余的情况下,因含糖果实和含淀粉谷类储存时的发酵,而学会了酿酒。例如我国在夏禹时代就有酿酒的记载，《尚书》有云“昔者仪狄作酒，禹饮而甘之。”《周礼》中有关于酱油的记载。一般认为我国的酿酒起源于5000多年前的龙山文化时期。到商代(公元前1711·公元前1066),由于种植农业的发展,谷物酿酒盛行.除了酿酒外,古代劳动人民还掌握了酱、醋的酿造技术。古巴比伦在6000年前，就有酿造啤酒的记载，在公元前3世纪就有了经验丰富的专门从事酿酒的工人,甚至在法典中为酒店主人和旅馆商人列出精确的酿造规章和法律;在法国巴黎卢浮宫保存的“蓝色纪念碑”上记载公元前3世纪古巴比伦居民酿造啤酒品种达20多种。此外,还有葡萄酒、面包、干酪、奶酒、泡菜、饴糖等。这些酿造活动虽然有悠久的历史，并积累了精湛的技术，但由于受当时社会制度和科学进展的限制，长期以来处于手工操作的落后状态，人们并不知道微生物与发酵的关系,因而很难人为控制发酵过程,生产也只能凭经验,口传心授。所以这一时期称为天然发酵时期。 (2)第一代微生物发酵技术--纯培养技术的建立

1680年,大约300多年以前，荷兰人安东尼.列文虎克(Anthony Leeuwenhoek)(1632-1723)用自制的显微镜(放大率为40-150倍)发现了微生物(包括细菌、酵母)的存在，人类首次认识到微生物。当时由于显微技术技术的局限,对微生物认识及其肤浅，研究也较少。直到19世纪中叶,随着科技的进步,发酵工程研究随微生物学研究活跃而活跃起来。被誉为发酵学之父的巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895 )(1857年)首次证明酒精发酵是酵母菌所引起的,认识到发酵现象就是微生物进行的生物化学反应,不同的发酵与不同的微生物有关系。也就是说,各个不同微生物在发酵过程中具有的不同生化反应。 19世纪末(1897年),德国的毕希纳(Eduard Buchner,1860-1917 )用磨碎的酵母细胞制成酵母汁,加入大量蔗糖后,也发现有C02和乙醇的生成,证明了酒精发酵是由酶催化的一系列化学反应。

此后,德国人柯赫(Robert Koch ,1843-1910)首先发明了固体培养基,得到细菌纯培养物,由此建立了微生物的纯培养技术，这就开创了人为控制微生物的时代.

以后在19OO-1940年间,为解决面包酵母生长溶氧问题建立了补料分批培养方法,同时为解决丙酮丁醇发酵的厌氧问题和防止杂菌污染,建立了简单密封式发酵罐、加压蒸汽灭菌和无菌接种技术，发明了简便的、封闭式发酵罐。由此，酒精发酵和丙酮丁酸发酵技术就发展起来，发酵工业就逐渐加入了近代化学工业行列。因此，可以认为，微生物纯分离培养技术的建立，是发酵工程（工业微生物学）发展的第一个转折时期。

这段时期的发酵产品主要有酵母、酒精、丙酮丁醇、有机酸、酶制剂等,产品大多是厌氧发酵产物,生

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产过程比较简单,对生产设备的要求也不高,规模不大,产物的化学结构比原料简单,是初级代谢分解产物。 (3)第二代(近代)微生物发酵技术一-深层培养技术（通气搅拌技术）的建立

近代微生物发酵技术开始于20世纪40年代,随着青霉素的发现和青霉素大量生产的成功，对发酵工业带来了很大的影响，即开创了抗生素工业。抗生素工业的兴起,标志着工业微生物生产进入一个新的阶段。

1928年英国细菌学家弗莱明发现能够抑制葡萄球菌的点青霉(Penicillium notatum),其产物为青霉素。20世纪40年代初,第二次世界大战中对抗细菌感染药物的极大需求，促使人们重新研究青霉素，并在1945年大规模投入生产.由于青霉素的生产是需氧发酵,很容易受到杂菌污染,所以借鉴了丙酮丁醇的纯种厌氧发酵技术,成功建立了深层通气培养法和一整套的培养技术,包括向发酵罐中通入无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等,使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、营养物的供给都得到严格控制。这些技术都为后来的微生物工业提供了新的概念和模式,成为当代微生物工业迅速发展的开端,推动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展。随后链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等多种抗生素好氧发酵相继投产。

抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现。上个世纪50年代氨基酸发酵工业,在引进了\代谢控制发酵技术\后,得以快速发展。通过微生物的人工诱变,获得代谢发生改变的突变菌株，在条件控制下，选择性的大量生产某种所需产品.此项技术也应用于核苷酸、有机酸和抗生素的生产中。

60年代出现了以石油或石油产品代替糖质原料进行发酵,从而出现了石油发酵。这段时期的微生物工程产品类型多,不仅有初级代谢产物也有次级代谢产物、还有生物转化、酶反应等产品;技术要求较高,多数生产过程要求纯种或无菌条件下的好气发酵,规模大;新技术、新工艺、新产品、新设备不断出现；应用范围不断扩大,广泛应用于能源开发、环境保护、细菌冶金和石油勘探等,这是一个近代发酵工业的鼎盛时代。 总的来说，深层发酵技术的建立，是发酵工程（工业微生物学）发展的第二个转折时期。 (4)第三代微生物发酵技术---微生物工程

上世纪七十年代发展起来的基因工程技术推动着发酵工业朝着崭新的方向――微生物工程发展。1953年, DNA双螺旋结构的提出,奠定了分子生物学的基础;1973年,California 旧金山分校的Herber Boyer和StarIford大学的Stanley Cohen将两个质粒进行（用EcoR I酶）酶切后,在连接酶存在的条件下连接起来,获得具有两个复制起始位点的杂合质粒,并转化大肠杆菌.为基因工程的理论和实际应用奠定了基础;1977年,Cohen首先用基因操作手段克隆获得了生长激素抑制因子;1978年,Gilbert克隆获得鼠胰岛素,几年后,第一个基因工程产品---重组微生物的胰岛素问世了。

在过去的三十多年的时间里,世界各国的研究人员分离、鉴定、克隆了大量的不同生物的基因。利用现代分子生物学技术,通过遗传物质水平的改造,构建了高效表达的工程菌;通过细胞融合和DNA重组技术,获得能够表达外源蛋白的工程菌等等，使发酵工程发展进入了微生物工程的阶段。

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同时在发酵工艺上也取得了突飞猛进的发展，可以直接通过动植物细胞培养获得发酵产品;采用计算机控制的全自动发酵;采用固定化细胞进行连续发酵;生物反应器和传感器的开发应用。不断有新的发酵工程的产品问世,如胰岛素、生长激素、干扰素、疫苗等药物。

8、发酵工程涉及到广泛的产业领域,按微生物发酵产品的性质分为哪几方面？（简答、论述）（重点） 1.微生物菌体发酵

这是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵过程.包括单细胞的酵母和藻类,食用菌以及人,畜防治疾病的疫苗和微生物杀虫剂等.

细胞物质的发酵生产特点是细胞生长与产物积累呈平行关系,生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段,生长稳定期细胞物质浓度最大,同时也是产量最高的收获时期.

应用方面:

在食品工业上,用于面包工业的酵母发酵和微生物菌体蛋白(单细胞蛋白)发酵,包括细菌（螺旋兰细菌属、假单胞杆菌、链丝菌、筮甲烷或筮甲醇细菌等），酵母（产朊酵母、假丝酵母、毕卡酵母等），真菌（曲霉、地霉、内孢霉、镰刀霉、木霉等），藻类（螺旋藻、杜氏盐藻等）。生产活性乳酸菌制剂(系在干燥菌体中混合活性保护物质,用以提高人体整肠作用效率.)

食用菌和药用菌(蘑菇、香菇、草菇、木耳、银耳,冬虫夏草,灵芝,茯苓等)的发酵,生产珍稀名贵的食用菌和药用菌.

在农业中的应用:生物农药(微生物杀虫剂、防治植物病害微生物)、生物除草剂、生物增产剂(苏云金芽孢杆菌,腊状芽孢杆菌,球状芽孢杆菌,白僵菌,绿僵菌等)

(1)无性快速繁殖

(2)脱毒植株的获得(顶端分生组织)

(3)单倍体育种(花粉细月胞色培养--秋水仙素处理--纯种二倍体) (4)原生质体融合 (5)人工种子 (6) 植物品种改良

医药卫生上: 疫苗、单克隆抗体, 胚胎移植、胚胎分割等 2.微生物酶发酵

酶普遍存在于动植物和微生物细胞中,最早人们都是从动植物组织中提取酶.1894年日本高峰最早利用米曲霉制造了高峰淀粉酶(Take-dia-stase),现在利用发酵法制备生产并提取微生物产生的各种酶已成为当今发酵工程的重要组成部分.与动植物来源的酶相比,微生物发酵获得的酶既易于进行大规模生产,又便于改善工艺,提高产量.目前工业上应用的酶大部分来自微生物发酵.如:

糖酶: -淀粉酶, -淀粉酶,葡萄糖苷酶(即糖化酶)支链(异)淀粉酶,转化酶,异构酶,纤维素酶.

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蛋白酶:酸性蛋白酶,碱性蛋白酶,中性蛋白酶. 脂肪酶;凝乳酶;过氧化氢酶;

还有部分药用酶:包括青霉素酰化酶,胆固醇氧化酶,葡萄糖氧化酶,氨基酰化酶.

白酒,黄酒及酱油等生产用的各种曲也属培养多种微生物并使其分泌多种酶,用以体现分解原料淀粉和蛋白质等物质的酶的作用.

应用方面:

在食品工业中的应用:以糖类物质（水果汁、树汁、蜂蜜等）和淀粉物质（谷物或根类等）微主要原料造或加工含酒精的各种饮料(白酒、葡萄酒、果酒、黄酒、啤酒、香槟酒等)、发酵乳制品(奶酪、酸奶、奶酒等)、传统调味品(酱、酱油、味精、醋、豆豆支、核苷酸等)、发酵食品(豆腐乳、饴糖、泡菜等)、。

在轻工业中的应用:糖酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、过氧化氢酶、甘露聚糖酶。 3.微生物代谢产物发酵

以微生物代谢产物为产品的发酵生产是发酵工业中数量最多,产量最大,也是最为重要的部分;包括初级代谢产物,中间代谢产物,次级代谢产物.目前已知的微生物代谢产物上万种.应用方面:

在食品工业上,生产食品添加剂(面包酵母、柠檬酸、赖氨酸、色素、右旋糖酐葡聚糖、茁酶多糖（增稠剂）、葡萄糖氧化酶、维生素C（食品保鲜剂）匹马霉素（食品防护剂）等)。

在医药工业中的应用:各种抗生素（上万种）、氨基酸、维生素、甾体激素、治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸类药物等;

在农业上生产农用抗生素等

4.微生物的生物转化发酵

微生物的生物转化发酵是指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(基因),使其转变成结构相类似但经济价值更大的化合物的生化反应.生物转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经代谢而产生的,而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位,进行化学反应而形成的.在转化反应里微生物细胞的作用仅仅相当于一种特殊的生物催化剂,引起特定部位发生反应.可进行的转化反应包括脱氢,氧化,脱水,缩合,脱羧,羟化,氨化,脱氨,异构化反应.

应用于食品工业和化工能源产品中（醇及有机溶剂、有机酸、多糖、藻类石油等） 5.微生物特殊机能的利用

发酵工程除涉及上述四方面发酵生产外,还涉及下列几个领域: (1)利用微生物消除环境污染

环境恶化—包括环境污染合生态破坏,是人类面临的重大问题之一.可以直接用来消除环境污染,如废气和废渣污染的生物净化,废弃物的生物综合利用,污染的生物监测等.

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