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发酵工程


发酵工程 部分题库及答案 1、举出几例微生物大规模表达的产品, 及其产生菌的特点? A.蛋白酶 表达产物一般分泌至胞外,能利用廉价的氮源,生长温度较高,生长速度快 , 纯化、分离及分析快速;安全性高,得到 FDA 的批准的菌种。 B.单细胞蛋白 生长迅速,营养要求不高,易培养,能利用廉价的培养基或生产废物。适 合大规模工业化生产,产量高,质量好。安全性高,得到 FDA 的批准的菌种。 C. 不饱和脂肪酸 生长温度较低, 安全性高, 能利用廉价的碳源, 不饱和脂肪酸含量高, D.抗生素 生产性能稳定,产量高,不产色素, ,能利用廉价原料 F. 氨基酸 代谢途径比较清楚,代谢途径比较简单 2、工业化菌种的要求? A 能够利用廉价的原料,简单的培养基,大量高效地合成产物 B 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 C. 遗传性能要相对稳定 D. 不易感染它种微生物或噬菌体 E. 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) F. 生产特性要符合工艺要求 4、讨论:微生物(包括动、植物)可以生产我们所需的一切产品,但是涉及到工业化生产, 对于某一种特定的产品,为何只有特定的微生物才具有大量表达的潜力? 在不同的环境条件下,微生物细胞对遗传信息作选择性的表达,实现代谢的自动调节。代谢 的协调能保证在任何特定时刻、特定的细胞空间,只合成必要的酶系(参与代谢的多种酶) 和刚够用的酶量。 一旦特定物质的合成达到足够的量, 与这些物质合成有关的酶就不再合成 了。并且,已合成的酶的活力受到许多调节机制的控制,以确保新陈代谢全面协调, 、为细 胞的经济运行提供保证。因此,细胞固有的生产关系支持细胞自身的增殖(生产细胞) ,不 支持(人的)目的产物的过量生产(生产特定的初级代谢产物) 。而工业化生产要求特定表 达某种或某类物质,只有正常代谢被打破,代谢协调失常的微生物才能达到要求 5、自然界分离微生物的一般操作步骤? 样品的采取→预处理→培养→菌落的选择→初筛→复筛→性能的鉴定→菌种保藏 6、从环境中分离目的微生物时,为何一定要进行富集培养? 自然界中目的微生物含量很少,非目的微生物种类繁多,进行富集培养, 使目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖, 数量增加, 由原来自然条件下的劣势种变成 人工环境下的优势种,使筛选变得可能。 7、菌种选育分子改造的目的? 防止菌种退化; 解决生产实际问题; 提高生产能力; 提高产品质量; 开发新产品. 8、以目前的研究水平,土壤中能够培养的微生物大概占总数的多少?什么是 16sRNA 同源 性分析? 目前能够培养的微生物不到总数的 1%。 以 16sRNA 为靶基因, 设计引物, 建立 pcr 扩增体系, 再通过 DNA 测序进行细菌同源性分析。

9、什么叫自然选育?自然选育在工艺生产中的意义? 自然选育就是不经人工处理,利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程。 自然选育在工业生产上的意义: 自然选育可以有效地用于高性能突变株的分离。 然选育虽然 突变率很低,但却是工厂保证稳产高产的重要措施。 10、什么是正突变?什么是负突变?什么是结构类似物? 生产上所不希望看到的,表现为菌株的衰退和生产质量的下降,这种突变成为负突变。 生产上希望看到的,对生产有利,这种突变成为正突变。 结构类似物:在化学和空间结构上和代谢的中间物(终产物)相似,因而在代谢调节方面可 以代替代谢中间物(终产物)的功能,但细胞不能以其作为自身的营养物质。 《发酵工程与工艺学》试题库及答案 10-202008-06-16 08:36:11 1 楼 11、什么是诱变育种?常用的诱变剂有哪些? 诱变育种是指用物理、 化学因素诱导植物的遗传特性发生变异, 再从变异群体中选择符合人 们某种要求的单株,进而培育成新的品种或种质的育种方法。诱变剂有两大类:物理诱变剂 和化学诱变剂。 常用的物理诱变剂有紫外线、x 射线、γ 射线(如 Co60 等)、等离子、快中子、α 射线、β 射 线、超声波等。常用的化学诱变剂有碱基类似物、烷化剂、羟胺、吖定类化合物等。 12、什么是基因的重组?什么是基因的直接进化?二者有何区别? 基因的重组:是由于不同 DNA 链的断裂和连接而产生 DNA 片段的交换和重新组合,形成新 DNA 分子的过程 基因的直接进化:在分子水平上,对目标基因直接处理,然后通过高通量的筛选方法,提高 目标蛋白的性能。基因的直接进化,可使已有基因获得新的特性,可获得自然界中不存在的 基因,可解决许多新的理论和应用问题 13、什么是培养基?发酵培养基的特点和要求? 培养基:广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。 同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。 ①培养基能够满足产物最经济的合成。②发酵后所形成的副产物尽可能的少。 ③培养基的原料应因地制宜,价格低廉;且性能稳定,资源丰富,便于采购运,适合大规模 储藏,能保证生产上的供应。 ④/所选用的培养基应能满足总体工艺的要求,如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理 等。必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。 ⑥有利于减少培养基原料的单耗,即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。 ⑦有利于提高培养基和产物的浓度, 以提高单位容积发酵罐的生产能力。 ⑧有利于提高产物 的合成速度,缩短发酵周期。 ⑨所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响,利于提高氧的利用率,降低能耗。 14、用的碳源有哪些?常用的糖类有哪些,各自有何特点? 碳源:糖类(淀粉、葡萄糖、蔗糖等) 、油脂(动、植物油) 、有机酸(琥珀酸、柠檬酸、乳 酸、乙酸等)和低碳醇(甲醇、乙醇等) 。 葡萄糖,所有的微生物都能利用葡萄糖,但是会引起葡萄糖效应 糖蜜,是制糖生产时的结晶母液,它是制糖工业的副产物。主要含有蔗糖,总糖可达 50%~ 75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。除糖份外,含有较多的杂质,其中有些是 有用的,但是许多都会对发酵产生不利的影响,需要进行预处理。 淀粉、糊精,缺点:难利用、发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α -淀粉酶。成分比较 复杂,有直链淀粉和支链淀粉等等。优点:来源广泛、价格低,可以解除葡萄糖效应。 15、什么是生理性酸性物质?什么是生理性碱性物质?

经微生物生理作用(代谢)后能形成酸性物质的营养物叫生理酸性物质,若菌体代谢后能产 生碱性物质的营养物称为生理碱性物质 16、常用的无机氮源和有机氮源有哪些?有机氮源在发酵培养基中的作用? 常用的有机氮源有花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、蛋白胨等;常用的无机氮源有氨水、铵盐 和硝酸盐。 有机氮源在发酵培养基中的作用有: 除提供氮源外, 有些有机氮源还提供大量的无机盐及生 长因子。诱导某些酶的产生。 17、什么是前体?前体添加的方式? 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。 前体使用时普遍采用流加的方法。 18、什么是生长因子?生长因子的来源? 凡是微生物生长不可缺少而细胞自身不能合成的微量的有机物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、 维生素等均称生长因子。 有机氮源是这些生长因子的重要来源 19、什么是产物促进剂?产物促进剂举例? 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。 20、什么是理论转化率?什么是实际转化率? 理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算,所得出的转化率的大小。 实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小 《发酵工程与工艺学》试题库及答案 20-302008-06-16 08:51:03 2 楼 21、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.当培养基成分确定后,剩下的问题就是各成分最适的浓度,由于培养基成分很多,为减少 实验次数常采用一些合理的实验设计方法。 22、培养基成分选择考虑的问题? 1.菌种的同化能力 2.代谢的阻遏和诱导 3.合适的 C、N 比 4.pH 的要求 23、读书报告:举例说明培养基设计的方法与步骤? 24、讨论:培养基优化在发酵优化控制中的作用与地位? 发酵优化控制分两个阶段: 第一阶段控制菌体的生长, 目的是使长好的菌体能处在最佳的产物合成状态。 培养基优化应 该保证菌体快速生长,有利于产物合成和分泌的酶系开启,而不利于产物合成酶系的关闭, 处于最佳的产物合成状态, 并且副产物合成和分泌的酶系尽可能的少开启第二阶段控控制产 物的合成。该阶段,培养基优化应使产物合成能较长时间保持在最大合成速度。副产物的的 合成速率尽可能小。 25、什么是种子的扩大培养? 种子扩大培养是指将保存在砂土管、 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。 26.种子扩大培养的目的与要求? 种子扩培的目的:接种量的需要,菌种的驯化,缩短发酵时间、保证生产水平

种子的要求: 总量及浓度能满足要求, 生理状况稳定, 个体与群体, 活力强, 移种至发酵后, 能够迅速生长,无杂菌污染 27、种子扩大培养的一般步骤? 休眠孢子→母斜面活化→摇瓶种子或茄子瓶斜面或固体培养基孢子→一级种子罐→二级种 子罐→发酵罐 28、 在大规模发酵的种子制备过程中, 实验室阶段和生产车间阶段在培养基和培养物选择上 各有何特点? 实验室阶段培养物选择的原则:种子能扩培到一定的量和质,获得一定数量和质量的孢子/ 菌体。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。 生产车间阶段培养物的选择原则最终一般都是获得一定数量的菌丝体。 培养基选择首先考虑 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 29、什么是接种量?对于细菌、放线菌及霉菌常用的接种量是多少? 接种量=移入种子的体积/接种后培养液的体积 细菌 5℅、放线菌 20℅霉菌 10℅ 30 什么是发酵级数?发酵级数对发酵有何影响,影响发酵级数的因素有哪些? 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 发酵级数对发酵影响:1.种子级数少,可简化工艺和控制,减少染菌机会 2.种子级数太少,接种量小,发酵时间延长,降低发酵罐的生产率,增加染菌机会 3.级数大,难控制、易染菌、易变异,管理困难,一般 2-4 级。 4.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 影响发酵级数的因素:(1)菌种生长特性,孢子发芽及菌体繁殖速度;(2) 发酵规模.(3)工艺要 求.(4)接种量的影响. 《发酵工程与工艺学》试题库及答案 30-402008-06-16 08:52:33 3 楼 31、什么是种龄?事宜种龄确定的依据? 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。 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。 32、 读书报告: 结合具体的产品理解种子质量控制的方法, 以及认识种子质量对发酵的影响? 影响斜面种子质量的因素:(1)原材料质量,水质,培养基 pH.(2)灭菌条件,(3)接种量,(4)温 度,通风、(5)培养时间(6)有害气体或挥发物(7) 冷藏条件 种子质量好:1. 缩短发酵时间、保证生产水平. 2. 无杂菌污染. 3 移种至发酵后,能够迅速 生长.4.泡末产生少. 5.产物生成速率大. 6.副产物合成少. 7.对下游分离纯化有利 33、接种、倒种、双种? 接种: 接入种子罐后直接移种到发酵罐。 双种: 两个种子罐种子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。 34、什么是菌体的生长比速?产物的形成比速?基质的消耗比速?维持消耗? 菌体的比生长速率:单位重量的菌体瞬时增量 μ =(dx/dt)/x;单位为 1/h,其中 x—菌体浓度(g/L ) 产物的形成比速:单位时间内单位菌体形成产物(菌体)的量 π =(dp/dt)/x,;单位为 1/h,其中 p—产物浓度(g/L ) 基质的比消耗速率:单位时间内单位菌体消耗基质的量 =(ds/dt)/x;单位为 1/h,其中 s—底物浓度(g/L )

35、什么是 Monod 方程其使用条件如何?各参数的意义与求解? 当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时,细胞的生长速率与基质浓度关系(Monod 方程 式)如下: μ =μ max S/(Ks+ S) μ :菌体的生长比速. S:限制性基质浓度. Ks:半饱和常数. μ max: 最大比生长速度 Monod 方程的参数求解(双倒数法):将 Monod 方程取倒数可得: 1/μ =1/μ max+ Ks/μ max S 或 S/μ = S/μ max+ Ks/μ max 这样通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比生长速度,就可以通过回归分析计算出 Monod 方程的两个参数。 36、什么是初级代谢产物?什么是次级代谢产物? 初级代谢产物是指微生物产生的,生长和繁殖所必需的物质,如蛋白质、核酸等。 次级代谢产物是指由微生物产生的,与微生物生长、繁殖无关的一类物质。 37、什么是一类发酵?二类发酵?三类发酵? 一类发酵:产物形成与底物利用直接相关,为生长联系型,又称简单发酵型,产物直接由碳 源代谢而来,产物生成速度的变化与微生物对碳源利用速度的变化是平行的,产物生成与微 生物的生长也是平行的。在这些发酵过程中,菌体的生长、基质的消耗、产物的生成三个速 度都有一个高峰,三高峰几乎同时出现。 二类发酵:产物形成与底物利用间接相关,为部分生长联系型,又称中间发酵型,产物不是 碳源的直接氧化产物, 而是菌体代谢的主流产物。 它的特点是在发酵的第一时期碳源大量消 耗用于菌体的迅速增长而产物的形成很少或全无, 第二时期碳源大量消耗用于产物的高速合 成及菌体的生长。 三类发酵:产物形成与底物利用不相关,为非生长联系型,又称复杂发酵型,产物的生成在 菌体生长和基质消耗完以后才开始,与菌体生长不相关,与基质消耗无直接关系,所形成的 产物为次级代谢产物。 38、什么是连续培养?什么是连续培养的稀释率? 由于新鲜培养基不断补充,所以不会发生营养物的枯竭,另一方面,发酵液不断取出,发酵 罐内的微生物始终处于旺盛的指数生长期,罐内细胞浓度 X、比生长速率μ 、以及 t, pH 等 都保持恒定。 稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1) 39、解释连续培养富集微生物的原理? 菌的积累速率=生长速率-流出速率,调节培养基,使目的菌的流出速率<生长速率,杂菌的流出 速率>生长速率,就起到富集作用 40、何氧容易成为好氧发酵的限制性因素? 氧是需氧微生物生长所必需的。氧往往容易成为控制因素,是因为氧在水中的溶解度很低, 培养基因含有大量的有机和无机物质, 氧的溶解度比水中还要更低。 在对数生长期即使发酵 液中的氧浓度达到饱和,若此时终止供氧,发酵液中的溶氧可在几分钟内全部耗尽,使溶氧 成为控制因素。 发酵工程..部分题库及答案 2 41、临界溶氧浓度、氧饱和度的概念? 临界氧浓度:CCr 临界氧浓度:指不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。 氧饱和度:发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度 饱和溶氧浓度:在一定温度和压力下,空气中的氧在水中的溶解度。(mol/m3) 42、影响微生物需氧的因素有哪些? 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率, 在分批发酵中摄氧率变化很大, 不同生长阶段需氧不同,

对数生长后期达最大值。 培养基的成分和浓度显著影响微生物的摄氧率, 碳源种类对细胞的 需氧量有很大影响,一般葡萄糖的利用速度比其他的糖要快。 43、发酵液中的体积氧传递方程?其中 Kla 的物理意义是什么? 以单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3) OTR=KLα (C* –CL ) KLα 以氧浓度为推动力的容积氧传递系数,反映了设 备的供氧能力 44、如何调节摇瓶发酵的供氧水平? 往复,频率 80-120 分/次,振幅 8cm 旋转,偏心距转速 250rpm 装液量,一般取 1/10 左右: 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml 45、如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平? 一般认为, 发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力, 对菌体的生长有时会产生不利 的影响,所以有时发酵初期采用小通风,停搅拌,不但有利于降低能耗,而且在工艺上也是 必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。 46、氧的供需研究与反应器设计与放大的关系? 发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、 流体运动学相似和流体动力 学相似, 当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到, 而这个因素恰恰 在放大时成为关键因子时,就会造成整个发酵过程的失败(供氧、混合、剪切) 。 47、发酵过程糖代谢、氮代谢有什么规律,为什么? 糖代谢:特别是快速利用的糖,分解成小分子酸、醇,使 pH 下降。糖缺乏,pH 上升,是补 料的标志之一氮代谢:氨基酸被利用后产生 NH3 ,pH 会上升;尿素被分解成 NH3,pH 上 升。 微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。 糖的消耗反映产生菌的生长繁殖情况, 反映产 物合成的活力。菌体生长旺盛糖耗一定快,残糖也就降低得快通过糖含量的测定,可以控制 菌体生长速率, 可控制补糖来调节 pH, 促进产物合成, 不致于盲目补糖, 造成发酵不正常。 氮利用快慢可分析出菌体生长情况, 含氮产物合成情况。 但是氮源太多会促使菌体大量生长。 有些产物合成受到过量铵离子的抑制, 因此必须控制适量的氮。 通过氨基氮和氨氮的分析可 控制发酵过程,适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升,这时就要放罐,否则影响提取过 程。 48、发酵过程为什么要补料?补些什么? 在分批培养过程中补入新鲜的料液, 以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。 在这样 一种系统中可以维持低的基质浓度, 避免快速利用碳源的阻遏效应; 可以通过补料控制达到 最佳的生长和产物合成条件;还可以利用计算机控制合理的补料速率,稳定最佳生产工艺。 发酵基质和缓冲液等。 49、补料过多或过少对发酵有什么影响? 投料过多造成菌体细胞大量生长,无法稳定的产生发酵产物,导致菌体生产力下降,同时改 变发酵液流变学性质。如果补料过少,则使菌体过早进入衰退期,引起菌体衰老和自,同样 使生产力下降。 50、发酵过程中 pH 会不会发生变化为什么? 发酵过程中 pH 是不断变化的 1)糖代谢特别是快速利用的糖,分解成小分子酸、醇,使 pH 下降。糖缺乏,pH 上升,是

补料的标志之一 2)氮代谢当氨基酸中的-NH2 被利用后 pH 会下降;尿素被分解成 NH3,pH 上升,NH3 利用 后 pH 下降,当碳源不足时氮源当碳源利用 pH 上升。 3)生理酸碱性物质利用后 pH 会上升或下降 4)某些产物本身呈酸性或碱性,使发酵液 pH 变化。如有机酸类产生使 pH 下降,红霉素、 洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性,使 pH 上升。 5)菌体自溶 pH 上升,发酵后期,pH 上升 6)杂菌的污染,pH 下降 51、 pH 对发酵的影响表现在哪些方面? (1)pH 影响酶的活性。当 pH 值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻。 (2)pH 影响微生物细胞膜所带电荷。从而改变细胞膜的透性,影响微生物对营养物质的吸 收及代谢物的排泄,因此影响新陈代谢的进行。 (3)pH 值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离,从而影响微生物对这些物质的利用。 (4)pH 值影响代谢方向。pH 不同,往往引起菌体代谢过程不同,使代谢产物的质量和比 例发生改变。例如黑曲霉在 pH2~3 时发酵产生柠檬酸,在 pH 近中性时,则产生草酸。谷氨 酸发酵,在中性和微碱性条件下积累谷氨酸,在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和 N-乙酰 谷氨酰胺。 (5)pH 在微生物培养的不同阶段有不同的影响。 52、温度对发酵有哪些影响? (1)温度影响反应速率 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率,酶反应有一个最适温 度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2(平方)


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