發(fā)酵工程總結(jié).doc

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. 1 緒論 1-1何謂發(fā)酵？生物化學(xué)和工業(yè)上的發(fā)酵有何不同？ 生物化學(xué)意義上的發(fā)酵是指細(xì)胞在無(wú)氧條件下，分解葡萄糖或有機(jī)物產(chǎn)生能量的過(guò)程。 工業(yè)意義上的發(fā)酵是泛指利用培養(yǎng)細(xì)胞（包括動(dòng)物、植物和微生物）獲得產(chǎn)物的任何有氧或無(wú)氧的過(guò)程。 1-2何謂發(fā)酵工程？其主要內(nèi)容是什么？請(qǐng)簡(jiǎn)述其與生物技術(shù)的關(guān)系。 發(fā)酵工程是利用生物體為工業(yè)化生產(chǎn)服務(wù)的一門(mén)工程技術(shù)，即利用生物體的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，對(duì)無(wú)機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工（生物反應(yīng)過(guò)程），獲得產(chǎn)品的工程化技術(shù)。 它是研究生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的一門(mén)學(xué)科，其主體包括生物反應(yīng)工程和產(chǎn)品提取、精制的下游工程。主要研究?jī)?nèi)容： 1）優(yōu)良菌種的選育； 2）合適的生物反應(yīng)工程包括生物反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化、反應(yīng)器的選擇和下游工程 生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生物催化劑（酶或細(xì)胞）的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)。它包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、酶工程、生化工程等五大工程。生物技術(shù)的核心是基因工程，但又離不開(kāi)發(fā)酵工程。發(fā)酵工程是基因工程和酶工程的表達(dá)，即大部分生物工程的產(chǎn)品均要通過(guò)發(fā)酵工程來(lái)完成。所以說(shuō)，發(fā)酵工程在生物工程中是最關(guān)鍵的過(guò)程。現(xiàn)代發(fā)酵工程處于生物技術(shù)的中心地位，絕大多數(shù)生物技術(shù)的目標(biāo)都是通過(guò)發(fā)酵工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此生物技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域往往就是發(fā)酵工程的 研究對(duì)象。 1-3請(qǐng)簡(jiǎn)述發(fā)酵工程的發(fā)展史。 1）基因工程出現(xiàn)之前的時(shí)代（1982年前）； 1859年發(fā)現(xiàn)發(fā)酵原理、設(shè)計(jì)了便于滅菌的密閉式發(fā)酵罐； 1929,1940年發(fā)現(xiàn)和分離出青霉素，青霉素發(fā)酵、將通氣攪拌引入發(fā)酵工業(yè)； 1956年谷氨酸等氨基酸、核苷酸等發(fā)酵成功、代謝控制育種理論的建立； 60年代采用烷烴、乙酸、天然氣等為原料的石油發(fā)酵； 2）基因工程出現(xiàn)后的時(shí)代（1982年后）。 80 年代隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，人們可定向選育高產(chǎn)菌株； 1991年綜述代謝工程，在對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上開(kāi)始運(yùn)用基因工程技術(shù)改造細(xì)胞代謝途徑，以改進(jìn)細(xì)胞性能或提高產(chǎn)物生產(chǎn)能力。 組學(xué)的發(fā)展…… 系統(tǒng)工程和合成生物學(xué)…… 1-4 何謂初級(jí)代謝和次生代謝？舉例說(shuō)明初級(jí)代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物 。 初級(jí)代謝：微生物從外界吸收各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)的物質(zhì)和能量的過(guò)程稱為初級(jí)代謝。常見(jiàn)的初級(jí)代謝產(chǎn)物有：乙醇、氨基酸、呈味核苷酸、有機(jī)酸、多羥基化合物、多糖（黃原膠、結(jié)冷膠）、糖類(lèi)和維生素。 次生代謝：是相對(duì)于初級(jí)代謝而言的一個(gè)概念。它是指微生物在一定的生長(zhǎng)時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)微生物的生命活動(dòng)無(wú)必要功能的物質(zhì)的過(guò)程。次生代謝產(chǎn)物大都是分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、酶和毒素。 3 滅菌 3-1 滅菌的方法有哪幾種？ 化學(xué)藥劑滅菌（過(guò)氧乙酸、次氯酸鈉、二氧化氯、甲醛、過(guò)氧乙酸、環(huán)氧乙烷……） 射線滅菌（紫外線、高能電磁波、放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子） 干熱滅菌（160C，1h；主要由于氧化作用而死亡：微波加熱滅菌、烘箱加熱滅菌） 濕熱滅菌（120C，30min；利用飽和蒸汽滅菌） 過(guò)濾除菌（空氣除菌、料液的過(guò)濾除菌） 3-2 何謂空消和實(shí)消？各自操作如何？ 空消：培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐需在培養(yǎng)基滅菌前直接通蒸汽進(jìn)行空罐滅菌（進(jìn)汽→關(guān)閥升壓→保壓30min→降壓后通入無(wú)菌空氣→冷卻）； 實(shí)消：實(shí)罐滅菌，即分批滅菌，將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用裝置一起進(jìn)行滅菌。 3-3 連續(xù)滅菌流程有哪幾種？各自的特點(diǎn)是什么？ 連消塔—噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程：由連消泵、連消塔、維持罐和噴淋冷卻器組成 薄板換熱器連續(xù)滅菌流程：由3個(gè)薄板換熱器、維持管組成，節(jié)約了蒸汽和冷卻水 噴射加熱連續(xù)滅菌流程：由噴射加熱器、維持管、膨脹閥和真空冷卻器組成 3-4 簡(jiǎn)述發(fā)酵用無(wú)菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 1.?連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣 ，VVM=0.1-2.0 ； 2.?空氣的壓力一般為0.2-0.4 Mpa; 3.?進(jìn)入過(guò)濾器前空氣的相對(duì)濕度≤70% ； 4.?進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度高10-30C; 5.?過(guò)濾后空氣的無(wú)菌程度為10 -3。 3-5 空氣過(guò)濾除菌流程一般包括哪幾部分？各自的作用是什么？ 粗過(guò)濾器【去除大顆粒塵埃，粗過(guò)濾器分為布袋過(guò)濾器、油浴洗滌和水霧除塵器3種】→空氣壓縮機(jī)【供給能量】→貯罐【緩沖排氣壓力，穩(wěn)定氣壓】→油水分離器【去除壓縮空氣中的大顆粒油水霧】→空氣冷卻器【冷卻壓縮空氣，使其析出水汽】→水分離器【分離壓縮空氣的水汽】→加熱器【除水后相對(duì)濕度一般為100%，加熱以降至50-60%】→總過(guò)濾器【除菌，給全廠提供無(wú)菌空氣】→分過(guò)濾器【進(jìn)一步除菌，保證各發(fā)酵罐空氣無(wú)菌】 3-6 某生物制藥廠采用空氣冷卻流程一制備無(wú)菌空氣，當(dāng)?shù)乜諝庀鄬?duì)濕度60%?？諝膺M(jìn)入總過(guò)濾器時(shí)的狀態(tài)是：相對(duì)濕度60%、壓力0.4MPa，溫度35C。通過(guò)計(jì)算確定，當(dāng)?shù)貧鉁刈罡卟荒芨哂诙嗌?？?0、12、15、20、35C的飽和水蒸汽壓力分別為1228、1418、1705、2339、5615Pa） P1=0.1MPa，P2=0.4MPa， ?1= ?2 ，4Pb1=Pb2 ， 根據(jù)飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，得t < 12C 3-7 深層過(guò)濾除菌的機(jī)理是什么？請(qǐng)簡(jiǎn)述其各自的作用機(jī)制。 深層過(guò)濾介質(zhì)的孔隙大于微生物。利用顆粒的慣性沖擊、布朗運(yùn)動(dòng)、顆粒與介質(zhì)的靜電引力、重力沉降等作用將細(xì)菌攔截在介質(zhì)中進(jìn)行除菌。一般認(rèn)為慣性、攔截和布朗運(yùn)動(dòng)的作用較大，而重力和靜電引力的作用較小。 慣性沖擊作用：當(dāng)灰塵顆粒隨氣流前進(jìn)遇到過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，氣流受阻而改變方向，而顆粒因慣性作用仍沿直線向前運(yùn)動(dòng)，與纖維碰撞摩擦而吸附在纖維表面，以此攔截顆粒。 攔截滯留作用：在空氣流速較小時(shí)，微粒的流動(dòng)與空氣流線相似，受纖維所阻時(shí)，改變方向，繞過(guò)纖維前進(jìn)，并在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。而滯流區(qū)的空氣流速更慢，進(jìn)到滯流區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維，從而被粘附滯留。 布朗運(yùn)動(dòng)：在很小氣速和較小的纖維間隙時(shí)，則布朗擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的接觸機(jī)會(huì)，從而將微粒截留住。 重力沉降作用：重力沉降作用是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用。當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就很容易沉降。大顆粒比小顆粒更易沉降；對(duì)小顆粒來(lái)說(shuō)，只有氣速很慢時(shí)才起作用。一般它與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯流區(qū)內(nèi)，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率。 靜電作用：干空氣與非導(dǎo)體的物質(zhì)（如過(guò)濾介質(zhì)纖維）間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷。懸浮在空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，如枯草桿菌孢子20 % 帶正電荷，15 % 帶負(fù)電荷。這些帶電的微粒就會(huì)受異性電荷的物體吸引而沉降。 3-8 空氣過(guò)濾除菌的設(shè)備主要有哪些？各自的作用是什么？ 粗過(guò)濾器【去除大顆粒塵埃，粗過(guò)濾器分為布袋過(guò)濾器、油浴洗滌和水霧除塵器3種】→空氣壓縮機(jī)【供給能量】→貯罐【緩沖排氣壓力，穩(wěn)定氣壓】→油水分離器【去除壓縮空氣中的大顆粒油水霧】→空氣冷卻器【冷卻壓縮空氣，使其析出水汽】→水分離器【分離壓縮空氣的水汽】→加熱器【除水后相對(duì)濕度一般為100%，加熱以降至50-60%】→總過(guò)濾器【除菌，給全廠提供無(wú)菌空氣】→分過(guò)濾器【進(jìn)一步除菌，保證各發(fā)酵罐空氣無(wú)菌】 4 發(fā)酵技術(shù) 4-1 發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)有哪些？各種技術(shù)的特點(diǎn)是什么？ 分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵 分批發(fā)酵：發(fā)酵液體積恒定，發(fā)酵液中物質(zhì)濃度隨時(shí)間而變化； 分批補(bǔ)料發(fā)酵：在分批發(fā)酵過(guò)程中，間隙或連續(xù)的補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)技術(shù)。由于只有料液的輸入，沒(méi)有輸出，因此，發(fā)酵液的體積在不斷增加； 半連續(xù)發(fā)酵：補(bǔ)料分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上加上間歇放掉部分發(fā)酵液（行業(yè)中稱為帶放）； 連續(xù)發(fā)酵：補(bǔ)料的同時(shí)放走發(fā)酵液，發(fā)酵液體積不變。 4-2 ?請(qǐng)簡(jiǎn)述分批培養(yǎng)過(guò)程微生物細(xì)胞的典型生長(zhǎng)曲線及其每個(gè)階段的特點(diǎn) 。 停滯期：剛接種后的一段時(shí)間內(nèi)，因菌種對(duì)新的生長(zhǎng)環(huán)境有一適應(yīng)過(guò)程，細(xì)胞數(shù)目和菌量不變的過(guò)程 加速期：通常很短，比生長(zhǎng)速率可在短時(shí)間內(nèi)從最小升到最大值。 對(duì)數(shù)期：細(xì)胞已完全適應(yīng)其周?chē)h(huán)境后，便進(jìn)入恒定的對(duì)數(shù)或指數(shù)生長(zhǎng)期。 減速期：隨著養(yǎng)分的減少，有害代謝物的積累，生長(zhǎng)不可能再無(wú)限制地繼續(xù)。這時(shí)雖然細(xì)胞量仍舊在增加，但其比生長(zhǎng)速率不斷下降，細(xì)胞在代謝與形態(tài)方面逐漸蛻化。 平衡期：實(shí)際上是一種生長(zhǎng)和死亡的動(dòng)態(tài)平衡，【比生長(zhǎng)速率】 =α【比死亡速率】，凈生長(zhǎng)速率等于零。由于此時(shí)菌體的次級(jí)代謝十分活躍，許多次級(jí)代謝產(chǎn)物在此時(shí)大量合成，菌的形態(tài)也發(fā)生較大的變化（如菌體分化，染色變淺，形成空胞等）。 死亡期：當(dāng)養(yǎng)分耗竭，對(duì)生長(zhǎng)有害代謝物在發(fā)酵液中大量積累便進(jìn)入死亡期。這時(shí)α＞，生長(zhǎng)呈負(fù)增長(zhǎng)。工業(yè)發(fā)酵一般不會(huì)等到菌體開(kāi)始自溶時(shí)才結(jié)束培養(yǎng)。發(fā)酵周期的長(zhǎng)短不僅取決于前面五期的長(zhǎng)短還取決于X0（初始濃度）。 4-3 簡(jiǎn)述微生物產(chǎn)物合成與細(xì)胞生長(zhǎng)之間的關(guān)系及其工藝控制策略 。 生長(zhǎng)耦聯(lián)型：微生物的生長(zhǎng)、碳水化合物的降解代謝和產(chǎn)物的形成幾乎是平行進(jìn)行的，營(yíng)養(yǎng)期和分化期彼此不分開(kāi)，也即代謝產(chǎn)物的生成和細(xì)胞的生長(zhǎng)是同步的和完全耦聯(lián)的【策略：延長(zhǎng)發(fā)酵周期有利于產(chǎn)物合成】； 非生長(zhǎng)耦聯(lián)型：產(chǎn)物一般不是直接或間接來(lái)自微生物的產(chǎn)能降解代謝，而是通過(guò)兩用代謝途徑合成的，所以產(chǎn)物的生產(chǎn)與細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)直接關(guān)系【策略：如次生代謝產(chǎn)物，則以縮短菌體的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長(zhǎng)生產(chǎn)期，以提高產(chǎn)量】； 混合生長(zhǎng)耦聯(lián)型：產(chǎn)物間接的與微生物的初級(jí)產(chǎn)能代謝途徑相關(guān)，這類(lèi)反應(yīng)產(chǎn)物的生產(chǎn)與細(xì)胞的生長(zhǎng)僅有間接關(guān)系【策略：根據(jù)其耦聯(lián)程度而靈活調(diào)節(jié)】。 4-4 名詞解釋?zhuān)? 比生長(zhǎng)速率：指單位菌體（每克菌體）單位時(shí)間內(nèi)（一小時(shí)）增加的菌體量 基質(zhì)比消耗速率：指每克菌體在一小時(shí)內(nèi)消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量，它表示細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率或效率。 產(chǎn)物比生成速率：指每克菌體在一個(gè)小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量，它表示細(xì)胞合成產(chǎn)物的速度或能力。 對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率系數(shù)【YG】：指每消耗1g（或mol）基質(zhì)所產(chǎn)生的菌體重。 對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率系數(shù)【YP】：指每消耗1g（或mol）基質(zhì)所合成的產(chǎn)物質(zhì)量。 基質(zhì)消耗速率方程：。 X是當(dāng)前菌濃度，m是細(xì)菌維持生命活動(dòng)的消耗系數(shù) Luedeking-Piret方程：基本形式為，是描述產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)中混合生長(zhǎng)耦聯(lián)型的模型。 5 發(fā)酵工藝 5-1 培養(yǎng)基的種類(lèi)有哪些？前體、促進(jìn)劑和抑制劑有何不同？何謂碳分解代謝物阻遏、快速利用氮源、生理酸性和堿性氮源？ 培養(yǎng)基按純度分為合成培養(yǎng)基【成分完全已知】和復(fù)合培養(yǎng)基【一些成分不完全明確】；按狀態(tài)分固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基、液體培養(yǎng)基；按用途分孢子培養(yǎng)基【繁殖孢子用】、種子培養(yǎng)基【培育種子（用于生產(chǎn)的初始菌）用】、發(fā)酵培養(yǎng)基【生產(chǎn)用】。 前體是指加入后能直接在生物合成中結(jié)合到產(chǎn)物分子中而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大變化，但產(chǎn)物的產(chǎn)量卻有較大提高的物質(zhì)【如VB12的氯化鈷】。 促進(jìn)劑是指既不是營(yíng)養(yǎng)物又不是前體但能提高產(chǎn)量的物質(zhì)【如促進(jìn)分散的表面活性劑】。 抑制劑是指在發(fā)酵過(guò)程中加入某些物質(zhì)會(huì)抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，同時(shí)會(huì)使另一代謝途徑活躍，從而使所需產(chǎn)物或正常代謝的中間產(chǎn)物得以積累【甘油發(fā)酵中添加亞硫酸氫鈉】。 碳分解代謝物阻遏是指微生物在混合碳源發(fā)酵時(shí)優(yōu)先利用速效碳源（通常為葡萄糖），且該碳源的代謝產(chǎn)物會(huì)抑制其它非速效碳源代謝相關(guān)的基因表達(dá)和蛋白活性，從而影響非速效碳源利用的現(xiàn)象。 快速利用氮源即無(wú)機(jī)氮源，包括氨水、硝酸鹽、銨鹽。 無(wú)機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)，經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源叫生理酸性氮源，代謝后產(chǎn)生堿性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源（NO3-）稱為生理堿性氮源 5-2 最適pH與微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的相互關(guān)系有哪幾種？如何確定某一微生物發(fā)酵的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的最佳pH？又如何控制其pH？ 最適pH與微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的相互關(guān)系有： 、QP都有一個(gè)相同的較寬的最適pH范圍； (或QP)的最適pH范圍一個(gè)很窄、一個(gè)很寬； 和QP對(duì)pH都很敏感，但最適pH又相同； 和QP對(duì)pH都很敏感，但最適pH卻不相同。 【：菌體生長(zhǎng)；QP：產(chǎn)物合成】 菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的最適pH 根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定 。 發(fā)酵過(guò)程pH的控制方法 ： 1）流加酸：HCl； 2）補(bǔ)加氨水或尿素： 3）碳酸鈣：中和產(chǎn)生CO2 4）補(bǔ)料控制pH 5-3 何謂呼吸強(qiáng)度、耗氧速率、臨界溶氧濃度？ 呼吸強(qiáng)度：表示微生物的相對(duì)需氧量，指單位重量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)消耗的氧量； 耗氧速率：是指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞攝?。ɑ蛳模┭醯牧?，也稱攝氧速率； 臨界溶氧濃度：各種細(xì)胞對(duì)溶解氧濃度有一個(gè)最低要求，即發(fā)酵過(guò)程不需要使溶氧濃度達(dá)到或接近飽和值，只是超過(guò)此一氧濃度即可。此時(shí)溶氧濃度就稱為“臨界溶氧濃度”。 5-4 氧傳遞速率方程是什么？氧傳遞阻力主要是什么？影響氧傳遞的因素有哪些？請(qǐng)簡(jiǎn)述攪拌與通風(fēng)影響溶氧的的機(jī)制。請(qǐng)舉出幾種氧載體。 主要傳遞阻力是氣液相間氧傳遞過(guò)程； 影響氧傳遞的因素有溶氧系數(shù)(KLa)和傳遞推動(dòng)力(C*-CL )； 攪拌能夠顯著提高溶氧系數(shù)，具體表現(xiàn)為： 1)?攪拌能把大的空氣氣泡打成微小氣泡，a和氣液的接觸時(shí)間增大； 2)?攪拌使液體作渦流運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，即增加了氣液的接觸時(shí)間； 3)?攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而減少氣泡周?chē)耗さ暮穸?，減少液膜阻力； 4)?攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一。 氧載體包括：液態(tài)烷烴、正十二烷、正十六烷、全氟化碳、油酸、硅油、豆油。 5-5 發(fā)酵過(guò)程中泡沫是如何形成的？如何控制泡沫？常用的消泡劑有哪些？請(qǐng)具體寫(xiě)出幾個(gè)代表性消泡劑。 在微生物深層培養(yǎng)過(guò)程中由于通氣和攪拌、代謝氣體的逸出以及培養(yǎng)基中糖、蛋白質(zhì)、代謝物等穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)的存在，使發(fā)酵液中產(chǎn)生一定數(shù)量的泡沫。 控制泡沫有兩種方法： 機(jī)械消泡：在攪拌軸上方安裝消沫漿，泡沫借旋風(fēng)離心場(chǎng)而消泡。 化學(xué)消泡：利用消泡劑以降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度或降低液膜的表面粘度進(jìn)行消泡。 6 生物反應(yīng)器 6-1 何謂生物反應(yīng)器？一個(gè)良好的生物反應(yīng)器應(yīng)具備什么條件？ 生物反應(yīng)器指提供適宜細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的各種條件，促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝，在低消耗下獲得高產(chǎn)量的一種反應(yīng)設(shè)備。 一個(gè)優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備的條件： 1)?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 2)?不易染菌； 3)?良好的液體混合性能； 4)?較高的傳質(zhì)傳熱速率； 5)?單位時(shí)間單位體積的生產(chǎn)能力高； 6)?同時(shí)還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測(cè)和控制儀表。 6-2 常見(jiàn)的通風(fēng)發(fā)酵罐有哪些？分別描述它們各自的結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)缺點(diǎn)。 1.通用式發(fā)酵罐【既有機(jī)械攪拌裝置，又有壓縮空氣分布裝置】{技術(shù)成熟，通用性好，性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗大，造價(jià)高} 2.機(jī)械攪拌式自吸式發(fā)酵罐【利用機(jī)械攪拌的高速旋轉(zhuǎn)而吸入空氣】{省去了壓縮機(jī)；吸程短，易染菌，剪切損傷大} 3.氣升式發(fā)酵罐【是指利用空氣的提升作用而使發(fā)酵液循環(huán)，沒(méi)有機(jī)械攪拌】{結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，避免染菌，能耗低，供氧好，無(wú)攪拌剪切；不適宜高粘度或固含量大的發(fā)酵} 4.噴射自吸式發(fā)酵罐【利用噴射吸氣裝置吸入空氣而進(jìn)行氣液混合】{三相混合與分散良好，溶氧速率高，能耗低，無(wú)需提供壓縮空氣；較易染菌} 6-3 通用式發(fā)酵罐與氣升式發(fā)酵罐有何區(qū)別？ 兩者的主要區(qū)別在于： 1)?氣升罐功率消耗比通用式罐低； 2)?總功率相同時(shí)，氣升罐的氧傳遞速率比通用式罐高； 3)?氣升罐比通用式罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且沒(méi)有機(jī)械軸封； 4)?氣升罐對(duì)細(xì)胞的剪切作用比通用式罐要小得多。 6-4 厭氧菌培養(yǎng)的特點(diǎn)是什么？酒精發(fā)酵罐為什么沒(méi)有機(jī)械攪拌裝置？ 厭氧菌的氧化與有機(jī)物的還原耦合，因而形成較少的ATP，其細(xì)胞得率比需氧菌少許多。 酒精發(fā)酵罐屬于厭氧發(fā)酵罐，發(fā)酵過(guò)程不需要供氧，且產(chǎn)生的CO2氣體可以起到類(lèi)似氣升式罐一般的混合效果，因此沒(méi)有機(jī)械攪拌裝置。 6-5 什么是固體發(fā)酵？其有何優(yōu)缺點(diǎn)？請(qǐng)簡(jiǎn)述影響固體發(fā)酵的因素。幾種固體發(fā)酵罐有何共同特點(diǎn)？ 所謂固體發(fā)酵是指，在濕含量低于90% 或不含或很少自由水的固體或含固體顆粒培養(yǎng)基中的發(fā)酵。 優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)率高；抗污染強(qiáng)；裝料系數(shù)大；部分微生物生長(zhǎng)更好；可以以加工業(yè)殘?jiān)鼮樵希档蜕a(chǎn)成本；提取產(chǎn)物所需的溶劑少；發(fā)酵廢物的處理簡(jiǎn)單，可直接干燥作為動(dòng)物飼料。 缺點(diǎn)：物料攪拌難，混合不均，控制不易；傳熱性質(zhì)差，溫度控制難；發(fā)酵參數(shù)難以檢測(cè)；不太適合細(xì)菌生長(zhǎng)；研究不透徹，目前往往依靠經(jīng)驗(yàn)。 影響固體發(fā)酵的因素主要有合適菌株的篩選、最適基質(zhì)的確定和控制參數(shù)的優(yōu)化。 共同特點(diǎn)是都嚴(yán)格控制了固體發(fā)酵中氧的傳遞、溫度和基質(zhì)的濕含量。 7 基因工程菌的培養(yǎng) 7-1 影響工程菌不穩(wěn)定的因素有哪些？ 培養(yǎng)基的組成：質(zhì)粒在豐富培養(yǎng)基比在低限培養(yǎng)基中更加不穩(wěn)定。合成培養(yǎng)基往往有利于宿主細(xì)胞的生長(zhǎng)，但不利于外源基因的表達(dá)； 培養(yǎng)溫度：通常低溫有利于重組質(zhì)粒的穩(wěn)定遺傳； 菌體的比生長(zhǎng)速率：如果宿主菌的比生長(zhǎng)速率比工程菌的大，質(zhì)粒將嚴(yán)重丟失； 控制基因的過(guò)量表達(dá)：外源基因表達(dá)水平越高，重組質(zhì)粒就越不穩(wěn)定。 7-2 何謂高密度培養(yǎng)？重組大腸桿菌的高密度培養(yǎng)的關(guān)鍵和核心是什么？其培養(yǎng)技術(shù)有哪幾種？ 高密度培養(yǎng)是指提高菌體的發(fā)酵密度，最終提高產(chǎn)物的比生產(chǎn)率（單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)量）的一種培養(yǎng)技術(shù)，通常指分批補(bǔ)料發(fā)酵技術(shù)。 關(guān)鍵是補(bǔ)料策略，即根據(jù)工程菌的生長(zhǎng)特點(diǎn)及產(chǎn)物的表達(dá)方式采取合理的營(yíng)養(yǎng)流加方案，合理流加碳源降低‘葡萄糖效應(yīng)’ 常見(jiàn)的流加技術(shù)：恒速流加、變速流加、指數(shù)流加、反饋流加。 7-3 請(qǐng)簡(jiǎn)述畢赤酵母作為外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)的原理。何謂“三段法”？重組畢赤酵母高密度培養(yǎng)時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？ 畢赤酵母為甲醇利用型酵母，能以甲醇為唯一碳源和能源生長(zhǎng)。甲醇利用途徑的第一個(gè)酶為醇氧化酶（AOX）。生長(zhǎng)在限量甲醇中的細(xì)胞能誘導(dǎo)出大量該酶，而生長(zhǎng)在甘油、葡萄糖或乙醇中的細(xì)胞卻不能產(chǎn)生該酶。因此，可利用醇氧化酶基因（AOX1）作為強(qiáng)啟動(dòng)子來(lái)構(gòu)建表達(dá)系統(tǒng)而高效表達(dá)外源蛋白。 三段法：第一階段，在甘油或葡萄糖為碳源的合成培養(yǎng)基中進(jìn)行工程菌的分批培養(yǎng)，以積累菌體細(xì)胞；第二階段，在限制生長(zhǎng)速率下流加甘油或葡萄糖的流加補(bǔ)料培養(yǎng)，以進(jìn)一步提高菌體量；第三階段，即誘導(dǎo)階段，開(kāi)始較低速度流加甲醇，以誘導(dǎo)外源蛋白的表達(dá)。 【該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）提高細(xì)胞存活力；2）縮短誘導(dǎo)時(shí)間；3）提高重組蛋白的生產(chǎn)速率。但是過(guò)量甘油的流加，又將抑制甲醇利用途徑，導(dǎo)致外源蛋白的表達(dá)水平降低】 重組畢赤酵母的大規(guī)模培養(yǎng)的高密度培養(yǎng)時(shí)要注意控制代謝副產(chǎn)物乙醇的量，同時(shí)還要注意控制甲醇的流加量，它們都將抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，后者還將影響表達(dá)水平。 8 動(dòng)植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng) 8-1 動(dòng)植物細(xì)胞與微生物細(xì)胞的區(qū)別是什么？ 8-2 動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)方法有哪些？ 8-3 何謂灌注培養(yǎng)和微載體培養(yǎng)？動(dòng)物細(xì)胞在微載體表面的生長(zhǎng)機(jī)制是什么？ 灌注培養(yǎng)：指細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，一方面新鮮培養(yǎng)基不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又將培養(yǎng)液連續(xù)不斷地取出，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)，使細(xì)胞處于不斷的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)中?！炯?xì)胞密度高，利用時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)少，避免代謝總產(chǎn)物和有毒代謝副產(chǎn)物的抑制作用】 微載體培養(yǎng)技術(shù)就是將動(dòng)物細(xì)胞吸附在微載體表面而進(jìn)行的一種懸浮培養(yǎng)技術(shù)?！疚⑤d體是指直徑在60～250m，能適用于貼壁細(xì)胞生長(zhǎng)的微珠。微載體一般是由天然葡聚糖或者各種合成的聚合物組成】 錨地依賴性細(xì)胞在微載體表面上的增殖，要經(jīng)歷粘附和貼壁、生長(zhǎng)、擴(kuò)展成單層三個(gè)階段。 粘附和貼壁：經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的低速攪拌增加細(xì)胞與微載體的接觸，細(xì)胞通過(guò)靜電作用和范德華力貼附在微載體上。 生長(zhǎng)：選擇最適的生長(zhǎng)條件可使生長(zhǎng)迅速。 擴(kuò)展成單層：與微載體表面有關(guān)。微載體表面光滑時(shí)細(xì)胞擴(kuò)展快，表面多孔則擴(kuò)展慢。 8-4 微生物、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的主要區(qū)別是什么？ 動(dòng)植物細(xì)胞發(fā)酵罐中將通用式發(fā)酵罐中對(duì)細(xì)胞剪切損傷較大的攪拌器和通氣裝置改為對(duì)細(xì)胞損傷較小的。 攪拌軸中空通氣，預(yù)先將氣液混合，并通過(guò)籠網(wǎng)消泡，再將無(wú)泡的有氧氣混合的培養(yǎng)液供入發(fā)酵罐。【雖然深層通氣，但不產(chǎn)生氣泡，細(xì)胞不與氣泡接觸，避免了氣泡損傷※；?攪拌剪切力小，混合性能良好】【進(jìn)行氣液交換的液體量有限，導(dǎo)致溶氧系數(shù)?。唤Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以放大，易產(chǎn)生死角，不宜長(zhǎng)期連續(xù)使用】 {動(dòng)植物細(xì)胞發(fā)酵培養(yǎng)其實(shí)也適宜用大氣泡的氣升式發(fā)酵罐，無(wú)剪切損傷，氣泡損傷小} 9 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 研究?jī)?nèi)容 ①細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡動(dòng)力學(xué)； ②基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)； ③氧消耗動(dòng)力學(xué)； ④CO2生成動(dòng)力學(xué)； ⑤產(chǎn)物合成和降解動(dòng)力學(xué)； ⑥代謝熱生成動(dòng)力學(xué)。 9-1 名詞解釋?zhuān)杭?xì)胞得率系數(shù)、產(chǎn)物得率系數(shù)、理論得率系數(shù)、比生長(zhǎng)速率、比生成速率、比消耗速率、維持系數(shù)。 細(xì)胞得率系數(shù)： 產(chǎn)物得率系數(shù)： 理論得率系數(shù)：在所有所消耗基質(zhì)都用于生產(chǎn)產(chǎn)物而不用于細(xì)胞生長(zhǎng)的情況下，生成產(chǎn)物量和消耗基質(zhì)量的比值。 比生長(zhǎng)速率：指單位時(shí)間內(nèi)（1h）單位質(zhì)量的菌體（1g）所增加的菌體量。 比生成速率：指每克菌體在一個(gè)小時(shí)內(nèi)合成產(chǎn)物的量。 維持系數(shù)：每克菌體在一小時(shí)內(nèi)維持其最基本的代謝所需消耗的培養(yǎng)基量。 9-2 常見(jiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物形成模型有哪幾種？ 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)：Monod方程，Haldane方程，Logistic方程 產(chǎn)物形成模型：Luedeking-Piret方程 9-3 常見(jiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型（Monod方程和Logistic方程）、產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型（Luedeking-Piret方程）和基質(zhì)消耗的普遍動(dòng)力學(xué)模型 Monod方程：不存在除了單一基質(zhì)量之外的其它限制細(xì)胞生長(zhǎng)的條件【Ks半飽和常數(shù)】 Logistic方程【Xm細(xì)胞最大濃度】： 基質(zhì)消耗的普遍動(dòng)力學(xué)模型 10 優(yōu)化和放大 10-1 生物過(guò)程的研究一般可分為哪幾個(gè)階段？ 10-2 生物過(guò)程優(yōu)化的方法有哪些？ 單次單因子法 統(tǒng)計(jì)法{Plackett-Burman法、響應(yīng)面法} 改進(jìn)單純形法 10-3 某產(chǎn)物的發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L) 為葡萄糖50、蛋白胨10 、酵母膏10、KH2PO4 2、MgSO4 1， 請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)Plackett-Burman 的實(shí)驗(yàn)方案？ 10-4 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，黑曲霉葡萄糖氧化酶發(fā)酵生產(chǎn)工藝為pH 5.5-6.0，攪拌轉(zhuǎn)速500 rpm，氣液比1.0-1.5 vvm，現(xiàn)在某研究人員為了確定自己篩選獲得黑曲霉菌種在5 L機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，葡萄糖氧化酶的最佳發(fā)酵工藝，請(qǐng)為其設(shè)計(jì)改進(jìn)單純形法的最初4組實(shí)驗(yàn)方案。在完成這4組實(shí)驗(yàn)后，若第2組產(chǎn)葡萄糖氧化酶最差，請(qǐng)問(wèn)第5組實(shí)驗(yàn)方案如何？ 序號(hào) pH 轉(zhuǎn)速（rpm） vvm 酶活 a 5.5 500 1 b 5.5 500 1.5 x c 6 500 1 d 6 500 1.5 e (a+b+c)*2/3-b (a+b+c)*2/3-b (a+b+c)*2/3-b 精選word范本！