白酒釀造優(yōu)化方案(復(fù)習(xí)重點(diǎn))

1、1、何謂流加發(fā)酵？答：所謂流加發(fā)酵，即補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batch fermentation)，有時(shí)又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過(guò)程中間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方法2、寫出Monod方程，并寫出其成立的條件和各參數(shù)的意義。顯亠max , 亠Ks S條件：溫度和pH恒定時(shí)(1)菌體生長(zhǎng)為均衡型非結(jié)構(gòu)生長(zhǎng);培養(yǎng)基中只有一種底物是生長(zhǎng)限制性底物;(3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定參數(shù)意義：Jmax稱為最大比生長(zhǎng)速率(h-1)，Ks稱為半飽和常數(shù)(g/L),S為限制性底物濃度。3、細(xì)胞高密度培養(yǎng)過(guò)程存在的問(wèn)題有哪些？其相應(yīng)解決措施有哪些?答：?jiǎn)栴}：1.產(chǎn)物或代謝副產(chǎn)物的積累對(duì)生長(zhǎng)的抑制2.

2、 氧的限制3. HCDC中培養(yǎng)基粘度不斷增加，引起混合不充分4. CO2和熱量的高釋放率解決措施1.控制比生長(zhǎng)速率在產(chǎn)生乙酸的臨界值以下選擇合適的培 養(yǎng)基2提高通氣速率和攪拌速度富氧空氣和純氧 在加壓環(huán)境下培養(yǎng)3有必要研究發(fā)酵罐中的攪拌模型，找到改善攪拌的方法。4通過(guò)降低細(xì)胞比生長(zhǎng)速率而部分的解決把培養(yǎng)溫度從37 C降到26 - 30 C,會(huì)降低營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)速度，因此會(huì)減少有毒副產(chǎn)物和代謝產(chǎn)生的熱量。降低溫度也能減少細(xì)胞對(duì)氧的需求。降低重組細(xì)胞溫度也有可能減少包含體形式的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。4、無(wú)反饋控制的流加策略有哪些？答：開環(huán)（無(wú)反饋）控制恒速流加以預(yù)先決定的（恒定的）速率流加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，比生長(zhǎng)

3、速率逐漸降低。加速流加以逐漸增加的速率流加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 可補(bǔ)償一些比 生長(zhǎng)速率的降低。指數(shù)流加 以指數(shù)的速率流加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?？傻玫胶愣ǖ谋壬L(zhǎng)速率。閉環(huán)（反饋）控制即時(shí)DO當(dāng)DO降低時(shí)補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。即時(shí)pH主要碳源耗盡引起pH上升時(shí)補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。二氧化碳釋放率（CER） CER基本正比于碳源的消耗速度。這一方法最為經(jīng)常用于控制比生長(zhǎng)速率。細(xì)胞濃度一一營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流加速率由細(xì)胞濃度決定底物濃度控制一一營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流加速率直接由主要碳源的濃度控制5、何謂發(fā)酵產(chǎn)物的理論得率？可由哪些途徑計(jì)算得到?答：假設(shè)發(fā)酵過(guò)程中完全沒有菌體生成，則論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率theor Yp/sYP/S可達(dá)理論最高值，稱為理計(jì)算途徑(a)

4、根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為：C6H12O6 NH3 1.5O2 > C5H9NO4 C02 3H2O theorYp/S依此計(jì)算=147/180=0.82(b)由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝途徑，進(jìn)行代謝過(guò)程中有關(guān)NAD(P)+和ATP等輔底物的物料衡算，結(jié)合化學(xué)計(jì)量關(guān)系可求出下式1337C6H12O6 NH3 202 > C5H9NO4CO< - H2O1222theor由該反應(yīng)式得Yp/s =(147 X12)/(13 X180)=0.75由于NADPH和ADP的再生過(guò)程要消耗底物，故依這種方法求得的值要小

5、于 單純依據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系求得的結(jié)果!用生化計(jì)量式時(shí)，必須清楚有關(guān)的代謝途徑優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分批試述分批、一流加和較連續(xù)培養(yǎng)方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)放罐、滅菌等原因，非生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)2易轉(zhuǎn)產(chǎn)、生產(chǎn)靈活2經(jīng)?；鹁鷷?huì)降低儀器壽命3分批操作中某一階段可獲得高的3前培養(yǎng)和種子的花費(fèi)大轉(zhuǎn)化率4發(fā)酵周期短，菌種退化率小4需較多的操作人員或較多的自動(dòng)控制系統(tǒng)連續(xù)發(fā)酵1可實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的機(jī)械、自動(dòng)化1操作不靈活2操作人員少2因操作條件不易改變，原料質(zhì)量必須穩(wěn)定3反應(yīng)器體積小、非生產(chǎn)時(shí)間少3若米用連續(xù)滅菌，加上控制系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備，投資較大4.產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)疋4.必須不斷地排除一些非溶性的固型物5操作人員接觸毒害物質(zhì)的可能性5易染菌，菌種易

6、退化小7、用于發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化技術(shù)主要有哪些？試詳細(xì)敘述之。答：基于微生物營(yíng)養(yǎng)條件的發(fā)酵優(yōu)化基于微生物環(huán)境條件的發(fā)酵優(yōu)化基于底物運(yùn)輸、生化反應(yīng)、產(chǎn)物排出 確定不同環(huán)境條件對(duì)微生物生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物分布的影響-優(yōu)化微生物生長(zhǎng)的物理和化 學(xué)環(huán)境-保證微生物生長(zhǎng)處于最適條件-奠定基礎(chǔ)基于微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)酵優(yōu)化1分析-發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（卩，qp , qs）流變學(xué)參數(shù)的變化特性-提出-分階段控制策略-目的-控制環(huán)境條件在最適合細(xì)胞生 長(zhǎng)或最適合產(chǎn)物合成的水平2以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化-建立動(dòng)力學(xué)模型，求解參數(shù)并評(píng) 價(jià)其適用性-對(duì)發(fā)酵進(jìn)程和產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)-采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制技術(shù)

7、A-對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行在線狀態(tài)預(yù)測(cè)和模式 識(shí)別B-自適應(yīng)最優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際應(yīng)用基于代謝通量分析的發(fā)酵優(yōu)化參考已知的生化反應(yīng)計(jì)量關(guān)系、代謝途徑、生理、特征，構(gòu)建、合 成不同產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡(luò)-利用代謝通量分析方法，計(jì)算得出胞內(nèi)各條代 謝途徑的通量變化。-分析不同發(fā)酵產(chǎn)品合成途徑中主要代謝節(jié)點(diǎn)的性 質(zhì)，結(jié)合發(fā)酵過(guò)程中胞內(nèi)能量代謝情況，提出一系列發(fā)酵優(yōu)化策略基于環(huán)境脅迫發(fā)酵優(yōu)化研究-微生物的抗脅迫因子及其抗脅迫機(jī)制，考察環(huán)境脅迫條 件下特定微生物蛋白轉(zhuǎn)錄和代謝途徑變化，采用不同環(huán)境脅迫手段或措施對(duì)微生物的生長(zhǎng)或代謝進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)或大量合成目的產(chǎn)物。 基于輔因子調(diào)控的發(fā)酵優(yōu)化研究

8、輔因子形式及其濃度在物質(zhì)代謝和信號(hào)傳遞途徑中控制代謝 流方向和流量分配的作用機(jī)制、物質(zhì)流和輔因子流的變化規(guī)律，對(duì)微生物 的生長(zhǎng)或代謝進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)微生物合成目的產(chǎn)物的代謝流的最大化和快 速化。系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)酵優(yōu)化：最終達(dá)到整體系統(tǒng)的優(yōu)化。8、實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的目標(biāo)有哪些？如何根據(jù)發(fā)酵過(guò)程的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的相對(duì)統(tǒng)一?答：目標(biāo)；顯著提高發(fā)酵過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性即達(dá)到高產(chǎn)量、高生產(chǎn)強(qiáng)度、高 低無(wú)轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的相對(duì)統(tǒng)一的方法：（第七題答案總結(jié)得到）9、一般情況下，用于描述發(fā)酵過(guò)程參數(shù)變化的模型有哪些？各舉一例表示之。rX orqp = yp x 'r -答：生長(zhǎng)偶聯(lián)型（乙醇發(fā)酵）p生

9、長(zhǎng)非偶聯(lián)型（次級(jí)代謝物）r Xv or q 二constant生長(zhǎng)半偶聯(lián)型：（乳酸發(fā)酵）、= Vx + 0 Xv or qp = a F + P10、試舉一例說(shuō)明如何優(yōu)化某一發(fā)酵過(guò)程。答：例子；1如何得到丙酮酸高產(chǎn)量發(fā)酵？-菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化選育自身不能合成維生素的酵母（維生素缺陷型）控制培養(yǎng)基中 維生素濃度2如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度？-分階段溶氧控制高溶氧下，丙酮酸轉(zhuǎn)化率較高，但生產(chǎn)強(qiáng)度（葡萄糖消耗速度）（PE到 Pyr的通量增加了 20%，丙酮酸進(jìn)一步代謝的通量下降了 63.3% 低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸產(chǎn)率卻明顯下降（NADH-ATP 的增高）最終得到：采

10、用單一高或低供氧模式，不能同時(shí)達(dá)到高轉(zhuǎn)化率和高生產(chǎn)強(qiáng)度！ 前16 h較高溶氧有利于碳流合成細(xì)胞；16 h后耗氧速率恒定， 碳流轉(zhuǎn)向合成丙酮酸確定分階段供氧模式 ：發(fā)酵0-16 h控制 kLa 為 450 h-1，16 h 后將 kLa 降低至 200 h-13如何使酵母從積累丙酮酸轉(zhuǎn)向積累 二酮戊二酸-輔因子調(diào)控先打開丙酮酸脫氫酶系（PDH）途徑然后打開丙酮酸羧化酶（PC）途徑 4從積累丙酮酸轉(zhuǎn)向積累酮戊二酸添加Ca2+離子，PC活性受Ca2+所激活一同時(shí)打開PDH和PC途 徑5提高耐鹽能力促進(jìn)丙酮酸代謝細(xì)胞生長(zhǎng)和丙酮酸積累隨著滲透壓的升高而降低；采用pH控制的連續(xù)培養(yǎng)方法，以高濃度氯化鈉為選

11、擇性壓力獲得突變株 RS23從而使丙酮酸的產(chǎn)量提高11、代謝工程的定義是什么？其主要的研究方法和應(yīng)用領(lǐng)域是什么？ 答：定義：一般定義：通過(guò)某些特定生化反應(yīng)的修飾來(lái)定向改善細(xì)胞的特性或運(yùn) 用重組DNA技術(shù)來(lái)創(chuàng)造新的化合物具體定義：代謝工程是應(yīng)用重組 DNA技術(shù)和應(yīng)用分析生物學(xué)相關(guān)的遺 傳學(xué)手段進(jìn)行有精確目標(biāo)的基因操作，以改變微生物原有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)（酶的功能和輸送體系的功能、甚至產(chǎn)能系統(tǒng)的功能），通過(guò)有目的地對(duì)細(xì)胞代謝進(jìn)行修飾（功利性修飾）以改變細(xì)胞某些方面的代謝活性的 整套工作（包括代謝分析、代謝設(shè)計(jì)、遺傳操作、目的代謝產(chǎn)物的實(shí)現(xiàn)）， 從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)目的代謝活性產(chǎn)物的提高這一預(yù)期目標(biāo)的一個(gè)嶄新的領(lǐng)

12、域。研究方法：（1）代謝工程注重酶學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及現(xiàn)代 數(shù)學(xué)的理論及技術(shù)為研究手段，在細(xì)胞水平上闡明代謝途徑與代謝網(wǎng)絡(luò)之間局部與整體的關(guān)系、胞內(nèi)代謝過(guò)程與胞外物質(zhì)運(yùn)輸之間的偶聯(lián)以及 代謝流流向與控制的機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)工程和工藝操作達(dá)到優(yōu)化 細(xì)胞性能的目的。（2）代謝工程中的遺傳手段可以采用基因工程技術(shù)， 也可以采用 常規(guī)誘變育種技術(shù)，但前者有機(jī)會(huì)引進(jìn)外源基因和外源調(diào)節(jié)因子， 這同 傳統(tǒng)的改良菌種的遺傳方法不同。（3）代謝工程通過(guò)對(duì)特定的生化反應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行修飾或用重組DNA技術(shù)導(dǎo)入新的生化反應(yīng)來(lái)改進(jìn)蛋白質(zhì)分子的性質(zhì)。應(yīng)用領(lǐng)域：發(fā)酵工業(yè)方面，用于提高微生物合成天然目標(biāo)產(chǎn)

13、物的得率 和生產(chǎn)能力； 擴(kuò)大微底物利用范圍； 生產(chǎn)原來(lái)不存在的新物質(zhì)； 提高菌體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，如耐受缺氧、改善同化氮的能力或抑制性物質(zhì)的能力； 阻斷或降低副產(chǎn)物的生成； 在環(huán)境工程方面降解有害廢棄物及有害物質(zhì)； 制備手性化合物，作為醫(yī)藥中間體； 在醫(yī)療方面，用于整體器官和組織的代謝過(guò)程分析，用于鑒定基因治療或營(yíng)養(yǎng)控制疾病的目標(biāo)； 信息傳導(dǎo)途徑方面，進(jìn)行信息流分析，為了治療疾病而進(jìn)行基因表達(dá)的分析和調(diào)節(jié)，以及闡明信息流的相互作用 和控制; 異源蛋白的生產(chǎn)。12、何為系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)？試舉一例說(shuō)明之。答：系統(tǒng)：系統(tǒng)是同類或相關(guān)事物按一定的內(nèi)在聯(lián)系組成的整體，優(yōu)化技術(shù)：采用定性或定量的模型優(yōu)化技術(shù)，

14、使系統(tǒng)整體目標(biāo)最優(yōu)例子：ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應(yīng)用1、問(wèn)題的來(lái)源?固定化細(xì)胞和酶在工業(yè)生物技術(shù)中的廣泛應(yīng)用?局限于簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)多酶反應(yīng)的障礙在于缺乏輔因子（如ATP、NAD、輔酶A）的再生 系統(tǒng)。2. ATP再生系統(tǒng)的定義及分類定義：一個(gè)需要ATP的生物酶反應(yīng)系統(tǒng)與一個(gè)ATP生物合成系統(tǒng)所構(gòu)成的耦合系統(tǒng)3兩種系統(tǒng)的不同之處自耦合ATP再生系統(tǒng)只用到一種微生物，故該菌中必須同時(shí)具有需要ATP的生物合成反應(yīng)的酶活性和再生 ATP的酶活性?種間耦合ATP再生系統(tǒng)采用不同的微生物，一種作為ATP合成活性的供 體，另一種作為與此相偶聯(lián)的生物合成酶活性的供體?以E. coli作為合成

15、酶活性的受體菌和具有較強(qiáng) ATP生物合成活性的產(chǎn)氨 短桿菌或面包酵母組合而成的種間耦合反應(yīng)系統(tǒng)4. ATP再生系統(tǒng)存在的問(wèn)題(1) 除了合成產(chǎn)物所需的關(guān)鍵酶以外，細(xì)胞內(nèi)還有許多酶，其中一些 具有分解活性，能將反應(yīng)的底物和預(yù)定的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物(2) 微生物細(xì)胞具有很強(qiáng)的自我保護(hù)功能。作為滲透屏障的細(xì)胞膜可 防止胞內(nèi)物質(zhì)滲出。但當(dāng)細(xì)胞用作酶源時(shí)，這種屏障就會(huì)阻礙底物 和產(chǎn)物進(jìn)出細(xì)胞5解決ATP再生系統(tǒng)存在問(wèn)題的辦法(1) 抑制副反應(yīng)的方法對(duì)于具有分解、轉(zhuǎn)移底物或產(chǎn)物為副產(chǎn)物的酶，可通過(guò)選育缺 失該酶活性的突變株，或優(yōu)化反應(yīng)條件使副產(chǎn)物的形成降低 到最小的限度(2) 提高膜通透性的方法干燥細(xì)胞或用

16、溶劑、表面活性劑處理細(xì)胞都可以提高細(xì)胞膜的 通透性13、何為輔因子工程？常見的輔因子有哪一些？其主要的調(diào)控作用方式有哪些?答什么是輔因子工程?輔因子工程 是采用分子生物學(xué)的手段，改造細(xì)胞內(nèi)輔因子的再 生途徑，改變微生物細(xì)胞內(nèi)輔因子的形式和濃度，定向改變和 優(yōu)化微生物細(xì)胞代謝功能，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝流最大化、快速化地 導(dǎo)向目標(biāo)代謝產(chǎn)物的合成。輔因子工程卿及到的輔因子有：ATP/ADP/AMP NADH/NAD+NADPH/NADP+乙酰輔SA及其衍生物、維 生素和微量元素。其中NADH/NAD+為重要的輔因子全程 參與了微生物細(xì)胞內(nèi)DC多個(gè)氧化還原反應(yīng)。輔因子調(diào)控的作用方式1能荷調(diào)節(jié)：ATP ADP AMP對(duì)一些酶進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)，能荷水平對(duì) EMP TCA氧化磷酸化調(diào)節(jié)能荷高抑制上述代謝能荷低促進(jìn)上述代謝，促進(jìn) ATP生成2 NADH/NAD+調(diào)節(jié)：能量代謝、氧化還原反應(yīng)；碳代謝流線粒體3金屬離子調(diào)節(jié)：金屬離子可作為許多酶的激活劑14、何為初級(jí)代謝？何為次級(jí)代謝？試各舉一例說(shuō)明。答：初級(jí)代謝產(chǎn)物定義為“在細(xì)胞生長(zhǎng)所需要的反應(yīng)中形成的產(chǎn)物”可能比較確切一些（次級(jí)代謝產(chǎn)物 定義為“在那些對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)不重要的反應(yīng)中形成的產(chǎn)物例子初級(jí)