新编生物工艺学思考题.docx

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新编生物工艺学思考题

生物工艺学

1.生物技术：

是“应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务”的技术。

2.生物技术发展的四个时期的代表性技术和产品：

①经验生物技术时期（面包啤酒酸奶麻沸散）；②近代生物技术建立时期（300倍显微镜巴斯德消毒法疫苗生产乳酸酒精发酵青霉素有机溶剂）；③近代生物技术全盛时期（青霉素投产抗生素氨基酸核苷酸维生素）；④现代生物技术建立和发展时期（基因工程单克隆抗体动植物细胞培养技术转基因动植物）。

1.微生物选择性分离方法步骤：

①含微生物材料的选择；②材料的预处理；③所需菌种的分离；④菌种的培养；⑤菌种的选择和纯化。

2.菌种的选育方法：

①自然育种；②诱变育种；③抗噬菌体菌种的选育；④杂交育种；⑤原生质体融合；⑥DNA重组技术。

3.诱变选育的经典流程（包括诱变和筛选）：

出发菌种→斜面→单孢子悬液→诱变处理→稀释涂平板→挑取单菌落传种斜面→摇瓶初筛→挑出高产斜面→留种保藏菌种→传种斜面→摇瓶复筛→挑出高产菌株作稳定性试验和菌种特性考察→放大罐试验，中试考察→大型投产

4.原生质体融合技术与其它筛选方法相比较有哪些优点：

①去除了细胞壁的障碍，亲株基因组直接融合、交换，实现重组，不需要有已知的遗传系统；②原生质体融合后两亲株的基因组之间有机会发生多次交换，产生各种各样的基因组合而得到多种类型的重组子；③重组频率特别高，因为聚乙二醇作助溶剂；④可以和其它育种方法相结合，把由其它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可以用温度、药物、紫外线等处理、钝化亲株的一方或双方，然后使之融合，再在再生菌落中筛选重组子。

5.DNA重组技术的基本过程：

①含目的基因的DNA片段的准备；②载体；③含目的基因的DNA片段与载体相连接；④将重组分子送入受体细胞，并于其中复制、扩增；⑤筛选出带有重组DNA分子的转化细胞；⑥鉴定外源基因的表达产物。

6.菌种常见保存方法及其特点：

①斜面冰箱保存法（短期、过渡的方法3~6月）；②沙土管保藏法（适合于产孢子或者芽孢的微生物一年左右）；③菌丝速冻法（不产孢子或芽孢的微生物）；④石蜡油封存法（适用于不能利用石蜡油作碳源的细菌、霉菌、酵母菌等微生物的保存期一年左右）；⑤真空冷冻干燥保藏法（快速将细胞冻结，保持细胞完整，且对各种微生物都适用五年左右）；⑥液氮超低温保藏法（适用范围最广保存期最长）。

1.微生物代谢调节控制部位：

养分的吸收排泄、限制基质与酶的接近，控制代谢流程。

2.微生物次级代谢特征：

1.种类繁多，结构特殊，含有不常见的化合物2.含有少见的化学键3.一种微生物所合成的次级代谢物往往是一组结构相似的化合物4.一种微生物的不同菌株可以产生分子结构迥异的次级代谢物5.次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感

3.次级代谢物的生物合成步骤：

①养料的摄入；②通过中枢代谢途径养分转化为中间体；③小分子建筑单位（次级代谢物合成的前体）的生物合成；④如有必要，改变其中的一些中间体；⑤这些前体进入次级代谢生物合成的专有途径；⑥在次级代谢的主要骨架形成后作最后的修饰，成为产物。

4.前体的概念、作用及添加原则：

前体是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有较大的提高，具有产物合成的作用。

作用：

①起抗生素建筑材料作用；②诱导抗生素生物合成的作用。

添加原则：

大多数前体对微生物的生长有毒性，以及菌体具有将前体氧化分解的能力，因此在生产中为了减少毒性和增加前体的利用率，常采用少量多次或流加的工艺，控制发酵液中前体的残留浓度在适宜范围。

5.前体与诱导物的区别：

一般把那些能在生长期内生产期前促进抗生素生物合成的化合物看作诱导物，而前体往往只是在生产期内起作用，甚至蛋白质合成受阻的情况下也行。

诱导物应能被非前体的结构类似物取代，且诱导物的诱导系数特别高。

1.大规模发酵培养基共同的特点:

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，便于采购运输，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。

2.培养基的类型与功能：

①按纯度分类：

a，合成培养基，所用的原料其化学成分明确、稳定，适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化等工作；b，天然培养基，用于工业化的生产。

②按状态划分：

a，固体培养基，适用于菌种及孢子的培养和保存，也用于生产；b，半固体培养基，鉴定细菌、观察细菌运动特征及噬菌体的效价滴度；c，液体培养基，发酵工业大规模使用。

③按用途分类：

孢子培养基，种子培养基，发酵培养基。

3.培养基的成分来源及作用：

①碳源（a，为微生物菌种的生长繁殖提供能源和合成菌体所需成分；b，为合成目的产物提供所需的碳成分。

）成分来源：

糖类油和脂肪有机酸烃及醇类；②氮源（用于构成菌体细胞物质和含氮代谢物，分有机氮源和无机氮源）玉米浆+尿素铵盐硝酸盐及氨水；③无机盐及微量元素（作为其生理活性物质的组成及生理活性作用的调节物）PMgSKNaFeClMnZn；④水（培养基的主要成分，直接参加代谢同时又是进行代谢反应的内部介质。

为微生物生长繁殖和合成目的产物提供了必须的生理环境）⑤生长因子前体产物促进剂和抑制剂（有助于代谢产物的形成）。

4.培养基成分的选择原则：

①菌体的同化能力；②代谢的阻遏和诱导③合适的C、N比④PH要求。

1.杂菌污染产生的不良后果：

①杂菌污染是生化反应的基质或产物消耗，产率下降；②由于杂菌产生的某些代谢产物，或染菌后发酵液的某些理化性质的改变，使产物的提取变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降；③污染的杂菌可能会分离产物而使生产失败；④污染的杂菌大量繁殖，会改变反应介质pH，从而使生化反应发生异常变化；⑤发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解而使生产失败。

2．培养物的灭菌方法：

化学灭菌射线灭菌干热灭菌湿热灭菌过滤除菌

3.无菌空气的质量标准：

①连续提供一定流量的压缩空气；②空气的压强为0.2~0.4Mpa；③进入过滤器之前，空气的相对湿度φ≤70％；④进入发酵罐的空气湿度可比培养基湿度高10~30℃；⑤压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般采用失败概率为10-3为指标。

4.空气预处理中的设备及作用：

（1）采风塔，提供空气原材料，

（2）粗过滤器，拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时起到一定的灭菌作用，减轻总过滤器的负担。

（3）空气压缩机，提供动力，以克服随后各设备的阻力，（4）空气贮罐，消除压缩空气的脉动，（5）冷却器，降温降湿，（6）气液分离设备，除去空气中的水和油，以保护过滤介质，（7）空气加热设备，加热空气，使其湿度由100%降到70%以下。

1.什么是种子的扩大培养？

目的是什么？

影响种子质量的因素有哪些？

种子的扩大培养是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于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而获得的一定数量和质量的纯种过程。

种子扩大培养的目的：

为发酵罐的投料提供足够数量的代谢旺盛的种子，使发酵周期缩短，设备利用率提高，保证生产水平

影响种子质量的因素：

（1）原材料质量

（2）培养条件（温度、湿度、通气量）（3）斜面冷藏时间

2、何谓种子接种龄、接种量：

接种龄是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间；接种量是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例

3、为什么种子要逐级扩大培养？

什么情况下可采用一级种子？

种子逐级扩大培养的目的是为了活化菌种让菌种逐渐适应培养环境和在短时间内得到较多的培养物生长快的细菌可采用一级种子，因为生长快的细菌种子用量比较少，所需种子罐相应也少

4.保证种子质量的措施：

1.菌种稳定性的检查：

保证生产菌种的稳定性2.无（杂）菌检查：

提供种子培养的适宜环境保证无杂菌侵入

1、如何进行发酵过程控制：

1.控制碳源的浓度，可采用经验法和动力学法，即在发酵过程采用中间补料的方法来控制。

控制氮源浓度一般除了在基础培养基中控制氮源浓度外，还在发酵过程中通过补加氮源来进行控制。

适宜的磷酸盐浓度2.适宜条件的灭菌3.选择优良的种子4.温度控制，根据不同时期所需最适温度的不同进行控制5控制pH,加入缓冲液，直接补加酸或碱和补料6.控制溶氧：

改变通气速率，增大通风量；改变搅拌速度；改变气体组成中的氧分压；改变罐压；改变发酵液的理化性质，如加消沫剂、补加无菌水。

改变培养基成分；加入传氧中间介质7.CO2浓度控制，根据其对发酵的促进或抑制作用，通过调节通气量和搅拌速率，提高或降低其浓度8.加糖、补料的控制：

一次性量大；多次少量；连续流加9.泡沫的控制：

机械消沫和化学消沫

2.泡沫产生的危害，消泡的方法有哪些?

危害：

（1）降低了发酵罐的装料系数，

（2）增加了菌群的非均一性（3）增加了污染杂菌的机会（4）大量起泡，控制不及时，会引起逃液，招致产物的流失，（5）消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦

消泡方法：

机械消沫及消沫剂消沫

3.温度、PH对发酵的影响和控制P161-P165

4.发酵终点的控制

（1）原材料与发酵成本占整个生产或成本的主要部分的发酵品种，主要追求提高率转化率及发酵系数

（2）下游提炼成本占主要部分和产品价值高，则除了高产率及发酵系数外，还要求高的产物浓度

（3）计算总的体积产率，则以放罐发酵单位除以总的发酵时间

5发酵染菌的防治与处理：

发酵染菌的防治：

1.种子以及种子在进罐前菌种室要彻底灭菌2.培养基要在无菌条件下配置并需混合均匀，然后使用之前进行灭菌3.空气要除菌彻底4.生产设备要清洗干净和灭菌5.接种、过程加糖补料和取样操作要严密规范

发酵染菌的处理：

1.种子培养期染菌的处理：

种子受到杂菌污染后，应经灭菌后弃之，并对种子罐、管道等进行仔细检查和彻底灭菌。

同时采用备用种子。

2.发酵前期染菌的处理：

原则上可适当改变生长参数，使有利于生产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。

加入某些已知杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合物对生产菌无害，对生产影响不大合在下游精制阶段能被完全除去。

如培养基中的碳、氮源含量还比较高时，终止发酵，将培养基重新进行灭菌处理后再用；否则，补充新鲜培养基，再进行灭菌处理。

也可采取降温培养、调节pH值、调整补料量、补加培养基等措施。

3.发酵中、后期染菌的处理：

加入适当的杀菌剂或抗生素，以抑制杂菌的生长，也可采取降低培养温度、降低通风量、停止搅拌、少量补糖等其他措施：

若产物含量已达一定值，也可放罐；废液应加热灭菌后才能排放4.染菌后对设备的处理：

彻底清洗发酵罐，并加热灭菌后才能使用；也可用甲醛熏蒸或甲醛溶液浸泡12h以上等方法进行处理。

6.连续发酵中μ和D关系

1、酶和细胞的固定化方法，并举例

答：

吸附法（皂土能吸附过氧化氢酶和β-淀粉酶）、包埋法（海藻酸盐，琼脂）、交联法戊二醛）、化学共价法（氨基与羧基）

2.微生物转化定义及优点：

定义：

指由微生物进行的化学反应

优点：

（1）微生物转化在温和的条件下进行，化学物质转化成要求的产品，不产生分解，而且节约能源和投资；

（2）微生物转化作用于基质分子的专一位置，产生立体专一性，光学专一性产物，不需要化学拆分。

顺利进行几步反应，大大提高反应效率

3．微生物转化的一般过程：

制备培养系统、加入底物、加入效应物、保温反应、监测反应过程、终止反应、产物分离

4.生物转化培养系统类型：

分批培养、连续培养、静息细胞、干细胞、孢子、渗透细胞、固定化细胞、渗透交联固定化细胞

5．微生物转化类型：

氧化、还原、氨基化、乙酰化和去乙酰化，脱氢形成双键，晴转化成酸、光学专一和立体专一性转化与拆分。

1.动物培养基中血清的作用

（1）影响培养基的生理性质，如黏度、渗透压、扩散速率

（2）含有蛋白酶抑制剂，抑制消化事故用的胰蛋白酶和细胞分泌的蛋白酶

（3）提供合成培养基中不含有的营养物质用于细胞代谢

（4）提供小分子物质的载体蛋白

（5）提供细胞贴壁必须的因子

（6）含有酶系，转化培养基中的成分为细胞能利用的形式或非毒形式

（7）提供微量元素，激素和生长因子

（8）结合或中和培养基中的毒性物质

（9）结合和保护在过量时有毒性的营养物并缓慢释放他们

（10）提供白蛋白对细胞器保护作用，并防止对其他重要因子的非特异性吸附

2.动物细胞培养基本工艺流程

第一阶段：

准备阶段，包括设备的准备清洗，消毒，培养基的配制和除菌，细菌种子的复苏，鉴定和扩增

第二阶段：

细胞的培养阶段，包括细胞的接种，培养工艺参数的调整，取样分析，培养基更换

第三阶段：

产物的生产阶段，包括培养基更换，病毒准备的接种或产物表达诱导剂的加入，培养基上清液的收获，取样分析

1.常见植物组织培养基：

Gamborg'sB5、LS、MS、NN和White培养基

2．植物细胞培养技术与普通植物栽培相比较特点：

植物细胞培养与整株植物栽培相比有许多优点：

可以不受气候、季节和地域的影响；细胞增殖速度快而且生产效率高；可通过对细胞的物理和化学环境、遗传环境进行一定程度的调节控制；选择性地生产所需的代谢产物等。

3.影响植物细胞培养的因素有哪些？

（1）化学因子：

培养基的种类，无机盐类，植物激素或其类似物，诱导因子

（2）物理因子：

光，温度，PH等

（3）生物因子：

分化，遗传形质和细胞龄

（4）培养工程方面的因子包括反应器型式，培养方法等

1.微藻的定义和分类

定义：

藻类是能够进行放氧光和作用的自养无胚植物，微藻一般是指那些在显微镜下才能辨别形态的微小藻类。

分类：

1.根据生长环境可以分为水生微藻、陆生微藻和气生微藻，水生微藻又有淡水生和海水生之分2.根据生活方式不同可分为浮游微藻和底栖微藻3.还可以分为原核微藻和真核微藻

目前国内外常见微藻：

（1）蓝藻门：

分一个纲和3个目，一个纲为蓝藻纲，两个目为色球藻目和颤藻目

（2）绿藻门：

分一个纲和16个目（其中涉及微藻的有两个目），一个纲为绿藻纲，两个目为团藻目和绿球藻目

（3）金藻门：

主要有两个纲，分为普林藻纲和硅藻纲

（4）红藻门：

分一个纲和两个亚纲，一个纲为红藻纲，两个亚纲为紫菜亚纲和红藻亚纲

2、微藻的应用价值：

1.种类很多，生理学和生化特性范围很广，因此微藻能产生很多功能独特的脂肪、多糖、蛋白、类胡萝卜素等生物活性物质2.微藻能低成本地将用于标记的同位素13C、15N和2H结合进入体内，因而这类标记元素可进入微藻产生的各种代谢产物中3.微藻包括了一个大而尚未开发的生物类群，因而提供了一个实质上未开发的资源宝库。

微藻的特性，决定了微藻在医药、食品、水产养殖、化工、能源、环保、农业及航天等领域有着重要的开发价值。

1.医药工业：

微藻胶体有较强的抗肿瘤活性。

2.食品工业：

藻类的粗蛋白含量超过60%,生物学产量高于任何作物。

藻类蛋白应用于保健品市场或用作食品添加剂。

3.动物饲料：

微藻的蛋白质含量较高，所含核酸超过常规饲料和食品，人工培养用做浮游动物的饵料。

4.环境检测：

微藻的生长状况能直接反映水质情况，判断空气中的毒性气体，打破常规气体样品的分析和检测。

3.微藻生长需要的条件：

光照、温度、培养液PH、营养盐、溶解氧