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生化工程与设备复习题汇总 一一、工业微生物的分类及结构、菌落形态？工业微生物的分类及结构、菌落形态？ 答：答：工业微生物的分类： （1）原核类：细菌,放线菌等； （2）真核类：酵母菌,霉菌； （3）非细胞类：病毒,类病毒, 拟病毒,朊病毒； （4）原生生物类：单胞藻,原生动物。 1.细菌的结构与菌落形态：细菌是单细胞微生物，它的形态就是细胞的形态。主要形 态有球、杆、螺旋状。菌落特征：绝大多数细菌菌落较小，较湿润，较光滑，较透明， 较黏稠，易挑起及质地均匀，陨落正反面及边缘与中央部位的颜色一致。 2.放线菌的结构与菌落形态：放线菌的菌丝由于形态、功能不同，分为基内菌丝、气 生菌丝和孢子丝。基内菌丝一般无隔膜，长度差别很大，有的无色，有的产生色素；气 生菌丝较基内菌丝粗，其长度差别则更悬殊，形状有直、弯曲、分枝状；孢子丝的形状 及在气生菌丝上排列的方式随种而异，有的直形，有的波浪形或螺旋形。孢子丝排列方 式有的交替着生，有的丛生或轮生。由于菌丝和孢子常具不同色素，使菌落正面，背面 呈不同色泽。菌落质地硬而且致密，菌落小而不广泛延伸。菌落表面呈紧密的绒状或坚 实、干燥多皱。 3.酵母菌的结构与菌落形态：酵母菌为单细胞。通常菌体呈圆形、卵形或椭圆形。少 数呈柠檬形、尖形等。菌落特征：一般都是湿润、较光滑，有一定的透明度，容易挑起， 菌落质地均匀，正反面和边缘、中央部位的颜色都很均一。培养时间长，菌落会生皱， 干燥。酵母菌菌落的颜色较单调，大多呈乳白色，少数红色个别为黑色 4.霉菌的结构与菌落形态：霉菌菌体均由分枝或不分枝的菌丝构成。菌丝是真菌营养 体的基本单位。许多菌丝分枝连接，交织在一起构成菌丝体。 菌落特征：菌丝在固体培养基表面蔓延，以至菌落没有固定大小。霉菌菌落的质地 一般比放线菌疏松，外观干燥，不透明。菌落与培养基之间连接也很紧密，不易挑起； 霉菌菌落的边缘与中心，正面与反面的颜色往往不一致。 二二、菌种选育的流程及可能用到的试验技术？菌种选育的流程及可能用到的试验技术？ 答：答：主要流程： 调查研究及查 阅充分的资料 单株纯种分离 结合初步工艺条件摸索 确定发酵培养基础条件 原种斜面 平板分离 确定特殊的选择培养基及可能的 定性或半定量快速检出法 采样 确定采集样品的生态环境 筛选 设计实 验方案 确定特定的增殖条件 菌种 鉴 定 增殖培养 初选 （1 株 1 瓶） 复筛（1 株 35 瓶） 再复筛 （1株35瓶） 3 5 生产性能试验 毒性试验 试验技术: （1）试验室无菌操作技术（2）培养基灭菌（3）微生物培养及发酵技术 （4）菌种选育技术（5）菌种保藏技术 三三、菌种保藏的原理和方法？菌种保藏的原理和方法？ 答：答：菌种的保藏原理：主要是根据微生物的生物生理、生化特点，人工地创造条件，使 微生物的代谢处于不活泼，生长繁殖受抑制的休眠状态。 菌种保藏方法：1.定期移植保藏法；2.液体石蜡保藏法；3.砂土管保藏法 4.冷冻真空 干燥保藏法 四四、酶的分类和命名？酶的分类和命名？ 答：答：酶的分类： （1）氧化还原酶（2）转移酶（3）水解酶（4）裂解酶（5）异构酶（6） 连接酶 命名：酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。系统名：包括所有底物的名称和反 应类型；惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。 五五、基因工程流程和原理？基因工程流程和原理？ 答：答：操作流程： （1) 目的基因的获取（2）载体的制备（3）重组体的制备（4）基因的转 移（5）基因的表达（6）基因工程产品的分离提纯。 原理：基因工程是指在基因水平上，采用与工程设计十分类似的方法，按照人类的需要 进行设计，然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系 。 六六、单一底物动力学：单一底物动力学： 米氏方程（米氏方程（Michaelis-Menten) 答：答： Km米氏常数，是 vvmax/2 时的S值。 Km 越大意味着酶与底物的亲和性低，反之亲和性高；Km 会随着 pH、温度、离子强度 变化。 （1）动力学常数 Km 与 V 的求取：L-B 作图法 max SK Sv v m （2）动力学常数 Km 与 V 的求取：E-H 作图法 以 v 对 v/S作图，得一斜率为Km 的直线，与纵坐标焦点为 vmax，与横坐标交点为 vmax/Km （3）动力学常数 Km 与 V 的求取：H-W 作图法 以S/v 对S作图，得一斜率为 1/vmax 的直线，与纵坐标焦点为 Km/vmax，与横坐标交 点为-Km 七七、抑制动力学曲线的特征抑制动力学曲线的特征 答：答：（1）竞争性抑制动力学 定义：若反应体系中存在有与底物结构类似物的物质，该物质能在酶的活性部位上结合， 从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制成为竞争性抑制。 特点：抑制剂与底物竞争酶的活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不 能再与酶结合。 maxmax 1 11 vSv K v m max S v Kvv m maxmax v S v K v S m 竞争性动力学与无抑制动力学对比： KI 值越小，表明抑制剂与酶结合越强，抑制作用越大。值越小，表明抑制剂与酶结合越强，抑制作用越大。 （2）非竞争性抑制动力学 抑制剂与酶的非活性部位结合，形成复合物，该复合物再与底物相结合； 底物与酶相结合生成的复合物，其中一部分与抑制剂相结合。 虽然，底物、抑制剂和酶的结合之间无竞争，但两者与酶形成的复合物可使酶的三 维结构变化，导致酶催化反应速率下降。这种抑制成为非竞争性抑制。 非竞争性动力学与无抑制动力学对比： 表明：非竞争抑制作用使 vmax 下降了（1+I /KI) （3）反竞争性抑制动力学 抑制剂不直接与酶结合，而只能与酶底物的复合物ES相结合，生成ESI复合物， 该复合物不能生成产物。 因为底物与酶的结合改变了酶的构型，出现了能与抑制剂相结合的中心，最终导致酶 催化反应速率的下降。这种抑制成为反竞争性抑制。 反竞争性动力学与无抑制动力学对比： m I K K I K) 1( * m I K I v 1 v max * max （4）底物型抑制动力学 有的酶促反应中，当高浓度底物时，其反应速率会随底物浓度的提高而下降，称为 底物的抑制作用。 原因是多个底物分子与酶活性部位相结合后，形成的复合物不能分解为产物，从而 阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制成为底物抑制。 （5）不可逆抑制动力学 指抑制剂与酶活性部位的氨基酸残基形成共价键，致使酶永久性地失去活性。一般 把抑制剂与酶反应的解离常数 K 的数量级为 109mol/L 以下的抑制称为不可逆抑制。 * max SK Sv v s 八八、研究动力学的步骤，动力学参数的估算研究动力学的步骤，动力学参数的估算，动力学符号的含义动力学符号的含义 答：答：研究动力学的步骤： 1. 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化 参数。2. 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和 变化规律。3. 建立各种数学模型以描述各参数随时间变化的关系。4. 通过计算机的在线 控制，反复验证各种模型的可行性与适用范围。 动力学参数的估算： 由细胞生长、基质消耗和产物生成等动力学方程，构成了细胞反应动力学的（微分）方 程组。它反映了分批培养中细胞、基质和产物浓度的变化。如果通过实验摸清细胞生长、 基质消耗和产物生成的规律，建立适当的微分方程组，并确定其中动力学参数的值，就 可以对分批培养过程进行模拟，从而有可能对分批培养进行优化控制，使产物的生产效 率大大提高。包括积分法求取动力学参数和微分法求取动力学参数。 动力学符号的含义：略 九九、证明：连续培养的细胞产率大于分批培养的细胞产率证明：连续培养的细胞产率大于分批培养的细胞产率 证明：分批培养时： 假定：接种后细胞浓度为 X0,最大细胞浓度为 XF,且细胞一直处于对数生长阶段， 则分批培养的周期为： 辅助时间 t X X tT F m L 0 ln 1 tL-延迟期时间 则分批培养细胞生产率为： 辅助时间 t X X t SY T SY T XX P F m L SXSXF CB 0 0/0/0 ln 1 (e) 连续培养： 0/ SYP mSXcm (d) (d)式比(e)式,得到： )(ln 0 辅助时间 tt X X P P Lm F CB Cm 因此：连续培养的细胞生产率高于分批培养的细胞生产率 十十、补料分批的动力学模型是什么，补料分批的特点和应用？补料分批的动力学模型是什么，补料分批的特点和应用？ 答：补料分批培养是指在分批培养中向生物反应器中加入营养物质（补料） ，但不同 时取出培养液的培养方法，是一种介于分批培养和连续培养的操作方法。 动力学模型： 系统内的培养液体积 V、微生物浓度 x、S 均随时间变化，D 也随减少。所以，分批 补料操作是一个不稳定过程。 特点： 1、在分批培养的前提下，连续地或按一定规律地向系统内补入营养物，补料可以是 单一的营养物，也可以是多种营养物。培养到一定程度，进行排料，但料可以不排完， 留有 1/31/4，然后再补料，重复上述操作。 2、营养物的补入速率不一定恒速，根据不同目的要求，它可被设计成种种方式，诸 如周期补料、恒速补料、线性补料、指数补料及对数补料等，以及它们的不同组合。 应用： (1)细胞的高密度培养 (2)解除基质抑制 (3)解除分解代谢阻遏 (4)营养缺陷型菌株的 培养 (5)前体的补充。 十一十一、什么是固定化酶，固定化的方法有哪些？什么是固定化酶，固定化的方法有哪些？ 答：通过物理或化学的方法使溶液酶结合在不溶于水的载体上，或被限制在有限空间内， 能与反应液分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，不溶于水但仍具有酶活力 的酶。 固定化方法： （1） 载体结合法（共价结合法；离子结合法；物理吸附法） （2） 交联法 （3） 包埋法： （网格型和微囊型） 十二十二、影响固定化反应的因素，扩影响固定化反应的因素，扩散的影响有哪些，各个准数的含义是什么？散的影响有哪些，各个准数的含义是什么？ 答：1影响固定化反应的因素： （1） 酶构象改变和位阻效应； （2）分配效应； （3）扩 散效应(内扩散和外扩散) 2.若要减少外扩散阻力，主要途径是提高流体流速，进而提高传质系数 KL,以增加外扩散 传质速率和颗粒外表面的底物浓度 影响内扩散大小的因素：颗粒粒度、颗粒活性、颗粒孔隙率和孔径 反应温度。 3. (1)丹克莱尔准数的物理意义 物理意义： Da1 扩散速率大大小于反应速率，过程为外扩散速率控制 有 csi0； Da1 反应速率大大小于扩散速率，过程为反应速率控制 有 csics0; (2) Biot 准数 (3)表观梯勒模数： 十三十三、生物反应器有哪些种类？生物反应器有哪些种类？ 答：机械搅拌式生物反应器，气体搅拌式生物反应器，固定床和流化床生物反应器， 膜生物反应器（MBR)，动植物细胞反应器，微藻反应器，厌氧反应器。 十四十四、影响供氧传递速率的因素有哪些？并如何影响？影响供氧传递速率的因素有哪些？并如何影响？ 答：氧传递速率方程 OTR= kLa(C*- CL) （1）影响推动力的因素 C* 氧在水中的溶解度（Pa=1.01105Pa）随着温度的升高而降低 氧在电解质溶液中的溶解度随着电解质浓度的降低而降低 氧在某些有机液体中的溶解度高于水中的 （2）影响气液比表面积的因素 气体的截留率H0=VG/VL，则 a=6 H0/dB。截留率H0越大，气泡直径dB越小，a 值越 大 （3）影响液膜传递系数的因素kL 液膜传递系数与扩散系数成正比 （4）影响kLa 的因素 操作变量 通风与搅拌 搅拌打碎气泡，增大气液相的接触面积；使培养液产生涡流，延长气泡在液体中的停 留时间，增大 H0；减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程中的阻力。 温度与压力 温度升高，氧的溶解度降低，并影响液体黏度和扩散系数;kLa 随压力增加而增加。 发酵液的理化性质 表面活性剂：减小气泡直径，增加气泡比表面积；增大传递阻力，降低 kL。在电 解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。培养液中细胞浓度 的增加，会使kLa 变小。 反应器结构因素 搅拌器组数和间距；挡板和冷却盘管；高径比，高径比增加，kLa 提高。 十五十五、生物反应器放大的方法有哪些，各有何特点？生物反应器放大的方法有哪些，各有何特点？ 答:放大的方法有：1.经验放大法，包括（1）几何尺寸放大（2）空气流量放大（3）搅 拌功率及搅拌转数的放大；特点：按照不同准则放大，结果是放大后的反应器操作条件 不一样，这说明放大中选用什么准则是最重要的，这要根据放大体系的特点而确定。 2.缩小-放大法，在满足几何相似的条件下，通过广泛收集工业规模和实验室研究 的数据及有关的经验关联式，通过时间常数比较与计算，进行小规模实验装置和操作条 件的设计，用小规模的实验模拟大规模装置的条件，寻求各个作用机制在放大过程中的 同步变化，由此得到放大反应器的基本配置与操作条件。 3.因此分析法，依据相似原理，以保持无量纲特征数相等的原则进行放大，又称为相 似模拟法。但该法仅成功用于各种物理过程，如流体流动、传热和传质设备的放大，对 生物反应器，由于涉及细胞生长、传热、传质、流体剪切作用等，需维持较多的相似条 件，故其难以应用于生物反应器的放大。 4.基础模型法， 特点是采用数学模型进行反应器放大， 因次避免了因次分析法和经验 放大法对无因次准数或放大原则选择的盲目性和矛盾性。但是，多数模型是在小型反应 器的流动状态下得到，忽略了如搅拌或反应器壁附近的复杂流型，使用的反应动力学也 过于简单，故此法存在对不同规模的反应器的适用性问题，需要在进行设计计算时进行 校正和检验。 5.计算流体力学法， 克服了利用经验关联式或基础模型以及因次分析放大方法的固有 缺点，能降低实验次数通过计算得出用实验手段难以提供的研究结果，提供较多的反应 器性能信息，方便对反应器的结构及其传递过程性能的评估。用此法对反应器进行模型 化，关键问题是如何处理生物反应体系流动的三维性、随即性、非线性以及边界条件的 不确定性和时变性，以及气液固多相流动与生物反应的相互作用。 十六十六、常见灭菌方法和原理？常见灭菌方法和原理？ 答:湿热灭菌:是指用饱和水蒸气、沸水或流通蒸汽进行灭菌的方法。包括煮沸灭菌法、 高压蒸汽灭菌法、巴斯德消毒法。 干热灭菌:是指在干燥环境（如火焰或干热空气）进行灭菌的技术。一般有火焰灭菌 法和干热空气灭菌法。 紫外线:诱导核酸形成胸腺嘧啶二聚体，从而干扰了核酸的复制 。 有机化合物:有机化合物可以让蛋白质变性来灭菌。 十七十七、培养基和空气灭菌流程？培养基和空气灭菌流程？ 答：1.培养基的灭菌 主要采用高温湿热灭菌的方法。 培养基灭菌的依据：杀死细菌的芽孢。 、培养基间歇灭菌（分批灭菌、实罐灭菌） 又称分批灭菌，是将配制好的培养基和所有设备一起进行灭菌的操作，也称实罐灭 菌。 分批灭菌过程 升温、保温和降温，灭菌主要是在保温过程中实现的，在升温的后期和冷却的初期， 培养基的温度很高，因而对灭菌也有一定贡献。 分批灭菌在所用的发酵罐中进行。将培养基在配置罐中配好以后，用泵通过专用管 道输入发酵罐中，然后用直接蒸汽或间接蒸汽加热到灭菌温度，在此温度维持一定时间， 再冷却到发酵所需温度，完成灭菌过程。 生产中一般采取 121维持 30min 的方法。 、培养基连续灭菌 将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却的灭菌过 程。 连续灭菌时，培养基能在短时间内加热到保温温度并能很快被