新编生物工艺学复习题1

1、新编生物工艺学复习题21、绪论一、生物技术归纳起来可有三个特点 a生物技术是一门多学科、综合性的科学技术； b反应中需有生物催化剂的参与； c其最后目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这一过程可称为生物反应过程二、生物催化剂特点1）优点：a常温、常压下反应,b反应速率大,c催化作用专一,d大幅度提高效率，成本低廉2)缺点：a稳定性差.b控制条件严格.c易变异三、近代生物技术的全盛时期（20世纪40年代初至70年代末）的核心技术和产业： 青霉素工业化生产； 微生物次级代谢产物和抗生素产业的兴盛以及新的初级代谢产物开发； 以酶为催化剂的生物转化及酶和细胞固定化技术及应用。四、现代生物技术建立和发

2、展时期（20世纪70年代开始）这一时期，主要是以分子生物学为基础的基因工程技术的发展和应用为特征。2、生产菌种的来源与菌种选育1）微生物选择性分离方法大致分为五个步骤： 1、含微生物材料的选择采样2、材料的预处理3、所需菌种的分离4、菌种的培养5菌种的选择和纯化理想的工业发酵菌种-优良菌种应符合以下要求：(1)遗传性状稳定；(2)生长速度快，不易被噬菌体等污染；(3)目标产物的产量尽可能接近理论转化率； (4)目标产物最好能分泌到胞外，以降低产物抑制并利 于产物分离； (5)尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量及利于产物分离； (6)培养基成分简单、来源广、价格低廉； (7)对温度

3、、ph、离子强度、剪切力等环境因素不敏感；(8)对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。 2）液体富集培养，即通过给混合菌群提供一些有利于所需菌株生长，或/和不利于其他菌株生长的条件（供给特殊的基质或加入抑制剂），从而增加混合菌群中所需菌株数量的培养方法。3）菌种选育是微生物工程的关键技术，主要方法有传统的自然选育、诱变育种、杂交育种以及现代的原生质体融合与基因工程等。4）自然选育是指在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，选择合适的自发突变（spontaneous mutation）体的古老的育种方法。5） 诱变育种是利用物理、化学或生物诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大

4、幅度提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选符合育种目的的突变株的育种技术。6） 基因突变根据发生原因可分为自然突变和诱发突变，后者是诱变育种的基础。7） 常用的化学诱变剂根据其作用方式不同分为三种类型。即：(1)与核酸碱基化学反应的诱变剂。(2)碱基类似物(3)移码突变的诱变剂8） 诱变育种一般分为出发菌株的选择、诱变和筛选三个步骤9） 微生物杂交育种(hybridization)一般是指人为利用真核微生物的有性生殖或准性生殖，或原核微生物的接合、f因子转移、转导和转化等过程，促使两个具不同遗传性状的菌株发生基因重组，以获得性能优良的生产菌株。10） 原生质体融合是通过人工方法，使

5、遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，亦可称为“细胞融合”11） 原生质体融合育种的主要步骤为：选择亲株、制备原生质体、原生质体融合、原生质体再生及筛选优良性状的融合子12） 基因工程育种是用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质dna分子提取出来，在离体条件下切割后，把它与作为载体的dna分子连接起来，然后导入某一受体细胞中，让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。13） 菌种的保藏方法有：斜面低温菌种保藏法、液体石蜡封藏法、真空冷冻干燥保藏法、液氮超低温保藏法、沙土保藏法3、微生物代谢调节与控制1）.微生物自我调节部位：细胞

6、膜的屏障作用（多数亲水分子）和通道；控制通量，调节酶量和改变酶分子活性；限制基质的有形接近，可存在于不同细胞 器各个代谢库中，其酶量差别大。2） 大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有激活剂和抑制剂，共同控制糖代谢。3） 酶活性的调节：是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。4） 酶活性调节的机制概括起来有：共价修饰；变构效应；缔合或解离和竞争性抑制5） 酶活性共价修饰调节： 在其他酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生共价结合或解开，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。 最常见的共价修饰方式有：磷酸化-脱

7、磷酸化，-sh - -s-s-，乙酰化-脱乙酰化，腺苷化-脱腺苷化等。 分为可逆与不可逆两种：可逆性共价修饰酶通常同时存在活性和非活性两种状态。在两种不同的酶的催化下发生共价修饰（covalent modification）或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。 如蛋白激酶的磷酸化与脱磷酸化 再如：柠檬酸裂解酶的乙酰化：乙酰-酶+柠檬酸柠檬酸-s-酶+乙酸 柠檬酸-s-酶乙酰-酶+草酰乙酸6） 酶原的激活过程通常是无活性的酶原蛋白一级结构的改变，被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链，该过程属于（ b ）a可逆的共价修饰，b不可逆的共价修饰，c竞争性抑制，d酶结构改造7

8、) 酶活性的变构调节(allosteric regulation)： 当底物或调节物与酶分子中的别构中心结合后，能诱导出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活性中心与底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度及代谢过程。 变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。 变构剂一般以反馈(feedback)方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的负反馈调节别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称atcase7） 酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。8） 酶合成的诱导 在某种化合物(包括

9、外加的和内源性的积累)作用下,导致某种酶合成或合成速率提高的现象。9） 按酶合成对底物的依赖性，微生物体内的酶可分为组成酶和诱导酶两类。酶合成的诱导分为两大类： 同时诱导：即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到ecoli培养基中后，即可同时诱导出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成；顺序诱导：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。10） 酶合成的阻遏 在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物

10、合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成的过程。阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。 (1)、反馈抑制和反馈阻遏 反馈抑制:生物合成途径的最终代谢物抑制该途径的前面第一或第二个酶的作用(活性)。 反馈阻遏:抑制酶的形成,是由途径终点产物或其衍生物施行的,影响由支点到终点的酶。(2)、这两种机制都是调节途径终点产物的生产速率以配合大分子合成的速率。最终产物的阻遏和终点产物 的抑制作用是相辅相成的。 (3)、反馈抑制剂是终点产物而不是其衍生物。与经典的竞争性抑制作用不同。(4)、反馈阻遏作用是一广泛现象。它调节氨基酸、嘌呤、嘧啶核苷酸和维生素等分子的合成。受反馈阻 遏作用

11、控制的酶,是r基因编码阻遏物蛋白。11）代谢系统的分子控制机制n 原核基因操纵子分两类:n 一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。n 另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动。 11） 次级代谢物生物合成的步骤：1、养分的摄入2、通过中枢代谢途径，养分转化为中间体。3、小分子构建单位（前体）合成。4、改变其中的一些中间体5、这些前体进入次级代谢产物合成的专有途径6、在主要骨架形成后，作最后的修饰，成为产物。12） 微生物代谢的前体

12、：加入到发酵培养基中的某些化合物能被直接结合到产物分子中区，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。 1、起抗生素建筑材料的作用：丙酮酸是重要的中间体。丙酮酸乙酰coa羧化得丙酰coa聚酮化物，该物是四环素族、大环内酯类抗生素的主要构成单位。中间体转化为次级终产物需要经过三个过程：生物氧化与还原、生物甲基化、生物卤化。许多次级代谢产物是由不同的中间体作为建筑材料合成的。而这些中间体来源于许多分支代谢。n 2、诱导抗生素生物合成：n -氨基己二酸提高青霉素的发酵单位n 苯乙酸提高苄青霉素的发酵单位n l-缬氨酸是环孢菌素a的前体和诱导物n 丙醇诱导红霉素链霉菌乙酰coa羧化酶，促进红霉

13、素合成。n 3、前体与诱导物的区别n 诱导物在生长期或生产期前起作用，前体在生产期起作用；n 诱导物可以被非前体的结构类似物取代；n 诱导物的诱导系数特别高。把前体引入次级代谢物生物合成的专有途径关键酶13） 次级代谢物结构的后几步修饰常见的有：氧化 卤化 氨化 甲基化 羟基化 糖基化 酰化14） 复合抗生素链霉素的装配过程：dtdp双氢链霉糖+链霉胍拟二糖，双氢链霉糖基转移酶催化此反应。之后，拟二糖+xdp-n-甲基-l-葡萄糖胺缩合成双氢链霉素-6-磷酸酯，再经氧化成为链霉素-6磷酸酯再经水解成为链霉素15） 次级代谢产物往往是一组结构相似的化合物，是因为（ a ）a参与次级产物的酶的基质

14、专一性不强，b参与次级产物的酶有很强的基质专一性c前体种类繁多，d变构酶的作用16） 短链脂肪酸为前体的抗生素的合成步骤：第一步：形成链状聚酮化物，初始前体活性丙酸和丙二酸首先转化为乙酰辅酶a和丙二酰辅酶a，或其衍生物，然后脱羧缩合成聚酮体。反应位置在胞膜表面的酶处进行。第二步：链状聚酮化物在次级代谢途径被还原，引入双键或三键产生多烯或多炔类抗生素。也可以进入初级代谢途径合成脂肪酸第三步：部分还原的聚酮化物链经环化作用形成大环内酯或经重复环化生成四环素或蒽环类抗生素。17） 以氨基酸为前体的抗生素主要有青霉素、头孢菌素、环丝氨酸和肽类抗生素。前体氨基酸：合成蛋白质的氨基酸；经修饰的氨基酸（d-

15、氨基酸、n-或-甲基化氨基酸、-氨基酸、亚氨基酸、前体氨基酸如-氨基己二酸）；与其他代谢物（如糖、脂肪酸）相结合的氨基酸。肽类抗生素合成机制与蛋白质不同，无转录、无核糖体、无转移rna和信使rna。青霉素合成的前体：-氨基己二酸、l-半胱氨酸和l-缬氨酸。青霉素g侧链前体有：苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺和苯乙酰甘氨酸，适量参入提高产量，过多有毒性。18） 代谢工程是指借某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或运用重组dna技术来创造新的化合物4.培养基1） 培养基通常指人工配制的适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。2） 适宜大规模发酵培养基的特点：1、能满足产物最经济的合成2、发酵后形

16、成的副产物尽可能少3、培养基的原料应因地制宜、价格低廉、资源丰富、性能稳定、保证供应、适宜大规模贮藏。4、所选培养基应该符合整体工艺要求，不影响通气、提取、纯化及废物处理。3） 培养基的用途：筛选菌种、保藏菌种、检验杂菌、培养种子、发酵生产等4） 天然培养基(natural medium) 凡利用生物的组织、器官及其抽取物或制品配成的培养基，称为天然培养基。5） 常见的天然培养基成分有：麦芽汁、肉浸汁、鱼粉、麸皮、玉米粉、花生饼粉、玉米浆及马铃薯等。实验室常用牛肉膏、蛋白胨及酵母膏等。6） 合成培养基(synthetic medium) ：使用成分完全了解的化学药品配制而成的培养基称为合成培养

17、基。7） 半合成培养基(semi-defined medium) 由部分天然材料和部分已知的纯化学药品组成的培养基称为。8） 液体培养基用途：用于：大规模工业生产；实验室摇瓶试 验；微生物生理代谢研究。9） 常用的固体培养基凝固剂有：琼脂、明胶、硅胶10） 选择性培养基 ：就是根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基。11） 基本培养基又称最低限度培养基，指能满足某菌种的野生型(原养型)菌株最低营养要求的合成培养基。12） 完全培养基：在基本培养基中加入富含氨基酸、维生素、碱基等生长因子的营养物质，如蛋白胨、酵母膏等，就可满足各种营养缺陷型的生长需求，这种培养基称

18、为完全培养基(complete medium，cm)13） 培养基的营养成分及其功能：1.碳源(carbon source)【糖类、脂肪、有机酸】：能源物质，构成菌体和代谢产物2.氮源(nitrogen source)【无机氮源：氨水、硫酸铵、尿素、硝酸钠；有机氮源：豆饼粉、麦麸、玉米浆、蛋白胨；发酵菌丝体、酒糟】：构成菌体和代谢产物，硝化细菌的能源物质3.无机盐类(mineral nutrition)【 p、mg、s、fe、k、na、pb、cl、zn、co、mn等】：维持酶活力，调节渗透压、ph值、电位等4.特殊生长因子【生物素、硫胺素、肌醇等】：构成辅酶的组成部分，促进生命活动5.水：溶解

19、营养物质和代谢产物14） 下列物质中属速效碳源的物质是（ b ） a玉米浆、b葡萄糖、c淀粉、d明胶15） 下列物质中属于速效氮源的物质是（ b ） a玉米浆、b、氨水、c蛋白胨、d葡萄糖5、培养基灭菌1） 灭菌的概念：是指用物理的和化学的方法杀灭或去除物料和设备中一切有生命物质的过程。2） 发酵过程防止杂菌污染的措施：1、设备灭菌并确保无泄漏；2、所用培养基必需灭菌；3、通入的空气必需除菌处理；4、种子无污染，确保纯种；5培养过程中加入的物料必需灭菌并确保加入过程无污染。3） 常规加压灭菌法盛有适量水的加压蒸汽灭菌锅加热煮沸，彻底驱尽冷空气后将锅密闭，再继续加热至121（压力为1kgcm2或

20、0.1mpa或15磅英寸2 ），时间维持1520分钟，也可采用在较低的温度（115，即0.7kgcm2或10磅英寸2）下维持35分钟的方法。4） 连续加压灭菌法主要操作：将培养基在发酵罐外连续不断地进行加热、维持和冷却，然后才进入发酵罐。培养基一般在135140下处理515秒钟。5） 对数残留定律：在一定温度下，微生物的受热死亡符合单分子反应动力学即微生物的热死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成正比。热死亡动力学方程 dn/d =-kn式中： n- 残存的活菌数（个） - 灭菌时间（min） k- 杀菌速率常数（min-1）或叫死亡速率常数。 dn/d- 菌的瞬时变化率，即死亡速率。6） 在具体的

21、理论灭菌时间计算时，将上式积分和转换得： =(1/k)ln(no/ns) -灭菌时间（秒） k-反应速度常数，或灭菌速率常数（min-1）或叫死亡速率常数。 k是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据，其大小与微生物的种类和加热温度有关（s） no-灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个ml） ns-经过灭菌时间t后，残存活菌个数（个ml，一般取0.001个。）只随灭菌温度变化的灭菌速度常数的简化计算公式： lgk=-14845/t+36.127。7） 工业上湿热灭菌分为分批灭菌和连续灭菌8） 一台连续灭菌设备流量g=6m3/h，发酵罐装料容积40m3，原始污染度107个/ml，要求灭菌程度ns

22、=10-3个/批，灭菌温度t=131，此温度下k=0.25s-1，试求维持时间及维持罐的装料容积v约需多少？9） 发酵生产中制备无菌空气的大致过程：空气 空压机 贮气罐 冷却 除油水 加热 空气预处理 总过滤器 分过滤器 无菌空气 空气过滤10） 空气过滤除菌介质：、棉花： 、玻璃纤维： 、活性炭 ： 、超细玻璃纤维纸:、石棉滤板：。 、烧结材料过滤介质：聚乙烯醇过滤板。 、新型过滤介质 ：微孔滤膜6种子的扩大培养1） 种子扩大培养：是指将保存在砂土管、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，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。2） 种子制备的过程

23、大致可分为：实验室种子制备阶段 ；生产车间种子制备阶段3） 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。4） 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5） 优良的种子细胞或菌体的菌丝形态、菌丝浓度和培养液外观（色素、颗粒等）：单细胞：菌体健壮、菌形一致、均匀整齐，有的还要求有一定的排列或形态；霉菌、放线菌：菌丝粗壮、对某些染料着色力强、生长旺盛、菌丝分枝情况和内含物情况好。7发酵过程的工艺控制1）发酵的概念： 原指在厌氧条件下，葡萄糖通过酵解途径生乳酸或乙酸、乙醇的分解代谢过程。 现在，广义的发酵是指：微生物把一些原料养分在合适的条件下，经特定的代谢转变成所需产物的过程。2） 一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为：分批培养 连续培养 补料分批培养3） 分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内 ,营养物和菌种一次加入进行培养，直到结 束放出，中间除了空气进入和尾气排出，添加消泡剂和调节ph, 与外部没有物料交换, 属于非稳态过程4） 分批培养