【正文】 生物技術(shù) biotechnology 生物催化劑 biocatalyst 生物反應(yīng)過程 bioprocess 生物反應(yīng) 器 bioreactor 基因工程 geically engineering 酶工程 enzyme engineering 細(xì)胞工程 cell engineering 生物分離工程 bioseparations engineering 第二章 名詞解釋 1. 菌種分離：根據(jù)生產(chǎn)要求和菌種特性采用各種不同的篩選方法從眾多的雜菌中分離出所需要的性能良好的純種。 2. 發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)流程 答：發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)過程主要包括以下環(huán)節(jié)，①原料預(yù)處理；②發(fā)酵培養(yǎng)基的配制和滅菌；③無菌空氣的制備；④微生物種子的制備；⑤發(fā)酵過程的操作方式；⑥發(fā)酵產(chǎn)品及分離提純工藝。 4. 生物催化劑 ：指傳統(tǒng)發(fā)酵所利用的微生物外，還包括現(xiàn)在生物技術(shù)所利用的動植物細(xì) 胞或細(xì)胞中的酶。 3. 生物工程 ：廣義上說是指運(yùn)用生物科學(xué)知識及工程學(xué)的原理，開發(fā)利用生物材料為人類社會提供產(chǎn)品和服務(wù)的工程技術(shù)。第一章 名詞解釋 1. 發(fā)酵 :利用生物細(xì)胞 (含動物、植物和微生物細(xì)胞 )，在合適的條件下，經(jīng)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物菌體體的過程。 2. 發(fā)酵工程 ：是以天然生物體和人工修飾的生物 體 為加工對象 ，集現(xiàn)代化高新技術(shù)為一體，生產(chǎn)產(chǎn)品或服務(wù)于人類社會的一種工程技術(shù)。狹義上是指以基因工程技術(shù)為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)的總稱。 簡答題 1. 發(fā)酵過程的特點(diǎn) 答：①發(fā)酵 生產(chǎn)過程通常都是在常溫常壓下進(jìn)行，一般操作條件比較溫和，各種設(shè)備不必考慮防爆問題，對設(shè)備要求相對較低，還可是一種設(shè)備具有多種用途； ② 發(fā)酵生產(chǎn)所用的原料主要以農(nóng)副產(chǎn)品及其加工產(chǎn)品，如玉米、淀粉、豆餅、玉米漿、酵母膏、牛肉膏等為主，基本屬于可再生的生物資源范疇； ③ 發(fā)酵過程中的反應(yīng)以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠 像 單一的反應(yīng)一樣在單一的生物反應(yīng)器中進(jìn)行； ④ 發(fā)酵工業(yè)與其它工業(yè)相比，相對投資較少，見效較快，具有經(jīng)濟(jì)和效能的統(tǒng)一性。 3. 發(fā)酵工業(yè)發(fā)展的歷史進(jìn)程、重要?dú)v史階段和典型技術(shù) 答：①天然發(fā)酵階段 從史前到 19世紀(jì)，人們不了解發(fā)酵的本質(zhì)，僅利用 自然發(fā)酵現(xiàn)象制作各種飲料酒和發(fā)酵食品，主要技術(shù)為釀酒技術(shù)； ② 純培養(yǎng)技術(shù)的建立 主要為 19世紀(jì) 末到 20世紀(jì) 30年代，以德國利斯特 .柯赫完成了細(xì)菌純培養(yǎng)技術(shù)； ③ 通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立 從 1929年開始 到 942年 青霉素發(fā)酵生產(chǎn)的成 功 ； ④ 代謝控制發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展 從 1956年到現(xiàn)在 以日本木下祝郎發(fā)明了代謝控制發(fā)酵技術(shù)，使谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 2. 菌種選育： 從分離篩選獲得的有價(jià)值的菌種中經(jīng)過人工選育選出各種突變體 以大幅度提高了菌種產(chǎn)生有價(jià)值的代謝產(chǎn)物的水平 ，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，去除不需要的代謝 產(chǎn)物或產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物 。 4. 誘變育種 ：利用各種被稱為誘變劑的物理因素和化學(xué)試劑處理微生物細(xì)胞，提高基因突變頻率，再通過適當(dāng)?shù)暮Y選方法獲得所需要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種的育種方法。 6. 原生質(zhì)體融合 ： 用酶分別酶解兩個出發(fā)菌株的細(xì)胞壁，在高滲環(huán)境中釋放出原生質(zhì)，將它們混合，在助融劑或電場作用下使它們互相 凝集，發(fā)生細(xì)胞融合，實(shí)現(xiàn)遺傳重組。 8. 菌種保藏 ：根據(jù)菌種的生理生化特點(diǎn)，人為創(chuàng)造條件使孢子或菌體 的生長代謝活動盡量降低，以減少其變異。 10. 菌種復(fù)壯 ：使衰退的菌種重新恢復(fù)原來的優(yōu)良特性。 12. 接種齡 ：指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體移入下一級種子罐或發(fā)酵罐式的培養(yǎng)時間。 問答題 1. 誘變育種的一般過程及注意事項(xiàng) 答： 過程為① 出發(fā)菌株的 選擇 必須了解用作誘變的出發(fā)菌株的產(chǎn)量、形態(tài)、生理等方面的情況； ② 誘變劑的使用方法 誘變的方法有單一誘變劑處理和用兩種以上的誘變劑處理菌種的復(fù)合誘變劑處理； ③ 誘變劑的劑量選擇 對不同微生物誘變劑的 使用劑量不同，一般突變率雖劑量的增加而提高，但當(dāng)達(dá)到一定程度以后，再提高劑量凡是突變率下降 ；④ 突變菌株的篩選 篩選要經(jīng)過初篩和復(fù)篩過程才能得到所需菌株； 2. 種子應(yīng)滿足的條件 答：① 菌種的純種培養(yǎng)物總量適宜，以保證在發(fā)酵罐中有適當(dāng)?shù)慕臃N量 ；② 微生物菌種的生命力旺盛，移接到發(fā)酵罐中后能夠迅速生長，利于縮短延滯期 ，提高發(fā)酵設(shè)備的利用率 ；③ 菌種能保持穩(wěn)定的生產(chǎn)性能，生理狀態(tài)穩(wěn)定 ；④ 無雜菌和 噬菌體 污染。 4． 種子擴(kuò)大培養(yǎng)是由于現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大， 發(fā)酵罐的容積從幾十立方米到幾百立方米。 2. 發(fā)酵培養(yǎng)基 ： 是指提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的，按照一定比例配制的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。一類通過與特異的、 高親和的細(xì)胞膜受體結(jié)合，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長與其他細(xì)胞功能等多效應(yīng)的多肽類物質(zhì)。 5. 產(chǎn)物促進(jìn)劑 ： 一類能影響微生物的正常代謝，或促進(jìn)中間代謝產(chǎn)物的積累，或提高次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量的物質(zhì)。 7. 淀粉水解糖 ： 在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖后所制得的糖液成為淀粉水解糖。 9. 淀粉的液化 ： 利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等，使黏度大為降低，流動性增高。 11. 葡萄糖的分解反應(yīng) ： 在淀粉水解過程中，一部分葡萄糖容易脫水分解成為 5羥甲基糠醛，后者因性質(zhì)不穩(wěn)定而分解成一線丙酸和甲酸等物質(zhì)。 13. 消毒 ： 是采用物理或化學(xué)方法殺死容器、器具內(nèi)外、車間、廠區(qū)等環(huán)境中的病原微生物，但一般只能殺死營養(yǎng)細(xì)胞而不能殺死細(xì)菌的芽孢 。 15. 相對熱阻 ： 指微生物在某一特定條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。 17. 連續(xù)滅菌 ： 將配制好的培養(yǎng)基在通入發(fā)酵罐時進(jìn)行加熱、保溫、降溫的滅菌過程。因此，發(fā)酵培養(yǎng)基的組成除有菌體生長所必需的元素和化合物外，還要有合成產(chǎn)物所需的特定元素、前體和促進(jìn)劑等。 3. 為什么要進(jìn)行淀粉的水解，水解方法有哪些？介紹其含義、優(yōu)缺點(diǎn) 答： 大多數(shù)生產(chǎn)菌都不能直接利用或僅微弱利用淀粉，所以必須將淀粉質(zhì)原料水解為葡萄糖等可發(fā)酵性糖類。 酸水解法是以酸（無機(jī)酸或有機(jī)酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法，該法具有生產(chǎn)工藝簡單、設(shè)備簡易、生產(chǎn)周期短、設(shè)備生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是對設(shè)備要求有耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，對淀粉原料要求嚴(yán)格 必須是精致淀粉，淀粉乳濃度不宜過高，而且淀粉酸水解過程副反應(yīng)較多；酶水解法是利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等在利用糖化酶將糊精或低聚糖進(jìn)一步水解為葡萄糖。同時，放映過程中不產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，對設(shè)備要求較低，改善了勞動衛(wèi)生條件； ② 微生物美的專一性強(qiáng)，效率高，淀粉水解副反應(yīng)少； ③ 可在較高淀粉乳濃度下水解，水解液的還原糖含量高； ④ 可采用粗原料，省去原料精加工工程可避免原料流失； ⑤ 由于微生物酶制劑中菌體細(xì)胞的姿容，是糖衣的營養(yǎng)物質(zhì)較豐富，簡化了發(fā)酵培養(yǎng)基。酸酶結(jié)合水解法 分為酸酶水解法和酶酸水解法。優(yōu)點(diǎn)是液化速度快，可采用較高的淀粉乳濃度，提高生產(chǎn)效率，用酸量少產(chǎn)品顏色淺、痰液質(zhì)量高。酶酸水解法是將淀粉乳先用淀粉酶液化到一定程度，然后用酸水解成葡萄糖的工藝。缺點(diǎn)是對設(shè)備要求較高。即t= ln 或 t= lg N0： 開始滅菌使原有活菌數(shù) N= N： 經(jīng)過時間 t后殘留菌數(shù) 。也就是說當(dāng)滅菌額外濃度升高時，微生物死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率，高溫瞬時滅菌的理論依據(jù)。 答： 分批滅菌的優(yōu)點(diǎn)是 在工業(yè)上，培養(yǎng) 基的分批滅菌無需專門的滅菌設(shè)備，設(shè)備投資少，滅菌效果可靠，對滅菌用蒸汽要求低 ~； 缺點(diǎn)是 因其滅菌溫度低，時間長而對培養(yǎng)基成分破壞大，其操作難于實(shí)現(xiàn)自動控制。 7. 有一發(fā)酵罐，內(nèi)裝培養(yǎng)基 50m3，原始污染微生物 107個 /毫升，采用連續(xù)滅菌，若失 敗概率為 ，流量為 15m3/h、 135℃滅菌，請?jiān)O(shè)計(jì)維持罐體積。 問答題 1. 無菌空氣的五個標(biāo)準(zhǔn) 答 : ?連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣。 ?空氣的壓強(qiáng)（表壓）為 ~。 ?進(jìn)入過濾器之前，空氣的相對濕度Φ≤ 70%。 ?進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)基溫度高 10~30℃。 ?壓縮空氣的潔凈度，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時，一般取失敗概率為 103為指標(biāo)。具體方法有：正確選擇進(jìn)風(fēng)口，壓縮空氣站應(yīng)設(shè)在上風(fēng)向；提高進(jìn)口空氣的采氣位置，減少菌數(shù)和塵埃數(shù)；對壓縮前的空氣采用粗過濾預(yù)處理。過低的壓強(qiáng)難于克服下游的阻力，過高的壓強(qiáng)則是浪費(fèi)。 ③ 針對不同地區(qū)，設(shè)計(jì)合理的空氣預(yù)處理 工藝流程，以達(dá)到除油、水和雜質(zhì)的目的。 ⑤ 穩(wěn)定壓縮空氣的壓力，采用合適容量的儲氣罐。 2. 耗氧速率 ：指單位體積的培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的吸氧量。 5. 氧傳遞效率 ：在單位時間內(nèi)，氧氣從空氣氣泡傳遞到微生物細(xì)胞內(nèi)的量。 二、影響 a的因素 1. 攪拌對 a的影響：可使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動，延長停留時間，增大氣體的截流率；攪拌的剪切作用使氣泡粉碎，減少氣泡的直徑； 2. 表面張力：阻止氣泡的變化和粉碎，使 a↓ 3. 通氣量：增大通氣量可增加空氣的截流率，使 a↑。 4. 組成酶： 是菌體生長繁殖所必須的酶系，它的產(chǎn)生一般不受培養(yǎng)基成分的影響。 6. 酶的合成阻遏 ： 在某些代謝途徑中，末端產(chǎn)物因過量會 阻遏酶 的合成，由此來調(diào)節(jié)代謝速率，減少末端產(chǎn)物生成。 8. 分解代謝產(chǎn)物阻遏 ： 當(dāng)微生物細(xì)胞所處的環(huán)境中，同時存在可供利用的兩種底物時，一種先被利用或利用較快的底物會阻遏與另一種底物有關(guān)酶的合成稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏。只有當(dāng)葡萄糖幾乎消耗完后才開始利用乳糖。 10. 調(diào) 節(jié) 酶 ： 是指對代謝途徑的反應(yīng)速度起調(diào)節(jié)作用的酶。位于一 個或多個代謝途徑內(nèi)的一個關(guān)鍵部位的酶，它的活性可因調(diào)節(jié)劑結(jié)合而改變。 11. 能荷 ： 是一個人為設(shè)定的，能表示細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)，是產(chǎn)生或利用高能磷酸根的代謝途徑的主要調(diào)節(jié)因素。催化同一化學(xué)反應(yīng)而化學(xué)組成不同的一組酶。 14. 次級代謝產(chǎn)物 ：是指由微生物產(chǎn)生的，與微生物生長和繁殖無關(guān)的一類物質(zhì)。 17. 巴斯德效應(yīng) ：在好氧條件下，酵母發(fā)酵能力降低的現(xiàn)象 。 2. 操縱子學(xué)說解釋酶的誘導(dǎo)機(jī)制 答： 3. 大腸桿菌色氨酸操縱子 答： trp操縱子是由一個啟動子和一個操縱基因區(qū)組成。 4. 葡萄糖效應(yīng)，解釋二次生長現(xiàn)象 5. 乳糖操縱子 答： 大腸桿菌中控制β半乳糖苷酶誘導(dǎo)合成的操縱子。 在沒有誘導(dǎo)物時，調(diào)節(jié)基因 lacI 編碼阻遏蛋白，與操縱基因 O 結(jié)合后抑制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；乳糖的存在可與 lac阻遏蛋白結(jié)合誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，以代謝乳糖。采用遺傳學(xué)和生物化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。 2) 生物化學(xué)法 ? 添加前體繞過反饋控制點(diǎn) ? 添加誘導(dǎo)劑 ? 發(fā)酵與分離過程耦合 ? 控制細(xì)胞膜的通透性 ? 控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分 7. 初級代謝和次級代謝的調(diào)節(jié)方式有哪些？ 答： 初級代謝的調(diào)節(jié)方式 1) 產(chǎn)能代謝的調(diào)節(jié)：能荷調(diào)節(jié) 2) 核蛋白體合成的調(diào)節(jié) 3) 氨基酸、核苷酸合成代謝的調(diào)節(jié) 次級代謝的調(diào)節(jié)方式 1) 初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié) 2) 碳代謝物的調(diào)節(jié)作用 3) 氮代謝物的調(diào)節(jié)作用 4) 磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用 5) 次級代謝中的誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔? 6) 次級代謝中細(xì)胞膜透性調(diào)節(jié) 8. 提高初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物的方法有哪些？ 答： 提高 初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法 1) 使用誘導(dǎo)物 2) 除去誘導(dǎo)物 —— 選育組成性產(chǎn)生菌 3) 降低分解代謝產(chǎn)物濃度，減少阻遏的發(fā)生 4) 解除分解代謝阻遏 —— 篩選抗分解代謝阻遏突變株 5) 解除反饋抑制 —— 篩選抗反饋抑制突變株 6) 防止回復(fù)突變的產(chǎn)生和篩選負(fù)變菌株的回復(fù)突變株 7) 改變細(xì)胞膜的通透性 8) 篩選抗生素抗性突變株 9) 選育條件抗性突變株 10) 調(diào)節(jié)生長速率 11) 加入酶的競爭性抑制劑 提高次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法 次級代謝產(chǎn)物：細(xì)胞生長不必需的，無明顯生理功能的微生物代謝產(chǎn)物。調(diào)節(jié)機(jī)制為糖的調(diào)節(jié)主要是能荷的控制，就是受細(xì)胞內(nèi)能量水平的控制。由于細(xì)胞內(nèi)維持一定的能荷，對糖酵解進(jìn)行由此奧的調(diào)節(jié)。但需能反應(yīng)加強(qiáng)時， ATP分解為 ADP和 AMP， AIP減少， ADP、 AMP增加， AIP的抑制作用被解除，同時 ADP、 AMP激活己糖激酶和磷酸果糖激酶，使 6磷酸葡萄糖、 1， 6二磷酸果糖、 3磷酸甘油醛濃度增加，他沒都 是丙酮酸激酶的激活劑，使糖酵解加快。如果改變條件，使乙醛這個中間產(chǎn)物不存在，那么酵母菌就不會產(chǎn)生乙醇。 積累方法：加入某種抑制劑，亞硫酸鹽法；改變發(fā)酵條件，堿法。 12. 說明甲烷發(fā)酵的機(jī)理和其三個階段 答：即歷史厭氧菌將糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等股雜的有機(jī)物最終分解成甲烷和 CO2。 13. 說明檸檬酸發(fā)酵的生物合成途徑及其代謝調(diào)節(jié)積累機(jī)制 答：葡萄糖經(jīng) EMP途徑生成丙酮酸，丙酮酸在悠揚(yáng)的條件下，一方面氧化脫羧生成乙酰 COA，另一方面丙酮酸所畫生成草酰乙酸，草酰乙酸與乙酰 COA在檸檬酸合酶的作用下所和生成檸檬酸 代