发酵过程优化原理复习

one1、发酵过程优化的目标答：①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。②实现发酵过程优化，以更好地控制发酵过程；③规避生物技术产业化过程的技术风险，追求其经济效益；2、发酵过程优化主要涉及的研究内容答：①细胞生长过程研究，了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律，对微生物反应的化学计量进行研究，简化对发酵过程的质量衡算③研究生物反应速率及其影响因素，建立生物反应动力学，这也是是发酵过程优化研究的核心内容。④生物反应器工程，包括生物反应器及参数的检测与控制，它们是发酵过程优化最基本的手段。3、Hasting（1954年）指出生化工程要解决的十大问题是哪些？答：深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点。4、Cooney指出，要实现发酵过程的优化与控制，必须解决好哪些问题？答：必须解决好5个问题：①生物模型；②传感器技术；③适用于生物过程的最优化技术；④系统动力学；⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较答：①与传统的分批发酵相比，流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等；与连续发酵相比，流加发酵则具有染菌可能性更小，菌种不易老化变异等优点。②与流加发酵和连续发酵相比，分批发酵工艺操作简单，比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题，对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。但其人力、物力、动力消耗较大，生产周期较长，生产效率低。③连续发酵最大的优点是，微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态，可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的，且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究，在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高了生产效率和自动化程度。6、重组生物药物生产过程的优化包括哪6个方面答：①适宜宿主的选择；②重组蛋白积累位点（如可溶的胞内积累、胞内聚合积累、周质积累或胞外积累）的确定；③重组基因最大表达的分子策略；④细胞生长和生产环境的优化；⑤发酵条件的优化；⑥后处理过程的优化。7、操作细胞循环生物反应器时必须考虑哪两个因素？为什么？答：①稀释率（流速/体积），因为稀释率的大小影响细胞的生长速率，不同的实验目的对稀释率的要求也不同；②循环速率（指通过过滤系统的培养基速率），因为高的循环速率可使组分混合均匀，但循环速率过高会使作用在细胞上的剪切力过高，也会导致过滤单元膜的迅速损坏。因此，很难同时确定合适的稀释率与循环速率，这也是限制细胞循环技术应用的一个重要因素。8、细胞生长过程可以分为哪3个步骤，运输过程包括其中的两个步骤，在细胞膜上的运输过程是研究者普遍关心的内容，在细胞膜上可能存在哪些运输机制？各有何特点？答：（1）细胞生长过程的3个步骤：①底物传递进入细胞；②通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物；③代谢产物排泄进入非生物相；（2）研究表明在膜上存在3种不同的运输机制：①自由扩散；②协助扩散；③主动运输。特点：①自由扩散和协助扩散只有存在浓度梯度时，由高浓度向低浓度的运输才可能发生，统称被动运输，在运输过程中不需要提供外部能量；自由扩散分子扩散的质量通量遵守Fick第一定律，通过自由扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、水、有机酸和乙醇等；协助扩散是通过膜上的转运蛋白来进行物质运输的，具有选择性，其运输速率比自由扩散又快又多，运输速率遵循典型的饱和型动力学。③主动运输是逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能，以特定的膜内蛋白作为运输过程的媒介，可以逆着浓度梯度的方向进行运输，因此是一个耗能的过程，根据运输动力来源可以分为一级主动运输和次级主动运输两大类，还有一种特别的主动运输过程为基团转移。9、发酵过程数量化处理包括哪些方面的内容？常规的参数一般包括哪些？通常如何测量这些参数？发酵过程的数量化处理包括：①发酵过程的速度；②化学计量学和热力学；③生产率、转化率和产率；two10、比速率和速率有什么区别？答：比速率是一个相对速度，表示细胞的个体行为，反应了细胞的生长和代谢能力，它与生物量（以细胞干重表示）或有催化活性物质的量（如酶量）有密切的关系，各种比速率的单位均为h-1，定义类似于化学反应动力学中比速率ri*的定义速率：是绝对速率，所表示的是细胞的整体行为，不能代表系统的特征。11、生物反应过程中有关的宏观产率系数及定义答：宏观产率系数（或称得率系数）Yi/j（i表示菌体或产物，j表示底物）是常用于对C源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，将消耗的量同形成的量关联起来，定量表示细胞或产物甚至热量的产率，也能用于定量的表示不同消耗量之间或形成量之间的相互关系，最初是由Monod以质量单位和商的形式定义的：12、YATP与其它产率系数相比有何特点？答：，是Bauchop以异化代谢中ATP的生长量作为菌体产率的基准而定义的。YATP与微生物及底物种类无关，基本为一常数。在复合培养基的厌氧培养中，不管微生物和环境的性质如何，YATP总是约为10.5g/mol。但该值对微生物生长具有普遍性。在基本培养基中无论是厌氧还是需氧培养，单一碳源中一部分作为能源通过异化代谢分解，其余部分用于同化构成菌体。假设用于同化的这部分碳源与ATP生成无关，则对于异化代谢的碳源亦服从YATP≈10g/mol。13、复合培养基厌氧培养过程中细胞的生物合成步骤及ATP的生成和利用途径P2614、代谢产物理论产率系数和实际过程产率系数有何区别？影响实际过程产率系数的因素有哪些？答：假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可以达到最高值，即为理论代谢产物产率，可以根据化学计量关系、生物化学计量关系计算。而在实际发酵过程中的实际产率是变化的，所以需对产率系数的概念进行修正。实际产率值取决于各种生物和物理参数。，式中μ为比生长速率；m为混合度；s为底物浓度；t为平均停留时间；tm为混合时间；OTR为氧传递速度15、微生物反应动力学模型的类型及着眼点。Monod模型属于什么模型？其使用的条件包括哪些?答：（1）①类型：可分为概率论模型和决定论模型两大类，其中决定论模型又可分为均相模型和生物相分离模型，或结构模型与非结构模型。②着眼点：对底物、菌体和产物3个状态变量进行数学描述（2）非结构动力学模型（3）满足的条件为：①菌体生长为均衡性非结构生长；②培养基中只有一种底物是生长限制性底物；③菌体产率系数恒定16、对于一个具体的发酵产品，需要使用哪些模型才能完整地对其进行描述？为什么？答：（1）温度和pH恒定时，μ随培养基组分浓度变化而变化。若着眼于某一特定培养基组分的浓度s，并假设其它培养基组分浓度不变，则得到Monod模型为：（2）延迟期动力学模型，（3）生长稳定期动力学模型：rX=α.x（1–x/β）α和β是经验常数，取α=μmax和β=xmax，在微生物生长停止时才出现产物形成的情况下，它具有较好的适用性。细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程，该过程既包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外物质的传递及反应。该体系具有多相、多组分、非线性的特点。同时，细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动，每个细胞都经历着生长、成熟直至衰老的过程，同时还伴有退化和变异。要对这样一个复杂的体系进行精确的描述，在各个发酵阶段必须合适的发酵动力模型。为了优化反应过程，首先要进行合理的简化，就必须在简化的基础上建立过程的物理模型，再据此推导得出数学模型，对发酵过程进行合理优化。17、Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成分成了哪几种类型？除此之外，底物消耗的质量细胞形成的质量dsdxdtdsdtdYrr//xssxxsxsxt00ts/xYMYAxATP/ssx/sTPYATP)1(),(/maxesKststtsLμμsKssμμmaxthree还有哪两种模型？答：类型Ⅰ：也称偶联模型，即产物的形成与细胞的生长相偶联；或代谢产物的生成与微生物生长完全同步。类型Ⅱ：也称部分偶联模型，即产物的形成与底物的消耗存在部分偶联。这类代谢产物通常是在能源代谢中间接生成的，代谢途径较为复杂。类型Ⅲ：也称非偶联模型，即产物的形成与细胞的生长没有直接关系，当细胞处于生长阶段时，没有产物积累，当细胞生长停止以后，产物大量形成。还有两种模型：一种是qp与μ负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qp与μ的关系可表示为：qp=qp，max-YP/Xμ；另外一种是qp与μ没有关系的模型，一般只适用于休眠细胞中，此时细胞本身代谢仅利用少量底物，只起到酶载体的作用，有：rp=α.rx+β.x-kd.p18、发酵过程优化一般包括哪些步骤？具体陈述答：简化、定量化、分离、建模型，最后把分离开的现象重新组合起来。①反应过程的简化：微生物反应是一个复杂的过程，简化必须保证不损失基本信息，例如将微生物细胞当作黑匣子，其简化的结果是从宏观上通过分析、计算液相中各种浓度变化来间接地反应细胞中发生的代谢反应；②定量化：分析方法的选择必须要求可以保证测定结果的可用性和代表性能够满足优化的要求。③分离：指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据，只能通过计算机模拟的方式，通过检测液体培养基中的外部变化，才能来反应代谢反应的内部变化。④数学建模：是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式。数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础。19、系统优化方法的基本原则，具体陈述答：（1）整体性原则：①不能从系统的局部得出有关系统整体的结论；②分系统的目标必须服从于系统整体的目标。（2）有序相关原则：凡是系统都是有序的，为获得预期的整体功能，从方法论上应把注意力集中于系统内部各要素（分系统）之间的相互关联上。（3）目标优化原则：是系统优化技术的指导思想和优化目标，优化问题是在不可控参数发生变化的情况下，根据系统的目标，经常、有效地确定可控参数的数值，使系统经常处于最优状态。系统最优化离不开系统模型化，先有模型化而后才有系统最优化。（4）动态性原则：应把实施对象看作一个动态过程，分析系统内外的各种变化，掌握变化的性质、方向和趋势，采取相应的手段，改进研究方法，在动态变化中对系统整体进行优化。（5）分解综合原则：分解对系统来说就是归纳出相对独立、层次不同的分系统。综合则是完成新系统的筹建过程，即选择具有性能好、适用性强的分系统，设计出它们的相互关系，形成具有更广泛价值的系统，以达到预定的目标。分解的原则是既要满足系统的结构要求，又要便于进行研究。一般可按结构要素、时间要素、功能要素、空间状态等方法进行分解。（6）系统创造思维原则：其基本原则有两条：第一、把陌生的事物看作熟悉的东西，用已有的知识加以辨识和解决。第二、把熟悉的对象看作陌生的东西，用新的方法、新的原则加以研究，从而创造出新的理论、新的技术。总之，对生物系统进行优化，首先是要构建一个系统，然后使这一系统高效运行。20、构建ATP再生系统必须满足那些条件？目前报道的ATP再生系统按底物不同可以分为哪几类？根据酶源的不同，可分为哪几类？各有何特点?答：（1）条件：①用于合成产物的酶的活性必须足够强且稳定；②能够大量提供廉价、稳定的前体物质；③再生ATP的活性足够强且稳定，能与生物合成酶反应成功耦合；④提供廉价的能量底物和磷酸基团供体以利于ATP再生；⑤若有类似于分解反应的有害副反应，则必须对其加以控制；⑥若底物或预定的产物不能透过细胞膜，则必须设法提高膜的通透性。（2）按底物不同来分类，目前所报道的ATP再生系统可以分为转移高能磷酸基的反应系统和用碳水化合物作基质的反应系统（3）根据酶源不同分的类型：①自耦合ATP再生系统：在该系统中，生物合成酶反应所消