白酒酿造优化方案(复习重点)

1、何谓流加发酵？答：所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batchfermentation)，有时又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法2、写出Monod方程，并写出其成立的条件和各参数的意义。答：条件：温度和pH恒定时(1)菌体生长为均衡型非结构生长；(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定参数意义：max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L),S为限制性底物浓度。3、细胞高密度培养过程存在的问题有哪些？其相应解决措施有哪些？答：问题：1.产物或代谢副产物的积累对生长的抑制2.氧的限制3.HCDC中培养基粘度不断增加，引起混合不充分4.CO2和热量的高释放率解决措施1.控制比生长速率在产生乙酸的临界值以下选择合适的培养基2提高通气速率和搅拌速度富氧空气和纯氧在加压环境下培养3有必要研究发酵罐中的搅拌模型，找到改善搅拌的方法。4通过降低细胞比生长速率而部分的解决把培养温度从37℃降到26－30℃，会降低营养吸收和生长速度，因此会减少有毒副产物和代谢产生的热量。降低温度也能减少细胞对氧的需求。降低重组细胞温度也有可能减少包含体形式的蛋白质的产生。4、无反馈控制的流加策略有哪些？SKSsmax答：开环（无反馈）控制恒速流加——以预先决定的（恒定的）速率流加营养物质，比生长速率逐渐降低。加速流加——以逐渐增加的速率流加营养物质。可补偿一些比生长速率的降低。指数流加——以指数的速率流加营养物质。可得到恒定的比生长速率。闭环（反馈）控制即时DO——当DO降低时补加营养物质。即时pH——主要碳源耗尽引起pH上升时补加营养物质。二氧化碳释放率（CER）——CER基本正比于碳源的消耗速度。这一方法最为经常用于控制比生长速率。细胞浓度——营养物质流加速率由细胞浓度决定。底物浓度控制——营养物质流加速率直接由主要碳源的浓度控制5、何谓发酵产物的理论得率？可由哪些途径计算得到？答：假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率计算途径（a）根据化学计量关系计算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为∶依此计算=147/180=0.82（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出下式由该反应式得=(147×12)/(13×180)=0.75theorSPY/OHCONOHCONHOHC2249523612635.1theorSPY/OHCONOHCONHOHC22495236126272321213theorSPY/由于NADPH和ADP的再生过程要消耗底物，故依这种方法求得的值要小于单纯依据化学计量关系求得的结果。!！用生化计量式时,必须清楚有关的代谢途径6、试述分批、流加和连续培养方式各自的优缺点。7、用于发酵过程的优化技术主要有哪些？试详细叙述之。答：基于微生物营养条件的发酵优化基于微生物环境条件的发酵优化基于底物运输、生化反应、产物排出-----确定不同环境条件对微生物生长和代谢产物分布的影响----优化微生物生长的物理和化学环境-----保证微生物生长处于最适条件-----奠定基础基于微生物反应动力学的发酵优化1分析---发酵过程的动力学参数(μ，qp，qs)流变学参数的变化特性----提出------分阶段控制策略----目的----控制环境条件在最适合细胞生长或最适合产物合成的水平优点缺点分批发酵1.一般投资较小1.因放罐、灭菌等原因，非生产时间长2.易转产、生产灵活2.经常灭菌会降低仪器寿命3.分批操作中某一阶段可获得高的转化率3.前培养和种子的花费大4.发酵周期短，菌种退化率小4.需较多的操作人员或较多的自动控制系统连续发酵1.可实现有规律的机械、自动化1.操作不灵活2.操作人员少2.因操作条件不易改变，原料质量必须稳定3.反应器体积小、非生产时间少3.若采用连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大4.产品质量稳定4.必须不断地排除一些非溶性的固型物5.操作人员接触毒害物质的可能性小5.易染菌，菌种易退化6.测量仪器使用寿命长流加发酵1.操作灵活1.非生产时间长2.染菌、退化的几率小2.需较多的操作人员或计算机控制系统3.可获得高的转化率3.操作人员接触一些病原菌和有毒产品的可能性大4.对发酵过程可实现优化控制5.因经常灭菌会降低仪器使用寿命2以数学模型为基础的优化------建立动力学模型，求解参数并评价其适用性------对发酵进程和产量指标进行预测-----采用人工神经网络、专家系统、模糊逻辑控制技术A----对发酵过程进行在线状态预测和模式识别B---自适应最优化控制系统的开发、计算机模拟和实际应用基于代谢通量分析的发酵优化参考已知的生化反应计量关系、代谢途径、生理、特征，构建、合成不同产物的代谢网络----利用代谢通量分析方法，计算得出胞内各条代谢途径的通量变化。------分析不同发酵产品合成途径中主要代谢节点的性质，结合发酵过程中胞内能量代谢情况，提出一系列发酵优化策略基于环境胁迫发酵优化研究-----微生物的抗胁迫因子及其抗胁迫机制，考察环境胁迫条件下特定微生物蛋白转录和代谢途径变化，采用不同环境胁迫手段或措施对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物生长或大量合成目的产物。基于辅因子调控的发酵优化研究辅因子形式及其浓度在物质代谢和信号传递途径中控制代谢流方向和流量分配的作用机制、物质流和辅因子流的变化规律，对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物合成目的产物的代谢流的最大化和快速化。系统优化的发酵优化：最终达到整体系统的优化。8、实现发酵过程优化控制的目标有哪些？如何根据发酵过程的特点实现这些目标的相对统一？答：目标;显著提高发酵过程的经济性和科学性即达到高产量、高生产强度、高低无转化率实现这些目标的相对统一的方法：（第七题答案总结得到）9、一般情况下，用于描述发酵过程参数变化的模型有哪些？各举一例表示之。答：生长偶联型(乙醇发酵)XPpYqorXprr生长非偶联型(次级代谢物)or生长半偶联型:(乳酸发酵)or10、试举一例说明如何优化某一发酵过程。答：例子；1如何得到丙酮酸高产量发酵？--菌株选育和培养条件优化选育自身不能合成维生素的酵母(维生素缺陷型)控制培养基中维生素浓度2如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度？--分阶段溶氧控制高溶氧下，丙酮酸转化率较高，但生产强度(葡萄糖消耗速度)（PE到Pyr的通量增加了20%，丙酮酸进一步代谢的通量下降了63.3%低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸产率却明显下降（NADH-----ATP的增高）最终得到：采用单一高或低供氧模式，不能同时达到高转化率和高生产强度！前16h较高溶氧有利于碳流合成细胞；16h后耗氧速率恒定，碳流转向合成丙酮酸确定分阶段供氧模式:发酵0-16h控制kLa为450h-1，16h后将kLa降低至200h-13如何使酵母从积累丙酮酸转向积累-酮戊二酸－－辅因子调控先打开丙酮酸脱氢酶系(PDH)途径然后打开丙酮酸羧化酶(PC)途径4从积累丙酮酸转向积累-酮戊二酸添加Ca2+离子，PC活性受Ca2+所激活----同时打开PDH和PC途径5提高耐盐能力促进丙酮酸代谢细胞生长和丙酮酸积累随着渗透压的升高而降低；采用pH控制的连续培养方法，以高浓度氯化钠为选择性压力获得突变株RS23从而使丙酮酸的产量提高11、代谢工程的定义是什么？其主要的研究方法和应用领域是什么？答：定义：一般定义：通过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具体定义：代谢工程是应用重组DNA技术和应用分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的基因操作，以改变微生物原有的调节系统vpXrtconsqptanvXpXrrpq（酶的功能和输送体系的功能、甚至产能系统的功能），通过有目的地对细胞代谢进行修饰（功利性修饰）以改变细胞某些方面的代谢活性的整套工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢产物的实现），从而达到实现目的代谢活性产物的提高这一预期目标的一个崭新的领域。研究方法：（1）代谢工程注重酶学、化学计量学、分子反应动力学以及现代数学的理论及技术为研究手段，在细胞水平上阐明代谢途径与代谢网络之间局部与整体的关系、胞内代谢过程与胞外物质运输之间的偶联以及代谢流流向与控制的机制，并在此基础上通过工程和工艺操作达到优化细胞性能的目的。（2）代谢工程中的遗传手段可以采用基因工程技术，也可以采用常规诱变育种技术，但前者有机会引进外源基因和外源调节因子，这同传统的改良菌种的遗传方法不同。（3）代谢工程通过对特定的生化反应的遗传基础进行修饰或用重组DNA技术导入新的生化反应来改进蛋白质分子的性质。应用领域：①发酵工业方面，用于提高微生物合成天然目标产物的得率和生产能力；②扩大微底物利用范围；③生产原来不存在的新物质；④提高菌体对环境的适应能力，如耐受缺氧、改善同化氮的能力或抑制性物质的能力；⑤阻断或降低副产物的生成；⑥在环境工程方面降解有害废弃物及有害物质；⑦制备手性化合物，作为医药中间体；⑧在医疗方面，用于整体器官和组织的代谢过程分析，用于鉴定基因治疗或营养控制疾病的目标；⑨信息传导途径方面，进行信息流分析，为了治疗疾病而进行基因表达的分析和调节，以及阐明信息流的相互作用和控制；⑩异源蛋白的生产。12、何为系统优化技术？试举一例说明之。答：系统：系统是同类或相关事物按一定的内在联系组成的整体，优化技术：采用定性或定量的模型优化技术，使系统整体目标最优例子：ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用1、问题的来源•固定化细胞和酶在工业生物技术中的广泛应用•局限于简单的酶催化反应多酶反应的障碍在于缺乏辅因子(如ATP、NAD、辅酶A)的再生系统。2.ATP再生系统的定义及分类定义∶一个需要ATP的生物酶反应系统与一个ATP生物合成系统所构成的耦合系统3两种系统的不同之处自耦合ATP再生系统只用到一种微生物，故该菌中必须同时具有需要ATP的生物合成反应的酶活性和再生ATP的酶活性•种间耦合ATP再生系统采用不同的微生物，一种作为ATP合成活性的供体，另一种作为与此相偶联的生物合成酶活性的供体•以E.coli作为合成酶活性的受体菌和具有较强ATP生物合成活性的产氨短杆菌或面包酵母组合而成的种间耦合反应系统4.ATP再生系统存在的问题(1)除了合成产物所需的关键酶以外，细胞内还有许多酶，其中一些具有分解活性，能将反应的底物和预定的产物转化为副产物(2)微生物细胞具有很强的自我保护功能。作为渗透屏障的细胞膜可防止胞内物质渗出。但当细胞用作酶源时，这种屏障就会阻碍底物和产物进出细胞5.解决ATP再生系统存在问题的办法(1)抑制副反应的方法对于具有分解、转移底物或产物为副产物的酶，可通过选育缺失该酶活性的突变株，或优化反应条件使副产物的形成降低到最小的限度(2)提高膜通透性的方法干燥细胞或用溶剂、表面活性剂处理细胞都可以提高细胞膜的通透性13、何为辅因子工程？常见的辅因子有哪一些？其主要的调控作用方式有哪些？答：辅因子调控的作用方式1能荷调节：ATPADPAMP对一些酶进行变构调节，能荷水平对EMPTCA氧化磷酸化调节能荷高抑制上述代谢能荷低促进上述代谢，促进ATP生成2NADH/NAD+调节：能量代谢、氧化还原反应；辅因子工程是采用分子生物学的手段，改造细胞内辅因子的再生途径，改变微生物细胞内辅因子的形式和浓度，定向改变和优化微生物细胞代谢功能，实现细胞代谢流最大化、快速化地导向目标代谢产物的合成。辅因子工程所涉及到的辅因子有：ATP/ADP/AMP、NADH/NAD+、NADPH/NADP+、乙酰辅酶A及其衍生物、维生素和微量元素。其中，NADH/NAD+作为重要的辅因子全程参与了微生物细胞内300多个氧化还原反应。什么是辅