白酒釀造優(yōu)化方案

1、1、何謂流加發(fā)酵?答：所謂流加發(fā)酵，即補料分批發(fā)酵(Fed-batch fermentation),有時又稱 半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中間歇或連續(xù)地補加新鮮培 養(yǎng)基的發(fā)酵方法2、寫出Monod方程，并寫出其成立的條件和各參數的意義。答：S條件：溫度和pH恒定時p = p g Ks + S(1)菌體生長為均衡型非結構生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物；(3)菌體產率系數恒定參數意義：pmax稱為最大比生長速率(h-1)，Ks稱為半 飽和常數(g/L),S為限制性底物濃度。3、細胞高密度培養(yǎng)過程存在的問題有哪些？其相應解決措施有哪些？答：問題：1.產物或代謝副產物的

2、積累對生長的抑制氧的限制HCDC中培養(yǎng)基粘度不斷增加，引起混合不充分CO2和熱量的高釋放率解決措施1.控制比生長速率在產生乙酸的臨界值以下選擇合適的培養(yǎng)基2提高通氣速率和攪拌速度富氧空氣和純氧在加壓環(huán)境下培養(yǎng)3有必要研究發(fā)酵罐中的攪拌模型，找到改善攪拌的方法。4通過降低細胞比生長速率而部分的解決把培養(yǎng)溫度從37*降到26 - 30，會降低營養(yǎng)吸收和生長速度， 因此會減少有毒副產物和代謝產生的熱量。降低溫度也能減少細胞對氧的需求。降低重組細胞溫度也有可能減少包含體形式的蛋白質的產生。4、無反饋控制的流加策略有哪些？答：開環(huán)（無反饋）控制恒速流加以預先決定的（恒定的）速率流加營養(yǎng)物質，比生長速率逐

3、漸降低。加速流加一一以逐漸增加的速率流加營養(yǎng)物質?？裳a償一些比 生長速率的降低。指數流加一一以指數的速率流加營養(yǎng)物質。可得到恒定的比生 長速率。閉環(huán)（反饋）控制即時DO當DO降低時補加營養(yǎng)物質。即時pH主要碳源耗盡引起pH上升時補加營養(yǎng)物質。二氧化碳釋放率（CER）CER基本正比于碳源的消耗速度。這一方法最為經常用于控制比生長速率。細胞濃度一一營養(yǎng)物質流加速率由細胞濃度決定。底物濃度控制一一營養(yǎng)物質流加速率直接由主要碳源的濃度 控制5、何謂發(fā)酵產物的理論得率？可由哪些途徑計算得到？答：假設發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達理論最高值，稱為理論代謝產物產率Y theorP / S計算途徑

4、（a）根據化學計量關系計算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學計量方程為：C H O 6 + NH + 1.5O T C H NO + CO + 3H OY theor .,依此計算 1 p / 勺=147/180=0.82 p / S（b）由生物化學計量關系計算根據由底物生成目標代謝產物的代謝途徑，進行代謝過程中有關NAD（P） +和ATP等輔底物的物料衡算，結合化學計量關系可求出下式13 C H O + NH + 2 O T C H NO + 3 CO + 7 H O12 6 12 6325 94 22?2由該反應式得Y theo r =（147 x 12）/（13 x 180）=0.7

5、5P / S由于NADPH和ADP的再生過程要消耗底物，故依這種方法求得的值要小于單 純依據化學計量關系求得的結果。!用生化計量式時，必須清楚有關的代缺點途徑分批試述分批一流加和連續(xù)培養(yǎng)方式各自的優(yōu)缺娜、滅菌等原因，非生產時間長 易轉產、生產靈活2.經常滅菌會降低儀器壽命 分批操作中某一階段可獲得高的3.前培養(yǎng)和種子的花費大轉化率 發(fā)酵周期短，菌種退化率小4.需較多的操作人員或較多的自動控制系統(tǒng)連續(xù)發(fā)酵可實現有規(guī)律的機械、自動化操作人員少反應器體積小、非生產時間少產品質量穩(wěn)定操作人員接觸毒害物質的可能性 小測量儀器使用壽命長操作不靈活因操作條件不易改變，原料質量必須穩(wěn)定若采用連續(xù)滅菌，加上控制

6、系統(tǒng)和自動化 設備，投資較大必須不斷地排除一些非溶性的固型物易染菌，菌種易退化流加發(fā)酵操作靈活染菌、退化的幾率小可獲得高的轉化率對發(fā)酵過程可實現優(yōu)化控制因經常滅菌會降低儀器使用壽命非生產時間長需較多的操作人員或計算機控制系統(tǒng)操作人員接觸一些病原菌和有毒產品的可 能性大7、用于發(fā)酵過程的優(yōu)化技術主要有哪些？試詳細敘述之。答：基于微生物營養(yǎng)條件的發(fā)酵優(yōu)化基于微生物環(huán)境條件的發(fā)酵優(yōu)化基于底物運輸、生化反應、產物排出確定不同環(huán)境條件對 微生物生長和代謝產物分布的影響-優(yōu)化微生物生長的物理 和化學環(huán)境保證微生物生長處于最適條件奠定基礎基于微生物反應動力學的發(fā)酵優(yōu)化1分析-發(fā)酵過程的動力學參數（口，qp,

7、 qs）流變學參數的變化 特性-提出分階段控制策略-目的-控制環(huán)境條件在最適合細胞生長或最適合產物合成的水平2以數學模型為基礎的優(yōu)化建立動力學模型，求解參數并評價其適用性對發(fā)酵進程和產量指標進行預測 采用人工神經網絡、專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制技術A-對發(fā)酵過程進行在線狀態(tài)預 測和模式識別B-自適應最優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)、計算機模擬和實際應 用基于代謝通量分析的發(fā)酵優(yōu)化參考已知的生化反應計量關系、代謝途徑、生理、特征，構建、合 成不同產物的代謝網絡一利用代謝通量分析方法，計算得出胞內各條代 謝途徑的通量變化。分析不同發(fā)酵產品合成途徑中主要代謝節(jié)點的性質，結合發(fā)酵過程中胞內能量代謝情況，提出一系列發(fā)酵

8、優(yōu)化策略 基于環(huán)境脅迫發(fā)酵優(yōu)化研究微生物的抗脅迫因子及其抗脅迫機制，考察環(huán)境脅迫條件下特定微生物蛋白轉錄和代謝途徑變化，采用不同環(huán)境脅迫手段或措施 對微生物的生長或代謝進行調控，促進微生物生長或大量合成目的產物。 基于輔因子調控的發(fā)酵優(yōu)化研究輔因子形式及其濃度在物質代謝和信號傳遞途徑中控制代謝 流方向和流量分配的作用機制、物質流和輔因子流的變化規(guī)律，對微生物 的生長或代謝進行調控，促進微生物合成目的產物的代謝流的最大化和快 速化。系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)酵優(yōu)化：最終達到整體系統(tǒng)的優(yōu)化。8、實現發(fā)酵過程優(yōu)化控制的目標有哪些？如何根據發(fā)酵過程的特點實現這些目 標的相對統(tǒng)一？答：目標；顯著提高發(fā)酵過程的經濟性和

9、科學性即達到高產量、高生產強度、高 低無轉化率實現這些目標的相對統(tǒng)一的方法：（第七題答案總結得到）9、一般情況下，用于描述發(fā)酵過程參數變化的模型有哪些？各舉一例表示之。r =a r or q = Y - r答：生長偶聯型（乙醇發(fā)酵）or q = p = cons tanor , X q = a +生長非偶聯型（次級代謝物）r = p - X生長半偶聯型：（乳酸發(fā)酵八-”工Rr = a r + p10、試舉一例說明如何優(yōu)化某一爰酵過程。X 答：例子；1如何得到丙酮酸高產量發(fā)酵？-菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化選育自身不能合成維生素的酵母（維生素缺陷型）控制培養(yǎng)基 中維生素濃度2如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉化率

10、和生產強度？一分階段溶氧控制 高溶氧下，丙酮酸轉化率校高，但生產強度（葡萄糖消耗速度）（PE到 Pyr的通量增加了 20%，丙酮酸進一步代謝的通量下降了 63.3% 低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸產率卻明顯下降 （NADHATP 的增高）最終得到：采用單一高或低供氧模式，不能同時達到高轉化率和高生產強度! 前16 h較高溶氧有利于碳流合成細胞；16 h后耗氧速率恒定， 碳流轉向合成丙酮酸確定分階段供氧模式：發(fā)酵0-16 h控制 kLa 為 450 h-1，16 h 后將 kLa 降低至 200 h-13如何使酵母從積累丙酮酸轉向積累a-酮戊二酸- -輔因子調控 先打開丙酮酸脫氫酶系（

11、PDH）途徑然后打開丙酮酸羧化酶（PC）途徑 4從積累丙酮酸轉向積累a-酮戊二酸添加Ca2+離子，PC活性受Ca2+所激活同時打開PDH和PC途徑5提高耐鹽能力促進丙酮酸代謝細胞生長和丙酮酸積累隨著滲透壓的升高而降低；采用pH控制的 連續(xù)培養(yǎng)方法，以高濃度氯化鈉為選擇性壓力獲得突變株RS23 從而使丙酮酸的產量提高11、代謝工程的定義是什么？其主要的研究方法和應用領域是什么？答：定義：一般定義：通過某些特定生化反應的修飾來定向改善細胞的特性或運用重組DNA技術來創(chuàng)造新的化合物具體定義：代謝工程是應用重組DNA技術和應用分析生物學相關的遺傳學手段進行有精確目標的基因操作，以改變微生物原有的調節(jié)系

12、統(tǒng)（酶的功能和輸送體系的功能、甚至產能系統(tǒng)的功能），通過有目的 地對細胞代謝進行修飾（功利性修飾）以改變細胞某些方面的代謝活 性的整套工作（包括代謝分析、代謝設計、遺傳操作、目的代謝產物 的實現），從而達到實現目的代謝活性產物的提高這一預期目標的一 個嶄新的領域。研究方法：（1）代謝工程注重酶學、化學計量學、分子反應動力學以及現代 數學的理論及技術為研究手段，在細胞水平上闡明代謝途徑與代謝網絡 之間局部與整體的關系、胞內代謝過程與胞外物質運輸之間的偶聯以及 代謝流流向與控制的機制，并在此基礎上通過工程和工藝操作達到優(yōu)化 細胞性能的目的。（2）代謝工程中的遺傳手段可以采用基因工程技術，也可以采用

13、 常規(guī)誘變育種技術，但前者有機會引進外源基因和外源調節(jié)因子，這同 傳統(tǒng)的改良菌種的遺傳方法不同。（3）代謝工程通過對特定的生化反應的遺傳基礎進行修飾或用重 組DNA技術導入新的生化反應來改進蛋白質分子的性質。應用領域：發(fā)酵工業(yè)方面，用于提高微生物合成天然目標產物的得率 和生產能力；擴大微底物利用范圍；生產原來不存在的新物質；提高菌體對環(huán)境的適應能力，如耐受缺氧、改善同化氮的能力或抑制性物質的能力；阻斷或降低副產物的生成；在環(huán)境工程方面降解有害廢棄物及有害物質；制備手性化合物，作為醫(yī)藥中間體；在醫(yī)療方面，用于整體器官和組織的代謝過程分析，用于鑒定基因治療或營養(yǎng)控制疾病的目標;信息傳導途徑方面，進

14、行信息流分析，為了治療疾病而進 行基因表達的分析和調節(jié)，以及闡明信息流的相互作用 和控制；異源蛋白的生產。12、何為系統(tǒng)優(yōu)化技術？試舉一例說明之。答：系統(tǒng)：系統(tǒng)是同類或相關事物按一定的內在聯系組成的整體，優(yōu)化技術：采用定性或定量的模型優(yōu)化技術，使系統(tǒng)整體目標最優(yōu)例子：ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應用1、問題的來源固定化細胞和酶在工業(yè)生物技術中的廣泛應用局限于簡單的酶催化反應多酶反應的障礙在于缺乏輔因子(如ATP、NAD、輔酶A)的再生 系統(tǒng)。ATP再生系統(tǒng)的定義及分類定義：一個需要ATP的生物酶反應系統(tǒng)與一個ATP生物合成系統(tǒng)所構成的耦合系統(tǒng)3兩種系統(tǒng)的不同之處自耦合ATP再生系統(tǒng)

15、只用到一種微生物，故該菌中必須 同時具有需要ATP 的生物合成反應的酶活性和再生ATP的酶活性種間耦合ATP再生系統(tǒng)采用不同的微生物，一種作為ATP合成活性的供 體，另一種作為與此相偶聯的生物合成酶活性的供體以E. coli作為合成酶活性的受體菌和具有較強ATP生物合成活性的產 氨短桿菌或面包酵母組合而成的種間耦合反應系統(tǒng)ATP再生系統(tǒng)存在的問題(1)除了合成產物所需的關鍵酶以外，細胞內還有許多酶，其中一些具有分解活性，能將反應的底物和預定的產物轉化為副產物微生物細胞具有很強的自我保護功能。作為滲透屏障的細胞膜可 防止胞內物質滲出。但當細胞用作酶源時，這種屏障就會阻礙底物 和產物進出細胞解決A

16、TP再生系統(tǒng)存在問題的辦法抑制副反應的方法對于具有分解、轉移底物或產物為副產物的酶，可通過選育 缺失該酶活性的突變株，或優(yōu)化反應條件使副產物的形成降 低到最小的限度提高膜通透，性的方法干燥細胞或用溶劑、表面活性劑處理細胞都可以提高細胞膜 的通透性13、何為輔因子工程？常見的輔因子有哪一些？其主要的調控作用方式有哪些？答：什么是輔因子工程？輔因子工程是采用分子生物學的手段，改造細胞內輔因子的再 生途徑，改變微生物細胞內輔因子的形式和濃度，定向改變和 優(yōu)化微生物細胞代謝功能，實現細胞代謝流最大化、快速化地 導向目標代謝產物的合成。輔因子工程所涉及到的輔因子有:ATP/ADP/AMP、NADH/NA

17、D+、NADPH/NADP+、乙酰輔酶A及其衍生物、維 生素和微量元素。其中，NADH/NAD+作為重要的輔因子全程 參與了微生物細胞內300多個氧化還原反應。輔因子調控的作用方式1能荷調節(jié)：ATP ADP AMP對一些酶進行變構調節(jié)，能荷水平對EMP TCA氧化磷酸化調節(jié)能荷高抑制上述代謝能荷低促進上述代謝，促進ATP生成2 NADH/NAD+調節(jié)：能量代謝、氧化還原反應；碳代謝流線粒體3金屬離子調節(jié)：金屬離子可作為許多酶的激活劑14、何為初級代謝？何為次級代謝？試各舉一例說明。答：初級代謝產物定義為“在細胞生長所需要的反應中形成的產物”可能比較確切一些（次級代謝產物定義為“在那些對于細胞生長不重要的反應中形成的產物