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生物工艺学
发布时间:7/30/2011 10:00:41 AM
第一章 绪论
一、生物工艺学的定义有哪些?
答:生物工艺学也称生物技术,是指以现代性命科学为基本,联合其他基本科学的科学原理,采取先进的过程技术手腕,依照设计改革生物体或生物原料,为人类生产出所须要产品或到达某种目标的技术。
国际经济合作及发展组织提出的定义:生物技术是运用自然科学及工程学的原理,依附生物催化剂的作用将物料进行加工,一提供产品或社会服务的技术。
欧洲生物技巧结合会以为:生物技术是自然科学和工程科学的综合利用,以便将生物系统细胞及其组成物用于为社会供给所需的商品和服务。
国际纯洁与利用化学结合会对生物技术所作的定义是:生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程运用于产业生产过程及环境维护的技巧。
二、生物工程的特点有哪些?
答:1.是一门综合性学科 2.采用生物催化剂 3.采用可再生资源为主要原料 4.以一般化工产品相比,其生产设备比拟简略,能耗较低
三、生物反应的一般过程是什么?可分为哪四个部分?
答:生物反应的一般过程即将生物技术的实验室结果经工艺及工程开发为可供工业生产的工艺过程。一般分为四个部分:原料的预处理、生物催化剂的制备、生化反应器即反应条件的选择与控制、产物的分离纯化。
第二章、工业微生物菌种选育、制备与保躲
一、从自然界中分离菌株的一般流程
答:采样、增值培养、纯种分离、性能测定等。
二、写出诱变育种 的典范流程
答:1.动身菌株的挑选,2.敏感期和合适对象的而选择,3.诱变剂的选择,4.诱变剂量的选择,5.初选,6.复选。
三、精良种子的请求是什么?
答:1.菌种细胞的生长活气强,转种到发酵罐后能敏捷生长,延迟期短 2.菌种生理状态稳定,菌丝形态、菌丝生长速率和种子培养液的特点符合要求 3.菌体浓度及总量能满足大容量发酵罐接种量的要求 4.无杂菌污染,能保证纯种的发酵, 5.菌种的适应性强,能坚持稳定的生产才能。
第三章、产业造就基及其设计
一、制备培育基的基础原则是什么?
答:目的明白、营养和谐、条件合适、经济公道。
二、培养基的设计原理由哪些?
答:1.菌体的同化才能 2.培育基对菌体代谢的阻遏与引诱影响 3.碳氮比对菌体代谢调节的主要性 4.PH值对不同菌体代谢的影响
三、培养基的优化方法有哪些?
答:1.初步肯定可能的培养基组分 2.通过单因素优化实验断定Zui为合适的各个培养基组分及其Zui适浓度 3.Zui后通过多因子实验,进一步优化培养基的各种成分及其Zui适浓度。
第四章、生物工艺学过程中的无菌技术
一、产业常用的无菌技术有哪些?
答:1.干热灭菌,包含灼烧法和烘箱热空气法 2.湿热灭菌,3.射线灭菌,4.化学药剂灭菌,5.过滤除菌。
二、影响培养基灭菌的因素有哪些?
答:有 所污染杂菌的种类、数量、灭菌温度和时间,培养基的成分、PH,培养基的物理状态,泡沫,培养基中的微生物数目等。
三、比拟分批灭菌与持续灭菌的有毛病
答:分批灭菌就是将配好的培养基放在发酵罐或生物反应器中,通入蒸汽将培养基和所用设备和一起进行灭菌的操作过程。长处:不须要专门的设备、投资少、设备简略、灭菌的后果可靠、对蒸汽要求低。 毛病:灭菌过程中蒸汽消费量大,造成锅炉负荷波动大。
连续灭菌就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保平和冷却的过程。 长处:提高产量、与分批灭菌相比,培养液受热时间短,可缩短发酵周期,同时培养基成分损坏较少、产量易于控制、蒸汽负荷平衡,锅炉利用率高、操作便利、合适采取主动化控制、降低劳动强度。 毛病:气压要求较高、设备比拟庞杂、投资较大。
四、分析过滤除菌的机理
答:依附气流通过滤层时,基于滤层纤维的层层阻碍,迫使空气在流动过程中呈现无数次转变气速大小和方向的绕流活动,从而导致微粒与滤层纤维间产生撞击、拦阻、布朗扩散、重力和静电引力等作用,从而把微生物截留、捕集在纤维表面上,实现过滤目的。有惯性冲击直流作用、拦阻直流作用、布朗扩散作用、重力沉降作用、静电吸附作用。
第五章、生物反映动力学
一、研究发酵动力学的目的是什么?
答:目标是研讨生物反应过程中菌体的生长、基质的耗费、产物的形成等及其相干影响因素、并树立数学模型,以及应用盘算机体系对生物反应的工艺参数进行估量,动态的优化把持过程,进步产率,下降生产本钱,同时为发酵工程的比较放大,发酵方法的优化供给理论根据。
二、剖析分批培育中产物的比生长速率的表达式,阐明在生产进程中如何进步产品的产率。 ·
答:dCx/dCt=uCx 或 lnCxt=lnCxo+ut
提高产率的方式:采取对数生长期的菌种、适合的接种量、减少菌种培养与发酵培养基组分之间的差别等办法来缩短延迟的时光,进而缩短细胞的非生产时光,提高生产效力。
三、分批发酵分为那几个阶段,各自的特点是什么?
答:1.延迟期。细胞对培养基中的成分利用较为迟缓,单个菌体的细胞质量有所增添,但数目却几乎不增长,比生长速率接近为零。
2.对数生长期。细胞的生长滋生速度快速提高,能到达比生长速率的Zui大值阶段,培养基中养分充足,菌体生长不受基质浓度的限制,菌体的生理活性高,繁殖速度快,胞内反应速率快,细胞数目及质量呈指数倍增加,胞内的各组分均以雷同的速率增添,细胞的均匀组成相对恒定。
3.稳定期。生长速率与逝世亡速率相等,细胞浓度到达Zui大值,细胞进进次生代谢产物合成阶段。
4.衰亡期。养分物资不断耗尽、细胞逝世亡速率增大,细胞浓度敏捷降落。
第六章、发酵过程原理
一、微生物分批发酵、持续发酵、分批补料发酵三种发酵方法的特色和方法。
答:分批发酵:特点:1.在发酵过程中,各个菌体的生长阶段的生理、代谢特点显明 2.每一次发酵需进行重复的清洗、灭菌等操作,增大了发酵的非生产时光,下降了设备利用率及发酵效力 3.每次均存在一个微生物的生长适应、增值的过程,增大了对底物的耗费,使底物的应用率低 4.培养基中的底物浓度较高,具有较高的渗透压,不利于微生物的生长 5.操作简略、便于掌握、不易于染菌 运用:工业化生产及试验室研究阶段摸索菌体发酵过程、发酵动力学等。
分批补料发酵:特色:1.可以避免在分批发酵过程中因一次性投料过多造成细胞大批生长而发生的不利影响 2.可以解除产物反馈控制和分解代谢物克制的作用 3.可为主动节制和Zui优把持提供试验基本 4.可作为掌握细胞量的手腕,以进步发芽孢子的比例
应用:1.用于菌体高密度培养的研究 2.用于与菌体生长偶联的胞内产物的生产过程
持续发酵:特点:1.可以保持稳固的操作条件,从而使产率和产品德量也相应坚持稳固 2.机械化和主动化水平高,可?性好,可较大水平地下降劳动强度 3.有效提高装备应用率,节俭劳工和工时,节俭能源 4.由于灭菌次数减少,是丈量仪器探头的寿命得以延伸 5.有效地提高发酵产率 6.对装备的投资较高,增添了投资本钱 7.发酵周期长,轻易造成杂菌污染 8.微生物轻易产生变异 利用:重要在科学研讨上
二、影响发酵过程的因素有哪些?各因素对发酵的影响是什么?
答:主要有种子质量、培养基的组成、灭菌及培养条件等。
种子质量:直接影响生产效率,产品德量和产品本钱
培养基:培养基为细胞供给代谢过程所必须的能源,并提供满足细胞生长及生产须要的各种元素,只有选用良好的造就基成分和配比, 才干充足施展生产菌种生物合成产 物的才能,保证发酵单位、提取收率和产品德量。
灭菌条件:在发酵过程中,只容许生产菌的存在和生长滋生,不许可其他的杂菌存在,所以在发酵之前要对发酵过程中与生长菌接触的 培养基、空气、辅料、装备等进行 彻底的灭菌。
温度:温度会影响细胞生长、产物的形成,另外还会影响发酵液的物理性质。
PH:PH是微生物发酵过程中反应及影响微生物生长、产物合成状况的主要节制参数。
三、发酵过程中为什么要节制温度、PH、溶氧?把持不当会对发酵发生什么不良影响?
答:温度:温度会影响细胞生长、产物的形成,另外还会影响发酵液的物理性质。
PH:PH是微生物发酵过程中反应及影响微生物生长、产物合成状态的主要控制参数。过酸或过碱易使酶变性失活,另一方面是影响酶与底物的联合,从而影响酶的活气。
溶氧:氧的供应成为提高微生物培养密度、提高单位体积发酵液产量的限制性因子。溶氧浓度太大,会克制产物的形成,溶氧浓度太低,会影响微生物的生长。
四、CO2对细胞的作用机制是什么?
答: CO2对菌体生长及产物形成的影响:CO2既是微生物在生长滋生进程中发生的代谢产物,同时它也是合成某些代谢产物的基质;CO2也能增进某些菌体的生长及产物的合成代谢;还对发酵液的酸碱平衡产生影响
CO2对发酵机理的影响:CO2重要影响细胞的膜构造,影响到细胞膜的输送效率,导致细胞生长受到克制、形态产生转变。
五、什么是呼吸商?
答:菌体的CO2的开释速率与耗氧速率的比值
六 发酵过程中产生的泡沫是什么原因?对发酵会有什么影响?掌握和打消的办法有哪些?
答:发酵过程中形成气泡的重要原因是在发酵液中有气体及能稳定泡沫的物质存在。另外一个原因是在发酵液中存在能稳定的物资,如糊精、蛋白质及一些代谢产物等,另外,细胞本身也有稳固气泡的作用。
影响有:一系列的负面影响(1)降低发酵设备及原料的利用率 (2) 导致氧传递系数的减少,严重时通气搅拌叶无法进行,菌体呼吸受阻,导致代谢异常或菌体自溶 (3)导致了菌群的非均一行,由于泡沫高下的变更和处在不同生长周期的微生物随泡沫漂浮,或黏附在罐壁上,这部分菌体可能在气相环境中生长,从而引起菌体的分化、变异,甚至自溶,影响菌群的整体质量(4)当大批起泡时,如控制不及时,会引起逃液,导致发酵液在排气管及轴封处残留或流失,引起养分成分及产物的损耗,并增大杂菌沾染的机遇(5)消沫及剂的参加有时会影响发酵给提取工艺带来麻烦。
控制及打消的方法:(1)调剂培养基的成分,如少加或 缓加易起泡的资料,或减少某些发酵控制参数,以减少泡沫形成的机遇 (2)在发酵过程中,采用机械消泡或化学消泡这两大类方法来排除已形成的泡沫。 化学消泡是在发酵罐中外加消沫剂使泡沫幻灭的方法;机械消泡是一种靠机械强烈震撼、压力的变更,促使起泡决裂的方法。
第七章 生物反响器及生物过程放大
1、生物反应器的分类有哪些?
(1)根据所应用的生物催化剂种类的不同:酶生物反应器、细胞生物反应器
其中,细胞生物反应器:微生物细胞生物反响器、动物细胞生物反映器、植物细胞生物反应器、微澡生物反应器
(2)根据培养过程是否需要光照:光照生物反应器、普通生物反应器
(3)根据生物催化剂的应用情势的不同:固定化酶或细胞的反应器、游离态酶或细胞的反应器
(4)依据生物反映器的几何外形构造特点的不同:罐式(槽式或釜式)、管式、塔式及膜式等几大类
其中,(根据操作方式不同)罐式:分批(间接)式、分批补料式、连续式
(5)依据造就基状况分为:固态生物反应器、液态生物反应器
其中,(根据基质的活动情形不同)固态发酵反应器:静态固态发酵反应器(浅盘式、塔柱式反应器)、动态固态发酵反应器(带机械搅拌的筒式、柱式、转豉式反应器)
(6)根据微生物细胞对氧的需求与否:好氧型生物反应器、厌氧型生物反应器
其中,(根据通进空气及物料混杂的方式不同)好氧型生物反应器:搅拌式、气升式、自吸式反应器
2、液态反应器和固态反应器有哪些,各自特点、应用范畴有哪些?
(1)液态反应器:机械搅拌透风反应器、气升式反应器、自吸式反应器
(2)固态发酵反应器:浅盘式反应器、填充床反应器、转豉式反应器、流化床反应器、传输带(盘)式反应器、螺旋推动式反应器、塔式反应器等
3、影响实验室摇瓶试验的因素有哪些?
(1)瓶塞对氧传递的阻力(2)摇瓶内水分蒸发的影响(3)与氧气接触的比表面积的影响(4)其他:培养温度、摇瓶机停机的时间、接种量大小、摇瓶机的稳定性等因素
4、试验室研究常用试验设计办法有哪些?
(1)正交设计:正交设计是研讨多因素多程度试验常用的一种设计办法,它是依据正交性从全口试验中挑选出部分有代表性的点进行实验,是一种高效力、快速、经济的试验设计方式
(2)均匀设计:均匀设计是基于试验点在全部试验范畴内均匀分布,从均匀性角度动身的一种试验设计方法。
(3)响应面剖析法:响应面剖析法是一种将数学和统计学相联合的方式,综合了实验设计和数学建模,它将系统的响应(如发酵量)作为一个或多个因素(如温度、基质浓度等)的函数,运 用图形技巧将这种函数关系显示出来,以供人们凭借直觉的察看来选择实验设计中的Zui优化条件
(4)遗传算法:遗传算法是一类鉴戒生物界的进化规律(适者生存,优越劣汰遗传机制)演变而来的随机化搜索方法。
第八章
一 生物反应过程参数的检测分为哪两类?
(1)直接状况参数检测:是指能反应反响进程中微生物的生理代谢状态的参数,如PH、溶氧浓度、溶解co2、尾气O2、尾气co2、黏度、菌体浓度等。
(2)间接状态参数检测:(a)与基质耗费有关的参数估量 (b)与呼吸代谢有关的参数估计 (c)与传质有关的参数估计 (d)与细胞生长相干参数的估量
二 发酵过程对传感器的请求有哪些?
(1)发酵过程对传感器的惯例要求为正确性、准确性、敏锐性、辨别能力要高,响应时间滞后要小,能够长时间稳定工作,可靠性好,具有可维修性。
(2)对发酵过程对传感器的特别要求是由发酵反应的特色决议的,发酵底物中含有大批的微生物,必需斟酌卫生要求,发酵过程中不容许有其他杂菌污染。
(3)传感器可以与发酵液直接接触,一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌,不能耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装进。
(4)发酵过程中坚持无菌,请求传感器与外界大气隔断。
(5)发酵传感器轻易被培养基和细菌污染,应选用不易污染的资料如不锈钢,同时要注意构造设计,选择无逝世角的外形和结构,防止微生物附着及干扰,便于清洗,不容许泄漏。
(6)传感器只与被测变量有关,具有不受过程中其他变量和四周环境变更影响的能力。
第九章
一 生物分离的特点是什么?
(1)生物物质分离技术的手腕多种多样:生物技术产品品种多,有菌体代谢产物,菌体产生的酶、蛋白质,也有菌体本身,而这些产品达部分有生理活性,因此分离技术也十分庞杂。
(2)生物物质分离技术的技术难度比一般的化工产品的大:a被提取物浓度低,往往低于杂志含量 b 被提取物杂质多 c 被提取物的稳定性差 d 分离提取的技术庞杂 e 用度大,占总用度 的1/2-2/3。
(3)生物物资分别技术具有必定的弹性 由于发酵或培养过程一般是分批操作,生物变异性大,各批发酵液不尽雷同,特殊是对染菌的批号,也要能处置。
二 写诞生物分别的一般步骤?
(1)预处置和固液分离 过滤和离心操作常在此过程,同时还起到必定的浓缩作用。
(2)杂质粗分(初步分别) 目标是除往与产品差别较大的杂质,为后道精制工序发明有利条件。
(3)纯化 本过程除往与产物性质接近的杂质,处置技术要求有高度的选择性。
(4)精制 获得终极产品,通常采用结晶法。
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