现代发酵调控学复习题

现代发酵调控学复习题

1. 诱导与诱导酶: 微生物细胞通常不合成某种酶或合成的数量很少，微生物生长环境中添加该酶的底物或其结构类似物后该酶大量合成，这种现象叫诱导。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶。

2. 安慰诱导物：酶底物的结构类似物通常是酶合成很好的诱导物，但它们不能作为底物被酶转化，这类诱导物被称为安慰诱导物。

3. 初级代谢产物：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。该过程所产生的产物即为初级代谢产物，

分批培养：在好氧发酵过程中，需要不断通入无菌空气并加入酸碱以调节发酵液的pH 值，除此以外，与外界没有其它的物料交换。

4. 固态发酵：是指微生物在没有游离水或几乎没有游离水的较湿的固态培养基上的发酵过程。固态的湿培养基一般根据成分不同控制含水量在40-80％左右，无游离水流出。

5. 摄氧率(OUR): 单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，QO2 ，表示微生物的绝对耗氧量。

6. 补料分批发酵：采取一定措施使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定范围内，即保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，中途不排出发酵液。从而达到提高容量产率，产物浓度和得率的目的。

7. 微生物的生长一般指群体生长，包括个体生长和繁殖。

8. 溶氧是需氧微生物生长所必需，在生物工程中溶氧往往是需氧发酵的限制因素。

9．根据菌体合成代谢产物与菌体生长、繁殖的关系，将微生物的代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物。

10．微生物控制代谢物流的方法主要有调节现有酶的量和改变已有酶分子的活性两种。

11．常见的微生物次级代谢产物的种类有抗生素、激素、生物碱、毒素等。

12．微生物酶合成的调节方式诱导作用、分解代谢物阻遏、终产物的调节。

13．工业发酵测定单细胞微生物生物量的主要方法干重法、比浊法、离心压缩细胞体积法。

14．微生物发酵培养基的常用pH 控制手段有调节好基础料的pH 、在基础料中加入维持pH 的物质、通过补料调节pH 。

15. 补料分批发酵中补料的目的和意义可以概括为：

A ．维持菌体正常代谢，推迟自溶期 B ．延长产物合成期C ．维持较高的产物增长幅度

16. 在发酵工艺控制中，主要是控制反映发酵过程中代谢变化的工艺控制参数，其中物理参数包括：A ．温度B ．罐压C ．搅拌转速和搅拌功率D ．空气流量

17. 发酵过程中较常测定的参数有：

A ．温度B ．罐压C ．空气流量D ．pH E．溶氧

18．微生物发酵工程涉及的应用范围很广，以下的应用领域也与微生物发酵工程有关。

A ．湿法冶金 B ．污水处理 C ．生物农药D ．生物降解材料制备

19．现代发酵技术的特点:

A ．注重菌种选育，选择高产菌株 B ．发酵工程与化学工程更紧密的结合C ．发展酶，细胞的固定化技术 E ．计算机等自控技术的应用，提高了整体水平D ．遗传工程技术的应用，使得定向育种真正成为可能

20．优良的发酵设备应具有:

A ．严密的结构 B ．良好的液体混合性能 C ．良好的的传质、传热速率 D ．配套而又可靠的检测及控制仪表，E ．能够远程控制发酵过程

21．微生物发酵工程的特点包括许多方面，其中重要的特点是：A ．生化反应是在常温常压下进行的B ．能选择性地进行复杂化合物的转化反应

22．下列物质中是微生物次级代谢产物的有：

A ．抗生素B ．激素C ．生物碱

23. 基因工程菌通常采用二阶段发酵培养工艺，先在一定时间内提高菌体浓度，其后添加诱导物或改变培养

温度而诱导外源基因的产物表达。

24. 微生物发酵过程中种子扩大培养的主要目的是为了获得大量的活力强的种子，以便在发酵罐的发酵培养过程中尽可能地缩短延迟期。延迟期的长短与种子的接种量、接种龄及其生理条件的影响。种子最好采用处于对数生长期的菌种。

25. 次级代谢产物合成的特点 :微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程，这一过程的产物，即为次级代谢产物，

26. 次级代谢产物的合成特点：次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，次级代谢产物的合成，因菌株不同而异并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响。次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，酶专一性不强。

27. 诱导的生理作用

保证微生物在生长过程中不浪费能量与氨基酸，即不把它们用于合成暂时无用的酶上，只有在需要时细胞才迅速合成它们。

通过诱导调节，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。

28. 微生物酶合成调节机制

酶合成是受基因表达调节的, 细胞中的基因并不是同时都在表达，而是有的被启动而表达，有的被阻遏而不能表达。

29. 乳糖操纵子（Lactose operon）由一组功能相关的调节基因（i ），操纵基因（o ），启动基因（p ），组成结构基因（z 、y 、a ）。

调节基因（lacI 基因）正好与结构基因相邻，它有自己独立的转录单位，含有自己的启动子和终止子。lacI 编码可扩散的产物。lacI 基因的表达产物称为阻抑蛋白（lac repressor ）。它的功能是与lacZYA 基因簇开始处的操纵基因（O lac）结合，阻止RNA 聚合酶在启动子的转录起始而发挥作用。

启动基因(promoter)：位于转录单位开始位置上的DNA 序列，是RNA 聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）

操纵基因（operator ）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基序列，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；

结构基因：三个结构基因“开放”可转录同一条mRNA ，再翻译出3种利用乳糖的酶（β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷 转乙酰酶）。

30. 诱导酶的合成调节机制

没有诱导物时调节基因编码的阻遏物蛋白与操纵基因结合，阻挡RNA 聚合酶对结构基因的转录。当有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合使其构象发生改变， 从而失去与操纵基因的亲和力，不能与操纵基因结合，这样，RNA 聚合酶沿着结构基因移动，并以结构基因为模板进行转录，合成相应的mRNA,mRNA 转入翻译，合成有关的酶。

31. 引起酶合成阻遏的物质通常一个生物合成途径的终点产物，往往同时阻止涉及此合成途径中所有酶的生成。

32. 末端代谢产物阻遏的生理作用

微生物具有末端代谢产物阻遏的调节机制，使得微生物在已合成足够它所需要的物质时或由外源加入该物质时，就停止生成其有关合成的酶类；而当该物质缺乏时，又开始生成这些酶。这样就节约了大量的能量和原料。

33. 末端代谢产物反馈阻遏与末端代谢产物反馈抑制统称为反馈调节。反馈调节的生理意义在于避免代谢物流的浪费及不需要酶的合成。末端代谢产物阻遏直接影响酶的合成速率，但如果它单独起作用，代谢还会继续，直至先前存在的酶由于细胞生长而被稀释为止，而末端代谢产物抑制作用，可以使某一代谢途径的运行立即终止。所以这两种作用相辅相成，其联合作用可以使细胞合成途径达到高效调节。

34. 酶合成的阻遏：它是由于某种化合物的存在阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。如果这种化合物是某一合成途径中的终点产物，则称为终点产物（末端代谢产物）阻遏或反馈阻遏。如果这种化合物是分解途径中的产物，则称为分解代谢物阻遏。

35. 分解代谢物阻遏（catabolite repression）：当培养基中含有两种能够被微生物分解利用的营养物质时，利用快的那种营养物质会阻遏利用慢的营养物的有关酶的合成的现象。实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。

36. 分解代谢物调节的意义

微生物拥有分解代谢调节机制，确保微生物细胞优先代谢环境中最好的基质（快速供给微生物生长所需的碳源或氮源和能量的基质），利用其它基质（底物）的酶的合成被阻遏，直至最好的基质（底物）被利用完。

37. Monod 方程及其各参数的意义。

当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速率与基质浓度关系（Monod 方程式）如下： μ=μmax S/（Ks+ S）

μ：菌体的生长比速

S ：限制性基质浓度

Ks ：半饱和常数

μmax: 最大比生长速度

38. 用于工业发酵的基因工程菌应具备的条件？

（1）发酵产品是高浓度, 高转化率和高产率的, 同时是分泌型菌株.

（2）菌株能利用常用的碳源, 并可进行连续发酵.

（3）菌株不是致病株, 也不产内毒素.

（4）代谢控制容易进行.

（5）能进行适当的DNA 重组, 并且稳定, 重组的DNA 不易脱落.

39. 高细胞密度发酵的优势与存在的问题？

优势：（1）代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的，菌体量越多，代谢产物的产量越多，但其前提条件是此时菌体的生产能力、环境条件保持适宜。包括足够的产物合成需要的基质，前体、诱导物以及无有害代谢产物的积累。（2）减少发酵液的体积、提高下游处理效率; （3）减少废水的产生量; （3）降低生产成本和设备投资 。

存在的问题：（1）高细胞密度限制了溶氧的可利用水平。（2）积累高浓度的二氧化碳抑制细胞的生长，促进乙酸的产生。（4）降低发酵罐的传质、传热效率，由于培养基的粘度不断增加、产生大量的热量。实验室内可以达到100g/L，规模化生产很难。（5）高密度培养E. coli 细胞过量产生重组蛋白过程中，细胞容易发生变细小的问题 （Cell filamentation），细小的细胞降低降低细胞的密度和目的蛋白的产量。

40. 分解代谢物阻遏的分子机制

阻遏物在分解代谢中是操纵子的调节基因（R ）编码的阻遏蛋白，它能可逆地同操纵基因（O ）结合，从而控制其相邻的结构基因（S ）的转录。cAMP-CRP 复合物与启动基因（P ）的结合，能增加该基因对RNA 聚合酶的亲和力，结果增加转录的频率。CRP 是CRP 基因编码合成的蛋白质，cAMP 为（3，5-腺苷单磷酸）。胞内cAMP 的浓度受腺苷酸环化酶活性的影响，而分解代谢物抑制腺苷酸环化酶活性、导致cAMP 不足，cAMP 不足不能形成cAMP-CRP 复合物，因而影响结构基因转录的频率，酶的合成受阻。一般细胞利用难于异化的碳源时，胞内cAMP 的浓度较高，反之，胞内cAMP 浓度较低。

41. 目前，大多数的工业发酵属于好氧发酵，在发酵过程中需要不断地向发酵罐中供给足够的氧，以满足微生物生长代谢的需要。

42. 影响KLa 的因素

.1 KLa的准数关联式

气液比表面积a 的测定比较困难，一般将它与液膜传递系数kL 合并，作为一个参数处理，即KLa 。影响KLa 的因素较复杂，总的来讲，KLa 与以下因素有关：

（1）设备参数：发酵罐的形状结构、搅拌器、挡板、空气分布器等参数，通常以搅拌器直径d 作为基本参数。对于带有机械搅拌的通气发酵罐，搅拌有以下几方面的作用：

a. 将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积；

b. 搅拌使培养液产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间；

c. 搅拌造成培养液的湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力；

d. 搅拌使培养液中的成份均匀分布，使细胞均匀地悬浮在培养液中，有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。此外，搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。

（2）操作条件：通气表观线速度Ws 、搅拌转速N 、搅拌功率Pw 、发酵体积V 、液柱高度HL ，通常以Ws 、N 作为基本参数。

当通气量较低时，随着通气量的增加，空气表观线速度增加，KLa 值增加。但是，通气量的增加是有一定限度的，并非通气量越大KLa 就一定越大。当通气量超过一定上限时，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去，而在大量气泡中空转，发生所谓“过载”的现象，此时搅拌功率会大大下降，KLa 也会下降。

（3）发酵液性质的影响

在发酵过程中，由于微生物的生长繁殖和代谢活动，必然会引起发酵液的理化性质发生改变，特别是粘度、pH 、极性、表面张力、离子浓度等，从而影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。

43. 菌体的生长比速率：菌体的比生长速率：单位重量的菌体瞬时增量

μ=（dx/dt）/x；单位为1/h，其中x —菌体浓度（ g/L ）

44. 用于工业发酵的基因工程菌应具备的条件？

（1）发酵产品是高浓度, 高转化率和高产率的, 同时是分泌型菌株.

（2）菌株能利用常用的碳源, 并可进行连续发酵.

（3）菌株不是致病株, 也不产内毒素.

（4）代谢控制容易进行.

（5）能进行适当的DNA 重组, 并且稳定, 重组的DNA 不易脱落.

45. 菌体浓度的影响及其控制

在一定条件下，菌浓的大小不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞的生理特性不完全相同的分化阶段。

（1）．菌浓大小与生长速率有密切关系

菌体生长速率主要取决于菌种的遗传特性和培养基成分与条件。比生长速率大的菌种，菌体浓度增长迅速，反之就缓慢。细胞体积微小、结构和繁殖方式简单的生物，生长快，反之，体积大、结构复杂的生物，生长缓慢。在一定浓度范围内，比生长速率随着浓度增加而增加，超过上限后，浓度增加会引起比生长速率下降，基质前馈抑制作用。

（2）菌浓对发酵得率有重要影响

在适宜的比生长速率下，发酵产物的产率与菌体浓度成正比关系，即产率为最大比生长速率与菌体浓度的乘积。氨基酸、维生素等初级代谢产物的发酵，菌体浓度越高，产量越高。对次级代谢产物而言，在比生长速率等于或大于临界生长速率时，也是如此。

临界菌体浓度是氧传递速率随菌体浓度变化曲线和摄氧速率随菌体浓度变化曲线的交叉点处的菌体浓度。为了获得高产，必须采用摄氧速率与氧传递速率平衡时的菌体浓度。菌体浓度超过此值，产率会迅速下降。如何确定并维持临界菌体浓度是一个重要课题，它是菌体遗传特性与发酵罐氧传递特性的综合反映。在通气和搅拌强度大、氧传递效率高时，氧传递速率曲线上扬；反之，菌种需氧量小时，曲线下降。但这种情

况都会使临界菌体浓度上升，反之则下降。

(3)菌浓的控制

发酵过程中要把菌体浓度控制在适宜的范围之内，主要靠调节基质浓度，确定基础培养基配方中的适当比例，避免过浓或过稀的菌浓。然后在发酵中采用中间补料、控制CO2和O2量来实现。生长缓慢，菌体稀薄时，补加磷酸盐，促进生长。不同菌种和产品，其控制方法也不尽相同。

46. pH 对生长代谢和产物生成的影响在于：（1）改变了细胞膜的透性，影响了物质的吸收和产物的分泌；pH 的变化:发酵液的pH 变化是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果，它与菌种、培养基和发酵条件有关。菌种本身对pH 有一定的自我调节能力，培养基成分利用后，往往产生有机酸，如丙酮酸、乳酸、乙酸等积累，使pH 下降。培养过程中菌体对碳源、氮源物质的利用也是造成培养体系pH 变化的重要原因。

47. 氧气的传递速率方程

rDO 单位时间内培养液溶解氧浓度的变化；KL 分散气泡中氧传递到液相液膜的传氧系数，或氧吸收系数，m/h；α单位体积发酵液的传氧界面面积，气液比表面积，1/m。很难实测α。所以只能求得传递系数。KL α为体积传氧系数。

48．发酵生产的条件

适宜的微生物，保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧pH 等）进行微生物发酵的设备

49．发酵工程的特点

发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下：

（1），发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。

（2），发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。

（3），发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。

（4），发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。

（5），由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。

（6），微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。

7，工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。