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《生物反应过程优化与控制》练习整理答案

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  • 2025/5/4 12:02:45

(a)为了预见任何系统的转化率或生产率;(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为,检查模型适用的范围(包括外推性);(c)用于进行工艺优化和计算机模拟;(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数;(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象;(f)有助于阐明反应机理。 5、建立自耦合系统和种间耦合系统必须满足哪些条件? (1)用于合成产物的酶的活性必须足够强且稳定 (2)能大量提供廉价、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地耦合

(4)提供廉价的能量底物(如葡萄糖)和磷酸基团供体(如无机磷酸盐)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 6、ATP再生系统存在哪些问题?

1)除了合成产物所需的关键酶以外,细胞内还有许多种酶,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 7、解决ATP再生系统存在问题的办法有哪些? ( 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 8、请问有机废水处理能否与PHAs生产系统进行耦合?为什么? 能。理论依据是∶

(1)有机废水在厌氧处理过程中,产酸微生物能将废水中生物可降解的大分子物质转变为小分子有机酸,如乙酸、丙酸、乳酸、丁酸以及其它可溶性小分子化合物

(2)真养产碱杆菌在好氧、碳源充足、贫氮的条件下能利用有机酸在胞内大量积累PHAs

将有机废水酸化反应器与PHAs发酵罐相组合,可使酸化反应器为R. eutrophus 提供相对稳定、较佳的底物,从而在发酵罐中相对廉价地生产出PHAs 9、生物反应与产物分离组合系统的发展趋势如何? (1) 目前的研究更加深入和细化,包括: (a)有抑制或毒害作用副产物的选择性分离; (b)选择性地供给营养底物; (c)不可发酵底物或老龄化细胞的分离 (2) 新的分离技术不断出现,主要体现在:

(a)新的选择性更强、生物相容性更好的生化分离方法的开发和应用(如基于分子识别的分离方法); (b)将传统分离技术组合使耦合系统的选择性更好、效果更理想,如前面介绍的膜技术

10、代谢工程的典型目标是什么?具体表现在哪些方面?

典型目标是:修饰初级或次级代谢,将碳架物质流导入目的产物的理想载流途径以获得产物的最大转化率 具体表现为:①提高细胞现存代谢途径中目标产物的产量;②改造细胞现存代谢途径,使其合成新产物,这种新产物可以使中间代谢产物或修饰型的最终产物;

③对不同细胞的代谢途径进行拟合,构建全新的代谢通路,从而产生细胞自身不能合成的新产物; ④优化细胞的生物学特性,如生长速率、某些极端环境条件的耐受性等。 11、代谢工程的应用领域包括哪些方面?

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、代谢工程在发酵工业中的应用领域主要有哪些?

(1)通过加速限制反应、改变分叉代谢途径的流向、构建代谢旁路和改变能量代谢途径等策略来改变代谢流,并阻断副产物的合成途径。

(2)代谢工程在发酵工业中的应用还涉及到引入外源基因来延伸原来的代谢途径,产生新的末端代谢产物,或者利用新的底物作为生物合成的原料,也可构建新的代谢途径合成具有新化学结构的代谢产物。 13、试述影响发酵介质流变特性的因素有哪些?

发酵介质的流变特性主要取决于细胞的浓度和其形态。一般发酵介质中液相部分粘度较低,但是随着细胞浓度的增加,发酵介质的粘度也相应增大,流体偏离牛顿特性越大。细胞的形态对发酵介质流动特性也有较大影响,如细胞为丝状形态时会导致发酵介质成为非牛顿型流体。

影响发酵介质流变特性的另一个因素为胞外产物,如产物为多糖,此时细胞的存在对发酵介质的流变特性影响较小,而多糖浓度的高低则对介质的粘度有较大影响。

一般当发酵介质中细胞的浓度较低,且其形态为球形时,通常为牛顿型流体,此时流体的流动性能较好,传质和传热性能好,如酵母和细菌发酵液具有这种特性。 14、试述生物反应过程中比氧消耗速率与溶解氧浓度的关系。

微生物反应过程中比氧消耗速率和溶解氧浓度间的关系可以通过试验来测定。从数据可以看出,当[DO]在某一值以上时, [DO] 随时间线性减少,其比氧消耗速率qO2与[DO] 无关,为一常数;当[DO]在某一值以下时, qO2与[DO]有一定关系,随 [DO]的减少,两者呈双曲线关系。这一值,我们称为临界溶解氧浓度,记为[DO]cri 。 讨论:

qo2?qo2,max?DO?Km??DO? 当 [DO] > [DO]cri 时, [DO] 随时间线性减少,qo2与[DO]无关。这意味微生物反应对于DO为0级反应,而与细胞内呼吸系统有关的酶完全被氧所饱和,微生物反应过程成为酶催化反应控制。进一步,当溶

氧浓度大于空气饱和值时,过高的溶氧反而会使微生物生长受到抑制。

当溶氧浓度小于临界溶氧浓度时,比氧消耗速率随溶氧而变化,可认为是由于与呼吸作用有关的酶未被氧饱和,微生物反应成为供氧控制。多数情况下,比氧消耗速率和溶氧的关系可用米氏方程近似表示: 15、试述灭菌过程中要注意哪些事项?

灭菌过程注意事项:为使生物反应顺利进行,总是要达到一定的灭菌度。为保证有一定的灭菌度,就必须保证有一定灭菌温度和灭菌时间。灭菌温度和灭菌时间是相互关联的。总体上,灭菌温度高,灭菌时间短;灭菌温度低,灭菌时间长。

在这里要考虑两个过程:细胞的死亡过程和培养基中营养物质的分解。灭菌温度高,灭菌时间短,但营养物质的分解可能也多。

在灭菌过程中,还得注意培养液的体积变化。对于蒸汽直接加热灭菌过程,在温度低于1000C时,蒸汽大部分冷凝为水,培养液体积变大;当温度过高时,培养液中的水会蒸发,培养液体积变小。对于蒸汽间接加热灭菌过程,温度过高,时间过长,会使培养液体积变小。 总之,灭菌过程是个复杂的过程,在理论指导下,还得参考经验数据。 16、请简述次级代谢的特征有哪些?

一、次级代谢产物产生与微生物生长不呈平等关系 二、次级代谢以初级代谢产物为前体,并受其调节 三、次级代谢酶的专一性低

四、次级代谢产物的合成具有菌株特异性 五、次级代谢产物的合成过程由多基因控制 六、次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感 七、次级代谢产物的合成可能与质粒有关 八、次级代谢产物合成与菌体形态变化有一定关联 17、提高次级代谢产物产量的常用方法有哪些?

1.补加前体类似物2.加人诱导物3.防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生4.防止氮(磷)代谢阻遏的发生5.筛选耐前体或前体类似物的突变株6.选育抗抗生素突变株7.筛选营养缺陷型的回复突变株8.选育抗毒性突变株。

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(a)为了预见任何系统的转化率或生产率;(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为,检查模型适用的范围(包括外推性);(c)用于进行工艺优化和计算机模拟;(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数;(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象;(f)有助于阐明反应机理。 5、建立自耦合系统和种间耦合系统必须满足哪些条件? (1)用于合成产物的酶的活性必须足够强且稳定 (2)能大量提供廉价、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地耦合 (4)提供廉价的能量底物(如葡萄糖)和磷酸基团供体(如无机磷酸盐)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 6、ATP再生系统存在哪些问题? 1)除了合成产物所需的关键酶以

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