白酒酿造优化方案

1、1、何谓流加发酵?答：所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batch fermentation),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：S条件：温度和pH恒定时p = p g Ks + S(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：pmax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

2、积累对生长的抑制氧的限制HCDC中培养基粘度不断增加，引起混合不充分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？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

3、渐降低。加速流加一一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。指数流加一一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。细胞浓度一一营养物质流加速率由细胞浓度决定。底物浓度控制一一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Y theorP / S计算途径

4、（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：C H O 6 + NH + 1.5O T C H NO + CO + 3H OY theor .,依此计算 1 p / 勺=147/180=0.82 p / S（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13 C H O + NH + 2 O T C H NO + 3 CO + 7 H O12 6 12 6325 94 22?2由该反应式得Y theo r =（147 x 12）/（13 x 180）=0.7

5、5P / S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，必须清楚有关的代缺点途径分批试述分批一流加和连续培养方式各自的优缺娜、灭菌等原因，非生产时间长 易转产、生产灵活2.经常灭菌会降低仪器寿命 分批操作中某一阶段可获得高的3.前培养和种子的花费大转化率 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可实现有规律的机械、自动化操作人员少反应器体积小、非生产时间少产品质量稳定操作人员接触毒害物质的可能性 小测量仪器使用寿命长操作不灵活因操作条件不易改变，原料质量必须稳定若采用连续灭菌，加上控制

6、系统和自动化 设备，投资较大必须不断地排除一些非溶性的固型物易染菌，菌种易退化流加发酵操作灵活染菌、退化的几率小可获得高的转化率对发酵过程可实现优化控制因经常灭菌会降低仪器使用寿命非生产时间长需较多的操作人员或计算机控制系统操作人员接触一些病原菌和有毒产品的可 能性大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（口，qp,

7、 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一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

8、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

9、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。r =a r or q = Y - r答：生长偶联型（乙醇发酵）or q = p = cons tanor , X q = a +生长非偶联型（次级代谢物）r = p - X生长半偶联型：（乳酸发酵八-”工Rr = a r + p10、试举一例说明如何优化某一爰酵过程。X 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

10、和生产强度？一分阶段溶氧控制 高溶氧下，丙酮酸转化率校高，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 （NADHATP 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16 h较高溶氧有利于碳流合成细胞；16 h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0-16 h控制 kLa 为 450 h-1，16 h 后将 kLa 降低至 200 h-13如何使酵母从积累丙酮酸转向积累a-酮戊二酸- -辅因子调控 先打开丙酮酸脱氢酶系（

11、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a-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

12、统（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

13、 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：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；扩大微底物利用范围；生产原来不存在的新物质；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；阻断或降低副产物的生成；在环境工程方面降解有害废弃物及有害物质；制备手性化合物，作为医药中间体；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;信息传导途径方面，进

14、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；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。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

15、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 和产物进出细胞解决A

16、TP再生系统存在问题的办法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：什么是辅因子工程？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/NA

17、D+、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。辅因子调控的作用方式1能荷调节：ATP ADP AMP对一些酶进行变构调节，能荷水平对EMP TCA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2 NADH/NAD+调节：能量代谢、氧化还原反应；碳代谢流线粒体3金属离子调节：金属离子可作为许多酶的激活剂14、何为初级代谢？何为次级代谢？试各举一例说明。答：初级代谢产物定义为“在细胞生长所需要的反应中形成的产物”可能比较确切一些（次级代谢产物定义为“在那些对于细胞生长不重要的反应中形成的产物