《生物反应过程优化与控制》练习整理答案

《生物反应过程优化与控制》复习题

一、名词解释

生长（生化工程）：生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括代谢工程、发酵工程和生物化学

传感器等

分化：细胞在结构和功能上发生差异的过程。

P/O商：是指每消耗1mol原子氧所产生的ATP的物质的量，也可以看做是当一对电子通过呼吸链传递至氧气所产生的ATP分子数。

维持能：

载体：可以插入核酸片段、能携带外源核酸进入宿主细胞，并在其中进行独立和稳定的自我复制的核酸分

子。基因工程中广泛应用的载体多来自人工改造的细菌质粒、噬菌体或病毒核酸等。多数载体是DNA

分子，但某些RNA分子也能用做载体。

通道：

分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能

量和还原力的作用。

组成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子

的过程。

能量耦合作用：是指一种能量上可行的反应推动另一种在能量上不可行的反应进行的过程。

共价修饰： 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一

过程称为酶的共价修饰或者化学修饰。

协同作用：两种或多种物质协同地起作用，其效果比每种物质单独起作用的效果之和大得多的现象。 分解代谢物阻遏：如果微生物利用葡萄糖等易于代谢的碳源，代谢产生的物质会使细胞内的环腺苷酸浓度

降低，造成某些酶终止合成，这种现象叫分解代谢物阻遏。

反馈抑制： 代谢的末端产物对酶（往往是代谢途径的第一个酶）活力的抑制。

反馈阻遏： 在合成过程中有生物合成途径的终点产物对该途径的一系列酶的量调节,所引起的阻遏作用。 生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，

分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。

发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式

呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式

底物水平磷酸化：是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的

酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。

代谢调节： 是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。

代谢控制： 是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，

生产有用的微生物制品。

末端产物阻遏：由于终产物的过量积累而导致的生物合成途径中酶合成的阻遏。

酶活性的调节： 是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。

前馈激活： 指代谢途径中后面的酶促反应可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。

反馈激活： 指代谢中间产物对该代谢途径的前面起激活作用。

次级代谢： 某些微生物为了避免代谢过程中，某种代谢产物积累造成的不利作用，而产生的一类有利于

生存的代谢类型，通常在生长后期合成。

碳分解代谢产物调节： 指能迅速被利用的碳源（葡萄糖）或其分解代谢产物，对其他代谢中的酶（包括

分解酶和合成酶）的调节。

萃取发酵： 向发酵罐内加入难溶于水的有机溶剂，选择性地萃取抑制生长的物质，从而减轻有毒产物对

发酵速率的抑制作用。

代谢工程： 把量化代谢流及其控制的工程分析方法与根据分析结果制定的遗传修饰方案付之实施的分子

生物学技术结合起来，以反复分析、校验和修正的方式进行实际操作，改善微生物的产物形成

的能力和微生物的细胞性能，从而满足人类对生物的特定需求的生物工程的分支。

生源：是指次级代谢产物分子构建单位的来源，一般次级代谢产物的生源都是直接或间接来自于微生物代

谢过程中产生的一些中间产物和初级代谢产物。

协同诱导： 是指一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象。

顺序诱导： 是指一种诱导剂可以连续诱导产生一系列酶的现象。

能量收率：能量收率ηh：定义为基质中传递给氧的电子分数，也是每个有效电子所释放的热量Q0。 半间隙操作：半间隙操作，又称流加操作，是指在反应过程中将某种特定的限制性底物（一种或两种成分

以上均可以）流加到反应器中，而目的生成物（菌体或菌体以外的代谢产物）则要到反应结

束收获时才从反应器中提取出来的操作方式.工业上为了提高目的产物的产量常采用这种操

作方式。

非结构模型：把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平

衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型

结构模型：由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，

必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型。

ATP再生系统：可定义为一个需要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。 代谢控制分析：是以生化反应体系的敏感性分析为基础，研究分析代谢控制在各途径之间的分配规律，是

一种以系统的观点对细胞内代谢调控进行定量分析的理论和实验方法 。

底物： 底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物。

代谢产物：代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物。

固定化酶：固定化酶也称固相酶或水不溶性酶，它是通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定空间内

其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水、但是仍具有活性的酶。

内部随程萃取：是指萃取剂在反应器中与培养基直接接触，以便将产物萃取到溶剂中去。

外部随程萃取：是指萃取剂和培养液在反应器外的萃取装置中逆流接触，从而萃取产物的过程。

代谢流量分析：根据代谢路径中各反应的计量关系，以及实验的某些底物、产物的流量和细胞组成等确定

整个代谢网络的流量分布 。

二、判断题

1、生物反应过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。 （√ ）

2、生物反应动力学的研究内容是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等。 （√ ）

3、建立动力学模型的目的是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量化处理。 （× ）

4、生物反应动力学研究的目的是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件。 （× ）

5、生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立，实现生物反应过程优化则是生物反应工程的研究对象。 （√ ）

6、所谓流加发酵即Fed-batch fermentation，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。 （√ ）

7、主动过程顺着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。 （× ）

8、NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径。 （√ ）

9、细胞合成所需要的结构单元都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用。 （√ ）

10、次级代谢产物定义为“在细胞生长所需要的反应中形成的产物”。 （ √ ）

11、初级代谢产物定义为“在那些对于细胞生长不重要的反应中形成的产物”。 （ √ ）

12、YO值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义。（ √ ）

13、有机废水的厌氧发酵过程通常可分为酸性发酵阶段和甲烷化阶段两阶段。 （√ ）

14、产甲烷阶段主要是有机废水中小分子有机酸被产甲烷菌利用转化为甲烷。 （√ ）

15、代谢工程仅指用重组DNA技术导入新的生化反应来改进蛋白质分子的性质。 （× ）

16、代谢工程中的遗传手段是指采用基因工程技术。 （× ）

17、代谢工程的实质是指对代谢流量及其控制进行定量分析的方法与用来实现预期的遗传修饰的分子生物学技术的结合。 （×）

18、代谢工程要解决的主要问题是改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质流在不同途径中的流量分布。 （√ ）

19、代谢工程的最终目标是改变代谢流提高产物产率，其依据是代谢节点的判断。 （√ ）

20、当空气流量和单位体积的功率消耗不变时，通气效率随高径比的增大而减小。 （ ）

21、一般反应器可装4块挡板，装得太多，通气效率也不会有太大的提高。 （√ ）

22、含有死菌体的培养液，kLa总是随菌体浓度的增大而增大。 （× ）

23、添加多种盐类，反应液的离子强度会增加，从而体积传质系数值下降。 （× ）

24、随着反应器体积越来越大，热量移去和温度控制逐渐成为反应器设计和操作的关键限制因素。（√ ）

25、次级代谢是某些微生物为了避免在代谢过程某种产物的积累造成不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。 （ √ ）

26、青霉素是含有6-APA的一类化合物的总称。 （ √ ）

27、青霉素分子由两部分组成：一部分是脂酰基侧链，另一部分是母核。 （ × ）

28、链霉素是由链霉胍、链霉糖和N-甲基-D-葡萄糖胺通过糖苷键装配而成的化合物，属于氨基糖苷类抗C

生素。 （ × ）

29、四环素族抗生素包括金霉素、土霉素、四环素、6-脱甲基四环素等，共同核心结构是6-APA。 （ × ）

30、青霉素合成中的酰基转移酶、链霉素合成中的脒基转移酶等次级代谢关键酶都在合成阶段被合成。（× ）

31、变异株不能在和亲本相同的培养基上生长。 （× ）

32、代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。 （ √ ）

33、代谢网络可视为由若干个串联或并联且通过节点相连的简单子途径组成。 （ √ ）

34、呼吸链的重要性在于它能把每一步取得的自由能转换为化学能而加以保存。 （√ ）

35、厌氧呼吸是一类呼吸链末端的氢受体为外源有机氧化物的生物氧化。 （ × ）

36、反硝化作用是以无机盐为最终电子受体的有氧呼吸类型。 （ × ）

37、在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。 （ √ ）

三、选择题

1、生物反应过程优化的主要内容有 ABDE 。

A、细胞生长过程研究；B、生物反应的化学计量；C、多尺度研究；D、生物反应过程动力学研究；E、生物反应器工程。

2、实现生物反应过程优化与控制必须解决的问题有 ABCDE 。

A、系统动力学；B、生物模型；C、传感器技术；D、适用于生物过程的最优化技术；E、相关接口技术。

3、流加发酵所取得的重大进展有 ACD 。

A、20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析；B、反复补料分批操作；C、结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制；D、流加发酵的最优化研究；E、流加过程的物料衡算。

4、流加发酵最优化的研究内容包括 ADE 。

A、结构模型的建立；B、状态方程的建立；C、非结构模型的建立；D、目标泛函的确定；E、最优化底物流加方式的求解。

5、可采用流加发酵方式的情况有 ABCDE 。

A、所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用；B、高菌体浓度培养即高密度培养系统；C、非生长耦联性次级代谢产物；D、利用营养突变体的系统；E、营养缺陷型菌株的培养。

6、反馈控制的流加方式有 BC 。

A、定值控制流加；B、变流量流加；C、间歇流加；D、程序控制流加；E、最优控制流加。

7、无反馈控制的流加方式有 AC 。

A、程序控制流加；B、恒流量流加；C、间接控制流加；D、变流量流加；E、间歇流加。

8、流加发酵过程中需要确定的重要参数有 ABCDE 。

A、最佳底物浓度的确定；B、底物的消耗速率；C、菌体比生长速率；D、菌体对底物的产率系数(Yx/s)；E、产物对底物的产率系数(Yp/s)。

9、在菌体生长阶段采用指数速率流加法的假设有 ACDE 。

A、发酵罐内为理想混合；B、葡萄糖为非唯一限制性碳源；C、葡萄糖为唯一限制性碳源；D、残留菌体对

葡萄糖的产率系数(YX/s)为常数；E、菌体生长遵循Monod方程。

10、细胞生长环境的优化策略有 ACE 。

A、培养基组成的优化利用；B、抑制性底物合成目的产物的潜力；C、特殊营养物的添加；D、细胞循环发酵；E、限制代谢副产物的积累。

11、生物反应过程的数量化处理包括 ACDE 。

A、生物反应过程的速度；B、生物反应参数的检测；C、化学计量学；D、热力学；E、生产率、转化率和产率。

12、Monod方程应满足 BCE 。

A、菌体生长为均衡型结构生长；B、菌体生长为均衡型非结构生长；C、培养基中只有一种底物是生长限制性底物；D、培养基中只有一种底物是生长非限制性底物；E、菌体产率系数恒定。

13、生物反应系统优化方法的原则主要有 ABCDE 。

A、系统整体性与有序相关原则；B、系统创造思维原则；C、系统目标优化原则；D、系统动态性原则；E、系统分解综合原则。

14、固定化微生物细胞的方法具有 ABE 的优势。

A、细胞可以重复使用，不需要提取和纯化酶的过程；B、可以获得高纯度产品；C、有利于实现管道化、连续操作；D、需要酶再生过程；E、反应器占地小，反应控制容易。

15、生物反应与产物分离的组合系统的特征有 ACDE 。

A、耦合过程是一种集成式单元操作； B、耦合系统的成本大大降低；C、耦合过程可适用于各种生物反应过程；D、生物反应器具有特殊的结构；E、实现产物及时分离的方法必须考虑产物的特性及具体的生物反应体系。

16、可用于生物反应与产物分离组合系统的分离技术有 ABDE 。

A、随程溶剂萃取；B、渗透萃取；C、渗透液化；D、受控底物分配技术；E、气体抽提。

17、根据微生物的不同代谢特性，代谢工程常采用的三种方法是 ACD 。

A、改变代谢流；B、代谢通量分析；C、扩展代谢途径；D、构建新的代谢途径；E、代谢网络诊断。

18、代谢工程的研究手段有 ABCE 。

A、酶学；B、化学计量学；C、分子反应动力学；D、分子生物学；E、现代数学的理论及技术。

19、代谢工程设计的主要内容包括 ABCDE 。

A、生物合成相关代谢调控和代谢网络理论；B、代谢流定量分析；C、代谢网络的重新设计；D、中心代谢作用机理及相关代谢分析；E、基因操作。

20、下列表述正确的有 BCDE 。

A、代谢工程关注最多的是单一代谢途径的改造；B、代谢工程的精髓在于其更强调了代谢网络的概念；C、代谢工程最为突出的特征就是强调生化反应途径与代谢流及其体内条件下的控制相关联；D、将代谢流的定量分析方法与代谢流控制的分子生物学技术结合在一起，系统、合理地修饰生物细胞的遗传性状是代谢工程的基础；E、代谢工程的一个基本目标就是阐明代谢流控制的因素和机制。

21、系统研究代谢流及其控制机制的基本步骤是 ACE 。

A、建立一种能尽可能多的观察代谢网络并测定其流量的方法；B、构建新的代谢途径；C、在代谢网络中

施加一个已知的扰动，以确定在系统松散之后达到新的稳态时的代谢流；D、系统分析代谢通量的变化；E、系统分析代谢流扰动的结果。

22、代谢流平衡分析的作用可概括为 ABCDE 。

A、胞内代谢流分布的定量测定；B、代谢网络节点性质的鉴定；C、确定胞内代谢路径，计算产物的最大理论得率；D、非测量性胞内物流的计算；E、分析替代路径对通量分布的影响。

23、解决MFA局限性的方法有 BDE 。

A、准稳态假设；B、合并反应，减少变量个数；C、引入新的平衡方程；D、通过共同代谢物的测定来确定循环反应的流量；E、利用线性规划的方法来求得最优化解。

24、下列说法正确的是 ABDE 。

A、代谢控制分析的基本研究对象是由代谢反应系列和代谢途径组成的代谢系统；B、限速步骤直接受制于该步骤酶活性和酶蛋白合成的调节；C、限速步骤是热力学可行的反应，具有较高的平衡常数，需要由与其相偶联的、热力学上容易进行的反应驱动；D、大幅度提高代谢途径中限速酶的酶活水平并不能导致代谢流的显著增加；E、如果要提高代谢途径的代谢流，就必须增加限速酶的浓度或（和）酶活水平。

25、根据对不同代谢要求的可调控程度，可将节点分为 BCE 。

A、惯性节点；B、柔性节点；C、刚性节点；D、保守节点；E、柔刚性节点。

26、关于传统生物反应过程优化的说法正确的有 ACDE 。

A、缺乏微观实时的代谢调控；B、具有全局性的生理调控机制；C、局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等；D、发酵过程酶研究存在困难；E、过程数据采集和处理存在困难。

27、有关生物反应过程不同尺度网络状态关系描述正确的有 CE 。

A、具有变化着的结构，但因变量与自变量往往呈线性关系；B、具有变化着的结构，但因变量与自变量呈非线性关系；C、导致过程变化的原因除了线性或动力学因素外，往往还发生在系统结构性的突变；D、必须进行跨尺度测量与控制；E、网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系呈多输入多输出的关系。

28、检测泡沫的装置主要有 ACD 。

A、电容探头；B、微波探头；C、电阻探头；D、电热探头；E、红外探头。

29、可用于生物反应过程尾气分析的仪器有 ACE 。

A、质量流量计；B、CO2电极；C、非色散红外二氧化碳分析仪；D、核磁共振仪；D、顺磁氧分析仪。

30、影响氧体积传质系数的因素有 ABCDE 。

A、通风与搅拌；B、反应器的结构；C、反应液的流动状态；D、反应类型；E、反应温度与压力。

31、影响固定化酶动力学的因素有 ABE 。

A、构象效应；B、分配效应；C、体积效应；D、位阻效应；E、扩散效应。

32、生物反应过程中的热量主要由 ACDE 几部分组成:

A、培养基中的能源除了用于维持细胞的生命活动并进行生物合成反应外，其余部分则以热的形式放出而使培养基温度上升；B、生物反应发酵热；C、需氧微生物培养时的通气操作在带走部分显热的同时会使水分蒸发而带走蒸发热；D、生物反应器与周围环境之间的热量交换；E、机械搅拌所消耗的能量最终转化为热而使培养基温度上升。

33、对一生物反应过程，如果保持反应器内的反应温度不变，则可以写出：QE=QB+QA-QS-QV-QR，此式中各项

的意义正确的有 BCDE 。

A、QE-单位体积培养基中生成热量速率；B、QB-单位体积培养基中因生物反应的放热速率；C、 QA-单位体积培养基中因搅拌造成的放热速率；D、QS，QV-分别为单位体积培养液因通气带走的显热和蒸发热速率；E、QR-单位体积培养液向周围环境的散失热量速率。

34、好氧发酵的类型有 ACD 。

A、液体表面发酵；B、深层发酵；C、固体表面发酵；D、深层通风发酵；E、固体深层发酵。

35、深层通风发酵技术包含 ACDE 。

A、反复分批式操作；B、流加式操作；C、分批式操作；D、反复半分批式操作；E、连续式操作。

36、根据产物的作用分类，属于次级代谢产物的有 ACE 。

A、抗生素；B、尿素；C、生物碱；D、氨基酸；E、色素。

37、根据产物的合成途径分类，次级代谢产物包括 BDE 。

A、与芳香族化合物代谢有关的类型；B、与脂肪代谢有关的类型；C、与聚丁二烯类化合物有关的类型；D、与TCA循环有关的类型；E、与氨基酸代谢有关的类型。

38、次级代谢产物的生物合成包括 ADE 三个步骤。

A、前体聚合；B、前体合成；C、结构重排；D结构修饰；E、不同组分的组装。

39、次级代谢的生源有 ABCDE 。

A、聚酮体；B、糖类与氨基酸；C、甲羟戊酸；D、氨基多环醇；E、莽草酸。

40、青霉素合成的前体有 ACE 。

A、缬氨酸；B、胱氨酸；C、半胱氨酸；D、赖氨酸；E、α-氨基己二酸。

41、青霉素的生物合成过程包括 ABCE 。

A前体及二肽的合成；B、β-内酰胺环的形成；C、噻唑环的形成；D、青霉素G、7-CAC的形成；E、青霉素G、6-APA的形成。

42、四环素族抗生素的生物合成过程关键步骤有 ABCDE 。

A、前体物质合成；B、β-多酮次甲基链的合成；C、闭环；D、4-酮基脱二甲胺基脱水四环素的合成；E、四环素的氧化。

43、次级代谢生理作用有 ABDE 。

A、可维持初级代谢的平衡；B、次级代谢产物是贮藏物质的一种形式；C、与细胞生长有关；D、与细胞分化有关；E、使菌体在生存中占优。

44、在次级代谢产物合成的调节方式中，有关磷酸盐调节说法正确的有 CDE 。

A、促进次级代谢，抑制初级代谢；B、促进次级代谢前体的形成；C、阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成； D、增加菌体能荷状态，促进初级代谢；E、抑制次级代谢产物合成中某些关键酶的活性。

45、代谢调节的方式有 ACDE 。

A、代谢流向的调控；B、代谢网络区域化；C、代谢途径区域化；D、代谢速度的调控；E、膜透性的调节。

46、次级代谢产物合成的特点有 BCD 。

A、次级代谢产物合成的营养条件简单；B、次级代谢产物合成需要复杂的营养条件；C、在分批培养条件下，次级代谢产物一般都是在菌体生长的峰值出现后才大量合成；D、次级代谢产物合成过程远较初级代

谢产物合成过程复杂；E、初级代谢产物合成过程远较次级代谢产物合成过程复杂。

47、高细胞浓度培养中存在的问题有 ABC 。

A、培养基流加的反馈控制；B、菌体分离装置的效能；C、菌种退化；D、培养基流加的无反馈控制；E、对基因工程菌重组质粒不稳定。

48、发酵的特点有 ABDE 。

A、微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量；B、氢供体与氢受体均为有机物；C、氢供体为有机物，氢受体为无机物；D、还原力[H]不经过呼吸链传递；E、产能方式：底物水平磷酸化反应。

四、简答题

1、大肠杆菌生长过程中常见的现象有哪些？

(1)在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致

(2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化

(3)一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质

(4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶

(5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。

2、采用流加发酵应该解决哪些关键问题？

(1) 流加什么物质？

①补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加葡萄糖、 饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油脂，有时也能同时起到补充碳源的作用

②补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水

③加入某些微生物生长或合成需要的微量元素或无机盐

④加入酶合成诱导物或前体物质

(2) 如何流加？

a.底物流加速率

b.流加开始时间及总流加时间

c.需控制的底物浓度

3、生物反应过程优化的一般步骤如何？

(1) 反应过程的简化

是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示

(2) 定量化

系统、准确地检测发酵过程的各种参数

(3) 分离

是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据

4、在生物反应过程优化时建立数学模型的主要目标是什么？

(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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