1、生物工程概论试卷第 1 页，共 4 页出卷人 欧少云审核人 陈法才日期 2012.12.14XX 职业技术学院 20122013 学年度第一学期生物工程概论 期末考试试题食 品 药 品 系 院 （ 系 .部 ） 11 级 3 年 制 生 物 制 药 技 术 专 业 1 班 学 号 姓 名 分 数 题号 一 二 总得分得分一、简述生物工程的概念及其基本内容，并试述各工程技术在生物技术中的地位。(30 分)二、写一篇综述论文(70 分)：要求：1、围绕生物工程技术的五大工程技术及其应用,选择自己感兴趣的一个方面进行综述。2、字数:3000 字左右。3、与同学类同率超过 30%，视为抄袭，作补考处理
2、。答:一、生物工程的概念：指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合来改造或重新设计细胞的遗传特性，培育出新的品种；以工业规模利用现有生物体系、生物化学过程来制造工业产品。基本内容：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程。各工程技术在生物技术中的地位:基因工程：运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。在工业、农业、医学、国防、能源、环保等领域中成果累累，对人类生活产生了重要的影响。细胞工程：细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学
3、等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。酶工程： 酶作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。发酵工程：在医药工业上的应用：基于发酵工程技术，开发了种类繁多的药品，在医药工业上的应用：基于发酵工程技术，开发了种类繁多的药品，在环境科学领域的应用：污水处理中微生物的强化。蛋白质工程：提高蛋白质的稳定性、融合蛋白质、蛋白质活性的改变、在医药、工业、农业、环保等方面应用前景广泛生物工程概论试卷第 2 页，共 4 页二、综述论文微生物絮凝剂在污水处理中的应用【摘要】 絮凝剂又称沉
4、降剂，是一类可使液体中不易沉淀的固体悬浮颗粒（粒径 10-310-7cm）凝聚、沉淀的物质。微生物絮凝剂（MBF）是指微生物自身产生的具有絮凝活性的次生代谢产物。絮凝性微生物能使离散微粒（包括菌体细胞自身）之间互相粘附，并能使胶体脱稳，形成絮状沉淀而从反应体系中分离出去。由微生物产生的絮凝剂是一种无毒的生物高分子化合物。微生物细胞的絮凝性由所产生的生化物质决定，包括机能性蛋白质或机能性多糖类物质，这就决定了微生物絮凝剂具有生物可分解性的独特性质，而且对环境和人类具有无毒无害的安全性。【关键词】 微生物、絮凝剂、污水处理、应用一、微生物絮凝剂的发展 具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，最
5、早发现的絮凝剂产生菌是 Butterfield 于 1935年从活性污泥中筛选得到的。20 世纪 70 年代，日本学者在研究酞酸酯生物降解过程中发现了具有絮凝作用的微生物培养液，从此人们开始了对 MBF 的研究。1976 年，Nakamura 从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中筛选出 19 种具有絮凝活性的微生物，其中以酱油曲霉 AJ700 产生的絮凝剂效果最好。1985 年Takagi 研究了拟青霉菌属微生物产生的絮凝剂 PF101，它对大肠杆菌、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土等都有良好的絮凝效果。我国对 MBF 的研究起步较晚，但近年来发展很快。邓德丰从废水中分离得到 C-
6、62 细菌菌株产生的 MBF。胡筱敏从土壤中得到 1 株高效硅酸盐芽孢杆菌， 目前，虽然美国、日本、英国等国有多种 MBF 产品面市，但 MBF 的开发还主要停留在实验室研究阶段，未见大规模的工业应用。 微生物絮凝剂主要包括：利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂、克隆技术所获得的絮凝剂。由于 MBF 的化学成分主要是多聚糖和蛋白质，因而提取方法与一般的多聚糖和蛋白质的提取方法无多大区别。首先用离心和过滤的方法除去菌体，离心条件一般为中高速(500010000r/min)。然后根据发酵液以及絮凝性质不同，采用不同的药剂进行沉淀、萃取。如用乙醇
7、沉淀，硫酸铵盐析，丙酮、盐酸胍等沉淀，以及分馏等。对于一些结构复杂，成份多的絮凝剂，要用多种方法(如用酸碱、有机溶剂等)反复沉淀、溶解、萃取配合起来得到粗品。然后将粗品溶于水，通过离子交换树脂、凝胶色谱等纯化分离可得到纯品。影响微生物絮凝剂产生的因素包括培养基成分(碳源、氮源、无机离子、水、生长因子及其他物质)、培养条件(培养基 ph 值、培养温度、通气量、培养时间、搅拌速度等)以及絮凝剂产生菌的种类。二、 微生物絮凝剂的生产菌大多数微生物絮凝剂是细菌、酵母菌和真菌的代谢产物。这些生产菌大多是从油类污染的湖泊、土壤或海洋中筛选得到的。如 Banat 等 3从油泥污染的土壤中分离得到两株生物微生
8、物絮凝剂的菌株：芽孢杆菌 AB-2 和 Y12-B。表 1 列出了一些主要的微生物絮凝剂的种类及其生产菌 2,4。表 1 微生物絮凝剂的种类及其生产菌微生物絮凝剂 生产菌海藻糖脂 石蜡节杆菌( Arthrobacter paraffineus)棒状杆菌( Corynebacterium spp.)红平红球菌(Rhodococus erythropolis)鼠李糖脂 铜绿假单胞菌( Pseudomonas aeruginosa)生物工程概论试卷第 3 页，共 4 页槐糖脂 解脂假丝酵母( Candida lipolytica)球拟酵母( Torulopsis bombicola)葡萄糖、果糖、蔗
9、糖脂 棒状杆菌( Corynebacterium spp.)红平红球菌( R. erythropolis)纤维二糖脂 玉蜀黍黑粉菌( Ustilago maydis)脂多糖 乙酸钙不动杆菌( Acinetobacter calcoaceticus RAG1)假单胞菌( Pseudomonas spp.)脂肽 枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis)地衣芽孢杆菌( Bacillus licheniformis)荧光假单胞菌( Pseudomonas fluorescens)鸟氨酸，赖氨酸，缩氨酸 氧化硫硫杆菌( Thiobacillus thiooxidans)盐屋链霉菌( Stre
10、ptomyces sioyaensia)葡萄糖杆菌( Gluconobacter cerinus)磷脂 氧化硫硫杆菌( T. thiooxidans)脂肪酸 野兔棒状杆菌( Corynebacterium lepus)石蜡节杆菌( Arthrobacter paraffineus)三、微生物絮凝剂的提取发酵产物的提取(也称下游处理)费用大约占总生产费用的 60%，这是微生物絮凝剂产品商业化的一个主要障碍。微生物絮凝剂的最佳提取方法随发酵操作及其物理化学性质的不同而不同。其中溶剂萃取是最常用的提取方法，如 Kuyukina 等 7利用甲基-叔丁基醚萃取红球菌生产的微生物絮凝剂，可以获得较高产率
11、10 mg/L。超滤是用于提取微生物絮凝剂的一种新方法。Lin 等 8用分子量截止值为 30000 Da 的超滤膜从发酵液中提取枯草芽孢杆菌产生的脂肽类生物微生物絮凝剂莎梵婷，收率达 95%。Mattei 等设计了一套连续提取生物微生物絮凝剂的装置，应用切面流过滤法能连续提取产物，产率高达 3 g/L1。能与连续发酵生产配套的产物提取方法有泡沫分离、离子交换树脂法等。Davis 等 9用泡沫分离法连续提取枯草芽孢杆菌产生的莎梵婷,收率达 71.4%。鼠李糖脂的提取过程是先离心过滤除去细胞，再通过吸附色谱将鼠李糖脂浓缩在安珀莱特 XAD-2 树脂上，后用离子交换色谱法提纯，最后将液体蒸发和冷冻干
12、燥可得纯度为 90%的成品，收率达 60%2。四、微生物絮凝剂的应用 与有机或无机合成高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有絮凝范围广、活性高、安全无害、不污染环境等特点，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH 值及温度的影响，因此可以广泛应用于废水和污水处理。用生物法处理废水时，重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用，因此，在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。当前，常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子，但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制，应用效果不甚理想；浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成微生物絮凝剂十二烷基磺酸钠)
13、，易产生二次污染而受限制，因此，有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品，而生物微生物絮凝剂恰好具有这一优势。但是，国内外对这一方面的应用研究很少，直到最近才有报道。Zouboulis 等研究了生物表面活性絮凝剂作为捕收剂除去广泛存在于工业废水中的两种有毒金属离子：Cr4和 Zn2+。结果表明,莎梵婷和地衣芽孢杆菌素在 pH 为 4 时均能很好地从废水中分离吸附了 Cr4的 FeO(OH)或 Cr4与FeCl3 6H2O 形成的螯合物，极大地提高了 Cr4(50mg/L)的去除率，几乎可达 100%；在 pH 为 6 时，莎梵婷对螯合物中的 Zn2+(50mg/L)去除率高达 96%，而在相
14、同条件下，地衣芽孢杆菌素的处理效果不明显，去除率为 50%左右。 （1）畜禽废水的处理 畜禽废水是 BOD 较高，较难处理的一类有机废水。采用合成有机絮凝剂虽然有较好的效果，但存在生物工程概论试卷第 4 页，共 4 页二次污染。而猪粪尿废水采用 NOC1 加 Ca2+处理 10 min 后，废水的上清液变成几乎透明的液体，废水中的 TOC 由处理前的 8 200 mg/L 变为 2 980 mg/L，去除率达 63.7%，OD660 由处理前的 15.7 变为0.86，浊度去除达 94.5%。 （2）废水脱色 现今的活性污泥法技术除去废水中的 BOD 并非难事，但对于脱色几乎还没有特效的方法，
15、特别是对于那些可溶性色素很难处理，而采用微生物絮凝剂 NOC1，对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行的试验表明，处理后上清液变为无色透明。胡筱敏等用 MBFA9 处理硫化染料废水及淀粉黄浆废水，无论是悬浮物还是 COD 的去除率均高于传统的化学絮凝剂 PAM。 （3）工业废水、污水的处理 含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水。如陶瓷厂废水主要包括胚体废水和釉药废水 2 种，前者主要含较多的粘土颗粒，后者除含粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加 NOC1后 5min，胚体废水的浊度从原来的 1.4 降低到 0.043 ，釉药废水的浊度从 17.2 降到 0.35，去除率分
16、别为 96.6%和 97.9%，可得到几乎透明的上清液。在鞣革工业废水中加入 C62 菌株产生的絮凝剂，浊度去除率可达 96。柴晓利等筛选到的 Azomonas sp.的发酵液对皮革废水的脱色效果也非常明显。邓述波等人利用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝剂处理河水，相比于海藻酸钠、明胶絮凝剂而言，絮团大、沉降快、上清液浊度低，而且处理后 COD 值最小。 （4）其它方面的应用 已有研究表明,微生物絮凝剂可以包括细菌、真菌、放线菌以及藻类在内的大多数微生物产生的具有絮凝作用的物质。因此,微生物絮凝剂不仅可以应用于废水处理,还可以成为发酵工业和食品工业中安全有效的絮凝剂,为取代传统工艺中离心和
17、过滤分离细胞的方法提供了可能。 五、微生物絮凝剂的前景微生物絮凝剂高效、安全、不污染环境,在医药、食品加工、发酵处理、污水处理等领域有很大的应用潜力, 但目前微生物絮凝剂的应用还大多处于菌种的筛选阶段，且存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要，所以今后的发展趋势如下：分离和筛选出针对不同废水的高絮凝活性的微生物菌种,进行种群鉴定和培养条件等基础性研究；开发 MBF 产品及其应用研究,实现其工业化的生产,优化工艺条件,降低运行成本,提高处理效率和效益；研究 MBF 与其他絮凝剂的配合使用,使其优势互补,从而提高絮凝效率和降低使用剂量。微生物絮凝剂的特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景,随着对微生物絮凝剂的研究的深入,微生物絮凝剂将会更广泛的应用。
