生化工程习题.doc

一、判断正误1、间歇培养微生物的减速生长期，微生物的比生长速率小于零。（）2、反混指不同物料间有混合的现象。（） 3、PFR反应器中，沿轴向的反应速度是常数。（） 4、单级连续培养中，如果调整成D（稀释速率）（比生长速率），最终将发生“冲出”现象。（）5、一定温度下，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学。（）6、限制性底物指微生物的碳源。（）7、单级恒化器连续培养某种酵母达一稳态后，流出液中菌体浓度是培养时间的函数。（） 8、CSTR反应器中物料的返混程度最小。（）9、微生物的比生长速率是指单位时间内菌体的增量。（）10、间歇培养好氧微生物时，菌体的对数生长期到来时，菌体的摄氧率大幅度增加。（）11亚硫酸盐氧化法可以用于测量真实发酵液的Kla。（）12、活塞流反应器中，沿径向的反应速度是常数。（）13、返混是指不同停留时间物料之间的混合。（）14、任何微生物培养过程的YATP均等于10g/mol左右。（）15、连续培养反应器中物料的平均停留时间和稀释速率互为倒数。（）16、间歇培养好氧微生物时，菌体耗氧速率是常数。（）17、对培养基进行热灭菌必须以霉菌的孢子为杀灭对象（）18、在一定温度下，各种不同微生物的比热死亡速率常数值相等。（）19、在有细胞回流的单级恒化器中，总的出口处菌体浓度与恒化器中的菌体浓度完全相等。（）20、动态法测量Kla不能用于有菌体繁殖的发酵液。（） 21、连续反应器中物料的平均停留时间用F/V来计算。（） 22、在活塞流反应器中进行恒温热灭菌，沿物料流动方向菌体热死灭速率逐渐下降。（）23、单级恒化器的稀释速率可以任意调整大小。（）24、微生物营养细胞易于受热死灭，其比热死亡速率常数K值很高。（） 25、建立Kla与设备参数及操作变数之间关系式的重要性在于生物反应器的比拟放大。（） 26、单级连续培养中，如果调整成（比生长速率） D（稀释速率 ），最终将发生“冲出”现象。（） 27、限制性底物是指培养基中浓度最小的物质。（）28、控制好氧发酵的溶氧浓度一定小于微生物的临界溶氧值。（）29、在活塞流反应器中进行恒温热灭菌，沿物料流动方向菌体热死灭速率逐渐下降。（）32、限制性底物是指培养基中浓度最小的物质。（）33、控制好氧发酵的溶氧浓度一定小于微生物的临界溶氧值。（）38、连续反应器中物料的稀释速率用F/V来计算。（）39、在微生物培养过程中有可能存在多种限制性底物。（）二、填空1、发酵罐的比拟放大中，空气流量放大常采用的三个原则是 VVM相等、空截面气速Vs 相等和Kla 相等。2、固定化酶的半衰期是指 固定化酶活力降低一半的使用时间 。3、深层过滤器的设计中，最重要的设计参数是滤层厚度。4乳酸菌生长和乳酸生成之间的关系符合混合生长偶联型。5、用CSTR反应器同时连续培养三种微生物A、B、C，已知ABB，最后在反应器中存留的是微生物A。17、酶或细胞的固定化方法有 吸附法 、 交联法和 载体结合法 。 18、发酵产物的生成速率与菌体生长速率之间大致存在三种不同类型的关联，它们是生长偶联型 、 混合生长偶联型 和非生长偶联型。 19、Monod方程中动力学常数的求算常采用双倒数作图或线性回归方法。20、丝状菌培养用的发酵罐比拟放大后，常需校核搅拌叶轮尖端线速度指标。21、流加式操作特别适合于 有底物抑制 的培养过程。22、工程上广泛采用的培养基灭菌方法有间歇灭菌 和连续灭菌。 23、发酵罐比拟放大时需要确定的操作参数主要是空气流量、搅拌功率和搅拌转数，需要确定的罐几何尺寸主要是 直径 和 高度 。 24、生物反应器设计的主要目标是产品成本底，质量高。25、微生物的比热死亡速率常数由微生物菌体的抗热性能和 灭菌温度 两个因素决定。26、传氧速率指标是指每溶解1kg溶氧消耗的电能。27、Monod模型的数学表达式为 =mS/（Ks+S） 。 28、发酵罐通气条件下的搅拌功率通常小于不通气条件下的搅拌功率。29、当发生底物抑制时，要获得同样的底物转化率，PFR的反应时间比CSTR的 长 。30、用载体结合法固定化细胞是指 把细胞通过共价键、离子键或吸附作用结合到水不溶性载体上的方法。31、微生物代谢产物的生成速率与菌体生长速率之间存在三种不同类型的关联，它们是生长偶联型、 混合生长偶联型 和非生长偶联型 。32、发酵罐比拟放大时，搅拌功率及转数放大常采用的三个原则是 Po/V相等、 Pg/V 相等和 Kla 相等。 三、解释下列名词1、包埋法固定化酶：将酶包在凝胶微小格子内，或是将酶包裹在半透性聚合物膜内的固定化方法。 2、氧的满足度：溶解氧浓度与临界溶氧浓度之比。3、均衡生长：在细胞的生长过程中，细胞内各组分均以相同的比例增加时称为均衡生长。 4基质消耗比速率：单位时间内单位菌体对基质的消耗量。5、反复分批补料培养法：在间歇培养的基础上，流加一种或几种底物或前体物进行培养，培养结束时不取出全部的发酵液，留下一部分发酵液作为种子，然后开始下一个补料培养过程的发酵方法。6、 呼吸商RQ ：细胞每消耗1mol O 所产生的CO 的量。 或，RQCO 的产生速率/O 的消耗速率。（二者任意）7、流加培养：在间歇培养的基础上，流加一种或几种底物或前体物进行培养的过程。8、结构模型：在考虑细胞组成变化基础上建立的微生物生长或相关的动力学模型。 9、细胞回流的单级恒化器：在反应器的出口处安装细胞分离器，分离出一部分细胞，进行浓缩后打回到反应器中的单级恒化器。10、微生物的生长速率：单位时间内单位体积发酵液中菌体的增量。11、细胞的比生长速率: 单位细胞浓度下的细胞生长速率。12、非结构细胞反应动力学 ：将细胞看作是具有单一组分、均一的细胞反应体系，所建立的动力学称非结构细胞反应动力学。13、联法固定化酶：使酶与具有两个以上功能团的试剂进行反应，应用化学键把酶固定的方法。14、补料培养法：在间歇培养的基础上，流加一种或几种底物或前体物进行培养的过程。15、酶反应过程中的反竞争抑制 抑制剂不能与游离酶直接相结合，而只能与复合物ES相结合。这种抑制作用叫反竞争性抑制。16、氧的满足度：溶解氧浓度与临界溶氧浓度之比。17、返混 : 不同停留时间的微元流体之间的混合称返混。CSTR返混程度最大，CPFR返混程度最小。18、 kLa:体积传氧系数。体积传质系数。（二者任意）19、 限制性底物 :某种底物浓度的增加会影响生长速率,而其它营养组分浓度的变化对生长速率没有影响作用，这种底物称限制性底物。或者：微生物生长过程中环境条件会发生改变，当一种底物耗尽时，导致细胞生长停止，否则细胞继续生长，而此时其它营养成分均处于富余状态并且不影响细胞生长，那么这种底物称限制性底物。20、 临界稀释率:当稀释率达到DC时，出口处细胞浓度为0，反应器处于“洗出”操作状态。21、Thiele模数：表示了以固定化酶外表面的浓度为基准的反应速率与内扩散传质速率的相对大小。可以通过值大小来判断内扩散阻力对催化反应的影响程度。22、 本征反应动力学：指在没以传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率，该速率除与反应本身特性有关外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂的性质有关，而与传递因素无关。23、酶的非竞争性抑制：抑制剂既能与酶结合又能与ES复合物结合导致酶反应速率下降的抑制作用称非竞争性抑制四、回答下列问题1、与通用式机械搅拌罐相比，塔式生物反应器的优点是什 答题要点：A：省去了轴封，从根本上排除了因轴封造成的污染。 B：反应器结构简单。 C：功率消耗小。 D：减少了剪切作用对细胞的损害。2、有细胞回流的单级连续培养是怎样的操作方式？与单级恒化器相比有什么优点？ 答题要点：进行单级连续培养时，把从反应器流出的培养液进行分离，经浓缩的细胞悬浮液被送回反应器中，即成为细胞回流的连续培养。这种连续培养的优点是反应器可以在稀释速率大于最大比生长速率的情况下操作，反应器中的细胞浓度较高。3、主要有哪几种测量Kla的方法，说明它们的适用场合。 答题要点： 要有亚硫酸盐氧化法、溶氧电极法和氧的衡算法。亚硫酸盐氧化法不能用于测定真实发酵液的Kla，但具有参比价值。溶氧电极法用于测量真实发酵液的Kla，大、小反应器均可用该法测量Kla。氧的衡算法适合体积大的反应器Kla的测定。4、酶和细胞的固定化有哪几种方法，举出两个应用实例。答题要点：酶和细胞的固定化有载体结合法、交联法和包埋法DL-氨基酸的光学拆分是工业化应用固定化酶的成功例子。利用固定化的氨基酰化酶实现DL-氨基酸的不对称水解，利用D-型和L-型氨基酸的溶解度不同和外削旋化反应来生产L-氨基酸。 酶电极是利用固定化酶的成功例子。酶电极主要由电化学传感器和固定化酶两部分组成。5、生物反应器开发的趋势和方向。 答题要点：A：开发比活力高和选择性高的生物催化剂将继续占重要地位。B：改进生物反应器热量和质量传递的方法。C：生物反应器正向大型化和自动化方向发展。6、图示分析培养基间歇灭菌过程和连续灭菌过程的温度变化情况，写出间歇灭菌过程中各阶段对灭菌的贡献。 答题要点：A：画出间歇灭菌和连续灭菌的温度变化曲线。B：主要贡献在保温阶段。7、双膜理论的基本论点是什么？什么是液膜控制？什么是气膜控制？ 答题要点：A：在气液两个流体相间存在界面，在界面两侧各有一层稳定的薄膜，即气膜与液膜，这两层稳定的薄膜在任何流体力学条件下均呈滞流状态。B：界面上不存在传递阻力，两相的浓度总是相互平衡的。C：传递阻力都集中在气膜和液膜之中。8、动植物细胞培养与微生物细胞培养的主要区别是什么？ 答题要点：A：大多数动物细胞需附壁生长。 B：动物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，要求含有多种氨基酸、维生素、无机盐、血清等物质。 C：因动物细胞没有细胞壁保护，对剪切力非常敏感。 D：生长缓慢。 E：易染菌。9、微生物代谢产物的生成和菌体的生长之间通常有几种类型的关联，分别说明。 答题要点：共有三种类型的关联，分别是生长偶联型、混合生长偶联型和非生长偶联型。生长偶联型：伴随着菌体生长，代谢产物生成，菌体停止静生长，代谢产物的生成也停止。混合生长偶联型：伴随着菌体生长，代谢产物生成，菌体停止静生长，代谢产物仍然生成。非生长偶联型：菌体生长停止后，代谢产物开始生成。10、图示分析培养基间歇灭菌过程和连续灭菌过程的温度变化情况，写出间歇灭菌过程中各阶段对灭菌的贡献。 答题要点：A：画出间歇灭菌和连续灭菌的温度变化曲线。B：主要贡献在保温阶段。11、固定化酶和固定化细胞使用期间活性下降的主要原因是什么？答题要点A：酶变性，细胞自消化（自溶）B：固定化酶或细胞吸附了抑制物C：染菌D：酶、细胞流失E：载体崩解12、与单级连续培养相比，多级连续培养的优点是什么？答题要点：A：有利于解决不同生产阶段有不同生产要求的矛盾 ，如菌体生长和产物生成的温度不一至。B：有利于解决快速生长和营养物充分利用之间的矛盾。13、缩短微生物间歇培养延迟期常采用的方法是什么？ 答题要点： A：接种的微生物应尽可能是高活力的（用对数期的微生物作种子）。B：用于种子培养的介质和条件应尽可能接近生产上使用的发酵液组成和培养条件。C：在一定范围内，采用大接种量。14. 减少固定化酶反应体系中的传质阻力有哪些措施？答：减少固定化酶颗粒的尺寸；采用大孔基质材料；增加底物浓度；增加液相的扰动，减少体积传质系数。15、提高发酵液中氧传递速率的主要途径是什么？ 答题要点：从提高Kla的角度可采用： A：增加搅拌转数N，以提高Pg。B：增大通气量Q，以提高空截面气速Vs。C：N和Q同时增加。从提高传质推动力角度可采用： E：提高罐压（1分）F：通入纯氧16、写出对培养基进行湿热灭菌时微生物营养细胞的热死灭动力学方程，说明方程中各符号的意义。 答题要点： - dN/dt =KN N：培养基中任意时刻的活微生物浓度（个/升），t：灭菌时间 ， K：菌体的比热死亡速率常数，1/min， - dN/dt：菌体死亡速率。17、反应器的重要操作参数有那些？分别说明。答题要点：A：空间时间：表示反应物在连续操作反应器内停留（或平均停留）的时间。B：转化率：表示加入反应器中底物的转化率，用（So-St）/So来计算。C：生产率（生产能力）：指反应器单位体积单位时间内的产物生成量。D：选择率：指实际转化成目的产物量与全部底物可生成产物的理论量之比。18、微生物间歇培养过程各阶段的比生长速率如何变化？以图表示。 答题要点：A：迟缓期：=0。B：加速生长期：增加，2大于1。C：对数生长期：达到最大值，为常数。D：减速生长期：减小，2小于1。E：平衡期：=0。19、 有哪些措施可以提高机械搅拌罐的传氧速率（OTR）？ 答题要点：（1） 由OTRka(C*-C)可知，（2） 氧在培养基中的溶解度：降低温度，增加操作罐压，增加空气中氧气的浓度（通往富氧空气或纯氧）等。（3） 氧的体积传质系数ka：增加搅拌减少气泡大小，增加通气，改变搅拌浆的结构参数高搅拌性能，改变反应器的结构型式以提高氧的体积传质系数。20、 根据发酵过程中菌体生长和产物形成的关系，可将发酵分为那几种类型，各自有什么特点？答：可分为相关模型，非相关模型和部分相关模型。其特点分别为，相关模型：产物的生成与细胞的生长相关的过程，产物是细胞能量代谢的结果。此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步。如乙醇、葡萄糖酸、乳酸等。非相关模型：产物的生成与细胞的生长无直接联系。它是二级代谢产物。特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物的积累，而当细胞生长停止后，产物却大量合成。如抗生素、微生物毒素等。部分相关模型：产物的生成与基质消耗仅有间接的关系。产物是能量代谢的间接结果。在细胞生长期内，基本无产物生成，其动力学可表示为：q=+。如柠檬酸、氨基酸的生产。21、固定化酶和固定化细胞在实际应用中的显著特点是什 答题（1）容易实现连续反应。（2）获得的产物纯度高。（3）酶或细胞可重复使用，减少了浪费。 D：易实现自控。 22、温快速杀菌的原因是什么？灭菌的控制参数是什么？ 答题要点：培养基被加热灭菌时，要求即达到灭菌的目的，同时又不破坏或较少破坏培养基中有用成分。由动力学分析知，微生物受热死亡时的活化能一般要比营养成分热分解的活化能大得多，这意味着当温度升高时，微生物死亡速率的增加，要比营养成分破坏速率的增加大得多。所以要采用高温短时的灭菌方法。灭菌的控制参数是温度和时间。23、生物反应器设计和操作的限制因素有那些？ 答题A：生物催化剂（酶、微生物）的浓度）和比活力。 B：反应器的传质和传热能力。 24、载体悬浮培养动物细胞的优点是什么？ 答题要点：（1）微载体单位体积具有的表面积大，因此它的单位体积培养基的细胞产率高，相应的产物浓度也高。（2）由于把悬浮培养和贴壁培养融合在一起，具有两种培养的优点，有利于培养环境的检测和控制，培养系统重现性好。（3）放大容易。（3分） 25、YX/S、YC和YATP表示什么？它们的定义是什么？ 答题要点：YX/S是对基质的细胞得率，指生成细胞的质量与消耗基质质量之比。YC是对碳的细胞得率。 生成细胞量细胞含碳量 YC=消耗基质量基质含碳量 YATP是对ATP生成的细胞得率。碳源对菌体得率 YATP=消耗1摩尔碳源由分解代谢产生ATP摩尔数 26、与单级连续培养相比，多级连续培养的优点是什么？ 答题要点：（1）有利于解决不同生产阶段有不同生产要求的矛盾 ，如菌体生长和产物生成的温度不一至。（2）有利于解决快速生长和营养物充分利用之间的矛盾。26. 已知某一代谢产物为次级代谢产物，产物合成与细胞生长符合非偶联模型，试分析有哪些措施可以提高该产物的生产强度？答：缩短菌体生长时间：采用对数期的强壮种子，加大接种量以减少延滞期的时间；调整合适的细胞培养条件加快菌体生长。增加细胞培养的密度：采用流加培养的策略提高细胞密度，增加合成产物的细胞量。采用两段发酵技术：对菌体生长期的培养条件和产物合成条件可以采取不同的发酵策略。五、论述题1、比较两级冷却加热空气除菌流程、冷热空气直接混合式节能除菌流程、一级冷却加热除菌流程的优缺点和适用场合，并分析其原因。 答题要点：两级冷却加热空气除菌流程：优点：适用的气候条件广，操作参数可变化范围大。缺点：设备投资稍高，冷却水耗量大。 原因：两级冷却加热空气除菌流程是根据湿度比较大的气候条件而设计的，两级冷却都是为了分离空气中的水分，加热是为了使进入过滤器的空气相对湿度在50%左右。冷热空气直接混合式节能除菌流程：优点：热能利用好 缺点：要根据气候条件调整冷热空气的量，要求自动化程度高原因：冷热空气直接混合式节能除菌流程是根据热量平衡来调整冷热空气的量，使进入过滤器的空气温度和湿度均符合要求。 一级冷却加热除菌流程：优点：设备投资稍低，冷却水耗量小。 缺点：只适合气候干燥（相对湿度小）的地区。 原因：一级冷却加热除菌流程是根据相对湿度小的气候条件而设计的，在比较干燥的气候条件下，一级冷却就足可以分离出压缩空气中的水分。4、说明动态法测量Kla的原理和方法（15分） 答题要点：动态法测量Kla是利用溶氧电极进行的，测量的是真实发酵液的Kla值。 原理：利用非稳态时，溶氧浓度的变化速率等于溶入的氧浓度和耗氧浓度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）- QO2 X重排列上式：C=- 1/ Kla（dc/dt + QO2 X）+ C 将非稳态时溶氧浓度C对（dc/dt + QO2 X）作图，可得一直线，此直线的斜率值即为- 1/ Kla。（10分） 采用的方法是： A：停止通气，使发酵罐中的溶氧浓度下降。 B：恢复通气（在溶氧浓度降到临界溶氧浓度之前恢复通气）5、当发酵液为非牛顿性流体时，说明发酵罐搅拌功率的计算方法。答题要点：A：确定发酵罐的几何尺寸和搅拌转数N。B：用（dw/dr）平均= KN 计算（dw/dr）平均。C：测定一定温度下，菌体生长最旺盛时的液体流变性特征曲线，查即定转数时的显示粘度。D：取小罐实验数据绘制NpRem曲线。E：对与小罐几何相似的大罐，按牛顿流体方法计算Po，再计算Pg。 只要避开Rem=10300区间，可以用牛顿流体的NpRem曲线代替拟塑性流体的NpRem曲线。7、什么是好氧微生物培养的临界溶氧浓度？如何测定？是否所有的好氧微生物培养过程都必需控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上？举例说明。 答题要点：微生物的比耗氧速率随溶氧浓度的增加而升高，当溶解氧增加到一定值时，比耗氧速率不再增加，这时的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。测法：将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况，首先是溶氧浓度呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。 并非所有的好氧培养过程都需要控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上，比如以丙酮酸为前体的苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的发酵生产就应控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以下。空气过滤除菌的机制1.惯性碰撞滞留作用：当微生物等颗粒随空气以一定速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰到纤维表面上，由于摩擦、黏附作用，被滞留在纤维表面，这叫做惯性冲击滞留作用。当气流速度达到一定时，它是介质过滤除菌的主要作用。2.阻拦滞留作用：质量很小的微粒随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维周围形成了一层边界滞留区。滞留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒缓慢靠近和接触纤维而被黏附滞留，称为拦截滞留作用。3.布朗扩散作用：直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动（布朗扩散）而与纤维接触且俯着于纤维表面而被捕集。4.重力沉降作用5.静电吸附作用气流速度小：布朗扩散截留和拦截截留显著；气流速度大：惯性撞击截留作用显著空气过滤除菌的介质 纸类过滤介质 纤维状或颗粒状过滤介质 棉花 玻璃纤维 活性炭 微孔滤膜类过滤介质补料分批培养又称半连续培养，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式。它指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。酶的固定化，缺点：固定化过程中往往会引起酶的失活;增加了生产成本；适应水溶性底物和小分子底物;与完整细胞比较，不适于多酶反应;胞内酶须分离。机械搅拌式发酵罐的缺点：1.能耗大，剪切力大2.易伤害菌体3.不易大型化。自吸式充气发酵罐。它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的搅拌、充气的。该发酵罐不需空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。优点： 不用空气压缩机或鼓风机，节省投资； 在所有机械搅拌通气发酵罐形式中，自吸式充气发酵罐的充气质量是最好的通入发酵液中的每立方米空气可形成2315m2的气液接触界面面积； 动力消耗低。（如，以糖蜜为基质培养酵母时，自吸式充气发酵罐生产lkg干酵母的电耗为o.5kwh左右)缺点： 由于空气靠负压吸入罐内，所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统； 由于结构上的特点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。而各种微生物中以酵母和杆菌耐受剪切应力的能力最强，因此该反应器只适用于这类微生物的发酵生产。 充气搅拌叶轮的通气量随发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围，目前最大容积为250m3。气升环流式反应器：借在中央拉力管中用压缩空气射流，诱导液体自拉力管内上升。然后自拉力管外的环隙下降，形成环流。喷射环流式反应器：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强的剪切