生物工程原理复习资料.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。一、判断正误 1、反混指不同物料间有混合的现象。（） 2、PFR反应器中，沿轴向的反应速度是常数。（） 3、动态法测量Kla不能用于有菌体繁殖的发酵液。（） 4、连续反应器中物料的平均停留时间用F/V来计算。（） 5、限制性底物指微生物的碳源。（） 6、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。（） 7、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。（） 8、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。（） 9、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。（） 10、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。（）11、CSTR反应器中物料的返混程度最小。（）12、微生物的比生长速率是指单位时间内菌体的增量。（）13、限制性底物是指培养基中浓度最小的物质。（）14、控制好氧发酵的溶氧浓度一定小于微生物的临界溶氧值。（）15、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。（）16、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。（）17、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。（）18、单级恒化器的稀释速率可以任意调整大小。（）19、任何微生物培养过程的YATP均等于10g/mol左右。（）20、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。（）21、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。（）22、亚硫酸盐氧化法可以用于测量真实发酵液的Kla。（）23、活塞流反应器中，沿径向的反应速度是常数。（）24、连续反应器中物料的稀释速率用F/V来计算。（）25、在微生物培养过程中有可能存在多种限制性底物。（）26、返混是指不同停留时间物料之间的混合。（）27、间歇培养好氧微生物时，菌体耗氧速率是常数。（）28、对培养基进行热灭菌必须以霉菌的孢子为杀灭对象。（）29、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。（）30、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。（）二、填空1、反应器的D/H越大，越接近 全混流 型反应器。 2、单纤维捕集效率中，重要的三个机制是 惯性冲撞 拦截 和 布朗扩散 。 3、评价好氧发酵罐最重要的两个指标是Kla 和 溶氧效率指标 。 4、酶或细胞的固定化方法有 吸附法 、 交联法 和 载体结合法 。 5、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。 6、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。 7、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 。 8、生物反应器设计的主要目标是 产品成本底，质量高 。9、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。10、传氧速率指标是指每溶解1kg溶氧消耗的电能。11、Monod模型的数学表达式为 =mS/（Ks+S） 。12、微生物细胞的比耗氧速率QO2（呼吸强度）是指单位重量的细胞在单位时间内消耗氧的量，单位是molO2/kg干细胞，QO2与溶氧浓度的关系为QO2= （QO2 ）max C/（Ko+ C）。13、动物细胞培养的反应器主要有悬浮培养反应器 、 贴壁培养反应器 和 微载体悬浮培养反应器 。 14、经验和半经验的发酵罐比拟放大方法中，模型罐和生产罐一般以 几何 似原则为前提。15、用CSTR反应器同时连续培养两种微生物A和B，已知AB，最后在反应器中存留的是微生物 A 。16、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。17、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 。18、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 。19、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。20、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。21、深层过滤器的设计中，最重要的设计参数是 滤层厚度 。22、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。23、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。24、流加式操作特别适合于 有底物抑制 的培养过程。25、乳酸菌生长和乳酸生成之间的关系符合 混合生长偶联型。26、用CSTR反应器同时连续培养三种微生物A、B、C，已知AB c，最后在反应器中存留的是微生物 C 。27、多级连续培养中，第二级反应器的菌体浓度和底物浓度分别 大于 和 小于 第一级反应器的菌体浓度和底物浓度。28、酶反应器的操作参数有 空间时间 、 转化率 和 生产率。29、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。30、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 。31、缩短混合时间的最有效方法是增加反应器不同部位的 进液点 。32、单纤维捕集效率中，重要的三个机制是 惯性冲撞 、 拦截 和 布朗扩散 。三、解释概念1、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。 2、氧的满足度：溶解氧浓度与临界溶氧浓度之比。 3、基质消耗比速率：单位时间内单位菌体对基质的消耗量。 4、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。5、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。 6、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。7、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。8、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。9、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。 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、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。12、氧的满足度：溶解氧浓度与临界溶氧浓度之比。13、生化工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程14、灭菌：指用物理或化学方法杀灭物料或设备中的一切生命物质的过程15、惯性冲撞机制：气流中运动的颗粒有一定质量，以一定速度前进，具有惯性，当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面16、细胞得率YC: 考虑碳源基质时，无论是需氧还是厌氧培养，宏观上碳源的一部分被同化为细胞组成物质，其余部分分别被异化、分解为二氧化碳及其它代谢产物。为了表示由碳源同化为细胞组成物质过程的转化效益，采用对碳的细胞得率YC。17、生物反应动力学：描述在一定条件下大量聚集的细胞群体动力学行为。18、返混：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混19、非结构模型：如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型20、限制性底物：是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C源、N源、无机或有机因子。21、微分细胞得率（瞬时细胞得率）：在分批培养时，培养基的组分在不断地变化，因此在培养过程中细胞得率系数不能视为常数，在某一瞬时的细胞得率称为微分细胞得率22、均衡生长：在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以相同的比例增加，则称为均衡生长；23、非均衡生长：细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生长。24、临界溶氧浓度：微生物的比耗氧速率（比呼吸速率）随溶氧浓度的增加而升高，当溶解氧增加到一定值时，不再增加，这时的DO值称为临界溶氧浓度。四、问答题一、试述培养基灭菌通常具体有哪些措施？灭菌动力学的重要结论有哪些？答：1) 培养基和设备需经灭菌；2) 好氧培养过程中使用的空气应经除菌处理；3) 设备应严密，生物反应器中要维持高于环境压力；4) 使用无污染的纯粹种子。灭菌动力学结论： 1）细菌孢子热死灭反应的E很高，而大部分营养物质热破坏反应的E很低，因而将T提高到一定程度会加速细菌孢子的死灭速率，从而缩短在升高温度下的灭菌时间（ ln(N/N0 ) = - K t ）； 2）由于营养成分热破坏的E很低，上述的温度提高只能稍微增大其热破坏程度，但由于灭菌时间的显著缩短，结果是营养成分的破坏量在允许的范围内。3）高温短时灭菌方法是灭菌动力学得出的重要结论，它既能快速灭菌，又能有效地保存培养基中的营养成分。二、为什么要进行培养基灭菌？若培养基不灭菌，会产生什么不良后果？答：这是由于生物反应系统中通常含有比较丰实的营养物质，容易受到杂菌污染，由于杂菌的存在，会有以下各种不良后果： 1）由于杂菌污染，使生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降。 2）由于杂菌所产生的一些代谢产物或在染菌后改变了发酵液的某些理化性质，使产物的提取困难，造成收得率降低或使产品质量下降。 3）污染的杂菌大量繁殖，会改变反应体系的pH，从而使生物反应发生异常变化。 4）发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败。三、控制溶氧的工艺手段主要有哪些？答：1、改变通气速率（增大通风量）2、改变搅拌速率3、改变其体组成中的氧分压4、改变罐压5、改变发酵液的理化性质6、加入传氧中间介质四、试述深层过滤介质除菌的机理？答：(1)布朗扩散截留作用: 微小颗粒在气流速度很慢时在气体中呈布朗扩散状态。但纤维间隙很小，微粒与纤维接触的机会较大，纤维对颗粒有一定程度的截留。(2)截拦截留作用：在气流速度在临界速度以下，由于速度很低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留。(3)惯性碰撞作用：当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，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在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。(4)重力沉降作用：当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就会沉降。对于小颗粒，只有当气流速度很低时才起作用。(5)静电吸附作用：许多微生物和孢子都带有电荷。当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于磨擦作用而产生诱导电荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更显著。当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生静电吸引作用。 五、试述微生物反应过程的主要特征？答：1、微生物是该反应过程的主体 2、微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系 3、微生物反应是非常复杂的反应过程 复杂性主要表现在以下方面： 反应体系有细胞生长、基质的消耗和产物的生成，三者的动力学规律都有联系，又有明显的差别。微生物反应有多种代谢途径，不同的条件会得到不同的产物。微生物反应过程中，细胞的形态、组成、活性都处在一动态变化过程。六、试述对数穿透定律的假设条件？答：对数穿透定律有四点假设： 1)过滤器中的过滤介质中，每一根纤维周围的空气流态并不因其他临近纤维的存在而受影响。2)空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被空气带走；3)过滤器中的过滤效率与空气中的微粒的浓度无关；4)空气中微粒在滤层中的减递均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。七、试述发酵过程中不断地通过通风和搅拌，气态中的氧经过哪些传递步骤到液相？答：从气泡中的气相扩散到气液界面；穿过气液界面；从气液界面扩散通过液膜到液相主体中；通过液相主体到细胞或细胞团外的液膜；通过细胞或细胞团外的液膜；穿过液相主体与细胞团之间的液固界面；扩散进入细胞团内；穿过细胞壁和细胞膜到达反应位点。八、试述双膜理论的要事有哪些？答：1) 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（湍流时，滞流层薄；层流时，滞流层厚）。2) 界面上不存在传递阻力，那么在两相界面上，两相浓度总是相互平衡的（气体中氧的浓度与溶解在液体中氧浓度处于平衡状态）。气液两相达到平衡。为了验证界面上确实没有阻力存在，曾做过许多研究，现已知，除了某些特殊情况以外，这个假定是正确的。3) 传递阻力都集中在气膜和液膜之中。即气膜和液膜以外无传递阻力，气相主体和液相主体中氧气浓度均匀。九、试述微生物反应过程的计量学原理？答：化学计量学是对化学反应体系的组成和化学反应转化程度的数量化研究，它与反应热力学和动力学一起共同作为反应工程学的基础。根据化学计量学，可以知道有关反应过程中各种反应组分组成及变化规律，各种反应代谢之间的数量关系，目的是对反应过程进行控制和优化，争取获得最大的经济收益。十、生物反应器比拟放大要解决哪些问题？答：1、几何尺寸放大在发酵罐的放大中，放大倍数实际上就是罐的体积增加倍数。 2、空气流量放大生物反应过程中的空气流量一般有两种表示方法：2.1以单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准状态）来表示 2.2以操作状态下的空气直线速度Vs表示 3搅拌功率以及搅拌转数的放大 搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，常用于发酵罐的五种放大方法如下： 3.1.以单位体积培养液所消耗的功率相同原则放大3.2.以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大 3.3.以体积传质系数KLa相等的原则放大 3.4.以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大原则（或者作为校正原则）3.5.以恒定混合时间作为放大或者校正基准十一、试述基质消耗动力学、产物的生成动力学理论及它们之间的相互关系？答：基质消耗动力学：在分批培养时，培养液中基质的减少是由于细胞和产物的生成，如果限制性基质是碳源，消耗掉的碳源中一部分形成细胞物质，一部分形成产物，一部分供细胞维持生命活动之用。产物的生成动力学：十二、影响固定化酶反应动力学的因素有哪些？答：1、酶分子构想的改变和载体屏障效应酶活性部位和变构部位的性质决定于酶分子的三维空间结构。酶分子被吸附或共价结合于固体载体上时，酶分子的构象将发生改变。共价结合可能使整个酶分子拉长，改变酶活性部位的三维结构，从而改变酶的活性。2、微环境效应分配效应固定化酶处于主体溶液中，形成非均相反应系统。在固定化酶附近的环境称为微环境，而主体溶液则称为大环境。由于载体和底物的疏水性、亲水性以及静电作用，使微环境与大环境有不同的性质，从而形成底物和各种效应物的不均匀分布，这种效应称为分配效应。3、扩散阻力用固定化酶进行反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化部位。反应后，产物又沿着相反路线从酶的催化部位传递到主体溶液。这些传递过程包括被动分子扩散和对流扩散，传递过程中存在着一个扩散速率限制问题。这种扩散限制效应在扩散效率很低时，而酶的催化活力又相当高时特别显著。4、外扩散限制的分析及对酶反应动力学的影响外扩散发生在固定化酶界面周围的处于停滞状态的液膜层。由于存在外扩散阻力，底物将在固定化酶周围形成浓度梯度，通常扩散阻力和分配效应是同时存在的。液膜层的厚度在一定限度内，它受固定化酶界面周围溶液的相对速度的影响。因而外扩散阻力随反应体系搅拌速度的增加而减少。5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响内扩散阻力发生在多孔性固定化酶载体的内部，它是底物传递到固定化酶内部的酶部位时的一种扩散限制效应。内扩散限制效应往往与酶催化的化学反应同时进行。由于微环境内的化学反应，造成底物的消耗和产物的积累。形成