生化工程期末考试复习

生化工程期末考试复习

一.问答题（20分两道）

1.生化工程的发展：

1.第一代微生物发酵技术一纯培养技术建立

人为控制发酵过程，简单的发酵罐（以厌氧发酵和表面固体发酵为主：），生产酵母、酒精、

丙酮、丁醇、有机酸、酶制剂等

2.第二代微生物发酵技术一深层培养技术建立

1928年英国弗莱明发现点青霉可以产牛.抑制葡萄球菌生长的青霉素

：青霉素的大量需求一需氧发酵工业化生产

建立了高效通气搅拌供氧（深层培养）技术、无国空气的制备技术及大型生物反应器灭前技

术，促进了生物制品的大规模工业化一进入微生物发酵工业新阶段

微生物学，生物化学与化学工程相结合，标志着生物化学工程（BiochemicalEngineering）的

诞生

2.生化工程的概念：

定义：运用化学工程学原理方法，将生物技术实验成果进行工程化、产业化开发的一门学科。

实质：研究生物反应过程中的工程技术问题，是微生物学、生物化学与化学工程结合。

3.奠定生化工程学科基础的两个关键技术

①通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。②抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空

气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。

4.高温灭菌机理：

微牛物受热死亡的活化能AE比营养成分受热分解的活化能AE，大.AE大.说明反应速率随

温度变化也大；

当温度升高，微生物死亡速度比营养成分分解速度快。故采取高温瞬时，有利于快速杀灭菌

体，而且减少营养的破坏。养分虽因温度增裔破坏也增加，但因灭菌时间大为缩短，总破坏

量因之减少。

5.深层过滤除菌机理：

深层过滤：一定厚度的介质，介质的孔径一般大于细菌，其主要由于滞留作用截获微粒，使

空气净化。

滞留作用机制主要构成为：

1.惯性碰撞滞留作用：一定质量的颗粒随气流运动，若遇到纤维，由于惯性力作用直线前

进，最终碰撞到纤维，摩擦、黏附作用被停滞于纤维表面。

2.阻拦滞留作用：当VVc时，气流流过纤维，纤维周围产生滞流层，微小颗粒在滞流层

接触纤维，由于摩擦粘附作用被纤维阻拦滞留的现象。

3.扩散作用：当VVc时，微小颗粒在流速缓慢的气流中发生布朗运动，与介质碰撞而被

捕获。

6.

28（3下，氧在发醋液中100%的空气饱和浓度只有0.25mmol/L左右，7000倍。

在对数生长期，即使发酵液中的溶氧能达到100%空气饱和度，若中止供氧，发酵液中溶氧

可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。

7.Monod方程

经验公式：n=nmS/（Ks+S）（从性质？指出下图中的Ks,nmax,s等代表什么，图中反映

了什么关系？）

H：菌体的生长比速（1/h）；S：限制性基质浓度（g/L）；Ks：饱和常数（相当于1/2

Rn时的限制性基质浓度,g/L）；pmax:最大生长比速（1/h）。

H：菌体的生长比速；S：限制性基质浓度；Ks：饱和常数（相当于l/2nm时的限制性基质浓

度,g/L）；pimax:最大生长比速（1/h）<,

S《KsH寸，118s直线关系；S》Ks时，n-nm；Ks与pm反映了微生物的特征：基质；Ks

反映微生物对基质的亲和力：Ks小，亲和力大。

8.菌种浓度X、基质浓度5、细胞产率P及稀释率D的变化关系如图：（指出De,Dm,DX,

关系总结）

1）菌种浓度X与稀释率D的关系：随D增加，X逐

渐减少，起初不明显，当D渐接近Dc=nm,X急跌

至0,微生物全部洗出。

2)基质浓度S与稀释率D的关系：S变化与X相反：

一般当D0.8时,S很小；隧D再增大，S急剧上升，

当D渐接近Dc=nm时，S=SOo

3)细胞产率P=DX与稀释率D的关系:随D的增加P

逐步增大，可达最大DX值(DmXm),Dm为理论上的

最适宜稀释速率。

4)菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D

的关系：

De为临界稀释速率；Dm为理论上的最适宜稀释速率。

二.证明题

1.D=-ln(l/10No/No)/K=-2.303IgO.l/K=2.303/K

2.td=0.693/u

3.D=u是连续恒定发酵的前提。(课本P46-48)

4.证明：L90=2.303/K.

穿透率：空气残留的颗粒数与空气中原有颗粒数之比P=Ns/NO

NO一空气中原有颗粒数Ns—空气中残留的颗粒数

过滤效率：介质捕获的颗粒数与空气中原有颗粒数之比r)=(NO-Ns)/NO=1-P

对数穿透定律：一dN/dL=KN积分后得：In(Ns/NO)=-KL也可为：lnP=-KLK一过滤

常数(cm-1),与气流速度V,纤维直径df,颗粒直径dp和纤维填充密度有关；L—滤层厚度

(cm)

2)过滤层厚度：L=-ln(Ns/NO)/K

通过计算获得：l)L90为n(过滤效率)为90%时的滤层厚度

因为In(Ns/NO)=lnP=ln(1—q)=—KL

当过滤效率为90%(穿透率为10%)时：K=-lnP/L90=-lr)10%/L90=2.303/L904双倒数

求解思路：

11.过滤除菌设备（过滤除菌）：深层纤维介质（棉花、活性炭、玻璃纤维）过滤器：填充

物顺序：孔板一铁丝网一麻布一棉花一麻布一活性炭一麻布一棉花一麻布一铁丝网一孔板

12.空气除菌的要求：无菌、无尘、无油、无水、有压力

13.单个纤维的总捕获效率r）=ni+n2+r|3

14.当无实验数据可查，可依据此：过滤常数为K=4（14.5）ndf（l）

15.两级冷却、两级分离、加热、除菌流程：

两次冷却：使水、油形成雾粒

两级分离：除去水、油雾粒

加热：降低空气湿度，

原100%—降至50-60%

过滤除菌

16.需氧型发酵的关键问题：，解决氧气供应方法：

通气与搅拌目的：（1）供应氧气，供微生物生长及代谢；（2）使发酵液均匀混合，促进

物质传递

17.氧的传递过程的主要皿力是液膜阻力1/kL,即气膜与液膜传递的阻力。

18.氧溶解过程的双膜理论，其基本论点为：1.气相与液相主体间存在两膜，气泡一侧为

气膜，液体一侧为液膜。氧分子借浓度差扩散透过双膜；氧气从气相到液相主体，阻力来

自两膜。2.在气液界面上，氧浓度平衡，界面上无传质阻力。3.两膜外的气、液主体中，

氧浓度均匀，无传质阻力，通过气膜的传氧推动力（压力降）=气相平均浓度（氟分压p）

一界面相平均浓度（氧分压pi）,通过液膜的传氧推动力（浓度降）=界面相平衡浓度（Ci）

一液相平均浓度（C）

19.搅拌原理：把大气泡打成小气泡增加接触面积；产生涡流延长气泡停留时间；使发酵液

呈湍流，减少液膜厚度；使菌休分散，增加接触面和减少液膜厚度.

20.发酵动力学类型（根据产物形成和菌体生长关系）分为：偶联型（初级代谢产物）；混

合型；非偶联型（次级代谢产物）

21.连续发酵的前提和假设：

稳定状态下物料平衡，参数变化为零：

1）dX/dt=0zdS/dt=0,dP/dt=0；

2）培养基混合均匀，菌体、基质、含氧等均匀一:

3)微生物无死亡(a比死亡速率=0)。

22.稀释率(dilutionrate)D

D(1/h)：单位时间内新进入的培养液体积(F)占罐内培养液总体积(V)的分数。稳定态下:

dX/dt=O则:n=F/V：D=F/V,故：D=|i

D=|i=F/V,可通过改变F(流加速率)调节从值：

Du,则dX/dtO,微生物浓度将随时间而增加；

Du,则dX/dt0,微生物浓度将随培养物被洗出(washout)而减少;D=内则dX/dt=0>

微生物浓度不随时间而变化，处于恒态D连续培养稳定

状态

注：连续培养的稳定状态下，Yx/s、SO、Ks及Hm均定值，故菌种浓度X、底物浓度取决于

稀释率D。

23.R：生长比速；qp:产物生成速率,qs：基质消耗速率,Yp/s：以消耗基质为基准的产物生

成系数,Yx/s：以消耗基质为基准的细胞得率系数。其中Yp/s=qp/qs,Yx/s=p/qs.

四.计算题

要用到的公式有：

微生物的热死规律：ln(Ns/N0)=-Kt(Ns：经t时间后残存活菌数，Ns=-310概率意义：经

过1000次灭菌中仅有•次灭菌失败)

阿雷尼乌斯Arrhenius方程：K=Ae-AE/RT(R=8.36J/mclK)

营养成分受热分解规律符合微生物热死亡动力学规律和Arrhenius方程：-dC/dt=KZC

结论：当温度升高，微生物死亡速度比营养成分分解速度快，因此采用瞬时高温的方法。

灭菌效果(灭菌准数)：V总=ln(Ns/N0)=V加+丫保+丫冷

1.若温度从1200升至150团,分别计算120团和1500下的VB1的分解速率常数KB和嗜热芽抱

杆菌的比死亡速率常数Ks：并比较

KB150/KB120;Ksl50/Ksl20,反映何种规律。

已知*

AEB1=****J/mol/ABl=9.30xl010(min-1);AEs=*****J/mol,As=1.34x1036(min-1)

2.在1200下灭菌7.6min,计算此时VC的损失率。(1200下,若Kc=0.055min-l)

3.发酵培养基60m3,初始杂菌数为105个/ml,生产要求最终无菌度为10-3。采用分批灭菌

方式，12013维持5min.已知升温和降温的灭菌效果不超过总灭菌度效果的25%。则所设计的

T-t过程是否达到无菌要求。如何改进。

对数穿透定律：-dN/dL=KN积分后得：In(Ns/NO)=~KL

空气过滤器的尺寸计算：

(1)过滤层厚度的计算：L=-In(Ns/NO)/K

(2)过漉器的直径的计算：

D滤层=

V-空气经过滤器时的体积流量(m3/s)；VS-空容器截面的空气流速(m/s)。

4.1.试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100ho空气中颗

粒数为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-30滤层选用df=16nm，气速Vs=0.1m/s,填充

系数a=8%。

求：过滤效率n及滤层厚度L

解：1.P=NS/NO=10-3/(5000X10X60X100)=3.33x10-12

q=l-P=l-3.33xlO-12

2)表查得K=0.31cm-l,

L=-ln(Ns/NO)/K

两个传质阻力方程：Na=Nv=Nv=kLa(C*—C)=qo2X

可得KLa=QO2X/(C*-CL)

1.发酵罐工作容量12m3,罐径2.2m,通风量5m3/min,通气时搅拌功率11.6Kw,搅拌转速

119r/min,反应器中氧c*=C.21mmol/L,试计算当液相中溶氧浓度分别为0.48mg/L,2.4mg/L,

4.8mg/L时的溶氧速率。

2.采用100L通用式发酵罐培养细菌，通风比为0.8L/L.min,kLa=0.0417/s,确保满足qo2=8.89

—xl05g/g.s(以氧/细胞计)，c=0.2mg/L,c*=7.3mg/L时达到供氧需求平衡，求此时的最大菌

体浓度。

搅拌功率的计算(计算题)

当RQ104时，随Re提高，Np为定值:

园盘六平直叶涡轮Np=6.2；园盘六弯叶涡轮Np=47园盘六箭叶涡轮Np=3.7o

35计算PO=pNDiNp(不需记忆，注意单位为国际单位)

POD无通气时输入液体功率(W)；pD液体密度(kg/m3)；ND涡轮转速(r/s)：DiD涡轮

直径(m)。

多个涡轮：Pn=nPl

Michel修正公式：(不须记忆)

230.08Pg=2.25xlO-3(PoNDi/Q)0.39

Pg、PoD通气、不通气时的搅拌功率(KW)；ND搅拌器转速(r/min)；

DiD搅拌器直径(cm)：QD通气量(ml/min):

求解通气下的机械搅拌功率Pg的过程：

1.先算出Re,后确定出Np;2.根据Np算出不通气下的Po;3.求出Pg。

验证结果：通