生化反应工程原理简答题.doc

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1补料分批培养主要应用在哪些情况中？

①生长非偶联型产物的生产②高密度培养③产物合成受代谢物阻遏控制④利用营养缺陷型菌株合成产物⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。

⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。

2比较理想酶反应器CSTR型与CPFR型的性能？

答：

A停留时间的比较：

在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，两者所需的停留时间不同，CSTR型的比CPFR型反应器的要长，也就是前者所需的反应器体积比后者大。

另外，以对两反应器的体积比作图可知，随反应级数的增加，反应器的体积比急剧增加。

B酶需求量的比较：

对一级动力学：

转化率越高，CSTR中所需酶的相对量也就越大。

另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，0级反应时其比值最小。

C酶的稳定性：

0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。

但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。

CPFR产量的下降要比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。

但是，如上所述，在某些场合，操作条件相同，要得到同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。

D反应器中的浓度分布：

CSTR与CPFR中的底物浓度分布。

由图可知，在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物浓度较高；CSTR中底物总处于低浓度范围。

如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。

3试着分析目前连续式操作难以大规模应用的原因？

连续培养的工业生产应用的受限原因（连续培养的应用主要集中在研究领域）。

（1）杂菌污染问题。

因连续培养以长期、稳定连续运转为前提，在整个培养过程中，必需不断地供给无菌的新鲜培养基，好氧发酵时，必需同时供给大量的无菌空气，这两种供给的过程中极易带来杂菌的污染，长期保持连续培养的无菌状态非常困难。

（2）变异问题。

因工业化生产所用菌株大都是通过人工诱变处理的高度变异株，在长期的连续培养过程中容易使回复突变菌株逐渐积累，最后取得生长优势。

（3）成本问题，为降低成本,其一要使原料以最大的转化率和最大的产率转化为产物；是使发酵终了液中含有尽可能高的产物浓度，以缩小产物分离提取系统的规模和操作的费用。

一些发酵过程其产物的分离提取费用约占生产总成本的40%以上；而对于大多数抗生素和精细化学品的发酵生产，其本身就是一个高成本分离过程的生产过程。

而在连续培养过程中，流出的发酵液中产物浓度一般比分批培养、流加培养的低，结果加重了分离提取的负荷，在生产成本上没有竞争力。

4简述动植物细胞培养的特点难点，并与微生物细胞培养相比较

动植物细胞培养：

是一项将动植物的组织、器官或细胞在适当的培养基上进行无菌培养的技术。

动物细胞培养的特性

许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰，以及正确的切割、折叠后，才能形成与自然分子一样的功能和抗原性。

这就使动物细胞一跃成为一种重要的宿主细胞，用以生成各种各样的生物制品。

动物细胞体外培养具有明显的表达产物的优点，为传统微生物发酵所无法取代。

动物细胞培养过程的特征

（1）生长速率慢，且培养基丰富，易为微生物等污染

（2）细胞个体大且无壁，对环境尤其是剪切敏感（3）不能完全按照微生物反应过程的经验进行放大（4）培养基成分复杂且昂贵，生产成本高（5）细胞易受代谢产物抑制且出现凋亡现象。

（6）大多数哺乳动物需贴壁才能生长

植物细胞培养的特性①细胞个大，并且细胞壁是以纤维素为主要成分，耐拉不耐扭，因此，抗剪切能力低；②与动物细胞培养类同，生长速率慢，为防止培养过程中染菌，需加抗生素；③细胞培养需氧，而培养液粘度大，且不能强力通风搅拌；④产物在细胞内且产量低；⑤培养的植物细胞常生长成各种大小的团块，增加了悬浮培养的难度等。

植物细胞培养过程的特征

（1）生长缓慢，即使间歇操作也要2-3周，易污染；

（2）坚硬的纤维素细胞壁，耐拉不耐扭，巨大的液泡，抵抗剪切力差；（3）原种难以保存，转接过程中容易产生突变，细胞系退化；（4）目标代谢产物含量低或缺失，在细胞内。

细胞形态分化受到抑制，分化程度低甚至反分化，与之相关的化学特性消失，目标成分含量常低于原来植物中的含量，生产成本高；（5）极少以单细胞形式悬浮存在（6）植物细胞具有结构和功能全能性，具有群体效应及解除抑制性。

微生物细胞培养的特征

（1）细胞小，抗剪切能力高

（2）生长快速，生长过程中比动植物细胞染菌的几率低。

（3）大多数的培养液的粘度较动植物细胞的培养液粘度低。

微生物细胞培养过程特性

（1）大多数的微生物生长迅速。

产物的积累量大。

（2）培养过程中有的需要通入氧气，有不用通入氧气。

5简述酶促反应的特征及其与化学反应、微生物反应的主要区别

酶促反应的特征是来自酶自身的特性。

酶促反应是在常温常压中性范围下（个被除外）条件下进行的，与一些化学反应相比，省能且效率较高；由于酶促反应的专一性，没有或少有副产物生成，有利于提取操作；与微生物反应相比，反应体系较为简单，反应过程的最适条件易于控制。

但是酶促反应也有一些不足之处，，酶促反应多限于一步或者几步较简单的生化反应过程，与微生物反应体系比较起来，在经济上有时间并不理想，酶促反应条件比较温和，但是一般周期都是比较长的，因此增加诱发染菌污染的机会。

6影响固定化酶促反应的主要因素

分子构象的改变；位阻效应；微扰效应；分配效应；扩散效应

7为什么为降低传质阻力要使KLa较大，此时Da准数数值如何？

Da准数物理意义？

Da准数的物理意义是：

最大反应速率与最大传质速率之比。

当Da准数越小，固定化酶表面浓度[S]s越是接近与主体浓度[S]，表明最大传质速率越大于最大反应速率，过程为反应控制；反之，Da准数越大，固定化酶表面浓度[S]s越趋于零，表明最大反应速率越是大于最大传质速率，过程是传质控制。

反应空控制时，表观动力学接近本征动力学；传质控制时，实际动力学接近于扩散动力学。

有时为了降低外部传质阻力，要求Da准数远小于1，有助于提高KLa值较大。

Da准数是决定效率因子ηout和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。

Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CS，ηout越接近于1。

Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零，ηout越小，越趋近于零。

8内外反应阶段传质与反应均是平行进行的吗？

内部传递和反应多数不是串联的过程，而是平行的过程，即底物一边向内扩散，一边进行反应，所以对内部扩散过程的效率因子ηin可以定义为单位时间类按实际反应效率与安颗粒外便面底物浓度计算而得到的反应效率之比。

外部传递和反应是底物边扩散边进行反应。

9细胞膜内的传质过程

营养物质通过细胞膜的传递形式主要有：

A被动传递又称单纯扩散：

营养物通过简单扩散传递，即由浓度梯度所产生由高浓度向低浓度，故不需附加能。

B主动传递又称主动运输：

营养物从低浓度向高浓度的扩散，需消耗能量代谢能。

C促进传递又称促进扩散：

营养物依靠载体分子载体蛋白质或渗透酶的作用而穿过细胞膜。

影响kLa的因素可分为三部分：

A操作变量：

包括温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等；B反应液的理化性质：

包括反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应液的组成成分C反应液的流动状态、发酵类型等；D反应器的结构：

指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。

11生物反应器的放大方法

（1）数学模拟放大；

（2）因次分析法放大；（3）经验法则放大（包括反复实验法、部分解析法放大等）。

好氧生物反应器放大的经验准则有：

A以单位发酵液体积所消耗的功率为准则的方法B以氧的容积传质系数相等为基准的方法C以搅拌器叶端速度相等为基准的方法D以氧的分压相等为基准的方法E以溶解氧浓度相等为基准的方法

12为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？

工程是具有一定规模的人工物品。

它是一个一个的，具有个别性；它是实实在在的，具有实存性。

工程思维的思考方式使得生物学在一定的范围内扩展了很多。

工程思维的特征1、具有很强的综合性。

工程思维所要解决的是工程实际问题，这些问题往往是不确定的，非线性问题。

2、具有很强的实践性。

工程思维是从工程实践和现实生活中提出问题，然后再运用科学理论和工程技术去解决问题。

3、具有创新性。

工程思维在分析，解决问题的过程中，既有概念或设想的孕育、萌生或构思的渐进性积累，又有顿悟、豁然开朗的突跃性飞跃。

现代科学技术与工程活动的密切结合，使得更多的生物学不能解决的问题，再用工程思维的方式方法下，得到了意义的解决。

工程思维在现代生物学上的应用使得现代生物学有了如下了的特征：

A具有系统科学的特征。

工程活动的目的是创造出一个新的、具体的客观实在。

系统科学的理论来自于工程科学，又应用到工程科学，它是工程科学的重要组成。

B具有复杂性科学的特征。

要创造的人工客体，本质上是一个具有复杂结构的整体，这个整体是有众多的子结构及其要素的系统，要把这种不同维度的状态，按照某一特定的目的进行整合，就要处理极其复杂的非线性作用关系，所以，工程科学是一个处理人工复杂事物的科学。

C具有交叉科学的特征。

一个具体的工程对象涉及众多的科学领域，不同科学领域的科学规律都共同作用到同一个工程对象上。

不同领域的科学规律因同一个工程对象，或者工程目的而发生相互的交叉。

D具有综合科学的特征。

工程科学中涉及的各种学科都围绕着一个共同的工程对象展开，需要把工程对象所涉及到的所有学科因素都包容进来，研究在特定工程对象限定下的不同学科的理论和方法的综合问题。

例如中国的“三峡工程”就涉及到地质科学，水力科学，建筑科学，电力电子科学，材料科学，生态科学，经济学，伦理学，社会学等等。

13系统生物学研究框架？

系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。

也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。

显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。

系统生物学，是把孤立的在基因水平、蛋白水平的各种相互作用、各种代谢途径、调控途径等融合起来，用以说明生物整体，高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程。

系统生物学（SystemsBiology）是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分间的相互关系，并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。

系统生物学的基本工作流程：

选择可控生物系统，定量和定性的测量，计算和数学建模，左后又回到选择可控生物系统上做一个循环。

系统生物学的特点是整合性。

信息量庞大。

干涉性，系统的，定向的高通量的进行干涉。