生物反应工程知识点参考.docx
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生物反应工程知识点参考
名词解释
1，返混:
不同停留时间的物料的混合。
2，双膜理论:
作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。
一种关于两个流体相在界面传质动力学的理论
3，构象改变:
在分子生物学里，一个蛋白质可能为了执行新的功能而改变去形状；每一种可能的形状被称为构象，而在其之间的转变即称为构象改变。
4，分配效应:
分配的马太效应（MatthewEffect），是指好的愈好，坏的愈坏，多的愈多，少的愈少的一种现象。
5，酶的固定化技术:
酶固定化技术是通过物理或化学的方法将酶连接在一定的固相载体上成为固定化酶，从而发挥催化作用。
固定化后的酶在保持原有催化活性的同时，又可以同一般催化剂一样能回收和反复使用，可在生产工艺上实现连续化和自动化，更适应工业化生产的需要。
6，结构模型:
就是应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型.
7，固定化酶:
水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。
在催化反应中以固相状态作用于底物。
8，停留时间:
又称寄宿时间，是指在稳定态时，某个元素或某种物质从进入某物到离开该物所度过的平均时间。
9，恒化器：
一种微生物连续培养器。
它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。
这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。
而恒浊器反映的是细胞浊度（浓度）的恒定。
10，恒浊器：
一种连续培养微生物的装置。
可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而使微生物高密度的以恒定的速度生长。
11，生物反应工程：
一个由生物反应动力学与化学反应工程结合的交叉分支学科。
着重解决不同性质的生物反应在不同型式的生物反应器中以不同的操作方式操作时的优化条件
12，连续灭菌：
就是将配制好的培养基在通入发酵罐时进行加热,保温，降温的灭菌过程，也称连消。
13，间歇灭菌：
在100℃条件下，灭菌30分钟，间隔24小时再重复操作三次。
14，有效电子转移：
是指物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移。
15，能量生长偶联型：
当有大量合成菌体材料存在时，微生物生长取决于ATP的供能，这种生长就是能量生长偶联型。
16，能量生长非偶联型：
在ATP的供能充分，而合成细胞的材料受限制时，这种生长就是能量生长非偶联型。
17，不可逆抑制：
抑制剂与酶的必需基团或活性部位以共价键结合而引起酶活力丧失，不能用透析、超滤或凝胶过滤等物理方法去除抑制剂而使酶活力恢复的作用。
18，流加式操作：
能够任意控制反应液中基质浓度的操作方式。
19，代谢工程：
通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。
20，连续培养及稳态：
又叫开放培养，是相对分批培养或密闭培养而言的。
连续培养是采用有效的措施让微生物在某特定的环境中保持旺盛生长状态的培养方法.生理学家把正常机体在神经系统和体液以及免疫系统的调控下，使得各个器官、系统的协调活动，共同维持内环境的相对稳定状态，叫做稳态。
21，反馈流加：
分间接控制，直接控制，定值控制和程序控制等流加培养。
22，高细胞浓度培养：
23，生物反应系统优化：
24，生物反应过程的优化：
公式
1，米氏方程v=Vmax×[S]/（Km+[S]）
2，monod方程
3，停留时间
4，稀释率
5，转化率
6，Da准数
7，内扩散效率因子
8，外扩散效率因子
9，菌体得率
10，菌体得率常数
11，反应器生产能力（分批式）（连续）
12，产物生成比速
13，换热装置的传热面积
14，呼吸商
问答
1，比较米氏方程和monod方程
莫诺方程：
米氏方程：
描述微生物生长
描述酶促反应
经验方程
理论推导的机理方程
方程中各项含义：
μ：
生长比速（h-1）
μmax：
最大生长比速（h-1）
S:
单一限制性底物浓度（mol/L）
KS:
半饱和常数（mol/L）
方程中各项含义：
r：
反应速率（mol/L.h）
rmax：
最大反应速率（mol/L.h）
S：
底物浓度（mol/L）
Km：
米氏常数（mol/L）
适用于单一限制性底物、不存在抑制的情况
适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况
2，比较CSTR和PFR型酶反应器的性能
答：
CSTR代表连续全混流酶反应器。
PFR代表连续活塞式酶反应器。
CSTR型和PFR型酶反应器的性能比较：
1）达到相同转化率
时，PFR型酶反应器所需停留时间较短。
2）在相同的停留时间达到相同转化率时，CSTR型反应器所需酶量要大大高于PFR型反应器。
因此一般来说，CSTR型反应器的效果比PFR型差，但是，将多个CSTR型反应器串联时，可克服这种不利情况。
3）与CSTR型酶反应器相比，PFR型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低，因此，发生底物抑制时，PFR型酶反应器转化率的降低要比CSTR型剧烈得多；而产物抑制对CSTR型酶反应器影响更显著。
3，气体溶解过程的双模理论
答：
当气体与液体相互接触时，即使在流体的主体中已呈湍流，气液相际两侧仍分别存在有稳定的气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜）,而吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体。
4，影响发酵介质流变特性的因素
答：
发酵介质的流变特性主要取决于细胞的浓度和其形态。
一般发酵介质中液相部分粘度较低，但是随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度也相应增大，流体偏离牛顿特性越大。
细胞的形态对发酵介质流动特性也有较大影响，如细胞为丝状形态时会导致发酵介质成为非牛顿型流体。
影响发酵介质流变特性的另一个因素为胞外产物，如产物为多糖，此时细胞的存在对发酵介质的流变特性影响较小，而多糖浓度的高低则对介质的粘度有较大影响。
5，生物反应过程中比氧消耗速率与溶解氧的关系
答：
微生物反应过程中比氧消耗速率和溶解氧浓度间的关系可以通过试验来测定。
从数据可以看出，当[DO]在某一值以上时,[DO]随时间线性减少，其比氧消耗速率qO2与[DO]无关，为一常数；当[DO]在某一值以下时，qO2与[DO]有一定关系，随[DO]的减少，两者呈双曲线关系。
这一值，我们称为临界溶解氧浓度，记为[DO]cri。
讨论：
当时,[DO]随时间线性减少，qo2与[DO]无关。
这意味微生物反应对于DO为0级反应，而与细胞内呼吸系统有关的酶完全被氧所饱和，微生物反应过程成为酶催化反应控制。
进一步，当溶氧浓度大于空气饱和值时，过高的溶氧反而会使微生物生长受到抑制。
当溶氧浓度小于临界溶氧浓度时，比氧消耗速率随溶氧而变化，可认为是由于与呼吸作用有关的酶未被氧饱和，微生物反应成为供氧控制。
多数情况下，比氧消耗速率和溶氧的关系可用米氏方程近似表示：
6，固定化酶促反应的主要因素
（1）分子构象的改变。
酶固定化过程中，酶和载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生变化，导致酶的活力下降。
（2）位阻效应。
指由于载体的遮蔽作用，使酶与底物无法接触。
（3）微扰效应。
是指由于载体的亲水性、疏水性及介电常数等，使固定化酶所处微环境发生变化，导致酶活力的变化。
（4）分配效应。
由于载体内外物质分配不等，影响酶促反应速率。
（5）扩散效应。
底物、产物及其他效应物受传递速度限制，当酶的催化活性很高时，在固定化酶周围形成浓度梯度，造成微环境与宏观环境之间底物、产物的浓度产生差别。
7，比较恒化器和恒浊器
答：
恒化器、恒浊器指的是两种控制方法。
恒化器是通过控制流量而达到相应的菌体浓度。
恒浊器则是通过监测菌体密度来反馈调节流量。
前者通过计量泵、溢流管来保证恒定的流量；后者通过光电池监测细胞密度，以反馈调节流量来保证细胞密度的恒定。
恒化器便于控制，其应用更为广泛。
8，连续培养的应用
答：
由于连续培养存在杂菌污染问题、菌种变异问题、成本问题，使其在生产中的应用受到限制，目前主要用于面包酵母的生产、及污水处理。
连续培养在科研领域有着重要的应用，主要表现在以下几个方面：
（1）利用恒化器测定微生物反应动力学参数。
例如μm、Ks的测定。
（2）确定最佳培养条件。
例如面包酵母生产中最佳葡萄糖浓度的确定。
（3）利用冲出现象进行菌种的筛选。
1.生物反应工程的定义:
一生物反应动力学为基础,将传质过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学方法生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制。
2.生物反应动力学：
主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响。
生物反应器的研究内容：
（1）生物反应器中的传递特质即传质、传热及动量；
（2）生物器的设计与放大；（3）生物反应器的优化与控制，包括优化操作与优化设计。
3.生物反应器的研究内容（1-34）
（1）生物反应器中的传递特性。
（2）生物反应器的设计与放大。
（3）生物反应器的优化与控制。
3.酶促反应中竞争性抑制动力学方程
4.酶促反应中非竞争性抑制动力学方程
5.酶促反应中反竞争性抑制动力学方程
6.判断酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制曲线
竞争型
非竞争型
反竞争型
7.比较酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制Km、rmax的变化
8.双底物酶催化反应的机理有哪些？
随机机制：
两个底物S1和S2随机地与酶相结合，产物P1和P2也随机地释放出来。
许多激酶类的催化机制属于此种。
顺序机制：
两个底物S1和S2与酶结合形成复合物是有顺序的，酶先与底物S1结合形成ES1复合物，然后ES1再与S2结合形成具有催化活性的ES1S2。
乒乓机制：
最主要的特点是底物S1和S2始终不同时与酶结合，其机理式。
转氨酶
9.固定化酶的优点：
（1）可连续稳定地生产产物；
（2）反应产物地纯度高、质量好；
（3）生产的副产物少；
（4）反应的动力学常数、反应的最佳pH和反应温度可能按意愿经固定化调整；（5）固定化酶、细胞在使用时可以再生或回收，可反复使用；
（6）容易实现连续自动控制，节约劳动力；
（7）可大大提高酶、细胞的比生产能力
10.酶固定化的方法：
（1）载体结合法：
将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶性载体上的一种固定化方法。
水不溶性载体：
纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等。
（2）交联法：
利用双功能试剂的作用，在酶分子之间发生交联、凝聚成网状结构，构成固定化酶（细胞）
（3）包埋法：
将酶包埋在微细网格或半透性的聚合膜中，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出，而小分子的底物和产物可自由通过凝胶网格。
包埋法使用的载作主要有聚丙烯酰胺、卡拉胶、琼脂糖和海藻酸钠等。
11.单克莱尔准数物理意义？
（2-2，-46）
Da（Damkohler准数）是C*的函数，其物理意义是最大反应速率与最大传质速率之比。
Da>>1，CS→0,ηout→0过程为外扩散控制
Da<<1CS→C,ηout→1过程为反应控制
12.提高固定化酶外扩散效率,应设法减小Da准数。
减小Da准数的措施？
1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。
2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大
13.西勒准数φ的物理意义：
是表面反应速率与内扩散速率之比。
对各类反应动力学与固定
化酶的形状，普遍化的φ的定义式为:
14.提高固定化酶内扩散效率的措施？
应设法减小φ。
减小φ的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。
15.什么是酶的半衰期？
具有活性的酶浓度降至酶的总浓度一半的时间
16.呼吸商：
CO2生成速率/O2消耗速率
17.细胞得率：
消耗1g基质生成细胞的克数（指干细胞重），Yx/s=生成细胞的质量/消耗基质的质量
18.理想的微生物生长模型应具备条件：
（1）要明确建立模型的目的。
使用模型的目的，与其说是对微生物生长增殖的复杂现象有统一、深刻的理解，不如说是为了进行微生物反应器的设计，找到最佳操作条件和确定出反应过程的合理管理方法。
（2）明确地给出建立模型的假定条件，这样才能明确模型的适用范围
（3）希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定
（4）模型应尽可能地简单。
19.代谢产物的生成动力学的类型
根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，Gaden将其分为三种类型：
（a）相关模型；（b）部分相关模型；（c）非相关模型
相关模型：
是指产物生成与细胞生长呈相关的过程。
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。
例如：
乙醇、葡萄糖酸等。
部分相关模型：
反应产物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。
属于这类的有柠檬酸和氨基酸的生产等。
非相关模型：
产物的生成与细胞的生长无直接关系。
在微生物生长阶段，无产物积累，当细胞停止生长，产物却大量生成。
属于这类的有青霉素等二级代谢产物的生产。
20.分批式操作的特点及其优缺点
特点：
①微生物所处的环境不断变化；②适合于少量多品种的
发酵生产；③发生杂菌污染时终止操作容易；④可比较容易通
过改变处理对策来改变运转条件变化或转产新产品；⑤对原料
组成要求较粗放等。
优点：
①设备制作费用低；②同一设备可进行多种产品生产；③发生杂菌污染或菌种变异概率低等
缺点：
①反应器非生产周期长；②频繁灭菌易使检测装置损伤；③每次培养均要接种导致生产成本增加；④需要非稳定过程控制费用等
21.分批培养产生延迟期的原因
①菌体适应培养基营养的改变；②菌体适应培养基物理环境如温度、pH以及渗透压等的变化等；③培养基中存在抑制剂或接种时带入了一些有害的代谢产物抑制菌体生长；④接入的种子为孢子，孢子发芽需要一定时间；⑤接种静止期或种龄较大的种子。
22.分批培养进入静止期的原因
①培养基中必须的营养物质耗尽；②有害代谢产物的积累；③氧的供应不足；④生长因子不足；⑤生长的空间不够等。
23.补料分批式操作（流加操作）的优缺点
优点：
①同一套设备可进行多种产品生产；②可任意控制反应器中的基质浓度；③可确保微生物所需的环境；④如果能够了解菌体在分批过程中的性质，可获得产物高收率
缺点：
①存在非生产周期；②要较高的投入（需要控制和高价的检测装置）；③人员操作加大了污染的危险；④由于频繁染菌，易使检测装置损伤。
24.连续式操作的优缺点
优点：
①可维持稳定的操作条件，从而使产率和产品质量保持相应稳定；
②能够有效实现机械化和自动化，降低劳动强度，减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；③减少设备清洗、准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备的利用率，节省劳动力和工时；④可减少灭菌次数，延长测量仪器探头的寿命；⑤容易对过程进行优化，有效地提高发酵产率
缺点：
①对设备、仪器及控制元器件的技术要求较高，从而增加投资成本；②开放的系统和长周期发酵，易造成杂菌污染；③长周期连续发酵易发生微生物变异，生长慢的高产菌株可逐渐被生长快的低产变异菌株取代，从而降低产率；④丝状菌体易附着在器壁上和在发酵液中结团，造成连续操作的困难。
25.临界稀释率
临界稀释率DCri稀释率的改变并不是无止境的，而是有一个限度的；增大稀释率会造成菌体浓度下降，如果超过临界稀释率（DCri），则会出现“洗光”（washout）现象
26.氧传递的停滞膜模型的基本论点是（6-53）
A.在气液两相间存在界面，界面两旁具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜。
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.在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡（空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态），即界面上不存在氧传递阻力
C.在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到阻力仅存在于两层滞流膜中
27.影响氧传质速率的因素（6-59）
根据氧传递速率方程：
OTR=kLa（C*−C）
28.影响氧的溶解度因素（6-60）
增加罐压；增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。
29.影响气液比表面积（a）的因素（6-62）
气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及气泡的大小。
截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比表面积就越大。
30.影响氧传质系数kLa的因素（6-64）和（6-84）
搅拌：
采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。
空气线速度：
空气的线速度增大，增加了溶氧，氧传递系数KL相应地也增大。
过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。
空气分布管：
空气分布管的型式、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置对氧溶解速率有较大的影响。
培养液的性质：
微生物的生命活动，引起培养液的性质的改变，特别是粘表面张力、离子液度、密度、扩散系数等，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数KL带来很大的影响。
发酵液粘度：
的改变还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传递系数KL。
当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传递系数KL就降低。
发酵液中泡沫的大量形成会使菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响到氧传递系数。
表面活性剂：
培养液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使氧传递系数KL等发生变化，
离子强度：
一般在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。
在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传递系数KL比水大，而且随电解质浓度的增加，KL也有较大的增加。
菌体浓度：
影响kLa的因素可分为三部分：
操作变量：
包括温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等；
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、反应液的流动状态、发酵类型等；
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。
31.化学法测定溶解氧（6-73）
碘量法（GB7489-87）
MnSO4+2NaOH=Mn（OH）2↓+Na2SO4
2Mn（OH）2+O2=2H2MnO3
H2MnO3十Mn（OH）2＝MnMnO3↓+2H2O（棕色沉淀）
加入浓硫酸使棕色沉淀（MnMn03）与溶液中所加入的碘化钾发生反应，而析出碘，溶解氧越多，析出的碘也越多，溶液的颜色也就越深。
2KI+H2SO4=2HI+K2SO4
MnMnO3+2H2SO4+2HI=2MnSO4+I2+3H2O
I2+2Na2S2O3=2NaI+Na2S4O6
再以淀粉作指示剂，用硫代硫酸钠滴定释放出的碘，来计算溶解氧的含量
32.提高氧传递速率Na的途径
提高氧传递速率Na的两条途径：
一是提高氧传质推动力（C*-C）;二是提高kLa值。
33.停留时间（7-40）：
τ是指反应物料进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。
34.选择性选择性（7-43）：
Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为目的产物的比率。
35.生物反应器的放大方法（7-79）
生物反应器的放大方法可分为:
（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）。
36．Monod方程建立的几点假设是什么？
Monod方程与米氏方程主要区别是什么？
最基本假设：
微生物生长中，生长培养基中只有一种物质的浓度（其它组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性（生长）基质。
并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。
米氏是机理方程，而Monod方程是经验性方程。
（仅供参考）
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