影响KLa的因素
实验三__氧转移系数KLa的测定
实验三 氧转移系数K La 的测定一、实验目的1、掌握曝气装置的充氧机理2、学会测定曝气装置的氧总转移数K La3、掌握影响氧总转移数K La 的主要因素 二、实验原理曝气的作用是向液相供给溶解氧。
氧由气相转入液相的机理常用双膜理论来解释。
双膜理论是基于在气液两相界面存在着两层膜（气膜和液膜）的物理模型。
气膜和液膜对气体分子的转移产生阻力。
氧在膜内总是以分子扩散方式转移的，其速度总是慢于在混合液内发生的对流扩散方式的转移。
所以只要液体内氧未饱和，则氧分子总会从气相转移到液相的。
单位体积内氧转速度率为：)(C C a K dt dcs L -= （公式1）dc/dt ——单位体积内氧转速率（公斤/米3·时） K La ——液相中以浓度差为动力的总转移系数（时-1） Cs ——液相氧的饱和浓度（公斤/米3） C ——液相内氧的实际浓度（公斤/米3） 对公式1进行积分得21121log31.2t t C C C C a K s s L -⨯--=C 1、C 2为在t 1、t 2时所测得的溶解氧浓度（公斤/米3） 本实验既是对清水进行曝气充氧，从而得到K La 和Cs 。
清水（在现场用自来水或曝气池出流的清液）一般含有溶解氧，通过加入无水亚硫酸钠（或氮气）在氯化钴的催化作用下，能够把水体中的溶解氧消耗掉，使水中溶解氧降到零，其反应式为：42232221SO Na O SO Na CL C o −−→−+通过使用空气压缩机或充氧泵把空气中的氧气打入水体，使水体系的溶解氧逐渐提高，直至溶解氧升高到接近饱和水平。
三、实验设备和试剂1、氧传递系数K La 测定实验装置1套；2、空气压缩机或充氧泵1台；3、秒表1只；4、1升量筒、长玻棒、虹吸管、洗耳球各1只；5、无水亚硫酸钠1瓶；6、氯化钴1瓶；7、溶解氧测定装置（DO 测定仪）1台或碘量法测定溶解氧装置一套（含相关试剂）； 8、台式天平（0.1g ）1个。
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。
通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
一、溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。
溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。
因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。
最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。
根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。
第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。
因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。
第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。
发酵工程重点
名词解释发酵工程：指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。
高通量筛选：是指将许多模型固定在各自不同的载体上，用机器人加样，培养后，用计算机记录结果，并进行分析，实现快速、准确、微量的筛选菌株的方法。
细胞工程育种：在细胞水平上对菌种进行操作，采用杂交、接合、转化和转导等遗传学方法，将不同菌种的遗传物质进行交换重组，使不同菌种的优良性状集中在重组体重，从而提高产量。
主要有杂交育种和原生质体融合育种。
杂交育种：指将两个基因型不同的菌株经吻合是遗传物质重新组合，从中分离筛选出具有新型性状的菌株。
营养缺陷性标记：微生物经诱变处理后产生的一种突变体，需要在培养基上添加一种特定的有机物才能很好的生存，为筛选该菌株而适当添加的遗传标记。
菌种退化：指生产菌种或选育菌种过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。
理论转化率：指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，得出转化率大小。
实际转化率：指发酵试验所得转化率的大小。
种子培养：指将冷冻干燥管、沙土管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量的纯种的过程。
接种龄：指种子罐中培养的菌丝体转入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。
接种量：指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。
表观得率：指对底物的总消耗而言的细胞得率。
理论得率：指仅用于细胞生长所消耗底物而言的细胞得率。
呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量。
用Qo2表示。
耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，也称摄氧量。
用γ表示。
高密度发酵：指工程菌在短时间内迅速分裂增殖，使菌体浓度迅速升高的过程。
重点部分：发酵工程技术的发展史1、1900年以前，自然发酵阶段。
酿造生产酒、醋等。
2、1900—1940，科赫建立微生物分离纯化和纯培养技术，创造了单细胞纯培养法。
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
发酵神题
填空题第一章1. 按微生物生长代谢需氧情况，发酵可分为需氧和厌氧两大类。
2. 发酵工艺的主要过程包括菌种选育及管理、培养基制备种子扩培发酵过程控制发酵产物纯化3. 工业发酵的发展经历了以下几个阶段：天然发酵阶段、纯培养技术的建立、通气搅拌发酵技术的建立、代谢控制发酵技术的建立、开拓新型发酵原料时期、基因工程段。
4. 利用微生物生产单细胞蛋白（SCP）的优点有生长繁殖迅速、营养价值高、原材料来源广泛。
第二章1. 微生物育种包括自然选育、杂交育种、诱变育种和分子育种育种。
2.人们发现某些经紫外照射过的放线菌孢子，如果在可见光下培养时，存活数显然大于在黑暗中培养的同一样品。
这种现象称为光复活作用。
3.微生物细胞经过延迟期进入对数生长期。
菌体开始生长繁殖，生长速度迅速增加，达到对数并保持相当长的时间。
细胞数目以对数增加。
4.自发突变的频率较低，如果通过诱变处理就可以大大提高菌种的突变频率，这种方法称为诱变育种。
5.保藏菌种的方法有低温保藏法，液体石蜡保藏法, 沙土保藏法。
6.工业发酵常见的微生物有细菌，酵母，霉菌，放线菌。
7.获得纯种分离的方法有：划线分离法、稀释分离法、组织分离法等方法。
8.通常，放线菌最适pH值的范围为7.0-7.2，酵母菌的最适pH范围为6.0-6.5，霉菌的最适pH 范围是6.0-6.5。
9. 筛选新菌种的具体步骤大体可分为采样、增殖培养、纯种分离、发酵试验、性能测定等。
第三章1．工业培养基按用途分可分为孢子培养基, 种子培养基和发酵培养基三种类型。
2. 培养中速效碳是指葡萄糖，速效氮是指无机氮。
3.工业发酵培养基的成分有碳源、氮源、水以及生长因子，无机盐，前体。
4. 碳源物对微生物的功能是生长原料、能源_，微生物可用的碳源物质主要有_糖类、脂肪、有机酸、醇、碳氢化合物_等。
5. 微生物利用的氮源物质主要有_黄豆粉、玉米浆、蛋白胨，尿素、硫酸铵_等。
6. 生长因子主要包括维生素、氨基酸和嘌呤。
7 微生物工程 第七章 发酵工业中氧的供给
温度→影响酶活及溶氧：T ↑, CL ↓
代谢类型(发酵类型)的影响 若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 谷氨酸、天冬氨酸 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小 苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸
（4）溶解氧控制的意义
重点1
溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不
同的（发酵不同阶段需氧要求不同）。
* w * m * w * nj
Cm*—氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3
溶质↑ ， Cm*↓
（3）溶剂
通常溶剂为水;
氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。
可合理添加有机溶剂降低水的极性，增加溶解
氧浓度。
（4）氧分压
一、提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧
分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一 定限度的（CO2 浓度↑，不利于发酵）。
t—温度,℃
Cw*： 与空气平衡时水中的氧浓度
T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
（2）溶质 A、电解质
1)对于单一电解质
C lg KCE C
* w * e
(CE , C )
* e
Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3
CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3
B. 非电解质
C lg KCN C
* w * n
(CN , C )
* n
Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN—非电解质或有机物浓度, kg/m3 K—非电解质的Sechenov常数, m3/kg
C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加
C C lg hi I i lg C C i j
生化工程复习题新的
生化工程复习题一、名词解释（每小题3 分）(1)对数残存定律：在灭菌过程中，微生物的受热死亡遵循分子反应速度的理论。
微生物数量由于受到温度的影响而随着时间的增加逐渐减少。
也即菌的减少速率（即微生物的死亡速率）与任何一瞬间残存的菌数成正比，这就是对数残存定理。
(2)全挡板条件：指能达到消除液面漩涡的最低条件。
即在一定转速下再增加罐内挡板（或附件）数也不会改善搅拌效果。
(3)临界稀释率Dc : Dc=μmaxS F/(K S+S F) 当菌体在培养基中达到最大比生长速率，反应器中的菌体通过稀释度被“清洗出罐”，此时的D定义为临界稀释率。
（不一定对）(4).能量生长非偶联型：ATP过量存在，而合成细胞的材料不足，成为限制因素，或者存在生长抑制物，这时ATP不能充分和有效地被用于生物细胞的合成，过量的ATP会被相应的酶水解，能量以热量方式释放。
这种生长称为能量生长非偶联型。
（当缺少合成菌体的材料或存在生长抑制物质，这时的生长取决于合成菌体材料的供应或合成反应的进程，这种生长就是能量非偶联型生长。
(5)返混：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。
(6 )K L a ：体积溶氧系数K L a是液膜传质系数K L与气液比表面积a的乘积，或称为体积传质系数。
体积溶氧系数是发酵工程学中的重要概念，是发酵过程中溶解氧水平的重要参考水平。
(7)固定化酶分配效应：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，而主体溶液则为宏观环境。
在反应系统中，由于载体和底物的疏水性、亲水性以及静电作用，经常引起微环境与宏观环境之间不同的性质，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。
(8）细胞的比生长速率：（以单位细胞浓度为基准的细胞生长速率）每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。
它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。
(9）牛顿型流体和非牛顿型流体：牛顿流体为没有颗粒的混合单一的流体，其剪切应力与剪切速率成正比粘度不随剪切速率的变化而变化的符合牛顿黏性定律的流体。
体积传质系数kla
体积传质系数kla身处当今这个信息化和科技进步飞速的时代，许多人可能已注意到环境问题的复杂性和严重性。
而在解决环境问题的过程中，人们通常需要进行海量数据的收集和处理。
其中，体积传质系数kla是一个重要的参数之一，本篇文章将从该参数的定义、应用和测量等方面进行详细的探讨。
一、什么是体积传质系数kla？体积传质系数kla通常用于描述气液体系中气体的传质速率。
它的定义是指单位时间内单位体积的气体传到液体中的质量，与气体在液体中达到平衡所需的时间成反比。
通俗地讲，kla衡量了气体转移到液体中的速度和效率。
在环保领域中，环境工程师通常使用kla来描述生物反应器内甲烷、氧、二氧化碳、硫化氢、氨和氮气等气体的传质速率。
这些气体的传质速率对生物反应器的性能有着重要的影响。
二、kla的应用1. 生物反应器的设计在生物反应器中，kla是一个重要的设计参数，它能够影响到反应器内微生物生长的速率和环境条件。
在反应器设计中，kla的数值需要根据微生物的生长特性和反应器中其他参数来确定。
2. 污水处理和废气治理人们通常利用生物反应器来处理污水和废气，其中kla是一个关键的调节因素。
适当的kla可以促进微生物的生长和代谢活动，进而提高污水或废气的去除效率。
3. 生物医学工程在生物医学工程中，kla被广泛用于氧输送系统和生物反应器的设计中。
在血液氧合作用中，kla也被用于评估替代氧输送装置的效率和安全性。
三、如何测量kla？kla的测量通常采用溶氧变化法，即通过测量液相中溶解氧的浓度变化来确定kla的数值。
1. 批处理法批处理法是一种简单直接的测量kla的方法。
该方法中，溶氧仪能够实时监测液相中溶解氧的浓度变化。
将溶解氧浓度与时间绘制成图形后，可以通过计算溶解氧的消耗和补充量来计算kla。
2. 传输系数法传输系数法是另一种常用的测量kla方法，在该方法中使用装置测量饱和系统（气体和液体）间的气体传递，将kla的测量与气体传输系数与界面的面积和液体及气体相的平衡差异等参数联系起来，从而确定kla的值。
最新生物反应工程考试试卷标准答案
生物反应工程考试试卷标准答案一、名词解释(10分)流加式操作：先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。
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。
返混：不同停留时间的物料的混合，称为返混。
搅拌器轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质的阻力所需用的功率，简称轴功率。
它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率。
酶的固定化技术：是指将水溶性酶分子通过一定的方式如静电吸附、共价键等与载体结合，制成固相酶的技术。
二、请列出下列物理量的数学表达式 (10分)停留时间：fV =τ 呼吸商：22/O CO Q Q RQ = 稀释率：VF D =Da 准数： mmN r Da =转化率：00S S S t-=χ 三、判断题(10分)1、单罐连续培养稳态下，D=μ。
( √ )2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。
( √ )3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。
( ⨯ )4、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da 准数越大，外扩散效率越高。
( ⨯ ) 5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。
( ⨯ )四、图形题（15分）图1为酶促反应1/r ~1/S 曲线，指出曲线Ⅰ、Ⅱ中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑制情况。
图2为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。
图1 图2图3为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率D crit 和最大生产强度下的稀释率D m 。
图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？图3 4S crit 如图所示。
若S<S crit ，此基质为限制性基质ⅠⅡ1/rSXDX五、简答题 （25分）1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？答：莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示。
当进行工艺放大时,“细胞”都在谈论什么？
当进行工艺放大时，“细胞”都在谈论什么？关键词：P/V；Mixing time；K L a；CO2 stripping细胞培养的小试工艺确定后，如何保证规模扩大后细胞生长、产品产量及质量的稳定性是一个新的考验。
简单的说，工艺放大主要是保证细胞所处的环境不变，那么工艺放大过程中“细胞”在意的主要有哪些参数？影响细胞环境的参数主要有：P/V、Mixing time、K L a和CO2 stripping。
工艺放大时常会根据这些参数进行放大，但有时不仅依靠单一因素进行放大，还会将两个或多个因素结合起来进行放大。
P/V单位体积功耗比（P/V，Power / V olume），一定程度表示混合程度，P/V值直接影响物料混合及传质。
P/V分为平均P/V和最大P/V，平均P/V可以测定反应器的总输入功率，最大局部P/V表现最高比能量耗散速率。
工艺放大时P/V可以单独使用，也可以与k L a、vvm一起使用。
P/V计算公式如下：其中，P o：功率指数；ρ：液体密度（kg/m3）；N：搅拌速率（s-1）；Di：搅不同规模反应器参考参数（图表来源：A-Mab Cass Study）Mixing time表征体系达到均质所需的时间，通过体系中添加一种标记物（如，盐、染料、放射性材料等）时，测定其达到95%均质状态所需的时间，即为混合时间。
为使测量模型更适应于细胞培养环境，推荐使用NaOH作为标记物，测量过程中采用两个pH电极测两个不同点的pH值，pH安装及NaOH添加位置如下图。
电极安装及NaOH添加位置（图表来源：Scale-Up Analysis for a CHO Cell CultureProcessin Large-Scale Bioreactors）下面图A表示标记物NaOH添加后，通过pH（上面和下面的探头）的变化表示体系从均质变为非均质，再变为均质的过程。
图B为混合时间的计算方法，t=(t1+t2)/2。
影响供氧的主要因素
影响供氧的主要因素有KLa 和氧传递推动力C*-CL（N＝K La(C*-C L)）。
一、影响氧传递推动力C*-CL的因素1.提高饱和溶氧浓度C*的方法①降低培养温度②降低培养基中营养物质的含量，实际生产中存在较大局限③提高氧分压提高罐压、向发酵罐通纯氧④富集氧：空气通过吸附氮气的介质，相对提高空气中的氧分压，此方法在中试时值得研究。
2.降低发酵液中的CL ：①减少通气量②降低搅拌转速注意： CL不能低于C临界，此种方法不理想二、影响液相体积氧传递系数KLa的因素K La ＝K[(P/V)α (Vs) β(ηapp) -ω]P/V—单位体积发酵液实际消耗的功率（指通气情况下,）kW/m3Vs—空气直线速度，m/hηapp—发酵液表观粘度，(kg·s)/m2ωβα—指数，与搅拌和空气分布器的形式等有关。
一般通过实验测定；K—经验常数1.搅拌效率的影响发酵罐内装搅拌器的作用：①使罐温和营养物质浓度均一，使组成发酵液的三相系统充分混合②把引入发酵液中的空气分散成小气泡，增加气液接触面积，提高KLa③强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的流体阻力，提高氧转移速率④减少菌丝结团，有利于菌体对氧的吸收，还可尽快排除细胞代谢的“废气”“废物”⑤搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升，而是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增加了气液接触时间。
注意：搅拌速度不可过快，剪切力增大会损伤菌体2.空气流速KLa随空气流速增加而增加，β约为0.4~0.72，但当空气流速过大时，搅拌器会出现“气泛”现象，这时浆叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴的周围逸出，使得搅拌效率和溶氧速率大大降低，KLa不再增加。
气泛：在特定条件下，通入发酵罐内的空气流速达某一值时，使搅拌功率下降，当空气流速再增加时，搅拌功率不再下降，此时的空气流速称为“气泛点”（Flooding point）。
3.发酵液理化性质的影响K La 与ηapp呈反比，说明发酵液的流变学性质是影响KLa的主要因素之一。
发酵设备发酵罐中影响Kla值因素
液相中的气泡结合，形成更大的气泡以减小比表 面积，从而降低传氧速率。为减少消泡剂的用量，
必须控制发酵罐中适当的液体的高度）
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发酵罐中影响 Kla 值因素主要有以下几点：
1.空气流率
1）机械搅拌发酵罐（液泛即由于空气流速
和搅拌转速不匹配，流体流动以空气流为主的现 象，当下部搅拌器所消耗的能量与通气所消耗的
能量达到平衡时可避免发生液泛）
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2）非机械搅拌通风发酵罐：分泡柱式和气 升式，依靠空气来进行混合和通风（在泡柱式发
酵罐中，当罐截面空气与速度低于 1-4 ㎝· S-1
时，气泡均匀上升，只是在气泡流速减缓时才发
生气液混合，这种流型称为均匀型；在高的气速 下，在发酵罐的底部产生的气泡不均匀，气泡聚
合导致不同部位液体的密度不同，由于液体密度
不同而产生的循环流动，称为不均匀型）
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2.搅拌程度
1）搅拌能够形成小气泡，有助于分散空气， 从而增加传氧面积
2）搅拌能够延迟气泡从液体中溢出
3）搅拌能防止气泡的聚合
4）搅拌可使发酵液产生湍流，从而能够减
别离人心伤，伤心人断厚度
3.培养基和发酵液的流变特性（消泡剂一般
是表面活性剂，在消泡剂破碎气泡的同时还会和
实验三 摇瓶装液量对发酵的影响
五、 实验报告
1. 记录实验结果，并选择出最佳装液量 记录实验结果，
装液量（mL） 装液量（mL） 20 30 50 70 90
抑菌圈直径（mm） 抑菌圈直径（mm）
2. 下一个实验：发酵培养基初始pH对发酵的影响 下一个实验：发酵培养基初始pH对发酵的影响
四、实验步骤
1.菌种活化 1.菌种活化 2. 斜面菌种的扩大培养 3.液体菌种培养基的配置 3.液体菌种培养基的配置 4.液体菌种接种 4.液体菌种接种 5.液体菌种振荡培养 5.液体菌种振荡培养 6.不同装液量（10mL、30mL、50mL、70mL、 6.不同装液量 10mL、30mL、50mL、70mL、 不同装液量（ 90mL） 90mL）发酵培养基的配制 7.发酵培养基接种和振荡培养 7.发酵培养基接种和振荡培养 8.用琼脂扩散法检测不同装液量情况下，抗菌物 8.用琼脂扩散法检测不同装液量情况下 用琼脂扩散法检测不同装液量情况下， 质产生情况，选择出最佳装液量。 质产生情况，选择出最佳装液量。
二、 基本原理
在发酵过程中有多方面的限制因素， 在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成 为控制因素。影响摇瓶kla的因素为摇瓶装液量和摇 为控制因素。影响摇瓶 的因素为摇瓶装液量和摇
瓶机的种类。在摇瓶发酵时，装液量越少， 瓶机的种类。在摇瓶发酵时，装液量越少，传氧 系数越大。但是，由于装液量少， 系数越大。但是，由于装液量少，在发酵过程中 增加发酵液的蒸发等。所以在摇瓶发酵时， 增加发酵液的蒸发等。所以在摇瓶发酵时，需要 对摇瓶装液量进行研究，找出最佳状液量。 对摇瓶试验材料和用具
1.培养皿、试管、移液管、三角瓶、摇床 1.培养皿、试管、移液管、三角瓶、 培养皿 2. 培养基 发酵培养基为葡萄糖15g/L、蛋白胨10g/L 发酵培养基为葡萄糖15g/L、蛋白胨10g/L 、 氯化钠30g/L 复合盐A 20mL/L、 氯化钠30g/L 、复合盐A液20mL/L、复合 1mL/L、 7.0。 盐B液1mL/L、pH 7.0。 斜面培养基和种子培养基为ISP2 斜面培养基和种子培养基为ISP2 3. 接种工具、酒精灯、天平、培养箱等。 接种工具、酒精灯、天平、培养箱等。
实验三__氧转移系数KLa的测定
.. 实验三 氧转移系数K La 的测定一、实验目的1、掌握曝气装置的充氧机理2、学会测定曝气装置的氧总转移数K La3、掌握影响氧总转移数K La 的主要因素 二、实验原理曝气的作用是向液相供给溶解氧。
氧由气相转入液相的机理常用双膜理论来解释。
双膜理论是基于在气液两相界面存在着两层膜（气膜和液膜）的物理模型。
气膜和液膜对气体分子的转移产生阻力。
氧在膜总是以分子扩散方式转移的，其速度总是慢于在混合液发生的对流扩散方式的转移。
所以只要液体氧未饱和，则氧分子总会从气相转移到液相的。
单位体积氧转速度率为：)(C C a K dt dcs L -= （公式1）dc/dt ——单位体积氧转速率（公斤/米3·时）K La ——液相中以浓度差为动力的总转移系数（时-1）Cs ——液相氧的饱和浓度（公斤/米3）C ——液相氧的实际浓度（公斤/米3） 对公式1进行积分得21121log31.2t t C C C C a K s s L -⨯--=C 1、C 2为在t 1、t 2时所测得的溶解氧浓度（公斤/米3） 本实验既是对清水进行曝气充氧，从而得到K La 和Cs 。
清水（在现场用自来水或曝气池出流的清液）一般含有溶解氧，通过加入无水亚硫酸钠（或氮气）在氯化钴的催化作用下，能够把水体中的溶解氧消耗掉，使水中溶解氧降到零，其反应式为：42232221SO Na O SO Na CL C o −−→−+通过使用空气压缩机或充氧泵把空气中的氧气打入水体，使水体系的溶解氧逐渐提高，直至溶解氧升高到接近饱和水平。
三、实验设备和试剂1、氧传递系数K La 测定实验装置1套；2、空气压缩机或充氧泵1台；3、秒表1只；4、1升量筒、长玻棒、虹吸管、洗耳球各1只；5、无水亚硫酸钠1瓶；6、氯化钴1瓶；7、溶解氧测定装置（DO 测定仪）1台或碘量法测定溶解氧装置一套（含相关试剂）； 8、台式天平（0.1g ）1个。
9、脱氧水的配制：于1000ml 自来水中加入0.8ml10%Na 2SO 3配制而成。
生物反应工程复习重点无习题
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。
生物工程设备复习题
生物工程设备(发酵设备）复习题烟台大学（2011级)一、单项选择题（每题1分）1。
目前啤酒厂的圆筒锥底发酵罐内采用 C 。
A。
圆盘平直叶涡轮搅拌器 B。
螺旋浆式搅拌器 C. 无搅拌器 D. 锚式搅拌器2。
好气性发酵工厂，在无菌空气进入发酵罐之前 C ,以确保安全.A。
应该安装截止阀 B. 应该安装安全阀C。
应该安装止回阀 D。
不应该安任何阀门3. 锥形啤酒发酵罐换热的蛇管在发酵罐外,蛇管内用 B 与罐内的啤酒发酵醪进行热交换.A。
蒸气 B。
酒精 C. 冷凝水 D。
热水4。
气升式发酵罐的优点是无需 B 。
A. 空气过滤系统B. 搅拌器 C。
空气喷嘴 D。
罐外上升管5。
发酵罐的公称体积是指 BA筒身体积 B筒身体积+底封头体积C筒身体积+上封头体积 D筒身体积+上封头体积+底封头体积6。
发酵罐设计时,首先需要确定的尺寸是 BA 发酵罐筒体高度 B发酵罐直径 C 发酵罐封头高度 D搅拌器尺寸7。
机械搅拌通风发酵罐不需要的构件是 DA 搅拌器 B消泡器 C 换热器 D导流筒8。
下列发酵设备中,装料系数最低的是： CA酒精发酵罐 B气升环流式发酵罐 C自吸式发酵罐 D通风搅拌发酵罐9. A 是靠搅拌器提供动力使物料循环、混合。
A搅拌式反应器 B气升式反应器 C自吸式发酵罐 D啤酒发酵罐10. B 是以通入的空气提供动能，产生液体密度差使物料循环混合，实现传质传热. A搅拌式反应器 B气升式反应器 C自吸式发酵罐 D啤酒发酵罐11。
一般而言, A 微生物发酵，受搅拌剪切的影响较明显。
A丝状 B球状 C杆状 D植物细胞12. A 是决定搅拌剪切强度的关键。
A搅拌叶尖线速度 B搅拌叶轮尺寸 C搅拌叶轮转速 D搅拌功率13。
以 C 的准则是在以丝状菌体发酵时进行机械搅拌通风发酵罐的放大时,必须考虑的准则之一.A体积溶氧系数相等 B以P0/VL相等 C搅拌叶尖线速度相等 D 混合时间相等14. 液气比是反映通气量大小的一个指标,其定义是 B 。
影响KLa的因素
而影响溶氧，可以添加适当的消泡剂。 但过多的消泡剂的聚集以及某些消泡剂有
毒性，都要注意
（5）微生物生长的影响
发酵液细胞浓度增加，会使KLa的值减小。 菌丝体的形态不同也会影响Kla值。即流动特
征系数。
（5）消沫剂
消沫剂：降低氧的传递速率。 在发酵过程中，由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫。如
（2）空气流量 ✓ 当增加通风量时，空气线速度相应增大，
传质系数KLa相应增大，从而增大溶氧 ✓ 但过大的线速度，因搅拌来不及打散气泡
（“气泛”现象），几乎对溶氧的改善不 大。
因此要控制空气流量，使搅拌轴附近液面没有 大的气泡溢出
（3）培养液性质的影响
影响KLa的理化性质主要有密度，黏度，表 面张力等
（1）物理消泡法： 机理：依靠机械的强烈振动，压力的变化，促使气泡破裂， 或借机械力将排出气体中的液体加以分离和回收
（2）化学消泡法：
机理：消泡剂为表面活性剂，造成气泡膜局部机械强度降低 ，力的平衡 受到破坏，在力的作用下气泡破裂、合并，最后 导致泡沫破裂。
6、离子强度的影响
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电解质溶液中生成的气泡比水中的要小得多。 增加液体与氧的接触面积或提高氧分压来提高溶氧速
率。 提高溶氧的具体措施：
（1）浅层液体培养。 （2）利用往返式或旋转式摇床对三角瓶培养物作振 荡培养。 （3）深层液体培养液中通入加压空气。 （4）机械搅拌
谢谢观看！
结束语
谢谢大家聆听！！！
12
影响KLa的因素
微生物对氧的需求 发酵液中氧的供给 影响KLa的因素（供氧的调节） 与溶氧相关的参数测定 发酵过程中溶氧）搅拌 ➢ 搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并
实验三__氧转移系数KLa的测定
实验三 氧转移系数K La 的测定一、实验目的1、掌握曝气装置的充氧机理2、学会测定曝气装置的氧总转移数K La3、掌握影响氧总转移数K La 的主要因素 二、实验原理曝气的作用是向液相供给溶解氧。
氧由气相转入液相的机理常用双膜理论来解释。
双膜理论是基于在气液两相界面存在着两层膜（气膜和液膜）的物理模型。
气膜和液膜对气体分子的转移产生阻力。
氧在膜内总是以分子扩散方式转移的，其速度总是慢于在混合液内发生的对流扩散方式的转移。
所以只要液体内氧未饱和，则氧分子总会从气相转移到液相的。
单位体积内氧转速度率为：)(C C a K dt dcs L -= （公式1）dc/dt ——单位体积内氧转速率（公斤/米3·时）K La ——液相中以浓度差为动力的总转移系数（时-1）Cs ——液相氧的饱和浓度（公斤/米3）C ——液相内氧的实际浓度（公斤/米3） 对公式1进行积分得21121log31.2t t C C C C a K s s L -⨯--=C 1、C 2为在t 1、t 2时所测得的溶解氧浓度（公斤/米3） 本实验既是对清水进行曝气充氧，从而得到K La 和Cs 。
清水（在现场用自来水或曝气池出流的清液）一般含有溶解氧，通过加入无水亚硫酸钠（或氮气）在氯化钴的催化作用下，能够把水体中的溶解氧消耗掉，使水中溶解氧降到零，其反应式为：42232221SO Na O SO Na CL C o −−→−+通过使用空气压缩机或充氧泵把空气中的氧气打入水体，使水体系的溶解氧逐渐提高，直至溶解氧升高到接近饱和水平。
三、实验设备和试剂1、氧传递系数K La 测定实验装置1套；2、空气压缩机或充氧泵1台；3、秒表1只；4、1升量筒、长玻棒、虹吸管、洗耳球各1只；5、无水亚硫酸钠1瓶；6、氯化钴1瓶；7、溶解氧测定装置（DO 测定仪）1台或碘量法测定溶解氧装置一套（含相关试剂）； 8、台式天平（0.1g ）1个。
生化反应工程原理简答题
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？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)。
⑴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。
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微生物对氧的需求 发酵液中氧的供给 影响KLa的因素（供氧的调节） 与溶氧相关的参数测定 发酵过程中溶氧监控的意义
2、影响KLa的因素
（1）搅拌 ➢ 搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并
且气体螺旋式上升，延长了接触时间，从 而提高氧的溶解率。
改变搅拌速率对溶解氧的影响效果大，但搅拌剪切力不易过大。
率。 提高溶氧的具体措施：
（1）浅层液体培养。 （2）利用往返式或旋转式摇床对三角瓶培养物作振 荡培养。 （3）深层液体培养液中通入加压空气。 （4）机械搅拌
谢谢观看！
发酵液的表观黏度越大，KLa越小 生成大量的泡沫，易于菌体形成乳浊液，
而影响溶氧，可以添加适当的消泡剂。 但过多的消泡剂的聚集以及某些消泡剂有
毒性，都要注意
（5）微生物生长的影响
发酵液细胞浓度增加，会使KLa的值减小。 菌丝体的形态不同也会影响Kla值。即流动特
征系数。
（5）消沫剂
消沫剂：降低氧的传递速率。 在发酵过程中，由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫。如
（2）空气流量 ✓ 当增加通风量时，空气线速度相应增大，
传质系数KLa相应增大，从而增大溶氧 ✓ 但过大的线速度，因搅拌来不及打散气泡
（“气泛”现象），几乎对溶氧的改善不 大。
因此要控制空气流量，使搅拌轴附近液面没有 大的气泡溢出
（3）培养液性质的影响
机理：依靠机械的强烈振动，压力的变化，促使气泡破裂， 或借机械力将排出气体中的液体加以分离和回收
（2）化学消泡法：
机理：消泡剂为表面活性剂，造成气泡膜局部机械强度降低 ，力的平衡 受到破坏，在力的作用下气泡破裂、合并，最后 导致泡沫破裂。
6、离子强度的影响
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电解质溶液中生成的气泡比水中的要小得多。 增加液体与氧的接触面积或提高氧分压来提高溶氧速
果在较稠厚的发酵液中形成流态性泡沫，是难以消除的，其 中的气体就很难得到及时的更新，直接影响微生物的呼吸。
用消沫剂可以消除泡沫，改善气液体混合效果，提高氧的传递速 率。但过多的消沫剂会聚集于细胞表面上，阻碍菌体对氧和营养 物质的吸收。因此，消沫剂的用量应控制。
发酵过程泡沫的变化
5、泡沫的检测和控制