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？

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