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－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－深层培养技术建立➢1928年英国弗莱明发现点青霉可以产生抑制葡萄球菌生长的青霉素➢20世纪40年代：青霉素的大量需求－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、无菌空气的制备技术及大型生物反应器灭菌技术，促进了生物制品的大规模工业化－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（Biochemical Engineering）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：微生物受热死亡的活化能ΔE比营养成分受热分解的活化能ΔE’大。

ΔE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。

养分虽因温度增高破坏也增加，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V< V c 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，由于摩擦黏附作用被纤维阻拦滞留的现象。

3．扩散作用：当V< V c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.为什么说提高溶氧速率是需氧型发酵的关键问题：⏹28℃下，氧在发酵液中100％的空气饱和浓度只有0.25 mmol/L左右，比糖的溶解度小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：μ＝μm S/ (Ks + S) （μ性质？指出下图中的K s，μmax,s等代表什么，图中反映了什么关系？）μ：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1/2μm时的限制性基质浓度, g/L ) ；μmax: 最大生长比速（1/h）。

μ：菌体的生长比速；S：限制性基质浓度；Ks：饱和常数(相当于1/2μm时的限制性基质浓度, g/L ) ；μmax: 最大生长比速（1/h）。

S《 Ks时，μ∞S直线关系；S 》Ks 时，μ≈μm；Ks与μm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S、细胞产率P及稀释率D的变化关系如图：（指出Dc，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＝μm，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D<0.8时,S很小；随D再增大，S急剧上升，当D渐接近Dc＝μm时，S＝S0。

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:Dc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(1/10No/ No) / K=－2.303 lg0.1 / K = 2.303/K2. td=0.693/u3.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/ N0N0－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η＝(N0-Ns)/ N0 ＝1-P对数穿透定律：－dN/dL=KN积分后得： ln（Ns/ N0）＝－K L 也可为： ln P＝－K L K－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/ N0）/K通过计算获得：1) L90为η（过滤效率）为90％时的滤层厚度因为 ln（Ns/ N0）＝ lnP＝ln（1－η）＝－KL当过滤效率为90％（穿透率为10 % ）时：K ＝ - lnP/L90＝-ln10% /L90＝2.303/ L90 4双倒数求解思路：三． 选择填空1. 培养基灭菌方法：加热灭菌（干热灭菌和湿热灭菌），射线灭菌，化学试剂灭菌，灭菌原理：通过控制T 和t 来灭菌。

灭菌工作关键：控制加热温度（T ）和受热时间(t)2. 比死亡速率常数K 大小反映微生物受热死亡的难易程度。

与微生物的种类及加热温度有关。

3. ◇相同温度下，k 值愈小，加热时间长，则此微生物愈耐热。

即：t=1/K *ln(N0/Ns)◇同一种微生物在不同灭菌温度下，灭菌温度愈低，k 值愈低；温度愈高，k 值愈高。

t=1/K *ln(N0/Ns)K 是温度T 的函数，故T 对K 的影响是热灭菌设计的核心问题之一。

4. 各阶段对灭菌的贡献：升温20%；保温75%；降温5%。

5. 灭菌标准：以杀死一般耐热芽孢杆菌为准。

6. 分批灭菌（间歇灭菌）的特点：适用于：培养基易发泡或黏度大优点：操作简便，无需连消的设备，适于手动操作，适于小规模生产，适于含大量固体物质的培养基灭菌，并减少了杂菌污染的机会缺点：升温降温时间长，营养损失多，需进行反复的加热和冷却，能耗高，不适于大规模生产过程的发酵，设备利用率低。

连续灭菌的特点：优点：利于自控操作和实现管道化，设备利用率高，避免反复加热和冷却，提高了热的利用率，操作条件恒定。

缺点：对设备要求高，需另加冷却、加热装置，操作比较麻烦，对蒸汽要求高，不适于含大量固体物料的灭菌。

7. 培养基灭菌要求： 达到需要的无菌程度；有效成分受热破坏程度尽可能低。

8．空气除菌的方法: ①加热灭菌 ②静电吸附 ③介质过滤除菌：9.过滤介质：棉花：阻力大，易受潮；活性炭：阻力小，但效率为棉花1/3,与棉花混合使用；玻璃纤维；石棉滤板；烧结材料。

10. 绝对过滤：过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。

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。

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－铁丝网－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－铁丝网－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η＝η1+η2+η314. 当无实验数据可查，可依据此：过滤常数为K ＝)1()5.41(4απαα-+f d η 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：提高溶氧速率，解决氧气供应方法：通气与搅拌通气与搅拌目的：（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阻力是液膜阻力1/kL,即气膜→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（氧分压p）－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）－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；使菌体分散，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：1)稳定状态下物料平衡，参数变化为零：dX/dt=0, dS/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（α比死亡速率＝0）。

22.稀释率（dilution rate）DD (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 =0则：μ＝F/ V；D = F/V,故：D＝μD =μ＝F/V，可通过改变F（流加速率）调节μ值：⏹ D<μ, 则dX/dt >0, 微生物浓度将随时间而增加；⏹ D>μ, 则dX/dt <0, 微生物浓度将随培养物被洗出（wash out）而减少；⏹ D＝μ, 则dX/dt ＝0，微生物浓度不随时间而变化，处于恒态―连续培养稳定状态注：连续培养的稳定状态下，Yx/s、S0、Ks及μm均定值，故菌种浓度X、底物浓度取决于稀释率D。

23.μ：生长比速；qp:产物生成速率, q s：基质消耗速率, Y p/s：以消耗基质为基准的产物生成系数, Y x/s：以消耗基质为基准的细胞得率系数。

其中Y p/s= q p/ q s,Y x/s=μ/ q s.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＝10－3概率意义: 经过1000次灭菌中仅有一次灭菌失败)阿雷尼乌斯Arrhenius方程：K=Ae－ΔE/RT （R=8.36J/mol·K）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 = K’C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+ V保+ V冷1.若温度从120℃升至150℃，分别计算120℃和150℃下的VB1的分解速率常数KB和嗜热芽孢杆菌的比死亡速率常数Ks；并比较KB150/KB120; Ks150/Ks120，反映何种规律。