生物反应工程期末总结

生物反应工程期末总结 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
绪论
1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成
（1）原材料的预处理；
（2）生物催化剂的制备；
（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；
（4）产物的分离纯化。

2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么
定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。

主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大
3. 生物反应过程的主要特点是什么
1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制备和改造
2.采用可再生资源
3.设备简单，能耗低
4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。

4. 研究方法
经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。

第1章
1. 酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性谈谈酶反应专一性的机制。

催化共性:降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变.
催化特性:高效的催化活性;高度的专一性;
酶反应需要辅因子的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。

机制：锁钥学说；诱导契合学说
2. 什么叫抑制剂
某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。

3. 简单酶催化反应动力学（重点之重点）
4．酶动力学参数的求取方法(L-B法、E-H法、H-W法和积分法)
L-B法: E-H法：H-W法：
积分法：
抑制百分数：
竞争性抑制：
非竞争性抑制：
反竞争性抑制：
kd 可称为衰变常数。

kd 的倒数称为时间常数td 。

t1/2称为半衰期
第2章
得率系数
对底物的细胞得率系数：消耗1g 基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s
非结构模型：把细胞视为单组分，不考虑细胞内部结构，则环境变化对细胞组成的影响可忽略，在此基础上建立的模型。

1S SI SI S S
r r r i r r
-==-
max max 11/()
(1)SI S s I
s S c mI s m s s I I
m
r C r r C C i C i C r K C K C K C K ⋅⋅=-=-=↑↓++⋅++
结构模型：考虑细胞内部结构组成变化的基础上建立的模型。

3.细胞反应过程主要特征：细胞是反应过程的主体；本质是酶反应；细胞反应与酶催化有着明显的不同：复杂反应，多种途径，难以描述。

呼吸商（RQ ）： 在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量（量为物质的量）之比。

绝对速率:指单位时间，单位反应体积某一组分的变化量。

比速率:指以单位浓度细胞（或单位质量）为基准而表示的各个组分的速率。

Gaden 根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将产物形成动力学分为那三种类型并简述之。

（1）相关模型
（2）部分相关模型 （
3）非相关模型
限制性底物：某种底物浓度的增加会影响生长速率, 而其它营养组分浓度的变化对生长速率没有影响作用，这种底物称限制性底物。

无抑制的细胞生长动力学（减速期,指数期）monod 方程：
第3章
22/()
1
O X O OUR OUR r Y
μ===
2O X X
耗氧速率q c c
影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。

构象效应：在固定化过程中，由于存在着酶和载体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了酶与底物的结合能力。

分配效应（微环境效应）：当固定化酶处在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液非均相体系。

由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同。

影响内扩散有效因子的主要因素有：颗粒粒度，颗粒活性，孔隙率、孔
径以及反应温度
丹克莱尔数（Da ）、梯勒模数（φ）、Biot 数：
表观梯勒模数：
对零级反应动力学
第4章
操作模型得到的主要结果
12
)0s si E r R ==速率无外扩散影响时的反应反应速率有外扩散影响时的实际ηS si
R R η=
颗粒内的实际有效反应速率
＝颗粒内部与外表面浓度相同时的反应速率2()S P P e Si R V S D c Φ=
1. 什么叫BSTR ，CSTR ，CPFR ，请根据物料衡算写出其操作模型方程，即反应时间与反应速率的关系方程。

BSTR:间歇操作反应器（分批操作的搅拌槽式反应器）
CSTR ：连续操作的搅拌槽式反应器
CPFR ：连续操作管式反应器
FBC ：恒速流加与指数流加的定义及主要特征
恒速流加：以恒定的速率流加限制性底物的一种最简单的流加操作方式。

指数流加：使加料速率按指数规律增加,以使限制性底物浓度维持不变,故称为指数流加。

指数流加可使生长比速率恒定。

变速流加:以反馈流加为主。

理想流动的反应器的模型方程 全混流反应器：
平推流反应器:
定义稀释率(空速
对单级CSTR
可得
这是单级CSTR 进行细胞反应的的主要操作特性(表示了恒化器 的主要操作特性)
()
R r b V F t t =+0
s s c S s
R S r c s
dn dc V r t dt r =-⇒=-⎰
00()R S S S R in S out S s m s d V c C X V F C F C r dt F r τ=++⇒==0()C =
S Sf sl R R sl S R sl sl C S
P C S
dc
dV dV Fc r dV F c dc dt
d r τ=--+⇒⎰对作底物衡算,D
=μ
对于符合Monod 模型的简单细胞反应，若以单位时间单位体积的细胞产量(细
胞产率)PX 为优化目标函数，
得
DOPt
稀释度的极限值：当CS=CS0时
当稀释度达到极限值DC 时，CSTR 出口物料中细胞浓度为0，此时反应器处于“洗出”操作状态( CS=CS0 )。

因此操作要控制D 小于DC
在一带循环的CSTR 中进行下述细胞培养过程
第5章
1. 溶氧法的优点是只需测定溶氧浓度 C L 随时间变化曲线，非常方便地求出k L a.
2. 简述影响（体积传质系数）k L a 的因素： 物系的性质（粘度，扩散系数，表面张力）； 操作条件（温度，压力，通气量，搅拌转数）；
反应器的结构（反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式）。

3. 写出三种测定体积传质系数的原理，并分析这三种方法的优缺点。

X X X X P r C DC μ===
亚硫酸氧化法，动态法，物料平衡法
OTR
动态法测体积传质系数
OUR ：氧气的消耗速率，OUR=Qo2Cx 。

qo2为氧气的比消耗速率，cx 为细胞浓度
临界溶氧浓度：
第6章
1、停留时间分布的定量描述有两种方法，分别是什么并简述其概念和特点。

（1）停留时间分布密度E (t )
定义：在同时进入系统的N 个流体离子中，其中停留时间介于t 和t +d t 之间的流体粒子所占有的分率d N /N 定义为E （t ）d t,则 E （t ）称为停留时间分布密度 。

（2）停留时间分布函数F (t )
定义：流过系统的物料粒子中停留时间小于t （介于0到t ）的物料粒子所占的分数
2、停留时间分布的实验测定方法是什么它又可以分为几种方法并简述之。

方法：示踪应答法（脉冲法，阶跃法和周期输入法）
*OL OL c c -与气相分压平衡的液相氧浓度，mol/L －培养液中的溶氧浓度，mol/L
脉冲法：在设备内流体流动达到稳定后，在一极短的时间内，在系统入口处向流进系统的流体加入一定量的示踪剂，同时在出口处检测流出物料中示踪剂浓度随时间的变化。

阶跃法：将系统中做稳态流动的流体切换为流量相同的含有示踪剂的流体（升阶法），或相反（降阶法）。

3、宏观流体与微观流体
宏观流体：微团尺度上完全不混
微观流体：物料系统反应过程和微团尺度上完全混合
4、停留时间分布的统计特征值有那两个并简述其特点。

统计特征值：数学期望和方差
5. 常用的非理想流动模型有那些如何求得模型参数
槽列模型(多级CSTR串联模型)；轴向扩散模型；组合模型
6. 多级串联模型参数N
对于实际反应器，求取N的方法如下。

1）实验测定实际反应器的F(t)～t或E(t)～t；
４）计算N
求出N后，即可按N级串联全混流模型对实际反应器进行有关计算。

第7章
1.动物细胞培养过程同微生物相比的缺点
(1)必须用复杂且成本高的培养基来培养
(2)生长速率慢，易被微生物污染。

(3)代谢产物抑制
(4)对机械冲击的抵抗能力差。

2. 理想的模型建立通常要考虑哪些方面
（1）要明确建立模型的目的
（2）明确地给出建立模型的假定条件
（3）希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定
（4）模型应尽可能简单。

3．生物反应器放大的方法有哪些
答：理论方法：计算流体力学法
半理论半经验方法：基础模型法
因次分析法
缩小-放大法以及机理分析（时间常数分析法）
经验放大法：P/V
L ，K
L
a等
4. 放大准则：
反应器的几何特征
氧的体积传递系数k
L
a
最大剪切力
单位液体体积的功率输入（P/V
L
）
单位反应器有效体积的通气速率(Vg/V
R
或VVM）
通气表观线速度us
混合时间t
m
搅拌雷诺数Re
M
动量因子
5. 生物反应器放大的原理和理论基础分别是什么简述相似原理的要点。

原则：相似性。

理论基础：相似原理
相似原理：对任何反应系统可用数学方程描述其生物化学反应过程、流体流动与动力传递、热量和质量传递，如果两个系统能用相同的微分方程来描述，并具有相同的特征，则两个系统将具有同一的行为方式。

6. 理想的反应器放大的相似条件有哪些
几何相似；流体力学相似；热相似质量（浓度）相似；生物化学相似。