生化工程期末考试整理

生化工程期末考试整理——by悦题型：1、填空（20分）；2、选择（20分）；3、问答题（20分）；4、计算（40分）。

第一章绪论1、生化工程学科的产生：①传统的发酵业-混沌时期；②发酵工业走向科学（1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的）；③发酵工程的早期阶段（厌氧发酵、好氧发酵）；④生化工程学的起点（1928年由 Fleming发现青霉素）。

2、两个关键技术-奠定生化工程学科基础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。

3、生物化学工程定义：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。

第二章培养基灭菌1、培养基灭菌目的：发酵过程要求纯培养2、灭菌与消毒的区别消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病原微生物。

一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。

例如，用于消毒牛奶、啤酒和酿酒原汁等的巴氏消毒法，是将物料加热至60℃维持30min，以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。

灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。

消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的。

3、灭菌方法4、湿热灭菌原理：由于蒸汽具有很强的穿透力，而且在冷凝时会放出大量的冷凝热（潜热），很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物。

灭菌条件：121℃，30min。

灭菌不利方面：同时也会破坏培养基中的营养成分，甚至会产生不利于菌体生长的物质。

因此，在工业培养过程中，除了尽可能杀死培养基中的杂菌外，还要尽可能减少培养基中营养成分的损失。

5、分批灭菌 (batch sterilization) 、实罐灭菌(实消)：定义：利用热空气或高压蒸汽对培养基与发酵罐同时灭菌。

分批灭菌的特点：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，并减少了杂菌污染的机会缺点：升温降温时间长，设备利用率低各阶段对灭菌的贡献：升温20%；保温75%；降温5%。

6、连续灭菌(continuous sterilization)(连消)定义：培养基通过连续灭菌装置，快速连续加热灭菌，后进入灭菌的空罐。

连续灭菌装置：1).连消塔保温罐连续灭菌；2).板式热交换器连续灭菌；3).蒸汽喷射连续灭菌。

7、分批灭菌与连续灭菌的特点比较8、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。

灭菌工作关键：控制加热温度（T）和受热时间(t)。

☆9、微生物的热死规律----对数残留定律微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性，这种反应可认为是单分子反应，死亡速率可视为一级反应，即与残存的微生物数量成正比。

菌的死亡速率－dN/dt与任何瞬间残留的活菌数N成正比。

公式：ln(Ns/N0)=－KtN0：原有活菌数（t=0,污染度）Ns：经t时间后残存活菌数（灭菌度，Ns＝10－3）10、K－比死亡速率常数（反应速率常数）（选择、填空）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◇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。

11、Arrhenius方程K=Ae－ΔE/RTK：比死亡速率常数，也称反应速率常数（min－1或s－1 ）A：阿氏常数(s－1 ）E：活化能（J/mol）化学反应中，反应物分子到达活化分子所需的最小能量。

活化能的大小与反应速率相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。

T：绝对温度（K），T（K）＝t(℃)+273R：气体常数 (8.31 J/ mol· K )e: 2.71812、D（1/10衰减时间） decimal reaction time：活微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10所需要的时间。

☆与K的关系为：D =－ln(0.1N0/ N0) / K=－2.303 lg0.1 / K = 2.303 / K13、灭菌标准：（不用记忆，考试会给出）以杀死耐热芽孢杆菌为准：ΔEs = 68700 cal/mol.k, As =7.94×1038 (s-1)即: K= 7.94×1038 e-68700/1.98T14、营养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可变形为： ln(Cs/Co)=－K’t 或 Cs=C0e－K’t K’=Ae－ΔE’/ RTK’：营养成分受热分解速率常数（min－1,s－1 ）ΔE：营养成分受热分解反应的活化能（J/mol）Co：初始营养物质浓度Cs：时间t后营养物质浓度。

15、采用高温瞬时灭菌法的理论基础（问答）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。

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。

例题：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。

已知ΔEB1 =92114J/mol,AB1=9.30×1010（min-1）; ΔEs = 284460J/mol,As =1.34×1036 (min-1)2.在120℃下灭菌7.6min，计算此时VC的损失率。

(120℃下，若Kc ＝0.055min－1)3.某厂培养基初始杂菌数为106个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。

当发酵容器由1m3放大至10 m3时，总灭菌效果增加多少。

4.发酵培养基60 m3，初始杂菌数为105个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。

采用分批灭菌方式，120℃维持5min.已知升温和降温的灭菌效果不超过总灭菌度效果的25％。

则所设计的T-t过程是否达到无菌要求。

如何改进。

第三章空气除菌1、空气除菌的意义：发酵要求纯种培养微生物种类：以细菌和细菌芽孢较多,也有酵母、霉菌和病毒等2、好气性发酵对空气无菌度的要求工业设计要求: 10-3；概率意义: 经过1000次使用周期中有允许一个杂菌通过3、空气除菌的方法: 除去或杀灭①加热灭菌②静电吸附: 能耗小；捕获率低，空气需干燥③介质过滤除菌：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。

相对过滤（深层过滤）：0.5-2.0 μm颗粒物除去绝对过滤：d<0.45 μm4、过滤除菌设备（过滤除菌）1）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2) 平板式纤维纸过滤器5、空气过滤器的尺寸a.过滤器的直径D（决定了过滤面积）☆ 过滤器的直径D ＝ (4V/πv s )1/2V －空气经过滤器时的体积流量（m3/s ）；vs －空容器截面的空气流速（m/s ）（一般取0.1－0.3 m/s ） b.有效过滤厚度(高度)经验：上下棉花的厚度为总滤层厚度的1/4－1/3,活性炭层占1/3－1/26、空气除菌的要求：无菌、无尘、无油、无水、有压力7、绝对过滤和深层过滤绝对过滤：过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。

微孔滤膜：0.1～0.5μm （细菌1μm 左右） 深层过滤：一定厚度的过滤介质，孔径一般大于细菌，却能达到过滤细菌的效果。

8、过滤除菌机制惯性碰撞滞留作用；阻拦滞留作用；布朗扩散作用。

9、介质穿透率和过滤效率概念穿透率：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-P10、对数穿透定律1) 空气过滤时，颗粒数N 随滤床厚度L 的增加而递减。

也符合一级反应动力学规律，即： －dN/dL=KN (1)积分后得： ln （Ns/ N 0）＝－K L 也可为： ln P ＝－K LK －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）/K11、空气过滤器的尺寸计算：（1） 过滤层厚度的计算： L ＝－ln （Ns/ N0）/K（2）D 滤层＝ V m3/s ）； V S －空容器截面的空气流速（m/s ）。

12、K 值的获得（选择、填空）K （过滤常数）与空气流速v ，介质种类、填充系数、介质直径、颗粒直径等有关。

（1） 实验测定（2） 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单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3η1：惯性碰撞滞留效率；η2：阻拦滞留效率；η3：扩散捕获效率例题：1.试设计一台通风量为10m3/min 的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h 。

空气中颗粒数为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。

滤层选用df=16μm ,气速Vs=0.1m/s ，填充系数α =8%。

求：过滤效率η及滤层厚度L解：1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100) =3.33×10-12η=1-P=1-3.33×10-122) 表查得K=0.31cm-1,L ＝－ln （Ns/ N0）/K2.一台空气过滤器的通风量为22.5m3/min,过滤器使用周期为100h 。

空气中颗粒数为1750个/m3,求整个周期通过过滤器无菌要求为10-3时的过滤器的尺寸。

若通风量为2.25m3/min,过滤1min后空气中的颗粒数。

（介质为df=16μm的玻璃纤维，原空气流速V=1.52m/s, 变化后V=0.15m/s）注：空气流速与过滤效率的关3.若上题中，采用df=10μm的玻璃纤维作填充介质，计算其滤层厚度。