天津科技大学生物过程检测控制复习题

第一章绪论

1. 为什么要对发酵过程进行控制？

任何发酵过程都是在一定的环境条件下进行的，即一定的温度、压力、PH、溶氧浓度、培养基成分等等。①维持特定环境条件的需要；在发酵过程中，由于菌体、底物和发酵产物在数量和质量方面的变化，必然会引起环境因素的变化。如不及时加以调节和控制，就会使发酵生产特定的工艺条件遭到破坏。②发酵生产的水平取决于控制水平；发酵生产的水平取决于菌种的水平性能和环境条件的控制水平。③菌种的生产性能越高，控制要求越严；发酵生产的菌种其遗传性状都得以改造，许多生理功能和自动调节能力丧失，这就对微生物的生长和发酵的工艺提出了较高的要求。

2. 发酵生产中使用的传感器应具备哪些基本条件？

1）稳定性好，可连续测定；2）耐温耐压；3）表面不易污染，易于清洗，最好是自洁式的；4）具有较高的专一性；5）能在工作状态下随时校正；6）使用寿命长；7）安装、使用、维修方便；8）价格合理，便于推广应用。

3. 何为直接参数？何为间接参数？并各举出三个以上参数的例子。

直接参数：（环境条件参数）系统通过传感器或取样分析测定的参数，分物理参数和化学参数两大类。

间接参数；根据物理和化学参数，通过物料和质量衡算等由计算机或人工计算得出的参数。

直接参数：密度、粘度、温度、罐压、细胞浓度、氧化还原电位、

间接参数：溶氧系数、好氧速率、生长速率、呼吸商、底物消耗速率、生产速率

第二章、物理参数检测与控制

1.生物热与生物能的区别？

微生物生长与代谢过程中，本身会产生的大量热称为生物热。Q=Q1+Q2-Q3-Q4包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热生物能是指太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量。

2.一些典型发酵生产生物热产生的高峰期在什么时候？氨基酸、抗菌素、酒精、酵母等。

发酵类型发酵周期放热高峰期高峰期生物热

谷氨酸30h左右12~18h/中期 3.0~3.5×104

酒精72h 12~30h/中偏前6.0~6.5×103

酵母18h 8~14h/中偏后 3.5~7.0×104

抗菌素120h 20~50h/中偏前(第1次代谢) 2.5~3.0×104

温度对发酵的影响

温度对微生物生长的影响：死亡速率比生长速率对温度的变化更为敏感

温度对生长得率的影响：较高的发酵温度需要较高的维持系数，其结果使微生物细胞的表观得率下降

温度对其它发酵因素的影响

1）温度影响发酵液的物理性质；2）温度有可能影响代谢途径和生物合成的方向；3）较高的发酵温度有利于冷却传热；

4.为什么说较高的发酵温度会使细胞的表观得率下降？

Y X/S=μ÷（μ/Y G+m）较高的发酵温度需要较高的维持系数，其结果使微生物细胞的表观得率下降。

5.为什么说较高的发酵温度有利于冷却传热？

发酵温度↑→蒸发热↑、辐射热↑→发酵热Q↓

发酵温度T↑→发酵液与冷却水的温差△T↑→冷却用水量↓或冷却面积F↓

6.适当降低发酵温度为什么可弥补供氧的不足？

温度↓→生长及产物形成速度↓→耗氧速度↓

温度↓→饱和溶氧浓度C*↑→传质推动力↑（C*－C）↑

7.最适温度的选择依据有哪些？

最适温度取决于下列因素：（1）菌种；（2）发酵生产的类型；（3）培养条件；（4）生长发酵的阶段。

泡沫产生的基本条件一是不溶性气体，二是起泡剂或稳泡剂。

8.简述发酵生产中泡沫形成的规律。

1）单细胞蛋白发酵，发酵中后期，细胞浓度高、通风量大，产生的CO2多，为泡沫形成高峰期。

2）对大多数霉菌发酵，发酵初期，高分子物质浓度高、粘度大，表面张力低，易形成稳定泡沫。

3）对于（细菌）代谢产物发酵，发酵后期，菌体自溶，泡沫形成上升。

4）培养基灭菌的影响：温度高、时间长、发泡能力上升。

消泡剂的选用原则：

1）能降低液膜的表面粘度和机械强度；2）易于分散，消泡效果持久；3）对微生物生长与代谢无抑制作用；4）对产品提取无影响；5）成本低，使用方便。

发酵过程中形成泡沫强弱的主要因素：（1）通风与搅拌的强度（↑）；（2）培养基组成（粘度大、表面张力小、高分子

物质多、小颗粒存在，易起泡）；（3）培养浓度（↑，细胞浓度越高越容易形成泡沫）；（4）培养温度（↑）；（5）培养液酸碱度——影响稳泡剂的极性(↑↓)。

泡沫对发酵生产的影响

1）降低反应器的装料系数2）增加了微生物群体的非均一性3）增加了污染的机会4）泡沫外逸，导致产物的损失。5）消泡剂的加入，给产品提纯带来困难。

9.消泡剂类型的选择（GP或GPE）。

1）聚醚类：是最常用的消泡剂，用量为发酵液体积的0.01~0.03%（V）。

聚氧丙稀甘油（GP）——亲水性差，溶解度较小，其抑泡性比消泡强，宜于在培养基中加入。

聚氧乙稀氧丙稀甘油（GPE，又称泡敌）——亲水性好，易于分散，消泡能力强，但持泡性差，宜于小量多次加入。2）天然油脂类：无亲水基团，难于分散，消泡效果较差，用量为0.1~0.2%（V）。

3）高级醇类：常用的有十八醇、聚二醇等，消泡效果持久，适用于霉菌发酵。

4）硅酮类：主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。用于中性或微碱性的放线菌和细菌发酵，在pH低时（5.0左右）效果较差。

10.简述消泡剂对溶氧的影响。

消泡剂在气液界面的吸附，对溶氧的影响包括如下两个方面：

1）液体表面张力↓→气泡直径↓→气液界面积a↑

2）液膜厚度↑→液膜传质系数k L↓

消泡剂的增效作用

1）加载体使用以增强消泡效果。2）多种消泡剂并用，3）消泡剂乳化使用，以提高分散效果。4）使用抗氧化剂。

第三章化学参数检测与控制

1. 选择过高的溶氧浓度对发酵生产有何不利影响？为什么？

①高浓度氧对微生物生长的影响

a．高浓度氧对某些酶促反应有抑制作用→生长速率下降

例如：谷氨酸发酵菌体生长阶段，在生物素限量的情况下，氧浓度高，反而抑制菌体生长，表现为耗糖缓慢、菌体生长慢，PH偏高

b．当培养液营养不足时，较高的氧浓度会加速细胞成分的氧化，使细胞早衰，甚至死亡

例如：在酵母生产过程中，氧浓度过高，会使细胞个体偏小，内含物低，细胞死亡率增大，产品质量不高

2. 简述引起溶氧浓度下降及上升的可能原因，并指出哪些为正常情况？哪些为非正常情况？

1当Na=r（供氧速率=好氧速率）时发酵液中的氧浓度C不变

2当Na小于r时，C值下降，下降的可能原因有：

1）发酵前期和中期，微生物细胞浓度增加，使细胞生长速率或者产物形成速率加快，因而好氧速率加快。氧浓度下降，这是正常现象。

2）通风量和搅拌系统故障：通风和搅拌系统的故障，使供氧速率下降，溶氧浓度会迅速下降或出现零值。

①搅拌故障→k L a↓→↓Na →C↓

②进口空气压力下降→进口空气流量↓→a↓→k L a↓→↓Na →C↓

③发酵罐罐压下降→C*↓→↓Na →C↓

④罐内通风装置故障→空气分布不匀→a↓→k L a↓→↓Na →C↓

3）当溶氧在非固定时间内下降，并在短时间内跌至零时，可能污染了好气性强的杂菌。

4）流加培养时，流加速度过快，使底物浓度升高，耗氧速率加快。F↑→S↑→μ↑→d x/d t↑→r↑→C↓

5）消泡剂的加入→k L a↓→↓Na →C↓

3当Na＞r时，发酵液氧浓度上升C↑，可能原因：

1）发酵后期细胞老化、营养耗尽细胞老化(μmax↓)，营养耗尽(S↓)→r↓→C↑

2）流加培养时流加速度太慢导致底物浓度下降F＜d S/d t→S↓→d x/dt或d P/d t↓→r↓→C↑

3）污染噬菌体或好气性差的杂菌，耗氧速率下降噬菌体——分解生产菌，溶氧浓度迅速回升好气性差的杂菌——抑制生产菌，溶氧浓度逐渐回升

影响溶氧速率的主要因素：概括起来可分为三类：（1）操作变量：温度、压力、通风量、搅拌转速等；（2）培养液的物理性质：粘度、密度、表面张力、氧扩散系数、溶氧浓度等；（3）反应器的结构：反应器型式、搅拌器型式、液体循环装置、通风装置、反应器各部分尺寸比例等。

溶氧系数主要影响因素：对于一定的反应器结构和发酵生产：1）风量Q或空气线速度v S或通风比Q/V（2）搅拌功率P g或单位液体体积搅拌功率P g/V（3）搅拌转速n（4）液位高度H L或高径比H L/D（5）罐压P0或饱和溶氧浓度C*