生物反应发酵作业题参考.doc

1、 生物反应器与过程操作优化的过程的主要决策变量有哪些？其中最主要的变量时哪个，说明理由。
答：三大决策变量：反应器型式、操作条件、操作方式。其中操作方式起最主要作用，因为反应器物料加入和流出方式是反应物浓度和反应速率的决定性因素，对于多数生物反应过程，操作方式的变化对过程动力学速率和反应结果都有较大的影响，
2、 说明底物抑制酶反应的最优反应条件对反应速率的影响作用。
答：底物抑制酶反应动力学方程为：

式中【SES】—不具催化反应活性，不能分解为产物的三元复合物；rss—底物抑制的反应常数；KSI—底物抑制的解离常数；Cs—底物浓度
求导得：

结论：最大反应速率由底物浓度决定，最优底物浓度由动力学常数决定
3、 分别从微生物生理学和细胞反应动力学的角度说明得率系数的意义。
答：（1）从微生物生理学角度：生长得率是假定所利用的基质与生成的细胞之间的固定化学计量关系。这种关系只有在培养物生长在限制性基质上和在一定的条件下成立，即消耗单位基质所生成的细胞量为一常数。最简单的表示得率的方法是以（g细胞/g基质消耗），此无因次系数便称为得率系数Y。
（2）从细胞反应动力学角度：细胞反应的得率系数常用Yi/j表示。它所表示的是在细胞反应过程中，细胞利用底物所产生的细胞物质和代谢产物与底物消耗量之间的一种数量关系，是描述细胞过程的一个重要参数。
4、生物反应动力学的基本特征有哪些？如何从基本动力学特征的判断选择过程优化和反应器设计的决策变量？
对细胞生长
动力学速率
对一定化学计量关系：
同理
答：生物反应动力学基本特征：有抑制性/可激活性；自催化特性；时变性；非均衡生长/均衡生长
细胞反应的生物反应器操作方式和连续操作反应器型式选择的有下述主要依据： 1. 细胞反应的有抑制动力学特性； 2. 细胞生长动力学的自催化反应特性。

对细胞生长
动力学速率 对一定的化学计量关系
同理
在反应器型式和操作条件已经确定的情况下，反应器体积取决于生物反应速率，速率越大的过程，反应进行所需的空间越小。同时反应速率又可随反应时间或反应器内的空间位置而变化，因此就需要找出这些变化参数的数学关系式（即反应动力学方程），从而确定反应器体积。此外根据细胞生理特性的不同，建立和选择合适的生长动力模型（如均衡生长模型和非均衡生长模型），进一步达到过程和设计优化。
5、在发酵过程优化和操作时，如何避免碳源和氧作为底物的“葡萄糖效应”和“氧效应”？
答：（1）确定一种细胞在培养基中进行好氧呼吸时的临界氧浓度，采用溶解氧反馈控制及连续培养方法；调节EMP途径中特定酶活性，从而减少氧浓度对EMP途径运行速率的影响
（2）高生长速率或高葡萄糖浓度下的生长会阻遏呼吸代谢，从而降低细胞得率，对于酵母菌来说，降低糖酵解速率，可以降低最大葡萄糖吸收速率对生长的限制作用；对于细菌来说，控制比生长速率和葡萄糖浓度
6、说明细胞反应产物生成的Gaden分类的三种类型。
答：（1）生长偶联型产物。该类型系指产物的生成直接与细胞的生长偶联，产物的积累是细胞能量代谢的直接结果，它是细胞的初级代谢产物
（2）生长部分偶联型产物。该类型系指产物的生成是细胞能量代谢的间接结果。产物生成与细胞生长仅部分偶联，属于中间类型。
（3）非生长偶联型产物。该类型系指产物的生成与细胞的生长无直接联系。它不是胞内分解代谢或能量代谢的结果，而是由细胞的独立生物合成反应所生成的，它是次级代谢产物。
7、对反应速率与底物浓度单调上升关系的酶反应，比较它们在全混流与平推流反应器中的空时和空速的大小
答：
8、说明恒化器操作的“洗出状态“与临界稀释率的概念。
答：参见反应工程P147
9、说明补料分批培养操作方式的各种类型。其中哪种方式的生产能力最大？
答：参见反应工程P178和PPT4.2
10、从细胞反应动力学特性分析说明循环式恒化器和多级串联恒化器的设计原理
答：循环式恒化器设计原理：参见P159；多级串联恒化器设计原理参见P165
11、说明空时与空速的概念，对特定过程与反应器型式，它们与反应速率间的关系如何？
答：概念见反应工程P133
连续操作的搅拌槽式反应器P143
连续操作的管式反应器P169
补料分批操作反应器P179
分批操作的搅拌槽式反应器P135
12、解释理想流动与非理想流动的概念。
答：理想流动：全混流与平推流，全混流返混最大，平推流最小。
非理想流动：流动与混合状态偏离全混流与平推流两种极端状态。
13、说明补料分批培养的恒流量流加方式的主要特征
答：参见反应工程P180
14、说明微生物发酵的“葡萄糖效应“和”氧效应”，并讨论反应器中与微观混合性质有关的浓度梯度对微生物生长与代谢的影响。
答：微生物可通过需氧或厌氧途径利用氧，酵母在有氧条件下的细胞得率比厌氧下高，氧抑制酵母发酵生成乙醇的作用称为巴斯德效应（氧效应）。葡萄糖效应是指葡萄糖对细胞有氧呼吸的抑制作用。
微生物生长和代谢越旺盛，反应速率和转化率越高
（1）对于一级反应，微观混合程度对其反应速率无影响，转化率仅取决于物料在反应器中的停留时间 ，其变化规律与反应分子的浓度无关，不受微观混合状况的影响
（2）对反应级数n<1的反应,微观混合程度愈高，其反应速率愈高，有利于微生物的生长和代谢
（3）对反应级数n>1的反应,微观混合的存在会使平均速率下降，浓度梯度越高，越不利于微生物的生长和代谢
（4）反应体系的转化率越高，微观混合程度（浓度梯度）所产生的影响越高
15、说明动物细胞培养反应器中气泡运动和机械搅拌各自与流体剪切力造成的细胞损伤作用的关系并说明无气泡通气搅拌反应器的设计理由。
答：搅拌式生物反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性。但由于动物细胞没有细胞壁，对剪切力十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成伤害，所以动物细胞培养中的搅拌反应器都是经过改进的，包括改进供氧方式、搅拌桨的形式等。根气升式生物反应器与搅拌式生物反应器相比，产生的湍动温和而均匀，剪切力相当小，器内没有机械运动部件，因而细胞损伤率比较低。无气泡通气搅拌反应器综合考虑和降低了气泡运动和机械搅拌对细胞的影响，据动物细胞培养的特点，搅拌器转动时产生的剪切力小，混合性能好，无气泡直接喷射供氧，氧传递速率高。
16、若保证几何相似的准则进行反应器放大，说明反应器放大时反应器的混合特性和氧传递效率的变化。(参考生物工程P221和P260)
答：（1）参见生物工程P260图6-106，反应器按几何相似的准则放大，式中只有Np增大，从而混合时间常数tm增大(混合程度m也可以考虑进去)
（2）反应器放大时如果氧传递时间常数1/ KLa>反应时间常数tr,氧传递速率限制过程的速率，反应器中会出现局部缺氧的情况。本题中反应器按几何相似的准则放大，在一定范围内，随着通气量的增加，气体表观线速度增加，KLa亦增加，从而使氧传递速率增大。
17、为提高养传递效率，可增大机械搅拌速度和通气速率。哪种方式的作用最大、能耗最低？

答：参见生物工程P221，实际中倾向于采用低通气速率和高转数的操作条件
18试建立细胞生长速率与氧传递速率之间的关系，并说明重组菌高密度培养时氧传递效率的限制性作用。
答：氧的比消耗速率qo2=μ/Yx/o2 (1)
qo2= qo2,max*（CoL）/(Ko2+CoL) (2)
OTR=KLa(CoL*-CoL) (3)
(1)、（2）见生物工程P62，（3）见P生物工程216
参考生物工程P62 图2-10
通过（1）、（2）、（3）可得，细胞比生长速率μ与氧传递速率在一定溶氧浓度范围内（或细胞浓度范围内）成负相关，重组菌高密度培养开始时，细胞生长速率较大，细胞浓度不断增加，由于细胞反应过程中不断消耗氧气，导致反应液中的溶氧浓度保持在较低的水平，增加了传质的推动力，因此细胞反应具有强化氧的传递速率，随着反应的进行，由于细胞的大量存在，会改变流体的物性，从而影响KLa值（此时(CoL*-CoL)的变化对OTR影响不大）。一般而言，随细胞浓度的增大，其值呈下降趋势，，从而使氧的传递速率降低。
19、试比较大型反应器与小型反应器的积分剪切力ISF和搅拌器叶端速度UL,tip的大小。
答：UL,tip=πNd ISF=△UL/△x=2πNd/(D-d)=2 UL,tip/(D-d)
式中N为搅拌器转数；d为搅拌器直径；D为反应器直径
大型反应器的UL,tip和ISF均比小型反应器大
20、建立微生物反应器的氧供需关系表达式。分析发酵过程的氧的供需两方面对溶氧浓度的影响。
答：参见发酵工程P356
21、试列出发酵过程的各项操作条件。其中哪些参数的重要性相对较大（自认为前四个都比较重要）。
答：（1）温度对发酵的影响
① 温度是保证酶活性的条件② 对生长过程和产物生成过程，相应的最佳温度是有区别的。③ 温度影响生物合成的方向。对代谢有调节作用④ 温度可以改变培养液的物理性质。⑤ 温度也能影响细胞的得率系数。
（2）pH的影响
细胞的代谢活动造成培养环境的pH变化，细胞也利用培养液中的生理酸性和碱性物质。对代谢活动有调节作用。对生长过程和产物生成过程，相应的最佳pH是有区别的。也是补糖操作的重要考察指标。
（3） 氧的供需的影响。临界氧浓度。溶氧作为异常发酵的指标。
（4） 二氧化碳和呼吸商
CO2气液两相浓度与分压的作用：高浓度时糖代谢与呼吸速率下降。
CO2释放率CER可用于估算细胞量（菌体浓度）和比生长速率。
呼吸商RQ可用于判断菌的生长，判断补料时机。
（5） 加糖和补料
① 补料方法一次性大量、多次少量、连续流加。
② 补料时机 参考指标：菌的形态、糖浓度、DO、尾气中CO2含量、摄氧率和呼吸商
③ 补料量 ④ 料液成分及其浓度
（6）泡沫控制
泡沫来源：通气与搅拌的剧烈程度；培养基组成；染菌，菌体自溶，可溶性蛋白增加.
消泡措施：机械消泡；化学消泡剂消泡：泡敌，加量0.03%。豆油，但是与脂肪酸代谢有关。
22、说明最小湍流漩涡长度的概念，它与反应器的搅拌功率的关系如何？
答：参见生物工程P211—P212
23生物反应器内的微观混合状况涉及反应器的哪些特征参数？
答：参见生物工程P260 方程式(Hs,Np，d为搅拌器直径；D为反应器直径)
24、说明生物反应过程优化的各个主要目标
答：（1）体积产物生成速率Pr. 见生物工程P135
Pr=产物量（kg）/（(反应器有效容积)*单位时间）=速率

（2）产物浓度Cp 见生物工程P298
（3）得率系数Y 见生物工程P42
25、说明评价种子罐制备优劣的各项参数
答：质量参数（菌浓度、种龄、pH、溶磷、残糖、氨基氮、菌丝形态、色味、产物浓度、黏度）
26、在建立生物反应的化学计量关系时，为何要计算还原度？
答：参见生物工程P41

计算题
1、 一个单级恒化器中的微生物连续培养过程，氧传递系数KLa=500h-1,饱和溶氧CoL*=0.21mmol/l,Yx/s=0.3g/g,Yx/o=0.6g/g,选料Cso=30g/L,出料Cs=3g/L
求（1）稀释率D为多大时，细胞生长速率为氧传递速率限制（培养液中CoL0）
解：KLa（CoL*-CoL）=qo2CX (1)参见P218
μ=D （2）参见P146
CX= Yx/s（Cso-Cs） （3）参见P42
qo2=μ/ Yx/o （4）参见P62
式中CX为底物浓度，qo2为氧的比消耗速率，μ比生长速率
整理得：D=μ={ Yx/o* KLa（CoL*-CoL）}/{ Yx/s（Cso-Cs）}
(2)在D=0.2h-1时，假定CoL>=0.4 CoL*时为生长限制，CoL<=0.1CoL*时为传质限制。试确定出于两种状态间时细胞浓度Cx的范围。
解参见P128 5-52
结合qo2=μ/ Yx/o和μ=D=0.2
由0.1≤CoLCOL*≤0.4即得Cx范围
2、 微生物连续培养过程，生长动力学方程为μ=0.2Cs/(3+Cs).h-1,进料底物浓度为Cso=300g/L,Yx/s=0.4g/g,反应器有效体积VR1=100L.
试求：
（1） Dopt,rx,max,Cx1?
由题可知：μmax=0.2s-1 Ks(饱和常数)=3g/L 根据Monod方程得
计算式参见P148 4-113,4-115, 4-118,
Cx1= Yx/s（Cso-CS1） (1)

CS1=( Ks* Dopt)/( μmax- Dopt) (2)
将（2）带入（1）即得Cx1
参考P168 例题4-9
（2） 若出料再接一个CSTR,使系统出料Cs2=0.1g/L,求VR2.
Yx/s=（Cx2- Cx1）/( CS2- CS1) (1)
两个CSTR串联，第一个CSTR应在最大产率下操作，因此有：
N= Cso/ Ks+1）+1 (2)
CS1= CS，opt= CS0(1/N+1) (3)
Cx1= Cx，opt= Yx/s Cso(N/N+1) (4)
τm1=τm,opt=N/μmax(N-1) (5)
VR1=τm1F （6）
由（1）、（2）、（3）、（4）可得Cx2 由（5）、（6）可得F
对第二个CSTR,
因为F（Cx2- Cx1）= VR2μ2 Cx2= VR2μmax Cs2Ks+Cs2Cx2
则VR2=F（Cx2- Cx1）(Ks+Cs2)μmaxCs2Cx2
代入数据
因输入问题看不太懂的可参考P168 例题4-10

备注：（1）以上内容均作为参考，整理过程难免有错误，希望可以指出并完善，通过考前这段时间最终整理出一份被夏X认可的答案
（2）未整理答案的均为课本上有的，自己整理，以免大家雷同；计算题未给出结果，一方面思路仅供参考，另一方面时间仓促、计算不能保证准确
林