生化工程考试大纲及详细解释.doc

绪论
1、 重点
1) 生化工程的定义（识记）将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程
2 )生化工程的研究内容（识记）１、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大 ２、微生物的连续培养３、生物反应动力学４、固定化酶技术及应用
2、次重点
生化工程的发展历程（识记）
生化工程学诞生于上世纪40年代。
早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。如酒类、乳酸。厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相当大的规模。那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母 ，醋酸。前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。
40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。
早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素，1940年分离出纯品，1941～1942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。
第二章 培养基灭菌和空气除菌
1、重点 1）微生物的热死灭动力学（应用） 2）空气过滤设计（应用）
2、次重点
1）分批灭菌的设计（应用）分批灭菌：就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌。
2）连续灭菌反应器的流体流动模型（理解）
3）连续灭菌设计（应用）连续灭菌：培养基在发酵罐外经过一套连续灭菌设备，以比分批灭菌高的温度和较短的时间进行快速连续加热灭菌，并快速冷却，再立即输入预先经过空罐灭菌后的发酵罐中
3 、一般
1）空气除菌方法（理解）(加热灭菌,辐射灭菌,化学灭菌,静电除尘,介质过滤)
2）典型空气除菌流程（识记）(高空采风—空压机—贮罐—冷却器—总过滤器—分过滤器—净化空气—进罐)(北方) (湿度大时,应该在冷却器后加上油水分离器和除雾器)
3）新型过滤器（理解）(聚乙烯醇过滤器,折式过滤除菌器,高效烧结金属过滤器,绝对过滤器)
第三章 氧的供需
1、重点
（1）概念：
比耗氧速率:单位质量的细胞（干重）在单位时间内消耗氧的量。
摄氧率: 单位体积培养液在单位时间内耗氧量。
临界氧浓度: 指不影响菌体的呼吸和产物合成的最低氧浓度。
氧的传递通量: 通过单位面积的氧传递速率。
双膜理论:
(1)在气液两个流体相间存在界面，在界面两侧各有一层稳定的薄膜，即气膜与液膜，这两层稳定的薄膜在任何流体力学条件下，均呈滞流状态（湍流时，滞流层薄；层流时，滞流层厚。 (2)界面上不存在传递阻力，那么在两相界面上，两相浓度总是相互平衡的（气体中氧的浓度与溶解在液体中氧浓度处于平衡状态）。 (3) 传递阻力都集中在气膜和液膜之中。即气膜和液膜以外无传递阻力，气相气体和液相主体中氧气浓度均匀。
体积溶氧速率(NvN) 体积溶氧系数：KLα以氧浓度为推动力的容积氧传递系数，反映了设备的供氧能力OTR=KLα (C* –CL ）
（2）影响供氧的因素（理解）
（3）摄氧率和kLa的测定（理解）
(1) 亚硫酸钠氧化法(2) 动态法用溶氧电极 (3) 氧衡算法
2、次重点 培养过程中的氧传递（识记）
3、一般： （1）溶解氧对细胞生长的影响（识记）
（2）溶解氧对发酵代谢产物生成的影响（识记）
第四章 机械搅拌轴功率计算
1、重点
（1）概念：
轴功率:搅拌器以既定的转转时,用以克服介质的阻力所需要的功率.
功率准数Np:表示机械搅拌器所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌的惯性力之比.
通气准数Na: 它表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶顶端流速之比
2、 （2）搅拌器轴功率计算（应用）
2、次重点
非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算（理解）
3、一般：
通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型（识记）
1.螺旋浆式搅拌器2.圆盘平直涡轮搅拌器 3. 圆盘弯叶涡轮搅拌器4. 圆盘平直箭叶搅拌器
搅拌的作用：
把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，增加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，促进代谢产物的传质速率。
搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。
第五章 发酵罐的比拟放大
1、重点： （1）几何尺寸放大（应用）
几何尺寸放大：在反应罐的放大中，放大倍数实际上就是罐的体积增加倍数。
放大倍数m=V2/V1 V1 ：模型罐体积 V2：放大罐体积
一般要保持几何相似的原则：H1/D1=H2/D2常数 V2/V1=（D2/D1）3= m
D2/D1= H2/H1=m1/3
（2）空气流量放大（应用）
生物反应器中空气流量一般有两种表示方法：
①以单位体积培养液在单位时间内通入的空气量（标准状态）VVM来表示，
即Qg/VL=VVM 单位 m3/（m3·min）
②以操作状态下的空气直线速度Vs表示，单位m/min
两种空气流量的表示方法可以换算。
VVM= ∝
VL发酵液的体积(m3) PL液柱平均绝对压强（Pa）HL：发酵罐液柱高度(m)
p=(Pt+9.81×104)+9.81/2·HL·ρ Pt:罐顶压力表所指示的读数（Pa）
Vs：罐内空气直线速度 t：反应器的温度
以下是三种空气流量的放大方法：
①以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大： (vvm)1=(vvm)2
Vs∝(vvm)VL/PD2 ∝ (vvm)D/P，VS2/Vs1= D2/D1×P1/P2 ， VS2可求
②以空气直线流速相同的原则放大:VS2 =Vs1，(vvm)2 / (vvm)1=D1/D2×P2/P1 ，(vvm)2可求
③以KLa 值相同的原则放大Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7×10-9 P55公式
式中有Pg、N等未定参数。 可考虑用其它经验式，如KLa∝ (Qg/VL）HL2 /3
Qg:操作状态下的通气量 VL:发酵液体积 HL:装液深度
(vvm)2 / (vvm)1= （D1/D2）2 /3×P1/P2
（3）以kLa值相同的原则放大（应用）
溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标，任何通气发酵在一定条件下都有一个达到最大产率的溶氧系数，故维持大、小罐的溶氧系数相等进行放大是合理的。
（4）恒定等体积功率放大（应用）
对于连续发酵和在发酵过程中需要补料的分批发酵，要求整个反应器的液体快速均匀混合，使液体中产物和底物的浓度均匀一致，这时就必须按P/V 相等的原则进行放大。
2、次重点 （1）以氧分压为推动力的体积溶解氧系数Kd相等原则放大（应用）
福田修雄修正式Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7×10-9 Ni ：搅拌涡轮的个数
因为Kd2=Kd1则：N2/N1=(D1/D2)0.51·(VS1/VS2)0.30 ,P2/P1=(D2/D1)3.47·(VS1/VS2)0.9
（2） 概念： ①周线速度：搅拌叶轮尖端线速度 (ΠDN)
②混合时间：把少许具有与搅拌罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。
3、一般：搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义（应用）
搅拌液流速度压头（H）正比于涡轮周线速度的平方： H∝(ΠND)2 H越大，液体的湍动程度越高，剪应力越大，有利于菌丝团及气泡的分散，有利于传质。
搅拌液流循环量(Q)正比于涡轮的旋转面积及周线速度：Q∝（ΠND）（Π/4D2）∝ND3
Q越大，液体的循环越快，有利于混合和缩短混合时间。
增大N对提高溶氧更有效，增大D对缩短混合时间更为有效。Q/H∝D/N
第六章 细胞反应动力学
1、重点 （1）概念：
①绝对速率：是在单位时间、单位反应体积某一组分的变化量。 单位都是g/（L·h）
细胞生长率：rX=dρx/dt ，基质消耗速率：rS=-dρS/dt ，产物生成速率：rp=dρp/dt
②比速率：是以单位浓度细胞为基准而表示的各个组分变化速率，反映了细胞比活力的大小。单位都为h-1。其中ρx：菌体的质量浓度（ g/L ）
比生长速率μ=1/ρx·dρx/dt 基质消耗比速率= -1/ρx·dρs/dt ，
产物生成比速率=1/ρx·dρp/dt
③得率系数：是碳源等物质生成细胞或其他产物潜力的定量评价。用Y 表示。两种物质得失之间的计量比.。生长得率：YX/S 产物得率：YP/S
④理论得率：微生物反应过程中，部分碳源作为基质被同化为菌体成分，就碳源被同化为菌体的观点来看菌体的得率。
⑤限制性基质：在培养微生物的营养物质中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。
（2） 无抑制的细胞生长动力学——Monod方程（应用）
µ=µmax·ρS/ KS+ρS
µ:比生长速率，h-1 µmax：最大比生长速率，h-1 KS：微生物对底物的半饱和常数，与亲和力成反比，g/L ρS：单一限制性底物浓度，g/L
◆Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：
①描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度
②培养基中只有一种基质是限制性基质，而其它组分过量
③细胞生长视为单一反应，细胞得率为一常数
根据Monod方程：当ρS<ρS/ KS 此时细胞比生长速率与基质浓度为一级动力学关系。当ρS>>KS时，µ=µmax 此时细胞比生长速率与基质浓度无关，为零级动力学特点。而当ρS=KS时，µ=1/2µmax 。
◆ Monod方程的动力学常数µmax和KS 的求法：（双倒数法）
将 Monod方程变为1/μ=1/µmax+(KS/µmax)·(1/ρS)或ρS/μ=ρS/µmax+KS/µmax
这样通过测定不同限制性基质浓度下微生物的比生长速度，就可以通过回归分析法计算出两个参数。
①1/μ=1/µmax+(KS/µmax)·(1/ρS)
绘制1/μ~1/ρS曲线为一直线，直线截距为1/µmax，斜率为KS/µmax可以算出KS和µmax。实际发现这种方法，在对于基质浓度较低的情况下，误差较大。采用下式：
②ρS/μ=ρS/µmax+KS/µmax
绘制ρS/μ~ρS曲线为一直线，直线截距为KS/µmax，斜率为1/µmax 可以算出KS和µmax。该方法数据处理简单，误差小。
◆Monod方程与米氏方程的比较（具体如表所示）
它们的表达形式基本一样。但Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。
（3） 基质消耗动力学（理解）
（4）产物生成动力学（理解）
细胞的产物生成动力学由于代谢产物的复杂性，没有统一的模型。Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，分成了三种类型：相关模型、部分相关模型和非相关模型。
2、次重点 分批培养细胞反应动力学模型（理解）
3、一般 其他类型的细胞生长动力学模型（识记）
第七章 连续培养动力学
1、重点
（1）概念：
稀释率(D)：补料速度与反应器体积的比值。（F/V）
物料循环比（体积比）：加热管的总截面与降液截面之比
细胞浓缩比和循环浓缩因子（识记）
（2）单级连续培养动力学方程的推导和模型参数的计算（应用）
（3）连续培养原理的应用（理解）
连续培养：由于新鲜培养基不断补充，所以不会发生营养物的枯竭，另一方面，发酵液不断取出，发酵罐内的微生物始终处于旺盛的指数生长期，罐内细胞浓度X、比生长速率μ、以及t, pH等都保持恒定。
2、次重点：进行细胞回流的单级连续培养方程的推导和模型参数的计算（应用）
3、一般: 多级连续培养（识记）
多级连续培养：把几个生物反应器串联起来，前一级反应器的出料作为下一级反应器的进料，即组成了多级连续培养系统。进行多级连续培养时，也可以像第二级以后的各级反应器补充新培养基。
根据各级反应器的物料衡算，可得出稳态下第n级反应器中的细胞浓度、比生长速率、限制性基质浓度和产物浓度的表达式:
Xn=D·Xn-1/ (D-μn)，X2>X1 μn=D·(1Xn-1/Xn) μ2 <μ1=D
Sn=Sn-1- μn ·Xn/(D·YX/S) S2气除菌方法包括：（BCDE）
A.巴氏消毒 B.辐射灭菌
C.化学灭菌 D.静电除尘
E.介质过滤
三、名词解释题
1．临界氧浓度:指不影响菌体的呼吸和产物合成的最低氧浓度。
四、简答题
1、简要回答用动态法测定培养体系kLa的原理。P52
五、论述题
1．经验表明，易退化的高产诱变菌株不适合连续发酵操作模式，试分析原因，并证明之。
六、计算题
1．罐直径1.8m，高径比1；装配单只圆盘六弯叶涡轮，直径0.60m；罐内装四块挡板，搅拌器转速168r/min，通气流量Q＝1.42m3/min (已换算为罐内状态的流量)，醪液粘度μ=1.96×10-3N.s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3。请根据Michel修正式，计算Pg。
（P43例题）