生化工程 自考重点

第一章 绪论 1、重点

1.1 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

1.2 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财务合成的最低氧浓度。 氧的传递通量: 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(Nv)

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:搅拌器以既定的转速回转时,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）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p47（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（一般6片，最少3片，最多6片） 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=V放大/V模型 一般要保持几何相似的原则，那么 = =常数， =（ ）3=m, = =m1/3, （2）空气流量放大（应用）

(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可求

(2)以空气直线流速相同的原则放大: VS2= VS1， = = （VVM）2可求。 （3）以 KLa 值相同的原则放大Kd=(2.36+3.30Ni)?(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9

式中有Pg、N等未定参数。 可考虑用其它经验式，如KLa∝ ,最后推导出： = ×（ ）2/3 。

（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。 经过实验和有关准数的整理，可得通风量 Q 与溶氧系数kLa ∝ (Q/V)HL 2/3 kLa------- 体积溶氧系数（ 1/h ） Q--------- 通风量 (m3 /min); V--------- 发酵液体积 (m3 ) HL -------- 发酵液深度 (m)

（4）恒定等体积功率放大P92（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）概念：

周线速度：搅拌叶轮尖端线速度

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P85（应用）

第六章 细胞反应动力学 1、重点 （1）概念：

绝对速率：是在单位时间、单位体积某一组分的变化量

比速率：是单位浓度细胞为基准的各组分变化速率，反映了细胞活力的大小。，μ=（dx/dt）/x；单位为1/h，其中x—菌体浓度（ g/L ）

得率系数：是基质转化为细胞或其他产物潜力的定量评价。

理论得率：微生物反应过程中，部分碳源作为基质被同化为挤爆成分，就碳源被同化为菌体的观点来看菌体的得率。

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）

当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速率与基质浓度关系（Monod方程式） （4）基质消耗动力学（理解） （5）产物生成动力学（理解） 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）

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（/PPXqYμ=）、部分相关模型（Pqαμβ=+）和非相关模型（Pqβ=）。 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

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= , x2﹥x1; μn=D(1－ )，μ2﹤μ1=D； Sn=Sn－1 － ,S2﹤S1；Pn=Pn－1 + ,P2﹥P1

多极连续培养有助于解决两个矛盾： ?（1）解决不同生产阶段有不同生产要求的矛盾； ?（2）解决快速生长和营养物充分利用之间的矛盾。如果代谢产物和生长是混合生长偶联、非生长偶联，那么生长和代谢产物产生的最佳条件不一定相同。

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