生化工程期末考试复习

一．问答题（20分两道）

1. 生化工程的发展：

1. 第一代微生物发酵技术－纯培养技术建立

人为控制发酵过程，简单的发酵罐（以厌氧发酵和表面固体发酵为主），生产酵母、酒精、丙酮、丁醇、有机酸、酶制剂等

2． 第二代微生物发酵技术－深层培养技术建立

1928年英国弗莱明发现点青霉可以产生抑制葡萄球菌生长的青霉素

：青霉素的大量需求－需氧发酵工业化生产

建立了高效通气搅拌供氧（深层培养）技术、无菌空气的制备技术及大型生物反应器灭菌技术，促进了生物制品的大规模工业化－进入微生物发酵工业新阶段

微生物学，生物化学与化学工程相结合，标志着生物化学工程（Biochemical Engineering）的诞生

2. 生化工程的概念：

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。

3.奠定生化工程学科基础的两个关键技术

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。

4．高温灭菌机理：

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。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。

5. 深层过滤除菌机理：

深层过滤：一定厚度的介质，介质的孔径一般大于细菌，其主要由于滞留作用截获微粒，使

空气净化。

滞留作用机制主要构成为：

1． 惯性碰撞滞留作用：一定质量的颗粒随气流运动，若遇到纤维，由于惯性力作用直线前

进，最终碰撞到纤维，摩擦、黏附作用被停滞于纤维表面。

2． 阻拦滞留作用：当V< Vc 时, 气流流过纤维，纤维周围产生滞流层，微小颗粒在滞流层

接触纤维，由于摩擦黏附作用被纤维阻拦滞留的现象。

3． 扩散作用：当V< Vc时，微小颗粒在流速缓慢的气流中发生布朗运动，与介质碰撞而被

捕获。

6.

28℃下，氧在发酵液中100％的空气饱和浓度只有0.25 mmol/L左右，7000倍。

在对数生长期，即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。

7. Monod方程

经验公式：μ＝μm S/ (Ks + S) （ μ性质？指出下图中的K s，μmax,s等代表什么，图中反映了什么关系？）

μ：菌体的生长比速（1/h）； S：限制性基质浓度（g/L）；Ks：饱和常数(相当于1/2

μm时的限制性基质浓度, g/L ) ；μmax: 最大生长比速（1/h）。

μ：菌体的生长比速；S：限制性基质浓度；Ks：饱和常数(相当于1/2μm时的限制性基质浓度, g/L ) ；μmax: 最大生长比速（1/h）。

S《 Ks时，μ∞S直线关系；S 》Ks 时，μ≈μm；Ks与μm反映了微生物的特征：基质；Ks反映微生物对基质的亲和力：Ks小，亲和力大。

8. 菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D的变化关系如图：（指出Dc，Dm，DX，关系总结）

1）菌种浓度X与稀释率D的关系：随D增加，X逐

渐减少，起初不明显，当D渐接近Dc＝μm，X急跌

至0，微生物全部洗出。

2）基质浓度S与稀释率D的关系：S变化与X相反：

一般当D<0.8时,S很小；随D再增大，S急剧上升，

当D渐接近Dc＝μm时，S＝S0。

3)细胞产率P=DX与稀释率D的关系：随D的增加P

逐步增大，可达最大DX值（DmXm），Dm为理论上的

最适宜稀释速率。

4)菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D

的关系:

Dc为临界稀释速率；Dm为理论上的最适宜稀释速率。

二． 证明题

1. D =－ln(1/10No/ No) / K=－2.303 lg0.1 / K = 2.303/K

2. td=0.693/u

3.D=u是连续恒定发酵的前提。（课本p46-48）

4.证明：L90=2.303/K.

穿透率：空气残留的颗粒数与空气中原有颗粒数之比 P= Ns/ N0

N0－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-P

对数穿透定律：－dN/dL=KN积分后得： ln（Ns/ N0）＝－K L 也可为： ln P＝－K L K－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）/K

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 4双倒数求解思路：

三． 选择填空

1. 菌，灭菌原理：通过控制T和t来灭菌。灭菌工作关键：控制加热温度（T）和受热时间(t)

2. 比死亡速率常数K 加热温度有关。

3. ◇相同温度下，k 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。

4. 各阶段对灭菌的贡献：升温；保温；降温

5. 灭菌标准：以杀死一般耐热芽孢杆菌为准。

6. 分批灭菌（间歇灭菌）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，适于手动操作，适于小规模生产，适于含大量固体物质的培养基灭菌，并减少了杂菌污染的机会

缺点：升温降温时间长，营养损失多，需进行反复的加热和冷却，能耗高，不适于大规模生产过程的发酵，设备利用率低。

连续灭菌的特点：

优点：利于自控操作和实现管道化，设备利用率高，避免反复加热和冷却，提高了热的利用率，操作条件恒定。

缺点：对设备要求高，需另加冷却、加热装置，操作比较麻烦，对蒸汽要求高，不适于含大量固体物料的灭菌。

7. 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。

8．空气除菌的方法: ①加热灭菌 ②静电吸附 ③介质过滤除菌：

9.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。

10. 绝对过滤：过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。

深层过滤：一定厚度的介质，介质的孔径一般大于细菌，其主要由于滞留作用截获微粒，使空气净化。

11. 过滤除菌设备（过滤除菌）：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

12．空气除菌的要求：无菌、无尘、无油、无水、有压力

13. 单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3

14. 当无实验数据可查，可依据此：过滤常数为K＝4 (1 4.5 )η df(1 )

15. 两级冷却、两级分离、加热、除菌流程：

两次冷却：使水、油形成雾粒

两级分离：除去水、油雾粒

加热：降低空气湿度，

原100％－降至50－60％

过滤除菌

16. 需氧型发酵的关键问题：，解决氧气供应方法：

通气与搅拌目的：（1） 供应氧气，供微生物生长及代谢；（2） 使发酵液均匀混合，促进物质传递

17．氧的传递过程的主要阻力是液膜阻力1/kL,即气膜→液膜传递的阻力。

18．氧溶解过程的双膜理论，其基本论点为： 1. 气相与液相主体间存在两膜，气泡一侧为 气膜，液体一侧为液膜。氧分子借浓度差扩散透过双膜；氧气从气相到液相主体， 阻力来自两膜。2. 在气液界面上，氧浓度平衡，界面上无传质阻力。 3. 两膜外的气、液主体中，氧浓度均匀，无传质阻力。通过气膜的传氧推动力（压力降）＝气相平均浓度（氧分压p）－界面相平均浓度（氧分压pi），通过液膜的传氧推动力（浓度降）＝界面相平衡浓度（Ci）－液相平均浓度（C）

19.搅拌原理：把大气泡打成小气泡增加接触面积；产生涡流延长气泡停留时间；使发酵液呈湍流，减少液膜厚度；使菌体分散，增加接触面和减少液膜厚度。

20. 发酵动力学类型（根据产物形成和菌体生长关系）分为：偶联型（初级代谢产物）；混合型；非偶联型（次级代谢产物）

21.连续发酵的前提和假设：

1) 稳定状态下物料平衡，参数变化为零：dX/dt=0, dS/dt=0, dP/dt=0；

2) 培养基混合均匀，菌体、基质、含氧等均匀一；

3) 微生物无死亡（α比死亡速率＝0）。

22. 稀释率（dilution rate）D

D (1/h)：单位时间内新进入的培养液体积（F）占罐内培养液总体积(V)的分数。 稳定态下: dX/dt =0则：μ＝F/ V；D = F/V,故：D＝ μ

D =μ＝F/V，可通过改变F（流加速率）调节μ值：

D<μ, 则dX/dt >0, 微生物浓度将随时间而增加；

D>μ, 则dX/dt <0, 微生物浓度将随培养物被洗出（wash out）而减少； D＝μ, 则dX/dt ＝0，微生物浓度不随时间而变化，处于恒态― 连续培养稳定

状态

注：连续培养的稳定状态下，Yx/s、S0、Ks及μm均定值，故菌种浓度X、底物浓度取决于稀释率D。

23. μ：生长比速； qp:产物生成速率, qs：基质消耗速率, Yp/s：以消耗基质为基准的产物生成系数, Yx/s：以消耗基质为基准的细胞得率系数。其中Yp/s= qp/ qs, Yx/s=μ/ qs.

四． 计算题

要用到的公式有：

微生物的热死规律：ln(Ns/N0)=－Kt (Ns：经t时间后残存活菌数，Ns＝－310概率意义: 经过1000次灭菌中仅有一次灭菌失败)

阿雷尼乌斯Arrhenius方程：K=Ae－ΔE/RT （R=8.36J/mol·K）

营养成分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

结论：当温度升高，微生物死亡速度比营养成分分解速度快，因此采用瞬时高温的方法。

灭菌效果（灭菌准数）：V总= ln(Ns/N0)= V加 + V保+ V冷

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.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。

对数穿透定律：－dN/dL=KN积分后得： ln（Ns/ N0）＝－K L

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） 过滤器的直径的计算：

D滤层＝

V－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）。

4. 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) =3.33×10-12

η=1-P=1-3.33×10-12

2) 表查得K=0.31cm-1,

L＝－ln（Ns/ N0）/K

两个传质阻力方程：Nα= Nv =Nv = kLα(C*－C)＝qo2 X

可得 KLa= QO2·X/（C*-CL）

1.发酵罐工作容量12m3,罐径2.2m,通风量5m3/min,通气时搅拌功率11.6Kw,搅拌转速119r/min,反应器中氧c*=0.21mmol/L,试计算当液相中溶氧浓度分别为 0.48mg/L,2.4 mg/L,

4.8 mg/L时的溶氧速率。

2.采用100L通用式发酵罐培养细菌，通风比为0.8L/L.min, kLα=0.0417/s, 确保满足qo2 =8.89

－×105 g /g.s(以氧/细胞计)，c=0.2mg/L, c*=7.3mg/L时达到供氧需求平衡，求此时的最大菌体浓度。

搅拌功率的计算（计算题）

当Re≥104时，随Re提高，Np为定值：

园盘六平直叶涡轮 Np＝6.2 ；园盘六弯叶涡轮 Np＝4.7；园盘六箭叶涡轮 Np＝3.7。

35计算 P0 ＝ρNDiNp （不需记忆，注意单位为国际单位）

P0―无通气时输入液体功率（W）； ρ―液体密度 (kg/m3) ；N―涡轮转速(r/s)； Di―涡轮直径(m) 。

多个涡轮：Pn=n P1

Michel修正公式：（不须记忆）

230.08 Pg＝2.25×10-3 (PoN Di/ Q) 0. 39

Pg 、Po―通气、不通气时的搅拌功率（KW）；N―搅拌器转速（r/min）；

Di―搅拌器直径（cm）；Q―通气量（ml/min）；

求解通气下的机械搅拌功率Pg的过程：

1.先算出Re，后确定出Np;2.根据Np算出不通气下的Po; 3.求出Pg。

验证结果：通气条件下Pg < 不通气条件下的Po

例题：

1.某种细菌发酵罐。罐直径D＝1.8m；园盘六弯叶涡轮Di＝0.60m；一只涡轮。搅拌器转速N＝168 r/min ，通气率Q＝1.42 m3/min，液体密度ρ＝1020 kg/m3，液体粘度μ＝1.96×10－3 N.s/m2。求Pg。

2．通用式发酵罐，已知罐径D＝液层高度HL=2.0m；园盘六箭叶涡轮Di＝0.66m；二只涡轮。搅拌器转速N＝120 r/min ，通风比＝0.5 m3/m3.min，液体密度ρ＝1000 kg/m3，液体粘度μ＝1.0×10－3 N.s/m2 。

求发酵罐的搅拌功率Pg

（通风比＝通风率/有效液体积）

3.发酵罐工作容量12m3,罐径2.2m,通风量5m3/min,通气时搅拌功率11.6Kw,搅拌转速119r/min,反应器中氧C*=0.21mmol/L,试计算当液相中溶氧浓度分别为

0.48mg/L,2.4 mg/L, 4.8 mg/L时的溶氧速率。

4.采用100L通用式发酵罐培养细菌，通风比为0.8L/L.min, kLα=0.0417/s, 确保满足qo2 =8.89×10－5 g /g.s(以氧/细胞计)， C=0.2mg/L, C*=7.3mg/L时达到供氧需求平衡，求此时的最大菌体浓度。（通风比＝通风率/体积）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/scl1.html