生化工程原理复习题及答案

生化工程原理

一、名词解释

1、生化工程：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、灭菌：是指用物理或化学方法杀灭物料或设备中的一切生命物质的过程。

3、惯性冲撞机制：气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性，当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。

4、细胞得率

：是对碳的细胞得率。=生成细胞量×细胞含碳量 或

=消耗基质量×基质

含碳量。

5、生物反应动力学：是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因子对这些关系的影响。

生物反应工程：是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科。

6、返混：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。

7、细非结构模型：

8、非结构模型：如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。

结构模型：在考虑细胞组成变化基础上建立的微生物生长或相关的动力学模型。

9、限制性底物：是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C源、N源、无机或有机因子。

10、 绝对过滤介质：绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。

深层过滤介质：深层过滤介质的截面孔隙大于微生物，为了达到所需的除菌效果，介质必须有一定的厚度，因此称为深层过滤介质。

11、均衡生长:在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以相同的比例增加，则称为均衡生长。

非均衡生长:细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生长。

二、问答

1、试述培养基灭菌通常具有哪些措施？灭菌动力学的重要结论有哪些？ 答：培养基灭菌措施有：

（1）使用的培养基和设备需经灭菌。

（2）好氧培养过程中使用的空气应经除菌处理。

（3）设备应严密，生物反应器中要维持高于环境压力。 （4）培养过程中加入的物料应经过灭菌。 （5）使用无污染的纯粹种子。 灭菌动力学的重要结论：

（1）细菌孢子热死灭反应的△E很高，而大部分营养物质热破坏反应的△E很低，因而将T提高到一定程 度会加速细菌孢子的热死灭速率，从而缩短在升高温度下的灭菌时间（ ln(N/N0 ) = - K t ）；

（2）由于营养成分热破坏的△E很低，上述的温度提高只能稍微增大其热破坏程度，但由于灭 菌时间的显著缩短，结果是营养成分的破坏量在允许的范围内。

（3）高温短时灭菌方法是灭菌动力学得出的重要结论，它既能快速灭菌，又能有效地保存培养基中的营养成分。

2、为什么要进行培养基灭菌？若培养基不灭菌，会产生什么不良后果？

答：这是由于生物反应系统中通常含有比较丰实的营养物质，容易受到杂菌污染，由于杂菌的存在，会有以下各种不良后果：

（1）由于杂菌污染，使生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降。

（2）由于杂菌所产生的一些代谢产物或在染菌后改变了发酵液的某些理化性质，使产物的提取困难，造成收得率降低或使产品质量下降。

（3）污染的杂菌大量繁殖，会改变反应体系的pH，从而使生物反应发生异常变化。 （4）发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败。

3、控制溶氧的工艺手段有哪些？ 答：①改变通气速率；

②改变搅拌速度；（不适合动植物培养体系）

③改变气体组成中氧分压；（适合动植物培养体系，可用于短时间溶解氧） ④改变罐压；

⑤改变发酵液理化性质； ⑥加入传氧中间介质。

4、试述深层过滤介质除菌的机理。

答：(1) 纤维介质对颗粒的拦截：在气流速度在临界速度以下，由于速度很低时，在纤维周

边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留。

(2) 颗粒的惯性碰撞：当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，在接近纤维时，气流碰到

纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上。

(3) 布朗扩散：微小颗粒在气流速度很慢时在气体中呈布朗扩散状态。但纤维间隙很小，微粒与纤维接触的机会较大，纤维对颗粒有一定程度的截留。

5、试述微生物反应过程的主要特征。 答：（1）微生物是该反应过程的主体；

（2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系； （3）微生物反应是非常复杂的反应过程。

复杂性主要表现在以下方面：

① 反应体系有细胞生长、基质的消耗和产物的生成，三者的动力学规律都有联系，又有明显的差别。

②微生物反应有多种代谢途径，不同的条件会得到不同的产物。

③微生物反应过程中，细胞的形态、组成、活性都处在一动态变化过程。 上述这些因素，造成了描述、控制和开发微生物反应过程的复杂性。

6、试述对数穿透定律的假设条件。 答：对数穿透定律的四点假设：

（1）过滤器中过滤介质中，每一根纤维周围的空气流态并不因其它临近纤维的存在而受影响。

（2）空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被空气带走。 （3）过滤器中的过滤效率与空气中的微粒的浓度无关。

（4） 空气中微粒在滤层中的减递均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。

7、试述发酵过程中不断地通过通风和搅拌，气态中的氧经过哪些传递步骤到液相。 答：（1）从气相主体扩散到气象界面； （2）穿过气液界面；

（3）从气液界面扩散通过液膜到液相主体中。

扩展：

氧气的传递过程可以分为供氧和耗氧两个方面，供氧是指空气中的氧气从空气泡通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中；耗氧是指分子氧自液相主体通过液膜、液固界面、细胞壁和膜扩散到细胞内。

氧从空气泡传递到细胞内涉及如下过程： （1）从气相主体扩散到气象界面； （2）穿过气液界面；

（3）从气液界面扩散通过液膜到液相主体中； （4）通过液相主体到细胞或细胞团外的液膜； （5）通过细胞或细胞团外的液膜；

（6）穿过液相主体与细胞团之间的液固界面； （7）扩散进入细胞团内；

（8）穿过细胞壁和细胞膜到达反应位点。 8、试述双膜理论的要事有哪些。

答：（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，液膜内的液体分子和气膜内的气体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，氧的分子只能以扩散方式穿过双膜进入液相主体。

（2）两相界面上氧的分压强与溶于界面液膜中的氧的浓度之间达到气液平衡状态，因此在界面上没有物质传递的阻力。

（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。

9、试述微生物反应过程的计量学原理。 答：①

是对基质的细胞得率，指生成细胞的质量与消耗基质质量之比。

=消耗基质量×基质含碳量。

②是对碳的细胞得率。=生成细胞量×细胞含碳量 或 ③

是对ATP生成的细胞得率。即每消耗1mol碳源所生成的ATP的摩尔数。

10、生物反应器比拟放大要解决哪些问题？

答：用小型生物反应设备进行科学实验，并获得某种产品的优化结果，如何把这种优化的结果在大型的工业生产设备中给予重现，即大型设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅拌转数都是怎样的才能再现小型设备里的优化结果，这就是生物反应器比拟放大要解决的问题。

11、试述基质消耗动力学、产物的生产动力学及它们之间的相互关系。 答：（一）基质消耗动力学：基质消耗速率的物料平衡式可表示为：

=

式中：

+ Mx +

——细胞的生长得率系数，g/mol ——产物得率系数，mol/mol

m——细胞的维持系数，mol/(g.s)

（二）产物的生成动力学：根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将产物生成动力学模型分成三种类型。

类型Ι为相关模型，反映产物生成与细胞生长相关的过程，其动力学方程可表示为

= = μX

= μ

式中：

——单位质量细胞生成的产量，g/g或mol/g

类型Ⅱ为部分相关模型，反映产物生成与细胞生长仅有间接关系的过程。其动力学方程式表示为

= α + βX

与细胞生长有关，βX仅与细胞浓度有关。

式中，α、β为常数；α

= αμ + β

类型Ⅲ为非相关模型，反映产物生成与细胞生长无直接联系的过程。此时的产物生成速率可表示为

=βX = β

它们之间的相互关系：在分批培养时，培养液中基质的减少是由于细胞和产物的生成，如果限制性基质是碳源，消耗掉的碳源中一部分形成细胞物质，一部分形成产物，与部分供细胞维持生命活动之用。

12、影响固定化酶反应动力学的因素有哪些？ 答：（1）构象效应。酶固定化过程中，酶和载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生变化，导致酶的活力下降。

（2）分配效应。由于载体内外物质分配不等，影响酶促反应速率。

（3）扩散效应。底物、产物及其他效应物受传递速度限制，当酶的催化活性很高时，在固定化酶周围形成浓度梯度，造成微环境与宏观环境之间底物、产物的浓度产生差别。 （2）位阻效应。指由于载体的遮蔽作用，使酶与底物无法接触。

（3）微扰效应。是指由于载体的亲水性、疏水性及介电常数等，使固定化酶所处微环境发生变化，导致酶活力的变化。

13、什么是多级连续培养系统？有哪些主要作用？

答：将多个搅拌罐反应器再串联起来，前一反应器的出料作为下一反应器的进料，即组成了多级连续培养系统。

14、连续培养的应用主要有哪些？ 答：（1）生产菌体 （2）生产代谢产物 （3）研究发酵动力学

（4）研究细胞生理特征 （5）改进培养基 （6）筛选和富集菌种

15、控制溶氧的工艺手段主要有哪些？ 答：

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