生化工程

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（

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

生化工程与设备实验指导书

实验一、停留时间分布测定实验

1、目的及意义

通过实验掌握停留时间分布的测定方法，由测定结果判断物料的先进先出

性，它的意义是为了更好的指导有关设备的设计，更好的满足工艺要求。在酒精生产过程中的物料连续蒸煮，淀粉糖生产过程中的粉浆连续液化液；深层液体发酵培养基的连续灭菌等，这些从工艺要求，都要求物料先进先出，能不能保证物料的先进先出，决定容器设备的设计，即容器设备的高径比不同，高径比大的物料先进先出性好，反之差，在生产中用几个罐串联，其实质是增加了容器的高径比，通过实验对设备结构、设计的理论加深理解。

2、实验内容

以玻璃柱为容器，以水为物料，用盐酸作示踪物，当水稳定流入玻璃容器

后，用注射器在容器的进口处瞬时注射一定量的盐酸，同时计时，在出料口间隔取样，记好每个取样样的时间，用氢氧化钠溶液滴定取样中的酸量，以时间为横坐标，酸的浓度为纵坐标，做出正态分布图。

3、实验仪器

1）停留柱

A）型 Φ25；H=400 （两个），Φ25；H=200（单个） V总=320mL（三个串联） B）型 Φ50；H=180 V=320ml (单个) C）型 Φ30；H=560 V=320ml, （单个） （每组任选一型） 2) Φ8胶管； 3)1

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

生化工程试题一 （答 案）

一、判断正误（10分，每小题一分） 1、反混指不同物料间有混合的现象。（×） 2、PFR反应器中，沿轴向的反应速度是常数。（×） 3、动态法测量Kla不能用于有菌体繁殖的发酵液。（×） 4、连续反应器中物料的平均停留时间用F/V来计算。（×）

5、限制性底物指微生物的碳源。（×）

6、间歇培养好氧微生物时，菌体的对数生长期到来时，菌体的摄氧率大幅度增加。（√） 7、微生物营养细胞易于受热死灭，其比热死亡速率常数K值很高。（√）

8、建立Kla与设备参数及操作变数之间关系式的重要性在于生物反应器的比拟放大。（√） 9、单级连续培养中，如果调整成μ（比生长速率）> D（稀释速率 ），最终将发生“冲出”现象。（×）

10、单级恒化器连续培养某种酵母达一稳态后，流出液中菌体浓度是培养时间的函数。（×） 二、填空（20分，每空一分）

1、反应器的D/H越大，越接近 全混流 型反应器。

2、单纤维捕集效率中，重要的三个机制是 惯性冲撞 拦截 和 布朗扩散 。 3、评价好氧发酵罐最重要的两个指标是Kla 和 溶氧效率指标 。 4、酶或细胞的固定化方法有 吸附法 、

第七章：反应器放大与设计

Artist's rendition new Folsom plant

of

the

Kikkoman Foods, Inc., a soy sauce production facility, is established in Walworth, Wisconsin (U.S.).

Kikkoman's second U.S. plant in California

珠江桥酱油研发中心

TANK FARM SUPPLIED WITH 171 TANK TOPS.= 45 STORAGE - FERMENTATION AREA = 63 BBT = 11 - STORAGE AREA = 12 FILTRATION - FILTRATION AREA - BRIGHT BEER AREA = 40 - YEAST AREA

YEAST AREA

FERMENTATIO N

Korea

生化反应器的放大

工程放大小试

摇瓶试验

工业化生产

中试

生物反应特点 综合性学科 采用生物催化剂 原料为可再生资源 反应条件温和 产物浓度较低生物化工 (生物反应工程)

生物学

工程学

化学

生物反应动力学 研究生物反应过程的速率及其影响因素 包括

XX研究生课程考试试卷

（ XXXX 学年第 1 学期）

考试科目： 生物反应工程 （A卷） 考试班级： XXXXX 考试形式： 开 （开/闭卷） 考试时间： 120 分钟 考试人数： 命题人签名： 系分管领导签名：

考生注意： 1．本试卷共 4 页，试卷如有缺页或破损，请立即举手报告以便更换。 2．所有试题的答案均写在专用的答题册（纸）上，写在试题纸上一律无效。 3．考试结束后，考生不得将试卷、答题册（纸）和草稿纸带出考场。 一、 请列出下列物理量的数学表达式 (5’)

停留时间 \\ 呼吸商 \\ 稀释率 \\Da准数 \\转化率 二、 判断题(5’)

1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( )

3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。(

生化工程

第五章 微生物培养及发酵动力学

生化工程

内容1 2 3 4 基本概念 微生物反应的物料衡算 微生物反应的能量衡算 微生物反应动力学

生化工程

生化工程

生化工程

微生物生长的基质

生化工程

生化工程

生化工程

微生物反应的特点

生化工程

二 微生物反应过程的质量衡算

生化工程

生化工程

生化工程

生化工程

例题：(选自贾士儒48-69页) 1.葡萄糖为基质进行面包酵母( S.cereviseae ) 培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关 系中的系数a、b、c、d。 反应式为： C6H12O6+3O2+aNH3 →bC6H10 NO3(面包酵母)+ cH2O+dCO2

生化工程

解：据平衡方程式,可得：C: 6=6b+d H: 12+3a=10b+2c O: 6+6=3b+c+2d N: a=b 方程联立求解为：a=b=0.48 c=4.32 d=3.12 上述反应计量关系式为: C6H12O6+3O2+0.48NH3 → 0.48C6H10NO3+4.32H2O+ 3.12CO2

生化工程

练习 1.葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酿酒酵母 发酵。呼吸商1.04。消耗100mol葡萄糖和 48mol NH3 生 产 了 48 mol 菌 体 、 312 mol CO2 和

第六章，吸附分离技术和理论

1，固定床吸附操作的恒定图式假设在什么情况下能够成立？为什么？ 答：在优惠吸附时才能成立

原因：优惠吸附中吸附等温线的斜率是随着C增大逐渐降低的，高浓度区溶质移动速度快，随着吸附操作的进行，浓度波宽越来越窄，最后发生自传现象，实际操作中，由于各种杂质阻力和非理想流动引起浓度波变宽，当使浓度波变窄和变宽这两种相反作用相互抵消时，弄赌博的宽度和形状不再改变，形成恒定图式浓度波，因此，恒定图式假设只有在优惠吸附时成立。

5，解：（1）当I1=0.1mol/L时：qm=50(1-0.5I2)=50(1-0.5?0.12)=49.75g/L 解离常数：Kd=5I2=5?0.12=0.05g/L.

F为柱内固液体积比：F=VS/VL=50/1000=0.05 C0=5mg/mL=5g/L，则α=-KdCo=-0.05?5=-0.25(g2/L2) β=Fqm+Kd-Co=0.05?49.75+0.05-5=-2.4625(g/L)

?（?2.4625）?2.46252?4?（?0.25)?4?）=2（????2C*=0.5

?2.56g/L

带入Langmuir方程可得：q*=

qmc*49.75?2.56??48.79g/L

生化分离工程

课程名称：生化分离工程

英文名称：Biochemical Separation Technology 课程编码：C1008163 学 分：2

总 学 时：64，其中，理论学时：54；实验学时：24 适用专业：生物类本科各专业

先修课程：生物化学、有机化学、物理化学、化工原理 执 笔 人： 审 订 人：

一、课程的性质、地位与任务：

主要讲述生物活性物质的各种分离纯化技术，是生物工程中不可缺少的组成部分，通过对本课程的学习，能使学生针对不同产品的特性，较好运用各种分离技术来设计合理的提取和纯化工艺路线或改进现有工艺，并能从理论上解释各种实际问题，提高分析问题和解决问题的能力，是一门理论和实践密切结合的课程。

二、教学基本要求：

通过课堂教学和实验教学相结合，使学生掌握生化物质分离的常见方法和基本的实验技能，理解生化分离工程在生物工程技术实用化、产业化中的重要地位，了解常见的生化产品生产工艺以及生化分离工程学科的最新研究进展。

三、教学学时分配表

章 目 一 二 三 四 五 六 七 八 教学内容 绪论 发酵液的预处理及菌体的回收 细胞的破碎 膜分离过程 溶剂萃取 双水相萃取 反胶团萃取 超临界流体萃取 教 学 时 数