《生化工程》期末考试考点.docx
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《生化工程》期末考试考点
生化工程期末考试整理——by悦
题型：
1、填空（20分）；2、选择（20分）；3、问答题（20分）；4、计算（40分）。
第一章绪论
1、生化工程学科的产生：
①传统的发酵业-混沌时期；②发酵工业走向科学（1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的）；③发酵工程的早期阶段（厌氧发酵、好氧发酵）；④生化工程学的起点（1928年由Fleming发现青霉素）。
2、两个关键技术-奠定生化工程学科基础
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。
3、生物化学工程
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。
第二章培养基灭菌
1、培养基灭菌目的：
发酵过程要求纯培养
2、灭菌与消毒的区别
消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病原微生物。
一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。
例如，用于消毒牛奶、啤酒和酿酒原汁等的巴氏消毒法，是将物料加热至60℃维持30min，以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。
灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。
消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的。
3、灭菌方法
4、湿热灭菌
原理：
由于蒸汽具有很强的穿透力，而且在冷凝时会放出大量的冷凝热（潜热），很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物。
灭菌条件：
121℃，30min。
灭菌不利方面：
同时也会破坏培养基中的营养成分，甚至会产生不利于菌体生长的物质。
因此，在工业培养过程中，除了尽可能杀死培养基中的杂菌外，还要尽可能减少培养基中营养成分的损失。
5、分批灭菌（batchsterilization）、实罐灭菌（实消）：
定义：
利用热空气或高压蒸汽对培养基与发酵罐同时灭菌。
分批灭菌的特点：
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，并减少了杂菌污染的机会
缺点：
升温降温时间长，设备利用率低
1
各阶段对灭菌的贡献：
升温20%；保温75%；降温5%。
6、连续灭菌（continuoussterilization）（连消）
定义：
培养基通过连续灭菌装置，快速连续加热灭菌，后进入灭菌的空罐。
连续灭菌装置：
1）.连消塔保温罐连续灭菌；2）.板式热交换器连续灭菌；3）.蒸汽喷射连续灭菌。
7、分批灭菌与连续灭菌的特点比较
8、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。
灭菌工作关键：
控制加热温度（T）和受热时间（t）。
☆9、微生物的热死规律----对数残留定律
微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性，这种反应可认为是单分子反应，死亡速率可视为一级反应，即与残存的微生物数量成正比。
菌的死亡速率－dN/dt与任何瞬间残留的活菌数N成正比。
公式：
ln（Ns/N0）=－Kt
N0：
原有活菌数（t=0,污染度）
Ns：
经t时间后残存活菌数（灭菌度，Ns＝10－3）
10、K－比死亡速率常数（反应速率常数）（选择、填空）
K大小反映微生物受热死亡的难易程度。
与微生物的种类及加热温度有关
◇相同温度下，k值愈小，加热时间长，则此微生物愈耐热。
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。
11、Arrhenius方程
K=Ae－ΔE/RT
K：
比死亡速率常数，也称反应速率常数（min－1或s－1）
A：
阿氏常数（s－1）
E：
活化能（J/mol）化学反应中，反应物分子到达活化分子所需的最小能量。
活化能的大小与反应速率相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。
T：
绝对温度（K），T（K）＝t（℃）+273
R：
气体常数（8.31J/mol·K）
e:
2.718
12、D（1/10衰减时间）decimalreactiontime：
活微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10所需要的时间。
☆与K的关系为：
D=－ln（0.1N0/N0）/K=－2.303lg0.1/K=2.303/K
13、灭菌标准：
（不用记忆，考试会给出）
2
以杀死耐热芽孢杆菌为准：
ΔEs=68700cal/mol.k,As=7.94×1038（s-1）
即:
K=7.94×1038e-68700/1.98T
14、营养受热分解规律
符合微生物热死亡动力学规律和Arrhenius方程：
－dC/dt=K’C
可变形为：
ln（Cs/Co）=－K’t或Cs=C0e－K’tK’=Ae－ΔE’/RT
K’：
营养成分受热分解速率常数（min－1,s－1）
ΔE：
营养成分受热分解反应的活化能（J/mol）
Co：
初始营养物质浓度
Cs：
时间t后营养物质浓度。
15、采用高温瞬时灭菌法的理论基础（问答）
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。
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。
例题：
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.某厂培养基初始杂菌数为106个/ml,生产要求最终无菌度为10-3。
当发酵容器由1m3放大至10m3时，总灭菌效果增加多少。
4.发酵培养基60m3，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。
第三章空气除菌
1、空气除菌的意义：
发酵要求纯种培养
微生物种类：
以细菌和细菌芽孢较多,也有酵母、霉菌和病毒等
2、好气性发酵对空气无菌度的要求
-3工业设计要求:
10；概率意义:
经过1000次使用周期中有允许一个杂菌通过
3、空气除菌的方法:
除去或杀灭
①加热灭菌②静电吸附:
能耗小；捕获率低，空气需干燥③介质过滤除菌：
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。
相对过滤（深层过滤）：
0.5-2.0μm颗粒物除去
绝对过滤：
d<0.45μm
4、过滤除菌设备（过滤除菌）
1）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
2）平板式纤维纸过滤器
5、空气过滤器的尺寸
a.过滤器的直径D（决定了过滤面积）
3
☆过滤器的直径D＝（4V/πvs）1/2
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）（一般取0.1－0.3m/s）b.有效过滤厚度（高度）
经验：
上下棉花的厚度为总滤层厚度的1/4－1/3,活性炭层占1/3－1/2
6、空气除菌的要求：
无菌、无尘、无油、无水、有压力
7、绝对过滤和深层过滤
绝对过滤：
过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。
微孔滤膜：
0.1～0.5μm（细菌1μm左右）深层过滤：
一定厚度的过滤介质，孔径一般大于细菌，却能达到过滤细菌的效果。
8、过滤除菌机制
惯性碰撞滞留作用；阻拦滞留作用；布朗扩散作用。
9、介质穿透率和过滤效率概念
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
10、对数穿透定律
1）空气过滤时，颗粒数N随滤床厚度L的增加而递减。
也符合一级反应动力学规律，即：
－dN/dL=KN
（1）
积分后得：
ln（Ns/N0）＝－KL也可为：
lnP＝－KL
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
11、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）
D滤层＝Vm3/s）；VS－空容器截面的空气流速（m/s）。
12、K值的获得（选择、填空）
K（过滤常数）与空气流速v，介质种类、填充系数、介质直径、颗粒直径等有关。
（1）实验测定
（2）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
单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3
η1：
惯性碰撞滞留效率；η2：
阻拦滞留效率；η3：
扩散捕获效率
例题：
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
2.一台空气过滤器的通风量为22.5m3/min,过滤器使用周期为100h。
空气中颗粒数为1750个/m3,求整个周4
期通过过滤器无菌要求为10-3时的过滤器的尺寸。
若通风量为2.25m3/min,过滤1min后空气中的颗粒数。
（介质为df=16μm的玻璃纤维，原空气流速V=1.52m/s,变化后V=0.15m/s）注：
空气流速与过滤效率的关
3.若上题中，采用df=10μm的玻璃纤维作填充介质，计算其滤层厚度。
已知微粒直径dp＝1μm＝1×10－6m，ρp=1000kg/m3;纤维直径df=10μm＝1×10－5m,滑动系数C=1.16,空气空气密度ρ=4.67kg/m3,空气黏度μ=1.863×10－5kg/m.s.
解：
L＝－ln（Ns/N0）/K
第四章传氧与通气搅拌
1、需氧型发酵的关键问题：
提高溶氧速率
解决氧气供应方法：
通气与搅拌
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：
底物发酵液→菌体；代谢物质菌体→发酵液.
2、
（1）呼吸强度（比耗氧速率）QO2：
单位质量干菌体在单位实际X——细胞浓度，kg（干重）/m
3、传氧与耗氧平衡满足：
（需记忆）
**OTR=KLa（C-CL）=QO2·X可得：
KLa=QO2·X/（C-CL）
4、供氧及供氧方面的阻力
（1）供氧：
空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。
供氧方面的阻力：
液膜阻力1/k3（可示1/KL）（主要阻力）。
氧是很难溶于水,所以在供氧方面液膜是一个主要障碍，即1/k3较为显著。
（2）耗氧：
指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞侧为气膜，液体一侧为液膜。
（2）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。
（3）气、液主体中，氧浓度平衡；气液界面上，氧浓度平衡，无传质阻力。
6、传氧速率方程
Nα=Nv=kLα（C*－C）=QO2·X即供氧=耗氧
Nα－体积溶氧速率（kmolO2/m3.h）；kLα－以（C*－C）为推动力的体积溶氧系数（1/h）；α－单位体积培养液中气液两相的总接触面积（m2/m3）；
7、影响传氧速率的因素
由传氧速率方程：
Nv＝kLα（C*－C）可知，影响传氧速率的因素有溶氧系数kLα和推动力（C*－C）其中：
与推动力（C*－C）有关的：
发酵液的深度、罐容、氧分压及发酵液的性质等；
与kLα有关的：
搅拌、空气线速度、空气分布器的形式和发酵液的黏度等。
8、体积溶氧系数kLα的测定
5
①亚硫酸盐法测定；②溶氧电极法；③复膜氧电极法
9、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）。
Michel修正公式：
（不须记忆）
230.08Pg＝2.25×10-3（PoNDi/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＝168r/min，通气率Q＝1.42m3/min，液体密度ρ＝1020kg/m3，液体粘度μ＝1.96×10－3N.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＝120r/min，通风比＝0.5m3/m3.min，液体密度ρ＝1000kg/m3，液体粘度μ＝1.0×10－3N.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,2.4mg/L,4.8mg/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=8.89×10－5g/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）
第五章微生物培养及发酵动力学
（计算可能出在物料衡算或动力学方程）
1、微生物反应过程的质量衡算
碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O
计量关系如下：
对各元素作元素平衡得：
2、呼吸商：
RQ=CO2生成速率/O2消耗速率
3、得率系数
YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数，g/g,g/mol;
YATP消耗1molATP获得的干菌体克数，g/mol；
YP/S消耗1g或1mol基质获得的干产物克数，g/g,g/mol。
细胞得率（生长得率）:
YX/S＝生产细胞的质量g/消耗基质的质量g＝ΔX/（-ΔS）=（X-X0）/（S0-S）
产物得率系数（生产得率系数）：
YP/S＝生产产物的质量g/消耗基质的质量g＝ΔP/（-ΔS）=（P-P0）/（S0
-S）
6
td=0.693/μm。
6、微生物生长动力学
指数生长方程：
dX/dt=（μ－α）X
X为微生物的菌体浓度，单位体积t=ln（X/X0）/μ
注：
1）一般情况下，在微生物生长的各阶段，细胞增值规律均符合指数生长定律，但μ值随时间变化；
2）在指数生长期，μ值达最大μm，且保持稳定；其他生长期，μ值随时间变化。
3）表示微生物生长快慢的另一方法：
倍增时间td：
菌体细胞质量增加一倍所需的时间td=0.693/μ
7、Monod方程
经验公式：
μ＝μmS/（Ks+S）
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1/2μm时的限制性基质浓度,g/L）；μmax:
最大生长比速（1/h）。
g/L）；μmax:
最大生长比速（1/h）。
S《Ks时，μ∞S直线关系；S》Ks时，μ物对基质的亲和力：
Ks小，亲和力大。
8、Monod方程的参数求解（双倒数法）：
Ks与μ或9、发酵动力学类型（产物形成和菌体生长关系）偶联型：
产物的形成和菌体的生长相偶联
混合型：
产物的形成和菌体的生长部分偶联
dX/dt=μX
产物形成：
产物积累＝产物合成
dP/dt=μX·Yp/x=qpX
基质利用：
基质积累＝－生长消耗－产物消耗－维持
－dS/dt=－μX/Yx/s－qpX/Yp/s－mX=－qsX－qpX/Yp/s－mX
比速率（μ、qp、qs）：
单位时间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（washout）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。
连续培养的稳定状态下，X、S0、D为主要变量，其他属于因变量。
但当D发生改变，均会造成X、S、μ的变化。
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：
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。
8
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。
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→bC6H10NO3（面包酵母）＋
cH2O＋dCO2
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＝0.4c=4.32d=3.12
上述反应计量关系式为:
C6H12O6＋3O2＋0.48NH3→0.48C6H10NO3＋4.32H2O＋3.12CO2
2．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48molNH3生产了48mol菌体、312molCO2和432molH2O。
求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。
（呼吸商RQ＝CO2生成速率/O2消耗速率）
3．葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行某细菌的好氧培养。
消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。
反应式为：
C6H12O6＋aO2＋bNH3→c（C4.4OH7.3N0.86O1.2）＋dH2O＋eCO2
计算上述反应中的得率系数YX/S和YX/O
解：
据平衡方程式,可得：
C:
6=4.4c＋eH:
12+3b=7.3c+2dO:
6+2a=2.2c+d+2eN:
b=0.86c
由于1mol葡萄糖中含碳72g,转化为细胞得：
c=0.91
转化为CO2的碳为72－48＝24（g）故：
12e=24e=2
解平衡方程中其他未知数，得：
b=0.78;d=3.85;a=1.47
故平衡方程为：
C6H12O6＋1.47O2＋0.78NH3→0.91（C4.4OH7.3N0.86O1.2）＋3.85H2O＋2CO2
YX/S＝0.91×（12×4.4＋16＋7.3＋14×0.86＋16×1.2）/180＝0.46（g/g）（以细胞/葡萄糖计）YX/O＝83.1/（1.47×32）＝1.77（g/g）（以细胞/氧计）
4.在5m3的培养液中按5%接种量接种，原接种液含菌5×106（个/mL），求菌含量为4×109（个/mL）的培养时间。
（假定培养期间均S>>Ks,μm=0.8h－1）
5.采用合成培养基，在1m3的反应器中对大肠杆菌进行分批培养，菌体生长可用Monod方程描述。
已知μm=0.935h－1，Ks=0.71kg/m3,基质初始浓度S=50kg/m3，菌体初始浓度X0=0.1kg/m3,菌体得率YX/S=0.6kg/kg（细胞/基质）。
问:
当80％基质已消耗所需时间。
6.以甘油为基质进行阴沟气杆菌分批培养。
时间t=0，X0=0.1g/L,S0=50g/L.，菌体生长可用Monod方程描述，μm=0.85h－1，Ks=1.23×10－2g/L，YX/S=0.6kg/kg（细胞/葡萄糖）。
不考虑诱导期和死亡期，求培养6h后的菌体浓度及底物浓度。
有错误请大家更正！
！
2010/7/1
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