生物反應工程(知識點參考)生物反應工程(知識點參考)生物反應工程(知識點參考)生物反應工程(知識點參考)編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:名詞解釋1，返混:不同停留時間的物料的混合。2，雙膜理論:作為界面傳質動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質吸收的過程。一種關于兩個流體相在界面傳質動力學的理論3，構象改變:在分子生物學里，一個蛋白質可能為了執行新的功能而改變去形狀；每一種可能的形狀被稱為構象，而在其之間的轉變即稱為構象改變。4，分配效應:分配的馬太效應（MatthewEffect），是指好的愈好，壞的愈壞，多的愈多，少的愈少的一種現象。5，酶的固定化技術:酶固定化技術是通過物理或化學的方法將酶連接在一定的固相載體上成為固定化酶，從而發揮催化作用。固定化后的酶在保持原有催化活性的同時，又可以同一般催化劑一樣能回收和反復使用，可在生產工藝上實現連續化和自動化，更適應工業化生產的需要。6，結構模型:就是應用有向連接圖來描述系統各要素間的關系，以表示一個作為要素集合體的系統的模型.7，固定化酶:水溶性酶經物理或化學方法處理后，成為不溶于水的但仍具有酶活性的一種酶的衍生物。在催化反應中以固相狀態作用于底物。8，停留時間:又稱寄宿時間，是指在穩定態時，某個元素或某種物質從進入某物到離開該物所度過的平均時間。9，恒化器：一種微生物連續培養器。它以恒定的速度流出培養液，使容器中的微生物生長繁殖始終低于最快生長速度。這種容器反映的是培養基的化學環境恒定。而恒濁器反映的是細胞濁度（濃度）的恒定。10，恒濁器：一種連續培養微生物的裝置。可以根據培養液中的微生物的濃度，通過光電系統觀控制培養液的流速，從而使微生物高密度的以恒定的速度生長。11，生物反應工程：一個由生物反應動力學與化學反應工程結合的交叉分支學科。著重解決不同性質的生物反應在不同型式的生物反應器中以不同的操作方式操作時的優化條件12，連續滅菌：就是將配制好的培養基在通入發酵罐時進行加熱,保溫，降溫的滅菌過程，也稱連消。13，間歇滅菌：在100℃條件下，滅菌30分鐘，間隔24小時再重復操作三次。14，有效電子轉移：是指物質在氧化過程中伴隨著能量釋放所進行的電子轉移。15，能量生長偶聯型：當有大量合成菌體材料存在時，微生物生長取決于ATP的供能，這種生長就是能量生長偶聯型。16，能量生長非偶聯型：在ATP的供能充分，而合成細胞的材料受限制時，這種生長就是能量生長非偶聯型。17，不可逆抑制：抑制劑與酶的必需基團或活性部位以共價鍵結合而引起酶活力喪失，不能用透析、超濾或凝膠過濾等物理方法去除抑制劑而使酶活力恢復的作用。18，流加式操作：能夠任意控制反應液中基質濃度的操作方式。19，代謝工程：通過基因工程的方法改變細胞的代謝途徑。20，連續培養及穩態：又叫開放培養，是相對分批培養或密閉培養而言的。連續培養是采用有效的措施讓微生物在某特定的環境中保持旺盛生長狀態的培養方法.生理學家把正常機體在神經系統和體液以及免疫系統的調控下，使得各個器官、系統的協調活動，共同維持內環境的相對穩定狀態，叫做穩態。21，反饋流加：分間接控制，直接控制，定值控制和程序控制等流加培養。22，高細胞濃度培養：23，生物反應系統優化：24，生物反應過程的優化：公式1，米氏方程v=Vmax×[S]/（Km+[S])2，monod方程3，停留時間4，稀釋率5，轉化率6，Da準數7，內擴散效率因子8，外擴散效率因子9，菌體得率10，菌體得率常數11，反應器生產能力（分批式）（連續）12，產物生成比速13，換熱裝置的傳熱面積14，呼吸商問答1，比較米氏方程和monod方程莫諾方程：米氏方程：描述微生物生長描述酶促反應經驗方程理論推導的機理方程方程中各項含義：μ：生長比速(h-1)μmax：最大生長比速(h-1)S:單一限制性底物濃度(mol/L)KS:半飽和常數(mol/L)方程中各項含義：r：反應速率(mol/L.h)rmax：最大反應速率(mol/L.h)S：底物濃度(mol/L)Km：米氏常數(mol/L)適用于單一限制性底物、不存在抑制的情況適用于單底物酶促反應不存在抑制的情況2，比較CSTR和PFR型酶反應器的性能答：CSTR代表連續全混流酶反應器。PFR代表連續活塞式酶反應器。CSTR型和PFR型酶反應器的性能比較：1）達到相同轉化率時，PFR型酶反應器所需停留時間較短。2）在相同的停留時間達到相同轉化率時，CSTR型反應器所需酶量要大大高于PFR型反應器。因此一般來說，CSTR型反應器的效果比PFR型差，但是，將多個CSTR型反應器串聯時，可克服這種不利情況。3）與CSTR型酶反應器相比，PFR型酶反應器中底物濃度較高，而產物濃度較低，因此，發生底物抑制時，PFR型酶反應器轉化率的降低要比CSTR型劇烈得多；而產物抑制對CSTR型酶反應器影響更顯著。3，氣體溶解過程的雙模理論答：當氣體與液體相互接觸時，即使在流體的主體中已呈湍流，氣液相際兩側仍分別存在有穩定的氣體滯流層（氣膜）和液體滯流層（液膜),而吸收過程是吸收質分子從氣相主體運動到氣膜面，再以分子擴散的方式通過氣膜到達氣液兩相界面，在界面上吸收質溶入液相，再從液相界面以分子擴散方式通過液膜進入液相主體。4，影響發酵介質流變特性的因素答：發酵介質的流變特性主要取決于細胞的濃度和其形態。一般發酵介質中液相部分粘度較低，但是隨著細胞濃度的增加，發酵介質的粘度也相應增大，流體偏離牛頓特性越大。細胞的形態對發酵介質流動特性也有較大影響，如細胞為絲狀形態時會導致發酵介質成為非牛頓型流體。影響發酵介質流變特性的另一個因素為胞外產物，如產物為多糖，此時細胞的存在對發酵介質的流變特性影響較小，而多糖濃度的高低則對介質的粘度有較大影響。5，生物反應過程中比氧消耗速率與溶解氧的關系答：微生物反應過程中比氧消耗速率和溶解氧濃度間的關系可以通過試驗來測定。從數據可以看出，當[DO]在某一值以上時,[DO]隨時間線性減少，其比氧消耗速率qO2與[DO]無關，為一常數；當[DO]在某一值以下時，qO2與[DO]有一定關系，隨[DO]的減少，兩者呈雙曲線關系。這一值，我們稱為臨界溶解氧濃度，記為[DO]cri。討論：當時,[DO]隨時間線性減少，qo2與[DO]無關。這意味微生物反應對于DO為0級反應，而與細胞內呼吸系統有關的酶完全被氧所飽和，微生物反應過程成為酶催化反應控制。進一步，當溶氧濃度大于空氣飽和值時，過高的溶氧反而會使微生物生長受到抑制。當溶氧濃度小于臨界溶氧濃度時，比氧消耗速率隨溶氧而變化，可認為是由于與呼吸作用有關的酶未被氧飽和，微生物反應成為供氧控制。多數情況下，比氧消耗速率和溶氧的關系可用米氏方程近似表示：6，固定化酶促反應的主要因素分子構象的改變。酶固定化過程中，酶和載體的相互作用引起酶的活性中心或調節中心的構象發生變化，導致酶的活力下降。位阻效應。指由于載體的遮蔽作用，使酶與底物無法接觸。微擾效應。是指由于載體的親水性、疏水性及介電常數等，使固定化酶所處微環境發生變化，導致酶活力的變化。分配效應。由于載體內外物質分配不等，影響酶促反應速率。擴散效應。底物、產物及其他效應物受傳遞速度限制，當酶的催化活性很高時，在固定化酶周圍形成濃度梯度，造成微環境與宏觀環境之間底物、產物的濃度產生差別。7，比較恒化器和恒濁器答：恒化器、恒濁器指的是兩種控制方法。恒化器是通過控制流量而達到相應的菌體濃度。恒濁器則是通過監測菌體密度來反饋調節流量。前者通過計量泵、溢流管來保證恒定的流量；后者通過光電池監測細胞密度，以反饋調節流量來保證細胞密度的恒定。恒化器便于控制，其應用更為廣泛。8，連續培養的應用答：由于連續培養存在雜菌污染問題、菌種變異問題、成本問題，使其在生產中的應用受到限制，目前主要用于面包酵母的生產、及污水處理。連續培養在科研領域有著重要的應用，主要表現在以下幾個方面：(1)利用恒化器測定微生物反應動力學參數。例如μm、Ks的測定。(2)確定最佳培養條件。例如面包酵母生產中最佳葡萄糖濃度的確定。(3)利用沖出現象進行菌種的篩選。1.生物反應工程的定義:一生物反應動力學為基礎,將傳質過程原理、設備工程學、過程動態學及最優化原理等化學方法生物過程方面的知識相結合，進行生物反應過程分析與開發，以及生物反應器的設計、操作和控制。2.生物反應動力學：主要研究生物反應速率和各種因素對反應速率的影響。生物反應器的研究內容：（1）生物反應器中的傳遞特質即傳質、傳熱及動量；（2）生物器的設計與放大；（3）生物反應器的優化與控制，包括優化操作與優化設計。3.生物反應器的研究內容（1-34）(1)生物反應器中的傳遞特性。(2)生物反應器的設計與放大。(3)生物反應器的優化與控制。3.酶促反應中競爭性抑制動力學方程4.酶促反應中非競爭性抑制動力學方程5.酶促反應中反競爭性抑制動力學方程6.判斷酶促反應中競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制曲線競爭型非競爭型反競爭型7.比較酶促反應中競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制Km、rmax的變化8.雙底物酶催化反應的機理有哪些？

隨機機制：兩個底物S1和S2隨機地與酶相結合，產物P1和P2也隨機地釋放出來。許多激酶類的催化機制屬于此種。順序機制：兩個底物S1和S2與酶結合形成復合物是有順序的，酶先與底物S1結合形成ES1復合物，然后ES1再與S2結合形成具有催化活性的ES1S2。乒乓機制：最主要的特點是底物S1和S2始終不同時與酶結合，其機理式。轉氨酶9.固定化酶的優點：(1)可連續穩定地生產產物；(2)反應產物地純度高、質量好；(3)生產的副產物少；(4)反應的動力學常數、反應的最佳pH和反應溫度可能按意愿經固定化調整；(5)固定化酶、細胞在使用時可以再生或回收，可反復使用；(6)容易實現連續自動控制，節約勞動力；(7)可大大提高酶、細胞的比生產能力10.酶固定化的方法：（1）載體結合法：將酶或細胞利用共價鍵或離子鍵、物理吸附等方法結合于水不溶性載體上的一種固定化方法。水不溶性載體：纖維素、瓊脂糖等多糖類或多孔玻璃、離子交換樹脂等。（2）交聯法：利用雙功能試劑的作用，在酶分子之間發生交聯、凝聚成網狀結構，構成固定化酶(細胞)（3）包埋法：將酶包埋在微細網格或半透性的聚合膜中，使酶分子不能從凝膠的網格中漏出，而小分子的底物和產物可自由通過凝膠網格。包埋法使用的載作主要有聚丙烯酰胺、卡拉膠、瓊脂糖和海藻酸鈉等。11.單克萊爾準數物理意義（2-2，-46）

Da(Damkohler準數)是C*的函數，其物理意義是最大反應速率與最大傳質速率之比。Da>>1，CS→0,ηout→0過程為外擴散控制Da<<1CS→C,ηout→1過程為反應控制12.提高固定化酶外擴散效率,應設法減小Da準數。減小Da準數的措施

1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面積，但由于粒徑減小會伴隨壓降增加，因此應用中綜合考慮，確定合適的粒徑。2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態以增大13.西勒準數的物理意義：是表面反應速率與內擴散速率之比。對各類反應動力學與固定化酶的形狀，普遍化的的定義式為:14.提高固定化酶內擴散效率的措施

應設法減小。減小的措施主要是適當降低固定化酶顆粒粒徑。15.什么是酶的半衰期具有活性的酶濃度降至酶的總濃度一半的時間

16.呼吸商：CO2生成速率/O2消耗速率17.細胞得率：消耗1g基質生成細胞的克數（指干細胞重），Yx/s=生成細胞的質量/消耗基質的質量18.理想的微生物生長模型應具備條件：（1)要明確建立模型的目的。使用模型的目的，與其說是對微生物生長增殖的復雜現象有統一、深刻的理解，不如說是為了進行微生物反應器的設計，找到最佳操作條件和確定出反應過程的合理管理方法。(2)明確地給出建立模型的假定條件，這樣才能明確模型的適用范圍(3)希望所含有的參數，能夠通過實驗逐個確定(4)模型應盡可能地簡單。19.代謝產物的生成動力學的類型根據產物生成速率與細胞生長速率之間的關系，Gaden將其分為三種類型：(a)相關模型；(b)部分相關模型；(c)非相關模型相關模型：是指產物生成與細胞生長呈相關的過程。產物是細胞能量代謝的結果。此時產物通常是基質的分解代謝產物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。部分相關模型：反應產物生成與基質消耗僅有間接的關系。產物是能量代謝的間接結果。在細胞生長期內，基本無產物生成。屬于這類的有檸檬酸和氨基酸的生產等。非相關模型：產物的生成與細胞的生長無直接關系。在微生物生長階段，無產物積累，當細胞停止生長，產物卻大量生成。屬于這類的有青霉素等二級代謝產物的生產。20.分批式操作的特點及其優缺點特點：①微生物所處的環境不斷變化；②適合于少量多品種的發酵生產；③發生雜菌污染時終止操作容易；④可比較容易通過改變處理對策來改變運轉條件變化或轉產新產品；⑤對原料組成要求較粗放等。優點：①設備制作費用低；②同一設備可進行多種產品生產；③發生雜菌污染或菌種變異概率低等缺點：①反應器非生產周期長；②頻繁滅菌易使檢測裝置損傷；③每次培養均要接種導致生產成本增加；④需要非穩定過程控制費用等21.分批培養產生延遲期的原因①菌體適應培養基營養的改變；②菌體適應培養基物理環境如溫度、pH以及滲透壓等的變化等；③培養基中存在抑制劑或接種時帶入了一些有害的代謝產物抑制菌體生長；④接入的種子為孢子，孢子發芽需要一定時間；⑤接種靜止期或種齡較大的種子。22.分批培養進入靜止期的原因①培養基中必須的營養物質耗盡；②有害代謝產物的積累；③氧的供應不足；④生長因子不足；⑤生長的空間不夠等。23.補料分批式操作（流加操作）的優缺點優點：①同一套設備可進行多種產品生產；②可任意控制反應器中的基質濃度；③可確保微生物所需的環境；④如果能夠了解菌體在分批過程中的性質，可獲得產物高收率缺點：①存在非生產周期；②要較高的投入（需要控制和高價的檢測裝置）；③人員操作加大了污染的危險；④由于頻繁染菌，易使檢測裝置損傷。24.連續式操作的優缺點優點：①可維持穩定的操作條件，從而使產率和產品質量保持相應穩定；②能夠有效實現機械化和自動化，降低勞動強度，減少操作人員與病原微生物和毒性產物接觸的機會；③減少設備清洗、準備和滅菌等非生產占用時間，提高設備的利用率，節省勞動力和工時；④可減少滅菌次數，延長測量儀器探頭的壽命；⑤容易對過程進行優化，有效地提高發酵產率缺點：①對設備、儀器及控制元器件的技術要求較高，從而增加投資成本；②開放的系統和長周期發酵，易造成雜菌污染；③長周期連續發酵易發生微生物變異，生長慢的高產菌株可逐漸被生長快的低產變異菌株取代，從而降低產率；④絲狀菌體易附著在器壁上和在發酵液中結團，造成連續操作的困難。25.臨界稀釋率臨界稀釋率DCri稀釋率的改變并不是無止境的，而是有一個限度的；增大稀釋率會造成菌體濃度下降，如果超過臨界稀釋率(DCri)，則會出現“洗光”(washout)現象26.氧傳遞的停滯膜模型的基本論點是(6-53)A.在氣液兩相間存在界面，界面兩旁具有兩層穩定的薄膜，即氣膜和液膜。這兩層穩定的薄膜在任何流體力學條件下，均呈滯流狀態B.在氣液界面上，兩相的濃度總是相互平衡（空氣中氧的濃度與溶解在液體中的氧的濃度處于平衡狀態），即界面上不存在氧傳遞阻力C.在兩膜以外的氣液兩相的主流中，由于流體充分流動，氧的濃度基本上是均勻的，也就是無任何傳質阻力，因此，氧由氣相主體到液相主體所遇到阻力僅存在于兩層滯流膜中27.影響氧傳質速率的因素(6-59)根據氧傳遞速率方程：OTR=kLa(C*?C)28.影響氧的溶解度因素(6-60)增加罐壓；增加空氣中氧的含量，進行富氧通氣操作。29.影響氣液比表面積(a)的因素(6-62)氣液比表面積的大小取決于截留在培養液的氣體體積以及氣泡的大小。截留在液體中的氣體越多，氣泡的直徑越小，那么氣泡比表面積就越大。30.影響氧傳質系數kLa的因素(6-64)和(6-84)攪拌：采用機械攪拌是普通提高溶氧系數的行之有效的方法。空氣線速度：空氣的線速度增大，增加了溶氧，氧傳遞系數KL相應地也增大。過大的空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。空氣分布管：空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底距離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。培養液的性質：微生物的生命活動，引起培養液的性質的改變，特別是粘表面張力、離子液度、密度、擴散系數等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩定性，進而對氧傳遞系數KL帶來很大的影響。發酵液粘度：的改變還會影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數KL。當發酵液濃度增大時，粘度也增大，氧傳遞系數KL就降低。發酵液中泡沫的大量形成會使菌體與泡沫形成穩定的乳濁液，影響到氧傳遞系數。表面活性劑：培養液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使氧傳遞系數KL等發生變化，離子強度：一般在電解質溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。在同一氣液接觸的發酵罐中，在同樣的條件下，電解質溶液的氧傳遞系數KL比水大，而且隨電解質濃度的增加，KL也有較大的增加。菌體濃度：影響kLa的因素