生化工程复习题

生化工程（12级）
（一）填空题（10分左右）
（二）单选题（15分左右）
（三）判断题（10分左右）
（三）名词解释（2-4题10分左右）
1、相对热阻：指在相同条件下两种微生物热阻的比值。
2、能量偶联型生长：当有大量合成菌体材料存在时，微生物生长取决
于ATP的供能，这种生长就是能量偶联型生长。（YATP≥10g/mol）
3、能量非偶联型生长：当缺少合成菌体的材料或存在生长抑制物质，这时的生
长取决于合成菌体材料的供应或合成反应的进程，这种生长就是能量非偶联型生
长。（这时多余的ATP会被相应的酶水解，能量以废热的方式释放）
（ YATP<10g/mol）
3、稀释率：在连续培养技术中，F/V被称为稀释率（dilution rate）用符号“D”
表示。 μ=D
4、临界氧浓度：微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物
对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称
为临界氧浓度，以Ccr表示。
5、轴功率：所谓搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的转速回转时，
用以克服介质的阻力所需要用的功率，或简称为轴功率。它不包括机械传动的摩
擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。
6、呼吸商：RQ= CO2生成速率/O2消耗速率
7、反馈补料
8、非反馈补料
9、呼吸强度：呼吸强度（比耗氧速率） QO2 ：单位质量干菌体在单位时间内
消耗氧的量。
单位：mmolO2/（kg干菌体·h）。
10、CSTR反应器：均匀混合的生物反应器（全混式，CSTR）即连续搅拌反应
器，又分为恒化器（chemostat）和恒浊器（turtitostat）两种，前者是使培养液中
限制性营养物质保持恒定，后者是使培养液中的细胞浓度维持恒定。
11、细胞理论得率：菌体得率(细胞得率）=YX/S=ΔX/(-ΔS)
=(dX/dt)/(-dS/dt)=dX/(-dS)单位为 g/g 或g/mol 反应过程中产生细
胞的量除以反应过程中消耗基质的量。
菌体理论得率（YG）
YG=(生成菌体的量)/(用于同化为菌体碳源消耗)=dX/(-dS)G

12、反混：在实际的反应器中，与流动方向相垂直的截面上存在着不同的流速分
布，这必然存在物料微团间的轴向混合。这种是经历了不同反应时间的物料的混
合，称为反混。
13、Z值：使十进热死时间延长或缩短十倍所需降低或提高的温度，从另一角度
代表细胞对热的抵抗力大小(灭菌温度系数) 。

（四）简答题（2题）（10分左右）
1、简述两级冷却、分离、加热空气除菌流程、冷热空气直接混合式除菌流程特
点。
①两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：流程的特点是：两次冷却，两次分离，
适当加热。两次冷却，两次分离油水的好处是，能提高传热系数，节约冷却用水，
油水分离得比较完全。经第一次冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，
且雾粒浓度比较大，故适宜旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析
出一部分较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径
的雾粒和分离效果高的作用。经二次分离的空气带的雾沫就较少，两级冷却可以
减少油膜污染对传热的影响。这种流程适合湿度较大的地区。
②冷热空气直接混合式空气除菌流程： 它的特点：可省第二冷却分离设备和空
气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空气的热量来提高空
气温度。压缩空气从贮罐分成两部分流出，一部分进入冷却器，冷却到较低的温
度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。

2、提高体积溶氧系数和溶氧速率的方法有哪些？
1、增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效的提高 KLa。
2、加大通气量Q，以提高Vs。在低通气量时，提高Q可以显著增大kLa。但当
通气量已经很高 时，进一步提高Q，Pg也将随之剧烈降低，其 综合效果将不
会使kLa增加，甚至可能下降。只有在增大Q的同时也相应提高N，使Pg不致
过分降低的情况下，才能最有效地提高kLa
3、为提高Nv，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。在空气中通
入纯氧，或在可能时提高罐内操作压力，均可使C*增高，从而提高了氧的传递
推动力。
4、高径比调节。增加高径比H/D，另一方面液相中的平均压力增高，传质推动
力（C*- C）增大，从而提高溶氧速率；另一方面在通风比Q/V一定的情况下，
高径比大，反应器截面积小，空截面上的空气线速度Vs将增大，从而提高溶氧
速率。增加H/D还有利于降低单位溶解氧功耗即提高传氧效率。
5、丝状真菌的繁殖导致发酵液粘度的急剧上升和kLa的急剧下降。过分地提高
转速及通气速率可能导致菌丝体的机械破坏及液泛。在这种情况下可重复地放出
一部分发酵液，补充新鲜灭菌的等体积培养基，这样可以使kLa大幅度回升。
6、向发酵液中添加少量的水不溶另一液相，氧在这一液相中具有比在水中高得
多的溶解度，如正十二烷，氧在其中的溶解度为35℃，105Pa压力时为54.9mg/L，
故这类液体称为氧载体。
7、传氧效率单位溶解氧功耗kLa值的大小是评价生化反应器的重要指标，但不
是唯一指标。一个性能良好的反应器不仅应具有较高的溶氧系数kLa值，而且其
能量消耗是最低的。作为评价通气生化反应器的另一个重要指标是单位溶解氧功
耗，即溶解1kg或1kmolO2所需要的功率，它反映该反应器传氧效率的高低。

3、 利用阿累尼乌斯方程简述高温短时灭菌方法原理。
实验表明细菌孢子热死反应的活化能E很高，营养成分破坏的活化能较低。随着温度上升，
菌体孢子死亡速度常数增加倍数大于培养基成分破坏速度常数增加倍数。所以当温度升高
时，杂菌死亡速度要比营养成分破坏速度快得多。根据这一原理，培养基灭菌采用高温短时
的方法能达到灭菌的效果，又可以减少营养成分的破坏。阿累尼乌斯方程：K=Ae-E/RT
4、 简述溶氧双膜理论的内容。
气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在 界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液
体一侧存在着一层液膜；气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以浓度差方
式透过双膜；气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，氧
分压相等；液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压相等。
在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系
氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。

5、 与分批培养和连续培养比较，补料分批培养有那些特点？
与分批培养比较
（1）可解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。
（2）对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、
耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高
目的产物的转化率；
（3）微生物细胞可被空中在一系列的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；并可重复某一
时期细胞培养的过渡态，可用来理论研究。
与连续培养方式比较：
1.不需要严格的无菌条件。
2.不会产生微生物菌种的老化和变异。
3.最终产物浓度较高，有利于产物的分离。
4.使用范围广。

6、发酵产物动力学分哪几种，动力学方程各是什么，举例说明。
1）偶联型(相关型)在该模式中，产物形成速度与生长速度的关系可表示为：
dP/dt=α(dX/dt)= αμX
P---------产物浓度（g/L）
α -------产物相对于细胞的生成速度（ g产物/g细胞），即：YP/X
2）非偶联型(非相关型)
dP/dt=βX
β----------非生长关联的产物形成常数(g产物/g细胞.h)
3）混合型(部分相关型)
dP/dt=αμX +βX

7、简述空气深层过滤机制
介质过滤(深层过滤）
介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流
过的空气所含的微生物，而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等。
深层过滤所用的过滤介质如棉花的纤维直径一般为16~20um。填充系数为8%时，棉花纤维
所形成网络的孔隙为20~50um，微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流
前进，使气流出现无数次改变运动速度和方向，绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤
维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
介质中过滤系统中由哪一种过滤机理起主导作用，由颗粒性质、介质的性质和气流速度等决
定，只有静电吸附只受尘埃或微生物和介质所带电荷作用，不受外界因素影响。当气流速度
小时，惯性碰撞作用不明显，以阻截、沉降和布朗运动为主。此时，除菌效率随速度的增大
而降低，当增大到某值时，除菌效率最低，也就是临界速度，惯性碰撞代替阻截、沉降和布
朗运动，除菌效率随气流速度的增加而提高，以上现象还和微粒的大小相关，只有较大的颗
粒。在0.5um以下，几乎无惯性碰撞现象。

计算题（共5题）45分
1、 培养基灭菌或空气除菌（1题）
2、 搅拌功率计算或比拟放大（1题）
3、 质量与能量恒算（1题）
4、 反应动力学（2题）
分批培养、连续培养、补料分批培养
上课讲的例题、课后作业、课堂测试题