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1、.专业整理.问答题1、 画出机械搅拌式生物反应器的结构简图,标出各部件的名称,并分别阐述其作用。a) 主要部件：1.罐体，盛发酵液，发酵场所；2.搅拌器：混合液体和传质；3.挡板：防治液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质；4.轴封：防止染菌和泄露；5.空气分布器：分布空气；6.消泡装置：防止发酵液随气泡外溢 7.夹套：冷却图见p232、 根据气液传质理论，提出机械搅拌通风发酵罐增加氧传递速率的措施。答：由OTR=Kla(C-C)可知增大Kla或增大(C-C)来增加氧传递速率增大(C-C)的方法：1.提高罐压2.富集氧气由Kla=K(Pg/VL)0.4Vs n0.5可知增大Kla的方法：1
2、.提高转速或增大搅拌叶轮直径，从而提高搅拌功率Pg；2.提高通气量；3.提高发酵罐的高径比，对提高溶氧速率和降低单位溶解氧功耗均有利，所以在设计时，应尽可能选择较大的高径比。3、 气升式发酵罐的工作原理。工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低，故向上运动，而含气率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质4、 机械搅拌自吸式的工作原理。工作原理：自吸式机械搅拌发酵罐的主要构件是吸气搅拌叶轮及导轮，简称转子及定子，当转子转动时，其框内液体被甩出而形成真空而吸入空气。通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使
3、空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、湍动和扩散5、 判断下图为何种生物反应器并标明图中6的名称，以及请简述该生物反应器工作原理。文氏管自吸式发酵罐 见p481-排管 2-罐体 3-换热夹套 4-循环泵 5-压力表 6-文氏管工作原理：用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段中流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散，与液体均匀混合，实现溶氧传质6、下图为一啤酒发酵生产系统，请指出图中1、3、5各为何设备，并简述该生产工艺的特点。1-薄板换热器 3-酵母离心机 5-朝日罐特点：1.三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了啤酒的
4、成熟。2.使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点3.利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵液接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。7、 试述啤酒塔式连续发酵流程。塔式连续发酵时，分批加入经处理过的无菌麦汁，麦汁在塔内边上升边发酵，直至满塔为止。培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后，用泵连续加入麦汁。在发酵过程中，须经常丛塔底通入CO，以保持酵母柱的疏松度。流出的嫩啤酒，经过酵母分离器后，再经薄板换热器冷却至-1，然后送入贮酒罐内，经过充CO2后，贮存4d，即可过滤包装出厂 8、 简述植物细胞培养的特点以及常用的培养器的类型及优缺点。1.植物细胞培养液的黏度随
5、细胞浓度的增加而显著上升 2.在kla值高的操作条件通入一定量的CO2对细胞量的增大时有效的优点缺点机械搅拌时反应器适用于许多细胞的培养中，而且也具有反应器内的温度、pH、 溶氧及营养物浓度较其他反应器更易控制由于剪切力大。易对植物细胞造成较大损伤，对次级代谢产物的合成也会产生影响非机械搅拌时反应器由于没有活动的搅拌装置，剪切力小，对细胞损伤小，而且容易实现长期无菌培养操作弹性小，低气速时尤其在培养后期植物细胞密度较高时，混合效果较差。如果 提高通气量，又会产生大量泡沫，严重影响植物细胞的生长。此外，对这类反应器缺乏足够的经验，放大过程也不如机械搅拌式反应器成熟填充床反应器可以消除或极大地减弱
6、流质流动引起的切变力混合效率低，使必要的氧传递、pH值、温度的控制和产物的排泄很困难；填充床中颗粒或支持物的破碎会阻塞液体流动；用于固定的胶粒在高压下容易变形，会导致填充床阻塞。流化床反应器混合程度高，传质传热效果好剪切力和颗粒碰撞会破坏固定化细胞； 流体动力学复杂使其放大困难膜反应器可以维持较高的细胞浓度。同时又可以将细胞产物不断地从反应体系中分离出去(对于胞外产物)，降低了产物的反馈抑制，提高了生产效率。这种反应器的传质效率低，同样具有容易堵塞的问题，而且投资较大9、 请简述通气搅拌式、气升式、中空纤维、微囊、大载体和微载体动物细胞培养反应器的原理和特点。原理特点通气搅拌式气液在由丝网制成
7、的通气腔内实现；而在鼓泡通气过程中所产生的泡沫经管道进入液面上部的由丝网制成的消泡腔内，泡沫经钢丝网破碎分成气、液两部分，避免在向培养基通气时损伤细胞优点：流体混合好，剪切力小，能较好适合悬浮和微载体系统培养动物细胞的要求。缺点：溶氧系数小，不能满足高密度细胞的耗氧要求；气路系统不能就地灭菌气升式通过直接喷射空气供氧1. 没有移动部件，细胞损伤率比较低；2完全密封；3便于无菌操作；4不易污染；5设计简单；6氧的转换率高中空纤维中空纤维是用聚矾或聚丙烯制成。管壁薄，是半透膜，一个培养筒内由数千根中空纤维组成纤维管内为“内室”，可灌流无血清培养液供细胞生长，管间隙为“外室”，接种细胞就贴附于“外室
8、”的管壁上，并吸取从“内室”渗透来的营养，迅速生长繁殖。优点：培养器体积小，细胞高密度生长；浓缩产品；产物纯度高；自动化程度高，生长周期长缺点：成本高微囊把生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜中优点：细胞密度大；产物单位体积浓度高 ；分离纯化操作经济方便 ；抗体活性、纯度高缺点：成功率低，培养液用量大，囊内的部分死亡细胞造成产物的污染大载体大载体是由海藻酸钠构成。海藻酸钠含有重复排列的葡糖醛酸和甘露糖醛酸，在钙溶液中形成适宜于附着的网络状凝胶珠。在收集细胞时，可用EDTA和柠檬酸钠使细胞从凝胶中分离出来优点：操作控制方便，可随机取样检测；附着细胞密度高；消耗用品价格低廉，产物收获量大
9、，有明显的经济效益缺点：不具有细胞分泌产物的浓缩装置微载体细胞吸附于一种特殊的支撑材料一微载体的表面，从而在搅拌条件下得以在培养液中进行悬浮培养并最终长成单层的细胞培养系统优点：兼有单层培养和悬浮培养的优势，且为均相培养；细胞所处环境均一，放大容易；环境条件(温度、pH、CO2、DO等)容易测量；比表面积大，单位体积培养液的细胞产率高；培养操作可系统化、自动化，减少了污染机会细胞和培养液易于分离。缺点：搅拌浆及微珠间的碰撞易损伤细胞；接种密度高；微载体吸附力弱，不适合培养悬浮型细胞。不能移种操作10、对于发酵生物反应系统中需控制的主要参变量有哪些？分别采取何种方法或仪器进行检测？这些需控制的参
10、变量与生物反应效能有何相关对应？参变量检测方法或仪器对应关系温度温度计、热电偶、热敏电阻及金属电阻温度计影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；温度的变化会影响发酵液的物理性质压力隔膜式压力计保持正压以防上外界空气中的杂菌侵入而造成污染；发酵罐操作压力的变化，会影响溶解氧浓度和溶解的二氧化碳浓度的变化，从而进步影响菌体生长与代谢。黏度毛细管黏度计、回转式黏度汁、涡轮旋转式黏度计、振动式黏度传感仪，间歇取样罐外测量发酵液黏度黏度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项指标，同时也能反映发酵罐中菌丝降解过程的情况，了解黏度随培养时间而变化的规律，对发酵工艺调控是很有益的。另外，从发酵液黏度对发酵的影响看，
11、随发酵液黏度的增加，不利于氧的传递，从而影响好氧发酵。浊度采样后用常规比色计(固定波长)或分光光度计(可变波长)测定能够及时反映单细胞的生长状况泡沫高度电导、电容传感器和压差传感器电容法、压差法泡沫过多时，发酵液上浮严重，造成大量逃液，发酵液从轴封或排气管路溢出而增加染菌机会等，严重时导致通气搅拌无法进行，菌体呼吸受阻，最终造成代谢异常或菌体自溶pHpH复合电极在线测定发酵液pH不同微生物有各自的最适生长pH和最适生产PH；pH还影响细胞的结构和菌体对基质的利用速度，从而影响菌体的生长和产物的合成；pH还影响细胞膜的电荷状况，引起膜透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成等；
12、pH还对发酵液或代谢产物产生物理化学的影响溶解氧 覆膜溶氧电极溶解氧低，好氧微生物的生长就要受到抑制；溶解氧的大小对菌体生长和产物的性质及产量都会产生不同的影响呼吸代谢参数排气C02浓度的测量：电导式、热导式和红外线式排气O2浓度的测量：电化学式(原电池)02分析仪和顺磁02分析仪两大类。有效的反映微生物代谢活性的指标生物质、底物和产物浓度实验室：在线激光浊度计、高压液相分析仪、流动注射分析仪工业：采用离线分析根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值，即可分别算出菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生产速率补料控制1.根据大
13、量实验室的试验研究结果得出的补料轨迹来指导生产过程的补料（需靠经验）；2.基于CER来控制补料速率，用化学平衡的方法调整补料量。使微生物得以沿着优化的生长轨迹生长，进而获得高效的产物。菌丝形态与菌体浓度菌丝形态观察常采用涂片镜检的方法。菌体浓度：全细胞浓度测定：干重法（DCW）、湿重法（WCW）、浊度法（OD）、体积法（PMV）、血球板计数法、平板计数法（CFU）菌丝形态：其改变往往是生化代谢变化的反映。生产中，常以菌丝形态作为评判菌种质量、区分发酵阶段、控制发酵过程和决定发酵周期的依据之一11、请简述三种连续灭菌流程，并比较各流程优缺点。（1）连消塔加热的连续灭菌流程：待灭菌料液由连消泵送入
14、连消塔底端，料液在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度128132,由顶部流出，进入维持罐，维持8-25min，后经喷淋冷却器冷却到生产温度进入发酵罐。（2）喷射加热的连续灭菌流程：培养液在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持段管子的长度来保证。灭过菌的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器而急速冷却。（3）薄板换热器的连续灭菌流程：培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却的过程。优点缺点连消塔加热的连续灭菌能一次冷到发酵温度用水量大喷射加热的连续灭菌在更短时间内完成加热、冷却，且冷却水用量少冷却只能冷到一定温度，需要在发酵罐中继续冷却，同时还会造成料液体积散失减少薄板换热器的连续灭菌换热效率高，而且
15、利用冷培养液作冷却剂，即冷却了热培养液，又预热了冷培养液，节约了用水和蒸汽流程时间稍长12、根据基本过滤方程，试述强化过滤速度的措施。由上式可知强化过滤速度的方法一、 降低滤饼比阻力r0，可以从增大毛细孔的直径或减少弯曲因子去降低1添加电解质、絮凝剂、凝固剂。这些物质能使悬浮的固形物质的粒度变大，硬度变高2添加助滤剂，改变了滤饼结构，滤饼可压缩性下降了3调节pH。将pH调至滤液的等电点附近，使蛋白质积聚析出。或大幅度调节pH,使蛋白质变性凝固4.加热。使蛋白质变性凝固二、降低滤液的黏度1）热处理能使蛋白质变性凝固，从而使过滤速度大提高。2、降低悬浮液中固形物的浓度三、提高过滤压力差P13、请简述板框压滤机的结构和工作原理。结构：板框压滤机主要是由许多滤板和滤框间隔排列而成。板和框多做成正方形，角段均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗涤水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，滤板的两面制成沟槽，分别与洗水孔道和滤出口相通。
