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1、生化工程复习题1. kLa的测定。在发酵体系中，依据发酵液中氧的物料平衡规则，得到dCL/dt = kLa(C*-CL) r其中CL发酵液氧浓度，C*发酵液体系的饱和氧浓度，kLa体积溶氧系数，r摄氧率，则：CL=(-1/ kLa)(dCL/dt +r)+C*首先，在某个时刻保持发酵液中的氧浓度维持在某个值，停止向培养液中通气，并维持搅拌，根据培养液中溶氧浓度的变化可以求出摄氧率。当液体的溶氧浓度下降到一定程度时（不低于临界氧浓度），恢复通气，则培养液中的溶氧浓度逐渐升高，最后恢复到原先的水平。根据恢复通气后溶解氧变化曲线，用图解法求出与一定溶解氧浓度对应的dCL/dt（即曲线的斜率），将CL
2、对(dCL/dtr)作图可以得到一条直线，其斜率为-1/kLa，在CL轴上的截距为C*。2. 提高kLa的途径。(1) 增加搅拌转速N，以提高Pg，可有效的提高kLa；(2) 增大通气量Q，以提高vs。在原通气量较低时，提高Q可以显著提高kLa。但当Q原已很高时，进一步提高Q，Pg将随之降低，其综合的效果将不会使kLa有明显提高，甚至可能降低。有的调节措施是将两者结合起来；(3) 为了提高NV，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。通入纯氧，或在可能的条件下提高罐内操作压力，均可提高C*；(4) 丝状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
3、菌丝体的机械破坏及液泛。在此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。在抗生素发酵中有这样的实例；(5) 向发酵液中添加少量的水不溶性另一液相，氧在这一液相中具有比在水中高的多的溶解度，如常用的正十二烷，称为氧载体。3. 影响kLa的因素。(1) 物系的性质：粘度，扩散系数，表面张力(2) 操作条件：温度，压力，通气量，搅拌转数(3) 反应器的结构：反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式4. 发酵操作方式可分为分批、流加和连续三种，请：(1) 图示三种方式时反应器中菌体浓度、基质浓度、产物浓度随发酵时间可能的变化规律；(2) 分析分批、流加和连续三
4、种方式各自的优缺点：i. 流加发酵优点：(与间歇操作相比)1. 可以解除基质的抑制、产物反馈抑制和分解代谢物阻遏；2. 对于好氧培养，流加操作可避免一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，抑制通风搅拌设备不能匹配；3. 在某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率；4. 维持添加的前体在低浓度水平上，可避免前体对细胞的毒副作用；5. 可以进行某个时间段反应过程的动力学研究，研究流加操作是达到自动控制和最优控制的前提。优点：(与连续操作相比)1. 不需要严格的无菌条件；2. 细胞老化和变异的问题不严重；3. 产物浓度高，提取成本低；4. 使用范围广。ii. 连续发酵优点：1. 可用于进行细
5、胞代谢、生理生化和遗传特性的研究；2. 提高生产效率；3. 产物质量比较稳定；4. 连续培养所需设备和投资少，而且便于自动化。缺点：1. 长时间培养过程中，菌种易老化、变异，工程菌质粒易丢失和染杂菌等；2. 培养液中产物浓度较低，分离成本高；3. 新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养基和营养物质的利用。(3) 简述连续培养技术的用途，在工业上采时存在的问题及可能的解决方法，并举出已在工业上采用的例子。(4) 流加发酵一般的控制目标是什么？关键有哪些？(5) 补料分批发培养的适用范围？(6) 补料分批培养的类型？(7) 指数流加法Ft=V0et的特点？(8) 补料的内容？(9) 流
6、加操作的控制方式：无反馈控制和反馈控制i. 无反馈控制：加入基质的流量按预先设定的规律变化。恒流量流加、指数速率流加、变速流加。ii. 反馈控制：间接控制和直接控制。iii. 间接控制：以即重要又可检测的参数为控制指标。iv. 直接控制：通过连续或间断地测定反应体系中的基质浓度作为指标进行控制。(10) 为使细胞以恒定的比生长速率生长，应采用哪一种流加方式，为什么？5. 请分别设计分批和连续实验确定细菌X的Monod方程常数（m，KS），并说明：(1) 如何确定某菌适用的Monod方程：Monod方程中的常数m和Ks同样可用倒数图解法或线性回归得出，对方程：求倒数，得：，或：。应用方程2图解时
7、，可得到相当精确的m值，但在低S值时的偏差较大，影响KS的精度，而方程3则在实际的S值范围内有较高的精度，并且数据处理也来得简练些。(2) 分批实验的不足；(3) Monod方程中各个参数的意义是什么？m：最大比生长速率；：比生长速率；S：限制性基质浓度，mol/m3；Ks：微生物对基质的半饱和常数，mol/m3。(4) 式中Ks大小说明细胞生长有什么特点？KS的意义为最大比生长速率的一半，因此KS越大，说明细胞生长速度越慢，KS越小，说明细胞生长速度越快。(5) 与酶促反应动力学（米氏方程）的区别，为什么与米氏方程（单基质单一酶反应）在形式上有相同性？莫诺方程和米氏方程的形式相同，但前者是经
8、验方程，后者是机理方程。当假设微生物生长速率受限制于单一酶催化反应时，理论上莫诺方程合理。(6) 若为固定化细胞，实验设计中应注意什么？(7) 若存在基质抑制和产物抑制，实验设计中应注意什么？6. 培养基为何以采用连续灭菌方法为好？连续灭菌较易于做到瞬时升温和冷却，实现高温短时间灭菌。但在发酵器外附加的设备可能造成二次污染的机会。7. 何谓生化工程中的放大？应该包括哪些部分？为什么以kLa相等为准则的放大易获成功？(1) 放大方法：i. 单位体积的输入功率恒定 (P/V, also OTR)ii. kLa恒定 (oxygen supply)iii. Re恒定 (geometrically si
9、milar flow patterns)iv. 混合时间恒定 (mixing time)v. 搅拌器末端速度恒定 (shear)(2) 放大原则，重点解决主要矛盾：气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等i. 几何尺寸放大ii. 空气流量放大：1. 以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大2. 以空气直线速度相同的原则放大3. 以kLa相等为准则的放大4. 以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相等原则放大a. 福田修雄修正式b. Michel修正式iii. 搅拌功率及搅拌转速度的放大1. 以单位体积培养液所消耗的功率相等原则放大2. 以单位体积培养液所消耗的勇气功能相同原则放大iv. 混合时间v.
10、周线速度（相同体积发酵罐）vi. 搅拌液流速度压头(H)、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值(3) 放大所需解决的主要参数：罐体参数、空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等。8. 为何在单级恒化器培养微生物时，稀释率D很大或很小时，YX/S偏离YX/S=X/（S0-S）？当稀释率D较小时，菌体的比生长速率较小，此时，维持代谢所消费底物的比例增加，达到不可忽视的程度。维持需要，即细胞为了维持营养的有效主动运输；保持所有结构组分的活性；进行胞内活性物质更新等活动的需要。一般碳能源的维持需要量是常数，且与生长速率无关，占细胞以最大比生长速率生长时的能量总需要的5-10%。显而易见，菌体的比生长速率越小，
11、维持消费的底物在总底物消耗中所占的比重就越大，在比生长速率非常小的情况下，维持代谢所消费的底物量会成为总底物消耗量的重要部分。从而偏离方程。在稀释率D较大，D0.75Dcrit时，在供氧速率不足的情况下，可能有某些代谢产物产生和积累，特别是对于容易产生初步代谢产物的微生物培养过程，表观的底物消耗量中可能有一部分转移到产物之中，从而偏离理想状态。9. 部分细胞循环后单级恒化器生产强度（P）提高的原因是什么？连续分离单级恒化器流出的培养液，将分离后的部分菌体再接入反应器中。这样的操作方法不仅提供了连续接种手段，也增加了培养系统的稳定性，可以在较高的稀释率下操作，甚至可使DDcrit。由于反应器中稳
12、定地维持了较高的细胞浓度，可使稀释率D远大于单级恒化器时的稀释率，从而使得单位体积反应器的反应效率（生产效率）大幅度提高。10. kLa=k(Pg/V)Us这类关系式的适用范围和意义何在？指数和随发酵罐的形状、结构、搅拌桨叶形式以及体积等而变化。11. 在一连续培养中，有微生物X、Y，其生长动态如下图所示，请根据S（基质浓度）的情况，讨论可能的最终培养结果。(1) SY，DX，XDY，dX/dt=(X-D)X，X积累使S下降，S=S0时，X=D，Y被洗出，系统平衡；(2) S=S0，X=Yi. DX=Y，均洗出；ii. DX=Y，一起生长；iii. DY，直至X=D，X生长，Y洗出；(3) S
13、S0，XYX，均洗出；ii. Y DX，Y生长，X洗出；iii. DXY，均积累直至SY，直至X=D，X生长，Y洗出；12. 典型的空气预处理过程包括哪几部分，在空气预处理过程中可能有水滴析出的原因是什么？(1) 高空采气，预过滤器，无油润滑空压机，空气冷却贮罐，二级旋风分离器，丝网除雾器，升温加热，主过滤器，分过滤器；(2) 压缩温度上升，冷却后温度降低，使空气中的水蒸汽饱和蒸汽压下降，相对湿度增大，当温度低于露点时，水滴析出。13. 请简述实验方法确定以下生化工程中的重要参数或反应器特性：(1) 某种菌体的呼吸强度mmolO2/gcell.h：即比耗氧速率，单位质量的细胞(干重)在单位时间
14、内消耗氧的量。QO2 (molO2/(kg干细胞 s)。，氧为唯一的限制性基质，(QO2)m为最大比耗氧速率，K0为氧的米氏常数，最大比耗氧速率为半值时的氧浓度。(2) 单级恒化器培养微生物的产率系数YX/Sg/g：(3) 连续流动反应器中流体流型和返混程度：(4) 连续培养过程中临界稀释率的确定：YX/S=X/S根据莫诺方程，得到，代入上式得：，在一定培养条件下，YX/S、S0、KS和m均为定数，连续培养状态下培养液中的菌体浓度X和限制性底物浓度S取决于稀释率D。当Dm时，SS0，此时X0，临界稀释率Dcrit =mS0/(Ks+S0)，通常情况下，KsS0，故有： Dcrit=m。14.
15、根据发酵过程中菌体生长与产物形成的关系，可将发酵分为哪几种类型，各自的特点是什么？如何确定某一发酵过程中菌体生长和产物形成之间的关系。Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：(1) 类型为相关模型，产物生成速率与菌体生长速率耦联。属于此类型的反应有乙醇、乳酸的生产，产物通常是基质的分解代谢产物。dP/dt= YP/X dX/dtqp=YP/X(2) 类型为部分相关模型，产物生成速率与菌体生长速率部分耦联。属于此类型的反应有柠檬酸、氨基酸的生产。dP/dt=dX/dt+Xqp=(Luedeking-Piret方程)(3) 类型为非相关模型，产物生成速率与菌体生长速率无关。属于此类型的有抗生素等次级代谢产物。dP/dt=X，qp=(4) 此外，还有其他类型。qp与为负相关联系的模型，例如黑曲霉生产黑素。qp=qp,m-YP/Xqp与为无相关联系的模型，产物可能存在分解现象时:dP/dt=dX/
