反应工程名解及简答题.docx

第0章1. 生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？ 答：（1）原材料的预处理；（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。 2. 什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大。3. 生物反应过程的主要特点是什么？1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制备和改造2.采用可再生资源3.设备简单，能耗低4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。 4. 研究方法经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。5. 在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行：（1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究；（3）过程分离原理；（4）数学模型的建立。第1章1. 酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专一性的机制。催化共性:降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变.催化特性:高效的催化活性;高度的专一性;酶反应需要辅因子的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。机制：锁钥学说；诱导契合学说2. 什么叫抑制剂？某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。1.2 简单酶催化反应动力学（重点之重点）详细介绍简单酶催化反应模型、快速平衡法、拟稳态法以及酶动力学参数的求取方法(重点为L-B法和E-H法）。2简单的酶催化学说机理4米氏方程，米氏方程的参数及其物理意义以及米氏方程参数的获得的实验方法双倒数法和E-H法求米氏方程的参数详细介绍竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争抑制动力学的共性和特性，与无抑制动力学的关系以及抑制程度与底物浓度关系上的差别。2.什么是抑制百分数？它的物理含义是什么？怎样判断反应的抑制类型？3.谈谈影响酶催化反应速率的因素5.会根据E-H或L-B法分析实验结果求得米氏方程的两个重要参数6.kd可称为衰变常数。kd的倒数称为时间常数td。t1/2称为半衰期。第2章1. 得率系数对底物的细胞得率系数：消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s2. 非结构模型和结构模型 非结构模型：把细胞视为单组分，不考虑细胞内部结构，则环境变化对细胞组成的影响可忽略，在此基础上建立的模型。结构模型：考虑细胞内部结构组成变化的基础上建立的模型。3.细胞反应过程主要特征：细胞是反应过程的主体；本质是酶反应；细胞反应与酶催化有着明显的不同：复杂反应，多种途径，难以描述。4. 呼吸商（RQ）： 在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量（量为物质的量）之比。5. 理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。详细介绍底物消耗、产物生成与热产生速度与细胞生长的关联及模型。6. 绝对速率和比速率绝对速率:指单位时间，单位反应体积某一组分的变化量。比速率:指以单位浓度细胞（或单位质量）为基准而表示的各个组分的速率。7. Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将产物形成动力学分为那三种类型？并简述之。（1）相关模型（2）部分相关模型（3）非相关模型8.无抑制的细胞生长动力学（减速期,指数期）9、习题2-2；2-5; 2-8.第3章1. 影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。2. 什么是丹克莱尔数（Da）、梯勒模数（）、Biot数.并简述其对外、内扩散总反应速率的影响。3.影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。详细介绍外扩散产生的原因，外扩散对速度的影响，反应速度的求取，有效因子的定义、计算, Da的物理意义和对扩散的影响。4. 内扩散对反应速率的限制效应 梯勒模数对零级反应动力学5. 固定化酶颗粒中,若以下变量增大,其它参数不变,试问总有效系数的变化,并解释其理由。2.如何减少扩散对反应速率的影响？某酶固定在无微孔的膜状载体上，已知该酶催化反应的本征参数为rmax=610-2mol/(ls) , Km=310-2mol/l该反应底物在液相主体中的浓度为110-2mol/l ，在反应条件下，流体的传质系数为410-1/s。试求： （1） 底物在固定化酶外表面上的反应速率为多少？ （2） 该反应的外扩散有效因子为多少？ 3-3 蔗糖酶催化下述反应 C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6 蔗糖酶固定在直径为1.6mm有微孔球形树脂颗粒上，其密度为0.1mol酶/g颗粒，蔗糖水溶液在树脂中有效扩散系数为1.310-11m2/s,该反应在一篮式离心反应器内进行，外扩散限制影响可消除。蔗糖浓度为0.85 kg/m3。反应的表观速率为1.2510-3kg/(sm3树脂) ，Km=3.5mg/m3。试求 1） 内扩散有效因子是多少？ （2） 本征一级反应速率常数为多少？第4章操作模型得到的主要结果1. BSTR: tr、VR的有关计算2. 单级CSTR：D,Dopt,DC和CX,Cs,DCx以及 的计算 3. 带循环的CSTR：D, DC与R， 的关系 和 CX,Cs 的计算 4. CSTR 与CPFR的比较与组合（会根据作图法得到最小反应时间）5. 什么叫BSTR，CSTR，CPFR，请根据物料衡算写出其操作模型方程，即反应时间与反应速率的关系方程。BSTR:间歇操作反应器（分批操作的搅拌槽式反应器CSTR：连续操作的搅拌槽式反应器CPFR：连续操作管式反应器6. FBC：恒速流加与指数流加的定义及主要特征恒速流加：以恒定的速率流加限制性底物的一种最简单的流加操作方式。指数流加：使加料速率按指数规律增加,以使限制性底物浓度维持不变,故称为指数流加。指数流加可使生长比速率恒定。变速流加以反馈流加为主。7. 理想流动的反应器的模型方程全混流反应器平推流反应器定义稀释率(空速)对单级CSTR，稳态条件下，应存在 可得这是单级CSTR进行细胞反应的的主要操作特性(表示了恒化器的主要操作特性)对于符合Monod模型的简单细胞反应，若以单位时间单位体积的细胞产量(细胞产率)PX为优化目标函数，得当PX为最大时，相应的稀释率称为最佳稀释率DOPt反应器中细胞浓度为稀释度的极限值：当CS=CS0时当稀释度达到极限值DC时，CSTR出口物料中细胞浓度为0，此时反应器处于“洗出”操作状态( CS=CS0 )。因此操作要控制D小于DC在一带循环的CSTR中进行下述细胞培养过程已知cX00，cS03g/L，F1L/min，YX/S0.5，VR1L，FrF/2，cXr4cXf。试求cX1、cS1、cXr、cXf。带细胞培养过程8：在一循环的C已知cX00，cS03g/L，FSTR中进行下述细胞培养过程已知cX00，cS03g/L，F1L/min，YX/S0.5，VR1L，FrF/2，cXr4cXf。试求cX1、cS1、cXr、cXf。解：解： 第5章1. 溶氧法的优点是只需测定溶氧浓度 CL 随时间变化曲线，非常方便地求出kLa.2. 简述影响（体积传质系数）kLa的因素物系的性质（粘度，扩散系数，表面张力）；操作条件（温度，压力，通气量，搅拌转数）；反应器的结构（反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式）。3. 写出三种测定体积传质系数的原理，并分析这三种方法的优缺点。亚硫酸氧化法，动态法，物料平衡法4. 名词解释：OTR：动态法测体积传质系数某时刻停止通气:OUR：氧气的消耗速率，OUR=Qo2Cx。qo2为氧气的比消耗速率，cx为细胞浓度临界溶氧浓度：第6章1、停留时间分布的定量描述有两种方法，分别是什么？并简述其概念和特点。（1）停留时间分布密度E(t)定义：在同时进入系统的N个流体离子中，其中停留时间介于t和t+dt之间的流体粒子所占有的分率dN/N定义为E（t）dt,则 E（t）称为停留时间分布密度 。（2）停留时间分布函数F(t)定义：流过系统的物料粒子中停留时间小于t（介于0到t）的物料粒子所占的分数2、停留时间分布的实验测定方法是什么？它又可以分为几种方法？并简述之。方法：示踪应答法（脉冲法，阶跃法和周期输入法）脉冲法：在设备内流体流动达到稳定后，在一极短的时间内，在系统入口处向流进系统的流体加入一定量的示踪剂，同时在出口处检测流出物料中示踪剂浓度随时间的变化。阶跃法：将系统中做稳态流动的流体切换为流量相同的含有示踪剂的流体（升阶法），或相反（降阶法）。3、宏观流体与微观流体宏观流体：微团尺度上完全不混 微观流体：物料系统反应过程和微团尺度上完全混合4、停留时间分布的统计特征值有那两个？并简述其特点。统计特征值：数学期望和方差理想流动模型有哪两种类型？并分别简述它们的停留时间分布的特点及方差上的异同点。对于平推流反应器，物料质点的停留时间相同，且等于整个物料的平均停留时间tm。平推流的停留时间分布函数如下：5. 常用的非理想流动模型有那些？如何求得模型参数？槽列模型(多级CSTR串联模型)；轴向扩散模型；组合模型6. 多级串联模型参数N对于实际反应器，求取N的方法如下。1）实验测定实际反应器的F(t)t或E(t)t；）计算）计算）计算N：求出N后，即可按N级串联全混流模型对实际反应器进行有关计算。6.4今有一发酵罐，内径为2m,装液高度为 3m，安装一六弯叶涡轮搅拌器，搅拌器直径为 0.7m，转速为 150r/min，设发酵液密度为 1050kg/m ,粘度为 1Ns/m ,试求搅拌器所需功率大小。若在发酵罐中通入空气量为6m /min（操作状态下），试求通气时所需搅拌功率。第7章1. 说明气升式反应器的流体流动速度对传递过程的影响,流动速度与反应器的哪些结构变量的关系最大?2. 动植物细胞培养生物反应器：动植物细胞培养的特点及方式1.动物细胞培养过程同微生物相比的缺点(1)必须用复杂且成本高的培养基来培养(2)生长速率慢，易被微生物污染。(3)代谢产物抑制(4)对机械冲击的抵抗能力差。3. 理想的模型建立通常要考虑哪些方面？（1）要明确建立模型的目的（2）明确地给出建立模型的假定条件（3）希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定（4）模型应尽可能简单。4生物反应器放大的方法有哪些？ 答：理论方法：计算流体力学法 半理论半经验方法：基础模型法 因次分析法 缩小-放大法以及机理分析（时间 常数分析法） 经验放大法：P/VL，KLa等5. 放大准则：反应器的几何特征氧的体积传递系数kLa最大剪切力单位液体体积的功率输入（P/VL）