生物工程机械与设备重点

1、生物工程与机械设备1、何为比速？如何计算菌体生长比速、底物消耗比速和产物形成比速？单位时间内单位菌体消耗底物或形成产物（菌体）的量称为比速菌体的比生长速率：单位重量的菌体瞬时增量=（dx/dt）/x；单位为1/h，其中x菌体浓度（g/L ）底物的消耗比速:单位时间内单位菌体消耗基质的量=（ds/dt）/x；单位为1/h，其中s底物浓度（g/L ）产物的形成比速：单位时间内单位菌体形成产物（菌体）的量=（dp/dt）/x,；单位为1/h，其中p产物浓度（g/L ）2、请用发酵动力学方程描述菌体在一个密闭环境中生长过程曲线。 延迟期：dx/dt=0 指数生长期：=max 减速期：d/dt<0

2、 静止期：dx/dt=0 X=Xmax 衰亡期：dx/dt<03、如何利用Monod方程求解菌体生长： max 和Ks 。当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速率与基质浓度关系（Monod方程式）如下：=max·S/(Ks+S)：菌体的生长比速. S：限制性基质浓度. Ks：半饱和常数. max: 最大比生长速度Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：1/=1/max+ Ks/max S或S/= S/max+ Ks/max这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。4、啤酒发酵通常

3、使用那种类型的发酵罐？简述C.C.T发酵罐优缺点。传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。优点：l 加速发酵，C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵；l 厂房投资节省；l 冷耗节省；l C.C.T发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。 缺点：l 由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用56代)；l 贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；l 若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致 。5、简述通风发酵罐设备有哪

4、些类型？各自有哪些特点？l 机械搅拌发酵罐：它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。l 气升式发酵罐：结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；操作时无噪音；料液装料系数达8090%，而不须加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。l 自吸式发酵罐：自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中7080%的氧被利用。l

5、 伍式发酵罐：搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。l 文氏管发酵罐：用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。6、机械搅拌发酵罐的基本组成部件有哪些，分别说明他们的功能？l 罐体：封闭发酵罐，罐顶有视镜及灯镜和各种接管，罐身也有很多接管。l 搅拌器：打碎气泡，使空气与溶

6、液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。l 挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。l 消泡器：将泡沫打破。l 联轴器：使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。l 轴承：为了减少震动l 变速装置：变速l 轴封：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。l 换热装置：冷却。7、在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下 S（mg/L）100120153170220 (h-1）0.6670.7060.7540.7730.815求在该培养条件下，大肠杆菌的max，KS，和td。将数据整理为S/（mg· h/L）150170203220270S (mg/L）

7、100120153170220Monod方程取倒数：S/= S/max+ Ks/max，以S/为横轴，S为纵轴作图得如图，1/max=1，max=1h-1Ks/max=50，Ks=50mg/L，td=ln2/max=0.7h8、葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酵母厌氧发酵。培养基中分析结果表明，消耗100 mol葡萄糖(C6H12O6)和12 mol NH3 生成了57 mol菌体（CwHxNyOz)、43 mol甘油(C3H5(OH)3)、13 mol乙醇(C2H5OH)、154 molCO2和 3.6 mol H2O，求酵母的经验分子式。反应方程式如下：100C6H12O6+12NH3=57

8、CwHxNyOz+43C3H5(OH)3+13C2H5OH+154CO2+3.6H2OC:100*6=57w+43*3+13*2+154H:100*12+12*3=57x+43*8+13*6+3.6*2O:100*6=57z+43*3+13+154*2+3.6N:12=57y解得：w=5.1 x=11 y=0.21 z=2.57即：w=1 x=2 y=0.04 z=0.5酵母经验分子式：CH2N0.04O0.59、发酵操作方式可分为分批发酵（batch）、补料分批发酵（fed-batch）和连续发酵三种，请简述述三种方法的优缺点。发酵方式优点缺点分批发酵操作简单非生产时间较长、设备利用率低操作

9、引起染菌的概率低不会产生菌种老化和变异等问题补料分批发酵使发酵系统中维持很低的基质浓度存在一定的非生产时间和连续发酵比、不需要严格的无菌条件和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险不会产生菌种老化和变异等问题连续发酵能维持低基质浓度菌种发生变异的可能性较大可以提高设备利用率和单位时间的产量要求严格的无菌条件便于自动控制10、Monod方程建立的几点假设是什么？Monod方程和米氏方程的主要区别及意义。假设：(1)菌体生长为均衡型非结构生长;(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定。Monod方程与米氏方程的区别与联系：1.Monod方程是对实验现象的总结是

10、经验方程2.米氏方程是根据酶反应机理推导得出是机理方程11、泡沫产生的因素是什么？泡沫的控制方式分为哪几种类型，请简述之。产生因素：由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）物理消泡法：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。罐内消沫法，罐外消沫法。化学消泡法：当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分

11、子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。12、在啤酒酵母的生长试验中，消耗了0.2kg 葡萄糖和0.0672kg O2，生成0.0746kg 酵母菌和0.121kgCO2，请写出该反应的质量平衡式，计算酵母得率YX/S 和呼吸商RQ。假设质量平衡式：aC6H12O6+bO2cCHxOy+dCO2+eH2O求解：a=1.11 b=2.1 c=3.91 d=2.75 e=4 x=1.36 y=0.35质量平衡式为1.11C6H12O6+2.1O23.91CH1.36O0.35+2.75CO2+4H2OYX/S =X/-S=0.0746/0.2=0.373(kg/k

12、g)RQ=CO2/-O2=(0.121/44)/(0.0672/32)=1.313、请简述Gaden和Piret对分批发酵划分类型和相关产物，并用动力学公式进行描述，说明这种分类对实际生产的意义。类型相关产物动力学公式生长关联型：产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。单细胞蛋白和葡萄糖酸Qp=部分生长关联型：产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中柠檬酸和某些氨基酸Qp=+非生长关联型：产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。抗生素Qp=14、简述温度、pH 和溶氧

13、对发酵过程微生物生长和产物合成的影响以及如何控制。影响因素影响内容控制方法温度影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管） （10M3以上）pHpH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂补料控制直接加酸加碱补加碳源或氮源溶氧溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。调节通风与搅拌限制基础培养

14、基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。15、何为空气除菌？空气除菌的方法有几种？各有哪些优缺点？空气除菌：通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。方法优点缺点辐射灭菌多种射线可用杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度加热灭菌静电除菌阻力小，约1.01325×104Pa ；染菌率低，平均低于10-15 ；除水、除油的效果好 ；耗电少捕集率尚嫌不够，需要采取其它措施；设备庞大 ；一次性投资较大介质过滤过滤介质的过滤/分离效率由于直接拦截，惯性撞击，扩散拦

15、截的共同作用而增强 16、过滤的机理是什么？请举例说明。直接拦截本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒。惯性撞击尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式；流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性；颗粒离开流体主流而撞击到滤材上。扩散拦截气体分子 (作随机运动) 碰撞小颗粒或雾滴；布朗运动碰撞的结果，增加了颗粒碰撞过滤介质的机会；仅在气体中有效。17、过滤介质有几种类型？说明他们的优缺点。类型优点缺点表面过滤介质所有滤孔在一个平面上主要依靠直接拦截，小于孔径的颗粒将穿过。惯性撞击无效。扩散拦截有微效。深层过滤介质污染物被介质内部结构捕获的一种过滤介

16、质，滤孔贯穿于整个介质厚度颗粒可以在表面被捕集，也可以在介质深度被捕集，因此，提高了容污能力。18、空气过滤除菌有几种流程？各自的特点是什么？两级冷却、分离、加热的空气过滤除菌流程两次冷却，两次分离，适当加热。冷热空气直接混合式空气过滤除菌流程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。19、何为种子扩大培养？发酵生产用种的要求是什么？种子扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。发酵生产用种的要求：u 菌种细胞的生长活力强，移

17、种至发酵罐后能迅速生长，迟缓期短； u 生理形状稳定； u 菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；u 无杂菌污染； u 保持稳定的生产能力。 20、请举例说明不同类型的种子制备过程。实验室种子制备孢子制备细菌孢子的制备；霉菌、放线菌液体种子制备好氧培养、厌氧培养生产车间种子制备实验室制备的孢子或液体种子移种至种子罐扩大培养细菌：生长快，种子用量比例少，级数也较少，二级发酵。茄子瓶种子罐发酵罐 霉菌：生长较慢，如青霉菌，三级发酵 孢子悬浮液一级种子罐（27C, 40小时孢子发芽，产生菌丝）二级种子罐（ 27C,1024小时，菌体迅速繁殖，粗壮菌丝体）发酵罐 放线菌：生长更慢，采用四级发酵酵母：

18、比细菌慢，比霉菌，放线菌快，通常用一级种子 21、请举例说明影响种子质量的因素有那些？可以采取那些控制条件？培养基1营养成分适合种子培养的需要：选择有利于孢子发芽和菌体生长的培养基；营养上要易于被菌体直接吸收和利用；营养成分要适当丰富和完全，氮源和维生素含量要高。2营养成分要尽可能与发酵培养基相近培养条件（温度、通气量等）在种子罐中培养的种子除保证供给易被利用的培养基外，有足够的通气量可以提高种子质量。种龄通常种龄是以处于生命力极旺盛的对数生长期，菌体量还未达到最大值时的培养时间较为合适接种量通常接种量，细菌15%，酵母菌510%，霉菌715%、有时2025%孢子质量从培养基、培养条件、培养时

19、间和冷藏时间上控制22、请通过生产实例详细说明菌种扩大生产的流程和控制条件。谷氨酸发酵的菌种扩大培养斜面菌种一级种子培养二级种子培养发酵罐1斜面菌种的培养菌种的斜面培养必须有利于菌种生长而不产酸，并要求斜面菌种绝对纯，不得混有任何杂菌和噬菌体，培养条件应有利于菌种繁殖，培养基以多含有机氮而不含或少含糖为原则。(1)斜面培养基组成 (2)培养条件：3334，培养1824h。2一级种子培养一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌体，培养基组成应以少含糖分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。(1)培养基组成 (2)培养条件：用1000mL三角瓶装入培养基200mI，灭菌后置于冲程7.6cm、

20、频率96次min的往复式摇床上振荡培养12h，培养温度3334(3)一级种子质量要求3二级种子培养为了获得发酵所需要的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。(1)培养基组成(2)培养条件(3)二级种子的质量要求23、菌种保藏的意义和原理是什么？菌种保藏有哪些主要的方法？菌种保藏的意义：菌种是从事微生物学以及生命科学研究的基本材料，特别是利用微生物进行有关生产如抗生素、氨基酸、酿造等工业，更离不开菌种。菌种保藏是进行微生物学研究和微生物育种工作的重要组成部分。原理：菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点人工创造条件使孢子或菌

21、体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平缺氧状态，干燥和低温，使菌种处于“体眠”状态，抑制其繁殖能力。一种好的保藏方法首先应能长期保持菌种原有的优良性状不变，同时还需考虑到方法本身的简便和经济，以便生产上能推广使用。方法：v 斜面低温保藏法：酵母菌 v 石蜡油封保藏法：酵母菌 v 砂土管保藏法：细菌，霉菌，防线菌 v 硅胶保藏法：细菌 v 冷冻干燥法：细菌，防线菌 v 液氮超低温冻结法：细菌，真菌 24、何为菌种退化？防止菌种退化的措施有哪些？菌种衰退：菌种经过长期人工培养或保藏，由于自发突变的作用而引起某些优良特性变弱或消失的现象。防止菌种退化的措施：控

22、制传代次数；选择合适的培养条件；选择合适的保藏方法；菌种稳定性检查；分离复壮25、何为菌种复壮？退化的菌种采取哪些方面进行复壮？菌种复壮：使衰退的菌种重新恢复原来的优良特性。复壮措施：对已衰退菌种配合一定培养条件进行单细胞分离纯化；淘汰衰退的个体；选择合适的培养基。 26、某制药厂现有一发酵罐，内装80T发酵培养基，在121进行实罐灭菌，如果每毫升培养基中含耐热菌孢子数为2x107个，121 时的灭菌速度常数为0.028S-1，请问灭菌失败概率为0.001时所需的灭菌时间是多少？N080×106×2×1071.6×1015（个）Nt0.001（个）K=0

23、.028（S-1）灭菌时间： t(2.303/0.028) lg (1.6×1018)=25min27、请简述发酵培养基的组成成分，并通过查找资料举一个发酵培养基的实例。水，碳源，氮源，无机盐，维生素，缓冲剂，前体和代谢调节剂，消沫剂。28、请简述原料预处理的具体的步骤和方法有哪些？原料除杂（筛选、风选、磁力除铁）原料的粉碎（干粉碎、湿粉碎）原料输送（机械输送、气流输送）29、请简述原料气流输送的几个主要流程及之间的区别和应用。吸引式流程不需加料器，但要有封闭较好的排料器较粗的管道从几个不同的地方，向一个卸料点时压送式流程不需排料器，但要有封闭较好的加料器较细的管道从一个加料点向几个

24、不同地方送料30、淀粉糖化过程中葡萄糖会产生哪些形式变化？请简述淀粉酶法液化糖化的过程和方法？形式变化：淀粉糊精及低聚糖葡萄糖利用淀粉酶将淀粉液化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加，这个过程称为液化利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖的过程，在生产上称为糖化间歇（升温）液化法调pH-加酶-剧烈搅拌-加热-液化-升温-灭酶半连续（高温、喷淋）液化法调pH和Ca2+浓度-加酶-用泵打给喷淋头-糊化-液化-保温连续（喷射）液化法蒸汽喷射-糊化、液化-保温31、根据工业发酵使用碳源不同，淀粉糖化使用酶不同，请说明制备糊精、麦芽糖和葡萄糖使用的酶的作用和功能？-淀粉酶：其作用是将淀粉迅速水解

25、为糊精及少量麦芽糖糖化酶：作用于淀粉的-1,4糖苷键，因为是从链的一端逐渐地一个个地切断为葡萄糖，所以称为外切淀粉酶。-淀粉酶： -淀粉酶能水解-1,4糖苷键，不能水解-1,6糖苷键。异淀粉酶：能水解支叉地位的-1,6糖苷键，但对于直链结构中的-1,6糖苷键却不能水解。普鲁蓝酶 能水解所有-1,6糖苷键32、应用热死灭动力学方程原理举例说明高温短时间灭菌培养基的优势。 细菌孢子热死灭反应的E很高，而某些有效成分热破坏反应的E较低。将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的E很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少

26、。33、简述连续灭菌和间歇灭菌在实际应用中的优势和不足？优点缺点连续灭菌l 保留较多的营养质量l 容易放大l 容易自动控制；l 糖受蒸汽的影响较少；l 缩短灭菌周期；l 在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；l 发酵罐利用率高；l 蒸汽负荷均匀。设备比较复杂，投资较大间歇灭菌l 设备投资较少l 染菌的危险性较小l 人工操作较方便l 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置34、何为工业发酵和发酵工程？请简述工业发酵的特点和类型。工业发酵：泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。发酵工程：应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。工业发酵的特点：l 常温常压、反应温和；l 原料廉价可再生l 反应专一且高度选择性l 无菌培养l 菌株的生产潜力大l 经济效益高发酵类型：l 发酵原料：有糖类物质发酵，石油发酵，废水发酵； l 发酵产物：氨基酸、有机酸、抗生素、酒精、维生素发酵l 发酵形式：固态、深层液体发酵l 工艺流程：分批、连续、流加发酵l 氧的需求：厌氧、通风发酵35、请简述工业发酵发展的五个阶段。请查阅文献以青霉素发现为例说明现代发酵工业建立过程。天然发酵阶段-纯培养技术的建立-通气搅拌发酵技术的建立-开拓发酵原料-基因工程