生化工程期末复习

1、名词解释数学模型法：用数学语言表达生化反应过程中各个变量的关系机理模型：从过程机理出发推导得到经验模型：完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅根据一定条件下的试验 数据进行的数学关联半经验模型：对过程机理有一定了解的基础上结合试验数据得到的模型（最常 用）半衰期（计算PPT1）:即有一半反应物转为产物所需的时间ti/20.693/ k倍增时间（计算PPT3.1.17）:菌体细胞质量加倍所需的时间td=ln2/叱=0.693/ 仙分批培养：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后将全部反应系取出的培养方法补料分批培养（连续发酵/流加发酵）：它是在分批培养过程中，间歇或连续地 补

2、加新鲜培养基的一种发酵方法连续培养：以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培 养液，使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方 法菌体的比生长速率（计算PPT3.7.15）:每单位细胞浓度的生长速度1 dXX dt基质的消耗比速：每单位细胞浓度的底物消耗的量产物的形成比速：每单位细胞浓度的产物形成的量维持消耗系数：m=1/X乘dm/dtmax莫氏方程：K S S Ks ：半饱和常数得率（或产率，转化率，Y）：包括生长得率（Yx/s）和产物得率（Yp/s）,指被消耗 的物质和所合成产物之间的量的关系生长得率（Yx/s）:每消耗1g（或mo1）S质（一般指碳源

3、）所产生的菌体重（g）产物得率（Yp/s）:每消耗1g（或mo1）S质所合成的产物g数（或mol数）稀释率（D）:补料速度与反应器体积的比值（h-1）临界稀释率：包化器所能运行的最大稀释速率Dc=p m基因工程菌：微生物为操作对象，通过基因工程技术获得的表达外源基因的工程生物体酶的固定化是将酶与水不溶性载体结合，制备固定化酶的过程固定化酶（immobilized enzyme）是指被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。生化反应器：是为适应生化反应特点而设计的反应设备。为以活细胞或酶为生 物催化剂进行的细胞增殖或生化反应提供适宜环境，是生物反应过程中的关键 设备全挡板条件（计算

4、b）：在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失bn增加，而旋涡基本消失bnD0 .5（b:挡板宽度m d：罐内径m, n挡板数）空混：流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反应器内 相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合 返混：具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合比耗氧速率：指单位菌体浓度的耗氧速率，又称比呼吸速率或呼吸强度比拟放大：以小型设备中进行科学实验所获得的试验数据为依据，设计制造大规模的反应系统，以进行工业规模生产通风比Q/V:单位体积的通风量空气线速度Vs表征液体通风强度N）（污染度）：开始灭菌（t=0）时原有活菌数单位（个/批）

5、N （灭菌度）：经时间t后残存活菌数（灭菌度，一般要求 Ns=103）单位（个 /批）搅拌器末端线速度nDi是比拟放大时需要考虑的基本数据之一P124计算放大比灭菌效果/灭菌准数：V=ln （N）/Ns）OUR耗氧速率）：单位时间单位体积发酵液内微生物细胞的耗氧量CER （ CO2逸出速率）：单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量RQ （呼吸商）：表征好气微生物发酵过程中代谢状态的重要特征参数生物传感器：是利用酶、微生物、抗体等作为敏感材料，将所感受的生物体信 息转换成电信号进行检测的传感器 实消：将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后维持一定时间, 再冷却到发酵温度，然后接种

6、发酵，这叫间歇灭菌或实罐灭菌（实消） 连消：将培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却，然后进入发酵罐的杀菌方 法就是连续灭菌法 对数穿透定律（会写会积分，L90要会查表PPT9.26）:空气过滤时其中的颗粒 数随通过滤层厚度的增加而均匀递减-dN/dL=KN积分得:NsdNN1积分得:NsdNN1n 僵 KL2.303 lg -NtKLlK dL0或者颗粒数N,率床厚度L,过滤常常数K。过滤效率：滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，衡量过滤器过滤能力的 指标。填空基因工程菌常用表达体系：大肠杆菌表达系统、酵母表达系统、枯草杆菌系统 酶固定化的方法：吸附、包埋、共价键结合、交联1、吸附法：物理吸

7、附法：将酶通过分子间作用力固定到非水溶性载体上的方法（氧化铝、活性碳、多孔玻璃、硅藻土、硅胶）离子吸附法：通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非水溶性载体上的方法（葡聚糖；琼脂糖、离子交换树脂）2、包埋法：将酶物理包埋在高聚物内的方法。网格型回收率大于微囊型网格型：将酶包裹在高分子凝胶的微小格子中（1-4nm）（聚丙烯酰胺、海藻 酸、角叉菜胶（卡拉胶）微胶囊型：将酶包裹在球形高分子半透膜中（300um）（聚酰胺、聚月尿、聚酯）3、共价键结合法：将酶蛋白分子上的非必需官能团和聚合物载体上的反应基团通过共价键形成不可逆的连接的方法常用方法重氮化法烷基化法和芳基化法载体：天然高分子：纤维素，葡聚糖

8、凝胶，琼脂糖，卡那胶，淀粉及其衍生 物。（利用-OH）人工合成的高聚物：聚丙烯酰胺，聚苯乙烯，聚乙烯醇，氨 基酸共聚物等（利用-NH）无机载体：多孔玻璃，硅胶等4、交联法：利用双功能或多功能试剂与酶之间发生分子交联把酶固定化的方法常用的交联剂：戊二醛蛋白质可与用戊二醛处理过的聚合物相作用,成不可逆的结合按照反应器的输入机械功率来源分类：机械搅拌式生化反应器、鼓泡式生化反 应器、环流式生化反应器 机械搅拌式反应器包括：1、搅拌系统：搅拌桨、搅拌轴和轴封、挡板（防止旋涡防止漩涡，增强湍流）2、温控系统：夹套传热、盘管传热2、通气系统：无菌空气制备系统、空气分布器（单管、环形管）BSTR1投料一次加

9、料（起始BSTR1投料一次加料（起始）2年龄年龄相同（某时）3空混OO14返混000PFRCSTR连续加料（入口） 年龄相同（某处）连续加料（入口）年龄不同odOO气液界面存在着滞流薄膜，溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。气相中氧分压Pi与液相中氧分压C平衡氧传质阻力仅存在于两层滞流膜中氧的传递是一个稳定的过程，传递途径上各点的氧浓度恒定*传氧速率方程：N KG p p KL C C（P102）灭菌主流方法：湿热灭菌法，一般的湿热灭菌条件为 121C, 30min灭菌方法：加热灭菌法（火焰灭菌法、干热灭菌法、湿热灭菌法）、射线灭菌法、化学药剂灭菌法【分批灭菌、连续灭菌】发酵用无菌空气的质量标

10、准：无菌、无灰尘、无杂质、 无油、无水、有压力无菌程度Ns： 10-3 （N0数量级：103104个微粒/m3 ）过滤除菌的机制：惯性碰撞滞留作用、阻拦滞留作用、布朗扩散作用、重力沉降作用、静电吸引作用 化学参数的检测：O:磁导式氧分析仪、CO:红外线二氧化碳分析仪（IR ）温度检测方法： 水银温度计、 热电偶、热敏电阻、金属电阻体积流量型；转子流量计质量流量型；利用液体的固有性质如导热性、电磁感应设计转子流量计、热质量流量计、电 磁流量计 问答补料分批培养和连续培养、分批培养的比较补料分批培养V.S.分批培养解除底物抑制、代谢阻遏补料分批培养V.S.连续培养不易染菌，菌种不易老化变异基因工程

11、菌工业化培养的基本原则（LS-1级）培养设备能够防止重组菌外漏，可以在密封的状态下，对设备进行灭菌培养装置的尾气需要经过除菌或灭菌后方能够排除到大气中泡沫过多的培养过程，要求有专用的泡沫收集装置发酵液的后处理，包括：菌体分离、破碎等工艺，须在密闭设备内或者安全柜内进行溶氧系数及其测定亚硫酸盐氧化法反应原理： 用Ci2+作为催化剂，溶解在水中的 Q能立即将水中的SG2-氧化成为SO2-氧化反应速率几乎恒定不变氧分子一经融入液相，立即就被还原掉，氧化反应的速率取决于溶解氧的速 率，因此，可以根据氧化反应的速率间接推算溶氧速率测量步骤：1、NaSO1mol/L, CuS00-3mol/L置于待测反应

12、器中,搅拌2、开阀通气4-20min,准确记录氧化时间t2Na2SO + O2 - 2Na2SO3、停止通气搅拌，通气前后各移取一定量样液4、在样品中加过量碘液Na 2SO + I 2 + H 2O - Na2SO + 2HI5、剩余的12用标定的Na&O溶液反滴定至终点，以淀粉为指示剂，记录体积V1 （空白）和V2 （通气）2Na 2&O + I 2 - Na2s4。+ 2NaI溶氧电极法原理：溶氧电极实际上是一种电解电池，有两个电极，由银丝组成的阴极和由铅皮组成的阳极。电流与氧浓度成正比阳极：Pb - Pb2+ + 2e阴极：2e + 1/2O 2 + H2O - 2OH溶氧电极法 动态法

13、Dynamic Method 重点原理：发酵过程停止通气片刻，溶解氧因被生产菌利用而浓度降低，人为地制造一个不稳定的状态（溶氧和耗氧速率不平衡），来求 KLadC*LaC C rdt比拟放大的依据及准则：依据：1、氧传递速度相等2、比较搅拌桨叶顶端速度3、比较单位液量所需的搅拌功率4、混合时间相同5、雷诺准数相等6、通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致几何尺寸D的放大 通风量Q的放大(Q/V ,VS , kLa)搅拌功率P的放大(Re ,P/V,兀 Dn, kLa, F/V, Hp)准则：发酵罐比拟放大的基准视具体情况具体分析。首先要从大量的科学试验材料中，把握住影响生产过程的主要矛盾和次要矛

14、盾，在着重解决主要矛盾的同时不使次要矛盾过分的激化几何尺寸放大：几何相似原则1、两个大小不同的系统，搅拌釜的形状和搅拌桨的型式是完全相同的，并且相 应各部分几何尺寸之比等于常数.2、设备尺寸按几何相似原则放大3、通风量一般按溶氧系数相等原则放大4、搅拌功率放大按P/V相等原则放大按kd相等原则放大连续灭菌与间歇灭菌的比较分批灭菌优点：设备投资较少染菌的危险性较小人工操作较方便 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜缺点：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连续灭菌优点：保留较多的营养质量容易放大较易自动控制糖受蒸汽的影响较少缩短灭菌周期在某些情况下，可使发酵罐的

15、腐蚀减少发酵罐利用率高蒸汽负荷均匀缺点：设备比较复杂，投资较大采用高温短时(HTST灭菌法的理论基础：化学反应动力学指出，在活化能大的反应中，反应速率随温度变化也大；反之, 如果某一反应的活化能非常小，那么该反应速率随温度的变化也很小。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，所以培养灭菌采用 高温短时的方法，可以减少营养成分的破坏生化过程优化控制中智能控制方法模糊控制、 神经网络控制、专家控制构建模糊逻辑控制器的步骤：1、确定模糊控制器的输入输出变量2、确定各变量的模糊子集划分及隶属度函数3、建立一系列IF-THEN型的模糊定性规则：If X is A and Y is B

16、, THEN Z is C规则数取决于模糊子集个数和可在线测量的状态变量数4、执行模糊推论补充连续培养过程中的主要问题稳定性问题无菌度问题、匀态问题、控制问题、放大问题 补料分批培养的优点(1)可以解除营养物抑制、产物反馈抑制和分解产物阻退作用。(2)可避免好气发酵中，一次投料过多而造成的细胞大量生长、耗氧过多，通 气搅拌设备无法适应的情况。可减少微生物细胞数量，提高有用产物转化率。可以使微生物细胞处于连续的过渡态阶段，便于进行理论研究。便于进行培养过程的最优化和自动控制。分批、连续和补料分批培养比较分批培养优点：(1) 一般投资小(2)易转产、生产灵活(3)分批操作中某一阶段可获得高的转化率

17、(4)发酵周期短、菌种退化几率小缺点：(1)因放罐、灭菌等原因，非生产时间长经常灭菌会降低仪器寿命(3)前培养和种子的花费大 需较多的操作人员或较多的自动控制系统(5)操作人员接触一些病原菌和有毒产品的可能性大连续培养优点：(1)可实现有规律的机械、自动化操作(2)操作人员少反应器体积小，非生产时间少(4)产品质量稳定(5)操作人员接触毒害物质的可能性小(6)测量仪器使用寿命长缺点；(1)操作不灵活(2)因操作条件不易改变，原料质量必须稳定(3)若采用连续，加上控制系统和自动化设备投资较大(4)必须不断地排除一些非溶的固形物(5)易染菌、菌种易退化补料分批培养：优点：(1)操作灵活(2)染菌、退化的几率小可获得高的转化率(4)对发酵过程可实现优化控制缺点：(1)非生产时间长(2)需较多的操作人员或计算机控制系统(3)操