《生化工程》期末考试考点.docx
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《生化工程》期末考试考点
生化工程期末考试整理——by悦
题型:
1、填空(20分);2、选择(20分);3、问答题(20分);4、计算(40分)。
第一章绪论
1、生化工程学科的产生:
①传统的发酵业-混沌时期;②发酵工业走向科学(1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的);③发酵工程的早期阶段(厌氧发酵、好氧发酵);④生化工程学的起点(1928年由Fleming发现青霉素)。
2、两个关键技术-奠定生化工程学科基础
①通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
②抗杂菌污染的纯种培养技术:
无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。
3、生物化学工程
定义:
运用化学工程学原理方法,将生物技术实验成果进行工程化、产业化开发的一门学科。
实质:
研究生物反应过程中的工程技术问题,是微生物学、生物化学与化学工程结合。
第二章培养基灭菌
1、培养基灭菌目的:
发酵过程要求纯培养
2、灭菌与消毒的区别
消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病原微生物。
一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。
例如,用于消毒牛奶、啤酒和酿酒原汁等的巴氏消毒法,是将物料加热至60℃维持30min,以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。
灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物,包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。
消毒不一定能达到灭菌要求,而灭菌则可达到消毒的目的。
3、灭菌方法
4、湿热灭菌
原理:
由于蒸汽具有很强的穿透力,而且在冷凝时会放出大量的冷凝热(潜热),很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物。
灭菌条件:
121℃,30min。
灭菌不利方面:
同时也会破坏培养基中的营养成分,甚至会产生不利于菌体生长的物质。
因此,在工业培养过程中,除了尽可能杀死培养基中的杂菌外,还要尽可能减少培养基中营养成分的损失。
5、分批灭菌(batchsterilization)、实罐灭菌(实消):
定义:
利用热空气或高压蒸汽对培养基与发酵罐同时灭菌。
分批灭菌的特点:
适用于:
培养基易发泡或黏度大
优点:
操作简便,无需连消的设备,并减少了杂菌污染的机会
缺点:
升温降温时间长,设备利用率低
1
各阶段对灭菌的贡献:
升温20%;保温75%;降温5%。
6、连续灭菌(continuoussterilization)(连消)
定义:
培养基通过连续灭菌装置,快速连续加热灭菌,后进入灭菌的空罐。
连续灭菌装置:
1).连消塔保温罐连续灭菌;2).板式热交换器连续灭菌;3).蒸汽喷射连续灭菌。
7、分批灭菌与连续灭菌的特点比较
8、培养基灭菌要求:
达到需要的无菌程度;有效成分受热破坏程度尽可能低。
灭菌工作关键:
控制加热温度(T)和受热时间(t)。
☆9、微生物的热死规律----对数残留定律
微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性,这种反应可认为是单分子反应,死亡速率可视为一级反应,即与残存的微生物数量成正比。
菌的死亡速率-dN/dt与任何瞬间残留的活菌数N成正比。
公式:
ln(Ns/N0)=-Kt
N0:
原有活菌数(t=0,污染度)
Ns:
经t时间后残存活菌数(灭菌度,Ns=10-3)
10、K-比死亡速率常数(反应速率常数)(选择、填空)
K大小反映微生物受热死亡的难易程度。
与微生物的种类及加热温度有关
◇相同温度下,k值愈小,加热时间长,则此微生物愈耐热。
即:
t=1/K*ln(N0/Ns)
◇同一种微生物在不同灭菌温度下,灭菌温度愈低,k值愈低;温度愈高,k值愈高。
t=1/K*ln(N0/Ns)
K是温度T的函数,故T对K的影响是热灭菌设计的核心问题之一。
11、Arrhenius方程
K=Ae-ΔE/RT
K:
比死亡速率常数,也称反应速率常数(min-1或s-1)
A:
阿氏常数(s-1)
E:
活化能(J/mol)化学反应中,反应物分子到达活化分子所需的最小能量。
活化能的大小与反应速率相关,活化能越低,反应速率越快,因此降低活化能会有效地促进反应的进行。
T:
绝对温度(K),T(K)=t(℃)+273
R:
气体常数(8.31J/mol·K)
e:
2.718
12、D(1/10衰减时间)decimalreactiontime:
活微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10所需要的时间。
☆与K的关系为:
D=-ln(0.1N0/N0)/K=-2.303lg0.1/K=2.303/K
13、灭菌标准:
(不用记忆,考试会给出)
2
以杀死耐热芽孢杆菌为准:
ΔEs=68700cal/mol.k,As=7.94×1038(s-1)
即:
K=7.94×1038e-68700/1.98T
14、营养受热分解规律
符合微生物热死亡动力学规律和Arrhenius方程:
-dC/dt=K’C
可变形为:
ln(Cs/Co)=-K’t或Cs=C0e-K’tK’=Ae-ΔE’/RT
K’:
营养成分受热分解速率常数(min-1,s-1)
ΔE:
营养成分受热分解反应的活化能(J/mol)
Co:
初始营养物质浓度
Cs:
时间t后营养物质浓度。
15、采用高温瞬时灭菌法的理论基础(问答)
微生物受热死亡的活化能ΔE比营养成分受热分解的活化能ΔE’大。
ΔE大,说明反应速率随温度变化也大;当温度升高,微生物死亡速度比营养成分分解速度快。
当温度升高,微生物死亡速度比营养成分分解速度快。
故采取高温瞬时,有利于快速杀灭菌体,而且减少营养的破坏。
养分虽因温度增高破坏也增加,但因灭菌时间大为缩短,总破坏量因之减少。
例题:
1.若温度从120℃升至150℃,分别计算120℃和150℃下的VB1的分解速率常数KB和嗜热芽孢杆菌的比死亡速率常数Ks;并比较
KB150/KB120;Ks150/Ks120,反映何种规律。
已知ΔEB1=92114J/mol,AB1=9.30×1010(min-1);ΔEs=284460J/mol,As=1.34×1036(min-1)
2.在120℃下灭菌7.6min,计算此时VC的损失率。
(120℃下,若Kc=0.055min-1)
3.某厂培养基初始杂菌数为106个/ml,生产要求最终无菌度为10-3。
当发酵容器由1m3放大至10m3时,总灭菌效果增加多少。
4.发酵培养基60m3,初始杂菌数为105个/ml,生产要求最终无菌度为10-3。
采用分批灭菌方式,120℃维持5min.已知升温和降温的灭菌效果不超过总灭菌度效果的25%。
则所设计的T-t过程是否达到无菌要求。
如何改进。
第三章空气除菌
1、空气除菌的意义:
发酵要求纯种培养
微生物种类:
以细菌和细菌芽孢较多,也有酵母、霉菌和病毒等
2、好气性发酵对空气无菌度的要求
-3工业设计要求:
10;概率意义:
经过1000次使用周期中有允许一个杂菌通过
3、空气除菌的方法:
除去或杀灭
①加热灭菌②静电吸附:
能耗小;捕获率低,空气需干燥③介质过滤除菌:
过滤介质:
棉花:
阻力大,易受潮;活性炭:
阻力小,但效率为棉花1/3,与棉花混合使用;玻璃纤维;石棉滤板;烧结材料。
相对过滤(深层过滤):
0.5-2.0μm颗粒物除去
绝对过滤:
d<0.45μm
4、过滤除菌设备(过滤除菌)
1)深层纤维介质(棉花、活性炭、玻璃纤维)过滤器:
填充物顺序:
孔板-铁丝网-麻布-棉花-麻布-活性炭-麻布-棉花-麻布-铁丝网-孔板
2)平板式纤维纸过滤器
5、空气过滤器的尺寸
a.过滤器的直径D(决定了过滤面积)
3
☆过滤器的直径D=(4V/πvs)1/2
V-空气经过滤器时的体积流量(m3/s);vs-空容器截面的空气流速(m/s)(一般取0.1-0.3m/s)b.有效过滤厚度(高度)
经验:
上下棉花的厚度为总滤层厚度的1/4-1/3,活性炭层占1/3-1/2
6、空气除菌的要求:
无菌、无尘、无油、无水、有压力
7、绝对过滤和深层过滤
绝对过滤:
过滤介质孔隙小于微生物而进行的过滤方式。
微孔滤膜:
0.1~0.5μm(细菌1μm左右)深层过滤:
一定厚度的过滤介质,孔径一般大于细菌,却能达到过滤细菌的效果。
8、过滤除菌机制
惯性碰撞滞留作用;阻拦滞留作用;布朗扩散作用。
9、介质穿透率和过滤效率概念
穿透率:
空气残留的颗粒数与空气中原有颗粒数之比P=Ns/N0
N0-空气中原有颗粒数Ns-空气中残留的颗粒数
过滤效率:
介质捕获的颗粒数与空气中原有颗粒数之比η=(N0-Ns)/N0=1-P
10、对数穿透定律
1)空气过滤时,颗粒数N随滤床厚度L的增加而递减。
也符合一级反应动力学规律,即:
-dN/dL=KN
(1)
积分后得:
ln(Ns/N0)=-KL也可为:
lnP=-KL
K-过滤常数(cm-1),与气流速度V,纤维直径df,颗粒直径dp和纤维填充密度有关;L-滤层厚度(cm)
2)过滤层厚度:
L=-ln(Ns/N0)/K
11、空气过滤器的尺寸计算:
(1)过滤层厚度的计算:
L=-ln(Ns/N0)/K
(2)
D滤层=Vm3/s);VS-空容器截面的空气流速(m/s)。
12、K值的获得(选择、填空)
K(过滤常数)与空气流速v,介质种类、填充系数、介质直径、颗粒直径等有关。
(1)实验测定
(2)通过计算获得:
1)L90为η(过滤效率)为90%时的滤层厚度
因为ln(Ns/N0)=lnP=ln(1-η)=-KL
当过滤效率为90%(穿透率为10%)时:
K=-lnP/L90=-ln10%/L90=2.303/L90
单个纤维的总捕获效率η=η1+η2+η3
η1:
惯性碰撞滞留效率;η2:
阻拦滞留效率;η3:
扩散捕获效率
例题:
1.试设计一台通风量为10m3/min的棉花纤维过滤器,过滤器使用周期为100h。
空气中颗粒数为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。
滤层选用df=16μm,气速Vs=0.1m/s,填充系数α=8%。
求:
过滤效率η及滤层厚度L
解:
1.P=Ns/N0=10-3/(5000×10×60×100)=3.33×10-12
η=1-P=1-3.33×10-12
2)表查得K=0.31cm-1,
L=-ln(Ns/N0)/K
2.一台空气过滤器的通风量为22.5m3/min,过滤器使用周期为100h。
空气中颗粒数为1750个/m3,求整个周4
期通过过滤器无菌要求为10-3时的过滤器的尺寸。
若通风量为2.25m3/min,过滤1min后空气中的颗粒数。
(介质为df=16μm的玻璃纤维,原空气流速V=1.52m/s,变化后V=0.15m/s)注:
空气流速与过滤效率的关
3.若上题中,采用df=10μm的玻璃纤维作填充介质,计算其滤层厚度。
已知微粒直径dp=1μm=1×10-6m,ρp=1000kg/m3;纤维直径df=10μm=1×10-5m,滑动系数C=1.16,空气空气密度ρ=4.67kg/m3,空气黏度μ=1.863×10-5kg/m.s.
解:
L=-ln(Ns/N0)/K
第四章传氧与通气搅拌
1、需氧型发酵的关键问题:
提高溶氧速率
解决氧气供应方法:
通气与搅拌
通气与搅拌目的:
(1)供应氧气,供微生物生长及代谢;
(2)使发酵液均匀混合,促进物质传递:
底物发酵液→菌体;代谢物质菌体→发酵液.
2、
(1)呼吸强度(比耗氧速率)QO2:
单位质量干菌体在单位实际X——细胞浓度,kg(干重)/m
3、传氧与耗氧平衡满足:
(需记忆)
**OTR=KLa(C-CL)=QO2·X可得:
KLa=QO2·X/(C-CL)
4、供氧及供氧方面的阻力
(1)供氧:
空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。
供氧方面的阻力:
液膜阻力1/k3(可示1/KL)(主要阻力)。
氧是很难溶于水,所以在供氧方面液膜是一个主要障碍,即1/k3较为显著。
(2)耗氧:
指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞侧为气膜,液体一侧为液膜。
(2)氧分子借浓度差扩散透过双膜;氧气从气相到液相主体,阻力来自两膜。
(3)气、液主体中,氧浓度平衡;气液界面上,氧浓度平衡,无传质阻力。
6、传氧速率方程
Nα=Nv=kLα(C*-C)=QO2·X即供氧=耗氧
Nα-体积溶氧速率(kmolO2/m3.h);kLα-以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数(1/h);α-单位体积培养液中气液两相的总接触面积(m2/m3);
7、影响传氧速率的因素
由传氧速率方程:
Nv=kLα(C*-C)可知,影响传氧速率的因素有溶氧系数kLα和推动力(C*-C)其中:
与推动力(C*-C)有关的:
发酵液的深度、罐容、氧分压及发酵液的性质等;
与kLα有关的:
搅拌、空气线速度、空气分布器的形式和发酵液的黏度等。
8、体积溶氧系数kLα的测定
5
①亚硫酸盐法测定;②溶氧电极法;③复膜氧电极法
9、搅拌功率的计算(计算题)
当Re≥104时,随Re提高,Np为定值:
园盘六平直叶涡轮Np=6.2;园盘六弯叶涡轮Np=4.7;园盘六箭叶涡轮Np=3.7。
35计算P0=ρNDiNp(不需记忆,注意单位为国际单位)
P0―无通气时输入液体功率(W);ρ―液体密度(kg/m3);N―涡轮转速(r/s);Di―涡轮直径(m)。
Michel修正公式:
(不须记忆)
230.08Pg=2.25×10-3(PoNDi/Q)0.39
Pg、Po―通气、不通气时的搅拌功率(KW);N―搅拌器转速(r/min);
Di―搅拌器直径(cm);Q―通气量(ml/min);
求解通气下的机械搅拌功率Pg的过程:
1.先算出Re,后确定出Np;2.根据Np算出不通气下的Po;3.求出Pg。
验证结果:
通气条件下Pg<不通气条件下的Po
例题:
1.某种细菌发酵罐。
罐直径D=1.8m;园盘六弯叶涡轮Di=0.60m;一只涡轮。
搅拌器转速N=168r/min,通气率Q=1.42m3/min,液体密度ρ=1020kg/m3,液体粘度μ=1.96×10-3N.s/m2。
求Pg。
2.通用式发酵罐,已知罐径D=液层高度HL=2.0m;园盘六箭叶涡轮Di=0.66m;二只涡轮。
搅拌器转速N=120r/min,通风比=0.5m3/m3.min,液体密度ρ=1000kg/m3,液体粘度μ=1.0×10-3N.s/m2。
求发酵罐的搅拌功率Pg
(通风比=通风率/有效液体积)
3.发酵罐工作容量12m3,罐径2.2m,通风量5m3/min,通气时搅拌功率11.6Kw,搅拌转速119r/min,反应器中氧C*=0.21mmol/L,试计算当液相中溶氧浓度分别为
0.48mg/L,2.4mg/L,4.8mg/L时的溶氧速率。
4.采用100L通用式发酵罐培养细菌,通风比为0.8L/L.min,kLα=0.0417/s,确保满足qo2=8.89×10-5g/g.s(以氧/细胞计),C=0.2mg/L,C*=7.3mg/L时达到供氧需求平衡,求此时的最大菌体浓度。
(通风比=通风率/体积)
第五章微生物培养及发酵动力学
(计算可能出在物料衡算或动力学方程)
1、微生物反应过程的质量衡算
碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O
计量关系如下:
对各元素作元素平衡得:
2、呼吸商:
RQ=CO2生成速率/O2消耗速率
3、得率系数
YX/S消耗1g或1mol基质获得的干菌体克数,g/g,g/mol;
YATP消耗1molATP获得的干菌体克数,g/mol;
YP/S消耗1g或1mol基质获得的干产物克数,g/g,g/mol。
细胞得率(生长得率):
YX/S=生产细胞的质量g/消耗基质的质量g=ΔX/(-ΔS)=(X-X0)/(S0-S)
产物得率系数(生产得率系数):
YP/S=生产产物的质量g/消耗基质的质量g=ΔP/(-ΔS)=(P-P0)/(S0
-S)
6
td=0.693/μm。
6、微生物生长动力学
指数生长方程:
dX/dt=(μ-α)X
X为微生物的菌体浓度,单位体积t=ln(X/X0)/μ
注:
1)一般情况下,在微生物生长的各阶段,细胞增值规律均符合指数生长定律,但μ值随时间变化;
2)在指数生长期,μ值达最大μm,且保持稳定;其他生长期,μ值随时间变化。
3)表示微生物生长快慢的另一方法:
倍增时间td:
菌体细胞质量增加一倍所需的时间td=0.693/μ
7、Monod方程
经验公式:
μ=μmS/(Ks+S)
μ:
菌体的生长比速(1/h);S:
限制性基质浓度(g/L);Ks:
饱和常数(相当于1/2μm时的限制性基质浓度,g/L);μmax:
最大生长比速(1/h)。
g/L);μmax:
最大生长比速(1/h)。
S《Ks时,μ∞S直线关系;S》Ks时,μ物对基质的亲和力:
Ks小,亲和力大。
8、Monod方程的参数求解(双倒数法):
Ks与μ或9、发酵动力学类型(产物形成和菌体生长关系)偶联型:
产物的形成和菌体的生长相偶联
混合型:
产物的形成和菌体的生长部分偶联
dX/dt=μX
产物形成:
产物积累=产物合成
dP/dt=μX·Yp/x=qpX
基质利用:
基质积累=-生长消耗-产物消耗-维持
-dS/dt=-μX/Yx/s-qpX/Yp/s-mX=-qsX-qpX/Yp/s-mX
比速率(μ、qp、qs):
单位时间dX/dt=0则:
μ=F/V;D=F/V,故:
D=μ
D=μ=F/V,可通过改变F(流加速率)调节μ值:
D<μ,则dX/dt>0,微生物浓度将随时间而增加;
D>μ,则dX/dt<0,微生物浓度将随培养物被洗出(washout)而减少;
D=μ,则dX/dt=0,微生物浓度不随时间而变化,处于恒态―连续培养稳定状态
注:
连续培养的稳定状态下,Yx/s、S0、Ks及μm均定值,故菌种浓度X、底物浓度取决于稀释率D。
连续培养的稳定状态下,X、S0、D为主要变量,其他属于因变量。
但当D发生改变,均会造成X、S、μ的变化。
菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D的变化关系如图:
1)菌种浓度X与稀释率D的关系:
随D增加,X逐渐减少,起初不明显,当D渐接近Dc=μm,X急跌至0,微生物全部洗出。
2)基质浓度S与稀释率D的关系:
S变化与X相反:
一般当D<0.8时,S很小;随D再增大,S急剧上升,当D渐接近Dc=μm时,S=S0。
8
3)细胞产率P=DX与稀释率D的关系:
随D的增加P逐步增大,可达最大DX值(DmXm),Dm为理论上的最适宜稀释速率。
4)菌种浓度X、基质浓度S、细胞产率P及稀释率D的关系:
Dc为临界稀释速率;Dm为理论上的最适宜稀释速率。
例题:
(选自贾士儒48-69页)
1.葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cereviseae)培养,
培养的反应式可用下式表达,求计量关系中的系数a、
b、c、d。
反应式为:
C6H12O6+3O2+aNH3→bC6H10NO3(面包酵母)+
cH2O+dCO2
解:
据平衡方程式,可得:
C:
6=6b+d
H:
12+3a=10b+2c
O:
6+6=3b+c+2d
N:
a=b
方程联立求解为:
a=b=0.4c=4.32d=3.12
上述反应计量关系式为:
C6H12O6+3O2+0.48NH3→0.48C6H10NO3+4.32H2O+3.12CO2
2.葡萄糖为碳源,NH3为氮源进行酿酒酵母发酵。
呼吸商1.04。
消耗100mol葡萄糖和48molNH3生产了48mol菌体、312molCO2和432molH2O。
求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。
(呼吸商RQ=CO2生成速率/O2消耗速率)
3.葡萄糖为碳源,NH3为氮源进行某细菌的好氧培养。
消耗的葡萄糖有2/3的碳源转化为细胞中的碳。
反应式为:
C6H12O6+aO2+bNH3→c(C4.4OH7.3N0.86O1.2)+dH2O+eCO2
计算上述反应中的得率系数YX/S和YX/O
解:
据平衡方程式,可得:
C:
6=4.4c+eH:
12+3b=7.3c+2dO:
6+2a=2.2c+d+2eN:
b=0.86c
由于1mol葡萄糖中含碳72g,转化为细胞得:
c=0.91
转化为CO2的碳为72-48=24(g)故:
12e=24e=2
解平衡方程中其他未知数,得:
b=0.78;d=3.85;a=1.47
故平衡方程为:
C6H12O6+1.47O2+0.78NH3→0.91(C4.4OH7.3N0.86O1.2)+3.85H2O+2CO2
YX/S=0.91×(12×4.4+16+7.3+14×0.86+16×1.2)/180=0.46(g/g)(以细胞/葡萄糖计)YX/O=83.1/(1.47×32)=1.77(g/g)(以细胞/氧计)
4.在5m3的培养液中按5%接种量接种,原接种液含菌5×106(个/mL),求菌含量为4×109(个/mL)的培养时间。
(假定培养期间均S>>Ks,μm=0.8h-1)
5.采用合成培养基,在1m3的反应器中对大肠杆菌进行分批培养,菌体生长可用Monod方程描述。
已知μm=0.935h-1,Ks=0.71kg/m3,基质初始浓度S=50kg/m3,菌体初始浓度X0=0.1kg/m3,菌体得率YX/S=0.6kg/kg(细胞/基质)。
问:
当80%基质已消耗所需时间。
6.以甘油为基质进行阴沟气杆菌分批培养。
时间t=0,X0=0.1g/L,S0=50g/L.,菌体生长可用Monod方程描述,μm=0.85h-1,Ks=1.23×10-2g/L,YX/S=0.6kg/kg(细胞/葡萄糖)。
不考虑诱导期和死亡期,求培养6h后的菌体浓度及底物浓度。
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2010/7/1
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