反应工程名解及简答题.docx
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反应工程名解及简答题
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
6.双倒数法和E-H法求米氏方程的参数
=r—K叶空-
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。
tl/2称为半衰期。
1.得率系数
对底物的细胞得率系数:
消耗lg基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s
△加X「X厂CxoJx-A叫rst
2.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。
_dcxdcs1de*”_1/
6.绝对速率和比速率兀=_页”=&莎4=&(一莎)
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Cs
&无抑制的细胞生长动力学(减速期,指数期)“=“max——:
「K$+C$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(包扌舌
亲水效应、疏水效应和静电效应)和扩散效应(包扌舌外扩散效应和内扩散效应)。
梯勒模数(4>)、Eiot数.并简述其对外、内扩散总反应速率的影响。
表面浓度下的反应速率
尸内扩散速率
3.影响面定化側切刀字旳因索伺:
空同效应(包松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(包扌舌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
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rniax=6X10-2moV(ls),Kin=3X10-2mol/l该反应底物在液相主体中的浓度为1X10-2moVl,在反应条件下,流体的传质系数为4X10-1/So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?
解三由题意可知:
皿_3只10」
~CZ"—lxlO-2
a=Da+K—1=15+3-1=17
=CJ&-C5=0.17xl0-2=1.7x10_3woZ/Z
屯l+£)_017(1+3)
Cs+K~0.17+3
3-3蔗糖酶催化下述反应C12H22011+H2O—C6H12O6+C6H1206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.lumolB/g颗粒,蔗糖水溶液在树脂中有效扩
散系数为1.3X10-llni2/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0.85kg/m3。
反应的表观速率为1.25X10-3kg/(s-in3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?
解:
根据题意可知,R=—=0.8〃〃"=8xl0~4/w2
Rs=1.25x10-3kgIm5s,De=1.3xl0_11m2/5
CSi=Cso=0.85Rg/讦
①-(兮Rs_s/%
2%盘%5皿
•••Cso》Km
为零级反应
当①=&04查图得%=0.22
第4章操作模型得到的主要结果
6.
图6-29图解法硫定辰应需体积示心
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
这是单级csi//=D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,kD
Px=『X=x=DCX得Px=DYX/S(Cs°-—_-―)
当PX为最大时,相应的稀释率称为最佳稀释率DOPt
稀释度的极限值:
当cs=cso时
Amax^So
KS+C50
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=CSO).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2c
『X~—Cx1+5
已知cXO=O,cS0=3g/L,F=lL/min,yx/S=0.5,VR=1L,?
r=F/2,cXr=4cXf.试求
F2(F+FJCx=Fcxf+FrcXr二>SrS=J_P_0.i+R-Rp'cx3=2,W=—2
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ki_a.
2.简述影响(体积传质系数)kr_a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:
氧的传液速率(OTR)(OxygenTransferRate)
在稳态下
de
OUR=OTR,即_^=0,dt
OTR=kta(cOL-cOL)
de
盘=OTR-OUR=.aOL-cOL)~qocx才“一与气相分压平衡的液相氧浓度,mol/LcOL—培养液中的溶氧浓度,mol/L
kL—传氧系数oxygentransfercoefficient(cm/h)
a—传质比表面积(cm2/cm3)kLa-体积传氧系数(h「)
动态法测体积传质系数
=kLa(c*O2.-co2.)-qo:
cx
即(宅^+9。
宀)+0;厶
kLaat-
某时刻停止通气:
积分得Col-c°;=Qo2cx”-0
dc°L―—=・q。
cxdt-xqoS可求
OUR:
氧气的消耗速率,OUR=Qo2Cx。
。
。
qo2为氧气的比消耗速率,ex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(『)
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『和/+宙之间的流体粒子所占有的分率dAWV定义为E(r)d/,则E(t)称为停留时间分布密度。
(2)停留时间分布函数F(『)
定义:
流过系统的物料粒子中停留时间小于/(介于0到f)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F⑴〜t或E(t)〜t;
2)计算
3)计算
4)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2叫装液高度为3m,安装一六弯叶涡轮搅拌器,搅拌器直径为0.7m,转速为150r/iiuii,设发酵液密度为1050kg/m,粘度为lN・s/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,Ki_a等
5.放大准则:
反应器的几何特征
氧的体积传递系数kx_a
最大剪切力
单位液体体积的功率输入(P/Vl)
单位反应器有效体积的通气速率(Vg/VR或WM)
通气表观线速度us
混合时间tm
搅拌雷诺数R0
动量因子
6.生物反应器放大的原理和理论基础分别是什么?
简述相似原理的要点。
原则:
相似性。
理论基础:
相似原理
相似原理:
对任何反应系统可用数学方程描述其生物化学反应过程、流体流动与动力传递、热量和质量传递,如果两个系统能用相同的微分方程来描述,并具有相同的特征,则两个系统将具有同一的行为方式。
7.理想的反应器放大的相似条件有哪些?
几何相似;流体力学相似;热相似质量(浓度)相似;生物化学相似。
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