问答与计算复习资料问答：1.生物化学工程的定义及其研究的主要内容生物化学工程是指：研究“利用生物催化剂（酶或者细胞）从事生物技术产品的生产过程”的工程科学。

其研究的主要内容包括：1）.在上游加工过程：最重要的是提供和制备高产、优质和足够数量的生物催化剂。

其中对于生物催化剂的获得，带有共性的技术有大规模的种子培养、酶或细胞固定化、如何将所制备种子或固定化生物催化剂在无菌情况下移入生物反应器等问题；对于粗原材料的加工，有关共性技术是加工后作为基质或培养基的标准化问题，以及基质或培养基的灭菌和空气除菌问题。

2）.在生物反应过程：有关共性技术问题有适用于大规模细胞培养及产物形成的反应器的选型、设计，操作方式及条件的确定，过程及反应器放大，过程的参数检测和控制等。

3）.在下游加工过程：主要是研究和开发各种适用于生物反应产品，特别是作为诊断和治疗用的活性蛋白质、多肽或其他活性物质的提取、精制手段和装备等生物分离工程的研究内容。

2.生物反应过程的特点答：生物反应过程有以下4个特点：1）采用生物催化剂：由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应，且可运用重组DNA技术及细胞融合技术改造生物催化剂，但生物催化剂易于失活，易受环境影响和污染，一般采用分批操作；2）原料为可再生资源：可采用再生性的生物资源为原料，来源丰富，价格比较低，过程中产生的废料危害性较小，但往往形成原料成分不易控制，对生产控制和产品质量带来影响；3）反应条件温和：生产设备较简单，能量消耗较少，但由于过高的底物和产物会给酶带来抑制作用、微生物细胞不能耐受外界溶液过高的渗透压，反应液的底物和产物浓度不能太高，造成反应器体积大；4）产物浓度较低：酶反应的专一性较强，转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。

3.常用的灭菌方法有哪些？发酵工业中为何应用最广的是湿热灭菌？工业上为何采用高温瞬时灭菌？A：常用有湿热灭菌、干热灭菌、渗透压灭菌、辐射灭菌、化学试剂灭菌等。

湿热灭菌简便经济有效，工业上应用最广。

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。

工业上采用高温瞬时灭菌的原因：培养基成分受热分解的反应也属一级反应，符合对数残存定律和阿氏方程：RTEeAKCKdtdC/''''/-==-通常E比E’大很多。

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。

故当温度升高时，杂菌死亡速率要比营养成分破坏速度快得多。

故采用HTST方法，可以减少营养成分破坏。

4.将10000千克的培养基在发酵罐内进行分批灭菌，灭菌温度为120℃，灭菌后要求每1000批中只有一个杂菌，培养基原始污染度为105个/g，试计算总杀菌效率V总＝？（V总＝ln(N0/N)）N0=1/1000N=10000*1000*105=1012V总=ln(N0/N)=ln1015=15ln10=34.545.某发酵罐分批灭菌最高温度120℃，保持5min，设计的温度和时间关系如下：发酵罐100m3，N0=105个/ml，N=10-3，已知升温和冷却的灭菌效果不超过总灭菌效果的25%，问设计的T-t过程是否达到灭菌要求，如不能，应如何改进？（A=7.94×1038min-1；△E=278441J/mol;R=8.28J/mol·Kk=Ae-E/RT=7.94×1038×e-278441/8.28×393=7.94×1038×e-85.57=54.6 min-1N0=105*100*106=1013V总= ln(N0/N)=ln1016=16ln10=36.84kt=54.6*5=273>36.84*75%满足，但可以进一步缩短保温时间。

6.全混流和活塞流反应器各自的特点是什么？培养基灭菌选用哪种反应器效果更好？为什么？答：活塞反应器PFR是指反应器中物料的流动状况满足活塞流假设，其灭菌状况：1.沿流动的方向，活孢子的浓度N下降，热死灭速率也相应下降（下降的规律决定于菌体死灭反应动力学）；2.同一截面上活孢子浓度相等，热死灭速率也相等。

存活率符合：即：全混流反应器CSTR是另一种理想化流型，反应器内混合足够强烈，因而反应器内物料浓度处处相等，温度均一，反应速率也处处相等，不随时间改变。

存活率符合：相同K 时，CSTR的灭菌存活率要大于PFR；在同一温度下灭菌，达到相同的灭菌存活率，CSTR的灭菌时间要比PFR更长，因此，PFR效果更好。

7. 空气除菌的目的及重要性。

A：好氧微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗氧气，工业生产上均采用空气作为氧气来源。

然而，空气中有各种各样的微生物，为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。

另外无菌药物的生产过程中，需要无菌空气传送无菌物料；无菌产品生产系统中，需要也需要保证生产环境中的空气是无菌的，需对空气进行过滤除菌。

8. 绝对过滤介质和深层过滤介质。

常用的过滤介质按孔隙大小可以分为两类：一类是介质孔隙大于微生物——需有一定厚度的介质滤层才能除菌，也称相对过滤（深层过滤）。

介质孔隙小于微生物——微生物直接被截留，也称绝对过滤。

9.说明介质过滤除菌过程中主要的过滤机理。

A：1）直接截留，细菌的质量小，紧随空气流的流线而前进，当空气流线中所夹带的微粒由于和纤维接触而被捕集时称为直接截留，机理为颗粒直径大于介质的孔径时，颗粒就被截留。

2）惯性冲击，由于气流中的颗粒有质量，具有惯性，当微粒以一定速度向纤维垂直运动时，空气受阻改变流向，绕过纤维前进，微粒因惯性作用不能及时改变方向，便冲向纤维表面并滞留下来。

3）布朗运动，微小的颗粒受空气分子碰撞发生布朗运动，颗粒与介质相碰而被捕集；4）重力沉降，重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降，这种作用只有在尘粒较大时才存在；5）静电吸引，悬浮在空气中的微粒大多带有不同电荷，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。

10. 举例说明K除菌常数的几种计算方法。

有以下几种方法：K（除菌常数，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：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/ L902) 当无实验数据可查，可依据此：过滤常数为K＝)1()5.41(4ηαπαα-+fd11. 加热空气除菌流程、冷热空气直接混合式节能除菌流程、一级冷却加热除菌流程的优缺点和适用场合，并分析其原因。

两级冷却加热空气除菌流程：优点：适用的气候条件广，操作参数可变化范围大。

缺点：设备投资稍高，冷却水耗量大。

原因：两级冷却加热空气除菌流程是根据湿度比较大的气候条件而设计的，两级冷却都是为了分离空气中的水分，加热是为了使进入过滤器的空气相对湿度在50%左右。

冷热空气直接混合式节能除菌流程：优点：热能利用好。

缺点：要根据气候条件调整冷热空气的量，要求自动化程度高。

原因：冷热空气直接混合式节能除菌流程是根据热量平衡来调整冷热空气的量，使进入过滤器的空气温度和湿度均符合要求。

一级冷却加热除菌流程：优点：设备投资稍低，冷却水耗量小。

（1分）缺点：只适合气候干燥（相对湿度小）的地区。

原因：一级冷却加热除菌流程是根据相对湿度小的气候条件而设计的，在比较干燥的气候条件下，一级冷却就足可以分离出压缩空气中的水分。

12.牛顿流体和非牛顿型流体的流变学特征。

牛顿型流体：服从牛顿黏性定律；剪应力与剪切速率之间呈直线关系；直线的斜率即为黏度μ；黏度μ只是温度的函数，与流变状态无关，是一常数。

非牛顿型流体：不服从牛顿黏性定律；其黏度μ不是常数，它不仅是温度的函数，而且随流动状态而异，因此没有固定的黏度值。

它包括1）拟塑性流体，主要特征是黏度随着剪应速率的增高而降低，其流变特性可表示为：τ= K（dω/dγ）n，0＜n＜1；2）膨胀性流体，主要特征是黏度随着剪应速率的增加而增高，其流变特性可表示为：τ= K（dω/dγ）n，n＞1 ；3）彬汉塑性流体，主要特征是当剪应力小于屈服应力时，液体不发生流动，只有当剪应力超过屈服应力时才发生流动，其流变特性可表示：τ= τy+μp dω/dγ，τy屈服剪应力，μp刚性粘度，为常数。

13.什么是好氧微生物培养的临界溶氧浓度？如何测定？是否所有的好氧微生物培养过程都必需控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上？举例说明。

微生物的比耗氧速率随溶氧浓度的增加而升高，当溶解氧增加到一定值时，比耗氧速率不再增加，这时的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。

测法：将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况，首先是溶氧浓度呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。

并非所有的好氧培养过程都需要控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上，比如以丙酮酸为前体的苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的发酵生产就应控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以下。

14.用公式说明计算Pg的过程与思路。

1）确定发酵罐的尺寸及搅拌转速N2）计算Re M，R eM=Di2Nρ/μ3）由N P~ Re M鲁士顿关系图查N P, 确定功率准数Np4）由鲁士顿关系式，计算P 0，)(530W D N N P P ρ= 5）由迈凯尔关系式计算Pg ，39.03)(1025.208.0320Q ND P g P -⨯=15.推导双膜理论公式：)(*c c a k v L VN -=稳定传质过程中，通过气液膜的传氧速率v N 应相等)()(c c k p p k v i L i G N -=-=用总传质系数代替分传质系数，总推动力代替分推动力，则：)()(**c c K p p K v L G N -=-=由亨利定律得：P=HC* p i =Hc i p*=HcNL N G v cc K v p p K -=-=**11L G G LG i i i i NL k Hk K k k H N c c N H p p N cc N c c v cc K +=+⋅=-+⋅-=-+-=-=11111**同理可以证明：对于易溶气体，如氨，H 极小，因此 K G ≈k G ，说明氨溶于水的速率是气膜阻力控制的。

对于O2，氢气，H 极大，因此 K L ≈k L ，说明氧气溶于水的速率是液膜阻力控制的。