生物反應(yīng)工程期末總結(jié)

1、緒論1.生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程主要由哪四個(gè)部分組成？（1）原材料的預(yù)處理；（2）生物催化劑的制備；（3）生化反應(yīng)器及其反應(yīng)條件的選擇和監(jiān)控；（4）產(chǎn)物的分離純化。2.什么是生化反應(yīng)工程,生化反應(yīng)工程的研究的主要內(nèi)容是什么?定義：以生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用傳遞過(guò)程原理及工程學(xué)原理與方法，進(jìn)行生化反應(yīng)過(guò)程的工程技術(shù)分析、開(kāi)發(fā)以及生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大、操作控制等綜合邊緣學(xué)科。 主要內(nèi)容：生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，優(yōu)化和放大3. 生物反應(yīng)過(guò)程的主要特點(diǎn)是什么？1.采用生物催化劑，反應(yīng)過(guò)程在常溫常壓下進(jìn)行，可用DNA重組及原生質(zhì)體融合技術(shù)制備和改造2.采用可再生資源3.設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低4.專(zhuān)

2、一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，制備酶成本高，發(fā)酵過(guò)程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，較難控制，反應(yīng)液雜質(zhì)較多，給提取純化帶來(lái)困難。 4. 研究方法經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、?shù)學(xué)模型法；多尺度關(guān)聯(lián)分析模型法（因次分析法）和計(jì)算流體力學(xué)研究法。第1章1. 酶作為生物催化劑具有那些催化劑的共性和其獨(dú)特的催化特性？談?wù)劽阜磻?yīng)專(zhuān)一性的機(jī)制。催化共性:降低反應(yīng)的活化能，加快生化反應(yīng)的速率；反應(yīng)前后狀態(tài)不變.催化特性:高效的催化活性;高度的專(zhuān)一性;酶反應(yīng)需要輔因子的參與;酶的催化活性可被調(diào)控;酶易變性與失活。機(jī)制：鎖鑰學(xué)說(shuō)；誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)2. 什么叫抑制劑？某些物質(zhì)，它們并不引起酶蛋白變性，但能與酶分子上的某些必需基團(tuán)（

3、主要是指活性中心上的一些基團(tuán)）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速率降低，能引起這種抑制作用的物質(zhì)稱(chēng)為抑制劑。3. 簡(jiǎn)單酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（重點(diǎn)之重點(diǎn)）4酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求取方法(L-B法、E-H法、H-W法和積分法)L-B法:E-H法：H-W法：積分法：抑制百分?jǐn)?shù)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制：非競(jìng)爭(zhēng)性抑制：反競(jìng)爭(zhēng)性抑制：kd可稱(chēng)為衰變常數(shù)。kd的倒數(shù)稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)td。t1/2稱(chēng)為半衰期第2章得率系數(shù)對(duì)底物的細(xì)胞得率系數(shù)：消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱(chēng)為細(xì)胞得率或稱(chēng)生長(zhǎng)得率Yx/s非結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模型 非結(jié)構(gòu)模型：把細(xì)胞視為單組分，不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則環(huán)境變化對(duì)細(xì)胞組成的影響可忽略，在此基礎(chǔ)上

4、建立的模型。結(jié)構(gòu)模型：考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成變化的基礎(chǔ)上建立的模型。3.細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程主要特征：細(xì)胞是反應(yīng)過(guò)程的主體；本質(zhì)是酶反應(yīng)；細(xì)胞反應(yīng)與酶催化有著明顯的不同：復(fù)雜反應(yīng)，多種途徑，難以描述。呼吸商（RQ）： 在一定時(shí)間內(nèi)放出的二氧化碳量和消耗的氧氣量（量為物質(zhì)的量）之比。絕對(duì)速率和比速率絕對(duì)速率:指單位時(shí)間，單位反應(yīng)體積某一組分的變化量。比速率:指以單位濃度細(xì)胞（或單位質(zhì)量）為基準(zhǔn)而表示的各個(gè)組分的速率。Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生長(zhǎng)速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)分為那三種類(lèi)型？并簡(jiǎn)述之。（1）相關(guān)模型（2）部分相關(guān)模型（3）非相關(guān)模型限制性底物：某種底物濃度的增加會(huì)影響生長(zhǎng)速率, 而

5、其它營(yíng)養(yǎng)組分濃度的變化對(duì)生長(zhǎng)速率沒(méi)有影響作用，這種底物稱(chēng)限制性底物。無(wú)抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（減速期,指數(shù)期）monod方程：第3章影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素有：空間效應(yīng)（包括構(gòu)象效應(yīng)和位阻效應(yīng)）、分配效應(yīng)（包括親水效應(yīng)、疏水效應(yīng)和靜電效應(yīng)）和擴(kuò)散效應(yīng)（包括外擴(kuò)散效應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)）。構(gòu)象效應(yīng)：在固定化過(guò)程中，由于存在著酶和載體的相互作用從而引起酶的活性部位發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合能力。分配效應(yīng)（微環(huán)境效應(yīng)）：當(dāng)固定化酶處在反應(yīng)體系的主體溶液中時(shí)，反應(yīng)體系成為固液非均相體系。由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起固定化酶載體內(nèi)部底物或產(chǎn)物濃度與溶液主體

6、濃度不同。影響內(nèi)擴(kuò)散有效因子的主要因素有：顆粒粒度，顆粒活性，孔隙率、孔徑以及反應(yīng)溫度丹克萊爾數(shù)（Da）、梯勒模數(shù)（）、Biot數(shù)：表觀梯勒模數(shù)：對(duì)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué):第4章操作模型得到的主要結(jié)果1. 什么叫BSTR，CSTR，CPFR，請(qǐng)根據(jù)物料衡算寫(xiě)出其操作模型方程，即反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)速率的關(guān)系方程。BSTR:間歇操作反應(yīng)器（分批操作的攪拌槽式反應(yīng)器）CSTR：連續(xù)操作的攪拌槽式反應(yīng)器CPFR：連續(xù)操作管式反應(yīng)器FBC：恒速流加與指數(shù)流加的定義及主要特征恒速流加：以恒定的速率流加限制性底物的一種最簡(jiǎn)單的流加操作方式。指數(shù)流加：使加料速率按指數(shù)規(guī)律增加,以使限制性底物濃度維持不變,故稱(chēng)為指數(shù)流加。

7、指數(shù)流加可使生長(zhǎng)比速率恒定。變速流加:以反饋流加為主。理想流動(dòng)的反應(yīng)器的模型方程全混流反應(yīng)器：平推流反應(yīng)器:定義稀釋率(空速)對(duì)單級(jí)CSTR，穩(wěn)態(tài)條件下，應(yīng)存在 可得這是單級(jí)CSTR進(jìn)行細(xì)胞反應(yīng)的的主要操作特性(表示了恒化器的主要操作特性)對(duì)于符合Monod模型的簡(jiǎn)單細(xì)胞反應(yīng)，若以單位時(shí)間單位體積的細(xì)胞產(chǎn)量(細(xì)胞產(chǎn)率)PX為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得當(dāng)PX為最大時(shí)，相應(yīng)的稀釋率稱(chēng)為最佳稀釋率DOPt反應(yīng)器中細(xì)胞濃度為稀釋度的極限值：當(dāng)CS=CS0時(shí)當(dāng)稀釋度達(dá)到極限值DC時(shí)，CSTR出口物料中細(xì)胞濃度為0，此時(shí)反應(yīng)器處于“洗出”操作狀態(tài)( CS=CS0 )。因此操作要控制D小于DC在一帶循環(huán)的CSTR中進(jìn)

8、行下述細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程第5章1. 溶氧法的優(yōu)點(diǎn)是只需測(cè)定溶氧濃度 CL 隨時(shí)間變化曲線，非常方便地求出kLa.2. 簡(jiǎn)述影響（體積傳質(zhì)系數(shù)）kLa的因素：物系的性質(zhì)（粘度，擴(kuò)散系數(shù)，表面張力）；操作條件（溫度，壓力，通氣量，攪拌轉(zhuǎn)數(shù)）；反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，攪拌器結(jié)構(gòu)，攪拌方式）。3. 寫(xiě)出三種測(cè)定體積傳質(zhì)系數(shù)的原理，并分析這三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。亞硫酸氧化法，動(dòng)態(tài)法，物料平衡法OTR：動(dòng)態(tài)法測(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)某時(shí)刻停止通氣:OUR：氧氣的消耗速率，OUR=Qo2Cx。qo2為氧氣的比消耗速率，cx為細(xì)胞濃度臨界溶氧濃度：第6章1、停留時(shí)間分布的定量描述有兩種方法，分別是什么？并簡(jiǎn)述其概念和特點(diǎn)

9、。（1）停留時(shí)間分布密度E(t)定義：在同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的N個(gè)流體離子中，其中停留時(shí)間介于t和t+dt之間的流體粒子所占有的分率dN/N定義為E（t）dt,則 E（t）稱(chēng)為停留時(shí)間分布密度 。（2）停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)定義：流過(guò)系統(tǒng)的物料粒子中停留時(shí)間小于t（介于0到t）的物料粒子所占的分?jǐn)?shù)2、停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法是什么？它又可以分為幾種方法？并簡(jiǎn)述之。方法：示蹤應(yīng)答法（脈沖法，階躍法和周期輸入法）脈沖法：在設(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，在一極短的時(shí)間內(nèi)，在系統(tǒng)入口處向流進(jìn)系統(tǒng)的流體加入一定量的示蹤劑，同時(shí)在出口處檢測(cè)流出物料中示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。階躍法：將系統(tǒng)中做穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體切換為流

10、量相同的含有示蹤劑的流體（升階法），或相反（降階法）。3、宏觀流體與微觀流體宏觀流體：微團(tuán)尺度上完全不混 微觀流體：物料系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程和微團(tuán)尺度上完全混合4、停留時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)特征值有那兩個(gè)？并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)特征值：數(shù)學(xué)期望和方差5. 常用的非理想流動(dòng)模型有那些？如何求得模型參數(shù)？槽列模型(多級(jí)CSTR串聯(lián)模型)；軸向擴(kuò)散模型；組合模型6. 多級(jí)串聯(lián)模型參數(shù)N對(duì)于實(shí)際反應(yīng)器，求取N的方法如下。1）實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際反應(yīng)器的F(t)t或E(t)t；）計(jì)算：）計(jì)算計(jì)算:）計(jì)算N：求出N后，即可按N級(jí)串聯(lián)全混流模型對(duì)實(shí)際反應(yīng)器進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。第7章1.動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程同微生物相比的缺點(diǎn)(1)必須用復(fù)雜且成本

11、高的培養(yǎng)基來(lái)培養(yǎng)(2)生長(zhǎng)速率慢，易被微生物污染。(3)代謝產(chǎn)物抑制(4)對(duì)機(jī)械沖擊的抵抗能力差。2. 理想的模型建立通常要考慮哪些方面？（1）要明確建立模型的目的（2）明確地給出建立模型的假定條件（3）希望所含有的參數(shù)，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)逐個(gè)確定（4）模型應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。3生物反應(yīng)器放大的方法有哪些？ 答：理論方法：計(jì)算流體力學(xué)法 半理論半經(jīng)驗(yàn)方法：基礎(chǔ)模型法 因次分析法 縮小-放大法以及機(jī)理分析（時(shí)間 常數(shù)分析法） 經(jīng)驗(yàn)放大法：P/VL，KLa等4. 放大準(zhǔn)則：反應(yīng)器的幾何特征氧的體積傳遞系數(shù)kLa最大剪切力單位液體體積的功率輸入（P/VL）單位反應(yīng)器有效體積的通氣速率(Vg/VR或VVM）通氣表觀線速度us混合時(shí)間tm攪拌雷諾數(shù)ReM動(dòng)量因子5. 生物反應(yīng)器放大的原理和理論基礎(chǔ)