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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)
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