生物反应工程原理
有效电子转移：物质的氧化总伴随着电子的转移。在氧化过程中，每分子氧可以接受 4 个
电子。我们把物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移称为“有效电子转移”。
呼吸商：呼吸商 RQ 表示在发酵过程中由于微生物代谢等产生的 CO2 ，排出速度与发酵
过程 0，的摄入速率的比值，即 RQ=Qco2 / Qo2 ，反应了微生物的代谢途径和产物积累
情况，有重要参考指导意义。
混合时间 tM：经过搅拌时物料达到规定均匀程度所需的时间。在粉粒体的混合中，各成
分的颗粒已相互充分混合，混合作用和分离作用达到了动平衡，成为统计的混合状态。如
继续进行混合操作，混合状态已经不变化，这样所需要的混合时间叫混合时间。
活塞流反应器：反应器内完全不存在物料粒子之间的返混的流体形式。物料从反应器进口
处加入，在装置内部像活塞那样平推移动流向出口。在其横截面上液体流动速率完全相同，
而在流动方向上无返混现象，沿流动方向底物及产物的浓度是逐漸变化的，但同一横切面
上浓度一致。当反应器内流体流动形式是活塞流，称为活塞流反应器。
1、何为生化工程，生化过程地研究内容有哪些？
是生物反应过程的一个部分，主要围绕生物反应器进行研究研究，生物反应过程中，有关
反应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器中给生物反应提
供一个最佳的反应环境。研究内容包括四个部分：①原材料的预处理②生物催化剂的制备
③生化反应器及反应条件的选择与监控④产物的分离纯化。
2、发酵产物动力学分哪几种，动力学方程各是什么，举例说明。
（1）偶联型(相关型)在该模式中产物形成速度与生长速度的关系可表示为 dP/dt=α
(dX/dt)=αμX， P---------产物浓度 g/L α-------产物相对于细胞的生成速度 g 产物/g
细胞，即 YP/X
（2）非偶联型(非相关型)dP/dt=βX β----------非生长关联的产物形成常数(g 产物/g 细
胞.h)
（3）混合型(部分相关型)dP/dt=αμX+βX
3、发酵罐中最常用的机械搅拌桨是哪几种？各有什么特点
（1）振动混合器。尽管可以提供较高的氧传递效率，但剪切力较低。
（2）工业多采用的是平叶涡轮搅拌桨。国内采用的大多数是六平叶式，其各部分尺寸比
例已规范化。这种搅拌桨具有很大的循环液体输送量，功率消耗大。因此特别适用于丝状
菌发酵。
（3）船用螺旋搅拌器。它具有比涡轮桨更为强烈的轴向流动，但是氧传递效率低。
（4）多棒拌和桨。已用于粘稠的丝状链霉菌发酵的发酵罐中。这种拌和桨具有较好的剪
切涣散才能和较低的功率消耗，在整个发酵过程中功率改变相对涡轮桨要小的多。
（5）气体导入式拌和器。是由一个空心的拌和桨组成，安装在空心的拌和轴上。拌和桨
上至少有一个暴露在液体中的开口。由于拌和桨滚动，开口处的压力随之减少，使导入的
气体沿着拌和轴向下流动。它适应于低粘度的发酵液。
4、简述反应器搅拌功率和搅拌转数放大时所要遵循基本原则和校正原则。
（1）基本原则： ①以单位体积培养液所消耗的功率相同原则放大。
②以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大。
③以气液接触中体积传质系数 KL 相等的原则放大。
（2）校正原则： ①以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大原则或者校正原则。
②以恒定混合时间作为放大或者校正基准。
5、论述动植物细胞培养和微生物培养有哪些区别。
（1）动物细胞没有细胞壁，大多数哺乳动物细胞需要附壁（固体或半固体）生长。
（2）对培养基的营养要求相当苛刻，要求含有多种氨基酸、维生素、无机盐、血清等物
料。
（3）对培养环境十分敏感，对温度、pH、溶氧浓度等条件都比微生物培养要严格得多。
（4）动物细胞对流体剪切力十分敏感，强烈的机械与通气鼓泡所引起的过大剪切力都会
损伤细胞，使细胞破裂。植物细胞虽然有细胞壁，但对流体剪切力的耐受程度也要比微生
物差：
（5）由于动植物细胞的生长要比微生物缓慢得多，一般只有在高细胞密度下，才能得到
一定浓度的产物。
（6）生长慢，又非常容易染菌，因此需要严格的无菌防范措施。
6、提高体积溶氧系数和溶氧速率的方法有哪些？
（1）增加搅拌器转速 N，以提高 Pg，可以有效的提高 KLa。
（2）加大通气量 Q，以提高 Vs。在低通气量时，提高 Q 可以显著增大 kLa。但当通气量
已经很高时，进一步提高 Q , Pg 也将随之剧烈降低，其综合效果将不会使 kLa 增加，甚至
可能下降。只有在增大 Q 的同时也相应提高 N，使 Pg 不致过分降低的情况下，才能最有
效地提高 kLa。
（3）为提高 Nv，除了提高 kLa 之外，提高 C＊也是可行的方法之一。在空气中通入纯氧，
或在可能时提高罐内操作压力，均可使 C＊增高，从而提高了氧的传递推动力。
（4）高径比调节。增加高径比 H / D，另一方面液相中的平均压力增高，传质推动力（ C
*- C ）增大，从而提高溶氧速率；另一方面在通风比 Q / V 一定的情况下，高径比大，反
应器截面积小，空截面上的空气线速度 Vs 将增大，从而提高溶氧速率。增加 H / D 还有
利于降低单位溶解氧功耗即提高传氧效率。
（5）丝状真菌的繁殖导致发酵液粘度的急剧上升和 kLa 的急剧下降。过分地提高
转速及通气速率可能导致菌丝体的机械破坏及液泛。在这种情况下可重复地放出一部分发
酵液，补充新鲜灭菌的等体积培养基，这样可以使 kLa 大幅度回升。
（6）向发酵液中加少量的水不溶另一液相，氧在这一液相中具有比在水中高得多的溶解
度，如正十二烷，氧在其中的溶解度为 35℃,105Pa 压力时为 54.9mg/ L ,故这类液体称为
氧载体。
（7）传氧效率单位溶解氧功耗 kLa 值的大小是评价生化反应器的重要指标，但不是唯一
指标。一个性能良好的反应器不仅应具有较高的溶氧系数 kLa 值，而且其能量消耗是最低
的。作为评价通气生化反应器的另一个重要指标是单位溶解氧功耗，即溶解 1kg 或 lkmolO2
所需要的功率，它反映该反应器传氧效率的高低。
7、稳态法推导米氏方程
8、酶和细胞的固定化有哪些方法，分别有哪些方法
(1）载体结合法：将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶性载体
上的一种固定化方法。
水不溶性载体：纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等。
（2）交联法：利用双功能试剂的作用，在酶分子之间发生交联、凝聚成网状结构，构成
固定化酶（细胞）。
（3）包埋法：将酶包埋在微细网格或半透性的聚合膜中，使酶分子不能从凝胶的网格中
漏出，而小分子的底物和产物可自由通过凝胶网格。
包埋法使用的载作主要有聚丙烯酰胺、卡拉胶、琼脂糖和海藻酸钠等。
9、以 P0/V 相等为准则的比拟放大步骤
10、微生物间歇培养过程各阶段的比生长速率如何变化？
A ：迟缓期：μ=0。
B ：加速生长期：μ增加，μ2 大于 u 。
C ：对数生长期：μ达到最大值，为常数。
D ：减速生长期：μ减小，W2 小于 u 。
E ：平衡期：μ=0。
11、简述动物细胞培养的特点。
（1）细胞的贴壁依赖性
来自动物实体组织的大多数细胞是贴壁依赖性的。必须贴附在合适的固体介质上并铺开，
才能开始生长。
（2）动物细胞培养对培养基要求严格往往需要多种氨基酸、维生素、辅酶、核酸、嘌呤、
嘧啶、激素和生长因子等，其中很多成分系用血清、胚胎浸出液等提供，在很多情况下还
需加入 10％的胎牛或新生牛血清。
（3）动物细胞培养的另一个突出特点，是对环境条件要求严格。
12、简述溶氧双膜理论的内容。
气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液
体一侧存在着一层液膜：气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以浓度差
方式透过双膜：气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，
氧分压相等；液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压
相等。在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系氧传递过程处于稳定
状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。
13、两个计算题：
