一． 問答題（20分兩道）
1. 生化工程的發展：
1. 第一代微生物發酵技術－純培養技術建立
人為控制發酵過程，簡單的發酵罐（以厭氧發酵和表面固體發酵為主），生產酵母、酒精、丙酮、丁醇、有機酸、酶製劑等
2． 第二代微生物發酵技術－深層培養技術建立
2023年英國弗萊明發現點青黴可以產生抑制葡萄球菌生長的青黴素
20世紀40年代：青黴素的大量需求－需氧發酵工業化生產
建立了高效通氣攪拌供氧（深層培養）技術、無菌空氣的製備技術及大型生物反應器滅菌技術，促進了生物製品的大規模工業化－進入微生物發酵工業新階段
微生物學，生物化學與化學工程相結合，標誌著生物化學工程（biochemical engineering）的誕生
2. 生化工程的概念：
定義：運用化學工程學原理方法, 將生物技術實驗成果進行工程化、產業化開發的一門學科。實質：研究生物反應過程中的工程技術問題，是微生物學、生物化學與化學工程結合。
3.奠定生化工程學科基礎的兩個關鍵技術
① 通氣攪拌解決了液體深層培養時的供氧問題。
②抗雜菌汙染的純種培養技術：無菌空氣、培養基滅菌、無汙染接種、大型發酵罐的密封與抗汙染設計製造。
4．高溫瞬時滅菌機理：
微生物受熱死亡的活化能δe比營養成分受熱分解的活化能δe』大。δe大，說明反應速率隨溫度變化也大；
當溫度公升高，微生物死亡速度比營養成分分解速度快。故採取高溫瞬時，有利於快速殺滅菌體，而且減少營養的破壞。養分雖因溫度增高破壞也增加，但因滅菌時間大為縮短，總破壞量因之減少。
5. 深層過濾除菌機理：
深層過濾：一定厚度的介質，介質的孔徑一般大於細菌，其主要由於滯留作用截獲微粒，使空氣淨化。
滯留作用機制主要構成為：
1． 慣性碰撞滯留作用：一定質量的顆粒隨氣流運動，若遇到纖維，由於慣性力作用直線前進，最終碰撞到纖維，摩擦、黏附作用被停滯於纖維表面。
2． 阻攔滯留作用：當v< vc 時, 氣流流過纖維，纖維周圍產生滯流層，微小顆粒在滯流層接觸纖維，由於摩擦黏附作用被纖維阻攔滯留的現象。
3． 擴散作用：當v< vc時，微小顆粒在流速緩慢的氣流中發生布朗運動，與介質碰撞而**獲。
6. 為什麼說提高溶氧速率是需氧型發酵的關鍵問題：
28℃下，氧在發酵液中100％的空氣飽和濃度只有0.25 mmol/l左右，比糖的溶解度小7000倍。
在對數生長期，即使發酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若中止供氧，發酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。
7. monod方程
經驗公式：μ＝μm s/ (ks + s) （ μ性質？指出下圖中的k s，μmax,s等代表什麼，圖中反映了什麼關係？）
μ：菌體的生長比速（1/h）； s：限制性基質濃度（g/l）；ks：飽和常數(相當於1/2μm時的限制性基質濃度, g/l ) ；μmax: 最大生長比速（1/h）。
s《 ks時，μ∞s直線關係；s 》ks 時，μ≈μm；ks與μm反映了微生物的特徵：基質；ks反映微生物對基質的親和力：ks小，親和力大。
8. 菌種濃度x、基質濃度s、細胞產率p及稀釋率d的變化關係如圖：（指出dc，dm，dx，關係總結）
1）菌種濃度x與稀釋率d的關係：隨d增加，x逐漸減少，起初不明顯，當d漸接近dc＝μm，x急跌至0，微生物全部洗出。
2）基質濃度s與稀釋率d的關係：s變化與x相反：一般當d<0.8時,s很小；隨d再增大，s急劇上公升，
當d漸接近dc＝μm時，s＝s0。
3)細胞產率p=dx與稀釋率d的關係：隨d的增加p逐步增大，可達最大dx值（dmxm），dm為理論上的最適宜稀釋速率。
4)菌種濃度x、基質濃度s、細胞產率p及稀釋率d的關係:
dc為臨界稀釋速率；dm為理論上的最適宜稀釋速率。
9. 加熱滅菌的原理
● 培養基滅菌要求：達到需要的無菌程度；有效成分受熱破壞程度盡可能低。
● 滅菌工作關鍵：控制加熱溫度（t）和受熱時間(t)
微生物的熱阻：微生物對熱的抵抗力稱為熱阻。
（1）微生物對熱的抵抗能力
● 營養細胞：在60℃加熱10 min 全部死亡；
● 細菌芽孢：能耐較高的溫度，在100℃需幾分鐘或幾小時。
● 嗜熱菌的芽孢：120℃，39 min 或更長時間.
（2）致死溫度：殺死微生物的極限溫度。
（3）致死時間：在致死溫度下，殺死全部微生物所需要的時間。
二． 證明題
1. d =－ln(1/10no/ no) / k=－2.303 lg0.1 / k = 2.303/k
2. td=0.693/u
是連續恆定發酵的前提。（課本p46-48）
4.證明：l90=2.303/k.
穿透率：空氣殘留的顆粒數與空氣中原有顆粒數之比 p= ns/ n0
n0－空氣中原有顆粒數 ns－空氣中殘留的顆粒數
過濾效率：介質捕獲的顆粒數與空氣中原有顆粒數之比η＝(n0-ns)/ n0 ＝1-p
對數穿透定律：－dn/dl=kn積分後得： ln（ns/ n0）＝－k l 也可為： ln p＝－k l
k－過濾常數(cm-1)，與氣流速度v,纖維直徑df，顆粒直徑dp 和纖維填充密度有關； l－濾層厚度（cm ）
2) 過濾層厚度： l＝－ln（ns/ n0）/k
通過計算獲得：1) l90為η（過濾效率）為90％時的濾層厚度
因為 ln（ns/ n0）＝ lnp＝ln（1－ η ） ＝－kl
當過濾效率為90％（穿透率為10 % ）時：k＝ - lnp/l90＝-ln10% /l90＝2.303/ l90
4雙倒數求解思路：
對方程取倒數，可方程變形為：1/μ=1/μm+ (ks/μm) ·1/ s
或：s/μ＝ks/μm＋1/μm·s
可利用倒數**法，求解出μm、ks的值
三． 選擇填空
1. 培養基滅菌方法：加熱滅菌（乾熱滅菌和濕熱滅菌），射線滅菌，化學試劑滅菌，過濾除菌。加熱滅菌工作關鍵：控制加熱溫度（t）和受熱時間(t)
2. 比死亡速率常數k 大小反映微生物受熱死亡的難易程度。與微生物的種類及加熱溫度有關。
3. ◇相同溫度下，k值愈小，加熱時間長，則此微生物愈耐熱。 即：t=1/k *ln(n0/ns)
◇同一種微生物在不同滅菌溫度下，滅菌溫度愈低，k值愈低；溫度愈高，k值愈高。t=1/k *ln(n0/ns)
k是溫度t的函式，故t對k的影響是熱滅菌設計的核心問題之一。
4. 各階段對滅菌的貢獻：公升溫20%；保溫75%；降溫5%。
5. 滅菌標準：以殺死一般耐熱芽孢桿菌為準。
6. 分批滅菌（間歇滅菌）的特點：
適用於：培養基易發泡或黏度大
優點：操作簡便，無需連消的裝置，適於手動操作，適於小規模生產，適於含大量固體物質的培養基滅菌，並減少了雜菌汙染的機會
缺點：公升溫降溫時間長，營養損失多，需進行反覆的加熱和冷卻，能耗高，不適於大規模生產過程的發酵，裝置利用率低。
連續滅菌的特點：
優點：利於自控操作和實現管道化，裝置利用率高，避免反覆加熱和冷卻，提高了熱的利用率，操作條件恆定。
缺點：對裝置要求高，需另加冷卻、加熱裝置，操作比較麻煩，對蒸汽要求高，不適於含大量固體物料的滅菌。
7. 培養基滅菌要求： 達到需要的無菌程度；有效成分受熱破壞程度盡可能低。
8．空氣除菌的方法: ①加熱滅菌 ②靜電吸附 ③介質過濾除菌：
9.過濾介質：棉花：阻力大，易受潮；活性炭：阻力小，但效率為棉花1/3,與棉花混合使用；玻璃纖維；石棉濾板；燒結材料。
10. 絕對過濾：過濾介質孔隙小於微生物而進行的過濾方式。
深層過濾：一定厚度的介質，介質的孔徑一般大於細菌，其主要由於滯留作用截獲微粒，使空氣淨化。
11. 過濾除菌裝置（過濾除菌）：深層纖維介質（棉花、活性炭、玻璃纖維）過濾器：填充物順序：孔板－鐵絲網－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－鐵絲網－孔板
12．空氣除菌的要求：無菌、無塵、無油、無水、有壓力
13. 單個纖維的總捕獲效率η＝η1+η2+η3
14. 當無實驗資料可查，可依據此：過濾常數為k＝η
15. 兩級冷卻、兩級分離、加熱、除菌流程：
兩次冷卻：使水、油形成霧粒
兩級分離：除去水、油霧粒
加熱：降低空氣濕度，
原100％－降至50－60％
過濾除菌
16. 需氧型發酵的關鍵問題：提高溶氧速率，解決氧氣**方法：通氣與攪拌
通氣與攪拌目的：（1） **氧氣，供微生物生長及代謝；（2） 使發酵液均勻混合，促進物質傳遞
17．氧的傳遞過程的主要阻力是液膜阻力1/kl,即氣膜→液膜傳遞的阻力。
18．氧溶解過程的雙膜理論，其基本論點為： 1. 氣相與液相主體間存在兩膜，氣泡一側為
氣膜，液體一側為液膜。氧分子借濃度差擴散透過雙膜；氧氣從氣相到液相主體，
阻力來自兩膜。2. 在氣液介面上，氧濃度平衡，介面上無傳質阻力。
3. 兩膜外的氣、液主體中，氧濃度均勻，無傳質阻力。通過氣膜的傳氧推動力（壓力降）＝氣相平均濃度（氧分壓p）－介面相平均濃度（氧分壓pi），通過液膜的傳氧推動力（濃度降）＝介面相平衡濃度（ci）－液相平均濃度（c）
19.攪拌原理：把大氣泡打成小氣泡增加接觸面積；產生渦流延長氣泡停留時間；使發酵液呈湍流，減少液膜厚度；使菌體分散，增加接觸面和減少液膜厚度。
20. 發酵動力學型別（根據產物形成和菌體生長關係）分為：偶聯型（初級代謝產物）；混合型；非偶聯型（次級代謝產物）
21.連續發酵的前提和假設：
1) 穩定狀態下物料平衡，引數變化為零：dx/dt=0, ds/dt=0, dp/dt=0；
2) 培養基混合均勻，菌體、基質、含氧等均勻一；
3) 微生物無死亡（α比死亡速率＝0）。
22. 稀釋率（dilution rate）d
d (1/h)：單位時間內新進入的培養液體積（f）佔罐內培養液總體積(v)的分數。
穩定態下: dx/dt =0則：μ＝f/ v；d = f/v,故：d＝ μ
d =μ＝f/v，可通過改變f（流加速率）調節μ值：
d<μ, 則dx/dt >0, 微生物濃度將隨時間而增加；
d>μ, 則dx/dt <0, 微生物濃度將隨培養物被洗出（wash out）而減少；
工程測量知識點整理
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