生物反应工程试题5及答案

1、基本概念（8分）返混：酶的固定化技术：能量生长偶联型：有效电子转移：二、写出下列概念的数学表达式（8分）停留时间：稀释率：转化率：Da准数：外扩散效率因子：菌体得率:产物生成比速：曲体得率常数:三、判断题（8分）1、竞争性抑制并不能改变IW促反应的最大反应速率。（）2、Da准数是决定固定化酚外扩散效率的唯一准数，Da准数越大，外扩散效率越高。（）3、流加培养达到拟稳态时，D=U o （）4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。（）5、连续培养微生物X过程屮，污染了杂菌Y,若Ux>Uy，则杂菌Y不能在 系统屮保留。（）图3图4四、图形题（12分）图1为微生物生长动力学1/

2、U1/S曲线，指出曲线I、II屮哪条代表竞 争性抑制，哪条代表无抑制情况。图2为产物的Lueduking and Piret模型，指出曲线I、H、II代表的产物 类型。图2图3图4图3图4曲线I :曲线II：曲线I ：曲线II：曲线III:图3为连续培养的数学模型,请在图屮标出临界稀释率Dg和最人生产强 度下的稀释率Dm。图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？DS图3图4五、简答题（24分）1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么?2、影响固定化酚促反应的主要因素有哪些?3. 举例说明连续培养的应用?4. CSTR> PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型酿反应器的性能。六

3、、计算题（40分）1. 以葡萄糖为限制性基质，在稀释率D = 0.08 （1/h）条件下，连续培养Candida utilise建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率Yx/s®（4分）0.314C6Hi206+0.7502+0.19NH3 CH1.82N0.19O0.47 +0.90C02 +I.18H2O以葡舖糖为唯一碳源，在通风条件卜连续培养Azotobcicter vinelandii,从实 验数据屮求得维持常数m=0.9xl0-3mol/g.h,菌体得率常数YG=54g/inoL求氣 的维持常数及氧对菌体的理论得率Ygoo （6分）3、某种卿以游离酚形式进行酶促反应时所得动力

4、学参数Km=0.06mol/L和 rm=10mol/（Linin）o该酶在某种载体颗粒表面周定化后进行同一酶促反应，所 得动力学参数K, =0.10mol/L和m'=8mol/（Lmin）。求底物浓度为lmol/L时， 该固定化酚的效率因子】。（6分）4、推导底物抑制酶促反应动力学方程。（6分）5初始浓度为O.lmol/m3麦芽糖在酶的作用下水解生成衙萄糖，底物流量 F=O.OO2m3/s,转化率 %=80%,反应符合米氏方程，5=4.0X l（y'mol/（ms）, Km=1.0mol/n?o求采用PFR型酶反应器所需体积。（2）采用单级CSTR型 齣反应器所需体积。（10分

5、）6、流加培养青霉菌屮，为确保比生长速率Fi=0.2h-*,按照指数式流加葡萄糖。 菌体的生长可以用Monod方程表达，卩m=0.30h，Ks=O.Ikg/m流加开始时 培养液体积Vo=O.OO6m菌体浓度为Xo=O.2kg/m菌体得率Yx/s=0-3kg/kgo 求流加培养至20h时反应器内基质浓度和培养液体积，流加开始与20h时的流 加速度。（8分）生物反应工程试卷标准答案（2004年4月）二、基本概念（8分）返混：不同停留时间的物料的混合，称为返混。酶的定化技术：是扌&将水溶性醐分子通过一定的力式如静电吸附、共价键等与载体结介，制成固相酚的技术。能量生长偶联型：当有大量合成菌体材

6、料存在时，微生物生长取决于ATP 的供能，这种生长就是能量生长偶联型。有效电子转移：是指物质在氧化过程屮伴随着能量释放所进行的电子转移。二、写出下列概念的数学表达式（8分）停留时间：T稀释率:D =转化率：X-So-S/SoS - S 或 X - in ou, s初Da准数：Da =G外扩散效率因子：T|out菌体得率：Yx/SdX一-dS产物生成比速：QP_ dP Xdt菌体得率常数:yg = dx(-dS)°二、判断题（8分）1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的垠大反应速率。（V ）2、Da准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一准数，Da准数越大，外扩散效 率越高。（X ）3、流加培养

7、达到拟稳态时，D=U o （ J ）4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。（X ）5、连续培养微生物X过程屮，污染了杂菌Y,若Ux>Uy，则杂菌Y不能在 系统屮保留。（J ）四、图形题（12分）图1为微生物生长动力学1/U-1/S曲线,指出曲线I、II中哪条代表竞 争性抑制，哪条代表无抑制情况。图2为产物的Lueduking and Piret模型，指出曲线I、II、III代表的产物 类型。u图1图2曲线I :竞争性抑制曲线【I：无抑制曲线I :部分生长偶联型曲线II:生长偶联型曲线III:非生长偶联型图3为连续培养的数学模型，请在图屮标出临界稀释率Dg和最大生产强

8、度下的稀释率Dm。图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制件葺质？若S<Scril,此基质为限制性基质五、简答题（24分）1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么?莫诺方程：|1 =心+S米氏方程：r=入丄2心+S描述微生物生长描述酶促反应经验方程理论推导的机理方程方程中各项含义：方程中各项含义：M：生长比速0?)r：反应速率(mol/L. h)Umax：最大生长比速(2)rinax：最大反应速率(mol/L. h)S:单一限制性底物浓度(mol/L)S：底物浓度(mol/L)Ks：半饱和常数(mol/L)米氏常数(mol/L)适用于单一限制性底物、不存在抑制的情况适用于单底物酶促反应不存

9、在抑制的情况2、影响固定化酚促反应的主要因素有哪些？(1) 分子构象的改变。酶固定化过程中，酶和载体的相互作用引起酶的活性屮 心或调节屮心的构彖发生变化，导致酶的活力下降。(2) 位阻效应。指山于载体的遮蔽作用，使酶与底物无法接触。(3) 微扰效应。是指山于载体的亲水性、疏水性及介电常数等，使固定化酶所 处微环境发生变化，导致酶活力的变化。(4) 分配效应。山于载体内外物质分配不等，影响酶促反应速率。(5) 扩散效应。底物、产物及其他效应物受传递速度限制，肖腮的催化活性很 高时，在固定化酶周用形成浓度梯度，造成微环境与宏观环境Z间底物、 产物的浓度产生差别。2. 举例说明连续培养的应用。山于连

10、续培养存在杂菌污染问题、菌种变杲问题、成本问题，使其在生产 屮的应用受到限制，U前主要用于而包酵母的生产、及污水处理。连续培养在 科研领域有着觅要的应用，主要表现在以下儿个方面：(1) 利用恒化器测定微生物反应动力学参数。例如卩m、Ks的测定。(2) 确定最佳培养条件。例如而包酵母生产中最佳葡萄糖浓度的确定。(3) 利用冲出现象进行菌种的筛选。3. CSTR、PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型悔反应器的性能。CSTR代表连续全混流酶反应器。PFR代表连续活塞式酶反应器。CSTR型和PFR型酶反应器的性能比较：1）达到相同转化率兀时，PFR熨酶反应器所需停留时间较短。2）在相同的停留时

11、间达到相同转化率时，CSTR型反应器所需酶量要大 大高于PFR型反应器。因此一般來说，CSTR型反应器的效果比PFR型差， 但是，将多个CSTR型反应器串联吋，可克服这种不利情况。3）与CSTR型酶反应器相比，PFR型酶反应器屮底物浓度较高，而产物 浓度较低，因此，发生底物抑制时，PFR型酶反应器转化率的降低要比CSTR 型剧烈得多；而产物抑制对CSTR型酶反应器影响更显著。六、计算题（40分）1以葡萄糖为限制性基质，在稀释率D = 0.08 （1/h）条件下，连续培养Candida util is,建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率丫林。（4分）0.314C6H! 206+0.7502+

12、0.19NH3 CHL82No.i90（）.47 +0.90C02 +1.18H2OY , AX 12 + 1.82 + 0.19x14 + 0.47x16 0/12x/s -AS 0.314x（6x12 + 12 + 6x16）2. 以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养Azotobacter vinelandii,从实 验数据屮求得维持常数m=0.9xl（y3mol/g.h,菌体得率常数YG=54g/molo求氧 的维持常数m°及氧对菌体的理论得率Ygoo （6分）解:mo=mA=O.9x 10'3x6=5.4x 10'3(mol/gh)1 A6=B = 0.0

13、42 = 6.9x 10"2Ygo島54匕=14.5 (g/mol)3、某种齣以游离酶形式进行誨促反应时所得动力学参数Km=0.06mol/L和 rm=10rnol/(Lmin)o该酶在某种载体颗粒表面固定化后进行同一酶促反应，所 得动力学参数Kn；=0.10mol/L和s'=8mol/(Lmin)。求底物浓度为lmol/L时， 该固定化酚的效率因子。(6分)讣 8x1电=K“,+S = o0 tj_ = 077 几 乍 10x1Km + S 0.06 +14、推导底物抑制酶促反应动力学方程。(6分)机理式:采用快速平衡法:解此方程组，得Ks +Cs +C；/Kss5初始浓度

14、为0.1mol/m5麦芽糖在爾的作用下水解生成葡萄糖，底物流量F=0.002n?/s,转化率 %=80%,反应符介米氏方程，rm=4.0X 10_3mol/(m3.s),Km=1.0mol/m3o求采用PFR型酶反应器所需体积。（2）采用单级CSTR型 酶反应器所需体积。（10分） 解：（1）采用PFR型酶反应器，则有:V讣“10( ) =0.0024.0x10-3x0.1x 0.8-1.0xln(l-0.8) = 0.84(/沪)（2）采用单级CSTR型酶反应器，则有:V5, nX + X/(l-X)= =-rV = SinX +X/(l - X )1 = . 0<0?2 3 X 0.1 x 0.8 +1.0x 0.8/(l - 0.8) = 2.0(3)rm4.0 x l(r6、流加培养青霉菌屮，为确保比生长速率戶0.2，按照指数式流加葡萄糖。 菌体的生长可以用Monod方程表达，卩m=030h", Ks=0.lkg/m流加开始时 培养液体积Vo=O.OO6m菌体浓度为Xo=O.2kg/m菌体得率Yx/s=0.3kg/kgo 求流加培养至20h时反应器内