2025年大学《应用化学》专业题库- 应用化学在生化工程中的应用

2025年大学《应用化学》专业题库——应用化学在生化工程中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.酶作为生物催化剂，其活性通常受到温度、pH值和抑制剂等因素的影响，这些因素本质上是通过改变酶的___和___来影响其催化活性的。2.在生物反应器中，搅拌的主要目的是提供反应物和产物，移除___，并维持均匀的___和温度分布。3.应用化学中的___原理是理解酶促反应动力学和微生物生长速率限制的基础。4.固定化酶技术是将自由酶固定化，常用的方法包括吸附法、包埋法、___法和化学交联法。5.分离纯化生物产品时，色谱技术利用了被分离物质在___和___之间分配率的差异。6.选择生物反应器的材料时，必须考虑其___、化学稳定性和对生物相容性的影响。7.对于一个简单的酶促反应A→P，其米氏常数（Km）的物理意义可以理解为酶与___的亲和力指标，Km值越小，亲和力越___。8.在生化工程过程中，反应热效应的精确计算对于___和___的设计至关重要。9.搅拌强度通常用___或___来衡量，它直接影响传质效率。10.应用化学在生化工程中的核心价值之一在于开发高效、选择性的___和生物催化剂。二、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪种方法不属于利用化学原理进行生物产品的分离？（）A.萃取B.离心C.电渗析D.吸附2.当反应底物浓度远大于米氏常数（[S]>>Km）时，酶促反应速率（v）接近其最大速率（Vmax），这体现了酶促反应的什么特征？（）A.稳定性B.高效性C.竞争性抑制D.非竞争性抑制3.在固定化酶或细胞的过程中，以下哪种材料通常不用于物理包埋法？（）A.淀粉B.纤维素C.聚合物凝胶D.载体树脂4.对于放热型生化反应，升高反应温度通常会？（）A.降低反应平衡常数B.提高反应活化能C.必然加快反应速率D.提高反应平衡常数5.在生物反应过程中，限制微生物生长或产物得率的往往是哪个因素？（）A.搅拌功率B.温度C.限制性底物浓度D.反应器体积6.以下哪种技术主要利用了物质在固定相和流动相之间的分配差异来实现分离？（）A.吸附B.萃取C.色谱D.离心7.酶的活性中心通常具有特定的三维结构，这体现了应用化学中哪个原理在生物催化中的体现？（）A.化学计量学B.相似相溶原理C.定位效应D.质量守恒8.设计生物反应器时，选择合适的材料首要考虑的是？（）A.材料的成本B.材料的机械强度C.材料与反应体系的化学相容性D.材料的导热系数9.增加生物反应器中的溶解氧通常可以通过哪些方式实现？（）A.提高搅拌转速B.降低操作压力C.增大液相体积D.以上都是10.应用化学在生物反应器设计中的贡献主要体现在？（）A.提供催化剂B.优化传质过程C.控制反应热D.以上都是三、简答题（每题5分，共20分）1.简述影响酶反应速率的主要因素及其作用机制。2.什么是固定化酶？与使用游离酶相比，固定化酶具有哪些优点？3.简述蒸馏和萃取两种分离方法在分离生物产品时的主要区别和化学原理。4.在设计用于生产某种特定代谢产物的生物反应器时，从应用化学的角度需要考虑哪些关键因素？四、计算题（每题6分，共12分）1.某酶促反应符合米氏方程，已知该酶的最大反应速率Vmax=100μmol/min，米氏常数Km=0.1mM。当底物浓度[S]=0.5mM时，计算该酶促反应的实际反应速率v。2.一个体积为10L的生物反应器中进行某微生物生长实验，初始接种量为0.1g（干重），培养过程中限制性底物消耗了其初始含量的40%。假设微生物生长符合Monod模型，培养5小时后，微生物浓度达到1.2g（干重）。请估算该微生物生长的比增长速率（μ）和底物的半饱和常数（Ks）。（提示：可使用ln形式求解）五、论述题（10分）结合具体的实例，论述应用化学原理在提高生物反应器中目标产物得率和选择性的重要性。试卷答案一、填空题1.主动位点构象；微环境2.氧气；混合效率3.动力学4.化学键合5.固定相；流动相6.物理化学性质7.底物；高8.反应器尺寸；换热9.搅拌桨叶转速；功率消耗10.分离方法二、选择题1.B2.B3.D4.D5.C6.C7.C8.C9.D10.D三、简答题1.解析思路：首要因素是底物浓度，低浓度下速率与底物浓度成正比（零级反应），高浓度下速率趋于最大速率Vmax（一级反应）。其次是pH值，酶有最优pH范围，偏离最优pH会降低酶的解离状态，影响活性中心。温度同样重要，低温酶活性低，高温可能导致酶变性失活，存在最优温度。此外，酶浓度越高，速率越快。抑制剂的存在也会显著降低酶促速率，分为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制。2.解析思路：固定化酶是指将酶分子或细胞固定在特定载体上，使其具有可重复使用、易于回收分离、稳定性提高等优点。优点包括：1）可重复使用，降低成本；2）便于产物分离纯化，减少产物污染；3）改善酶的性质，如提高稳定性、耐温耐酸碱性；4）易于实现反应器化、连续化生产。3.解析思路：蒸馏利用物质挥发度的差异进行分离，基于沸点不同，通过加热气化、冷凝实现分离，适用于挥发性成分与不挥发组分或沸点差异较大的组分分离。萃取利用物质在两种互不相溶或部分相溶溶剂中分配系数的差异进行分离，基于溶解度不同，通过混合、接触、分离实现，适用于溶解度差异较大的组分分离。蒸馏是物理过程，萃取可物理也可化学（若发生反应）。4.解析思路：需考虑：1）化学反应动力学：了解目标反应的速率、影响因素（温度、pH、酶学参数等）、平衡常数，选择合适的催化剂；2）热力学：评估反应能量变化，设计有效的加热或冷却系统；3）传质过程：确保反应物高效传递到反应界面，产物顺利移出，优化搅拌或通气设计；4）反应器材料：选择与反应物、产物、微生物兼容，耐化学腐蚀、耐温的材料；5）过程控制：设计参数（温度、pH、溶氧、底物浓度）的监测与控制系统。四、计算题1.解析思路：使用米氏方程的简化形式v=(Vmax*[S])/(Km+[S])。将Vmax=100,Km=0.1,[S]=0.5代入计算。v=(100*0.5)/(0.1+0.5)=50/0.6≈83.33μmol/min2.解析思路：首先确定初始条件。设初始底物浓度为[S]0，初始微生物量为X0=0.1g，反应器体积V=10L。底物消耗40%，则剩余60%，[S]=0.6[S]0。5小时后，微生物量X=1.2g。根据Monod方程dX/dt=μX*([S]0-[S])/Ks，积分得ln(X/X0)=μt*([S]0-[S])/Ks将X=1.2,X0=0.1,t=5,[S]=0.6[S]0,[S]0-[S]=0.4[S]0代入：ln(1.2/0.1)=μ*5*0.4ln(12)=2μ*[S]0解出[S]0≈1.44/μ再利用[S]=0.6[S]0，得0.6*[S]0=0.6*(1.44/μ)=0.864/μ代入积分方程：ln(12)=μ*5*(1.44/μ)/Ksln(12)=7.2/KsKs=7.2/ln(12)≈7.2/2.4849≈2.91将Ks代入ln(12)=2μ*[S]0，得ln(12)=2μ*(1.44/(2.91))2.4849=2μ*0.4937μ=2.4849/(2*0.4937)≈2.4849/0.9874≈2.51h⁻¹注意：计算过程中常数和中间值可能因取位不同略有差异，最终结果应保持一致性。此处结果为近似值。五、论述题解析思路：1）引言：点明应用化学是化学原理在生物技术领域的应用，对于优化生化过程至关重要。2）化学原理在反应速率控制中的作用：如通过调节pH、温度、添加化学辅因子或抑制剂来优化酶促反应速率或控制微生物生长速率，从而提高产物得率。3）化学原理在传质效率提升中的作用：如根据反应动力学需求设计搅拌强度和方式，提高底物传质和产物移除效率，避免抑制效应，保证反应向目标方向进行。4）化学原理在分离纯化优化中的作用：如选择合适的化学溶剂进行萃取，设计高效的色谱固定相和洗脱条件，利用蒸馏原理分离溶剂或小分子杂质，这些都能显著提高目标产物的纯度和最终得率。5）化学