生物反应工程贾士儒试卷2

生物反应工程考试试卷（2004年4月）

班级姓名成绩

一、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：菌体得率常数：

三、判断题(8分)

1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( )

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。( )

3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( )

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过程中，污染了杂菌Y，若μX>μY，则杂菌Y不能在系统中保留。( )

四、图形题（12分）

图1为微生物生长动力学1/μ~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。

图1 图2

曲线Ⅰ：曲线Ⅰ：

曲线Ⅱ：曲线Ⅱ：

曲线Ⅲ：

图3为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率D crit和最大生产强度下的稀释率D m。

图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？

Ⅰ

Ⅱ

1/μ

Ⅰ

Ⅱ

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、影响固定化酶促反应的主要因素有哪些？

X

DX

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型酶反应器的性能。

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 utilis，建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率Y X/S。（4分）0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O

2．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养Azotobacter vinelandii，从实验数据中求得维持常数m=0.9 10-3mol/g.h，菌体得率常数Y G=54g/mol。求氧的维持常数m o及氧对菌体的理论得率Y GO。（6分）

3、某种酶以游离酶形式进行酶促反应时所得动力学参数K m=0.06mol/L和r m=10mol/(L.min)。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K m′=0.10mol/L和r m′=8mol/(L.min)。求底物浓度为1mol/L时，该固定化酶的效率因子η。（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0.1mol/m3麦芽糖在酶的作用下水解生成葡萄糖，底物流量F=0.002m3/s，转化率 =80%，反应符合米氏方程，r m=4.0×10-3mol/(m3.s)，K m=1.0mol/m3。求(1)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）

6、流加培养青霉菌中，为确保比生长速率μ=0.2h-1，按照指数式流加葡萄糖。菌体的生长可以用Monod方程表达，μm=0.30h-1，Ks=0.1kg/m3。流加开始时培养液体积V0=0.006m3，菌体浓度为X0=0.2kg/m3，菌体得率Y X/S=0.3kg/kg。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。

酶的固定化技术：是指将水溶性酶分子通过一定的方式如静电吸附、共价键等与载体结合，制成固相酶的技术。

能量生长偶联型：当有大量合成菌体材料存在时，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中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：f V =

τ 稀释率：V

F

D = 转化率：00S S S t

-=

χ或in out in S S S -=χ Da 准数：m

m N r Da = 外扩散效率因子：o out out r r =

η 菌体得率：dS

dX

Y S X -=/ 产物生成比速：Xdt

dP

Q P = 菌体得率常数：G G dS dX Y )(-=

三、判断题(8分)

1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( √ )

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。( × )

3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ )

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 过程中，污染了杂菌Y ，若μX >μY ，则杂菌Y 不能在系统中保留。( √ )

四、图形题（12分）

图1为微生物生长动力学1/μ~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。

图1

图2

曲线Ⅰ：竞争性抑制曲线Ⅰ：部分生长偶联型

曲线Ⅱ：无抑制曲线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，请在图中标出临界稀释率D crit和最大生产强度下的稀释率D m。

图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？

图3 图4

若S

Ⅱ

1/μ

Ⅰ

Ⅱ

X

DX

S

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：S

K S

S +=

m ax μμ

米氏方程：S

K S

r r m +=m ax

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： μ：生长比速(h -1

)

μmax ：最大生长比速(h -1

) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S :半饱和常数(mol/L)

方程中各项含义：

r ：反应速率(mol/L.h) r max ：最大反应速率(mol/L.h) S ：底物浓度(mol/L) K m ：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在抑制的情况

2、影响固定化酶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中

心或调节中心的构象发生变化，导致酶的活力下降。

(2) 位阻效应。指由于载体的遮蔽作用，使酶与底物无法接触。

(3) 微扰效应。是指由于载体的亲水性、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。由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，当酶的催化活性很

高时，在固定化酶周围形成浓度梯度，造成微环境与宏观环境之间底物、产物的浓度产生差别。

3．举例说明连续培养的应用。

由于连续培养存在杂菌污染问题、菌种变异问题、成本问题，使其在生产

中的应用受到限制，目前主要用于面包酵母的生产、及污水处理。连续培养在科研领域有着重要的应用，主要表现在以下几个方面：

(1) 利用恒化器测定微生物反应动力学参数。例如μm 、Ks 的测定。 (2) 确定最佳培养条件。例如面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。

4．CSTR 、PFR 代表什么含义？比较CSTR 型和PFR 型酶反应器的性能。

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χ时，PFR 型酶反应器所需停留时间较短。 2）在相同的停留时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。因此一般来说，CSTR 型反应器的效果比PFR 型差，但是，将多个CSTR 型反应器串联时，可克服这种不利情况。

3）与CSTR 型酶反应器相比，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，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 utilis ，建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率Y X/S 。（4分） 0.314C 6H 12O 6+0.75O 2+0.19NH 3 CH 1.82N 0.19O 0.47 +0.90CO 2 +1.18H 2O

2．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养Azotobacter vinelandii ，从实验数据中求得维持常数m=0.9?10-3mol/g.h ，菌体得率常数Y G =54g/mol 。求氧的维持常数m o 及氧对菌体的理论得率Y GO 。（6分）

42.0)

16612126(314.016

47.01419.082.112/=?++???+?++=?-?=

S X Y S X

解：m 0=mA=0.9?10-3?6=5.4?10-3(mol/g .h)

( g/mol)

3、某种酶以游离酶形式进行酶促反应时所得动力学参数K m =0.06mol/L 和r m =10mol/(L .min)。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K m ′=0.10mol/L 和r m ′=8mol/(L .min)。求底物浓度为1mol/L 时，该固定化酶的效率因子η 。 （6分）

4、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：

EO

ESS ES E SS

ESS

S

ES S

ES

S

E EO C C C C K C C C K C C C C k r =++===2SS

S S S S

m K C C K C r r 2

++=

77

.01

06.0110110.018=+?+?=++''==S K S r S K S r r r m m m

m o

out η2109.6042.05461-?=-=-=B Y A Y G GO 5.14=∴GO Y

解此方程组，得

5初始浓度为0.1mol/m 3麦芽糖在酶的作用下水解生成葡萄糖，底物流量F=0.002m 3/s ，转化率 χ=80%，反应符合米氏方程，r m =4.0×10-3mol/(m 3.s)，K m =1.0mol/m 3。求(1)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：

(2) 采用单级CSTR 型酶反应器，则有：

6、流加培养青霉菌中，为确保比生长速率μ=0.2h -1，按照指数式流加葡萄糖。菌体的生长可以用Monod 方程表达，μm =0.30h -1，Ks=0.1kg/m 3。流加开始时培养液体积V 0=0.006m 3，菌体浓度为X 0=0.2kg/m 3，菌体得率Y X/S =0.3kg/kg 。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)

解：对于指数流加，为保证比生长速率恒定，有：D=μ=0.2 h -1 培养至20h 时：

F

V

r r K S m

m m in ==--τχχ)1ln()

(84.0)]8.01ln(0.18.01.0[100.4002.0)]1ln([33

m K S r F V m in m =-?-???=--=∴-χχF V

r r K S m m m in ==-+τχχχ)1()(0.2])8.01(8.00.18.01.0[10

0.4002.0])1([33

m K S r F V m in m =-?+???=-+=∴-χχχ)/(2.02

.03.02.01.03m kg D D K S m S =-?=-=μ)(32.0006.03202.00m e e V V Dt =?==?

流加开始时：

)/(064.0006.02.03202.00h m e e DV F Dt =??==?)/(0012.0006.02.0300h m DV F =?==