生物反应工程试题4及答案

一、名词解释(10分)

流加式操作：

能量生长非偶联型： 返混： 搅拌器轴功率：

固定化酶：

二、请列出下列物理量的数学表达式 (10分)

停留时间： 呼吸商： 稀释率： Da 准数： 转化率： 三、判断题(10分)

1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( )

3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。( ) 4、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da 准数越大，外扩散效率越高。( )

5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( )

四、图形题（15分）

图1为酶促反应1/r~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为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。

图1 图2

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

五、简答题 （25分）

1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？

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

3、何谓恒化器，何谓恒浊器，二者有何区别？

4、影响k L a 的因素有哪些，如何提高k L a 或N v ？

5、如何进行流加培养的控制、优化？

六、计算题（30分）

1、乙醇为基质，通风培养酵母，呼吸商RQ=0.6。反应方程为： C 2H 5OH+aO2+bNH3 c （CH 1。75N 0。15O0。5）+dCO2+ eH2O 求各系数a 、b 、c 、d 及菌体得率Y X/S。

2、推导非竞争性抑制酶促反应动力学方程。

3．某微生物的生长可用Monod 方程来描述，并且µm =0.5/h，K S =2g/L。连续培养中，流加基质浓度S o =48g/L，Y X/S=0.45g/g，在稳定状态下，菌体的最大生产强度为多少？

4、在一定的培养条件下培养大肠杆菌，测得实验数据如下表所示。求该条件下, 大肠杆菌的最大比生长速率μm 和半饱和常数K S 。

S(mg/L) μ(h-1)

6

13

33

40

64

102

122

153

170

221

210

0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 0.53 0.60 0.66 0.69 0.70 0.73

5．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养Azotobacter vinelandii ，从实验数据中求出碳源维持常数m=0.9×10-3mol/g.h，碳源对菌体的理论得率Y G =54g/mol，氧的维持常数m o =5.4×10-3mol/g.h，氧对菌体的理论得率Y GO =14.5g/mol。计算与能量衡算相应的维持常数m /、m o /，Y G /、Y GO /。

生物反应工程考试试卷标准答案

四、名词解释(10分)

流加式操作：先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。

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A TP 的供能，这种生长就是能量生长偶联型。 返混：不同停留时间的物料的混合，称为返混。

搅拌器轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质的阻力所需用的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率。 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。 五、请列出下列物理量的数学表达式 (10分)

停留时间：τ=

V f

呼吸商：RQ =Q CO 2/Q O 2 稀释率：D =

F V

r m

N m

Da 准数： Da =

转化率：χ=

S 0−S t

S 0

六、判断题(10分)

1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( √ ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ )

3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。( × ) 4、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da 准数越大，外扩

散效率越高。( × )

5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( × )

四、图形题（15分）

图1为酶促反应1/r~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为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。

图1 图2

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 4

S crit 如图所示。

若S

制性基质

五、简答题 （25分）

1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？

答：莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示。

莫诺方程：µ=

µmax S

K S +S

米氏方程：r =描述酶促反应

r max S

K m +S

描述微生物生长 经验方程 方程中各项含义：

理论推导的机理方程 方程中各项含义：

μ：生长比速(h)

-1

-1

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)

μmax ：最大生长比速(h ) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S :半饱和常数(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、CSTR 、PFR 代表什么含义？比较CSTR 型和PFR 型酶反应器的性能。

答：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。

3、何谓恒化器，何谓恒浊器，二者有何区别？

答：恒化器、恒浊器指的是两种控制方法。恒化器是通过控制流量而达到相应的菌体浓度。恒浊器则是通过监测菌体密度来反馈调节流量。前者通过计量泵、溢流管来保证恒定的流量；后者通过光电池监测细胞密度，以反馈调节流量来保证细胞密度的恒定。恒化器便于控制，其应用更为广泛。

4、影响k L a 的因素有哪些，如何提高k L a 或N v ？

答：影响k L a 的因素有：

①设备参数如设备结构尺寸、搅拌器直径； ②操作参数如搅拌转速、通风量； ③发酵液性质，如流变学性质。 提高k L a 或N v 的措施有：

① 提高转速N ，以提高P g ，从而提高k L a 。

② 增大通风量Q 。当Q 不大时，增大Q 可明显提高k L a ；但当Q

已较大时，继续提高Q ，将降低P g ，其综合效果不会明显提高k L a ，甚至可能降低，因此有些调节措施是将提高转速N 和增大通风量Q 二者结合。

③ 为了提高N V ，除了提高k L a 之外，提高C *也是可行的方法之一。

通入纯氧或在可行的条件下提高罐内操作压力，均可提高C *。

④ 丝状菌的生长导致发酵液粘度的急剧上升和k L a 的急剧下降。

过分提高转速和通气量可能导致菌丝体的机械破坏和液泛。在此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，这样可使k L a 大幅度回升。

⑤ 向发酵液中添加少量氧载体，可提高k L a 。

5、如何进行流加培养的控制、优化？

答：流加培养的控制方法有反馈控制和无反馈控制，前者又包括直接反馈控制和间接反馈控制。

流加培养优化是指控制适当的稀释率或菌体生长比速，是生产强度和得率尽可能最大。大量的菌体时产生产物的前提，因此在菌体生长阶段，应控制较高的生长比速，使菌体量快速增长。进入产物生成阶段后，应控制

较低的菌体生长比速，以减少基质的消耗，并保证“壮龄”细胞在细胞群体中占绝大多数。进行流加培养优化时，还应考虑以下边界条件： 1) 最大比生长速率µm 。流加操作拟定态要求D

2) 临界比生长速率µcrit ，应满足D >µcrit ，保证“壮龄”细胞在细胞群体中占绝大多数。

3) 发酵罐最大允许细胞浓度。 4) 细胞对底物的耐受力。

六、计算题（30分）

1、乙醇为基质，通风培养酵母，呼吸商RQ=0.6。反应方程为： C 2H 5OH+aO2+bNH3 c （CH 1。75N 0。15O0。5）+dCO2+ eH2O 求各系数a 、b 、c 、d 及菌体得率Y X/S。 解：根据元素平衡式有：

C ： 2 = c + d (1) H: 6+3b=1.75c+2e (2) O: 1+2a=0.5c+2d+e (3) N: b=0.15c (4) 已知RQ=0.6，即d=0.6a (5) 以上5式联立求解，得 a=2.394 b=0.085 c=0.564 d=1.436

e=2.634 因此反应式为：

C 2H 5OH+2.394O2+0.085NH3 （CH 1。75N 0。15O0。+1.436CO2+ 5）2.634H 2O

菌体得率Y X/S=0.564×23.85/46=0.29

2、推导非竞争性抑制酶促反应动力学方程。

3．某微生物的生长可用Monod 方程来描述，并且µm =0.5/h，K S =2g/L。连续培养中，流加基质浓度S o =48g/L，Y X/S=0.45g/g，在稳定状态下，菌体的最大生产强度为多少？

解：D m =µm [1-KS 1/2/(KS +S0) 1/2]=0.4(1/h)

(DX)m =Dm Y X/S(S0-S)= Dm Y X/S[S0-K S D m /(µm -D m )]=7.2(g/L.h) 因此在稳定状态下菌体的最大生产强度为7.2g/L.h

4、在一定的培养条件下培养大肠杆菌，测得实验数据如下表所示。求该

条件下, 大肠杆菌的最大比生长速率μm 和半饱和常数K S 。 解：计算S/μ，列入数据表。

S(mg/L) μ(h-1)

6

13

33 0.24

40

64

102 0.53

122 0.60

153 0.66

170 0.69

2210.70

0.06 0.12 0.31 0.43

S/μ(mg.h/L) 100 108.3 137.5 129 148.8 192.5 203.3 231.8 246.4 315.7

绘制

S /μ(m g . h /L )

S

~S 曲线。 µ

[***********]

5000

100

200

300

S （mg/L）

由图中可知：直线截距为C=95, 斜率为K=0.93,则 µm =

5．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养Azotobacter vinelandii

，

1

=1. 08(h −1) , K S =C µm =102mg /L =0. 102g /L K

从实验数据中求出碳源维持常数m=0.9×10-3mol/g.h，碳源对菌体的理论得率Y G =54g/mol，氧的维持常数m o =5.4×10-3mol/g.h，氧对菌体的理论得率Y GO =14.5g/mol。计算与能量衡算相应的维持常数m /、m o /，Y G /、Y GO /。

解：根据物质能量平衡：

m 0=mA=1.4×10-3×6=8.4×10-3(mol/g. h)

Y G 11165=(B +，则Y GO ===19. 9(g/mol) Y G A Y GO A −BY G 6−0. 042×65

*m ′=m (−∆H S ) =1.4×10-3×2664=3.73(kJ/ g. h) *′=m 0(−∆H 0m 0) =8.4×10-3×444=3.73(kJ/ g. h)

′=Y G

Y G 65

==0. 024(g /kJ ) *

(−∆H S ) 2664

Y G 019. 9

==0. 045(g /kJ ) *

(−∆H 0) 444

′=Y GO