生物反應工程考試試卷標準答案

1、生物反應工程考試試卷標準答案一、 名詞解釋(10分)流加式操作：先將一定量基質(zhì)加入反應器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應器中，反應開始，反應過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入反應器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)濃度保持一定，當反應終止時取出反應物料的操作方式。能量生長偶聯(lián)型：當有大量合成菌體材料存在時，微生物生長取決于ATP的供能，這種生長就是能量生長偶聯(lián)型。返混：不同停留時間的物料的混合，稱為返混。攪拌器軸功率：攪拌器輸入攪拌液體的功率是指攪拌器以既定的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時，用以克服介質(zhì)的阻力所需用的功率，簡稱軸功率。它不包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機的軸功率。酶的固定化技術(shù)：是指將

2、水溶性酶分子通過一定的方式如靜電吸附、共價鍵等與載體結(jié)合，制成固相酶的技術(shù)。二、 請列出下列物理量的數(shù)學表達式 (10分)停留時間：呼吸商：稀釋率：Da準數(shù)： 轉(zhuǎn)化率：三、 判斷題(10分)1、單罐連續(xù)培養(yǎng)穩(wěn)態(tài)下，D=。( ) 2、流加培養(yǎng)達到擬穩(wěn)態(tài)時，D=。( )3、單罐連續(xù)培養(yǎng)，在洗出稀釋率下，穩(wěn)態(tài)時罐內(nèi)底物濃度為零。( )4、Da準數(shù)是決定固定化酶外擴散效率的唯一參數(shù)，Da準數(shù)越大，外擴散效率越高。( )5酶經(jīng)固定化后，穩(wěn)定性增加，活性增大。( )四、圖形題（15分）圖1為酶促反應1/r1/S曲線，指出曲線、中哪條代表競爭性抑制，哪條代表無抑制情況。圖2為流體的流變學曲線，試說出每條曲線

3、所代表的流體類型。sdw /dg123441/r1/S 圖1 圖2曲線1：賓漢流體曲線2：脹塑性流體曲線3：牛頓型流體曲線4：擬塑性流體曲線：競爭性抑制曲線：無抑制圖3為連續(xù)培養(yǎng)的數(shù)學模型，請在圖中標出臨界稀釋率Dcrit和最大生產(chǎn)強度下的稀釋率Dm。圖4為微生物生長模型，請圖示說明如何判斷限制性基質(zhì)？Sm0.5mKSScritXDXX ，DXDcritDm 圖3 圖4 Scrit如圖所示。若SScrit，此基質(zhì)為限制性基質(zhì)五、簡答題 （25分）1、莫諾方程與米氏方程的區(qū)別是什么？答：莫諾方程與米氏方程的區(qū)別如下表所示。莫諾方程：米氏方程：描述微生物生長描述酶促反應經(jīng)驗方程理論推導的機理方程方

4、程中各項含義：生長比速(h-1)max：最大生長比速(h-1)S: 單一限制性底物濃度(mol/L)KS:半飽和常數(shù)(mol/L)方程中各項含義：r：反應速率(mol/L.h)rmax：最大反應速率(mol/L.h)S：底物濃度(mol/L)Km：米氏常數(shù)(mol/L)適用于單一限制性底物、不存在抑制的情況適用于單底物酶促反應不存在抑制的情況2、CSTR、PFR代表什么含義？比較CSTR型和PFR型酶反應器的性能。答：CSTR代表連續(xù)全混流酶反應器。PFR代表連續(xù)活塞式酶反應器。CSTR型和PFR型酶反應器的性能比較：1）達到相同轉(zhuǎn)化率時，PFR型酶反應器所需停留時間較短。2）在相同的停留時間

5、達到相同轉(zhuǎn)化率時，CSTR型反應器所需酶量要大大高于PFR型反應器。因此一般來說，CSTR型反應器的效果比PFR型差，但是，將多個CSTR型反應器串聯(lián)時，可克服這種不利情況。3）與CSTR型酶反應器相比，PFR型酶反應器中底物濃度較高，而產(chǎn)物濃度較低，因此，發(fā)生底物抑制時，PFR型酶反應器轉(zhuǎn)化率的降低要比CSTR型劇烈得多；而產(chǎn)物抑制對CSTR型酶反應器影響更顯著。3、何謂恒化器，何謂恒濁器，二者有何區(qū)別？答：恒化器、恒濁器指的是兩種控制方法。恒化器是通過控制流量而達到相應的菌體濃度。恒濁器則是通過監(jiān)測菌體密度來反饋調(diào)節(jié)流量。前者通過計量泵、溢流管來保證恒定的流量；后者通過光電池監(jiān)測細胞密度，

6、以反饋調(diào)節(jié)流量來保證細胞密度的恒定。恒化器便于控制，其應用更為廣泛。4、影響kLa的因素有哪些，如何提高kLa或Nv？答：影響kLa的因素有：設(shè)備參數(shù)如設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、攪拌器直徑； 操作參數(shù)如攪拌轉(zhuǎn)速、通風量； 發(fā)酵液性質(zhì)，如流變學性質(zhì)。 提高kLa或Nv的措施有： 提高轉(zhuǎn)速N，以提高Pg，從而提高kLa。 增大通風量Q。當Q不大時，增大Q可明顯提高kLa；但當Q已較大時，繼續(xù)提高Q，將降低Pg，其綜合效果不會明顯提高kLa，甚至可能降低，因此有些調(diào)節(jié)措施是將提高轉(zhuǎn)速N和增大通風量Q二者結(jié)合。 為了提高NV，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。通入純氧或在可行的條件下提高罐內(nèi)操作壓力

7、，均可提高C*。 絲狀菌的生長導致發(fā)酵液粘度的急劇上升和kLa的急劇下降。過分提高轉(zhuǎn)速和通氣量可能導致菌絲體的機械破壞和液泛。在此情況下可重復地放出一部分發(fā)酵液，補充新鮮滅菌的等體積培養(yǎng)基，這樣可使kLa大幅度回升。 向發(fā)酵液中添加少量氧載體，可提高kLa。 5、如何進行流加培養(yǎng)的控制、優(yōu)化？ 答：流加培養(yǎng)的控制方法有反饋控制和無反饋控制，前者又包括直接反饋控制和間接反饋控制。 流加培養(yǎng)優(yōu)化是指控制適當?shù)南♂屄驶蚓w生長比速，是生產(chǎn)強度和得率盡可能最大。大量的菌體時產(chǎn)生產(chǎn)物的前提，因此在菌體生長階段，應控制較高的生長比速，使菌體量快速增長。進入產(chǎn)物生成階段后，應控制較低的菌體生長比速，以減少基

8、質(zhì)的消耗，并保證“壯齡”細胞在細胞群體中占絕大多數(shù)。進行流加培養(yǎng)優(yōu)化時，還應考慮以下邊界條件：1)最大比生長速率。流加操作擬定態(tài)要求。2)臨界比生長速率，應滿足，保證“壯齡”細胞在細胞群體中占絕大多數(shù)。3)發(fā)酵罐最大允許細胞濃度。4)細胞對底物的耐受力。六、計算題（30分）1、乙醇為基質(zhì)，通風培養(yǎng)酵母，呼吸商RQ=0.6。反應方程為：C2H5OH+aO2+bNH3 c（CH1。75N0。15O0。5）+dCO2+ eH2O求各系數(shù)a、b、c、d及菌體得率YX/S。 解：根據(jù)元素平衡式有： C： 2 = c + d (1) H: 6+3b=1.75c+2e (2) O: 1+2a=0.5c+2d

9、+e (3) N: b=0.15c (4) 已知RQ=0.6，即d=0.6a (5) 以上5式聯(lián)立求解，得 a=2.394 b=0.085 c=0.564 d=1.436 e=2.634 因此反應式為： C2H5OH+2.394O2+0.085NH3 0.564（CH1。75N0。15O0。5）+1.436CO2+ 2.634H2O 菌體得率YX/S=0.56423.85/46=0.292、推導非競爭性抑制酶促反應動力學方程。3某微生物的生長可用Monod方程來描述，并且mm=0.5/h，KS=2g/L。連續(xù)培養(yǎng)中，流加基質(zhì)濃度So=48g/L，YX/S=0.45g/g，在穩(wěn)定狀態(tài)下，菌體的最

10、大生產(chǎn)強度為多少？解：Dm=mm1-KS1/2/(KS+S0)1/2=0.4(1/h) (DX)m=DmYX/S(S0-S)= DmYX/SS0-KSDm/(mm-Dm)=7.2(g/L.h) 因此在穩(wěn)定狀態(tài)下菌體的最大生產(chǎn)強度為7.2g/L.h4、在一定的培養(yǎng)條件下培養(yǎng)大腸桿菌，測得實驗數(shù)據(jù)如下表所示。求該條件下,大腸桿菌的最大比生長速率m和半飽和常數(shù)KS。解：計算S/，列入數(shù)據(jù)表。S(mg/L)613334064102122153170221210(h-1)0.060.120.240.310.430.530.600.660.690.700.73S/(mg.h/L)100108.3137.5129148.8192.5203.3231.8246.4315.7287.7繪制曲線。由圖中可知：直線截距為C=95,斜率為K=0.93,則,5以葡萄糖為唯一碳源，在通風條件下連續(xù)培養(yǎng)Azotobacter vinelandii，從實驗數(shù)據(jù)中求出碳源維持常數(shù)m=0.910-3mol/g.h，碳源對菌體的理論得率YG=54g/mol，氧的維持常數(shù)mo=5.4