生物反应工程贾士儒试卷1

生物反应工程考试试卷（2003年6月）班级姓名成绩
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
Ⅰ
Ⅱ
1/r
d
/d
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？
X
DX
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：
C2H5OH+aO2+bNH3 c（CH1。

75N0。

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m=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) 6 13 33 40 64 102 122 153 170 221 210 μ(h-1) 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=0.910-3mol/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ATP 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：f
V
=
τ 呼吸商：22/O CO Q Q RQ =
稀释率：V
F D =
Da 准数： m
m
N r Da =
转化率：0
0S S S t
-=
χ 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。

Ⅰ
Ⅱ
1/r
d
/d
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<S crit ，此基质为限
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？
S
X
DX
答：莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示。

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、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m μ。

流加操作拟定态要求m D μ<。

2)临界比生长速率crit μ，应满足crit D μ>，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+aO 2+bNH 3 c （CH 1。

75N 0。

15O0。

5）+dCO 2+ eH 2O 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：
C2H5OH+2.394O2+0.085NH3 0.564（CH1。

75N0。

15O0。

5）+1.436CO2+ 2.634H2O
菌体得率Y X/S=0.56423.85/46=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
m =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 =
m [1-K S 1/2/(K S +S 0)1/2
]=0.4(1/h)
(DX)m =D m Y X/S (S 0-S)= D m Y X/S [S 0-K S D m /(
m -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) 6
13
33 40
64
102 122 153 170 221 μ(h -1)
0.06 0.12 0.24
0.31 0.43
0.53
0.60
0.66
0.69
0.70
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 S
~
曲线。

050100
1502002503003500
100
200
300
S（mg/L）
S /μ(m g .h /L )
由图中可知：直线截距为C=95,斜率为K=0.93,则
)(08.11
1-==
h K
m μ,L g L mg C K m S /102.0/102===μ
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 /。

解：根据物质能量平衡： m 0=mA=1.410-3
6=8.4
10-3(mol/g .h)
)1
(11GO
G Y B A Y +=，则9.1965042.0665=⨯-=-=
G G GO BY A Y Y (g/mol) =∆-=')(*
S H m m 1.410-32664=3.73(kJ/ g .h) =∆-=')(*000H m m 8.4
10-3
444=3.73(kJ/ g .h)
)/(024.0266465
)
(*
kJ g H Y Y S G G
==∆-=' )/(045.0444
9.19)(*
00kJ g H Y Y G GO
==∆-='。