生物反应工程试题4及答案

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4、影响 kLa 的因素有哪些,如何提高 kLa 或 Nv?
答:影响 kLa 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 kLa 或 Nv 的措施有: ① 提高转速 N,以提高 Pg,从而提高 kLa。 ② 增大通风量 Q。当 Q 不大时,增大 Q 可明显提高 kLa;但当 Q 已较大时,继续提高 Q,将降低 Pg,其综合效果不会明显提高 kLa,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 NV,除了提高 kLa 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 kLa 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 kLa 大幅度回升。 ⑤ 向发酵液中添加少量氧载体,可提高 kLa。
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
曲线Ⅰ: 曲线Ⅱ:
曲线 1: 曲线 2: 曲线 3: 曲线 4:
图 3 为连续培养的数学模型,请在图中标出临界稀释率 Dcrit 和最大生 产强度下的稀释率 Dm。图 4 为微生物生长模型,请图示说明如何判断限制 性基质?
μ
X
X ,DX
DX
图3
图4wk.baidu.com
五、简答题 (25 分) 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么?
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 < µm 。
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。
dω /dγ 图2
曲线 1:宾汉流体 曲线 2:胀塑性流体 曲线 3:牛顿型流体 曲线 4:拟塑性流体
图 3 为连续培养的数学模型,请在图中标出临界稀释率 Dcrit 和最大生 产强度下的稀释率 Dm。图 4 为微生物生长模型,请图示说明如何判断限制 性基质?
μ
X
μm
X ,DX
DX
0.5μm
图 3 Dcrit
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 kLa 的因素有哪些,如何提高 kLa 或 Nv? 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:
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。
1/r

σ

1
2 3
4
1/S
图1
dω /dγ 图2
2.634H2O 菌体得率 YX/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,KS=2g/L。连 续培养中,流加基质浓度 So=48g/L,YX/S=0.45g/g,在稳定状态下,菌体的 最大生产强度为多少?
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
Dm
制性基质
KS图 4
Scrit
S
Scrit 如图所示。
若 S<Scrit,此基质为限
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 KS + S
描述微生物生长
米氏方程: r = rmax S Km + S
描述酶促反应
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。
1/r


σ
1
2 3
4
1/S
图1
曲线Ⅰ:竞争性抑制 曲线Ⅱ:无抑制
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。
解:Dm=µm[1-KS1/2/(KS+S0)1/2]=0.4(1/h) (DX)m=DmYX/S(S0-S)= DmYX/S[S0-KSDm/(µm-Dm)]=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 KS。 解:计算 S/μ,列入数据表。
经验方程
理论推导的机理方程
方程中各项含义:
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) KS:半饱和常数(mol/L)
r:反应速率(mol/L.h) rmax:最大反应速率(mol/L.h) S:底物浓度(mol/L) Km:米氏常数(mol/L)
(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+
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。
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 KS。
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
绘制 S ~ S 曲线。 µ
350
300
S/μ(mg.h/L)
250
200
150
100 y = 0.9338x + 94.729
50
0
0
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
=
1 K
= 1.08(h −1 ) , K S
= Cµm
= 102mg / L
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 = QCO2 / QO2 稀释率: D = F
V Da 准数: Da = rm
Nm
转化率: χ = S0 − St S0
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
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。
= 0.102g / L
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 YG=54g/mol,氧的维持常数 mo=5.4×10-3mol/g.h,氧对菌体的理论
得率 YGO=14.5g/mol。计算与能量衡算相应的维持常数 m/、mo/,YG/、
YGO/。
解:根据物质能量平衡:
m0=mA=1.4×10-3×6=8.4×10-3(mol/g.h)
1 YG
C2H5OH+aO2+bNH3
c(CH1。75N0。15O0。5)+dCO2+ eH2O
求各系数 a、b、c、d 及菌体得率 YX/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,KS=2g/L。连 续培养中,流加基质浓度 So=48g/L,YX/S=0.45g/g,在稳定状态下,菌体的 最大生产强度为多少?
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 YX/S。
解:根据元素平衡式有:
C: 2 = c + d
(1)
H: 6+3b=1.75c+2e
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
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 YG=54g/mol,氧的维持常数 mo=5.4×10-3mol/g.h,氧对菌体的理论得率 YGO=14.5g/mol。计算与能量衡算相应的维持常数 m/、mo/,YG/、YGO/。
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