生物反应工程试题4及答案

较低的菌体生长பைடு நூலகம்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。
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/。
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？
= 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/、
(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+
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
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。
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)
2.634H2O 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？
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
Ⅰ
σ
Ⅱ
1
2 3
4
1/S
图1
dω /dγ 图2
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。
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
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
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
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
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
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
Ⅰ
Ⅱ
σ
1
2 3
4
1/S
图1
曲线Ⅰ：竞争性抑制 曲线Ⅱ：无抑制
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4
五、简答题 （25 分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？
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
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。