生物反应工程考试试卷标准答案

生物反应工程考试试卷标准答案

一、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。

二、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 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 4

S crit 如图所示。

若S

Ⅰ

Ⅱ

1/r

d

/d S

X

DX

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：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。