生物反应工程试题5及答案

Ⅲ µ
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
D
S
图3
图4
五、简答题 （24 分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？
2、影响固定化酶促反应的主要因素有哪些？ 3．举例说明连续培养的应用？
解此方程组，得
r
=
KS
rmCS + CS + CS2
K SS
5 初始浓度为 0.1mol/m3 麦芽糖在酶的作用下水解生成葡萄糖，底物流量 F=0.002m3/s，转化率 χ=80%，反应符合米氏方程，rm=4.0×10-3mol/(m3.s)，
Km=1.0mol/m3。求(1)采用 PFR 型酶反应器所需体积。（2）采用单级 CSTR 型 酶反应器所需体积。（10 分）
CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O
2．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养 Azotobacter vinelandii，从实 验数据中求得维持常数 m=0.9×10-3mol/g.h，菌体得率常数 YG=54g/mol。求氧 的维持常数 mo 及氧对菌体的理论得率 YGO。（6 分）
Sin χ + K m χ
(1 − χ ) = rmτ
=
rm
V F
∴V
=
F rm
[Sin χ
+
Km
χ
(1 − χ )] =
0.002 4.0 ×10 −3
× [0.1× 0.8 + 1.0 × 0.8
(1 − 0.8)] = 2.0(m 3 )
6、流加培养青霉菌中，为确保比生长速率 μ=0.2h-1，按照指数式流加葡萄糖。 菌体的生长可以用 Monod 方程表达，μm=0.30h-1，Ks=0.1kg/m3。流加开始时 培养液体积 V0=0.006m3，菌体浓度为 X0=0.2kg/m3，菌体得率 YX/S=0.3kg/kg。 求流加培养至 20h 时反应器内基质浓度和培养液体积，流加开始与 20h 时的流 加速度。(8 分)
4．CSTR、PFR 代表什么含义？比较 CSTR 型和 PFR 型酶反应器的性能。 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
六、计算题（40 分）
1．以葡萄糖为限制性基质，在稀释率 D = 0.08 (1/h)条件下，连续培养
Candida utilis，建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率 YX/S。（4 分）
0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3
CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O
rm′ S
8×1
η
=
rout ro
=
Km′ + S rm S
=
0.10 +1 10 ×1
= 0.77
Km + S 0.06 +1
4、推导底物抑制酶促反应动力学方程。（6 分）
机理式：
采用快速平衡法：
r = k2CEO
CECS C ES
= KS
CES C S C ESS
= K SS
CE + CES + CESS = CEO
一、基本概念 (8 分) 返混：
酶的固定化技术：
能量生长偶联型：
有效电子转移：
二、写出下列概念的数学表达式 (8 分) 停留时间： 转化率： 外扩散效率因子： 产物生成比速：
稀释率： Da 准数： 菌体得率： 菌体得率常数：
三、判断题(8 分) 1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( ) 2、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一准数，Da 准数越大，外扩散效 率越高。( ) 3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( ) 4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。( ) 5、连续培养微生物 X 过程中，污染了杂菌 Y，若μX>μY，则杂菌 Y 不能在 系统中保留。( )
图2
曲线Ⅰ：部分生长偶联型 曲线Ⅱ：生长偶联型 曲线Ⅲ：非生长偶联型
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
Dm
Dcrit
图3
KS
Scrit
S
图4
若 S<Scrit，此基质为限制性基质
YX / S
=
∆X − ∆S
= 12 +1.82 + 0.19 ×14 + 0.47 ×16 0.314 × (6×12 +12 + 6 ×16)
= 0.42
2．以葡萄糖为唯一碳源，在通风条件下连续培养 Azotobacter vinelandii，从实 验数据中求得维持常数 m=0.9×10-3mol/g.h，菌体得率常数 YG=54g/mol。求氧 的维持常数 mo 及氧对菌体的理论得率 YGO。（6 分）
=
dP Xdt
菌体得率常数： YG
=
dX (−dS )G
三、判断题(8 分) 1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( √ ) 2、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一准数，Da 准数越大，外扩散效 率越高。( × ) 3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ ) 4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。( × ) 5、连续培养微生物 X 过程中，污染了杂菌 Y，若μX>μY，则杂菌 Y 不能在 系统中保留。( √ )
4、推导底物抑制酶促反应动力学方程。（6 分）
5 初始浓度为 0.1mol/m3 麦芽糖在酶的作用下水解生成葡萄糖，底物流量 F=0.002m3/s，转化率 χ=80%，反应符合米氏方程，rm=4.0×10-3mol/(m3.s)， Km=1.0mol/m3。求(1)采用 PFR 型酶反应器所需体积。（2）采用单级 CSTR 型 酶反应器所需体积。（10 分）
解：(1) 采用 PFR 型酶反应器，则有：
Sin χ
−
Km
ln(1 −
χ)
=
rmτ
=
rm
V F
∴V
=
F rm
[Sin χ
−
Km
ln(1 −
χ )]
=
0.002 4.0 ×10 −3
× [0.1× 0.8 − 1.0 × ln(1 − 0.8)]
=
0.84(m3 )
(2) 采用单级 CSTR 型酶反应器，则有：
6、流加培养青霉菌中，为确保比生长速率 μ=0.2h-1，按照指数式流加葡萄糖。 菌体的生长可以用 Monod 方程表达，μm=0.30h-1，Ks=0.1kg/m3。流加开始时 培养液体积 V0=0.006m3，菌体浓度为 X0=0.2kg/m3，菌体得率 YX/S=0.3kg/kg。 求流加培养至 20h 时反应器内基质浓度和培养液体积，流加开始与 20h 时的流 加速度。(8 分)
解：m0=mA=0.9×10-3×6=5.4×10-3(mol/g.h)
1 = A − B = 6 − 0.042 = 6.9 ×10−2
YGO YG
54
∴YGO = 14.5 ( g/mol)
3、某种酶以游离酶形式进行酶促反应时所得动力学参数 Km=0.06mol/L 和 rm=10mol/(L.min)。该酶在某种载体颗粒表面固定化后进行同一酶促反应，所 得动力学参数 Km´=0.10mol/L 和 rm´=8mol/(L.min)。求底物浓度为 1mol/L 时， 该固定化酶的效率因子 η 。 （6 分）
4．CSTR、PFR 代表什么含义？比较 CSTR 型和 PFR 型酶反应器的性能。
六、计算题（40 分）
1．以葡萄糖为限制性基质，在稀释率 D = 0.08 (1/h)条件下，连续培养
Candida utilis，建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率 YX/S。（4 分）
Fra Baidu bibliotek
0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3
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。
四、图形题（12 分） 图 1 为微生物生长动力学 1/μ~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 为产物的 Lueduking and Piret 模型，指出曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表的产物
类型。
1/μ
Ⅰ
Ⅱ
QP
Ⅰ
Ⅱ
图1
1/S
曲线Ⅰ： 曲线Ⅱ：
图2
曲线Ⅰ： 曲线Ⅱ： 曲线Ⅲ：
五、简答题 （24 分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？
莫诺方程： µ = µmax S KS + S
米氏方程： r = rmax S Km + S
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：
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)
心或调节中心的构象发生变化，导致酶的活力下降。 (2) 位阻效应。指由于载体的遮蔽作用，使酶与底物无法接触。 (3) 微扰效应。是指由于载体的亲水性、疏水性及介电常数等，使固定化酶所
处微环境发生变化，导致酶活力的变化。 (4) 分配效应。由于载体内外物质分配不等，影响酶促反应速率。 (5) 扩散效应。底物、产物及其他效应物受传递速度限制，当酶的催化活性很
3、某种酶以游离酶形式进行酶促反应时所得动力学参数 Km=0.06mol/L 和 rm=10mol/(L.min)。该酶在某种载体颗粒表面固定化后进行同一酶促反应，所 得动力学参数 Km´=0.10mol/L 和 rm´=8mol/(L.min)。求底物浓度为 1mol/L 时， 该固定化酶的效率因子 η 。 （6 分）
解：对于指数流加，为保证比生长速率恒定，有：D=μ=0.2 h-1 培养至 20h 时： S = KS D = 0.1× 0.2 = 0.2(kg / m3) µm − D 0.3 − 0.2
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)
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、影响固定化酶促反应的主要因素有哪些？ (1) 分子构象的改变。酶固定化过程中，酶和载体的相互作用引起酶的活性中
高时，在固定化酶周围形成浓度梯度，造成微环境与宏观环境之间底物、 产物的浓度产生差别。
3．举例说明连续培养的应用。 由于连续培养存在杂菌污染问题、菌种变异问题、成本问题，使其在生产
中的应用受到限制，目前主要用于面包酵母的生产、及污水处理。连续培养在 科研领域有着重要的应用，主要表现在以下几个方面：
(1) 利用恒化器测定微生物反应动力学参数。例如 μm、Ks 的测定。 (2) 确定最佳培养条件。例如面包酵母生产中最佳葡萄糖浓度的确定。 (3) 利用冲出现象进行菌种的筛选。
生物反应工程试卷标准答案（2004 年 4 月）
二、基本概念 (8 分) 返混：不同停留时间的物料的混合，称为返混。 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。 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。 有效电子转移：是指物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移。
二、写出下列概念的数学表达式 (8 分) 停留时间：τ = V f
稀释率： D = F V
转化率： χ = S0 − St 或 χ = Sin − Sout Da 准数： Da = rm
S0
S in
Nm
外扩散效率因子：η out
=
rout ro
菌体得率：YX / S
=
dX − dS
产物生成比速： QP
四、图形题（12 分） 图 1 为微生物生长动力学 1/μ~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 为产物的 Lueduking and Piret 模型，指出曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表的产物
类型。
1/μ
Ⅰ
Ⅱ
QP
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ µ 1/S
图1
曲线Ⅰ：竞争性抑制 曲线Ⅱ：无抑制