生物反应工程试题4及答案.pdf

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 2 流加培养达到拟稳态时 D 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 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 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 1 r 1 S d d 1 2 3 4 曲线 1 曲线 2 曲线 3 曲线 4 曲线 曲线 X DX X 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 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 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 m 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 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 m和半饱和常数 KS S mg L 6 13 33 40 64 102 122 153 170 221 210 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 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 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 四 名词解释 10 分 流加式操作流加式操作 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 呼吸商 22 OCO QQRQ 稀释率 V F D Da 准数 m m N r Da 转化率 0 0 S SS t 六 判断题 10 分 1 单罐连续培养稳态下 D 2 流加培养达到拟稳态时 D 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 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 1 r 1 S d d 1 2 3 4 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 曲线 竞争性抑制 曲线 无抑制 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 图 3 图 4 Scrit如图所示 若 S Scrit 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 答 莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示 莫诺方程 SK S S max 米氏方程 SK Sr r m max 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 S m 0 5 m KS Scrit X DX X DX Dcrit Dm 生长比速 h 1 max 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 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 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 kLa 的因素有哪些 如何提高 kLa 或 Nv 答 影响 kLa 的因素有 设备参数如设备结构尺寸 搅拌器直径 操作参数如搅拌转速 通风量 发酵液性质 如流变学性质 提高 kLa 或 Nv的措施有 提高转速 N 以提高 Pg 从而提高 kLa 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 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 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 向发酵液中添加少量氧载体 可提高 kLa 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 流加操作拟定态要求 m D 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 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 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 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 m 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 解 Dm m 1 KS1 2 KS S0 1 2 0 4 1 h DX m DmYX S S0 S DmYX S S0 KSDm m 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 m和半饱和常数 KS 解 计算 S 列入数据表 S mg L 6 13 33 40 64 102 122 153 170 221 h 1 0 06 0 12 0 24 0 31 0 43 0 53 0 60 0 66 0 69 0 70 S 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 由图中可知 直线截距为 C 95 斜率为 K 0 93 则 08 1 1 1 h K m LgLmgCK mS 102 0 102 5 以葡萄糖为唯一碳源 在通风条件下连续培养 Azotobacter vinelandii y 0 9338x 94 729 0 50 100 150 200 250 300 350 0100200300 S mg L S mg h L 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