生物反应工程原理

1、生物反应工程原理 生物反应工程的定义生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点：1）反应在温和的条件下进行；2）反应速率比化学反应过程慢很多；3）反应的复杂性有时难于预计。共性的基本问题：1）反应过程的定量；2）动力学研究；Rateproduct（time×mass×energy）生物反应过程的四个组成部分原材料的预处理及培养基的制备；生物催化剂的制备；生物反应器及反应条件的选择与监控；产物的分离纯化工程；生物反应工程

2、的研究内容1、 生物反应动力学 生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。基本内容： 1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。 1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节； 2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等； 3）分批

3、、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。3、生物反应过程的放大与缩小 1）探讨各种类型生物反应的内在规律； 2）从概念上注意与相关学科的区别； 3）要全面、深入地看待问题； 4）确立评价生物反应过程的标准。酶的分类与命名酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，经典的酶学理论认为酶是蛋白质催化剂，具有蛋白质的一切性质。氧化还原酶（oxido-reductase）；转移酶（transferase）；水解酶（hydrolase）；裂合酶（lyase）；异构酶（isomerase）；合成酶（synthetase, ligase）酶的功能酶作为催化剂的共性：降低反应的活化能；酶可加快反应速率

4、；不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度；反应前后酶本身不变；酶的生物催化特性：酶有较高的催化效率；酶有很强的专一性； 一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。（1）绝对专一性；（2）相对专一性；（3）反应专一性（reaction specificity）；（4）底物专一性（substrate specificity）；（5）立体专一性（stereo specificity）；（6）官能团专一性（functional group specificity）；（7）序列专一性；酶有温和的反应条件； 酶催化反应的温度一般在生理温度253

5、7范围，近中性pH值条件。催化效率的表示法：（1）酶活力：在特定的条件下（25，在具有最适底物浓度、最适缓冲液离子强度和pH）下，1min能催化1mol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个国际单位，用IU表示。（2）1972年国际酶学委员会推荐的新酶活力国际单位Katal，符号Kat，即，在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。1Kat=1mol/s=6×107IU1IU=1umol/min=16.67×10-9Kat（3） 酶的比活力:指每1kg酶所具有的Kat数，即Kat/kg。酶的另一个重要特点是它们常需要辅因子的共同作用，辅因子是非蛋白化合物，它与非活性蛋白

6、结合形成有催化活性的复合物称为酶。辅因子有三类：（1）金属离子（激活剂）；（2）辅酶；（3）辅底物；酶以活力，而不是以纯度和质量购销。酶活力测定：通过测定初始短时间内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力（初速度）的测定。固定化酶（固相酶或水不溶酶）：是通过物理或化学方法使溶液酶转变为在一定的空间内运动受到完全或局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。能以固相状态作用于底物进行催化作用。主要优点：􀂾反应后很容易分离出来。􀂾固定化酶大多数情况下稳定性增加。􀂾实现生产连续化和自动化。固定化酶性质变化表现1）底物专一性改变2）稳定性增强3）最适p

7、H和最适温度改变4）动力学常数变化速率（rate）：指变化快慢程度，包含反应速率和传质速率。反应速率（reaction rate）：单位时间、单位反应体积生成的产物量。传质速率（transfer rate）：单位面积上单位时间的传递量。速度（velocity）：指运动物体运动的快慢。影响固定化酶动力学的因素(1) 空间效应 构象效应：在固定化过程中，由于存在着酶和载体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了酶与底物的结合能力。 位阻效应：载体的存在又可产生屏蔽效应，或称为位阻效应。(2) 分配效应：当固定化酶处在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液

8、非均相体系。由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象。(3) 扩散效应：固定化酶对底物进行催化反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化活性中心处，反应得到的产物又必须从酶催化活性中心传递到主体溶液中。包括分子扩散和对流扩散。影响酶促反应的因素：零级反应酶促反应速率与底物浓度无关一级反应酶促反应速率与底物浓度的一次方成正比。酶催化AB的反应二级反应酶催化A+BC的反应连锁反应酶催化A B C的反应 Henri中间复合物学说 Michaelis-Menten方程米氏方程 其中KS的单位和CS的单位相同，当rP=1/2 rP,max

9、 时，存在KS=CS关系。rP,max =k+2CE0。表示当全部酶都呈复合物状态时的反应速率。k+2又叫酶的转换数。表示单位时间内一个酶分子所能催化底物发生反应的分子数，因次，它表示酶催化反应能力的大小，不同的酶反应其值不同。rP,max正比于酶的初始浓度CE0。 Briggs-Haldane方程 其中当k+2k-1时，Km=Ks，即生成产物的速率大大慢于酶底物复合物解离的速率。动力学参数的求取A、 Lineweaker-Burk法（L-B法） 以1/rs对1/CS作图得一直线，斜率为Km/rmax，直线与纵轴交于1/rmax，与横轴交于-1/Km。此法称双倒数图解法。B、Hanes-Woo

10、lf法（H-W法） 以CS/rS对CS作图，得一直线，斜率为1/rmax，直线与纵轴交点为Km/rmax，与横轴交点为-Km。C、Eadie-Hofstee法（E-H法） 以rS对rS/CS作图，得一直线，斜率为-Km，与纵轴交点为rmax，与横轴交点为rmax/Km。D、积分法操作参数对酶促反应的影响1、pH值的影响2、温度的影响3、抑制剂对酶促反应速率的影响 竞争性抑制动力学 对上式求取倒数得： 或 以1/rSI对1/CS作图，可得到一直线，该直线的斜率为KmI /rmax，与纵轴交点为1/rmax，与横轴交点为-1/KmI。 非竞争性抑制动力学 根据L-B作图法，可整理为 或 根据实验数

11、据判别竞争性抑制和非竞争性抑制：反竞争性抑制动力学 或 根据上述各定义式，可以推出：根据L-B作图法，可改写为：微生物反应过程的计量学和能量衡算式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数对各元素做元素平衡，得到如下方程： O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一的呼吸商得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s碳元素相关的细胞得率Yc可

12、由下式表示：式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.40.9。YATP为相对于基质的ATP生成得率（mol ATP/mol基质），Ms为基质的分子量分批式操作是指基质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。反复分批式操作是指分批操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照分批式操作方式，反复进行。半分批式操作又称流加操作，是指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到反应器内，以控制限制性基质保持

13、一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。酵母、淀粉酶、某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行生产。反复半分批式操作指流加操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照流加操作方式进行，反复进行。连续式操作指在分批式操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物反应等多采用连续式操作。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： 稀释率：转化率： Da准数： 外扩

14、散效率因子： 菌体得率：产物生成比速： 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=。( )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X>Y，则杂菌Y不能在系统中保留。( )四、图形题（12分）图1为微生物生长动力学1/1/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为产物的Lueduking and Piret模型，指出曲线、代表的产物类型。1/1

15、/SmQP 图1 图2曲线： 曲线： 曲线： 曲线： 曲线：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？SXDXX ，DXD 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？ 4CSTR、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Y

16、X/S。（4分）0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3 CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O2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）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r

17、m´=8mol/(L.min)。求底物浓度为1mol/L时，该固定化酶的效率因子 。 （6分）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 c=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）6、流加培养青霉菌中，为确保比生长速率=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，m=0.30h-1，Ks=0.1kg

18、/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)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

19、数学表达式 (8分)停留时间： 稀释率：转化率：或 Da准数： 外扩散效率因子： 菌体得率：产物生成比速： 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=。( )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X>Y，则杂菌Y不能在系统中保留。( )四、图形题（12分）图1为微生物生长动力学1/1/S曲线，指出曲线、中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑

20、制情况。图2为产物的Lueduking and Piret模型，指出曲线、代表的产物类型。1/1/SmQP 图1 图2曲线：竞争性抑制 曲线：部分生长偶联型 曲线：无抑制 曲线：生长偶联型 曲线：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？Sm0.5mKSScritXDXX ，DXDmDcrit 图3 图4若S<Scrit，此基质为限制性基质 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：米氏方程：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

21、各项含义：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)方程中各项含义：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、

22、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m、Ks的测定。 (2) 确定最佳培养条件。例如面包酵母

23、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。4CSTR、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

24、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。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 +1.18H2O2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

25、及氧对菌体的理论得率YGO。（6分）解：m0=mA=0.9´10-3´6=5.4´10-3(mol/g.h)( 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 。 （6分）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：解此方程组，得 5初始浓度为0.1mol/m3麦芽糖在酶的作用

26、下水解生成葡萄糖，底物流量F=0.002m3/s，转化率 c=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： (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=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，m=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=0.3k

27、g/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：对于指数流加，为保证比生长速率恒定，有：D=0.2 h-1 培养至20h时： 流加开始时： 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

28、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/r1/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。sdw /dg123441/r1/S 图1 图2曲线： 曲线：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？SXDXX ，DXD 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

29、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mm=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

30、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)613334064102122153170221210(h-1)0.060.120.240.310.430.530.600.660.690.700.735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

31、持常数m/、mo/，YG/、YGO/。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

32、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。五、 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：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/r1/S曲线，指出曲线、

33、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。sdw /dg123441/r1/S 图1 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？Sm0.5mKSScritXDXX ，DXDcritDm 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

34、别如下表所示。莫诺方程：米氏方程：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：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)方程中各项含义：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

35、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

36、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，

37、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

38、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。流加操作拟定态要求。2)临界比生长速率，应满足，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

39、+ 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=0.292、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mm=0.5/h，KS=

40、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=mm1-KS1/2/(KS+S0)1/2=0.4(1/h) (DX)m=DmYX/S(S0-S)= DmYX/SS0-KSDm/(mm-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.h4、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)613334064102122153170221210(h-1)0.060.120.240.310

41、.430.530.600.660.690.700.73S/(mg.h/L)100108.3137.5129148.8192.5203.3231.8246.4315.7287.7绘制曲线。由图中可知：直线截距为C=95,斜率为K=0.93,则,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/

42、、YGO/。解：根据物质能量平衡： m0=mA=1.4´10-3´6=8.4´10-3(mol/g.h) ，则(g/mol)1.4´10-3´2664=3.73(kJ/ g.h)8.4´10-3´444=3.73(kJ/ g.h)学院 系 专业班级 姓名 学号(密封线外不要写姓名、学号、班级、密封线内不准答题，违者按零分计)密封线考试方式：闭卷生物反应工程A试卷答案题 号一二三四五六七八九总 分得 分一名词解释（每题3分,共30分)1. 固定化酶的位阻效应答：是载体的遮蔽作用（如载体的空隙大小、固定化位置或方法不当）给酶的活

43、性中心或调节中心造成空间障碍，使底物和效应物无法与酶接触等引起的。2. 单细胞微生物的世代时间答：细胞两次分裂之间的时间。3. 生物需氧量答：一般有机物可被微生物所分解，微生物分解水中有机物需消耗氧，所消耗水中溶解氧的总量称为生物需氧量，为环境监测指标。4. YATP答：消耗1摩尔ATP所获得的干菌体克数，g/mol.5. 微生物生长动力学的非结构模型答：不考虑细胞结构，每个细胞之间无差别，即认为细胞为单一成分。这种理想状态下建立起来的动力学模型称为非结构模型。6. 恒浊法答：指预先规定细胞浓度，通过基质流量控制以适应细胞的既定浓度的方法。7. kLa答：体积传质系数，1/s8. 牛顿型流体9

44、. 答：剪切力与切变率比值为定值或剪切力与速度梯度成正比时称为牛顿型流体。10. 临界溶氧浓度答;指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。11. 非均衡生长12. 答：随着细胞质量的增加，菌体组成如蛋白质、RNA、DNA、细胞内含水量等的合成速度不成比例，这种生长称为非均衡生长。二判断题 （每题2分，共30分）1. 米氏方程中饱和常数的倒数1/Ks可表示酶与底物亲和力的大小。它的值越大，表示酶与底物亲和力越大。 （ ）2. 稳态学说中所谓的稳态是指中间复合物ES的生成速率与分解速率相等，达到动态平衡。 （ ）3. 分配效应是由于固定化载体与底物或效应物之间的的亲水性、疏水性及静电作用引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响反应速率的一种效应。 （ ）4.固定化酶的表观速率是假定底物和产物在酶的微环境和宏观环境之间的传递是无限迅速，也就是在没有扩散阻力情况下的反应速率。 （ × ）5. 在酶促反应中，不同的反应时间就有不同的最佳反应温度。 （ ）6. 固定化酶的分配系数Kp1,表示固定化酶固液界面外侧的底物浓度大于内侧的底物浓度。 （ × ）