生化反应工程试题

生化反应工程试题一、单项选择题（每题2分，共20分）

1.下列不属于生化反应工程研究内容的是（）A.生物催化剂的特性B.生化反应动力学C.生物反应器的设计与优化D.生物产品的分离与纯化

答案：D

解析：生化反应工程主要研究生物催化剂（酶、细胞等）的特性、生化反应动力学以及生物反应器的设计与优化等内容。生物产品的分离与纯化属于下游加工工程的范畴，而非生化反应工程的研究内容。

2.酶催化反应的特点不包括（）A.高效性B.专一性C.反应条件温和D.受温度影响小

答案：D

解析：酶催化反应具有高效性、专一性、反应条件温和等特点，但酶的活性受温度影响较大，一般在一定温度范围内，酶促反应速率随温度升高而加快，超过最适温度后，酶活性会逐渐下降。

3.米氏方程中，Km的物理意义是（）A.反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度B.底物浓度与反应速率的关系C.酶与底物的亲和力D.以上都不对

答案：A

解析：米氏方程$v=v_{max}[S]/(K_m+[S])$中，$K_m$的物理意义是反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度。它反映了酶与底物的亲和力大小，$K_m$值越小，酶与底物的亲和力越大。

4.下列哪种生物反应器属于气液固三相反应器（）A.搅拌罐式反应器B.鼓泡塔反应器C.气升式反应器D.固定床反应器

答案：D

解析：固定床反应器中，固体催化剂固定在床层内，气体和液体反应物在催化剂表面进行反应，属于气液固三相反应器。搅拌罐式反应器主要是液液或液固反应体系；鼓泡塔反应器是气液反应体系；气升式反应器也是气液反应体系。

5.微生物细胞的生长阶段不包括（）A.延迟期B.对数生长期C.稳定期D.衰亡期E.平衡期

答案：E

解析：微生物细胞的生长阶段包括延迟期、对数生长期、稳定期和衰亡期。平衡期并不是微生物细胞生长阶段的标准划分。

6.发酵罐的搅拌装置的作用不包括（）A.使罐内物料均匀混合B.增加溶氧C.防止微生物沉淀D.提高发酵温度

答案：D

解析：发酵罐搅拌装置的作用主要有使罐内物料均匀混合，促进传质和传热；增加溶氧，满足微生物生长和代谢的需求；防止微生物沉淀等。搅拌装置并不能直接提高发酵温度，发酵温度一般通过加热或冷却系统来控制。

7.连续培养的方法不包括（）A.恒化器连续培养B.恒浊器连续培养C.分批补料培养D.循环式连续培养

答案：C

解析：连续培养的方法包括恒化器连续培养、恒浊器连续培养和循环式连续培养等。分批补料培养是在分批培养的基础上，间歇或连续地补加新鲜培养基，不属于连续培养的范畴。

8.酶的固定化方法中，属于载体结合法的是（）A.交联法B.包埋法C.共价结合法D.以上都是

答案：C

解析：载体结合法是将酶结合到不溶性载体上的方法，包括物理吸附法、离子结合法和共价结合法等。交联法是通过双功能试剂使酶分子之间相互交联而固定化；包埋法是将酶包埋在高分子凝胶等载体中。

9.下列关于生物反应过程的描述，错误的是（）A.包括底物的消耗、产物的生成和细胞的生长B.是一个复杂的多相反应体系C.反应速率只与酶的活性有关D.受多种因素的影响

答案：C

解析：生物反应过程包括底物的消耗、产物的生成和细胞的生长，是一个复杂的多相反应体系，反应速率受多种因素的影响，如酶的活性、底物浓度、温度、pH值、溶解氧等，不仅仅与酶的活性有关。

10.生物反应器放大时，需要考虑的问题不包括（）A.几何相似B.动力学相似C.热量传递相似D.产品质量相似

答案：D

解析：生物反应器放大时需要考虑几何相似、动力学相似和热量传递相似等问题，以保证放大后的反应器性能与小试反应器相似。产品质量相似并不是生物反应器放大时直接考虑的问题，它受到多种因素的综合影响。

二、填空题（每空1分，共20分）

1.生化反应工程是一门以（）、（）和（）为基础，研究生化反应过程以及生物反应器的一门学科。

答案：化学工程原理、生物化学、微生物学

解析：生化反应工程融合了化学工程原理、生物化学和微生物学等多学科知识，研究生化反应过程和生物反应器的设计、操作与优化。

2.酶催化反应的动力学方程主要有（）和（）。

答案：米氏方程、双底物酶促反应动力学方程

解析：米氏方程是描述单底物酶促反应动力学的基本方程，双底物酶促反应动力学方程则用于描述有两个底物参与的酶促反应。

3.生物反应器按操作方式可分为（）、（）和（）。

答案：分批式、连续式、半连续式

解析：分批式操作是将底物和生物催化剂一次性加入反应器，反应结束后取出产物；连续式操作是连续进料和出料；半连续式操作是在分批式操作的基础上，间歇或连续地补加新鲜培养基。

4.微生物细胞生长的主要营养物质包括（）、（）、（）、（）和（）等。

答案：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水

解析：碳源为微生物生长提供能量和碳骨架；氮源用于合成细胞蛋白质等含氮物质；无机盐参与细胞的生理调节等；生长因子是微生物生长必需的微量有机物质；水是细胞代谢的重要溶剂和反应物。

5.发酵罐的主要结构包括（）、（）、（）、（）、（）和（）等。

答案：罐体、搅拌装置、通气装置、传热装置、挡板、轴封

解析：罐体是发酵罐的主体；搅拌装置促进物料混合和溶氧；通气装置提供氧气；传热装置控制发酵温度；挡板防止液体旋转；轴封防止泄漏。

6.固定化酶的优点包括（）、（）、（）等。

答案：可重复使用、稳定性提高、产物易分离

解析：固定化酶可以多次使用，降低了生产成本；其稳定性较游离酶提高，能在更广泛的条件下使用；产物与酶容易分离，有利于产品的纯化。

7.生物反应过程的优化主要包括（）、（）、（）等方面的优化。

答案：培养基组成、培养条件、生物反应器操作条件

解析：优化培养基组成可以提供更适合微生物生长和代谢的营养环境；调整培养条件如温度、pH值、溶解氧等能影响微生物的生长和产物合成；优化生物反应器操作条件如搅拌速度、通气量等可提高反应效率。

三、简答题（每题10分，共30分）

1.简述米氏方程的推导过程及意义。

米氏方程推导过程：

假设酶促反应为$E+S\rightleftharpoonsES\rightarrowE+P$，其中$E$为酶，$S$为底物，$ES$为酶底物复合物，$P$为产物。

设酶的总浓度为$[E]_0$，在反应过程中，酶底物复合物的形成和分解处于动态平衡，根据质量作用定律，反应速率可以表示为：

$v=k_2[ES]$（1）

$ES$的生成速率为：$v_{f}=k_1[E]([S][ES])$

$ES$的分解速率为：$v_{d}=(k_{1}+k_2)[ES]$

在平衡状态下，$v_{f}=v_{d}$，即：

$k_1[E]([S][ES])=(k_{1}+k_2)[ES]$（2）

又因为$[E]_0=[E]+[ES]$，所以$[E]=[E]_0[ES]$，将其代入（2）式得：

$k_1([E]_0[ES])([S][ES])=(k_{1}+k_2)[ES]$

展开并整理得：

$k_1[E]_0[S]k_1[E]_0[ES]k_1[S][ES]+k_1[ES]^2=(k_{1}+k_2)[ES]$

$k_1[ES]^2+(k_{1}+k_2k_1[E]_0k_1[S])[ES]+k_1[E]_0[S]=0$

这是一个关于$[ES]$的二次方程，解此方程可得：

$[ES]=\frac{k_1[E]_0[S]}{k_1[S]+k_{1}+k_2}$

令$K_m=\frac{k_{1}+k_2}{k_1}$，则：

$[ES]=\frac{[E]_0[S]}{K_m+[S]}$

将$[ES]$代入（1）式得：

$v=k_2\frac{[E]_0[S]}{K_m+[S]}$

令$v_{max}=k_2[E]_0$，则得到米氏方程：

$v=\frac{v_{max}[S]}{K_m+[S]}$

米氏方程的意义：

米氏方程定量地描述了底物浓度与酶促反应速率之间的关系。它表明当底物浓度很低时，反应速率与底物浓度成正比，呈一级反应；当底物浓度很高时，反应速率达到最大反应速率$v_{max}$，此时反应速率与底物浓度无关，呈零级反应。$K_m$值是酶的一个重要动力学参数，它反映了酶与底物的亲和力大小，$K_m$值越小，酶与底物的亲和力越大。米氏方程为研究酶促反应动力学和酶的特性提供了重要的理论基础，在生化反应工程、酶工程等领域有着广泛的应用。

2.比较分批式、连续式和半连续式生物反应器的优缺点。

分批式生物反应器：

优点：操作简单，易于控制，适合实验室研究和小规模生产。能在较短时间内达到较高的细胞浓度和产物浓度。可以灵活调整培养条件，适应不同的生物反应需求。

缺点：劳动强度大，每批反应都需要进行装料、接种、培养、出料等操作。生产效率低，不适合大规模连续生产。底物和产物浓度随时间变化较大，不利于维持稳定的反应环境。

连续式生物反应器：

优点：生产效率高，可连续稳定地生产，适合大规模工业化生产。能维持稳定的反应条件，有利于产物的连续合成。可以实现自动化控制，降低劳动强度。

缺点：对设备要求高，投资较大。容易发生染菌等问题，一旦染菌，损失较大。微生物长期处于稳定状态，可能会导致菌种退化。

半连续式生物反应器：

优点：结合了分批式和连续式的优点，既可以在一定程度上提高生产效率，又能相对灵活地调整培养条件。可以通过分批补料的方式控制底物浓度，避免底物抑制，有利于提高产物产量。

缺点：操作相对复杂，需要精确控制补料的时间和量。仍然存在一定的批次间差异，不如连续式生产稳定。

3.简述酶固定化的方法及各自的特点。

酶固定化的方法主要有以下几种：

载体结合法：物理吸附法：通过物理吸附作用将酶固定在载体表面。特点是操作简单、条件温和，不会引起酶的变性失活，但酶与载体的结合力较弱，容易脱落。离子结合法：利用酶与载体之间的离子键结合。优点是结合力较强，固定化酶稳定性较好，操作相对简便；缺点是对溶液的离子强度和pH值敏感，可能会影响酶的活性。共价结合法：通过共价键将酶与载体结合。结合牢固，固定化酶稳定性高，但反应条件较为苛刻，可能会导致酶活性部分丧失。

交联法：利用双功能试剂使酶分子之间相互交联形成网状结构。优点是固定化酶活性较高，稳定性好；缺点是交联剂可能会对酶的活性中心造成影响，导致酶活性降低。

包埋法：将酶包埋在高分子凝胶等载体中。分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法。特点是酶分子不易泄漏，对酶活性影响较小，但扩散阻力较大，可能会影响底物和产物的传递。

四、论述题（每题15分，共30分）

1.阐述生物反应器设计与优化的原则和方法，并举例说明。

生物反应器设计与优化的原则：

满足反应要求：要根据生化反应的特点和要求，选择合适的生物反应器类型和操作方式，确保反应能够顺利进行，达到预期的产物浓度和转化率。良好的传质与传热性能：保证底物、产物、氧气等物质在反应器内能够有效地传递，维持合适的温度，以满足微生物生长和代谢的需求。稳定性和可靠性：反应器结构应坚固耐用，操作稳定，能够长时间连续运行，减少故障发生的概率。易于操作和控制：操作简便，便于工人掌握，能够通过自动化控制系统精确控制反应条件，如温度、pH值、溶解氧、搅拌速度等。经济性：在满足反应要求的前提下，尽量降低设备投资和运行成本，提高生产效率和经济效益。

生物反应器设计与优化的方法：

理论分析：基于生化反应动力学、传质传热原理等，建立反应器的数学模型，通过理论计算预测反应器的性能，为设计和优化提供理论依据。实验研究：进行小试实验，研究不同条件下的反应过程，获取实验数据，优化反应条件和反应器参数。然后进行中试放大，进一步验证和完善设计。模拟优化：利用计算机模拟软件对生物反应器进行模拟，分析不同因素对反应器性能的影响，通过优化参数找到最佳的设计方案。

举例说明：

以发酵罐为例，在设计发酵罐时，首先要根据发酵工艺的要求确定发酵罐的容积、形状等基本参数。考虑到微生物生长需要充足的氧气，设计合理的通气装置和搅拌装置，以保证良好的传质性能，使氧气能够均匀地溶解在发酵液中。根据发酵过程中会产生热量，设计有效的传热装置，如夹套或盘管，控制发酵温度在适宜范围内。通过理论分析建立发酵罐内的物料平衡、热量平衡和质量传递模型，预测发酵过程中各种参数的变化。进行小试实验，研究不同搅拌速度、通气量、温度等条件下的发酵效果，确定最佳的操作条件。利用模拟软件对发酵罐进行模拟，优化搅拌桨的形状、尺寸和安装位置等，提高发酵罐的混合效果和传质效率。在放大过程中，要考虑几何相似、动力学相似和热量传递相似等问题，确保放大后的发酵罐性能与小试结果相似，实现高效稳定的发酵生产。

2.如何提高生化反应过程的效率？请从酶的角度、生物反应器的角度以及反应条件的优化等方面进行论