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1、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XY,则杂菌 Y 不能在 系统中保留。
2、( ) 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。 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? 1/ 1/S QP X DX X ,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
3、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 YX/S。 (4 分) 0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3 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=0.910- 3mol/g
4、.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 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) 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 =80%,反应符
5、合米氏方程,rm=4.010- 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/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
6、卷标准答案(生物反应工程试卷标准答案(2004 年年 4 月)月) 二、基本概念 (8 分) 返混: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: f V = 稀释率: V F D = 转化率: 0 0 S SS t =或 in o
7、utin S SS = Da 准数: m m N r Da = 外扩散效率因子: o out out r r = 菌体得率: dS dX Y SX = / 产物生成比速: Xdt dP QP= 菌体得率常数: G G dS dX Y )( = 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XY,则杂菌 Y 不能在 系统
8、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/ QP 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? 图 3 图 4 若 SScrit,此基质为限制性基质 五、简答题 (24 分) 1、
9、莫诺方程与米氏方程的区别是什么? X DX X ,DX Dm Dcrit S m 0.5m KS Scrit 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: :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
10、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、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。
11、 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
12、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。 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 Candid
13、a 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 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=0.910- 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) 解:m0=mA=0.910- 36=5.410- 3(mol/g.h) ( g/mol) 2 109 . 6042. 0 54 61 =
14、B Y A Y GGO 5 .14= GO Y 42 . 0 )16612126(314. 0 1647. 01419. 082. 112 / = + + = = S X Y SX 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
15、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 =80%,反应符合米氏方程,rm=4.010- 3mol/(m3.s), EOESSESE SS ESS SES S ES SE EO CCCC K C CC K C CC Ckr =+ = = = 2 SSSSS Sm KCCK Cr r 2 + = 77 . 0 106. 0 110 110. 0 18 = + + = + + = SK Sr SK Sr r r m m m m o out 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