生物反应工程贾士儒试卷1
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十堰职业技术学院生物化工专业生物反应工程课程教学大纲(60-70学时)马俊林编一、《生物反应工程》课程的性质和任务《生物反应工程》是一门以生物学、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,它以生物反应动力学为基础,将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合,进行生物反应过程的分析与开发,以及生物反应器的设计、操作和控制等。
生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题,因此,它在生物工业中起着举足轻重的作用,生物反应工程是工业生物技术的核心。
根据生物体的不同,生物反应过程可分为酶促反应过程,细胞反应过程(包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等)和废水的生物处理过程。
生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。
生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。
二、《生物反应工程》课程的基本要求通过本课的学习,要求学生了解生物反应工程研究的目的,生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。
理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。
掌握微生物反应过程的质量和能量衡算;动植物细胞的生长模型与培养条件。
熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。
三、讲课内容1、绪论教学内容:生物反应工程研究的目的;生物反应工程学的形成与沿革;生物反应工程的研究内容与方法;生物反应动力学;生物反应器;生物反应过程的放大与缩小。
教学要求:熟练掌握生物反应工程的概念,生物反应工程的研究内容与方法;理解生物反应工程研究的目的;了解生物反应工程学科的形成与沿革,生物反应过程的放大与缩小。
教学重点:生物反应动力学和生物反应器。
教学建议:教学中注意和化学反应动力学及化学反应器进行比较。
2、酶促反应动力学教学内容:酶促反应动力学的特点;酶的基本概念;酶的稳定性及应用特点;酶和细胞的固定化技术;酶促反应的特征。
生物工程试题及答案一、选择题(每题2分,共20分)1. 生物工程的核心技术是什么?A. 遗传工程B. 细胞工程C. 酶工程D. 所有选项2. 下列哪项不是生物工程的应用领域?A. 医药B. 农业C. 能源D. 建筑3. 基因编辑技术CRISPR-Cas9主要用于什么?A. 基因测序B. 基因克隆C. 基因敲除D. 基因合成4. 以下哪种细胞类型不常用于生物工程?A. 植物细胞B. 动物细胞C. 微生物细胞D. 红细胞5. 以下哪个不是生物反应器的类型?A. 固定床反应器B. 流化床反应器C. 搅拌槽反应器D. 离心机二、填空题(每空2分,共20分)6. 生物工程中的_________技术可以用于生产药物。
7. 基因枪法是一种_________的方法。
8. 酶固定化技术可以提高酶的_________和_________。
9. 蛋白质工程可以通过_________、_________等手段对蛋白质进行改造。
10. 利用生物工程可以生产_________、_________等生物燃料。
三、简答题(每题10分,共30分)11. 简述基因工程的基本步骤。
12. 解释什么是代谢工程,并举例说明其应用。
13. 描述生物工程在环境保护中的应用。
四、论述题(共30分)14. 论述生物工程在食品工业中的应用,并举例说明。
答案一、选择题1. D2. D3. C4. D5. D二、填空题6. 酶工程7. 基因转移8. 稳定性,重复使用性9. 基因重组,定向进化10. 生物柴油,生物乙醇三、简答题11. 基因工程的基本步骤包括:目标基因的克隆、目标基因与载体的连接、转化宿主细胞、筛选含有重组DNA的细胞、表达目标蛋白。
12. 代谢工程是通过对细胞的代谢途径进行改造,提高目标产物的产量或产生新的代谢产物。
例如,通过代谢工程改造大肠杆菌生产高价值的氨基酸。
13. 生物工程在环境保护中的应用包括:生物修复(利用微生物降解污染物)、生物能源生产(如生物柴油)、废物处理(利用微生物分解有机废物)等。
《生物反应工程》课程教学大纲一、课程性质本课程是生物工程专业的一门专业必修课,是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多门学科为基础的交叉学科。
它以生物反应动力学为基础,将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合,进行生物反应过程分析与开发,以及生物反应器的设计、操作和控制等。
生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题,其在生物工业中起着举足轻重的作用。
从学科分类看,生物反应工程是工业生物技术的核心。
二、教学目的通过本课程的学习,使学生掌握生物反应过程动力学基本规律,掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法,了解本领域国内外的研究进展,能够运用所学的理论知识进行生物反应过程的工程分析与开发,以及生物反应器的设计、扩大、操作和优化控制等工作。
三、教材教参教材:《生物反应工程原理》,贾士儒,科学出版社,2008年3月。
教参:《生物反应工程》,岑沛林,高等教育出版社,2005年5月;《生物化学工程基础》,李再资,化学工业出版社,2006年1月;《生化工程》,伦世仪,中国轻工业出版社,1997年7月。
四、教学方式本课程以课堂讲授为主,自学和讨论为辅的方式组织教学。
借助多媒体教学系统实物展示台,将实物、图表等抽象东西尽量展示,制作图文并茂的课件进行教学,增加课堂信息量,扩大学生知识面。
五、教学内容及时数根据生物工程专业人才培养方案,本课程共2学分,总的教学时数为32学时,其中讲授32学时。
具体如下:1.绪论(2学时,其中讲授2学时)基本内容:本课程的学科性质、研究内容、及学科的形成与发展。
重点:生物反应工程的定义、生物反应工程研究的目的、生物反应工程的研究内容与方法。
难点:生物反应工程的定义和生物反应工程研究的目的、生物反应工程的研究内容与方法。
新知识点:生物反应工程的定义、生物反应工程研究的目的、生物反应工程的研究内容与方法。
〇--〇--〇〇--〇--〇题答要不内线封密试卷代号:天津渤海职业技术学院2004——2005学年度第二学期期末考试一、填空(每空1分,共40分)1、生化反应过程的特点:;;;2、根据国际生物化学协会规定的分类方法,仅根据酶所催化反应的类型,可将酶分为六大类,即、、、、、。
3、M-M方程中的参数r p,max=k+2·C Eo,它表示了时的反应速率,r p,max (正比/反比)于酶的初始浓度C Eo,k+2又称为,表示。
4、M-M方程所表示的动力学关系中r s与C s的关系表示了三个不同动力学特点的区域:当时酶催化反应可近似看作为一级反应,r s= C s;当时酶催化反应可近似看作为零级反应,r s= C s,当C s与K m的数量关系出于上述两者之间的范围时,则符合关系式5、影响固定化酶动力学的因素包括效应、效应和效应。
6、细胞反应过程的主要特征:是反应过程的主体;其本质是复杂的;细胞反应是之间的反应,细胞也能进行。
7、间歇培养时细胞生长过程包括、、、和四个阶段。
8、在有氧条件下,杆菌在甲醇上生长,进行间歇培养时μmax=0.305h-1,则细胞质量倍增时间t d=9、细胞受热死亡的规律中最常见的是对数死亡律,细胞的死亡速率可用一级动力学表示,其积分式是10、细胞固定化的方法包括、、、、。
11、通用发酵罐内设置机械搅拌的目的首先是;其次是。
二、名次解释(每题2分,共10分)1、生物技术2、生化反应工程3、均相酶催化反应4、固定化酶5、酶的比活力三、简答题(每题5分,共15分)1、酶的催化共性2、固定化细胞培养的优点3、简述连续式操作反应器的优点与缺点〇--〇--〇〇--〇--〇题答要不内线封密四、计算题1、在一间歇操作的搅拌反应器中进行脲酶催化尿素分解为氨和二氧化碳的反应,动力学常数为K m=0.0266mol/L,当酶浓度为5g/L时的最大反应速率为1.33mol/(L·s),则在等温反应条件下当酶浓度为0.001g/L时的大反应速率为多少?(5分)2、某一酶催化反应的K m=4.7×10-5mol/L,r max=22μmol/(L·min), Cs=2×10-4mol/L,CI=3×10-4mol/L,试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。
生化反应工程试卷某某研究生课程考试试卷(某某某某学年第1学期)考试科目:生物反应工程(A卷)考试班级:某某某某某考试形式:开(开/闭卷)考试时间:120分钟考试人数:命题人签名:系分管领导签名:考生注意:1.本试卷共4页,试卷如有缺页或破损,请立即举手报告以便更换。
2.所有试题的答案均写在专用的答题册(纸)上,写在试题纸上一律无效。
3.考试结束后,考生不得将试卷、答题册(纸)和草稿纸带出考场。
一、请列出下列物理量的数学表达式(5’)停留时间\\呼吸商\\稀释率\\Da准数\\转化率二、判断题(5’)1、单罐连续培养稳态下,D=μ。
()2、流加培养达到拟稳态时,D=μ。
()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。
()三、简答题(每题10’)1.实验测得分配系数KP分别为(a)KP>1,(2)KP=1,(3)KP<1,试从概念上说明载体颗粒与反应液之间的固液界面处底物浓度的变化情况。
2.CSTR、PFR代表什么含义?比较CSTR型和PFR型酶反应器的性能。
3.莫诺方程与米氏方程的区别是什么?第1页四、计算题(每题20’)1.2cSr某c某2cSg/(L·min),已知co1.在甘露醇中培养大肠杆菌,其动力学方程为=6g/L,Y某/=0.1。
试求:(1)当甘露醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的连续操作搅拌槽式反应器(CSTR)中进行反应时,其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少(2)如果要求大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大,最佳的加料速率应为多少?大肠杆菌的生长速率为多大?2.假设通过实验测定,反应底物十六烷烃中有2/3的碳转化为细胞中的碳。
计算下述反应的计量系数(1)C16H34+aO2+bNH3→c(C4.4H7.3O0.86N1.2)+dH2O+eCO2(2)计算上述反应的得率系数Y某/S(g干细胞/g底物)和Y某/O(g干细胞/g氧)五、文献阅读归纳(20’)用100-200字简述所附文献提及课题研究和发展情况。
生物反应工程考试试卷(2003年6月)班级姓名成绩一、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=μ。
( )2、流加培养达到拟稳态时,D=μ。
( )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Ⅰ、Ⅱ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2ⅠⅡ1/rd/d图3为连续培养的数学模型,请在图中标出临界稀释率D crit和最大生产强度下的稀释率D m。
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4五、简答题(25分)1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么?XDX2、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k L a的因素有哪些,如何提高k L a或N v?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Y X/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,K S=2g/L。
连续培养中,流加基质浓度S o=48g/L,Y X/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μm和半饱和常数K。
SS(mg/L) 6 13 33 40 64 102 122 153 170 221 210 μ(h-1) 0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 0.53 0.60 0.66 0.69 0.70 0.735.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=0.910-3mol/g.h ,碳源对菌体的理论得率Y G =54g/mol ,氧的维持常数m o =5.410-3mol/g.h ,氧对菌体的理论得率Y GO =14.5g/mol 。
计算与能量衡算相应的维持常数m /、m o /,Y G /、Y GO /。
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:fV=τ 呼吸商:22/O CO Q Q RQ =稀释率:VF D =Da 准数: mmN r Da =转化率:00S S S t-=χ 六、判断题(10分)1、单罐连续培养稳态下,D=μ。
( √ )2、流加培养达到拟稳态时,D=μ。
( √ )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Ⅰ、Ⅱ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。
ⅠⅡ1/rd/d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D crit 和最大生产强度下的稀释率D m 。
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 4S crit 如图所示。
若S<S crit ,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?SXDX答:莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示。
莫诺方程:SK SS +=m ax μμ米氏方程:SK Sr r m +=m ax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: 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) K S :半饱和常数(mol/L)方程中各项含义:r :反应速率(mol/L.h) r max :最大反应速率(mol/L.h) S :底物浓度(mol/L) K m :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k L a的因素有哪些,如何提高k L a或N v?答:影响k L a的因素有:①设备参数如设备结构尺寸、搅拌器直径;②操作参数如搅拌转速、通风量;③发酵液性质,如流变学性质。
提高k L a或N v的措施有:①提高转速N,以提高P g,从而提高k L a。
②增大通风量Q。
当Q不大时,增大Q可明显提高k L a;但当Q已较大时,继续提高Q,将降低P g,其综合效果不会明显提高k L a,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。
③为了提高N V,除了提高k L a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*。
④丝状菌的生长导致发酵液粘度的急剧上升和k L a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k L a大幅度回升。
⑤向发酵液中添加少量氧载体,可提高k L a。
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 μ。
流加操作拟定态要求m D μ<。
2)临界比生长速率crit μ,应满足crit D μ>,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: C 2H 5OH+aO 2+bNH 3 c (CH 1。
75N 0。
15O0。
5)+dCO 2+ eH 2O 求各系数a 、b 、c 、d 及菌体得率Y X/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=2.394b=0.085c=0.564d=1.436e=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Y X/S=0.56423.85/46=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m =0.5/h ,K S =2g/L 。
连续培养中,流加基质浓度S o =48g/L ,Y X/S =0.45g/g ,在稳定状态下,菌体的最大生产强度为多少? 解:D m =m [1-K S 1/2/(K S +S 0)1/2]=0.4(1/h)(DX)m =D m Y X/S (S 0-S)= D m Y X/S [S 0-K S D m /(m -D m )]=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μm 和半饱和常数K S 。
解:计算S/μ,列入数据表。
S(mg/L) 61333 4064102 122 153 170 221 μ(h -1)0.06 0.12 0.240.31 0.430.530.600.660.690.70S/μ(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。
0501001502002503003500100200300S(mg/L)S /μ(m g .h /L )由图中可知:直线截距为C=95,斜率为K=0.93,则)(08.111-==h Km μ,L g L mg C K m S /102.0/102===μ5.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=0.910-3mol/g.h ,碳源对菌体的理论得率Y G =54g/mol ,氧的维持常数m o =5.410-3mol/g.h ,氧对菌体的理论得率Y GO =14.5g/mol 。