Методичка БФХ / БФХ

Контрольная работа № 1

Контрольная работа состоит из двух теоретических вопросов и одной задачи, аналогичной приведенным ниже.

Теоретические вопросы

Изолированные, закрытые и открытые системы.
Равновесные и неравновесные процессы.
Состояние равновесия, стационарное состояние.
Первое начало термодинамики, применимость к открытым системам.
Опыты по прямой и непрямой калориметрии.
Второе начало термодинамики, применимость к открытым системам.
Понятие о нескомпенсированной теплоте.
Основной постулат термодинамики открытых систем.
Первая теорема Пригожина.
Зависимость энтропии от времени.
Первая теорема Пригожина.
Формализм понятия «негэнтропия». Критика теорий Больцмана, Шредингера.
Термодинамическое обоснование возможности сосуществования тендемных процессов.
Неравенство де Донде.
Теория Анзагера (линейная термодинамика неравновесных процессов).
Неравенство де Донде.
Вторая теорема Пригожина (вывод предпосылок).
Состояние равновесия, стационарное состояние.
Термодинамическое описание стационарного состояния биотехнологических систем.
Расчет Энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Введение поправок на частичную диссоциацию кислот, вывод формулы.
Расчет Энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Расчет Энергии Гиббса для случая реакции аниона, вывод формулы.
Термодинамика открытых систем вдали от состояния термодинамического равновесия.

Задачи

Задача 1.

а) Сравните к.п.д. (ΔĞ'_{гидролиз 1 моль АТФ}/ΔĞ'_{образ. 1моль АТФ}) получения АТФ из глюкозы при биохимических условиях, если известно, что при гомоферментативном молочнокислом брожении из одного моль С₆Н₁₂О₆образуется 2 моль АТФ, а при аэробном (в присутствии О₂) – 38 моль АТФ. Процессы протекают при 30⁰С, рН=7, ΔG⁰(брожение глюкозы)= -230,5 кДж/моль, ΔG⁰(аэробное окисление глюкозы)=-2872,0 кДж/моль, Р(СО₂)=0,05 атм, аэрирование осуществляется кислородом воздуха с объемной долей О₂21 %, растворимость кислорода равна 8 мг/л.

ΔĞ'_{гидролиз АТФ}=-33,5 кДж/моль.

б) как измениться ΔĞ'_{образ. АТФ}при молочнокислом брожении, если учесть, что К_а(молочная кислота)=10^-3,4.

Задача 2.

а) Определите максимальное количество глюкозы, которое может быть получено из СО₂и воды за счет энергии гидролиза 1 моль АТФ при физиологических условиях (Р_СО2=0,05атм; растворимость СО₂=5,3*10^-4моль/л; С_{глюкоза}=0,01моль/л; рН=7; t=30⁰C; ΔĞ'_{гидролиз АТФ}=-33,5 кДж/моль;

ΔG⁰_образ(СО₂)_газ= -394,37 кДж/моль;ΔG⁰_образ(Н₂О)_жид= -237,23 кДж/моль; ΔĞ_образ.(глюкоза_{р-р 1 моль/л}) = -917,22 кДж/моль).

б) Рассчитайте поправку к процессу гидролиза АТФ (АТФ+Н₂О→АДФ+Н₃РО₄), если известно, что К_адиссоциации Н₃РО₄составляют: для первой ступени 10^-2,1, для второй – 10^-7,2, для третьей – 10^-12,4.

Задача 3.

а) Определите константу диссоциации фосфоенолпирувата (фосфоенолпируват→пируват+Н₂РО₄^-) при биохимических условиях, если известно, что ΔĞ⁰(фосфоенолпируват→пируват+Н₃РО₄)=-55,6 кДж/моль, рН=7, t=30⁰С, а К_адиссоциации Н₃РО₄составляют: для первой ступени 10^-2,1, для второй – 10^-7,2, для третьей – 10^-12,4.

б) какое влияние на равновесие данной системы окажет понижение рН, какие существуют ограничения по использованию кислотности среды для регулирования процесса.

Задача 4.

а) Рассчитайте, может ли при 300 К самопроизвольно (ΔĞ'<0) протекать реакция глюкоза+НРО₄^2-→глюкозо-6-фосфат+Н₂Опри физиологических концентрациях (глюкоза-0,01моль/л, НРО₄^2--0,003моль/л, глюкозо-6-фосфат-0,005моль/л), если известно, что рН=7, а К_адиссоциации Н₃РО₄составляют: для первой ступени 10^-2,1, для второй – 10^-7,2, для третьей – 10^-12,4; Ка₁(глюкозо-6-фосфат) = 10^-1,21, Ка₂(глюкозо-6-фосфат) = 10^-6,24. ΔĞ⁰реакции глюкоза + Н₃РО₄→глюкозо-6-фосфат+Н₂О равно 13,4 кДж/моль.

б) При каких условиях в расчетах необходимо было бы учитывать диссоциацию аниона НРО₄^2-.

Работа оценивается в 20 баллов.

Всего на 7-12 неделях можно получить 20 баллов.

Работы 13-16 недель

Домашняя работа № 3: «Составление материального баланса

культивирования микроорганизмов»

Используя данные, соответствующие вашему варианту и приведенные в таблице, составьте уравнение реакции катаболизма, анаболизма, брутто-реакции, а также определите ΔG⁰и ΔН⁰при аэробном культивировании биомассы «А» на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – «Б», а состав получаемой биомассы – «В». Если известно, что при культивировании данного штамма микроорганизма на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – глюкозу экономический коэффициент составляет «Г». При решении задачи в качестве допущения примите, что энергия диссипации при культивировании микроорганизмов не зависит от источника углерода, а определяется только видом микроорганизма. Для решения задачи воспользуйтесь справочными данными термодинамических величин.

№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
1	Бактерий	н-С₁Н₃ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,35
2	Бактерий	н-С₂Н₅ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
3	Бактерий	н-С₃Н₇ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,45
4	Дрожжей	н-С₄Н₉ОН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,50
5	Бактерий	н-С₅Н₁₁ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,55
6	Дрожжей	н-С₆Н₁₃ОН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,35
7	Бактерий	н-С₇Н₁₅ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
8	Дрожжей	н-С₈Н₁₇ОН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,45
9	Бактерий	н-С₉Н₁₉ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,50
10	Дрожжей	н-С₁₀Н₂₁ОН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,55
11	Бактерий	н-С₁₁Н₂₃ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,35
12	Бактерий	н-С₁₂Н₂₅ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
13	Бактерий	н-С₁₃Н₂₇ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,45
14	Дрожжей	н-С₁₄Н₂₉ОН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,50
15	Бактерий	н-С₁₅Н₃₁ОН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,55
16	Дрожжей	н-С₁₆Н₃₃ОН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,35
17	Бактерий	н-С₁₇Н₃₅ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
18	Дрожжей	н-С₁₈Н₃₇ОН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,45
19	Бактерий	н-С₁₉Н₃₉ОН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,50
№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
20	Дрожжей	н-С₂₀Н₄₁ОН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,55
21	Бактерий	н-НСООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,35
22	Бактерий	н-СН₃СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
23	Бактерий	н-С₂Н₅СООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,45
24	Дрожжей	н-С₃Н₇СООН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,50
25	Бактерий	н-С₄Н₉СООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,55
26	Дрожжей	н-С₅Н₁₁СООН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,35
27	Бактерий	н-С₆Н₁₃СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
28	Дрожжей	н-С₇Н₁₅СООН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,45
29	Бактерий	н-С₈Н₁₇СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,50
30	Дрожжей	н-С₉Н₁₉СООН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,55
31	Бактерий	н-С₁₀Н₂₁СООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,35
32	Бактерий	н-С₁₁Н₂₃СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
33	Бактерий	н-С₁₂Н₂₅СООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,45
34	Дрожжей	н-С₁₃Н₂₇СООН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,50
35	Бактерий	н-С₁₄Н₂₉СООН	СН_1,66N_0,14О_0,48	0,55
36	Дрожжей	н-С₁₅Н₃₁СООН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,35
37	Бактерий	н-С₁₆Н₃₃СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,40
38	Дрожжей	н-С₁₇Н₃₅СООН	СН_1,78N_0,16О_0,54	0,45
39	Бактерий	н-С₁₈Н₃₇СООН	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312	0,50
40	Дрожжей	н-С₁₉Н₃₉СООН	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331	0,55

Работа оценивается в 5 баллов.

Аудиторная задача: «Составление материального баланса

сбраживания углеводов микроорганизмами»

Используя данные, соответствующие вашему варианту и приведенные в таблице, составьте уравнение реакции катаболизма, анаболизма, брутто-реакции, при анаэробном культивировании биомассы «А» на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – глюкозу, если известно, что Y= «Б», а брожение осуществляется по «В» пути, состав получаемой биомассы – «Г».

№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
1	Бактерий	0,05	Гомоферментативному кисломолочному	СН_1,66N_0,14О_0,48
2	Дрожжей	0,05	Спиртовому	СН_1,78N_0,16О_0,54
3	Бактерий	0,05	Гетероферментативному кисломолочному	СН_1,66N_0,14О_0,48
4	Дрожжей	0,05	Спиртовому	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331
5	Бактерий	0,10	Гомоферментативному кисломолочному	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312
6	Дрожжей	0,10	Спиртовому	СН_1,78N_0,16О_0,54
7	Бактерий	0,05	Гетероферментативному кисломолочному	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312
8	Дрожжей	0,10	Спиртовому	C_0,460H₀_,₀₆₈N_0,088O_0,331
9	Бактерий	0,15	Гетероферментативному кисломолочному	СН_1,66N_0,14О_0,48
10	Бактерий	0,15	Гомоферментативному кисломолочному	С_0,488Н_0,067N_0,080О_0,312

Работа оценивается в 5 баллов.

Содержание