Контрольная работа № 1

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

Теоретические вопросы

1. Изолированные, закрытые и открытые системы.

2. Равновесные и неравновесные процессы.

3. Состояние равновесия, стационарное состояние.

4. Первое начало термодинамики, применимость к открытым системам.

5. Опыты по прямой и непрямой калориметрии.

6. Второе начало термодинамики, применимость к открытым системам.

7. Понятие о нескомпенсированной теплоте.

8. Основной постулат термодинамики открытых систем.

9. Первая теорема Пригожина.

10. Зависимость энтропии от времени.

11. Первая теорема Пригожина.

12. Формализм понятия «негэнтропия». Критика теорий Больцмана, Шредингера.

13. Термодинамическое обоснование возможности сосуществования тендемных процессов.

14. Неравенство де Донде.

15. Теория Анзагера (линейная термодинамика неравновесных процессов).

16. Неравенство де Донде.

17. Вторая теорема Пригожина (вывод предпосылок).

18. Состояние равновесия, стационарное состояние.

19. Термодинамическое описание стационарного состояния биотехнологических систем.

20. Расчет Энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Введение поправок на частичную диссоциацию кислот, вывод формулы.

21. Расчет Энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Расчет Энергии Гиббса для случая реакции аниона, вывод формулы.

22. 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_а диссоциации 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_а диссоциации 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_а диссоциации 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 ΔG⁰ и ΔН⁰ при 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	СН1,66N0,14О0,48	0,35
2	Бактерий	н-С2Н5ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
3	Бактерий	н-С3Н7ОН	СН1,66N0,14О0,48	0,45
4	Дрожжей	н-С4Н9ОН	СН1,78N0,16О0,54	0,50
5	Бактерий	н-С5Н11ОН	СН1,66N0,14О0,48	0,55
6	Дрожжей	н-С6Н13ОН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,35
7	Бактерий	н-С7Н15ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
8	Дрожжей	н-С8Н17ОН	СН1,78N0,16О0,54	0,45
9	Бактерий	н-С9Н19ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,50
10	Дрожжей	н-С10Н21ОН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,55
11	Бактерий	н-С11Н23ОН	СН1,66N0,14О0,48	0,35
12	Бактерий	н-С12Н25ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
13	Бактерий	н-С13Н27ОН	СН1,66N0,14О0,48	0,45
14	Дрожжей	н-С14Н29ОН	СН1,78N0,16О0,54	0,50
15	Бактерий	н-С15Н31ОН	СН1,66N0,14О0,48	0,55
16	Дрожжей	н-С16Н33ОН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,35
17	Бактерий	н-С17Н35ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
18	Дрожжей	н-С18Н37ОН	СН1,78N0,16О0,54	0,45
19	Бактерий	н-С19Н39ОН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,50
№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
20	Дрожжей	н-С20Н41ОН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,55
21	Бактерий	н-НСООН	СН1,66N0,14О0,48	0,35
22	Бактерий	н-СН3СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
23	Бактерий	н-С2Н5СООН	СН1,66N0,14О0,48	0,45
24	Дрожжей	н-С3Н7СООН	СН1,78N0,16О0,54	0,50
25	Бактерий	н-С4Н9СООН	СН1,66N0,14О0,48	0,55
26	Дрожжей	н-С5Н11СООН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,35
27	Бактерий	н-С6Н13СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
28	Дрожжей	н-С7Н15СООН	СН1,78N0,16О0,54	0,45
29	Бактерий	н-С8Н17СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,50
30	Дрожжей	н-С9Н19СООН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,55
31	Бактерий	н-С10Н21СООН	СН1,66N0,14О0,48	0,35
32	Бактерий	н-С11Н23СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
33	Бактерий	н-С12Н25СООН	СН1,66N0,14О0,48	0,45
34	Дрожжей	н-С13Н27СООН	СН1,78N0,16О0,54	0,50
35	Бактерий	н-С14Н29СООН	СН1,66N0,14О0,48	0,55
36	Дрожжей	н-С15Н31СООН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,35
37	Бактерий	н-С16Н33СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,40
38	Дрожжей	н-С17Н35СООН	СН1,78N0,16О0,54	0,45
39	Бактерий	н-С18Н37СООН	С0,488Н0,067N0,080О0,312	0,50
40	Дрожжей	н-С19Н39СООН	C0,460H0,068N0,088O0,331	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	СН1,66N0,14О0,48
2	Дрожжей	0,05	Спиртовому	СН1,78N0,16О0,54
3	Бактерий	0,05	Гетероферментативному кисломолочному	СН1,66N0,14О0,48
4	Дрожжей	0,05	Спиртовому	C0,460H0,068N0,088O0,331
5	Бактерий	0,10	Гомоферментативному кисломолочному	С0,488Н0,067N0,080О0,312
6	Дрожжей	0,10	Спиртовому	СН1,78N0,16О0,54
7	Бактерий	0,05	Гетероферментативному кисломолочному	С0,488Н0,067N0,080О0,312
8	Дрожжей	0,10	Спиртовому	C0,460H0,068N0,088O0,331
9	Бактерий	0,15	Гетероферментативному кисломолочному	СН1,66N0,14О0,48
10	Бактерий	0,15	Гомоферментативному кисломолочному	С0,488Н0,067N0,080О0,312

Работа оценивается в 5 баллов.