第三章 微生物反应动力学习题答案
微生物生理学第三章练习题
微生物生理学第三章练习题微生物生理学第三章练习题异养微生物的生物氧化一、名词解释两向（用）代谢途径初级代谢次级代谢发酵有氧呼吸第一型酒精发酵stickland反应发酵平衡 P/O二、填空1. 生物体内葡萄糖被酵解为丙酮酸的过程为糖酵解，主要分为5各种途径即、磷酸酮酶途径（WD ）、HMP途径、和葡萄糖直接氧化途径。
2. EMP途径的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解为3-磷酸甘醛和磷酸二羟丙酮，最后形成2分子的丙酮酸。
3. EMP 途径的关键酶是和。
4. HMP途径的产物为2分子丙酮酸，2个ATP和2个。
5. HMP途径是一个循环反应体系，可分为2个阶段，即和。
6. HMP途径的氧化阶段由磷酸已糖生成磷酸戊糖，使NAPP还原成NADPH，从6-磷酸葡萄糖开始，经脱氢、水解、氧化脱羧形成和二氧化碳。
7. 8. 9. 10.HMP途径的非氧化阶段的两个特征性酶为和。
通过HMP途径，1 分子6-磷酸葡萄糖转变成1分子，3分子二氧化碳和6分子NADPH。
1分子葡萄糖径ED途径最后生成2分子、1分子ATP、1分子NADPH和1分子NADH。
ED途径的特征性酶是催化2-酮-3-脱氧6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解生成一个丙酮酸+和一个3-磷酸甘油醛。
11. WD途径的特征性酶是，所以WD途径又称磷酸解酮酶途径。
把具有磷酸戊糖解酮酶的途径称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的途径称为HK途径。
12. 微生物产生ATP的方式有、和三种方式。
13. 在好氧条件下，葡萄糖经HMP途径可以完全降解生成二氧化碳和水，此时生成不进入EMP途径，而是缩合生成磷酸己糖。
即6个分子的葡萄糖进入HMP途径，其中分子葡萄糖完全分解成6分子CO2和12分子NADPH，另外有个磷酸己糖再生。
14. ED途径中2分子丙酮酸来源不同，2个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖的第位和第位碳原子。
而EMP途径释放出的2个二氧化碳来自葡萄糖的第位和第位碳原子。
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第一章 绪论1.什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2.生化反应工程研究的主要内容是什么？3.生化反应工程的研究方法有那些？4.解释生物反应工程在生物技术中的作用？5.为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6.何为系统生物学？7.简述生化反应工程的发展史。
8.如何理解加强“工程思维能力”的重要性。
9.为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？第二章生物反应工程的生物学与工程学基础1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。
生物工程与生物科学、发酵工程与生物工程、速率和速度、反应速率与传质速率2. 何为准数和雷诺准数？并解释后者的物理意义3. 工程思维的具体含义是什么？4. 简述酶的催化特性与调节功能。
5. 在一个实际的生物催化过程中如何确保生物催化剂（如酶）的稳定性，并提高催化效率？6. 酶在应用过程中有哪些不同于化学催化剂和微生物作为生物催化剂的地方？7. 微生物培养过程中微生物的世代时间与倍增时间是否是同一概念。
8. 在生物工业中，微生物细胞的量一般采用干重表示，为什么？9. 为什么要固定化酶或微生物细胞？10. 进行生物催化剂（酶或微生物细胞）催化机理研究时，采用固定化酶或微生物细胞是否更有利于清楚了解催化过程机理？11. 何为生物分子工程？ 12. 在微生物培养过程中，操作工人观察到发酵罐上的压力表中的读数为0.025MPa,罐中的发酵液深度为10米，试问在罐底处的微生物细胞承受多大压力？在发酵液表面呢？ 13. 如果在2小时完成生物反应器中70m 3的装液量，请计算物料输入管的管径。
如果要求50分钟将反应液排空，请计算物料输出管的管径。
第三章 酶促反应动力学1. 简述酶促反应的特征及其与化学反应的主要区别是什么？。
2 .应用直线作图法（Lineweaver —Burk 法；Haneswoolf 法；Eadie —Hofstee 法和积分法）求取米氏方程中的动力学参数K s 和r max ，并比较由各种方法所得结果的误差大小。
微生物动力学计算例题
【解】根据YX/S、YX/O定义，每消耗1mol葡萄糖，可得到： 菌体 ΔX=180g， 消耗氧 Δ[O2]=180/30.4=5.92 mol 根据P/O=1，生成ATP量为ΔATP=5.92×2=11.84 mol 则， X 180 YATP 13.0( g / mol) ATP 11.84 2
3-1-3 微生物反应过程的计量学
【例题2】乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为：
C2 H5OH aO2 bNH3 c(CH1.75 N 0.15O0.5 ) dCO2 eH2O
呼吸商RQ = 0.6。求各系数a、b、c、d、e。
【解】根据元素平衡式（2）有
C :2 cd H : 6 3b 1.75c 2e O : 1 2a 0.5c 2d e N : b 0.15c
例题
【例题3】已知某细菌以葡萄糖为单一碳源生长时，细胞得率 YX/S=85g· mol-1，通过元素分析得知该细菌的分子式为 CH1.7O0.46N0.18。求这个反应的得率系数YC。
【解】葡萄糖分子量为180，根据YC定义，得
YC YX
S
XC 85 SC 180
1 12
(1 12 1.7 0母细胞的化学组成 CH1.84N0.21O0.52。
例题
【例1】乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为：
C 2 H 5OH 2.394O2 0.085NH3 0.564(CH 1.75 N 0.15O0.5 ) 1.436CO2 2.634H 2O
求酵母细胞(CH1.75N0.15O0.5)培养过程中的Yx/s和Yx/o。 【解】由（1）式
313微生物反应过程的计量学所以上述反应的计量关系式为以上方程联立求解得313微生物反应过程的计量学配平微生物反应方程式时一部分系数是通过实验获得另一部分系数需计算获得
生化反应器 第三章 细胞反应动力学1
所以： a= 0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2
即： C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86 +3.855H2O+2CO2 （2）底物对细胞的得率YX / S的计算
YX / S
max
= 1 / 0.0167 = 59.8802(g/mol)
m = 0.0012(mol/g ⋅ h )
由而可看出两种作法的计算结果时接近的
0.04 0.035 0.03 YX/S （g/mol） 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 5 10 1/ µ （h ） 15 20
0.008 0.007 q S （mol/g·h） 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
µ （1/h ）
qS及µ的实验数据计算YX/S ，以1/YX/S对1/µ进 行回归得到 则
1 / Y X / S = 0.0167 + 0.0012 / µ
对N元素平衡，有：
a = 0.86c = 0.782
对H元素平衡，有：
12 + 3a = 7.3c + 2d ， 12 + 3a − 7.3c d= 2 12 + 3 × 0.782 − 7.3 × 0.909 = 2 = 3.855
对O元素平衡，有：
6 + 2 × b = 1 .2 c + d + 2 e ，
生物反应工程原理 第三版 课后答案
简答题1、说明动物细胞培养反应器中流体剪切力的主要来源？P210主要来源为：机械剪切力、气体搅拌剪切力2、说明固定化酶反应的Φ模数的物理意义，它与那些变量与参数有关？ P103Φ = 表面浓度下的反应速率 / 内扩散速率= 最大反应速率的特征值 / 最大内扩散速率的特征值 一级反应：e1V P P1D k S V =Φ Φ1 = Φ1 (V P ，S P ，k V1，D e ) Φ与内扩散速率、反应速率、内扩散阻力、对反应速率的限制程度、有效因子η等有关，而内扩散的有效因子又和颗粒粒度、颗粒活性、孔隙率、孔径、反应温度等有关3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关？P223，P298 7-30，PPT P1图4、从反应器内物料混合的角度说明反应器放大过程中传递过程特性的变化？ P235有流体流变特性、流体剪切作用、传质特性、氧的传递、质量传递5、说明生物反应器中对流体剪切力的估计参数有哪些？P210通过混合，可使反应器中物料组成与温度、pH 分布更趋于均匀，可强化反应体系的传质与传热，使细胞或颗粒保持悬浮状态(1) 宏观混合：机械搅拌反应物流发生设备尺寸环流，物料在设备尺度上得到混合，对连续流动反应器即为返混(2) 微观混合：物料微团尺度上的混合，反映了反应器内物料的聚集状态6、生物反应器操作选择补料分批培养的理由有哪些？P131，P177(1) 积分剪切因子 I ．SF = ΔμL / Δx = 2πNd / (D -d) (2) 时均切变率 γave(3) 最小湍流漩涡长度λ7、说明临界溶氧浓度的生理学意义？P62，P219补料分批操作的特点是：可调节细胞反应过程环境中营养物质的浓度，一方面可避免某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制的现象；另一方面又可防止某些限制性营养成分在反应过程中被耗尽而影响细胞生长及产物形成。
同时还可解除产物的反馈抑制及葡萄糖的分解阻遏效应等。
故在细胞反应过程中，实施流加操作可有效对反应过程加以控制，以提高反应过程的水平。
生物反应动力学
生物反应动力学•一、微生物生长动力学•1、生长速率γx=dX/dt=μX；（1）式中，X为菌体浓度，g·L-1;μ为比生长速率，h-1；【例题】以乙醇为唯一碳源进行产气气杆菌培养，细胞初始浓度X0=0.1kg/m3，培养至3.2h，细胞浓度为8.44kg/m3，如果不考虑延迟期，比生长速率一定，求倍增时间td。
【解】dX/dt=μX （1）当t=0，X=X0，积分（1）得lnX=μt+lnX变形为ln(X/X0)=μt （2）倍增时间是指X/X0=2所需时间，因此ln2=μtd（3）由（2）和（3），可得到t d=............= 0.5（h）•练习•下面为某微生物的生长数据，求此微生物的μ，1小时和2小时时候的生长速率。
•时间/h 0 0.5 1.0 1.5 2.0•细胞干重/(g/L) 0.1 0.15 0.23 0.34 0.512、生长的非结构模型确定论的非结构模型，是一种理想状况，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；•目前，常使用确定论的非结构模型是Monod方程•μ=μmax[S]/(K s+[S]) （2）•式中，μmax是最大比生长速率，[S]是某限制性营养物的浓度，K s为基质利用常数，相当于μ=μmax /2时的基质浓度．g·I-1，这是菌对基质的亲和力的一种度量。
【例题】乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养，获得如下数据：[S]/(g/L) 0.4 0.33 0.18 0.10 0.07 0.049 0.038 0.020 0.014μ/(h-1) 0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135 0.112 0.0909 0.0735求μmax 和KS。
•3、基质消耗动力学•以菌体得率为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。
基质的消耗速率γS可表示为•-γS=d[S]/dt=γX/Y X/S （3）•基质的比消耗速率指基质的消耗速率除以菌体的量，以q S来表示，即qS=γS/X （4）•-q S=μ/Y X/S （5）•【例题】葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养，反应式为：• 1.11C6H12O6+2.10O2→C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O•μ为0.42h-1，求（1）Y X/S，（2）基质的比消耗速率•练习:•在啤酒酵母的生长试验中，消耗了0.2kg葡萄糖0.0672kgO2，生成0.0746kg酵母细胞和0.12lkg CO2，请计算酵母得率YX/S•μ由Monod 方程表示时，（5）式可变形为：•-q S =（-q S ，max )[S]/(K S +[S]) (6)•当以氮源、无机盐类、维生素等为基质时，由于这些成分只能组成菌体的构成成分，不能成为能源，Y X/S 近似一定，所以式(6)能够成立，但当基质既作为能源又是碳源时，就应考虑维持代谢所消耗的能量。
第三章 微生物反应动力学
分类：界（ Kingdom ）、门（ Phylum ）、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （ Genus ） 、 种 （Species）。 种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。 命名：“双名法”。 属名：大写字母开头，是拉丁词的名词， 用以描述微生物的主要特征； 种名：小写字母打头，是一个拉丁词的 形容词，用以描述微生物的次要特征。
例4-1
• 以葡萄糖为基质进行面包酵母(S. cerevisiae)培养， 培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数 a、 b、c和d。
C6 H12O6 3O2 aNH3 bC6 H10 NO3 (面包酵母) cH2O dCO2
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好 氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一 的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
四、pH • 不同微生物有其最适生长的 pH 值范围。大 多数自然环境的 pH值为 5～ 9，许多微生物 的最适生长 pH 也在此范围内，只有少数种 类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。 大多数酵母与霉菌在微酸性（ pH5 ～ 6 ）环 境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性 或微碱性条件下生长最好。
细胞生产量 细胞含碳量 YC YX 基质消耗量 基质含碳量
S
XC SC
• 式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
例4-4
• 乙醇为基质，好氧培养酵母，反应方程为
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H 2 O
反应动力学 习题及答案
反应动力学 习题一、判断题：1、催化剂只能改变反应的活化能，不能改变反应的热效应。
.........................（ ）2、质量作用定律适用于任何化学反应...............................................（ ）3、反应速率常数取决于反应温度，与反应物、生成物的浓度无关。
................（ ）二、选择题：1.若 反 应：A + B → C 对 A 和 B 来 说 都 是 一 级 的， 下 列 叙 述 中正 确 的 是....（ ）。
(A) 此 反 应 为 一 级 反 应；(B) 两 种 反 应 物 中， 当 其 中 任 一 种 的 浓 度 增 大 2 倍， 都 将 使 反 应 速 率 增 大 2 倍；(C) 两 种 反 应 物 的 浓 度 同 时 减 半， 则 反 应 速 率 也 将 减 半；(D) 该 反 应 速 率 系数 的 单 位 为 s -1。
2. 反 应 A + B → 3D 的 E a ( 正 ) = m kJ·mol -1，E a ( 逆 ) = n kJ·mol -1， 则 反 应 的△r H m = ............ （ ）。
(A) (m -n ) kJ·mol -1； (B) (n -m ) kJ·mol -1； (C) (m -3n ) kJ·mol -1； (D) (3n -m ) kJ·mol -1。
3. 下 列 关 于 催 化 剂 的 叙 述 中， 错 误 的 是................................................（ ）。
(A) 在 几 个 反 应 中， 某 催 化 剂 可 选 择 地 加 快 其 中 某 一 反 应 的 反 应 速 率；(B) 催 化 剂 使 正、 逆 反 应 速 率 增 大 的 倍 数 相 同；(C) 催 化 剂 不 能 改 变 反 应 的 始 态 和 终 态；(D) 催 化 剂 可 改 变 某 一 反 应 的 正 向 与 逆 向 的 反 应 速 率 之 比。
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第三章 微生物反应动力学习题答案
1. 微生物反应的特点，其与化学反应的主要区别有那些？ 答：微生物反应与化学反应相比，具有以下特点：
1）微生物反应属于生化反应，通常是在常温常压下进行；2）反应原料来源相对丰富；3）易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质；4）通过菌种改良，可大大提高设备的生产能力；5）副产物多，提取有一定难度；6）生产微生物受外界环境影响比较大；7）开发成本较大；8）废水BOD较大
2．简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别？
答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。
此外，二者还有以下区别：
（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。
（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。
（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。
（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。
4. 答：Monod 方程建立的基本假设：微生物生长中，生长培养基中只有一种物质的浓度（其他组分过量）会影响其生长速率，这种物质被称为限制性基质，并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应。
Monod 方程与米氏方程的主要区别如下表所示：
Monod 方程：S
K S
S +=
max μμ
米氏方程：S
K S
r r m +=
max
方程中各项含义： μ：生长比速 μmax ：最大生长比速 S: 单一限制性基质浓度 K S : 半饱和常数 方程中各项含义： r：反应速率 r max ：最大反应速率 S：底物浓度 K m ：米氏常数 微生物生长动力学方程
酶促反应动力学方程
经验方程 理论推导的机理方程
适用于单一限制性基质的情况 适用于单底物、无抑制的情况
5、答：由于细胞的组成是复杂的，当微生物细胞内部所含有的蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等的含量随环境条件的变化而变化时，建立起的动力学模型称为结构模型。
9、解：假设反应的质量平衡式为：
10、解：微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞，也有4 分裂或8 分裂的，试证明当n 分裂时，有如下式子：
式中： t d为倍增时间， t g为世代时间。
11、解：由化工手册可知：
（1） 采用基本培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养时，葡萄糖既作碳源，又作能源，菌体中碳元素全部来自于葡萄糖，即k=1.0。
（2） 采用合成培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养时，葡萄糖既作碳源，又作能源，菌体中碳元素部分来自葡萄糖，即k=0.62。
（3） 采用复合培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养时，根据题意，葡萄糖既作碳源，又作能源，菌体中碳元素部分来自葡萄糖，即k=0.48。
解：根据题意，可假定反应的质量平衡式为：
12、解：根据题意，可假定反应的质量平衡式为：
13、 16、
17、解： 根据稀释率D 和停留时间τ 的定义，可知D=1/ τ，
解：（1） μmax的求解。
根据实验数据绘制分批培养过程曲线。