第四章 微生物反应器操作习题答案
微生物反应器操作
教学基本内容：讲授微生物反应器的操作方式，包括分批式操作、连续式操作、流加式操作。
连续式操作的定义、数学模型，连续稳态操作条件，连续操作的优缺点，在生产上和科研中的应用；流加式操作的定义、数学模型，定流量流加、指数流加的概念，流加式操作的控制优化问题。
分批式操作下微生物生长曲线。
5.1 微生物反应器操作基础5.2连续式操作5.3 流加式操作5.4 分批式操作授课重点：1. 三种基本操作方式的比较。
2. 单级连续式操作的数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象。
3. 连续操作的优缺点及在生产上和科研领域的应用。
4 流加式操作的数学模型，指数流加和定流量流加的概念。
5. 流加操作的控制与优化。
6. 分批式操作下微生物的生长曲线。
难点：1. 连续式操作的数学模型。
2. 多级连续培养的数学模型。
3. 流加式操作的数学模型。
本章主要教学要求：1. 理解微生物反应器操作方式的概念。
注意连续式操作、流加式操作和分批式操作的区别。
2. 理解和掌握连续式操作的数学模型及连续稳态操作条件。
3. 理解指数流加和定流量流加的区别。
4. 了解连续式操作的优缺点和应用。
5. 了解流加式操作的优化和控制。
5.1微生物反应器操作基础5.1.1 微生物反应器操作方式分批式操作：是指基质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。
连续式操作：是指分批操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件不随时间变化的操作方式。
流加式操作：是指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到反应器内，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。
VVV图5－3连续式操作5.1.2 不同操作方式的特点在分批式操作中，反应液中基质浓度S 随反应进行不断降低，菌体浓度X 、产物浓度P 则不断升高，因此是一个动态变化过程。
生物反应工程试题4及答案
Dm
制性基质
KS图 4
Scrit
S
Scrit 如图所示。
若 S<Scrit，此基质为限
五、简答题 （25 分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？
答：莫诺方程与米氏方程的区别如下表所示。
莫诺方程： µ = µmax S KS + S
描述微生物生长
米氏方程： r = rmax S Km + S
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：
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) KS:半饱和常数(mol/L)
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)
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 kLa 的因素有哪些，如何提高 kLa 或 Nv？
答：影响 kLa 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 kLa 或 Nv 的措施有： ① 提高转速 N，以提高 Pg，从而提高 kLa。 ② 增大通风量 Q。当 Q 不大时，增大 Q 可明显提高 kLa；但当 Q 已较大时，继续提高 Q，将降低 Pg，其综合效果不会明显提高 kLa，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 NV，除了提高 kLa 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 kLa 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 kLa 大幅度回升。 ⑤ 向发酵液中添加少量氧载体，可提高 kLa。
生物反应工程习题精解
根据题中数据可列质量平衡式： CH 2O + aO2 + bNH 3 → cCH1.66 N 0.13O0.4 + dCO2 + eH 2O 对C： 1= c+ d 对O :1 + 2a = 0.4c + 2d + e 对H : 2 + 3b = 1.66c + 2e 对N : b = 0.13c 同时，RQ : d = 1.8a 求方程组得：a = 0.117, b = 0.103, c = 0.79, d = 0.21, e = 0.5
14、细胞生长和代谢的结构模型包括室模型、代谢模型、产物生成结构模型以及 基因调控和单细胞模型。 13、一般来说，细胞反应过程往往采用积分反应器，其表现为时间对细胞浓度、 底物浓度、 产物浓度的关系， 需要进一步变换为微分形式进行动力学参数的计算。
24
生物反应工程习题精解
第四章 细胞反应过程动力学
具体方法见下：
原始数据 t~CX、CS、CP
变换数据 µ =
1 ∆C X 1 ∆CS 1 ∆CP 、 qS = 、 qP = C X ∆t C X ∆t C X ∆t
对细胞动力学，变换为线性方程
1
µ
=
µ max
KS
1 1 + ， CS µ max
作图计算细胞动力学参数 K S 和 µ max
由细胞动力学参数 K S 和 µ max ，计算底物消耗动力学参数 和产物动力学参数
D 0.06 0.12 0.24 0.31 0.43 0.53 CS 0.006 0.013 0.033 0.04 0.064 0.100 CX 0.427 0.434 0.417 0.438 0.422 0.427 1/μ 16.67 8.33 4.17 3.22 2.33 1.89 1/CS 166.67 79.92 30.30 25 15.625 9.80 ⊿CS 0.962 0.955 0.935 0.928 0.904 0.866 rS 0.058 0.11 0.22 0.29 0.39 0.46 qS 0.135 0.264 0.538 0.657 0.921 1.075
第四章 微生物反应器操作
杯式补料系统
生产车间计算机 控制室
流加培养操作
应用举例
消除快速利用碳源后，造成的阻遏效应，维持罐内良 好的需氧发酵条件。
避免培养基中某些成分的毒害作用。
生产酵母培养基中含有麦芽汁过多，开始导致细胞 的过速增长，同时细胞对氧气的需求大于设备提供 的能力，是培养系统成为厌氧条件，是酵母产生乙 醇，导致抑制细胞的生长，成为阻遏效应。 同理，面包酵母如果添加葡萄糖超过某一值时，也 会产生此效应。 青霉菌发酵生产青霉素，要求精确的控制葡萄糖的补入 速率。生长期是葡萄糖的含量适宜。而在生产期控制补 料速率，使青霉素的合成速率达到高值。 另一方面，产物前提物的添加，有利于产量的提高，担 当此物质对细胞的生长有毒害作用使，应采用缓慢的加 料方式，如苯乙酸钠。
4.2.1 生长曲线
分批培养中微生物的生长曲线如图 4-2 。 随培养的进行，基质浓度下降，菌体量增加， 产物量相应增加。分批式培养过程中，微生物 的生长可分为： 1、迟缓期（lag phase)； 2、对数生长期（lagarithmic growth phase）； 3、减速期（fransient phase）； 4、静止期（stationary phase）； 5、衰退期（decline phase）5个阶段。
由上式可知
1
Xi Xf
产物浓度的衡算为
PiV Pf V Pf V 1
Pi Xi Pi Pf Xf Pf
产物的生产能力
PRB Pf Pi t RB
Pf
t RB
其培养过程中基质体积变化曲线如图41c所示流加式操作是指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到反应器内以控制限制性基质保持一定当反应终止时取出反应物料的操作方式酵母淀粉酶某些氨基酸和抗生素等采用这种方式进行生产
第四章 微生物反应器操作习题
第四章 微生物反应器操作1．请用简图分别给出分批操作、流加操作和连续操作中反应器内培养液体积随时间的变化曲线。
2．用简图给出分批培养中初始基质浓度与最大菌体浓度之间的相互关系。
3．请给出分批培养、反复分批培养、流加培养、反复流加培养和连续培养中产物生成速率，并进行比较。
4. 何为连续培养的稳定状态？当0][][===dtP d dt S d dt dX 时，一定是稳定状态吗？ 5. 在微生物分批培养的诱导期中，细胞接种量X 0 ，生成的细胞量为X A 0 ，此间死亡细胞量为X DO ，已知A A f X X =00X 。
生成的细胞在接种t l 时间后开始指数型繁殖， t l 以后的细胞量为X，请推导出的关系式。
f A 分别等于0，0.2，0.4，0.6，0.8，并作图表示出。
)(l t f X =6.一定的培养体系中细胞以一定的比生长速率进行生长繁殖，如果计划流加新鲜培养基，同时保证细胞的生长速率不变，请问如何确定新鲜培养基的流加速度。
7. 试比较微生物分批培养与连续培养两种操作中的细胞生长速率。
微生物的生长可采用Monod方程表达。
8. 面包酵母连续培养中，菌体浓度为10kg/m 3，菌体生成速度为10kg/h，求流加培养基中基质（乙醇）浓度及培养液的量。
稀释率1.0=D h-1,Y X/S =0.5kg/kg （以细胞/基质计），可采用Monod 方程，已知μ max = 0.15h -1,K S = 0.05kg /m 3。
9．恒化器进行具有抑制作用的连续培养，比生长速率可由式S i i S C K C K S++=)1(max μμ 给出，其中g g Y L g C L g K S X i S /1.0,/05.0,/0.1===（ 以细胞/ 基质计）， L g X L g C S /05.0,/0.100==,，求菌体的最大生产速率与相应的稀释率D max ，并与没有抑制时相比较。
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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。
生物反应工程原理复习题答案
生物反应工程原理复习题答案一、选择题1. 生物反应器的基本类型包括：A. 搅拌槽式B. 填充床式C. 流化床式D. 所有以上选项2. 微生物生长的四个阶段包括：A. 滞后期B. 对数生长期C. 稳定期D. 衰减期E. 所有以上选项3. 以下哪个不是生物反应器操作模式？A. 批式操作B. 连续操作C. 半连续操作D. 周期性操作二、填空题1. 生物反应器的设计通常需要考虑_________、_________和_________三个主要因素。
2. 在生物反应器中，_________是用来描述微生物生长速率的参数。
3. 微生物的代谢途径可以分为_________代谢和_________代谢。
三、简答题1. 简述批式操作和连续操作的区别。
2. 描述生物反应器中氧气传递的重要性及其影响因素。
四、计算题1. 假设一个生物反应器的体积为1000升，其中微生物的浓度为5克/升。
如果微生物的比生长速率为0.2/小时，计算1小时内生物量的增长量。
2. 给定一个流化床生物反应器，其气体流量为1000升/分钟，气体中氧气的体积分数为21%。
如果反应器的体积为5立方米，计算在30分钟内氧气的总传递量。
五、论述题1. 论述生物反应器中混合和传质的重要性，并举例说明如何优化这些过程。
2. 分析在工业生产中，为什么需要对生物反应器进行规模放大，并讨论规模放大过程中可能遇到的挑战。
六、案例分析题1. 某制药公司使用生物反应器生产抗生素。
在生产过程中，他们发现微生物的生长速率突然下降。
请分析可能的原因，并提出解决方案。
2. 一个废水处理厂使用活性污泥法处理工业废水。
请根据活性污泥法的原理，分析废水处理过程中可能出现的问题，并提出改进措施。
七、实验设计题1. 设计一个实验来评估不同搅拌速度对微生物生长速率的影响。
2. 设计一个实验来测定生物反应器中氧气的溶解度。
八、结束语通过本复习题的练习，希望能够帮助学生更好地理解和掌握生物反应工程的原理，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。
生物反应工程原理习题答案(部分)贾士儒版Word版
第四章复习题
4．Monod 方程建立的几点假设是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别是什么？
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 方程与米氏方程的区别
5．举例简要说明何为微生物反应的结构模型？
答：由于细胞的组成是复结的，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。
8.缺
9．在啤酒酵母的生长试验中，消耗了 0.2kg 葡萄糖和 0.0672kgO2，生成 0.0746kg 酵母菌和0.121kgCO2，请写出该反应的质量平衡式，计算酵母得率YX/S 和呼吸商 RQ。
解：假设反应的质量平衡式为：
10.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：t d/t g= ln 2/ lnn ，式中： td 为倍增时间， tg为世代时间。
dX/Xdt=μ, 边界条件，t=0,X=X0,
积分得ln(X/X0)= μt
t=t d,, X/X0=2,所以td=ln2/μ
13.缺
15.缺
第五章复习题
第三章复习题4.解
5．
20.
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第四章微生物反应器操作习题答案
4．答：连续培养的稳定状态，是指菌体的生长与反应液的排放、基质的流加与反应消耗及 反应液排放、产物的生成与反应液排放达到了动态平衡，因此菌体浓度、基质浓度、产物浓
度保持恒定，即，并不一定是稳定状态。
如菌体因生长环境不利出现了死亡时，也满足，但不能
说是稳定状态，此时是一种静止状态，而不是动态平衡。
5．解：诱导期结束时的菌体量：
X = X0 + X AO □ X DO = X0 + f A X0 □ X DO = (1+ f
A )X0-X DO
菌体在t l 时间后开始指数型繁殖，因此
边界条件： t = t l , X = (1+ f A )X0 □ X DO
积分，得
X = [(1+ f A )X0 □ X DO ]exp[μ (t □ t l )]，如图所示。
当f A = 0, X = (X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] ；
当f A = 0.2, X = (1.2X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]
当f A = 0.4, X = (1.4X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]
当f A = 0.6, X = (1.6X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]
当f A = 0.8, X = (1.8X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]
6．答：设菌体生长比速为μ，菌体浓度为X，则菌体生长速率为μX。
为保证菌体生长速率 不变，应采取指数流加方式，控制稀释率D = μ ，此时流加操作可达到拟稳态，
菌体生长速率DX = uX 。
7．答：微生物的生长可用莫诺方程表达，即
分批培养中菌体生长速率
连续培养中菌体生长速率：
由此可见，有抑制作用时，菌体最大产率下降，D max 下降。
10 解：生长符合莫诺模型，故
14．解：由实验数据可知，菌体浓度不断下降，流加操作为动态过程。
对流加操作中的菌体进行衡算：。