第四章微生物反应动力学

习题与答案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．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Monod方程：SKSSmax米氏方程：SKSrrmmax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)KS:半饱和常数(mol/L)方程中各项含义：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)适用于单一限制性基质、无抑制的微生物反应。适用于单底物、无抑制的酶促反应。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。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：OeHdCOOcCHbOOHaC2226126则：11.16161261210002.0a1.23210000672.0b75.2216121000121.0d4181000)121.00746.00672.02.0(e根据元素平衡式，有C：75.2611.1cH：241211.1cO：4275.21.22611.1c联立求解，得91.3c36.135.0所以，可确定该反应的质量量平衡式为：OHCOOCHOOHC2235.036.126126475.291.31.211.1)/(373.02.00746.0/kgkgSXYSX3.1320672.044121.022OCORQ10.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：nttgdln/2ln/，式中：dt为倍增时间，gt为世代时间。证：XdtdX边界条件：0,0XXt积分，得tXX0ln2ln,2,0ddtXXttntnXX，nttggln,,0分裂对于nttgdln/2ln/11．分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基、含有20余种氨基酸的合成培养基和基本培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养，碳源为葡萄糖，获得如下表所示结果。已知菌体的含碳量（以碳源/细胞计）为0.45g/g，求采用不同培养基时的YKJ。培养基YX/S（g/mol）（以细胞/葡萄糖计）YP/S（mol/mol）（以乙醇/葡萄糖计）YP/S（mol/mol）（以乳酸/葡萄糖计）菌体中由葡萄糖所来碳元素的量基本4.11.50.21.0合成5.01.50.20.62复合8.01.60.20.48解：由化工手册可知，gKJmolmolmolKJHaG/15.22H/1363KJH1368KJ/H/2816LE，，，（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。SPPSPSSXSXaSXKJYHYHYkYYY///12//)()(1)H-（)13632.013685.1(28161.4720.145.011.415.221.4)/(0080.0KJg（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。SPPSPSSXSXaSXKJYHYHYkYHYY///12//)()(1)()13632.013685.1(28160.57262.045.010.515.220.5)/(0091.0KJg（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。SPPSPSSXSXaSXKJYHYHYkYHYY///12//)()(1)()13632.013686.1(28160.87248.045.010.815.220.8)/(017.0KJg12．葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养，呼吸商为1.04，氨为氮源。消耗100mol葡萄糖和48mol氨，生成菌体48mol、二氧化碳312mol和水432mol。求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成。解：根据题意，可假定反应的质量平衡式为：OHCOONHCNHbOOHC22326126432312484810004.131222bOCORQ，解得，300b，即氧的消耗量为300mol。根据元素平衡，有C：31248600H：2432483481200N：4848O：4322312483002600联立方程求解，得61013酵母菌体的化学组成为31106ONHC。16.一个新发现的微生物在每一次细胞分裂时，可产生3个新细胞，由下列生长数据求：（1）此微生物理学的比生长速率)(1h；（2）此微生物细胞的平均世代时间。时间/h00.51.01.52.0细胞干重（g/L）0.100.150.230.340.51解：（1）XdtdX（16-1）边界条件：0,0XXt对（16-1）式积分，得tXX)/ln(0（16-2）以tXX~)/ln(0作图，将得一条直线，直线斜率为。根据已知数据，计算)/ln(0XX，列入表中，并绘制tXX~)/ln(0曲线。t/h00.51.01.52.0X（g/L）0.100.150.230.340.51ln(X/X0)00.4050.8331.221.63y=0.8167xR2=0.999900.20.40.60.811.21.41.61.800.511.522.5由图中可知，直线斜率为0.82，因此)(82.01h。（2）该微生物每次分裂产生3个新细胞，故3,0XXttg（16-3）)(34.182.03ln3lnhtg（16-4）17．在一连续进出料的搅拌罐中，进行以葡萄糖为碳源生成乙醇的动力学研究，反应方程式可表示为：S（葡萄糖）P（乙醇）+X（酵母），试验结果见下表。已知Pmax=120g/L，求包括葡萄糖消耗及乙醇抵制酵母生长的速率方程。X0=0P=0X0=0P=20g/L)(h)/(LgS)/(/1gLS)(h)/(LgS)/(/1gLS11.900.05418.5211.900.07014.2910.000.07912.6610.000.09510.536.250.1387.256.250.1825.495.050.1865.385.050.2504.004.130.2264.424.130.3842.60解：根据稀释率D和停留时间的定义，可知D1，t/hln(X/X0)连续培养稳态下，D；故1根据表中数据绘制S1~1曲线。y=0.5582x+2.0814R2=0.97340246810121405101520y=0.6808x+2.44R2=0.99440246810121405101520由图中可知：当P=0，即不存在乙醇抑制时，S1~1为直线，直线斜率为0.56，截距为2.08。根据双倒数法，有56.0maxSK，08.21max，解得，)(48.01maxh，)/(27.0LgKS当P=20（g/L），即存在乙醇抑制时，S1~1为直线，直线斜率为0.68，截距为2.44。根据双倒数法，有68.0maxSK，44.21max，解得，)(41.01maxh，)/(28.0LgKS。SSKK，二者差异可能是由实验误差所导致。由此可以判断上述生长模型属于非竞争性抑制。即：SKSSKKCSSSIImaxmax))(/1(，maxmax/1IIKC当LgCI/20，)(41.01maxh，)/(100141.048.0201maxmaxLgCKII因此，生长速率方程可表示为：)27.0)(100/1(48.0SCSI18．以甲醇为基质，进行某种微生物好氧分批培养，获得如下数据：时间/h02481012141618X/(g/L)0.20.2110.3050.981.773.25.66.156.2S/(g/L)9.239.219.078.036.84.60.920.0770求：max；SXY/；倍增时间dt；饱和常数SK和ht10时的比生长速率。解：（1）max的求解。根据实验数据绘制分批培养过程曲线。从图中可以看出，4h~12h为对数期，)(4htlag，)/(305.0LgXlag。在分批培养的对数期，有maxXdtdX（边界条件laglagXXtt,）积分，得)()/ln(maxlaglagttXX若以)(~)/ln(laglagttXX绘图，将得一条直线，直线斜率为max。取4h~12h数据，计算)/ln(lagXX和)(lagtt，01234567891005101520t(h)X(g/L),S(g/L)t/h481012X/(g/L)0.3050.981.773.2httlag/)(0468)/ln(lagXX01.171.762.35根据以上数据绘制tXX~)/ln(0曲线。由图中可知：直线斜率为0.29，因此)(29.01maxh（2）SXY/的求解)/(65.0023.92.02.600/ggSSXXSXYSX（3）倍增时间：)(39.229.02ln2lnmaxhtd（4）ht10时的比生长速率，由于ht10仍处于对数期，应有)(29.01maxh。y=0.2934xR2=100.511.522.50246810t-tlag(h)ln(X/Xlag)