生物反应工程习题精解.doc

第4章细胞反应过程动力学—•、基本内容：许多酶的来源均是由细胞反应过程产生细胞反应过程不仅仅能够提供更多的酶源，同时还可以提供我们所需的目的产物因此，对丁•细胞反应过程中的动力学探讨能够更加充分利用基质、细胞产量更大、将更多的底物向产物方向转化,对丁•进一步的代谢调控提供了坚实的理论基础本章主要内容包括细胞化学计量学、细胞生长动力学、细胞死亡动力学、基质消耗动力学、产物生成动力学、细胞动力学参数的求取和固定化细胞动力学等方面1、细胞反应过程中，有大量的反应参与其中具体到某一个反应，其过程比较容易计量，但整体细胞反应过程计量学较为复杂通常采用一些简化的方法如质量守恒定律的应用：对细胞中、原料中、产物中每种元素进行列方程组求解，从而获得每一种物质的计量系数；或者通过得率系数來计算物质之间相对关系2、得率系数是基质转化为细胞或其他产物潜力的定量评价包括有对基质的细胞得率（Yx/s）、对氧的细胞得率（Yx/o）、对基质的产物得率（Yp/s）、对碳的细胞得率（Yx/c）、对能量的细胞得率（Ywatp）、宏观得率和理论得率等其中，得率系数与细胞反应过程中计量系数符合公式：Ya/bA的摩尔质量xA的计量系数B的摩尔质量xB的计量系数3、细胞生长动力学是细胞反应过程动力学的核心。

基质的消耗动力、产物生成的动力学均是建立在其基础上的对丁•复杂的细胞生长过程需耍进行简化，具体的简化有确定论模型和概率论模型、结构模型和非结构模型、均衡生长模型和非均衡生长模型、均一化模型和分离化模型形成针对细胞群体的、确定论的、均一化的、均衡生长的、非结构的、最简单的细胞生长模型4、均衡生长是指在细胞生长过程中，细胞内各组分均以相同的比例增加5、绝对速率是在单位时间、单位体积某一组分的变化量；比速率是单位浓度细胞为基准的各组分变化速率，反映了细胞活力的大小6、间歇培养的细胞生长过程包括延迟期、对数生长期、静止期和衰亡期延迟期是细胞在环境改变后表现出來的一个适应阶段，其长短与菌种的接种量和种龄有关在对数生长期，细胞的比生长速率达到最大并保持不变，与倍增时间之间存在“卷的关系7、无抑制细胞生长动力学（Monod方程）“=如乞，虽与米氏方程相似，但Ku+Cc属丁•形式动力学方程需耍三个基本假设：均衡型生长、单限制底物和菌体得率为常数两个适用条件：细胞生长缓慢和细胞浓度低的时候同时也存在三个分区：零级区、一级区和过渡区除了Monod方程外，还有很多适用于不同假设条件下的细胞生长动力学8、有抑制细胞生长动力学与有抑制酶反应动力学相似，均存在有底物抑制动力学、产物抑制动力学、竞争性动力学、非竞争性动力学、反竞争性动力学。

9、基质消耗速率包括细胞生长消耗速率、细胞维持消耗速率和产物生成消耗速率三部分组成，采用细胞得率系数、维持常数和产物得率系数相关联，表示为rs=—!—+mCx+-^—rp,基质比消耗速率为qs=-^―p+m+~^—qpo氧气的Yx(SYpjs电/sZp/s消耗也可以看做是基质的一种10、细胞的产物生成动力学由丁•代谢产物的复杂性，没有统一的模型Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，分成了三种类型：相关模型(qp=YPfXp).部分相关模型(仆=©/+0)和非相关模型(血=0)11、微生物灭菌的原理來源丁•细胞死亡动力学，对丁•不同的细胞其死亡难易程度不同一般來说营养细胞容易被杀死，而芽他则因有致密的外皮和干燥的内含物,难以致死因此，在设计灭菌操作时，总以芽他为灭菌对象，只耍杀死了芽他，其他杂菌也一定能杀灭同时耍考虑灭菌的同时，减少培养基有效成分的损失由丁•温度变化对营养成分破坏的影响，明显小丁•芽他的热死亡，因此，多采用高温、瞬时的灭菌方法12、细胞受热死亡的规律有很多种类型，常见的有对数死亡律和非对数死亡律对数死亡律表明，细胞死亡速率可用一级动力学表示：一警=g,积分后C；=C,%exp(-W)，灭菌度需要达到C^=10~4个细胞/讥。

非对数死亡律常见于芽他受热死亡，以循序死亡模型为人所接受13、细胞的固定化有利丁•提高反应器种细胞的浓度、有利丁•提高反应器加料速率、免去了昂贵的细胞回收和循环过程、有利丁•提高反应器的生产性能等同固定化酶催化反应过程一样，存在着扩散对反应速率的限制作用，即内扩散和外扩散但内扩散效应会随着细胞生长过程中膜厚度的增加和絮凝物半径的变化而变化当反应速率可做零级动力学处理时，存在有最大膜厚度和最大絮凝半径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、一般來说，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具体方法见下:二、习题精解：4.1在啤酒酵母的生长实验中,消耗0.2kg糖,得到0.0746kg酵母细胞,释放0.121kgCO2,并消耗了0.0672kgO2，试写出其质量平衡式，并求出：(1) 酵母细胞得率Ys(2) 呼吸商RQo解：由题意可得Y=凹竺=0.373,/?0=竺=竺丄=1.8X0.20、0.0672根据题中数据可列质量平衡式：CHQ+aO2+bNH、tcCH｛昭“。

口」+dCO2+eH2O对C：l=c+d对O:l+2a=0.4c+2d+w对H:2+3b=1.66c+2«对N:b=0.13c同时，RQ:d=\.Sa求方程组得：o=0.117,b=0.103,c=0.79,d=0.21,£=0.54.2以葡萄糖为培养基、在需氧条件下间歇培养啤酒酵母，得到实验结果如下表所示该实验采用初始基质浓度为8.96kg/m3,实验时测得气相数据为标准状态下得数据时间h细胞干重kg/m3乙醇kg/m3基质kg/m3co2含量%(体积)O2含量%(体积)空气流量m3/h反应器体积m31.00.050」58.650.260.06100.6X1035.95X1033.00」40.308.440.540.07100.6X1035.43X10'5.00.350.666.380.130.16103.2X10-34.92X10'37.00.821.552.581.270.15198.0X1034.41XI039.01.682.610.001.160.31200.5X10"3.89X10以试求：(1) 丫如q°2和qc°2值2) RQ值3) 求出当时间匸9.0h时的碳平衡关系解：由题意可得：4.3下表数据为大肠杆菌在一连续搅拌槽式反应器中培养的数据，该培养为需氧,葡萄糖作为生长限制基质，其初始浓度Cs0为0.968kg/m3稀释率D/h'1基质浓度Cs/(kg/n?)细胞浓度Cx/kg/m3)稀释率D/h'1基质浓度Cs/(kg/m5)细胞浓度Cx/kg/n?)0.060.0060.4270.600.1220.4340.120.0130.4340.660.1530.4220.240.0330.4170.690.1700.4300.310.0400.4380.710.2210.3900.430.0640.4220.730.2100.3520.530.1020.427试求：Mmax和Ks值。

1%和Y's值q°2值假设细胞化学式表示为C5N7NO2,在u=O.5h1,RQ=l时，只有CO?和出0生成,而无其他代谢产物试求：葡萄糖转化为细胞的计量关系式解：由题中数据可得下表：DCsCx1/u1/CszdCsrsqs0.060.0060.42716.67166.670.9620.0580.1350」20.0130.4348.3379.920.9550.110.2640.240.0330.4174.1730.300.9350.220.5380.310.040.4383.22250.9280.290.6570.430.0640.4222.3315.6250.9040.390.9210.530.1000.4271.899.800.8660.461.0750.60.1220.4341.678.200.8460.811」70.640.1830.4221.526.540.8150.541.2750.690,170.431.455.880.7980.551.280.710.2210.391.414.520.7470.531.360.730.210.3521.374.760.7580.551.572（1）根据L-B方法，可得丄=—•—+—“如Cs“皿作图可得冇•线方程y=0.09475x+0.949914,由此可得"m^i°53,Ks=0.1026由丁気=丿一“+加，作图可得直线方程y=1.90919x+0.0498334,由此可得（2）Yx/sm=0.0498,y；/s=0.5238（4）根据题中数据列出下质量平衡式：CH2O+aO2+bNH、tcCH14N02O.a+dCO2+eH2O对C:l=c+d对H:2+3b=1.4c+2w对O:l+2d=0.4c+2d+w对N:b=0.2cRQ:a=d解方程组可得:a=Q.ll8,b=0.177,c=0.883,^=0.118,e=0.645(3)由于奸讣沪勢需因此,橙尹寸〃士X28Q4.4酵母菌在丿犬氧条件下，以葡萄糖为基质进行生长，可用下述总反应式进行描述：C6H12O6+BNH3t0.59CHL74No.2Oo.45（生物质）+0.43C3H8O+1.54CO2+1.3C2H5OH4-0.036H2O试确定：得率系数Yx/s值。

确定产率系数Yeqh/s、Yeo?©、Yc3h8o/s值确定系数B值解：由题意可得得率系数yz=^.£=^121x0.59=0.078%Msa180M46—^-/=——x1.3=0.33218044——x1.54=0.376180y_2co/=x„HO,622^.^/=_±lx0.43=0.148Ms1800=O・59xO・2=O」18M4.5酵母在需氧条件下，以乙醇为基质进行生长可表示下列总反应式:C2H5OH+aC)2十bNH3—cCHi.704No」490().408+dCC)2十eHzO试求：当RQ=0.66时，a、b、c和d的值确定Ys和YX/o2值解：由题意可得RQ=-=0.66a对C：2=c+d对H:6+3b=1.704c+2a对0:1+2a=0.408c+2d+w对N:b=0.149c解方程组可得:a=.29117,b=0.01l,c=0.075,d=1.925v22.318.Yr/=—c=x1.31=0.。