生物反应工程原理

1、生物反应工程的定义生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点：1）反应在温和的条件下进行；2）反应速率比化学反应过程慢很多；3）反应的复杂性有时难于预计。共性的基本问题：1）反应过程的定量；2）动力学研究；生物反应过程的四个组成部分原材料的预处理及培养基的制备；生物催化剂的制备；生物反应器及反应条件的选择与监控；产物的分离纯化工程；生物反应工程的研究内容1、生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。基本内容

2、：1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学；2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术；3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。2、生物反应器生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节；2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等；3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。3、生物反应过程的放大与缩小1）探讨各种类型生物反应的内在规律；2）从

3、概念上注意与相关学科的区别；3）要全面、深入地看待问题；4）确立评价生物反应过程的标准。酶的分类与命名酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，经典的酶学理论认为酶是蛋白质催化剂，具有蛋白质的一切性质。氧化还原酶（oxido-reductase）；转移酶（transferase）；水解酶（hydrolase）；裂合酶（lyase）；异构酶（isomerase）；合成酶（synthetase,ligase）酶的功能酶作为催化剂的共性：降低反应的活化能；酶可加快反应速率；不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度；反应前后酶本身不变；酶的生物催化特性：酶有较高的催化效率；酶有很强的专

4、一性；一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。（1）绝对专一性；（2）相对专一性；（3）反应专一性（reactionspecificity）；（4）底物专一性（substratespecificity）；（5）立体专一性（stereospecificity）；（6）官能团专一性（functionalgroupspecificity）；（7）序列专一性；酶有温和的反应条件；酶催化反应的温度一般在生理温度2537范围，近中性pH值条件。催化效率的表示法：（1）酶活力：在特定的条件下（25，在具有最适底物浓度、最适缓冲液离子强度和pH）下，1min

5、能催化1mol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个国际单位，用IU表示。（2）1972年国际酶学委员会推荐的新酶活力国际单位Katal，符号Kat，即，在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。1Kat=1mol/s=6107IU1IU=1umol/min=16.6710-9Kat（3）酶的比活力:指每1kg酶所具有的Kat数，即Kat/kg。酶的另一个重要特点是它们常需要辅因子的共同作用，辅因子是非蛋白化合物，它与非活性蛋白结合形成有催化活性的复合物称为酶。辅因子有三类：（1）金属离子（激活剂）；（2）辅酶；（3）辅底物；酶以活力，而不是以纯度和质量购销。酶活力测定：通过测定初始短时间

6、内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力的测定。固定化酶（固相酶或水不溶酶）：是通过物理或化学方法使溶液酶转变为在一定的空间内运动受到完全或局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。能以固相状态作用于底物进行催化作用。主要优点：反应后很容易分离出来。固定化酶大多数情况下稳定性增加。实现生产连续化和自动化。固定化酶性质变化表现1）底物专一性改变2）稳定性增强3）最适pH和最适温度改变4）动力学常数变化速率（rate）：指变化快慢程度，包含反应速率和传质速率。反应速率（reactionrate）：单位时间、单位反应体积生成的产物量。传质速率（transferrate）：单位面积上单位时间的传递量。速

7、度（velocity）：指运动物体运动的快慢。影响固定化酶动力学的因素(1)空间效应构象效应：在固定化过程中，由于存在着酶和载体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了酶与底物的结合能力。位阻效应：载体的存在又可产生屏蔽效应，或称为位阻效应。 (2) 分配效应：当固定化酶处在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液非均相体系。由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象。 (3) 扩散效应：固定化酶对底物进行催化反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化活性中心处，反应得到的产物又必须从酶催

8、化活性中心传递到主体溶液中。包括分子扩散和对流扩散。 2 酶促反应动力学2.1.2 酶的稳定性及应用特点 酶是以活力、而不是以质量购销的。 酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药用酶。酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。2.1.3酶的应用研究与经典酶学研究的联系与区别经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机制。工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行。2.2 均相酶促反应动力学

9、均相酶促反应动力学是以研究酶促反应机制为目的发展起来的。作为酶工程技术人员，如果仅仅比较详细地解释了酶促反应机制和过程是不够的，还应对影响其反应速率的因素进行定量的分析，建立可信赖的反应速率方程，并以此为基础进行反应器的合理设计和确定反应过程的最佳条件。因此，以讨论反应机制为目的的酶促反应动力学与为了设计与操作反应器的工业酶动力学，在研究方法上自然不同。这与化学中的反应动力学和工业上的化学反应动力学的不同一样。2.2.1 酶促反应动力学基础可采用化学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。对酶促反应 ，有： （21） （22） （23）式中， k：酶促反应速率常数； r：酶促反应速率； rA：以

10、底物A的消耗速率表示的酶促反应速率； rP：以产物P的生成速率表示的酶促反应速率。对连锁的酶促反应，如，有： （24） （25） （26）2.2.2 单底物酶促反应动力学（米氏方程） 单底物不可逆酶促反应是最简单的酶促反应。水解酶、异构酶及多数裂解酶的催化反应均属此类。对单底物酶促反应 ，根据酶底物中间复合物假说，其反应机制可表示为：下面我们分别采用快速平衡法和稳态法推导其动力学方程。快速平衡法：几点假设： （1）CSCE，中间复合物ES的形成不会降低CS。 （2）不考虑这个可逆反应。 （3）为快速平衡，为整个反应的限速阶段，此ES分解成产物不足以破坏这个平衡。根据以上假设，建立动力学方程：

11、（27） （28） （29）解之，得 （210） 令， （211）则 （212） 稳态法：几点假设：（1）CSCE，中间复合物ES的形成不会降低CS。（2）不考虑这个可逆反应。（3）CSCE中间复合物ES一经分解，产生的游离酶立即与底物结合，使中间复合物ES浓度保持衡定，即。 根据稳态法假设建立动力学方程： （213） （214） （215）解之，得 （216）令， （217）则 （218） 上式即为通常所说的米氏方程。米氏方程可用图形表示：rrmaxrmax/2KmCS 图21 酶浓度一定时反应速率与底物浓度的关系 讨论：（1） 当CSKm时，属零级反应。（3） 当CSKm时，。Km在数量上

12、等于反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。 Km和rmax的测定方法Linewear Burk法，即双倒数法。 对米氏方程两侧取倒数，得。以作图，得一直线，直线斜率为，截距为。根据直线斜率和截距可计算出Km和rmax。1r斜率Km/rmax1rmax1CS1Km 图22 双倒数法求解Km和rmax2.2.3温度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响，是通过影响k2和KS（）实现的。 Arrhenius 方程 （234） Vant-Hoff方程 （235）值得注意的是Arrhenius 方程仅在较低温度下适用于酶促反应。过高的温度将导致酶的失活（见教材P23 图2-4）。（235）式中

13、为反应热。2.2.4 抑制剂对酶促反应速率的影响 首先应搞清失活作用与抑制作用的异同。失活作用：指物理或化学因素部分或全部破坏了酶的三维结构，引起酶的变性，导致酶部分或全部丧失活性。抑制作用：指酶在不变性条件下，由于活性中心化学性质的改变而引起酶活性的降低或丧失。凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称做酶的抑制剂(inhibitor)。使酶变性失活(称为酶的钝化)的因素如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。EIS2.2.4.1竞争性抑制 图23 竞争性抑制作用示意图反应机理： （236） （237）采用快速平衡法推导动力学方程： （238） （239

14、） （240） （241）解之，得 （242）式中，采用稳态法推导动力学方程： （243） （244） （245） （246） 解之，得 （247）式中: ，令 ，（247）式可变形为 （248） 式中 将（248）式与米氏方程比较，可知最大反应速率测有变化，而Km增大。 以作图，得一直线，直线斜率为，截距为，如图23所示。CI 1r1CS1rmax-1Km-1KmCI = 0 图24 竞争性抑制作用下曲线2.2.4.2非竞争性抑制SIE 图25 非竞争性抑制作用示意图反应机理： （249） （250） （251）采用快速平衡法推导动力学方程： （252） （253） （254） （255）

15、256）解之，得 （257）式中，采用稳态法推导动力学方程： （258） （259） （260） （261） （262） 解之，得 （263）式中，令，（263）式可变形为 （264） 式中 将（264）式与米氏方程比较，可知最大反应速率减小，而Km不变。1r1CS1rmax-1KmCI = 0CI 1rmax 以作图，得一直线，直线斜率为，截距为，如图26所示。 图26 非竞争性抑制作用下曲线2. 2.4.3产物抑制酶促反应中，有时随产物浓度提高，产物与酶形成复合物，阻碍了底物与酶的合成，从而降低了酶促反应的速度。反应机理： （265）采用快速平衡法推导动力学方程： （266） （267）

16、（268） （269）解之，得 （270）式中，采用稳态法推导动力学方程： （271） （272） （273） （274） 解之，得 （275）式中， 可见，产物抑制实际上属于竞争性抑制。2.2.4.4底物抑制对于某些酶促反应，当底物浓度较高时，rp呈下降的趋势，这种反应被称为高浓度底物抑制或底物抑制型反应。rCS0 图2-7 底物抑制示意图反应机制：采用快速平衡法推导动力学方程： （276） （277） （278） （279）解之，得 （280）式中，。2.3 固定化酶促反应动力学2.3.1 固定化酶促反应动力学基础 这里分三个方面讨论：什么是酶的固定化？为什么进行酶的固定化？怎样进行酶的固

17、定化？ 生物工业用酶大多为水溶性，酶促反应体系为均相体系，均相体系简单，但存在一个缺点，就是酶难以回收利用，同时，酶和产物混在一起，给产物的提取带来困难。解决此问题可采用酶的固定化技术。2.3.1.1 酶的固定化技术定义 酶的固定化技术就是将水溶性的酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料，制成固相酶的技术。 细胞的固定化技术：为省去从微生物（动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞，动植物细胞、组织技术。2.3.1.2 酶和细胞固定化方法 作用力 载体 物理吸附法 物理吸附 石英砂，多孔玻璃，淀粉，硅胶，活性碳载体结合法 离子结

18、合法 离子键 离子交换树脂 共价结合法 共价键 纤维素，尼龙 交联法：利用双功能试剂，在酶分子间发生交联，凝胶形成网状结构。 包埋法：将酶包埋在凝胶的微细格子里，或被半透性的聚合膜所包埋，使酶分子只能从凝胶的网络中漏出，而小分子的底物和产物可自由通过。 格子型 常用凝胶：角叉菜胶，明胶，淀粉凝胶，聚丙烯酰胺凝胶 微胶囊2.3.1.3 固定化对酶性质的影响 （1）底物专一性的改变 由于立体障碍，使的底物特异性发生改变。例如，胰蛋白酶既作用于高分子的蛋白质，又作用于低分子的肽或多肽。采用羧甲基纤维素对胰蛋白酶进行固定化后，胰蛋白酶对二肽或多肽的作用不变，但对酪蛋白的作用仅为游离酶的3左右。 （2）

19、稳定性增强 一般固定化酶比游离酶稳定性好，表现在热稳定性，保存和使用稳定性的增加，及对蛋白酶的抵抗性和耐受性增强。 （3）最适pH值和最适温度变化 酶固定化载体为多聚阳离子性质时，固定化酶的最适pH值向酸性一侧移动；酶固定化载体为多聚阴离子性质时，固定化酶的最适pH值向碱性一侧移动；产物为酸性时，固定化酶最适pH值向酶性一侧移动；产物为中性时，最适pH值一般无变化。 （4）动力学参数的变化 酶经固定化后，表观米氏常数发生变化。2.3.1.4影响固定化酶促反应的主要因素（1）分子构象的改变 指固定化过程中酶与载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生了变化，导致酶与底物的结合力下降。（2

20、）位阻效应 由于载体的遮蔽作用或固定化方法不当，给酶的活性中心或调节中心造成空间障碍 ，使底物和酶无法与酶接触。（3）微扰效应 由于载体的亲水性、疏水性、介电常数等性质，使酶所处的微环境与宏观环境不同，从而改变了酶的催化能力或酶对效应物的调节能力的效应。（4）分配效应 由于载体与底物之间疏水性、亲水性或静电作用引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配，从而影响酶促反应速率的一种效应 分配效应可用分配系数KP来定量描述。 Kp的定义：载体内外底物（或其他物质）浓度之比。 Kp的测定：在已知底物浓度CS0、体积V0的溶液中，放入不含底物的一定体积V的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液

21、的底物浓度CS。(5) 扩散效应 由于底物、产物或其他效应物的迁移和传递速度所受到的限制，当物质扩散系数很低，酶活性较高时，在固定化周围形成浓度梯度，造成微观环境和宏观环境间底物、产物浓度产生差别。 扩散效应可定量描述。2.3.2 固定化酶促反应中的过程分析2.3.2.1 外部扩散过程 当固定化酶促反应受外部扩散限制时，固定化酶表面处底物浓度CSS小于主体溶液底物浓度CS，因此固定化酶促反应速率rout小于未固定化时的酶促反应速率ro。用外扩散效率因子hout表示外扩散对固定化酶促反应的影响。记作 （283）（时，）可见，只要确定了固定化酶表面浓度CSS，即可计算外扩散效率因子hout。那么，

22、固定化酶表面底物浓度CSS又如何确定呢？以表面固定化酶为例。主体溶液底物浓度为CS，载体外表面底物浓度为CSS。CSSCS外扩散速N=kLa(CS-CSS)，Nmax=kLaCS （2-84） 酶促反应 （2-85） 达到平衡时，即 （2-86）由（286）式即可唯一确定CSS。N，rrmaxNmax0 CSS CS(CSS，rout)CSS也可用图解法确定。rCS曲线与NCS曲线交点即为(CSS，rout)。NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout) 图2-9 图2-10图2-9为的情况，此时；图2-10为的情况，此时。，称为Da准数当时，过程为外扩散控制。当时，过程为反应控

23、制。令，（2-86）式可变形为：整理，得 （287）上式表明C*为Da准数的函数，即。令，（283）式可变形为 （288）（288）式表明为C*的函数，即。由此可知，Da准数是决定效率因子和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CS，越接近1。Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零，越小，越趋近于零。可见，为提高固定化酶外扩散效率，应设法减小Da准数。从公式可知，减小Da准数的方法有两个，一是降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径；二是使固定化酶表面流体处

24、于湍流状态以增大。2.3.2.2 内部扩散过程具有大量内孔的球形固定化颗粒，其内部是酶促反应的主要场所，底物通过孔口向内扩散，达到不同深度，产物沿反方向从内部向孔口扩散。颗粒内部各点处底物和产物浓度不同，导致各处的反应速率的差异。内扩散效率因子hin的定义为单位时间内颗粒内部实际酶促反应速率rin与按颗粒外表面底物浓度计算而得到的反应速率ro之比。记作 (2-89) 为获得固定化酶颗粒内部实际反应速率rin，就要首先确定颗粒内部底物浓度分布。Rdrr 图2 多孔球形固定化酶颗粒内的物料衡算对球形固定化颗粒，半径为R，在距中心处为r处取一厚度为dr的微元壳体，在微元壳体内，底物浓度CSr，稳定状

25、态下，对底物S进行物料衡算：流入量流出量反应量 (2-90)整理，得两侧同除，得 (2-91)当酶促反应符合米氏方程规律时，在微元壳体内 ， (2-92)令，式中f为西勒（Thiele）准数，其物理意义是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的f的定义式为将(2-92)式转化为无因次形式，得 (2-93)边界条件：， ，该微分方程无解析解，只能用数值法求解。 (2-94)引入无因次参数，则 (2-95)同样，无解析解，只有数值解。由图210可知，b对hin影响不大，影响内部传递效率因子的主要参数西勒准数f。如果，则不随f变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力

26、，若，则，反应为内扩散所限制。为提高固定化酶内扩散效率，应设法减小f。减小f的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。下面将固定化酶外扩散限制与内扩散限制进行比较。表2-1 外扩散过程与内扩散过程的比较外扩散过程内扩散过程Da准数是决定外扩散效率因子的唯一参数准数是决定内扩散效率因子的主要参数Da准数定义：西勒准数定义：外扩散效率因子定义：内扩散效率因子定义：Da1，过程为外扩散控制，Da准数越大，越趋近于零。0.3时，1，过程为内扩散控制。2.4 酶的失活动力学2.4.1 未反应时酶的失活动力学2.4.1.1 一步失活模型(one step model) 多数酶的失活符合一步失活模型。其反应机制

27、为式中，E为具有活性的酶，D为失活的酶。kd为失活反应速率常数。建立酶失活动力学方程： （296） 边界条件： 积分，得 （297） 几个概念： ：一步失活常数。：半衰期，当 ：时间常数， 三者关系： ， （298）2.4.1.2 多步失活模型 ( multi step model ) 多步串联失活模型：酶的失活经历多步，即可划分为 同步失活模型：全部酶分子可划分为热稳定性不同的若干个组分，每个组分均符合一步失活模型。对同步失活模型，全部酶中残存活性酶的比率 （299）式中，为失活速率常数为的酶组分的分率。因此，2.4.1.3 温度对酶失活的影响 温度对酶失活的影响体现在改变酶失活速率常数上。

28、对一级失活模型，有 失活反应Arrhenius方程 （2100）式中， 失活反应Arrhenius方程的指前因子 失活反应活化能一般蛋白质的变性或失活的活化能在125kJ/mol以上，高于一般化学反应的活化能（2083kJ/mol），这意味着酶失活对温度十分敏感。同时考虑温度和时间对酶失活影响的关系式 （2101） 教材中P35图211是根据上式绘出的图形。可以看出时间和温度对酶失活的双重影响。在同一温度下保温时间越长，残存酶活力越低。2.4.2 反应中酶的热失活动力学 酶的稳定性与酶的寿命直接相关，因此至关重要。酶在反应中的稳定性称为操作稳定性。酶的操作稳定性测定方法：分批测定法、连续测定法

29、、圆二色性分析法。 一定的酶促反应都是由正向的酶促反应与酶的失活反应的复合。当时间一定，随温度的升高，反应速率增大，转化率提高，但当温度高于某一值时，由于酶的热失活速率加快，当快于酶促反应速率上升的速度时，酶的总反应速率下降，最终降为零。 对某一反应时间，就有一与最高转化率对应的温度，该温度称为最佳温度。不同的反应时间，有不同的最佳温度。最佳温度是温度对酶促反应速率和酶失活速率双重作用的结果。2.4.2.1 反应中酶的失活模型 （2103） （2104） （2105）按此模型推导其失活动力学方程： （2107） （2108） （2109）方程联立求解，得 （2110）（式中，）讨论：（1）d1

30、时，1，反应时与未反应时酶的失活速率完全相同。从反应机制中可以看出，d1时，复合物ES与游离酶E失活速率常数完全相同，表明底物对酶失活无影响。（2）d0时，取最小值，反应时酶失活速率达到最低。从反应机制中可以看出，d0时，复合物ES完全不失活，或者说酶完全被底物所保护。（3）0d1时，反应时酶失活速率低于未反应时酶失活速率。从反应机制可以看出，0d1时，反应时酶失活速率高于未反应时酶失活速率。从反应机制中可以看出，d1时，复合物ES失活速率常数大于游离酶E失活速率常数，或者说底物加速酶的失活。由上述分析可见，d反映了底物对酶失活速率的影响，因此称d为底物对酶稳定性影响系数。微生物反应动力学微生

31、物反应过程的计量学和能量衡算 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数 对各元素做元素平衡，得到如下方程: 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 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s 碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示： 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0.40.9

32、。 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。 反复分批式操作 是指分批操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照分批式操作方式，反复进行。 半分批式操作 又称流加操作，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。 反复半分批式操作 指流加操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的

33、基质，再按照流加操作方式进行，反复进行。 连续式操作 指在分批式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（如反应液体积等）不随时间变化的操作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物反应等多采用连续式操作。流加操作中有关参数的控制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，

34、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。4Monod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

35、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：米氏方程：经验方程理论推导的机理方程方程中各项含义：生长比速(h-1)max：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

36、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：则： 根据元素平衡式，有C： H： O： 联立求解，得 所以，可确定该反应的质量量平衡式为：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

37、n分裂时，有如下式子：，式中：为倍增时间，为世代时间。 证： 边界条件： 积分，得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，（1）采用基本

38、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。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：，解得，即氧

39、的消耗量为300mol。根据元素平衡，有C： H：N：O：联立方程求解，得酵母菌体的化学组成为。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；（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） （16-1）边界条件：对（16-1）式积分，得 （16-2） 以作图，将得一条直线，直线斜率为。 根据已知数据，计算，列入表中，并绘制曲线。t / h00.51.01.52.0X（g/L）0.100.150.230.340.51ln (X/X0)00.4050.8331.221.63ln (X/X0)t / h由图中可知，直线斜率为0.82，因此。（2）该微生物每次分裂产生3个新细胞，故 （16-3） （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