(完整word版)生物反应工程原理

1.微生物反应与酶促反应的主要区别？

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。微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富。

（5）微生物反应产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高。

（6）相对于酶反应，微生物反应废水有较高BOD值。

2. 何为连续培养的稳定状态？当时，一定是微生物连续培养的稳定状态吗？

答：连续培养是将细胞接种于一定体积的培养基后，为了防止衰退期的出现，在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；与此同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。

连续培养的稳定状态时，此时反应器的培养状态可以达到恒定，细胞在稳定状态下生长。在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定，细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。理论上讲，该过程可无限延续下去。细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响，特别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺，维持在一个较低的水平，从而使他们的利用效率提高，有害产物积累有所减少。

当时，不一定是连续培养的稳定状态。最主要的是菌种易于退化。可以设想，处于如此长期高速繁殖下的微生物，即使其自发突变几率极低，也无法避免变异的发生，尤其发生比原生产菌株生长速率高、营养要求低和代谢产物少的负变类型。其次是易遭杂菌污染。可以想象，在长期运转中，要保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其困难的。在高的稀释率下，虽然死细胞和细胞碎片及时清除，细胞活性高，最终细胞密度得到提高；可是产物却不断在稀释，因而产物浓度并未提高；尤其是细胞和产物不断的稀释，

营养物质利用率、细胞增长速率和产物生产速率低下。此时，即使满足公式条件，也不再是连续培养的稳定状态了。因此，不能完全以此来观测连续培养的稳定状态。

3．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， 300 = b ，即氧的消耗量为300mol 。

微生物反应过程反应方程式：

碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO 2+H 2O

为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。

如果碳源由C 、H 、O 组成，氮源为NH 3，细胞的分子式定义为CHxOyNz ，忽略其他微量元素P 、S 和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。

2232fCO O eH N O dCH N O cCH bNH aO O CH w v u z y x n m +++→++

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：

wd

zc b N f

e vd yc a n O e

ud xc b m H f

d c C +=+++=+++=+++=:22:23:1: O 2的消耗速率与CO 2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： 22O CO RQ =

平衡生长条件下微生物细胞的生长速率r x 的定义式为

式中X 为微生物的浓度，μ为微生物的比生长速率，其除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素所影响。由上式可知，μ与倍增时间(doubling time) t d 的关系为：

d

d t t 693.02ln ==μ

4. 提高好氧发酵供氧能力的手段有机械搅拌,通风等方法,这俩种方法那种更有利于提高供氧？为什么？

答：两种供氧方式各有长处和不足，适当选取供氧方式能提高供氧效率。

影响发酵罐中氧气传递的因素有三个：（1）操作条件（搅拌转速，通气量）；（2） 发酵罐的结构和几何参数；（3） 物料的物化性质。

机械搅拌可以从下列几个方面改善溶氧速率：

（1）把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，因此接触时间就增长。

（2）使液体作涡流运动，气泡作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气泡的接触时间。

（3）使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大KLa 值。

（4）使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一。同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。

优点: 搅拌功率高，具有良好的气液分散功能，因而溶氧速度高。

缺点： 过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞损伤，特别对丝状菌的发酵类型，更应考虑到剪切力对菌体细胞的损伤。

对于单细胞生物如球状或杆状的细菌、酵母、等耐受剪切力比较强，宜采用机械搅拌供氧； 通气供氧：把无菌的空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度较低故向上运动，而上部的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合和传质。

优点：反应溶液分布均匀，综合循环速率高；较高的溶氧速率和溶氧效率 较高的气含量和比气液接触面积；剪切力小没有机械搅拌叶轮，故剪切力小。