发酵工程原理课后习题

发酵动力学习题
第一章
1. 硫杆菌将硫氧化为硫酸，∆G0=-494 kJ/mol，同化1g碳需氧化30 g硫，求硫杆菌生长的标准自由能效率。

2. Spirophyllum ferrugineum将FeCO3氧化，利用其自由能固定CO2，生成Fe(OH)3，因而将将铁矿石中的铁溶出。

反应如下：
4FeCO3+O2+6H2O−→4Fe(OH)3+4CO2, ∆G0=-41.9 kJ/mol
若标准自由能效率为0.03，生成1 g菌体要氧化多少FeCO3？
3. 氢单孢菌进行以下反应：
H2+1/2 O2−→H2O ∆G0=-240 kJ/mol
固定1 mol CO2氧化7 mol H2，求标准自由能效率。

4. 将S. agalactiae在含有葡萄糖和酪蛋白水解物的复合培养基中培养时，菌体的生长得率Y X/S为21.4 g菌体/mol葡萄糖,乳酸、醋酸、甲酸和乙醇的得率（Y P/S）分别为1.50，0.25，0.33和0.14 g/mol。

计算-∆H C和Y C。

5. 将Aerobacter aerogenes在以葡萄糖为唯一碳源的基本培养基中培养时，得到以下数据：μ=0.4 h-1，Q S=15.4 mmol/g/h，Q P=10.2 mmol/g/h。

假定同化的葡萄糖不产生ATP，1 mol葡萄糖异化代谢形成丙酮酸时产生2 mol ATP，每形成1 mol醋酸时则形成1 mol ATP，求Y ATP。

6. 在以葡萄糖为唯一碳源的培养基中连续培养Rhodopseudomonas spheroides时得到如下结果：
μ (h-1) Q S (mmol/gh) Q O2 (mmol/gh) Q CO2 (mmol/gh)
0.051 0.70 1.44 1.66
0.097 1.09 2.28 2.36
0.143 1.77 2.64 2.72
0.167 1.89 3.57 3.48
问该过程是否有产物形成？计算Q P，RQ，Y X/O，Y X/S，m O，以及Y GO（已知α3＝72 g C/mol，α2＝0.5 g/g，B=42 mmol/g）。

7. 大肠杆菌DH5α及其耐乙酸突变株DA19在基本培养基中分批培养，结果如下：
菌株菌体浓度(g/L) 乙酸(g/L) μ max (h-1) Y X/G (g/g) Y A/X (g/g)
DH5α0.46 0.60 0.16 0.24 1.31
DA19 0.69 0.20 0.48 0.36 0.28
已知DH5α的菌体含碳量为0.44705％，DA19的菌体含碳量为0.46125％，根据两个菌株在分批培养过程中的菌体关于葡萄糖的得率Y X/S，乙酸关于葡萄糖的得率Y A/S，计算二者葡萄糖异化代谢占所耗葡萄糖的比例，以及通过TCA循环消耗葡萄糖的比例，并加以讨论。

8. 大肠杆菌DH5a和DA19的菌体组成分别可用CH1.756O0.506N0.217和CH1.763O0.480N0.224（分别含灰分7.310和5.505％），在基本培养基中分批发酵有产物乙酸形成（见上表）。

建立两个菌株的化学计量关系方程，计算碳平衡和可利用电子平衡。

第三章分批培养
1. 某微生物在一含0.3 %（w/v）葡萄糖的简单培养基中培养，其在波长420nm的光密度（OD420）随时间的变化见下表第一列。

将同一微生物接种到一含0.15%葡萄糖和0.15%乳糖培养基中，OD420随培养时间的变化见下表第二列。

如果OD420与菌体浓度有线性关系，而且0.175光密度相当于0.1
mg 干菌体/ml 。

假定培养结束时营养耗尽，根据下表数据求出最大比生长速率μmax ，延迟期t lag ，总菌体得率（Y X/S ），并解释两种情况菌体生长曲线的差别。

时间(h) OD 420 (1) OD 420 (2) 时间(h)
OD 420 (1) OD 420 (2) 0 0.06 0.06 4.5 0.44* 0.43 0.5 0.08 0.06 5.0 0.52* 0.48 1.0 0.11 0.06 5.5 0.52* 0.50 1.5 0.14 0.07 6.0 0.52 2.0 0.20 0.10 6.5 0.30* 2.5 0.26 0.13 7.0 0.42* 3.0 0.37 0.18 7.5 0.50* 3.5 0.49 0.26 8.0 0.50* 4.0 0.35* 0.32
*测定OD 时将样品稀释一倍。

2. 发现一种新的微生物，每次分裂得到3个子细胞。

从以下的生长数据计算该微生物连续两次分裂之间的时间间隔。

时间(h)
X (g/L) 0 0.10 0.5 0.15 1.0 0.23 1.5 0.34 2.0
0.51
3. 大肠杆菌DH5α及其耐乙酸突变株DA19在以葡萄糖为限制性底物的基本培养基中分批培养，结果见下表。

已知乙酸对大肠杆菌的生长具有抑制作用，当大肠杆菌的比生长速率不超过临界比生长速率μc 时，没有乙酸生成，当比生长速率超过μc 时，乙酸比生产速率随比生长速率的增加而指数增
说明：大肠杆菌的生长速率可用式(1)表示，乙酸生产速率可用式(2)表示：
A
K K S K S
I I
S m ++=
μμ
(1) ⎩⎨
⎧≤>--=)
(0
)(]1)[exp(c c c A Q μμμμμμα
(2)
其中S 为葡萄糖浓度，A 为乙酸浓度。

4. 甘油发酵培养基含不同玉米浆时结果见下3个表。

计算甘油生产菌株的Y G 、m 、Y P ，以及不同玉米浆浓度下葡萄糖用于菌体生长、维持和甘油合成的比例。

玉米浆含6g/L ： 时间(h) 0 8 16
24
32 40 48 56 64 72 78 菌浓(g/L) 1.66 11.62 17.85 19.59 21.58 22.08 22.97 23.49 23.66 23.74 23.82 糖(g/L) 182.1 161.6
134.8 111.2 90 71.7 54.6 37.2 22.2 8.7 0.6 玉米浆含9g/L ： 时间(h) 0 8 16 24 32 40 48 56 61 菌浓(g/L) 1.41 13.45 20.75 23.66 24.98 25.56 26.15 26.56 26.56 糖(g/L) 176.3 149.5 123.4 94.6 67.6 45.9 24.8 4.8 0 甘油(g/L)
7.3
16.9
29
40.3
51.4
63.1
71.5
72.9
玉米浆含12g/L ： 时间(h) 0 8 16 24 32 40 48 菌浓(g/L) 1.33 12.7 24.24 29.63 30.88 32.12 33.53 糖(g/L) 169.1 140.9 106.5 81.8 53.2 27.3 3.4 甘油(g/L) 0
1.8
10.7
23.8
35.6
46.3
59.8
第四章 连续培养
1. 已知连续培养的加料速率为15 L/h ，料液中的葡萄糖浓度S 0为10 g/L ，选择以下反应器操作方式中何者细胞生产率最高。

假定反应器体积V 1+V 2=100 L ，且V 1＝V 2。

微生物的生长遵循Monod 方程，且 m =0.4 h -1，K S =2 g/L ，Y X/S =0.5 g/g 。

A
B
C
2. 证明两级连续反应器系统中第二级反应器中微生物浓度不会高于第一级浓度的1.718倍。

3.用葡萄糖为限制性基质的培养基连续培养大肠杆菌。

培养基中葡萄糖浓度为0.968 g/L 。

培养结果如下：
D (h -1) S (g/L) X (g/L) 0.06
0.006 0.427 0.12 0.013 0.434 0.24
0.033 0.417 0.31 0.040 0.438 0.43 0.064 0.422 0.53 0.102
0.427 0.60
0.122 0.434
0.69 0.170 0.430
0.71 0.221 0.390
0.73 0.210 0.352
计算：
（1）μm，K S；（2）m，Y G；（3）Y GO；
（4）若菌体分子式可粗略地用C5H7NO2表示，计算化学计量关系中的系数：
C6H12O6+a NH3+b O2=c C5H7NO2+d CO2+f H2O
假定μ=0.5h-1，且无其它产物生成。