第五章微生物反应器操作

第五章复习题4．答：连续培养的稳定状态，是指菌体的生长与反应液的排放、基质的流加与反应消耗及反应液排放、产物的生成与反应液排放达到了动态平衡，因此菌体浓度、基质浓度、产物浓度保持恒定，即0,0,0dtdPdtdSdtdX。但仅有0,0,0dtdPdtdSdtdX，并不一定是稳定状态。如菌体因生长环境不利出现了死亡时，也满足0,0,0dtdPdtdSdtdX，但不能说是稳定状态，此时是一种静止状态，而不是动态平衡。5．解：诱导期结束时的菌体量：DOADOADOAOXXfXXfXXXXX0000)1(菌体在tl时间后开始指数型繁殖，因此XdtdX边界条件：DOAlXXfXtt0)1(,积分，得)](exp[])1[(0lDOAttXXfX，如图所示。当)](exp[)(,00lDOAttXXXf；当)](exp[)2.1(,2.00lDOAttXXXf当)](exp[)4.1(,4.00lDOAttXXXf当)](exp[)6.1(,6.00lDOAttXXXf当)](exp[)8.1(,8.00lDOAttXXXftlX0(1+fA)X0-XD0tX6．答：设菌体生长比速为，菌体浓度为X，则菌体生长速率为X。为保证菌体生长速率不变，应采取指数流加方式，控制稀释率D，此时流加操作可达到拟稳态，即0dtdX，菌体生长速率uXDX。7．答：微生物的生长可用莫诺方程表达，即SKSSmax分批培养中菌体生长速率：XSKSXdtdXSmax连续培养中菌体生长速率：DDKSDYDXPSinSXXmax/8．已知：,/5.0,1.0,/10,/10/13kgkgYhDhkgPmkgXSXX31max/05.0,15.0mkgKhS解：连续培养中，DXVPX培养液体积)(10101.0103mDXPVX面包酵母生长模型可采用Monod方程，连续培养中，DDKSYXSinSXmax/流加基质浓度)/(1.201.015.01.005.05.0103max/mkgDDKYXSSSXin9．解：具有抑制作用的生长模型为SiiSCKCKS)/1(max恒化器进行抑制作用的连续培养的数学模型：D)(/outinSXSSYXDDKCKSiiSoutmax)/1(菌体生产速率：DDKCKSDYDXiiSinSXmax/)/1(对DX求一阶导数，在一阶导数为零时的稀释率Dmax下PX取得最大值。2maxmax/max/)()/1()/1()(DKCKDYDDKCKSYdDDXdiiSSXiiSinSX令0dtdPX，解方程，得)(0037.00.1)01.0/05.01(0.1)01.0/05.01(0.1105.0)/1()/1(11maxmaxhSKCKKCKDiniiSiiS)]/([104.30037.005.00037.0)01.0/05.01(0.10.11.00037.0)/1()(4maxmaxmax/maxmaxhlgDDKCKSYDDXiiSinSX没有抑制作用时：)(0147.00.10.10.1105.011maxmaxhSKKDinSS)]/([106.80147.005.0147.00.10.11.00147.0)(4maxmaxmax/maxmaxhlgDDKSYDDXSinSX由此可见，有抑制作用时，菌体最大产率下降，maxD下降。10解：生长符合莫诺模型，故SKSSmax方程可变形为，maxmaxSKSS以SS~作图，为一直线，直线斜率为max1，截距为maxSK。根据实验数据绘图：y=3.5701x+0.452R2=0.999802468101201234S(g/L)S(g/L)0.050.31.02.03.0(h-1)0.0800.200.250.260.27S/(gh/L)0.631.547.711.1由图中可知，截距为0.452，斜率为3.570。故，452.0,570.31maxmaxSK所以，)/(13.0),(28.01maxLgKhS12．解：（1）连续培养中，发生冲出现象时，XDdtdX)(max边界条件：0,0XXt积分，得：tDXX)(lnmax0故，)(37.00.16.0ln415.0ln110maxhXXtD（2）连续培养稳态下，罐内基质浓度)/(35.22.037.02.02maxLgDDKSSout14．解：由实验数据可知，菌体浓度不断下降，流加操作为动态过程。对流加操作中的菌体进行衡算：XFVXdtdVXdtVXddtdXV)(所以，XDdtdX)(因SKS，有max／S(gh/L)y=-0.4471xR2=0.9943-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.2001234t(h)故，XDdtdX)(max边界条件：0,0XXt积分，得tDXX)(lnmax0以tXX~ln0作图，应为一直线，直线过原点，斜率为Dmax。根据实验数据，绘制实验曲线。t00.51.01.52.02.53.03.5X/X01.00.860.670.50.430.330.260.2ln(X/X0)00.150.40.690.841.111.351.61由图中可知，直线斜率为0.447，故45.0maxD)(55.045.00.145.01maxhD15．证：根据菌体得率定义：XdtdSXdtdXdSdXYSX/根据产物得率定义：XdtdSXdtdPdSdPYSP/恒化器法培养中，Dln(x/x0)y=5.7865x+0.095R2=0.997400.511.522.5300.10.20.30.40.5S(g/L)所以，DYYYYSXSPSXSP////16．根据实验数据，以SS~作图。S(g/L)0.400.330.180.100.0710.0490.0380.0200.014(h-1)0.1610.1690.1690.1490.1330.1350.1120.09090.0735S/(gh/L)2.481.951.070.670.530.360.340.220.19由图中可知，直线斜率为5.787，截距为0.095，故，787.51maxr，095.0maxrKS解得，)(2.01maxh，)/(02.0LgKS／S(gh/L)