生化工程
主 讲：堵国成 郑志永 吴剑荣
教授 詹晓北 教授 副教授 杨海麟 副教授 副教授 陈 坚 教授
第四章 细胞反应动力学
郑志永 副教授
动力学是什么？
? 是发动机、电动机提供动力？ ? 动力学：研究力与运动的关系。 ? 一级方程式赛车索伯车队的负责人彼得?索伯认为:“如果
您了解一下能够影响到一级方程式车赛的所有相关工程因 素,您会发现其中的70%是空气动力学.功率~速度~流场 ? 生化反应动力学：研究生化反应速率变化的工程科学。 – 生化反应的推动力~反应速率~反应过程的数学描述
? 反应速率:单位时间内反应物的浓度变化(如dS/dt)
为什么要研究反应动力学？
? 反应动力学~数学建模~数学表达式；
? 数学建模是用数学语言来描述实际现象的过程； ? 对生化反应现象的数学抽象~反应速率方程~求解
方程~反应物的浓度变化进程；
? 科学家研究并理解了生化反应的规律，但机器和 电脑不知道。如何让机器知道这样一种规律，就 需要将我们的语言翻译成数学语言，最后实现生 化反应的机器学习和自动控制；
? 因此需要研究反应动力学。
4.1 化学计量学
4.1.1 简介
? 一个活的细胞 = 一个复杂的化学反应器
化学反应
物质限制 能量限制 热力学原理
化学反应的一些概念也可以应用到生物系统中来。
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? 代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢
合成代谢
小分子 大分子
分解代谢 —— 营养物的降解
C源 N源 P源 S源
小分子 大分子
分解代谢
小分子 能量
培养基
代谢产物
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? 培养基组成 = 营养物的降解
细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成分用于合 成细胞壁，蛋白质，酶，脂肪等物质和细胞构成单元。
元素的基本来源
Element
Source
Carbon (C)
CO2, Sugar, Proteins, fats
Nitrogen (N)
Proteins, NH3, NO2-
Sulfur (S)
Proteins, SO42-
Phosphorus (P)
Hydrogen (H) Oxygen (O)
PO43H2O, Medium components
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? 产物合成
醇 (乙醇), 有机酸 (乳酸, 柠檬酸,氨酸酸),抗生素, 酶…… 这些物质的大量合成，对于微生物细胞的正常功能维持可能是 没有必要的或者是无用的，但对于人类却是很有价值的。
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(II) 化学计量学 得率系数
Substrates
( ?S1 ) (?S2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
Cells ( ?X)
Products ( ?P1 )
(?Sn )
(?Pn )
Simplest Macroscopic View of Growth
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(a) 元素平衡
一个典型的细胞组成可以表示为：
CH1.8O0.5N0.2
We postulate one mole of biological material would be
defined as the amount containing one mole of carbon,
such as,
CHαOβNδ
Consider the following simplified biological conversion
in which no extracellular products other than H2O and CO2:
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHαOβNδ + d H2O + e CO2
where CHmOn : 1mole of carbohydrate; CHαOβNδ : 1mole of cellular material.
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CHmOn + a O2 + b NH3
c CHαOβNδ + d H2O + e CO2
Simple elemental balances on C, H, O and N yield the following equations:
C 1=c+e H m + 3b = cα + 2d
O n + 2a = cβ + d + 2e
N b = cδ
The respiratory quotient:
RQ
=
e a
which denotes the moles of carbon dioxide (CO2) produced per moles of oxygen (O2) consumed. It provides an indication of metabolic state, and can be used in
process control.
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(b) 其它定义
? 得率系数
YX
S
=
ΔX ΔS
=
biomass produced mass of substrate consumed
=
c ? MWcell 1 ? MWsubstrate
YP
S
=
ΔP ΔS
=
amount of product mass of substrate consumed
=
d ? MWproduct 1 ? MWsubstrate
YX
ATP
=
amount of biomass synthesized moles of ATP generated
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? Regularity
Some parameters are nearly the same irrespective of the species or substrate involved: 0.462 g carbon in biomass per gram of dry biomass;
typical bacteria composition: CH1.8O0.5N0.2
And most measured values of YX/S for aerobic growth on glucose are 0.38~0.51 g DW/g glucose.
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? YX/S值保持不变的条件： – 化学合成培养基 – 唯一碳源 – 无胞外产物或生长偶联型 – 胞内不积累贮藏性能源物质
? YX/S的应用 – 在实际发酵过程中常常随不同生理状态而变化 – 明确底物的消耗状况 – 跟踪营养物的流向
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第七章配合物反应动力学 部门： xxx 时间： xxx 整理范文，仅供参考，可下载自行编辑
第七章配合物反应动力学 研究范围：取代、氧化还原、异构化、加成与消除、配体上进行的 反应 第一节配合物的反应类型 1、取代反应 [Cu(H2O>6]2+ + NH3 [Cu(NH3>4(H2O>2]2+ + H2Ob5E2RGbCAP [Mo(CO>6] + bipy [Mo(CO>4bipy] [Cr(H2O>6]3+ + Cl? [Cr(H2O>5Cl]2+ + H2O 2、氧化还原反应 [Os(bipy>3]2++ [Mo(CN>6]3?[Os(bipy>3]3+ + [Mo(CN>6]4?p1EanqFDPw 3、异构化反应 cis-[CoCl2(en>2]+ trans-[CoCl2(en>2]+ [Co(-ONO>(NH3>5]2+ [Co(-NO2>(NH3>5]2+ 4、加成和消除反应 [IrICl(CO>(PPh3>2] + H2 [IrIIIClH2(CO>(PPh3>2]DXDiTa9E3d [PtIICl2(NH3>2] + Cl2 [PtIVCl4(NH3>2] cis-[PtIVHCl2Me(PEt3>2] cis-[PtIICl2(PEt3>2] + CH4RTCrpUDGiT 5、配体的反应
第二节取代反应动力学 定义：配离子中一个配体被另一个自由配体取代的反应。 例：L5M-X+Y L5M-Y+X 一、取代的反应机理 1、SN1和SN2机理 <1）离解机理 生物反应工程原理复习资料 生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。 生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。 酶和酶的反应特征 酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。 酶的来源：动物、植物和微生物 酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶 酶的性质：1）催化共性：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常数。 2)催化特性：①较高的催化效率 ②很强的专一性 ③温和的反应条件 易变性和失活 3）调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等 固定化酶的性质 固定化酶：在一定空间呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。 与游离酶的区别： 游离酶----一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用） 固定化酶--能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响；一般情况下稳定性有所提高；以离子键、物理吸附、疏水结合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性） 固定化对酶性质的影响：底物专一性的改变 、稳定性增强 、最适pH 值和最适温度变化、动力学参数的变化 单底物均相酶反应动力学 米氏方程 快速平衡法假设：（1）CS>>CE ，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，因此ES 分解成产物不足以 破坏这个平衡 稳态法假设：（1）CS>>CE ，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）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 P E ES S E k k k +→+?-2 1 1 P E ES +←ES S E ?+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES 第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学207、微生物新陈代谢的本质是什么？它包括了哪些内容？ 208、什么是生物酶及其酶促反应？ 209、在生化反应过程中酶所起的作用是什么？酶具有哪些特征？ 210、微生物的呼吸作用有哪几种类型？各有什么特点？ 211、试述好氧呼吸和厌氧呼吸的本质。 212、微生物生长曲线的研究在废水生物处理中的指导意义是什么？ 213、微生物内源呼吸的本质是什么？ 214、影响微生物生长的环境因素有哪些？各如何影响？ 215、ATP在生物反应过程中所起的作用是什么？ 216、试推导M-M方程式。 217、证明当μ＝μm/2时，Ks＝[S]0。 218、试根据能量代谢作用解释为何厌氧生物处理过程中所产生的剩余污泥量要比好氧生物处理少？ 219、试推导一级反应、二级反应的速率常数表达式。 220、何谓反应的半衰期？写出一级反应和二级反应的半衰期公式并对它们进行比较说明。 221、试分别推导完全混合间歇反应器、连续流完全混合反应器、串联运行的连续流完全混合反应器和推流式反应器的反应时间与出水中基质浓度间的关系表达式。 222、某城市污水日流量为5000 m3/d，进水BOD5为200 mg/L，要求经处理后出水中的BOD5浓度≤20 mg/l。假定反应为一级反应，速率常数为K＝0.75d－1 。试比较下列反应器系统所需的总容积。 （1）单个完全混合反应器（CSTR）； （2）两个串联运行的完全混合反应器（CSTR）； （3）四个串联运行的完全混合反应器（CSTR）； （4）推流式反应器（PF）。 223、测定反应器中液体质点停留时间的方法有哪些？试举例说明之。 224、何谓反应器的停留时间分布函数？ 225、反应器中的水流扩散度可用什么指标加以描述？理想的推流式反应器和理想法的 绪论 1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？ （1）原材料的预处理； （2）生物催化剂的制备； （3）生化反应器及其反应条件的选择和监控； （4）产物的分离纯化。 2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么 定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。 主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大 3. 生物反应过程的主要特点是什么？ 1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制备和改造 2.采用可再生资源 3.设备简单，能耗低 4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。 4. 研究方法 经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。 第1章 1. 酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专一性的机制。 催化共性:降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变. 催化特性:高效的催化活性;高度的专一性; 酶反应需要辅因子的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。 机制：锁钥学说；诱导契合学说 2. 什么叫抑制剂？ 某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。 3. 简单酶催化反应动力学（重点之重点） 4．酶动力学参数的求取方法(L-B法、E-H法、H-W法和积分法) L-B法: E-H法： H-W法： 积分法： S S ) (1) S c mI s m s s I I m i K C K ↓ ?++ 化学动力学基础（一） 一、简答题 1.反应Pb(C 2H 5)4=Pb+4C 2H 5是否可能为基元反应？为什么？ 2.某反应物消耗掉50％和75％时所需要的时间分别为t 1/2和 t 1/4，若反应对该反应物分别是一级、二级和三级，则t 1/2： t 1/4的比值分别是多少？ 3.请总结零级反应、一级反应和二级反应各有哪些特征？平行反应、对峙反应和连续反应又有哪些特征？ 4.从反应机理推导速率方程时通常有哪几种近似方法？各有什么适用条件？ 5.某一反应进行完全所需时间时有限的，且等于k c 0（C 0为反应物起始浓度），则该反应是几级反应？ 6. 质量作用定律对于总反应式为什么不一定正确？ 7. 根据质量作用定律写出下列基元反应速率表达式: （1）A+B→2P （2）2A+B→2P （3）A+2B→P+2s （4）2Cl 2+M→Cl 2+M 8.典型复杂反应的动力学特征如何? 9.什么是链反应?有哪几种? 10.如何解释支链反应引起爆炸的高界限和低界限? 11.催化剂加速化学反应的原因是什么? 二、证明题 1、某环氧烷受热分解，反应机理如下： 稳定产物?→??+?+??→??++??→??? +??→?432134 33k k k k CH R CH R CH RH CO CH R H R RH 证明反应速率方程为()()RH kc dt CH dc =4 2、证明对理想气体系统的n 级简单反应，其速率常数()n c p RT k k -=1。 三、计算题 1、反应2222SO Cl SO +Cl →为一级气相反应，320℃时512.210s k --=?。问在320℃ 加热90min ，22SO Cl 的分解百分数为若干？[答案：11.20%] 2、某二级反应A+B C →初速度为133105---???s dm mol ，两反应物的初浓度皆为 32.0-?dm mol ，求k 。[答案：11325.1---??=s mol dm k ] 3、781K 时22H +I 2HI →，反应的速率常数3-1-1HI 80.2dm mol s k =??，求2H k 。[答 案：113min 1.41---??=mol dm k ] 4、双光气分解反应32ClCOOCCl (g)2COCl (g)→可以进行完全，将反应物置于密 闭恒容容器中，保持280℃，于不同时间测得总压p 如下： [答案： 1.1581a =≈;-14-12.112h 5.8710s k -==?] 5、有正逆反应均为一级反应的对峙反应： D-R 1R 2R 32L-R 1R 2R 3CBr 已知半衰期均为10min ，今从D-R 1R 2R 3CBr 的物质的量为1.0mol 开始，试计算10min 之后，可得L-R 1R 2R 3CBr 若干？[答案：0.375mol] 6、在某温度时，一级反应A →B ，反应速率为0.10mol ·dm -3·s -1时A 的转化率 为75%，已知A 的初始浓度为0.50mol ·dm -3，求(1)起始反应初速率；(2)速率常数。[答案：r 0=0.40s -1 ; k = 0.80 dm 3·mol -1·s -1 ] 7、在某温度时，对于反应A+B →P ，当反应物初始浓度为0.446和0.166mol ·dm -3 时，测 得反应的半衰期分别为4.80和12.90min ，求反应级数。[答案：2] 8、某二级反应，已知两种反应物初始浓度均为0.1mol ·dm -3，反应15min 后变 1补料分批培养主要应用在哪些情况中？ ①生长非偶联型产物的生产②高密度培养③产物合成受代谢物阻遏控制④利用营养缺陷型菌株合成产物⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。 2比较理想酶反应器CSTR型与CPFR型的性能？ 答： A停留时间的比较： 在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，两者所需的停留时间不同，CSTR型的比CPFR型反应器的要长，也就是前者所需的反应器体积比后者大。另外，以对两反应器的体积比作图可知，随反应级数的增加，反应器的体积比急剧增加。 B酶需求量的比较： 对一级动力学： 转化率越高，CSTR中所需酶的相对量也就越大。另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，0级反应时其比值最小。 C酶的稳定性：0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。但是，如上所述，在某些场合，操作条件相同，要得到同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。 D反应器中的浓度分布： CSTR与CPFR中的底物浓度分布。由图可知，在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物浓度较高；CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。 3试着分析目前连续式操作难以大规模应用的原因？ 连续培养的工业生产应用的受限原因（连续培养的应用主要集中在研究领域）。 (1)杂菌污染问题。因连续培养以长期、稳定连续运转为前提，在整个培养过程中，必需不断地供给无菌的新鲜培养基，好氧发酵时，必需同时供给大量的无菌空气，这两种供给的过程中极易带来杂菌的污染，长期保持连续培养的无菌状态非常困难。 (2)变异问题。因工业化生产所用菌株大都是通过人工诱变处理的高度变异株，在长期的连续培养过程中容易使回复突变菌株逐渐积累，最后取得生长优势。 (3)成本问题，为降低成本,其一要使原料以最大的转化率和最大的产率转化为产物；是使发酵终了液中含有尽可能高的产物浓度，以缩小产物分离提取系统的规模和操作的费用。一些发酵过程其产物的分离提取费用约占生产总成本的40%以上；而对于大多数抗生素和精细化学品的发酵生产，其本身就是一个高成本分离过程的生产过程。而在连续培养过程中，流出的发酵液中产物浓度一般比分批培养、流加培养的低，结果加重了分离提取的负荷，在生产成本上没有竞争力。 4简述动植物细胞培养的特点难点，并与微生物细胞培养相比较 动植物细胞培养： 是一项将动植物的组织、器官或细胞在适当的培养基上进行无菌培养的技术。 动物细胞培养的特性 许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰，以及正确的切割、折叠后，才能形成与自然分子一样的功能和抗原性。这就使动物细胞一跃成为一种重要的宿主细胞，用以生成各种各样的生物制品。动物细胞体外培养具有明显的表达产物的优点，为传统微生物发酵所无法取代。 第十一章化学动力学基础1试题 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 第十一章 化学动力学基础(1)练习题 一、判断题： 1．在同一反应中各物质的变化速率相同。 2．若化学反应由一系列基元反应组成，则该反应的速率是各基元反应速率的代数和。 3．单分子反应一定是基元反应。 4．双分子反应一定是基元反应。 5．零级反应的反应速率不随反应物浓度变化而变化。 6．若一个化学反应是一级反应，则该反应的速率与反应物浓度的一次方成正比。 7．一个化学反应进行完全所需的时间是半衰期的2倍。 8．一个化学反应的级数越大，其反应速率也越大。 9．若反应 A + B Y + Z 的速率方程为：r =kc A c B ，则该反应是二级反应，且肯定不 是双分子反应。 10. 下列说法是否正确： (1) H 2+I 2=2HI 是2 分子反应；(2) 单分子反应都是一级反应，双分子反应都是二级反应。； (3) 反应级数是整数的为简单反应 (4) 反应级数是分数的为复杂反应。 11．对于一般服从阿累尼乌斯方程的化学反应，温度越高，反应速率越快，因此升高温 度有利于生成更多的产物。 12．若反应(1)的活化能为E 1，反应(2)的活化能为E 2，且E 1 > E 2，则在同一温度下k 1一 定小于k 2。 13．若某化学反应的Δr U m < 0，则该化学反应的活化能小于零。 14．对平衡反应A Y ，在一定温度下反应达平衡时，正逆反应速率常数相等。 15．平行反应C B A 21?→??→?k k ┤，k 1/k 2的比值不随温度的变化而变化。 16．复杂反应的速率取决于其中最慢的一步。 17．反应物分子的能量高于产物分子的能量，则此反应就不需要活化能。 18．温度升高。正、逆反应速度都会增大，因此平衡常数也不随温度而改变。 二、单选题： 1．反应3O 2 2O 3，其速率方程 -d[O 2]/d t = k [O 3]2[O 2] 或 d[O 3]/d t = k '[O 3]2[O 2]，那 么k 与k '的关系是： (A) 2k = 3k ' ； (B) k = k ' ； (C) 3k = 2k ' ； (D) ?k = ?k ' 。 2．有如下简单反应 a A + b B dD ，已知a < b < d ，则速率常数k A 、k B 、k D 的关系为： (A) d k b k a k D B A ＜＜ ； (B) k A < k B < k D ； (C) k A > k B > k D ； (D) d k b k a k D B A ＞＞ 。 3．关于反应速率r ，表达不正确的是： (A) 与体系的大小无关而与浓度大小有关 ； (B) 与各物质浓度标度选择有关 ； (C) 可为正值也可为负值 ； (D) 与反应方程式写法无关 。 4．进行反应A + 2D 3G 在298K 及2dm 3容器中进行，若某时刻反应进度随时间变 化率为0.3 mol·s -1，则此时G 的生成速率为(单位：mol·dm －3·s -1) ： (A) 0.15 ； (B) 0.9 ； (C) 0.45 ； (D) 0.2 。 5．基元反应体系a A + d D g G 的速率表达式中，不正确的是： (A) -d[A]/d t = k A [A]a [D]d ； (B) -d[D]/d t = k D [A]a [D]d ； (C) d[G]/d t = k G [G]g ； (D) d[G]/d t = k G [A]a [D]d 。 6．某一反应在有限时间内可反应完全，所需时间为c 0/k ，该反应级数为： (A) 零级 ； (B) 一级 ； (C) 二级 ； (D) 三级 。 7．某一基元反应，2A(g) + B(g)E(g)，将2mol 的A 与1mol 的B 放入1升容器中混 合并反应，那么反应物消耗一半时的反应速率与反应起始速率间的比值是： 第五章配合物的反应动力学 化学反应动力学研究的内容包括反应速率和反应机理。研究配合反应动力学主要有两个目的：一是为了把具有实用意义的化学反应最大效率地投入生产，必须研究这一反应所遵循的动力学方程和反应机理，从而获得必要的认识，以利于设计工艺设备和流程。二是希望通过化学反应动力学的研究，寻找化学变化时从作用物到产物过程中所发生的各步反应模式，在广泛实验基础上概括化学微观变化时所服从的客观规律性。 化学反应可能以各种不同的速率发生，有些反应慢得无法测定其变化，而另有一些反应则又太快，是人们难以测量其速率。根据不同的反应速率，可选用不同的实验技术来研究。适合于一般反应的实验方法有：直接化学分析法，分光光度法，点化学方法或同位素示踪法。五十年代以来，应用快速放映动力学的测定方法来研究配合物，大大扩充了配合物动力学的研究领域，目前已发展了二十多种快速实验技术，如横流法、淬火法、核磁共振和弛豫法等等。其中有些方法可以测量半衰期达到10-10秒的速度，接近于分子的扩散速度。 在化学反应中，通常发生旧的化学键的断裂核心的化学键的形成，因而从反应物到生成物的过程中，通常要发生反应物分子的靠近，分子间碰撞，原子改变位置，电子转移直到生成新的化合物，这种历程的完整说明叫做反应机理。反应机理是在广泛的实验基础上概括出的化学反应微观变化时所服从的客观规律性。它不是一成不变的，当新的信息被揭露或当新的概念在新科学领域得到发展的时候，反应机理也会随之变化。研究反应机理可以采用许多手段，如反应速率方程、活化热力学参数、同位素示踪法等。 有关配合物反应的类型很多，有配合物中金属离子的氧化还原反应、取代反应，配合物中配体得宠排（消旋化作用和异构化作用）以及配体所进行的各种反应、配位催化等。本章主要介绍配合物取代反应和盐化还原反应的动力学特性。 第一节配合物的取代反应 取代反应是配合物中金属-配体键的断裂和代之以新的金属-配体键的生成的一种反应。这种反应在配位化学中是极为普遍和重要的，是制备许多配合物的一个重要方法。对于不同配位数的配合物发生取代反应的情况也不完全相同。配位数为4和6的配合物取代反应研究得比较充分，在讨论具体取代反应前，先介绍几个有关的名词。 一、取代反应中的几个名词的说明 1．活化配合物和中间化合物 过渡态理论认为，反应物与一个设想的所谓活化配合物之间达到平衡，而这一活化配合物在整个反应中以同样的反应速率常数分解成产品，形成活化配合物所需的总能量是活化能。从反应物到产物所经过的能量最高点称过渡态。而活化配合物和过渡态是有区别的，过渡态是一个能态，活化配合物是设想在这一能态下存在的一个化合物。另外，有一些反应，从反应物到产物之间会生成一种中间化合物。如图5-1所示。 从反应物到产物之间生成了一个中间化合物，它是客观存在的一个化合物，在许多反应体系中能把它分离出来，或采用间接方法推断出来。 2．活化配合物和惰性配合物 配合物的取代反应速率差别很大，快的反应瞬间完成，慢的反应要几天，甚至几个月，所以在动力学上，将一个配离子中的某一配体能迅速被另一配体所取代的配合物称为活性配合物，而如果配体发生取代反应的速率很慢称为惰性配合物。但活性配合物和惰性配合物之间也没有明显的分界线，需要用一个标准来衡量。目前国际上采用H.Taube所建议的标准：即在反应温度为25℃，各反应物浓度均为0.1mol·L-1的条 填空题 1理想的酶反应器主要有两种：CPFR和CSTR 2养的传递有串联模型和并联模型（不好这样说） 3KLa中a大小取决于所设计的空气分布器，空气流动速率，反应器的体积和空气泡的直径等且空气泡的直径越小，越有利于传递 4的物理意义是最大反应速率和最大传质速率之比。Da准数越小，固定化酶表面浓度[S]s越是接近主题浓度[S],辨明最大传质速率越是大于最大反应速率，为反应控制。Da准数越小，越好。 5内部扩散与催化反应是同时进行的，二者相互影响，外扩散通常是先于反应。 6影响固定化酶促反应的蛀牙因素是：分子构象的改变，位阻效应，微扰效应，分配效应和扩散效应 7有效电子数：当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的摩尔系数的4倍称为基质的有效电子数若碳源为葡萄糖，其完全燃烧是每摩尔葡萄糖需要 6mol，所以有效电子数是24，氧化一个有效电子伴随着焓值变化109.0KJ.即 8通过对细胞和环境之间能量的交换关系的研究，为培养基中（组分）的选择提供参考 9影响酶催化反应的环境因素有（温度），（pH），浓度等。影响酶催化反应的浓度因素有（底物浓度）和（效应物浓度）。影响酶催化反应的最基本的因素是（浓度）。 10反应器放大的目的是使产品的（质优）和（成本低效益好）；必须使菌体在大中小型反应器中所处的外界环境（相同）。 11若要消除外扩散限制效应，最常用的方法是（）；若是要消除内扩散限制效应，最常用的方法是（）。 12影响机械通气搅拌发酵过程中体系溶氧系数的因素有（操作变量），（培养液的理化性质），（反应器的结构）。 13根据Garden模型，如果产物和细胞的速率-时间曲线的变化趋势同步，则该产物的生成模型是（）。 15对米氏方程的讨论 当CS< XX研究生课程考试试卷 （ XXXX 学年第 1 学期） 考试科目： 生物反应工程 （A卷） 考试班级： XXXXX 考试形式： 开 （开/闭卷） 考试时间： 120 分钟 考试人数： 命题人签名： 系分管领导签名： 1、请列出下列物理量的数学表达式 (5’) 停留时间 \ 呼吸商 \ 稀释率 \Da准数 \转化率 2、判断题(5’) 1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( ) 3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。( ) 4、Da准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da准数越大，外扩散效率越高。( ) 5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( ) 3、简答题 (每题10’) 1．实验测得分配系数KP 分别为（a） KP > 1，（2） KP = 1，（3）KP < 1，试从概念上说明载体颗粒与反应液之间的固液界面处底物浓度的变化情况。 2.CSTR、PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型酶反应器的性能。 3.莫诺方程与米氏方程的区别是什么？ 4、计算题(每题20’) 1.在甘露醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为 g/(L·min)，已知cso =6 g/L, Yx/s=0.1。试求： (1)当甘露醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的连续操作搅拌槽式反应器（CSTR）中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少? (2)如果要求大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，最佳的加料速率应为多少？大肠杆菌的生长速率为多大？ 2.假设通过实验测定，反应底物十六烷烃中有2/3的碳转化为细胞中的碳。 计算下述反应的计量系数 (1) C16H34+aO2+bNH3→c(C4.4H7.3O0.86N1.2)+dH2O+eCO2 (2) 计算上述反应的得率系数Y X/S(g干细胞/g底物)和Y X/O(g干细胞/g 氧) 5、文献阅读归纳(20’) 用100-200字简述所附文献提及课题研究和发展情况。 §2.8 酶促反应动力学（9章 P351） 一一一底物浓度对酶反应速率的影响 用反应初速度v对底物浓度[S]作图得P355 图9-6。 曲线分以下几段： 一1一OA段：反应底物浓度较低时v与[S]成正比，表现为一级反应， v = k[S]。 根据酶底物中间络合物学说，酶催化反应时，首先和底物结合生成中间 复合物ES，然后再生成产物P，并释放出E。 E + S = ES → P + E OA段上，底物浓度小，酶未被底物饱和，有剩余酶，反应速率取决于ES浓 度，与[S]呈线性关系，v正比于[S]。 一2一AB段：反应速度不再按正比升高，表现为混合级反应。此时酶渐渐为底物饱和，[E S]慢慢增加，v也慢慢增加，为分数级反应。 一3一BC段：反应速度趋于V max，为零级反应，酶促反应表现出饱和现象。此时底物过量[S]>[E], [E]已全部转为[E S]而恒定，因此反应速率也恒定，为最大反应速率，V m 为[E]所决定。 ax 非催化反应无此饱和现象。 酶与底物形成中间复合物已得到实验证实。 一一一酶促反应力学方程式 一1一米氏方程推导 1913年Michaelis和Menten提出并推导出表示[S]与v之间定量关系的米氏方程 V max[S] V = K m + [S] Km：米氏常数，物理意义为反应速率为最大速率V max一半时底物的浓度， 单位与底物浓度同。 推导：酶促反应分两步进行。 k1 k3 E + S ES → P + E k2 v = k3 [ES] 一般k3为限速步骤 v = k3 [ES] … ① 1.[ES] 生成速率： d[ES]/dt = k1([E] - [ES]) [S] 2.[E S]分解速率： 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， 第六章 生物反应动力学基础（张婷婷） 请对发现的文字错误及格式等进行修订，同时对我蓝色标出的要求进行补充完善。。注意此章节中公式编辑器所编辑的公式均可正常显示并编辑，所以不用更改为word 格式。辛苦了，谢谢！孔秀琴 一、底物降解速率 底物降解速率即每天每公斤活性污泥能降解多少公斤的BOD 5,其单位为： d kgVSS kgBOD ?/5，是反映生物反应器处理能力的重要参数。生物反应系统中，反应器 容积等重要参数是根据系统的底物降解速率（污泥负荷）来确定的。底物降解速率的函数关系式如下： S k S v Xdt dS s +=max （6-1） 式中： Xdt dS —比降解速率，单位 d -1 m a x v —最大比底物降解速率，即单位微生物量利用底物的最大速率 K S —饱和常数 X —微生物浓度 S —底物浓度 环境工程中，一般S 较小，当S K S ≤≤时，分母略去S ，并令 2max k k s =υ，,即可得下式： S k Xdt dS 2= （6-2） 上式积分可得：错误！未找到引用源。 t X t S S ??-=2k 0e （6-3） 那么已降解的底物含量为： ）（t X k t S S S S ??-?=-=2e -100 （6-4） 式中：?S —降解的有机底物浓度 0S —初始的有机底物浓度 t S —t 时刻剩余的有机底物浓度 上式中，因一般生物系统活性污泥浓度x 为定值，所以可令12k X k =，同时把已降解的底物浓度用BOD t 浓度代替，初始底物浓度用BOD U 代替,，即得下式： )1(1t k u t e BOD BOD ?-= （6-5） 即得5日生化需氧量和总需氧量之间的换算关系式： （6-6） 因C o 20时，23.01 =k ，则可得到： u BOD BOD 68.05= 环境工程中，用污泥负荷来表示有机物（底物）的降解速率，是特定工艺处理能力的度量参数。在工程设计中，在确定生物反应器的容积及排泥量等关键数据时，污泥负荷是重要的设计参数，其值的选取直接关系到整个工程的造价。根据工程参数所确定的污泥负荷定义式如下： Xt S S XV S S Q N e e ) ()(00-=-= （6-7） 式中：N —污泥负荷，单位kg/kgVSS ﹒d V —反应器的有效容积，单位m 3 污泥负荷即底物比降解速率，其函数关系式也可写作 S k S k S N s 2max =+=υ （6-8） 二、微生物增殖 有机底物经过微生物降解作用后，其中一部分经氧化产能代谢为H 20和CO 2、小分子的有机物等，一部分则通过微生物合成作用转变为新的细胞物质，表现为微生物的增殖，同时微生物还通过内源呼吸作用而不断衰亡，表现为污泥的衰减。所以底物降解和微生物增殖之间存在着必然联系。生物反应系统需要根据微生物的增殖速率来确定泥龄、进而确定剩余污泥排放量等重要数据，所以其相互之间的关系可用下式表示： d K Xdt dS Y Xdt dX -= （6-9） 第十一章 化学动力学基础(1)练习题 一、判断题： 1．在同一反应中各物质的变化速率相同。 2．若化学反应由一系列基元反应组成，则该反应的速率是各基元反应速率的代数和。 3．单分子反应一定是基元反应。 4．双分子反应一定是基元反应。 5．零级反应的反应速率不随反应物浓度变化而变化。 6．若一个化学反应是一级反应，则该反应的速率与反应物浓度的一次方成正比。 7．一个化学反应进行完全所需的时间是半衰期的2倍。 8．一个化学反应的级数越大，其反应速率也越大。 9．若反应 A + B Y + Z 的速率方程为：r =kc A c B ，则该反应是二级反应，且肯定不 是双分子反应。 10. 下列说法是否正确： (1) H 2+I 2=2HI 是2 分子反应；(2) 单分子反应都是一级反应，双分子反应都是二级反应。； (3) 反应级数是整数的为简单反应 (4) 反应级数是分数的为复杂反应。 11．对于一般服从阿累尼乌斯方程的化学反应，温度越高，反应速率越快，因此升高温 度有利于生成更多的产物。 12．若反应(1)的活化能为E 1，反应(2)的活化能为E 2，且E 1 > E 2，则在同一温度下k 1一 定小于k 2。 13．若某化学反应的Δr U m < 0，则该化学反应的活化能小于零。 14．对平衡反应A Y ，在一定温度下反应达平衡时，正逆反应速率常数相等。 15．平行反应C B A 21?→??→?k k ┤，k 1/k 2的比值不随温度的变化而变化。 16．复杂反应的速率取决于其中最慢的一步。 17．反应物分子的能量高于产物分子的能量，则此反应就不需要活化能。 18．温度升高。正、逆反应速度都会增大，因此平衡常数也不随温度而改变。 二、单选题： 1．反应3O 2 2O 3，其速率方程 -d[O 2]/d t = k [O 3]2[O 2] 或 d[O 3]/d t = k '[O 3]2[O 2]，那 么k 与k '的关系是： (A) 2k = 3k ' ； (B) k = k ' ； (C) 3k = 2k ' ； (D) ?k = ?k ' 。 2．有如下简单反应 a A + b B dD ，已知a < b < d ，则速率常数k A 、k B 、k D 的关系为： (A) d k b k a k D B A ＜＜ ； (B) k A < k B < k D ； (C) k A > k B > k D ； (D) d k b k a k D B A ＞＞ 。 3．关于反应速率r ，表达不正确的是： (A) 与体系的大小无关而与浓度大小有关 ； (B) 与各物质浓度标度选择有关 ； (C) 可为正值也可为负值 ； (D) 与反应方程式写法无关 。 4．进行反应A + 2D 3G 在298K 及2dm 3容器中进行，若某时刻反应进度随时间变 化率为0.3 mol·s -1，则此时G 的生成速率为(单位：mol·dm －3·s -1) ： (A) 0.15 ； (B) 0.9 ； (C) 0.45 ； (D) 0.2 。 5．基元反应体系a A + d D g G 的速率表达式中，不正确的是： (A) -d[A]/d t = k A [A]a [D]d ； (B) -d[D]/d t = k D [A]a [D]d ； (C) d[G]/d t = k G [G]g ； (D) d[G]/d t = k G [A]a [D]d 。 6．某一反应在有限时间内可反应完全，所需时间为c 0/k ，该反应级数为： (A) 零级 ； (B) 一级 ； (C) 二级 ； (D) 三级 。 7．某一基元反应，2A(g) + B(g) E(g)，将2mol 的A 与1mol 的B 放入1升容器中混 合并反应，那么反应物消耗一半时的反应速率与反应起始速率间的比值是： （1）微生物的热阻：微生物对热的抵抗力称为热阻。是指微生物在某一特 定条件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。表征不同微生物对热抵抗能力强弱的指标。 （2）有效电子数：1摩尔碳源完全氧化时，所需的氧的摩尔数的4倍，称 为该基质的有效电子数。 （3）k L a ：以(C *-C)为推动力的体积溶氧系数(h -1) （4）混合：指的是相同停留时间、不同空间位置的物料之间的一种以达到 均匀状态为目的过程。 （5）停留时间：指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所 经历的时间。） （6）写出定义式： 细胞生长得率Yx/s=生成细胞的质量（干重）/消耗底物的质量 选择性 1.何为生化工程，生化工程的研究内容有哪些？ 生化工程全称是生物化学工程（Biochemical Engineering)，是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞）作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物工业的过程。所以生化工程是化学工程的一个分支，也是生物工程的一个重要组成部分。 具体的研究内容： ① 原料预处理：即底物（酶催化反应中的作用物）或培养基(发酵过程中的底物及营养物，也称营养基质)的制备过程，包括原料的物理、化学加工和灭菌过程。 ②生物催化剂的制备：生物催化剂是指游离或固定化的活细胞或酶，微生物是最常用的活细胞催化剂，酶催化剂则从细胞中提取出来。 ③生物反应的主体设备：即生物反应器，凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。另还有适用于动植物细胞大量培养的装置。 ④生物化工产品的分离和精制：这一部分常称下游加工，是生化分离工程 ()S S a P S sp p -= 天津市高等教育自学考试课程考试大纲 课程名称：生化反应工程课程代码：3283 第一部分课程性质与目标 一、课程性质与特点 《生化反应工程》是高等教育自学考试生物技术（生物制药方向）专业的一门专业课，是在完成生物化学、微生物学、物理化学和化工原理等课程后开设的必修课程之一。本课程的学习对全面掌握生物技术进行生化工程的研究开发起着重要的作用。 本课程重点论述了生化反应过程动力学和生化反应器两个方面。前者着重论述了均相酶催化反应、固定化酶催化反应和细胞反应过程的基本动力学规律，并重点探讨了传递因素对反应动力学的影响及处理方法；对于生化反应器的设计和分析，则重点讨论了三种理想反应器，并适当介绍了对非理想流动反应器的处理方法。通过学习可以使学生对于生化反应工程有较系统的认识，达到熟悉并掌握该课程的基本任务、内容、研究对象和研究方法。 本大纲是根据国家教育部制定的高等教育自学考试生物技术专业本科生培养目标编写的，立足于培养高素质人才，适应生物制药专业的培养方向。本大纲叙述的内容尽可能简明，便于自学。 二、课程目标与基本要求 本课程的目标和任务是使学生通过本课程的自学和辅导考试，进行有关生化反应工程的基础理论、基本知识的考察和训练，并了解现代生化反应的进展，为今后的学习和工作打下坚实的基础。 课程基本要求如下： 1、了解生化反应工程的特点、任务、研究的对象及研究的内容和方法。 2、掌握均相酶催化反应、固定化酶催化反应动力学的规律和动力学方程、传递因素对反应动力学的影响及其处理方法。 3、掌握细胞反应过程计量学、细胞反应过程动力学的规律及动力学方程。 4、了解生化反应器的种类、基本设计方程和动物细胞培养反应器的种类。掌握三种理想生化反应器、半间歇半连续反应器的设计式和相关的计算。 5、学习生化反应器的流动模型与放大，了解停留时间的定量描述和理想流动模型。掌握停留时间分布密度、分布密度函数及统计特征值的计算，熟悉三种非理想流动模型及相应的计算。 三、与本专业其他课程的关系 本课程在生物制药专业的教学计划中被列为专业课，在生物化学、微生物学、物理化学和化工原理课程与生物制药工程等学科之间有着承前启后的相互联系作用，本课程的学习对全面掌握生物技术专业各学科的知识起着重要作用。 第二部分考核内容与考核目标 第一章绪论 (一般) 一、学习目的与要求 通过本章的学习，了解生化工程与生化反应工程。 第十一章污水生物处理的基本概念和生化反应动力学基础 一、选择题 1．下列说法不正确的是（）。 A．好氧生物处理废水系统中，异养菌以有机化合物为碳源 B．好氧生物处理废水系统中，自养菌以无机碳为碳源 C．好氧生物处理废水系统中，异养菌的代谢过程存在内源呼吸 D．好氧生物处理废水系统中，自养菌的代谢过程不存在内源呼吸 【答案】D 【解析】好氧生物处理是指污水中有分子氧存在的条件下，利用好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用污水中存在的有机污染物为底物进行好氧代谢，这些高能位的有机物经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物稳定下来。好氧生物处理废水中，自养菌在分解有机物的同时，存在内源呼吸，代谢自身细胞物质。 2．下列说法不正确的是（）。 A．微生物的净增长量＝降解有机物所合成的微生物增长量－微生物自身氧化所减少的微生物量 B．微生物自身氧化率的单位为1/d C．微生物的耗氧量＝微生物降解有机物所需的氧量－微生物自身氧化所需的氧量 D．微生物自身氧化需氧率的单位为gO2/g（微生物·d） 【答案】C 【解析】C项，微生物的耗氧量＝微生物降解有机物所需要的氧量＋微生物内源呼吸自 身消耗的氧量。 3．关于好氧生物处理影响因素的说法，不正确的是（）。 A．温度每增加10～15℃，微生物活动能力增加一倍 B．当pH＜6.5或pH＞9时，微生物生长受到抑制 C．水中溶解氧应维持2mg/L以上 D．微生物对氮、磷的需要量为BOD5︰N︰P＝200︰5︰1 【答案】D 【解析】D项，微生物为合成自身的细胞物质，需要从周围环境中摄取自身生存所必需的各种物质，这就是营养物质。其中主要的营养物质是碳、氮、磷等，这些是微生物细胞化学成分的骨架。对微生物来讲，碳、氮、磷营养有一定的比例，一般微生物对氮、磷的需要量为BOD5︰N︰P＝100︰5︰1。因此D项错误。 4．关于生物法除氮过程的说法，不正确的是（）。 A．先硝化再反硝化 B．硝化菌是好氧自养菌，反硝化菌是厌氧异养菌 C．硝化要有足够的碱度，反硝化碱度不能太高 D．硝化要维持足够的DO，反硝化可以低氧也可以无氧 【答案】B 【解析】B项，硝化菌是好氧型菌，而反硝化菌是缺氧型菌，因此B项错误。 5．关于反硝化菌不需要的条件是（）。生物反应工程复习资料
第六章废水生物处理的基本概念和生化反应动力学
生物反应工程期末总结
第十一章 化学动力学基础(一)习题
生化反应工程原理简答题
第十一章化学动力学基础1试题
配合物的反应动力学
生化反应工程原理
生化反应工程试卷
生物化学-生化知识点_酶促反应动力学 (9章)
(完整word版)生物反应工程原理
第六章生化反应动力学剖析
第十一章化学动力学基础1练习题
生化反应工程试题
生化反应工程
高廷耀《水污染控制工程》(第4版)(下册)章节题库-第十一章 污水生物处理的基本概念和生化反应动力学
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