生物反應工程計算題解析Word版

1、傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！ 生物反應工程 講稿（生物反應工程與生物反應器）課程簡介：1緒論1.1生物反應工程的發(fā)展過程20世紀40年代抗菌素工業(yè)誕生，對無菌操作、通風溶氧技術(shù)十分拍切，吸引了大量化學工程人員參與技術(shù)攻關(guān)，于是有微生物學、生物化學、化學工程形成了一門交叉學科生物化學工程（生化工程），當初的生化工程研究的核心，通風攪拌無菌操作。1942年monod研究連續(xù)發(fā)酵，研究的目的就是提高發(fā)酵速率，60-70年代，單細胞蛋白生產(chǎn)，污水處理的重視，對菌體生長速率、底物的反應速率等的研究越來越重視，于是人們就把微生物反應動力學的研究與生物反應器結(jié)合起來形成了生化工程的

2、一個重要分支-生物反應工程。 這門課（生物反應工程）是一門以生物反應動力學為基礎，研究生物反應器的設計、放大和生物反應過程的優(yōu)化操作和控制的學科。生物反應工程課程有好多名稱，在上世紀80年代初，江南大學（原無錫輕工業(yè)學院）王鴻祺教授給研究生開設了生化反應動力學與生化反應器，天津科技大學賈士儒教授給研究生開設了生物反應工程與生物反應器，后來改為生物反應工程原理。90年代上海出版了高校教材生物化工原理，北京化工大學戚以政、王叔雄編著了生化反應動力學與反應器（1995年第二版），以后有編寫了生物反應工程。本學學院最早給研究生開這門課名稱是生物反應工程與生物反應器，2010年改為生物反應工程。1.2生

3、物反應工程的主要內(nèi)容 1）生物反應動力學 研究生物反應過程速率及其影響因素，是理論基礎。微觀動力學（本征動力學，是研究分應的固有速率，與溫度、濃度、PH、催化劑等有關(guān)，與傳遞無關(guān)。另一種反應是宏觀動力學，也稱反應器動力學。與反應器的傳質(zhì)、傳熱及物料流動類型有關(guān)。實驗室研究可以看作微觀動力學，從工程角度要研究的是宏觀動力學。 2）生物反應器設計、優(yōu)化與放大（設計包括結(jié)構(gòu)型式、操作方式及尺寸的確定），實際生物反應器設計是將生化反應動力學特征和生化反應器特征結(jié)合的設計。 生物反應器的優(yōu)化分優(yōu)化設計、優(yōu)化操作。第二章均相酶反應動力學內(nèi)容要點：了解酶反應特點，掌握M-M方程和各種抑制動力學特征及其應用。

4、均相酶反應，系指酶與反應物處于同一相（液相）的美催化反應。在生產(chǎn)中均相酶反映較多。如淀粉的液化和糖化。2.1酶反應的基本特征2.1.1共性2.1.2特性2.2單底物酶反應動力2.2.1M-M方程建立酶反應機理：底物S與酶E結(jié)合形成中間復合物ES，然后復合物分解成產(chǎn)物，并釋放出E。反應式：E游離酶；S底物；ES酶底物結(jié)合的中間復合物；P產(chǎn)物；反應速率方程：rS底物消耗速率，mol/LSrp產(chǎn)物生成速率，mol/LSV反應體系體積，L；nS底物物質(zhì)量，mol;nP產(chǎn)物物質(zhì)量，mol；t時間，S；根據(jù)反應定律：對反應機理有四點假設：（1）反應過程酶濃度恒定，即（2）與底物濃度CS相比，酶濃度很小，可

5、忽略生產(chǎn)中間復合物所消耗的底物。（3）產(chǎn)物濃度很低，產(chǎn)物抑制作用忽略不計，也不需考慮P+EES的可逆反應。（4）生產(chǎn)產(chǎn)物的速率低于酶與底物的結(jié)合速率，生成產(chǎn)物的速率決定整個反應速率，而生成復合物的可逆反應達到平衡狀態(tài)。根據(jù)假設： 因 （rS，max=k+1CEo）當中間復合物生產(chǎn)速率與其分解成酶和產(chǎn)物的速率相差不大時，以上公式不適用，MichaelisMenten的平衡假設不成立。1925年，Briggs和Haldane提出了“擬穩(wěn)態(tài)假設”，認為反應體系底物與酶濃度相比濃度高的多，中間復合物分解成產(chǎn)物和游離酶后，酶立即與底物結(jié)合，從而使反應體系中復合物濃度維持不變，即中間復合物不再隨時間變化。

6、 根據(jù)反應機理和以上假設： 又因： 因底物濃度比酶濃度高的多，產(chǎn)物的反應速率就等于底物的反應速率。推出底物濃度與底物反應速率的關(guān)系式即米式方程：式中：Km米氏常數(shù)，mol/L；底物農(nóng)度，mol/L；Km與KS的關(guān)系：從上式看出，酶與底物結(jié)合成中間復合物這步反應速度很快，而復合物分解成產(chǎn)物這步反應很慢，米氏常數(shù)就等于解離常數(shù)（Km=KS）。顯然用“擬穩(wěn)態(tài)平衡假設”推導出米氏常數(shù)更為科學，使米氏方程機理的推導更完美。最大反應反應速率 rS,max和米氏常數(shù)Km是米氏方程的重要參數(shù)。rS,max大小與酶總量有關(guān)，與酶和底物反應特性有關(guān)；Km大小主要決定底物與酶的結(jié)合程度有關(guān)。結(jié)合力越大，Km越小，反

7、之越大。米氏方程的意義，在于掌握反應速率與底物的關(guān)系。2.2.2米氏方程動力學特征當CSKm時，此反應與底物濃度無關(guān)，屬0級反應。積分得：該式表明，反應時間長短取決于底物的初始濃度和終了濃度以及最大反應速率，對大反應速率又取決酶的總濃度。當CSKm時，反應速率與底物濃度成正比關(guān)系，屬一級反應。積分得：當?shù)孜餄舛燃床灰膊幻资铣?shù)時，就符合米氏方程，當Km=CS時，此時，CES=CE。對米氏方程積分得出積分式：以上三個積分式，Cso為反應前的底物初始濃度，CS是反應t時間后的終了濃度。利用積分式求反應時間，并知道哪些因素影響了反應時間。用XS表示底物轉(zhuǎn)化率：以上三個積分式可寫成與轉(zhuǎn)化率有關(guān)的積分表

8、達式：即：2.2.3米氏方程參數(shù)的求取有四種方法求取。（1） lineweaver-Burk（簡稱L-B法） 將米氏方程兩邊取倒數(shù)：以為縱坐標，以為橫坐標作圖，直線斜率為，截距為。（2） Hanes-Woolf法簡稱（H-W法） 將米氏方程取倒數(shù)，然后兩邊乘CS，得下式：以為縱坐標，以為橫坐標作圖，直線斜率為，截距為。（3） Eadie-Hofstee法（簡稱E-H法）將M-M方程重排：以上三種方法，反應速率都要通過濃度和反應時間求出，實質(zhì)是利用微分法求出來的，故稱微分法。微分法反應速率不是直接求出的，當?shù)匚餄舛群艿头磻俾屎苈龝r，誤差較大。（4） 積分法將M-M方程的積分式，經(jīng)整理得到：以為

9、縱坐標，以為橫坐標作圖，斜率為，截距為。積分法特點，通過反應時間和底物濃度可直接求出動力學參數(shù)，產(chǎn)物的增加對反應速率沒有影響，否則不符合米氏方程條件。2.3 底物抑制動力學 有的反應，底物濃度增加反應速率反而下降，這種由于底物濃度增大引起反應速率下降的作用稱為底物抑制作用，反應機理如下： 根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，推導出的動力學方程：KSI底物印制的解離常數(shù)，mol/L；2.4有抑制的酶反應動力學某種物質(zhì)存在而使酶反應速率減慢，這種物質(zhì)呈抑制劑。根據(jù)抑制機理可分為競爭性抑制，非競爭性抑制，反競爭性抑制。競爭性抑制動力學，抑制劑與酶活性中心結(jié)合，影響了酶與底物的結(jié)合，從而影響了酶反應。抑制機理表達式：底物反應

10、速率：根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設： ( ) 競爭性抑制動力學，其抑制劑影響了米氏常數(shù)，影響大小決定于抑制劑濃度CI和解離常數(shù)。競爭性抑制動力學參數(shù)的求?。汉蚆-M方程動力參數(shù)求取相同，兩邊取倒數(shù)，得到如下方程：第三章微生物細胞反應動力學第一節(jié)微生物細胞反應基本概念第二節(jié)微生物細胞反應計量學微生物細胞反應衡算目的： 是對反應物轉(zhuǎn)化成細胞或產(chǎn)物進行轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究，是為了更好的控制反應。微生物細胞反應元素衡算方程（1）無產(chǎn)物的反應式：第三節(jié)微生物生長動力學一、 細胞生長動力學方程分批培養(yǎng)：（?。┘毎L速率： （2）比速率： 是以單位質(zhì)量細胞為基準表示各組分的變化速率。 細胞生長比速率 ：假定是常數(shù)，積分得

11、：二、 Monod方程 （g/L.h）細胞生長比速率（h-1）C S 限制性底物質(zhì)量濃度，（g/L）。KS飽和常數(shù)，（g/L）。max最大生長比速率Monod方程式是Monod在1943年通過大量實驗做出的經(jīng)驗方程，CS是限制性底物濃度，Ks是飽和常數(shù)，即得出，生長比速率與限制性底物濃度的關(guān)系。三、 微生物細胞間歇培養(yǎng)將方程以為縱坐標，以時間t為橫坐標，作的曲線圖如下：減速期t細胞生長曲線減速期減速期對數(shù)期加速期延滯期通過曲線進一步理解Monod方程及生長比速率的涵義。實際就是曲線上的斜率。1)延滯期= 02)加速期0max3)對數(shù)期= max，營養(yǎng)底物充足，對生長不受限制。在對數(shù)生長期間，是

12、恒值是一個常數(shù)。4)減速期在減速期，隨著時間延長，營養(yǎng)底物越來越匱乏，生長比速越來越?。ㄇ€上斜率越?。?。正符合Monod方程：四、 連續(xù)培養(yǎng)（單級）操作連續(xù)穩(wěn)定時，細胞生長量=排出量令： D稀釋率，（h-1）。稀釋率是人為控制的，因此在連續(xù)發(fā)酵過程生長比速率可以人為控制。連續(xù)發(fā)酵的必要條件 Dmax當Dmax，發(fā)酵就發(fā)生“沖出”現(xiàn)象。 * * * * * * 連續(xù)發(fā)酵，在Dmax的前提下，隨著D的變化而變化，當D增大時，意味著進料速度增大，反應器內(nèi)底物濃度增高，所以值隨之增大；當D降低時，意味著進料速度減小，反應器內(nèi)底物濃度隨之降低，有許許多多的實驗得出了Monod方程，即限制性底物濃度C

13、S與生長比速率的關(guān)系，因此連續(xù)發(fā)酵會自動趨向穩(wěn)態(tài)，即=D，討論：（1）底物濃度（CS）與稀釋率的關(guān)系：（2）菌體相對基質(zhì)得率系數(shù)Yx/s（3）菌體濃度與稀釋率的關(guān)系（4）微生物細胞生產(chǎn)強度(PX)與稀釋率的關(guān)系菌體濃度（CX）、底物濃度（CS）、生產(chǎn)強度（Px）與稀釋率（D）的關(guān)系作圖如下： 從上圖看出：1）在一定的稀釋率下，微生物細胞生產(chǎn)強度(生長速率）（DCX）,隨著稀釋率（D）增大而增大，當達到一定的稀釋率后，其細胞生產(chǎn)強度隨著稀釋率增大而降低。2）稀釋率在一定范圍內(nèi)變化，細胞濃度（CX）和底物濃度（CS）變化很小。當增大到一定程度，其變化迅速增加。3）稀釋率增大到一定程度時，微生物細胞

14、沖出，罐內(nèi)菌體濃度為零，底物濃度等于初始濃度，此時的稀釋率稱臨界稀釋率（DC）。4）對細胞生產(chǎn)強度而言，有一個最佳稀釋率（D0pt），即細胞生產(chǎn)強度最高。5）稀釋率越小，底物濃度越低，細胞產(chǎn)率越高（轉(zhuǎn)化率高）。 單罐連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)），當轉(zhuǎn)化率要求不高時，可以使用。如果既要轉(zhuǎn)化率高，又要細胞生產(chǎn)強度高，單罐連續(xù)發(fā)酵就滿足不了這個條件。 如何設計才能使轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強度都高，用多級串聯(lián)連續(xù)就能解決這個問題，一般用兩個罐就可滿足生產(chǎn)要求，第一個罐用作提高生產(chǎn)強度（控制最佳稀釋率），第二個罐用作提高轉(zhuǎn)化率。四、最佳稀率（Dopt)最佳稀釋率是細胞生產(chǎn)強度 （生長速率）最大時的稀釋率。生產(chǎn)強度對D求導，等

15、于零，即求得稀釋率最大值Dopt最佳稀釋率對應的最佳細胞濃度（CXopt）及最大生產(chǎn)強度（PX)opt五、 兩級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)穩(wěn)定時，CX0=0對第一個罐細胞平衡：對第二個罐細胞平衡：兩罐串聯(lián)與單罐連續(xù)發(fā)酵時間的對比 假定用兩個罐(等體積）串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵，第一個罐的菌體濃度為第二個罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2 兩罐與單罐排出的底物濃度相等，即： CS2=CS單罐發(fā)酵時間用表示:兩罐發(fā)酵時間用m表示： 六、 帶細胞循環(huán)的單級培養(yǎng) 帶細胞循環(huán)的單級培養(yǎng)是在單級連續(xù)培養(yǎng)的基礎上進行的，將流出反應器的物料進行細胞濃縮，將濃縮液循環(huán)。通過濃縮液循環(huán)，提高反應器內(nèi)細胞濃度，從而提高反應速率。

16、以下是帶細胞循環(huán)的單級細胞培養(yǎng)流程：圖中，RF為循環(huán)液量，R為循環(huán)比。Cx2CXCX1對發(fā)酵罐培養(yǎng)系統(tǒng)菌體平衡:細胞濃縮分離系統(tǒng)菌體平衡：由以上兩平衡式得出：、帶細胞循環(huán)連續(xù)發(fā)酵討論：循環(huán)與不循環(huán)相比：（1）在轉(zhuǎn)化率和發(fā)酵罐體積不變時，可提高生產(chǎn)能力。（2）在生產(chǎn)能力和發(fā)酵罐體積不變時，可提高轉(zhuǎn)化率（CS降低）（3）在生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)化率一定時，可減小設備體積。（4）如果細胞不濃縮， D =，對CSTR無意義。（5）生產(chǎn)能力的提高在于提高了發(fā)酵罐中的細胞濃度。七、帶循環(huán)的CPFR帶循環(huán)的CPFR（帶循環(huán)平推流式反應器），對酶反應因循環(huán)物料使得進入反應器的底物濃度降低，因此可以解決因底物濃度抑制的反

17、應而提高反應速率；對微生物細胞反應則提供了連續(xù)接種的作用。 回流比 物料衡算：進口物料 進口濃度：第四節(jié)底物消耗與產(chǎn)物生成動力學一、 底物消耗動力學1、 底物只形成細胞的消耗動力學底物消耗速率通過細胞得率系數(shù)與細胞生長的關(guān)系： 底物消耗比速率：qS,max 最大消耗比速率，（h-1）。2、 包括維持細胞生命的底物消耗動力學底物消耗速率： 底物消耗比速率：總得率與理論得率關(guān)系式可寫成：斜率m3、 包括產(chǎn)物生成的底物消耗動力學 底物消耗速率： 底物消耗比速率：二、 產(chǎn)物生成動力學根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生成速率的相關(guān)性分為三類：1、 相關(guān)模型 指產(chǎn)物生成與細胞生長相關(guān)的。產(chǎn)物生成速率可寫成：產(chǎn)物生成

18、比速率：2、 部分相關(guān)模型指產(chǎn)物生成與細胞生長部分相關(guān)。產(chǎn)物生成速率：產(chǎn)物生成比速率：3、 非相關(guān)模型指產(chǎn)物生成與生長無關(guān)。其特點，細胞生長時無產(chǎn)物生產(chǎn)，當細胞停止生長后才生成產(chǎn)物。產(chǎn)物速率表達式： 第五節(jié) 動力學參數(shù)求取Monod方程兩個重要參數(shù)max和KS的求?。簩⒎匠虒懗桑豪梦⒎址ㄇ笕。旱诹?jié)滅菌動力學第四章反應器設計與分析第一節(jié)生物反應器類型 生物反應器是指利用生物催化劑進行生物反應的設備，1、 按催化劑不同分：細胞生物反應器；酶反應器；2、 按物料進出不同分：間歇操作反應器；連續(xù)操作反應器；半連續(xù)操作反應器；3、 根據(jù)催化劑分布分：塊狀反應器；膜反應器。4、 連續(xù)操作反應器根據(jù)流動模型分：全混流式；平推流式（活塞流式）。在生產(chǎn)中攪拌槽式反應