一用亞硫酸鈉氧化法測定氣液接觸過程的體積傳質系數(shù)

1、生物反應工程實驗講義及實驗報告班級：學號：姓名：成績：實驗一 游離酶及固定化酶酶學性質比較實驗目的：掌握測定酶動力學參數(shù)的實驗方法， 作圖法計算酶動力學參數(shù)， 掌握固定化 酶的方法，以及固定化酶后動力學參數(shù)的變化。實驗原理：要建立一個完整的酶動力學方程，必須要通過動力學實驗確定其動力學參數(shù)。對M M方程，就是要確定rmax和Km值。但直接應用M M方程求取動力學參數(shù)所遇到的主要困難在于該方程為一非線性方程。為此常將該方程加以線性化， 通過作圖法直接求取動力學參數(shù)。通常有下述幾種作圖方法。Lineweaver Burk法(簡稱L-B法)。將M M方程取其倒數(shù)得到下式：(1)以1/rs對1/G作圖

2、可得一直線，該直線斜率為Km/ rmax，直線及縱軸交于1/rmax，及橫軸交于一 1/ Km。此法又稱雙倒數(shù)圖解法。Hanes Woo1f法(簡稱H W法)。將式(1)兩邊均乘以Cs得到(2)以Cs/ rs對Cs作圖，得一斜率為1/rmax的直線，直線及縱軸交點為Km/ rmax及橫軸交點為一 Km。(3)Eadie Hofstee法(簡稱E-H法)。將M M方程重排為(3)以rs對rs/Cs作圖，得一斜率為一 Km的直線，它及縱鈾交點為rmax，及橫軸 交點為 r max / Km。固定化酶亦稱固相酶或水不溶酶。它是通過物理或化學的方法使溶液酶轉變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內其運動受到完全約束、或受到

3、局部約束的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它能以固相狀態(tài)作用于底物進行催比反應。固定化酶的主要優(yōu)點是，在催化反應以后很容易從反應系統(tǒng)中分離出來，不僅固定化酶可以反復使用， 而且產(chǎn)物不受污染容易精制， 固定化后的酶大多數(shù)情 況下其穩(wěn)定性增加，僅有少數(shù)的穩(wěn)定性下降， 固定化酶有一定的形狀和一定的機 械強度，可以裝填在反應器中長期使用，便于實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動化。固定化 酶的制備方法可分為吸附法、交聯(lián)法、共價法、包埋法四大類。如果固定化酶的動力學仍服從 M M方程，則可通過動力學參數(shù) Km及rmax值 的大小來反映酶在固定化前后活性的變化。儀器及試劑：分光光度計、水浴鍋、酸性磷酸酯酶、磷酸苯二鈉、酚標

4、準液、碳酸鈉溶液、費林-酚試劑、卡拉膠實驗步驟及數(shù)據(jù)記錄：1、酚標準曲線的繪制。取 9只試管，按照0-8的順序編號，0號為空白管。按照下表的過程進行操作：管號0123456780.4mmol/L酚標準0 mL0.10.20.30.40.50.60.70.8液蒸餾水10.90.80.70.60.50.40.30.21mol/L碳酸鈉溶222222222液費林-酚試劑0.50.50.50.50.50.50.50.50.5A68035 C顯色 10mi n2、酶動力學參數(shù)的求取。取7只試管，按照0-6的順序編，口，號，0號為空白按照下表的過程進行操作:管號01234565mmoI/L磷酸苯二鈉溶00

5、.10.150.20.30.40.5液0.2mol/LpH5.6 乙酸鹽0.50.40.450.30.20.10緩沖液酶液0.50.50.50.50.50.50.535 C反應15mi n1moI/L碳酸鈉溶液2222222費林-酚試劑0.50.50.50.50.50.50.535 C顯色10mi nA&803、酶固定化及動力學參數(shù)測定。稱取0.8g卡拉膠，溶解在20mL水中，加熱煮沸，冷卻到50-60 C。將在水浴鍋中保溫好的酶液 5mL倒入，并攪拌均勻， 冷卻，待完全固化后，用 5%的KCI溶液浸泡30 min。將浸泡好的固定化酶取出， 濾紙吸干，用小刀將其切成 3X3mm的小塊。

6、稱取固定化酶 5g共6份，取6只 50mL三角瓶，按照下表過程操作：二角瓶號0123455mmol/L磷酸苯二鈉溶013579液0.2mol/LpH5.6 乙酸鹽1097531緩沖液固定化酶55555535C搖床反應15mi n1mol/L碳酸鈉溶液222222費林-酚試劑0.50.50.50.50.50.535 C顯色 10mi nA680實驗結果處理分析: 繪制酚標準曲線計算游離酶動力學參數(shù)CsA680酚含量rs1/Cs1/r sCs /r srs /Cs計算固定化酶動力學參數(shù)CsA680酚含量rs1/Cs1/r sCs /r srs /Cs游離酶和固定化酶酶活力比較:游離酶方法L-BH-

7、WE-H參數(shù)Kmr maxKmr maxKmr max固定化酶方法L-BH-WE-H參數(shù)Kmr maxKmr maxKmr max酶活回收 率有效因 子分析和討論：1、動力學參數(shù)作圖法求取的方法有那些？分別考慮其誤差來源。 （預習時填寫）2、固定化酶的方法有那些？本實驗中采用的方法是什么？有什么優(yōu)點？實驗二 用亞硫酸鈉氧化法測定氣液接觸過程的體積傳質系數(shù) kL a實驗目的：在非發(fā)酵情況下， 用亞硫酸鈉氧化法來測定發(fā)酵罐通氣或攪拌時的體積傳質系數(shù)，從而考察通氣、攪拌等因素對發(fā)酵罐內氣液接觸過程的體積傳質系數(shù)/a的影響。儀器及試劑：1、發(fā)酵罐（攪拌或氣升式）2、碘量瓶3、移液管（ 1mL）4、燒杯

8、（ 50mL、2000 mL）5、O.lmol L1 碘液-16、0.1 mol L-硫代硫酸鈉（NS2S2Q）溶液7、無水亞硫酸鈉8、硫酸銅實驗原理亞硫酸鈉溶液， 在銅或鈷離子作為催化劑的作用下， 能及液相中的溶解氧迅 速反應， 使亞硫酸根離子氧化為硫酸根離子， 其氧化反應速度在較大范圍內及亞 硫酸根離子濃度無關。 由于氧是較難溶解于水的氣體， 因而氧的溶解速度要比液 相中的氧的消耗速度慢的多，因此氧分子一經(jīng)滲入液相，就立即被還原，所以可 以認為，在整個實驗中，液相中的氧濃度可視為零，即有：Nv kLa（C* C） kL aC*在25C及O.IMPa下，亞硫酸鈉溶液中，經(jīng)測定 C*=0.21

9、mgQL-1。所以從 上式可以看出，只要測得 Nv值，就可以計算出 /a 0實驗時， 在攪拌罐中配制一定濃度的亞硫酸鈉溶液， 其體積視發(fā)酵罐的大小 而定；在攪拌通氣或通氣情況下，加入少量催化劑，計時，取不同時刻的試樣及 過量的碘溶液作用， 多余的碘用表定過的硫代硫酸鈉來滴定， 根據(jù)消耗的硫代硫 酸鈉溶液的體積，可以計算出單位時間內氧的溶解量Nv值。上述過程的反應式如下:2Na2SQ O22Na2SO4Na2SO3 I2NaSO4 2HI2 NaS2 O312 Na2 SC4 2NaI實驗步驟：1、 發(fā)酵罐清洗，試運轉，（對氣升式發(fā)酵罐要確定其最佳裝液量）2、 裝罐實驗：準確稱取31.5g亞硫酸

10、鈉，放置燒杯中，用1L水溶解，待亞硫酸 鈉全部溶解后，倒入發(fā)酵罐中；準確稱取0.5g硫酸銅并溶解于少量水中，將硫酸銅溶液倒入發(fā)酵罐中； 在室溫下，幵動攪拌通氣或通氣攪拌，調節(jié)攪拌轉速n和通氣量Q;幵始計時，每隔一定時間（5min）取樣1mL分析其中的亞硫 酸鈉含量（取5個樣），測定其中的亞硫酸鈉含量。調節(jié)通氣量或攪拌轉速，重復上面的實驗，要求改變實驗條件，做3個條件實驗。數(shù)據(jù)記錄:實驗結果記錄表時間（mi n）條件510152025轉速氣量轉速氣量轉速氣量轉速氣量轉速氣量轉速氣量按照記錄數(shù)據(jù)進行繪圖:數(shù)據(jù)處理：按照上面的數(shù)據(jù)，計算 Nv和“a條件轉速：轉速：轉速：轉速：轉速：轉速：氣量：氣量：

11、氣量：氣量：氣量：氣量：V / tNv ()da ()繪制轉速n和kLa關系圖，或氣量Q和kLa關系圖3、討論分析轉速、通氣量、亞硫酸鈉濃度等因素對發(fā)酵罐體積傳質系數(shù)kLa的影響，如何根據(jù)測定數(shù)據(jù)計算氧消耗速率Nv和體積傳質系數(shù)kLa ;（預習時填寫）4、試分析實驗過程中的主要誤差來源，并提出今后實驗改進的意見實驗三 微生物反應器的反應性能試驗實驗目的：進一步了解和掌握生物反應器 BSTR和CSTR勺反應性能，了解和掌握微生物 菌體在反應器中生長的規(guī)律，并了解反應器的有關操作。實驗原理：間歇攪拌釜式反應器是一類常用勺微生物反應器。 其主要特征是分批進料和 卸料，因此其操作試劑由兩部分組成：一是

12、進行反應所需勺時間，即開始進行反 應直至達到所要求勺反應程度為止所需勺時間。 由于攪拌勺作用， 反應器內勺物 料充分混合，濃度均勻，反應器內物系勺組成僅隨反應時間而變。對于菌體濃度 而言，隨著反應勺進行，微生物菌體勺濃度不斷增加，其菌體濃度變化勺規(guī)律基 本上符合Monod方程。連續(xù)攪拌釜式反應器也是一類微生物反應器， 其反應性能和間歇反應器有明 顯勺不同。其主要特征是，反應物連續(xù)穩(wěn)定地加入到反應器中，同時反應產(chǎn)物也 連續(xù)穩(wěn)定地流出反應器，并保持反應體積不變。當反應器操作達到穩(wěn)定時，反應 器內物系勺組成不隨時間而變， 同時由于反應器內勺攪拌， 使得物系在空間上達 到充分混合， 物系組成也不隨空間

13、位置而變， 此時反應器內物系勺組成和反應器 出口勺組成相同。對應于一定勺進料流量，反應器內勺物系有一定勺組成，對于 菌體濃度而言，隨著流量勺增大，菌體濃度變小，當進料流量達到一定值時，反 應器內勺菌體濃度可以為零，這時稱為反應器操作勺洗出點。設備和試劑1、 微生物反應器2、 可見分光光度計3、微型計量泵（蠕動泵）4、酒精酵母種子培養(yǎng)液5、葡萄糖實驗步驟：1、反應培養(yǎng)基配制：培養(yǎng)基配方： 葡萄糖 20g/L 、硫酸銨 4 g/L 、蛋白胨 5 g/L 、磷酸二氫鉀 1 g/L 、 硫酸鎂 0.5 g/L 、氯化鈣 0.2 g/L 、酵母膏 1 g/L2、 反應器反應性能試驗：A:間歇反應試驗：加

14、入一定體積的反應培養(yǎng)基，按 10%的接種量加入酒精酵母種子液。30C,控制一定的攪拌轉速和通氣量進行反應。每隔半小時，取一定量的反應液，測定其OD值。B:連續(xù)反應試驗：在間歇反應一定時間后， 控制反應器內的反應體積在一較小值， 在間歇反應 條件下，用蠕動泵連續(xù)加入培養(yǎng)基，并控制出料閥門，使出料量等于進料量，以 維持反應器內的液面位置不變， 這時反應器在某一稀釋率下進行連續(xù)反應。 當一 定時間后連續(xù)反應達到穩(wěn)定時，取樣分析反應液的OD值。調節(jié)進料流量和出料流量，使連續(xù)反應器在另一稀釋率下反應。流量的調節(jié)是從小到大，直至某一流 量下反應器的操作達到洗出，完成試驗。分析方法:取5mL反應液，用水稀釋

15、50mL用水作為對比，在可見分光光度計上在 540nm 處測定其OD值。數(shù)據(jù)記錄:間歇實驗結果記錄表時間01.02.03.04.04.55.05.56.0CglucoseOD間歇實驗結果記錄表稀釋率0.40.60.830mi n40 min30mi n40 min30mi n40 minCglucoseOD數(shù)據(jù)處理:1、間歇反應菌體濃度隨時間變化的曲線和連續(xù)反應菌體濃度隨加料流量變化曲線,2、根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計算:u (1h)u (3h)u (6h)U maxKs分析和討論：1、間歇培養(yǎng)過程中遲滯期的長短如何調整？如何判斷連續(xù)培養(yǎng)中洗出點？（預 習時填寫）2、經(jīng)實驗數(shù)據(jù)可知，在連續(xù)培養(yǎng)過程中，什么

16、情況下達到最佳稀釋率？洗出點 的稀釋率為多少？實驗四 停留時間分布的測定實驗目的：采用示蹤法測定反應器的停留時間分布， 了解發(fā)酵罐內流體的混合特性， 有 利于發(fā)酵罐的設計和操作。實驗原理：停留時間分布理論不僅是化學反應和生化反應工程學科的置要組成部分， 而 且還廣泛用于吸收、萃取、蒸餾和結晶等分離過程及設備的設計及其模擬，以及 其它涉及流動系統(tǒng)的領域。 對于連續(xù)反應器， 由于流體在系統(tǒng)中流速分布的不均 勻、流體的分子擴散和湍流擴散、攪拌引起的強制對流，以及由于反應器的設計 加工和安裝不良而產(chǎn)生的死區(qū)、 溝流和短路等原因， 使得流體粒子在系統(tǒng)中的停 留時間有長有短， 有些物料過于很快離開了反應器

17、， 有些粒子則經(jīng)歷很長的一般 時間后才離開，停留時間分布更加復雜。物料粒子在反應器內的停留時間分布是一個隨機過程。 對隨機過程可用描述 概率分布的方法來描述物料粒子的停留時間分布， 即停留時間分布密度函數(shù)和停 留時間分布函數(shù)。停留時間分布的實驗測定方法是示蹤應答法，用示蹤劑跟蹤流體在系統(tǒng)內的 停留時間。根據(jù)示蹤劑加入方式的不同，可分為脈沖法、階躍法和周期輸入法。 其中：脈沖法是在設備內流體流動達到穩(wěn)定之后，在一短的時間內，在系統(tǒng)入口處 向流進系統(tǒng)的流體加入一定量的示蹤劑， 同時在出口處檢測流出物料中示蹤劑濃 度隨時間的變化。對于實驗中采集的離散型數(shù)據(jù)， 可采用下式進行計算停留時間 分布密度函數(shù)

18、：階躍法是將系統(tǒng)中作穩(wěn)態(tài)流動的流體切換為流量相同的含有示蹤劑的流體，或者相反。前一種稱為升階法；后一種稱為降階法。階躍法及脈沖法的根本區(qū)別是前者連續(xù)向系統(tǒng)加入示蹤劑， 一直到實驗測定結束，而后者則是在一段短的時 間內加入全部示蹤劑。對于實驗中采集的離散型數(shù)據(jù)， 可采用下式進行計算停留 時間分布函數(shù):儀器及試劑:1、微生物反應器2、可見分光光度計3、微型計量泵(蠕動泵)4、羅丹明B溶液(0.01g/mL )實驗步驟: 一、脈沖法測定1、測定蠕動泵流量，確定反應器內溶液體積(Vr=30X V0)和反應器出口流量2、調節(jié)反應器出口流量，保持進出流量一致。3、 待達到穩(wěn)態(tài)后，將 0.01g/mL的羅丹明B溶液1mL迅速倒入，幵始計時。4、每隔5min取樣測定光密度，總共測定 2h。二、階躍法測定