生物反應(yīng)工程計(jì)算題解析

..《生物反應(yīng)工程》講稿〔生物反應(yīng)工程與生物反應(yīng)器課程簡介：1緒論1.1生物反應(yīng)工程的發(fā)展過程20世紀(jì)40年代抗菌素工業(yè)誕生,對(duì)無菌操作、通風(fēng)溶氧技術(shù)十分拍切,吸引了大量化學(xué)工程人員參與技術(shù)攻關(guān),于是有微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程形成了一門交叉學(xué)科——生物化學(xué)工程〔生化工程,當(dāng)初的生化工程研究的核心,通風(fēng)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(xì)胞蛋白生產(chǎn),污水處理的重視,對(duì)菌體生長速率、底物的反應(yīng)速率等的研究越來越重視,于是人們就把微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究與生物反應(yīng)器結(jié)合起來形成了生化工程的一個(gè)重要分支-——生物反應(yīng)工程。這門課〔生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),研究生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和生物反應(yīng)過程的優(yōu)化操作和控制的學(xué)科。生物反應(yīng)工程課程有好多名稱,在上世紀(jì)80年代初,江南大學(xué)〔原XX輕工業(yè)學(xué)院王鴻祺教授給研究生開設(shè)了《生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與生化反應(yīng)器》,天津科技大學(xué)賈士儒教授給研究生開設(shè)了《生物反應(yīng)工程與生物反應(yīng)器》,后來改為《生物反應(yīng)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(xué)戚以政、王叔雄編著了《生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器》〔1995年第二版,以后有編寫了《生物反應(yīng)工程》。本學(xué)學(xué)院最早給研究生開這門課名稱是《生物反應(yīng)工程與生物反應(yīng)器》,20XX改為《生物反應(yīng)工程》。1.2生物反應(yīng)工程的主要內(nèi)容1生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究生物反應(yīng)過程速率及其影響因素,是理論基礎(chǔ)。微觀動(dòng)力學(xué)〔本征動(dòng)力學(xué),是研究分應(yīng)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(yīng)是宏觀動(dòng)力學(xué),也稱反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)。與反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱及物料流動(dòng)類型有關(guān)。實(shí)驗(yàn)室研究可以看作微觀動(dòng)力學(xué),從工程角度要研究的是宏觀動(dòng)力學(xué)。2生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化與放大〔設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)型式、操作方式及尺寸的確定,實(shí)際生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)是將生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征和生化反應(yīng)器特征結(jié)合的設(shè)計(jì)。生物反應(yīng)器的優(yōu)化分優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作。第二章均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)：了解酶反應(yīng)特點(diǎn),掌握M-M方程和各種抑制動(dòng)力學(xué)特征及其應(yīng)用。均相酶反應(yīng),系指酶與反應(yīng)物處于同一相〔液相的美催化反應(yīng)。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(yīng)的基本特征共性特性2.2單底物酶反應(yīng)動(dòng)力2.2.1M-M酶反應(yīng)機(jī)理：底物S與酶E結(jié)合形成中間復(fù)合物〔ES〕,然后復(fù)合物分解成產(chǎn)物,并釋放出E。反應(yīng)式：E—游離酶；S—底物；〔ES〕—酶底物結(jié)合的中間復(fù)合物；P—產(chǎn)物；反應(yīng)速率方程：rS—底物消耗速率,mol/L．Srp—產(chǎn)物生成速率,mol/L．SV—反應(yīng)體系體積,L；nS—底物物質(zhì)量,mol;nP—產(chǎn)物物質(zhì)量,mol；t—時(shí)間,S；根據(jù)反應(yīng)定律：對(duì)反應(yīng)機(jī)理有四點(diǎn)假設(shè)：〔1反應(yīng)過程酶濃度恒定,即〔2與底物濃度CS相比,酶濃度很小,可忽略生產(chǎn)中間復(fù)合物所消耗的底物?！?產(chǎn)物濃度很低,產(chǎn)物抑制作用忽略不計(jì),也不需考慮P+E→〔ES〕的可逆反應(yīng)?！?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(gè)反應(yīng)速率,而生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。根據(jù)假設(shè)：因〔rS,max=k+1CEo當(dāng)中間復(fù)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(shí),以上公式不適用,MichaelisMenten的平衡假設(shè)不成立。1925年,Briggs和Haldane提出了"擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)",認(rèn)為反應(yīng)體系底物與酶濃度相比濃度高的多,中間復(fù)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(yīng)體系中復(fù)合物濃度維持不變,即中間復(fù)合物不再隨時(shí)間變化。根據(jù)反應(yīng)機(jī)理和以上假設(shè)：又因：因底物濃度比酶濃度高的多,產(chǎn)物的反應(yīng)速率就等于底物的反應(yīng)速率。推出底物濃度與底物反應(yīng)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(fù)合物這步反應(yīng)速度很快,而復(fù)合物分解成產(chǎn)物這步反應(yīng)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(shè)"推導(dǎo)出米氏常數(shù)更為科學(xué),使米氏方程機(jī)理的推導(dǎo)更完美。最大反應(yīng)反應(yīng)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(yīng)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,反之越大。米氏方程的意義,在于掌握反應(yīng)速率與底物的關(guān)系。2.2.2當(dāng)CS＞＞Km時(shí),此反應(yīng)與底物濃度無關(guān),屬0級(jí)反應(yīng)。積分得：該式表明,反應(yīng)時(shí)間長短取決于底物的初始濃度和終了濃度以及最大反應(yīng)速率,對(duì)大反應(yīng)速率又取決酶的總濃度。當(dāng)CS＜＜Km時(shí),反應(yīng)速率與底物濃度成正比關(guān)系,屬一級(jí)反應(yīng)。積分得：當(dāng)?shù)孜餄舛燃床唬荆疽膊唬迹济资铣?shù)時(shí),就符合米氏方程,當(dāng)Km=CS時(shí),,此時(shí),C〔ES〕=CE。對(duì)米氏方程積分得出積分式：以上三個(gè)積分式,Cso為反應(yīng)前的底物初始濃度,CS是反應(yīng)t時(shí)間后的終了濃度。利用積分式求反應(yīng)時(shí)間,并知道哪些因素影響了反應(yīng)時(shí)間。用XS表示底物轉(zhuǎn)化率：以上三個(gè)積分式可寫成與轉(zhuǎn)化率有關(guān)的積分表達(dá)式：即：2.2有四種方法求取。lineweaver-Burk〔簡稱L-B法將米氏方程兩邊取倒數(shù)：以為縱坐標(biāo),以為橫坐標(biāo)作圖,直線斜率為,截距為。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(biāo),以為橫坐標(biāo)作圖,直線斜率為,截距為。Eadie-Hofstee法〔簡稱E-H法將M-M方程重排：以上三種方法,反應(yīng)速率都要通過濃度和反應(yīng)時(shí)間求出,實(shí)質(zhì)是利用微分法求出來的,故稱微分法。微分法反應(yīng)速率不是直接求出的,當(dāng)?shù)匚餄舛群艿头磻?yīng)速率很慢時(shí),誤差較大。積分法將M-M方程的積分式,經(jīng)整理得到：以為縱坐標(biāo),以為橫坐標(biāo)作圖,斜率為,截距為。積分法特點(diǎn),通過反應(yīng)時(shí)間和底物濃度可直接求出動(dòng)力學(xué)參數(shù),產(chǎn)物的增加對(duì)反應(yīng)速率沒有影響,否則不符合米氏方程條件。2.3底物抑制動(dòng)力學(xué)有的反應(yīng),底物濃度增加反應(yīng)速率反而下降,這種由于底物濃度增大引起反應(yīng)速率下降的作用稱為底物抑制作用,反應(yīng)機(jī)理如下：根據(jù)穩(wěn)態(tài)法,推導(dǎo)出的動(dòng)力學(xué)方程：KSI—底物印制的解離常數(shù),mol/L；2.4有抑制的酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)某種物質(zhì)存在而使酶反應(yīng)速率減慢,這種物質(zhì)呈抑制劑。根據(jù)抑制機(jī)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(dòng)力學(xué),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(yīng)。抑制機(jī)理表達(dá)式：底物反應(yīng)速率：根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設(shè)：<>競爭性抑制動(dòng)力學(xué),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(dòng)力學(xué)參數(shù)的求?。汉蚆-M方程動(dòng)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(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第一節(jié)微生物細(xì)胞反應(yīng)基本概念第二節(jié)微生物細(xì)胞反應(yīng)計(jì)量學(xué)微生物細(xì)胞反應(yīng)衡算目的：是對(duì)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成細(xì)胞或產(chǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)化程度的數(shù)量化研究,是為了更好的控制反應(yīng)。微生物細(xì)胞反應(yīng)元素衡算方程〔1無產(chǎn)物的反應(yīng)式：第三節(jié)微生物生長動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)方程分批培養(yǎng)：〔！細(xì)胞生長速率：〔2比速率：是以單位質(zhì)量細(xì)胞為基準(zhǔn)表示各組分的變化速率。細(xì)胞生長比速率：假定μ是常數(shù),積分得：Monod方程〔g/L.hμ—細(xì)胞生長比速率〔h-1CS—限制性底物質(zhì)量濃度,〔g/L。KS—飽和常數(shù),〔g/L。μmax—最大生長比速率Monod方程式是Monod在1943年通過大量實(shí)驗(yàn)做出的經(jīng)驗(yàn)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。微生物細(xì)胞間歇培養(yǎng)將方程以為縱坐標(biāo),以時(shí)間t為橫坐標(biāo),作的曲線圖如下：減速減速期t細(xì)胞生長曲線減速期減速期對(duì)數(shù)期加速期延滯期通過曲線進(jìn)一步理解Monod方程及生長比速率的涵義。μ實(shí)際就是曲線上的斜率。1>延滯期μ=02>加速期0＜μ＜μmax3>對(duì)數(shù)期μ=μmax,營養(yǎng)底物充足,對(duì)生長不受限制。在對(duì)數(shù)生長期間,μ是恒值是一個(gè)常數(shù)。4>減速期在減速期,隨著時(shí)間延長,營養(yǎng)底物越來越匱乏,生長比速越來越小〔曲線上斜率越小。正符合Monod方程：連續(xù)培養(yǎng)〔單級(jí)操作連續(xù)穩(wěn)定時(shí),細(xì)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D＜μmax當(dāng)D＞μmax,發(fā)酵就發(fā)生"沖出"現(xiàn)象。******連續(xù)發(fā)酵,在D＜μmax的前提下,μ隨著D的變化而變化,當(dāng)D增大時(shí),意味著進(jìn)料速度增大,反應(yīng)器內(nèi)底物濃度增高,所以μ值隨之增大；當(dāng)D降低時(shí),意味著進(jìn)料速度減小,反應(yīng)器內(nèi)底物濃度隨之降低,有許許多多的實(shí)驗(yàn)得出了Monod方程,即限制性底物濃度CS與生長比速率μ的關(guān)系,因此連續(xù)發(fā)酵會(huì)自動(dòng)趨向穩(wěn)態(tài),即μ=D,討論：〔1底物濃度〔CS與稀釋率的關(guān)系：〔2菌體相對(duì)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(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度<PX>與稀釋率的關(guān)系菌體濃度〔CX、底物濃度〔CS、生產(chǎn)強(qiáng)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(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度<生長速率〔DCX,隨著稀釋率〔D增大而增大,當(dāng)達(dá)到一定的稀釋率后,其細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)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(xì)胞濃度〔CX和底物濃度〔CS變化很小。當(dāng)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(shí),微生物細(xì)胞沖出,罐內(nèi)菌體濃度為零,底物濃度等于初始濃度,此時(shí)的稀釋率稱臨界稀釋率〔DC。4對(duì)細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度而言,有一個(gè)最佳稀釋率〔D0pt,即細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度最高。5稀釋率越小,底物濃度越低,細(xì)胞產(chǎn)率越高〔轉(zhuǎn)化率高。單罐連續(xù)發(fā)酵〔培養(yǎng),當(dāng)轉(zhuǎn)化率要求不高時(shí),可以使用。如果既要轉(zhuǎn)化率高,又要細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度高,單罐連續(xù)發(fā)酵就滿足不了這個(gè)條件。如何設(shè)計(jì)才能使轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度都高,用多級(jí)串聯(lián)連續(xù)就能解決這個(gè)問題,一般用兩個(gè)罐就可滿足生產(chǎn)要求,第一個(gè)罐用作提高生產(chǎn)強(qiáng)度〔控制最佳稀釋率,第二個(gè)罐用作提高轉(zhuǎn)化率。四、最佳稀率〔Dopt>最佳稀釋率是細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度〔生長速率最大時(shí)的稀釋率。生產(chǎn)強(qiáng)度對(duì)D求導(dǎo),等于零,即求得稀釋率最大值Dopt最佳稀釋率對(duì)應(yīng)的最佳細(xì)胞濃度〔CXopt及最大生產(chǎn)強(qiáng)度〔PX>opt兩級(jí)串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)穩(wěn)定時(shí),CX0=0對(duì)第一個(gè)罐細(xì)胞平衡：對(duì)第二個(gè)罐細(xì)胞平衡：兩罐串聯(lián)與單罐連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的對(duì)比假定用兩個(gè)罐<等體積串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵,第一個(gè)罐的菌體濃度為第二個(gè)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(shí)間用τ表示:兩罐發(fā)酵時(shí)間用τm表示：帶細(xì)胞循環(huán)的單級(jí)培養(yǎng)帶細(xì)胞循環(huán)的單級(jí)培養(yǎng)是在單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,將流出反應(yīng)器的物料進(jìn)行細(xì)胞濃縮,將濃縮液循環(huán)。通過濃縮液循環(huán),提高反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度,從而提高反應(yīng)速率。以下是帶細(xì)胞循環(huán)的單級(jí)細(xì)胞培養(yǎng)流程：圖中,RF為循環(huán)液量,R為循環(huán)比。Cx2＜CX＜CX1對(duì)發(fā)酵罐培養(yǎng)系統(tǒng)菌體平衡:細(xì)胞濃縮分離系統(tǒng)菌體平衡：由以上兩平衡式得出：、帶細(xì)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(shí),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(shí),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(shí),可減小設(shè)備體積。〔4如果細(xì)胞不濃縮,D=μ,對(duì)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(xì)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(yīng)器,對(duì)酶反應(yīng)因循環(huán)物料使得進(jìn)入反應(yīng)器的底物濃度降低,因此可以解決因底物濃度抑制的反應(yīng)而提高反應(yīng)速率；對(duì)微生物細(xì)胞反應(yīng)則提供了連續(xù)接種的作用?；亓鞅任锪虾馑悖哼M(jìn)口物料進(jìn)口濃度：第四節(jié)底物消耗與產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)底物消耗動(dòng)力學(xué)底物只形成細(xì)胞的消耗動(dòng)力學(xué)底物消耗速率通過細(xì)胞得率系數(shù)與細(xì)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。包括維持細(xì)胞生命的底物消耗動(dòng)力學(xué)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m斜率m包括產(chǎn)物生成的底物消耗動(dòng)力學(xué)底物消耗速率：底物消耗比速率：產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生成速率的相關(guān)性分為三類：相關(guān)模型指產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長相關(guān)的。產(chǎn)物生成速率可寫成：產(chǎn)物生成比速率：部分相關(guān)模型指產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長部分相關(guān)。產(chǎn)物生成速率：產(chǎn)物生成比速率：非相關(guān)模型指產(chǎn)物生成與生長無關(guān)。其特點(diǎn),細(xì)胞生長時(shí)無產(chǎn)物生產(chǎn),當(dāng)細(xì)胞停止生長后才生成產(chǎn)物。產(chǎn)物速率表達(dá)式：第五節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)求取Monod方程兩個(gè)重要參數(shù)μmax和KS的求取：將方程寫成：利用微分法求?。旱诹?jié)滅菌動(dòng)力學(xué)第四章反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析第一節(jié)生物反應(yīng)器類型生物反應(yīng)器是指利用生物催化劑進(jìn)行生物反應(yīng)的設(shè)備,按催化劑不同分：細(xì)胞生物反應(yīng)器；酶反應(yīng)器；按物料進(jìn)出不同分：間歇操作反應(yīng)器；連續(xù)操作反應(yīng)器；半連續(xù)操作反應(yīng)器；根據(jù)催化劑分布分：塊狀反應(yīng)器；膜反應(yīng)器。連續(xù)操作反應(yīng)器根據(jù)流動(dòng)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(yīng)器視為全混流