生物反应工程原理共60页文档
《生物反应工程》课件
9. 结语
生物反应工程对于推动生物技术的发展和提升人类生活质量具有重要意义。通过不断学习和实践，我们可以不 断突破与改进。
6.效、更可持续的反应过程，并在结果分析和评估中加以 验证。
7. 生物反应器的应用
生物反应工程在各个领域都有广泛的应用。我们将探讨生物转化与合成以及 生物降解与治理的应用案例。
8. 生物反应工程的发展
了解生物反应工程的现状、趋势以及未来发展方向，对于我们在这个领域中 保持创新思维和持续学习至关重要。
3. 生物反应器设计
生物反应器是进行生物反应的关键设备。了解反应器的基本组成和设计参数 对于优化反应过程至关重要。
4. 生物反应器操作
对于生物反应器的操作和参数调节有着重要的影响。我们将讨论不同的操作模式和调节方法。
5. 生物反应器的监控
通过监控生物反应器的指标和测量参数，我们可以及时了解反应器状态并做 出必要的调整。
生物反应工程
通过创新的生物反应工程技术，我们可以利用生物体内的反应机制来解决各 种实际问题，为人类提供更好的生活。
1. 介绍
生物反应工程涉及使用生物体和生物体内的反应机制来开发和改善产品和过 程的工程学科。本章将介绍生物反应工程的概念和生物反应器的分类。
2. 生物反应动力学
生物反应动力学研究生物反应的速度和机理。我们将探索反应动力学方程和确定动力学参数的方法。
生物反应工程原理
第一章绪论1、生物反应工程的定义Definition of Bioreaction Engineering生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。
是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及优化原理等化学工程方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
“个别的学问knowledge of individ uation”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。
具体的技术可以用记述的方法来表现。
研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。
抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。
工程本质上是具有价值取向的主体作用于客体、主观思维物化为客观实体的一种目标导向的活动和过程。
生物技术（工程）bioengineering/biotechnology ：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。
——1982年国际经济合作及发展组织高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强大的、活跃的技术群体，叫做高技术。
高技术凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着当代的科技文明。
我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间技术。
生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生化分离工程；生物技术的特点多学科、多技术的结合多学科性:生物催化剂:建立工业生产过程:生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
生物（生化）反应过程：从应用的观点出发可将生物技术进行如下分类：工业生物技术农业生物技术医药生物技术环境生物技术生物现象Bio-appearance从自然现象说起：最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。
(完整word版)生物反应工程原理
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。
生物反应工程原理(生物反应器)
生物反应器微生物反应器微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。
①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。
应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。
应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。
根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。
酶反应器酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。
其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。
酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。
每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。
目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。
动植物细胞反应器动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。
由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。
生物反应器的特点：①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
生物反应工程原理课件第四章
4.3.1 无反馈控制的流加操作
采用这种操作方式时，基质的流加按预先设 置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是 否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的 生长速率为
d (VX ) VX dt
作为流加基质的平衡式，有
d (VS ) 1 d (VX ) FSin m VX dt YX S dt
反复分批式操作是指分批操作完成 后，不全部取出反应物料，剩余部分重 新加入一定量的基质，再按照分批式操 作方式，反复进行。其培养过程中基质 体积变化曲线如图4-1c所示 。 反复半分批式操作是指流加操作完成 后，不全部取出反应物料，剩余部分重 新加入一定量的基质，再按照流加操作 方式进行，反复进行。其培养过程中基 质体积变化曲线如图4-1d所示。
恒化器法是指在连续培养过程中，基质 流加速度恒定，以调节微生物细胞的生长速 率与恒定流量相适应的方法。
恒浊器法是指预先规定细胞浓度，通过 基质流量控制，以适应细胞的既定浓度的方 法。营养物恒定法是指通过流加一定成分， 使培养基中的营养成分恒定的方法。实际应 用中多采用恒化器法 。
对于所供给基质的浓度，菌体浓度近似一定，即 dX/dt=0时。由上式，可认为μ≈F/V（=D,即稀释 率）。
一、定流量流加操作
定流量流加操作是指基质的流加速度保持一定 的流加操作。此时。时间时，，由菌体的恒算式
XV Y X S ( FSin t V0 S 0 ) X 0V0
可知，时间t时的菌体浓度为
分批式培养中微生物的生长曲线
4.2.2 状态方程式
分批式培养过程的状态方程式（环境过 程的状态方程式）可表示为： 基质：dS/dt=-yX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=πX Po2 in Po2 out F 氧： OUR Qo2 X V Pall Po2 in Pco 2 in Pall Po2 out Pco 2 out
生物反应工程原理
第一章生物工程导论1.生化反应工程的概念以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。
2.生化反应工程研究对象研究生物反应动力学反应器设计3.生化反应特点优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌4.生化反应动力学本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。
反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。
5.生化工程研究中的数学模型结构模型：由过程机理出发推导得出半结构模型：了解一定机理结合实验数据经验模型：对实验数据的一种关联第二章生物反应工程的生物学与工程基础1.因次：导出单位，也称量纲。
2.红制及基本单位密度比容气体密度压力第三章微生物反应计量学教材p53-641.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究2.得率系数与维持因数：得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。
3.细胞组成表达式及元素衡算方程细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO24.得率系数与计量系数关系当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下：5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比6.实例计算第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38）1．酶活力表达方法及催化特性催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活2.了解反应速率方程的几种形式零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比二级反应：反应速率与浓度二次方成正比连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
生物反应工程生物工程反应
max[S] Ks K0[S]0[S]
式中Cs0——基质初始浓度； Kso——无因次初始饱和常数。 其他方程
若干常见微生物 μmax与Ks值
微生物
大肠杆菌37℃） 大肠杆菌37℃） 大肠杆菌37℃） 酿酒酵母30℃） 热带假丝酵母 产气可雷伯氏菌 产气气杆菌
溶解氧（solved oxygen,DO） 光
光氧型微生物、藻类和植物细胞 剪切力
综合因素
3.2.3 细胞生长动力学的描述方法
A.理想的微生物生长模型应具备下列4个条 件：
要明确建立模型的目的。 明确地给出建立模型的假定条件，这样
才能明确模型的适用范网。 希望所含有的参数，能够通过实验逐个确
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物生产的反 应，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细 胞内因素的影响，并且微生物菌体易发生遗传变异， 因此，实际控制相当困难。
原料是农副产品，所以受价格变动影响大。
生产前的准备工作(开发新菌种，扩大培养等)量大，且 花费高，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于 好氧反应，因为要通氧，故增加了费用，且氧的利用 率不高。
t
02.41.1
dX dt
1 0.935
ln(
24.1) 0.1
5.87(h)
b. Monod与米氏方程的比较：
相同：①形似； ②在一定条件下使用。
Monod方程往往必须在具体条件下进行 适当修正。 不同： ①Monod方程经验表达式；而米氏方程数学推 导式 。 ② 细胞利用营养成分的过程与单一酶促反应 过程不同，因前者与细胞的生理、营养、代 谢有关。
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• 式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保 持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞 的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的 燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值 为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为 0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的 YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
真菌、藻类和原生动物等。
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分 类 ： 界 （ Kingdom ） 、 门 （ Phylum ） 、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （Genus）、种（Species）。
种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。
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不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、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； 5、废水有较高BOD值。
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• 当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一 部分被同化（assimilate or anabolism）为细胞的组成 成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分 解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看， 与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示
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（优选）微生物反应动力学生物反应 工程课件共讲
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