生物反应器设计复习资料

判断：15*1'=15' 填空：25空*1'=25' 选择：10*2'=20'

计算：2个=15' 简答：4个=25'

第一章生物反应器设计基础

一、生物反应器的化学计量基础

1.生化反应方程式

CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（产物）+cH2O+dCO2

其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。

平衡式：

C:1=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY p

O：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c

2、维持定义

1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ

式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；

m s——维持系数；μ——比生长速率。

若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：

σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。当有产物产生时

σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。

二、生物反应器的生物学基础

一）细胞数动力学

1．指数生长期

μ——比生长速率；

X——生长量浓度，以g/L表示；

t——生长时间。

对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，

则：ln(X\X0)=μt

因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ

2.减速期 Monod 方程： 二 ）产物形成动力学

（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：

1主要产物是能量代谢的结果（Gaden （分类）Ⅰ型 ）； 例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成

2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden （分类）Ⅱ型 ）； 例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB 的胞内积累 3产物是二次代谢物（Gaden （分类）Ⅲ型 ） ； 例：霉菌好气发酵中青霉素的生产 4产物是胞内或胞外蛋白。 例：酶合成 计算

1. 假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中2/3的碳转化为细胞的碳， （1）计算该反应的计量系数

C 6H 12O 6+aO 2+bNH 3

cC 4.4H 7.3O 1.2N 0.86 +dH 2O+eCO 2

(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）。 解: (1)1mol 葡萄糖含有的碳为6mol ，转化为细胞的碳为 6*2/3=4mol 则有 4=4.4c, c=0.909

转化为CO 2的碳量为2mol ，则有 2=e, e=2 N 平衡 b=0.86c ,b=0.782 H 平衡 12+3b=7.3c+2d, d=3.854 O 平衡 6+2a=1.2c+d+2e 所以a= 1.473 (2)

2.一发酵罐基质浓度为225g/L ，细胞浓度0.15g/L ，dX/dt=1.5g/h,当基质浓度为

175g/L ，细胞浓度为0.1g/L ，此时， dX/dt=0.875g/h,若细胞生长可用Monod 方

X/S X/O 0.909 4.412+7.3+1.216+0.8614Y =

=0.461g /g 1800.909(4.412+7.3+1.216+0.8614)Y ==1.76g /g 32 1.473

⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯（）

干细胞底物

干细胞氧

程描述，求动力学参数μmax 、Ks ？

解：已知：S1=225g/L X1=0.15g/L dX/dt=1.5g/h, S2= 175g/L X2= 0.1g/L dX/dt=0.875g/h, 由Monod 方程：

得：μ

max =20h -1

Ks=225g/L

3.已知发酵罐内细胞总浓度为400g/m 3 ，此时细胞浓度随时间变化率为0.02g/Lh ，则求（1）细胞比生长速率μ;

（2）若此时细胞处于对数生长期，细胞数量倍增时间t d 。 解：已知：X=400g/m 3， dX/dt=0.02g/Lh

(1)由 (2)t d =ln2/μ＝0.693/0.05=13.86h

4. 已知某发酵过程动力学可用下述公式描述

（1） （2） （3） 基质初始浓度为S 0=100g/L ，产物的初始浓度P 0=0，细胞初始浓度X 0＝4g/L ，基质饱和常数K S ＝25 g/L ，最大潜在比生长速率μ

max ＝0.25h

-1

，细胞对基质的得率

系数Y XS ＝0.06，单位产物的细胞质量系数Y XP ＝0.16.

试求:细胞质量倍增时间t d 及此时的基质浓度S 和产物浓度P 。

解：由（2）式 得：

积分得： 有： （4）

则细胞质量加倍后的基质浓度为

（4）代入（1）：

dX Xdt ==S S S μμmax

K +S

S

μmax K +S 1.50.150.8750.1==S S 225

μmax K +225225

μmax K +225

30.02100.05400

dX

Xdt

=

⨯==μμX S K S t X S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=max d d μt X Y t S XS d d 1d d =-d 1d d d XP P X t

Y t =t

X

Y t S XS d d 1d d =-dX Y dS XS 1=-)(100X X Y S S XS -=-XS XS Y X

Y X S S -+=0010033.3306

.08

06.04100-⋅=-+=-+

=L g Y X Y X S S XS XS X X

X S Y Y K X X S Y t X

XS XS S XS -++-+=0000max

d d μ