生物反应工程重点

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r：反应速率(mol/L.h) rmax ： 最 大 反 应 速 率 (mol/L.h) S：底物浓度(mol/L) Km：米氏常数(mol/L) 适用于单底 物 酶促 反应 不存在 抑制的情况
菌体得率常数： YG =
F.呼吸商
dX (− dS ) G
呼吸商： RQ = QCO 2 / QO 2
G.产物生成与细胞生长的相关模型 l 相关模型：产物的生成与细胞的生长相关，产物是细胞能量代谢的结果，产物的生 成和细胞生长同步。 l 部分相关模型：反应产物的生成与底物的消耗仅有间接关系，产物是能量代 谢的 间接结果。在细胞生长期内，基本无产物生成，只有当菌体的生长速率和底物的消 耗速率下降到一定值后， 产物生成才较多， 此时产物的生成速率与菌体的生长速率 和底物的消耗速率基本同步。 l 非相关模型：产物的生成与细胞的生长无直接关系，它是次级代谢产物。它的特点 是当细胞处于生长阶段时，无产物积累；当细胞停止生长后，产物却大量积累。 例题 图 1 为酶促反应 1/r~1/S 曲线，指出曲线Ⅰ、Ⅱ中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑制情 况。图 2 为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。 1/ Ⅰ Ⅱ
求各系数 a、b、c、d 及菌体得率 YX/S。 解：根据元素平衡式有： C： H: O: N: 2=c+d 6+3b=1.75c+2e 1+2a=0.5c+2d+e b=0.15c (1) (2) (3) (4) (5)
已知 RQ=0.6，即 d=0.6a 以上 5 式联立求解，得 a=2.394 b=0.085 c=0.564 d=1.436 e=2.634 因此反应式为： C2H5OH+2.394O2+0.085NH3 2.634H2O 菌体得率 YX/S=0.564×23.85/46=0.29
μ
X ，DX X
μm
DX 0.5μm
图3
Dcrit
Dm
KS
图4
Scrit
S
Scrit 如图所示。 若 S<Scrit，此基质为限制性基质
H.灭菌动力学（能够计算） I.monod 方程的应用（能够计算） 例 1. 某微生物的生长可用 Monod 方程来描述，并且µm=0.5/h，KS=2g/L。连续培养中，流 加基质浓度 So=48g/L，YX/S=0.45g/g，在稳定状态下，菌体的最大生产强度为多少？ 解：Dm=µm[1-KS1/2/(KS+S0)1/2]=0.4(1/h) (DX)m=DmYX/S(S0-S)= DmYX/S[S0-KSDm/(µm-Dm)]=7.2(g/L.h) 因此在稳定状态下菌体的最大生产强度为 7.2g/L.h 例 2. 一种细菌连续（恒化器）培养中获得如下结果： µ(=D) (h-1) [S](g/l) 0.080 0.05 0.20 0.3 0.25 1.0 0.26 2.0 0.27 3.0
4、 Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数， Da 准数越大， 外扩散效率越高。 ( ×
5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( × ) 1. 米氏方程中饱和常数的倒数 1/Ks 可表示酶与底物亲和力的大小。它的值越大，表示酶与 底物亲和力越大。 （√ ）
5
2. 稳态学说中所谓的稳态是指中间复合物 ES 的生成速率与分解速率相等，达到动态平衡。 （ √） 3. 分配效应是由于固定化载体与底物或效应物之间的的亲水性、疏水性及静电作用引起微 环境和宏观环境之间物质的不等分配， 改变了酶反应系统的组成平衡， 从而影响反应速率 的一种效应。 （√ ） 4.固定化酶的表观速率是假定底物和产物在酶的微环境和宏观环境之间的传递是无限迅速， 也就是在没有扩散阻力情况下的反应速率。 （ × ） 5. 在酶促反应中，不同的反应时间就有不同的最佳反应温度。 （√ ） 6. 固定化酶的分配系数 Kp＞1,表示固定化酶固液界面外侧的底物浓度大于内侧的底物浓 度。 （ × ） 7. 微生物反应是自催化反应，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖。 （√） 8. Monod 方程属于微生物生长动力学确定论的结构模型。 （× ） 9. 按产物生成速率与细胞生成速率之间的关系， 次级代谢物的生成属于相关模型。 （× ） 10. 在微生物反应器的分批操作中，与其它操作方式相比，易发生杂菌污染。 （×） 11. 流加操作的优点之一是可任意控制反应器中的基质浓度。 （√ ） 12. 连续式操作一般适用于大量产品生产的场合。 （ √ ） 13. 在单级连续培养中， 一般由于[Sin]＞＞Ks， 所以根据 Monod 方程可以认为 Dcri≈μmax。 （√ ） 14. 在连续培养中，如果一种杂菌进入反应器，它的比生长速率小于培养所使用菌的比生长 速率，那么杂菌可被洗出。 （√ ） 15. 动物细胞的培养方式有悬浮培养和贴壁培养两种方式。 （√ ） 1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( √ ) 2、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一准数，Da 准数越大，外扩散效率越高。( × ) 3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ ) )
1 = 0.14 g / L （3 分） 。 7.33
（说明：由于本题属于作图求解，故所求数据稍有不同应得分） 。 例 3. 流加培养青霉菌中，为确保比生长速率 μ=0.2h-1，按照指数式流加葡萄糖。菌体的生 长可以用 Monod 方程表达， μ m=0.30h-1， Ks=0.1kg/m3。 流加开始时培养液体积 V0=0.006m3， 菌体浓度为 X0=0.2kg/m3，菌体得率 YX/S=0.3kg/kg。求流加培养至 20h 时反应器内基质浓 度和培养液体积，流加开始与 20h 时的流加速度。(8 分) 解：对于指数流加，为保证比生长速率恒定，有：D=μ=0.2 h-1 培养至 20h 时：
µ m 。流加操作拟定态要求 D < µ m 。 µ crit ，应满足 D > µ crit ，保证“壮龄”细胞在细胞群体中占绝大多数。
3)发酵罐最大允许细胞浓度。 4)细胞对底物的耐受力。
稀释率：
D=
F V
例题：试推导在微生物恒化器法单级连续培养中，当达到稳态时，细胞的比生长 速率等于稀释率，即 μ=D F 其中稀释率 D= ，F 为培养液流入与流出速率，L/h;V 为反应器内培养液的 V 体积，L。 推导：对微生物菌体进行物料平衡计算： V× dX dX F F = V µ X − FX ， （2 分） ； 方程两边同除以 V 得： = µX − X ， 因为 D= （1 dt dt V V
4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。( ×
5、连续培养微生物 X 过程中，污染了杂菌 Y，若μX>μY，则杂菌 Y 不能在系统中保留。 ( √ ) 1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ ) √ ) × ) )
3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。(
生物反应工程重点 1.生物反应研究的内容？ A. 生物反应动力学 动力学——研究工业生产中生物反应速率问题； 影响生物反应速率的各种因素以及如何获得 最优的反应结果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学） B. 生物反应器 传递特性——传质、传热和动量传递 设计与放大——选型、操作方式、计算 优化与控制——优化操作与优化设计、反应参数测定与控制 2.均相酶促反应动力学 3. 固定化酶催化反应过程动力学 A.本征动力学概念： 本征动力学：又称微观动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。 该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传 递因素无关。 B.外扩散因子、内扩散因子 C.分子扩散、努森扩散 分子扩散：气体在多孔固体中扩散，当固体的孔径较大时，分子的扩散阻力主要是由于分子 间的碰撞所致，这种扩散就是通常所说的分子扩散或容积扩散。 努森扩散：气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体分子的平均自由程（约 0.1um） ， 则气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为 Knudsen 扩散。 4.细胞反应动力学 A.细胞的生长曲线 B.各种比速率 C.细胞生长速率及各种比速率
流加开始时：
F0 = DV 0 = 0 .2 × 0 .006 = 0 .0012 ( m 3 / h )
5.生物反应器的设计 A 氧传递过程及其阻力 B.双模理论（能够推导氧传递速率方程） C.kla 的测定方法*（体积传质系数，1/s） 1.动态法 2.物料平衡法 3.亚硫酸氧化法 D.全挡板条件定义 即在搅拌罐中再增加挡板或其他附件时搅拌功率不再增加基本形成涡流。 E.影响搅拌功率的因素 搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。 F.影响传质的因素 6.连续操作反应器
4、 Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数， Da 准数越大， 外扩散效率越高。 ( × 5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( × )
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简单计算题
1、乙醇为基质，通风培养酵母，呼吸商 RQ=0.6。反应方程为： C2H5OH+aO2+bNH3 c（CH1。75N0。15O0。5）+dCO2+ eH2O
µ 为比生长速率，[S]为限制性底物浓度，若反应适用 Monod 方程，求 µmax 和 Ks。
K 1 1 1 1 1 = + s µ µmax µmax [ S ] ， 解： 把Ｍｏｎｏｄ方程变形为： （2 分） ；以 [ S ] 为横坐标， µ 为
纵坐标，作出如下图。
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在纵坐标截距为３.４５，与横坐标相交于－７.３３，所以 K s =
所以
分） ；
dX dX = µ X − DX 。达稳态时 = 0，所以有 µ X − DX =0 所以 µ = D （2 分） 。 dt dt
判断题 1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ ) √ ) × ) )
3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。(
σ
1 2 3 4
1/S
dω
曲线 1：宾汉流体
曲线Ⅰ：竞争性抑制 曲线Ⅱ：无抑制
曲线 2：胀塑性流体 曲线 3：牛顿型流体 曲线 4：拟塑性流体
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图 3 为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率 Dcrit 和最大生产强度下的稀释率 Dm。图 4 为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？
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A.物料衡算方程 基本方程： 输入＝输出＋变化＋积累 。对于不同的组分和能量均可以采用此基本方程。 如物料衡算方程： 进入体积单元的物质量＝流出体积单元的物质量＋体积单元转化的物质量＋体积单元的积 累物质量 B.μ和 d 的关系 流加培养优化是指控制适当的稀释率 D 或菌体生长比速μ，是生产强度和得率尽可能最大。 大量的菌体时产生产物的前提，因此在菌体生长阶段，应控制较高的生长比速，使菌体量快 速增长。 进入产物生成阶段后， 应控制较低的菌体生长比速， 以减少基质的消耗， 并保证 “壮 龄”细胞在细胞群体中占绝大多数。进行流加培养优化时，还应考虑以下边界条件： 1)最大比生长速率 2)临界比生长速率
Monod 方程与米氏方程的区别是什么？ 答：monod 方程与米氏方程的区别如下表所示。
Monod 方程： µ = 描述微生物生长 经验方程 方程中各项含义：
µ max S KS + S
米氏方程： r = 描述酶促反应
rmax S Km + S
理Βιβλιοθήκη Baidu推导的机理方程 方程中各项含义：
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μ：生长比速(h ) μmax：最大生长比速(h ) S: 单 一 限 制 性 底 物 浓 度 (mol/L) KS:半饱和常数(mol/L) 适用于单一限制性底物、不存在 抑制的情况 D.得率系数
S=
KS D 0.1× 0.2 = 0.2(kg / m3 ) = µm − D 0.3 − 0.2
V = V0 e Dt = 0 .006 × e 0.2×20 = 0 .32 ( m 3 ) F = DV 0 e Dt = 0 .2 × 0.006 × e 0.2×20 = 0.064 ( m 3 / h )