微生物反应动力学与微生物反应器解析

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反应动力学基础与数据解析

的初始浓度越大，达到一定的转化率所需的时间越短。
• 半衰期与k和CA0的积成反比
得一直线，其斜率为k。
• 半衰期与k成反比，与反应物的初始浓度无关。
反应动力学
(3)二级反应(n＝2)
cA 0 C
kt 1 1 cA cA0
1 t1/ 2 k cA0
1
cA
k
1
cA0
t
t
二级反应的特点
• 反应物浓度的倒数与反应时间成直线关系，直线的斜率为k。
• 达到一定的转化率所需的时间与反应物初始浓度有关，反应物
k
k0
exp( Ea RT
)
ln
k
ln
k0
Ea RT
(11.3.30) (11.2.31)
反应动力学
k与温度的关系
lnK
lnK
c
Ea R
d
Ea大
1/T
1/T
ln
k
ln
k0
Ea RT
Ea小
(11.3.31)
反应动力学
例题11.3.3
气－固相反应 A → P 的反应速率在常压条件下可表示为A的摩尔分率ZA的一次函数： rAW kZAkmol /(h g 催化剂) 在不同温度下测得k的值如下表所示，试求出该反应的活化能：
量系数相等。
• 反应级数可以是整数，也可以是分数和负数。但在一般情况
下反应级数为正值且小于3。
• 反应级数会随实验条件的变化而变化。
反应动力学
（二）反应速率常数（比反应速率，specific reaction rate）
• 对于化学反应： k的大小与温度和催化剂等有关
与反应物浓度无关
• 对于生物化学和微生物：温度、酶、基质浓度

Chapter2.5 微生物反应动力学

华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
劳伦斯－麦卡帝基本方程式的应用
确立处理水基质浓度（Se）与污泥平均停留时间（θc）之间的关系
Se =
1 Ks ＋ d K c θ
1 Yvmax－＋ d K c θ
dS 2 − = kS dt
积分得到：
（1-3）（1-4）
1 1 − = − kt St S0
如：2A（反应物）→ P（产物）不同环境中的反应级数可以根据特定的一组浓度S和时间t的实验数据，根据公式（1-2）、（1-3）、（1-4）来判断反应级数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
b 微生物比增殖率和比基质降解率： u=(dX/dt)/X dX/dt—微生物增殖率，g/(L·h); x—曝气池中微生物浓度比基质降解率：q=(dS/dt)/X dS/dt—基质降解速率，g/(L·h)。污泥平均停留时间（习惯称污泥龄）指反应系统内微生物从其生成开始到排出系统的平均停留时间。相当于反应系统内微生物全部更新一次所需要的时间。用θc或ts表示。单位为d（天）： θc＝vx/∆x ∆x—每日增殖的污泥量，g
第二基本方程式该方程式表示的是基质降解速率与曝气池内微生物浓度和基质浓度之间的关系。有机质降解速率等于被微生物利用的速率，即： v＝q 则根据monad方程式，用 qmax代替vmax，得：
XaS dS = qmax Ks + S dt u
Qmax—单位污泥最大基质利用速率； Ks—半速率系数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering

第九章微生物反应动力学

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二、发酵类型
发酵类型即动力学模型，为了描述菌体生长、碳源利用与代谢产物形成速度变化以及它们相互之间的动力学关系。
9
发酵类型
• Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）可分为： – 第一、二、三类型
根据产物形成与底物利用（基质消耗）的关系分类
结论
通过对分批发酵中细胞、基质和产物浓度变化规律的实验研究，可以对分批发酵过程进行模拟，进而进行优化控制，提高产率。
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分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。
发酵动力学的研究正在为从实验室、中试到工业生产数据的放大、为分批发酵过渡到连续发酵提供理论依据。
7
四）发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation)
谢产物的积累逐渐下降。
30
Monod方程是典型的均衡生长模型
其基本假设如下： ①细胞的生长为均衡式生长，描述细胞生长的唯一变
量是细胞的浓度； ②培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它
组分为过量，不影响细胞的生长； ③ 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞生长速率为
一常数。
Monod方程中: μ为比生长速率μ(h-1)；μm为最大比生长速率(h-1)； S为限制性基质浓度(g／L)；

模块四微生物反应动力学

模块四微生物反应动力学
研究对象：在各种环境因素下，微生物代谢活动（生命活动）随时间
而变化的规律。
从宏观的角度，定量分析菌体的生长、基质的消耗、产物的形成。研究方法：用数学模型研究目的：达到对发酵过程有效控制，提高产品的产率及降低生产成本的目的。
一、分批培养Βιβλιοθήκη P198-205）2. 生产生长部分相关型（Ⅱ型发酵）
分批发酵中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（b）部分生长连动型
Ⅱ型发酵特点：
发酵第一时期菌体迅速生长，而产物形成很少或全无；
第二时期产物高速形成，生长也可能出现第二高峰。
碳源利用在这两个时期都很高
一类是经过连锁反应如丙酮丁醇；一类是不经过中间产物的积累，如柠檬酸等。
2、连续培养的应用（P210~216）
（1）细胞的生产；（2）代谢产物的生产；（3）细胞生理特性的研究；（4）发酵动力学的研究；（5）培养基的改进；（6）菌种的筛选和富集；（7）微生物遗传稳定性的研究。
3. 补料（流加）分批培养（P216）
补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间的操作方式补料分批培养与连续培养之间的区别：随着补料操作的进行培养液的体积是逐渐增大的，到一定时候即须结束陪。随着补料的进行，培养液体积不断增大，达到一定程度时，将部分培养液从反应器中放出，剩下部分继续进行补料分批培养，如此反复进行。在培养过程的中间放出部分培养液的操作，
（1）生产生长相关型（Ⅰ型发酵）
分批工艺中各种比速率（生长速率μ、基质消耗qk和产物形成qp）之间关系
（a）生长生产联动型
在Ⅰ类型的发酵中，菌体的生长、碳水化合物的利用和产物的形成几乎是平行进行的。

生物反应器的原理及深度研究

生物反应器的原理及深度研究生物反应器是一种重要的生物工程设备，常用于生物转化过程的控制和优化。

它利用微生物代谢产生的有机物质来加速物质转换的速度。

因此，在医药、食品、饮料、化工等行业，生物反应器被广泛应用。

本文将着重探讨生物反应器的原理和深度研究。

一、生物反应器的原理生物反应器是一种在控制条件下，根据微生物代谢活动进行转化的设备。

其基本原理是充分利用微生物的生长特性，通过调节物理化学条件来促进微生物的生长和代谢活动。

生物反应器包括生物反应器系统、传感器和控制器。

在生物反应器中，微生物将底物转化成终产物，同时释放出能量、水、气体等产物。

常见的微生物有细菌、酵母、真菌等。

在反应器中，微生物需要充分的生长环境，包括适宜的温度、PH值、营养液等因素。

此外，反应器还需要能够控制进料的流量、浓度、速度等因素的外部控制系统。

生物反应器的主要优点是控制精度高、反应速度快、转化效率高、产品品质好、操作简单等，因此成为了制造高附加值的生物材料和生物制品的首选设备。

二、生物反应器的深度研究生物反应器的深度研究主要包括反应器设计、传质过程和反应动力学等方面。

1. 反应器设计反应器设计是确定反应器放大的重要环节，包括反应器的尺寸、形状、材料、进出料口、控制系统等方面。

反应器的尺寸应根据反应所需的体积和微生物生长的物理环境来确定。

反应器选材需要考虑反应温度、环境影响、反应物质料等因素。

此外，反应器的进出料口和控制系统也需要根据反应条件和控制要求来设计。

2. 传质过程传质过程是生物反应器中重要的传输过程，主要涉及底物的传输和毒素的消除。

传质过程的要求是准确、快速地传输物料，同时不影响反应和微生物生长。

传质的最佳方案应根据底物和微生物特性进行优化。

3. 反应动力学反应动力学是描述反应过程的一般化学动力学原理，反应过程的关键特性是理解反应过程中物质转化速率和环境影响的变化规律。

反应动力学可以根据反应过程的反应物质和微生物的代谢特性进行模拟，建立模型来描述反应速率和微生物代谢过程中的关键参数，进而优化反应条件，提高反应效率。

微生物反应动力学

第一节微生物生长动力学第二节基质消耗动力学第三节代谢产物的生成动力学
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述微生物生长和产物形成过程。
主要研究：
1、发酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
0
x0 （0<t<t1)
µm
x0e µm t (t1<t<t2)
µ = ms
Ks s
0 -a
x= x0e µm(t2-t1) e µt (t2<t<t3)
xm (t3<t<t4) xme -a t (t4<t<t5)
分批发酵动力学-细胞生长动力学
其它模型1
在无抑制作用情况下（但有底物限制存在）
m 1 exp S KS
产物比生成速率
qP
1 dP x dt
（6-17）
qS
YG
m
qP YP
ds x mx 1 dp
dt YG
YP dt
qS
YX / S
qs qp YP / S
ds 1 dx x
dt YX / S dt YX / S
ds 1 dp dt YP/ S dt
分批发酵动力学-基质消耗动力学
③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
分批发酵动力学-基质消耗动力学
产物得率系数：
Yp/s ,YP / O2 ,YATP / s ,YCO2 / s ：
消耗每克营养物（s）或每克分子氧(O2)生成的产物(P)、ATP或CO2的克数。

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第一章绪论1.什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2.生化反应工程研究的主要内容是什么？3.生化反应工程的研究方法有那些？4.解释生物反应工程在生物技术中的作用？5.为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6.何为系统生物学？7.简述生化反应工程的发展史。

8.如何理解加强“工程思维能力”的重要性。

9.为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？第二章生物反应工程的生物学与工程学基础1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。

生物工程与生物科学、发酵工程与生物工程、速率和速度、反应速率与传质速率2. 何为准数和雷诺准数？并解释后者的物理意义3. 工程思维的具体含义是什么？4. 简述酶的催化特性与调节功能。

5. 在一个实际的生物催化过程中如何确保生物催化剂（如酶）的稳定性，并提高催化效率？6. 酶在应用过程中有哪些不同于化学催化剂和微生物作为生物催化剂的地方？7. 微生物培养过程中微生物的世代时间与倍增时间是否是同一概念。

8. 在生物工业中，微生物细胞的量一般采用干重表示，为什么？9. 为什么要固定化酶或微生物细胞？10. 进行生物催化剂（酶或微生物细胞）催化机理研究时，采用固定化酶或微生物细胞是否更有利于清楚了解催化过程机理？11. 何为生物分子工程？ 12. 在微生物培养过程中，操作工人观察到发酵罐上的压力表中的读数为0.025MPa,罐中的发酵液深度为10米，试问在罐底处的微生物细胞承受多大压力？在发酵液表面呢？ 13. 如果在2小时完成生物反应器中70m 3的装液量，请计算物料输入管的管径。

如果要求50分钟将反应液排空，请计算物料输出管的管径。

第三章酶促反应动力学1. 简述酶促反应的特征及其与化学反应的主要区别是什么？。

2 .应用直线作图法（Lineweaver —Burk 法；Haneswoolf 法；Eadie —Hofstee 法和积分法）求取米氏方程中的动力学参数K s 和r max ，并比较由各种方法所得结果的误差大小。

生物反应器中微生物生长动力学及其模型研究

生物反应器中微生物生长动力学及其模型研究生物反应器是一种能够用来产生有益产品的重要装置，它的工作原理是利用微生物代谢产物反应，将生物废料转化为有用物质。

微生物生长动力学和模型研究是研究生物反应器的基础，本文将对此进行探讨。

一、微生物生长动力学微生物生长是指微生物在适宜环境下，吸收营养物质，进行代谢和增殖的过程。

微生物在生长过程中会经历增长期、减速期和平衡期等阶段，这样的生长方式称之为生长曲线。

生长曲线是微生物生长动力学的基础，常见的生长曲线有对数生长曲线、S型生长曲线和H型生长曲线。

对数生长曲线是描述细胞密度随着时间增长呈指数增加的曲线，通常在对数纸上呈直线。

S型生长曲线是成熟的微生物在新的环境中生长的曲线，它包含了细胞的适应期、产生新生代的阶段和平稳阶段。

H型生长曲线则是反映细胞增殖和凋亡同时发生的曲线，即当细胞密度达到一定的值时会出现细胞死亡现象。

微生物生长动力学还包括生长速率、半饱和常数和抑制因数等方面的研究。

生长速率是指单位时间内生物体增长的速度，在生物反应器设计和操作中起着重要的作用。

半饱和常数是指生物体对某种物质的最低浓度，此浓度以下时生长速率呈指数增加。

抑制因数则是指在生长过程中某些物质会抑制或促进细胞生长，这些因素对细胞生长动力学的研究也是至关重要的。

二、微生物生长模型微生物生长模型是基于微生物生长动力学研究的一种模型，它可以用来模拟微生物在不同条件下的生长状况。

常见的微生物生长模型有Monod模型、Andrews模型和Moser模型。

Monod模型是最为基础的微生物生长模型，它假设微生物在生长过程中只对某一种限制性营养物质敏感，从而引起生长率和限制物质浓度之间的关系呈现出单底物模型。

Andrews模型则是对Monod模型的改进，它核心思想是基于生长速率和产物形成速率之间的关系，从而将对限制物质的敏感度扩展到更多营养物质上。

Moser模型则是基于生化反应动力学的生物过程模型，它涉及了更为复杂的反应网络，通过对不同营养物质的生化反应过程进行建模，提高了对微生物生长动力学的理解。

生物发酵工程中反应器设计与控制技术研究

生物发酵工程中反应器设计与控制技术研究生物发酵工程是利用生物体内酶、菌群等微生物所具有的代谢特性，通过培养、调控等方式将生物体生长代谢的物质转化为所需要的化学物质或生物制品的一种现代工业的生产方式。

反应器是生物发酵过程中必须使用的设备之一，其设计和控制技术的研究意义重大，对工业生产的经济效益和产品质量起着至关重要的作用。

一、反应器设计1. 理论模型反应器设计中的首要任务是建立反应过程的数学模型。

根据反应过程的特点,可以选择不同的反应机理和反应模型建立合理的反应模型。

例如,当反应体系中涉及到生物种群或过程时,则需要考虑到微生物的生长动力学或代谢动力学等特点,采用微生物生长和代谢模型来描述反应体系的特性。

此时，反应器设计者需要根据反应条件的变化，及时修改反应模型，以提高生产过程的效益和产品质量。

2. 反应器装置反应器装置是反应器设计过程中的重要组成部分。

根据不同的反应条件，设计者可以选择不同的反应器类型，例如，批式反应器、连续式反应器等其中的装置形式。

同时，反应器装置的工作也受到反应条件的影响，例如反应器装置需要提供恰当的热交换功能，以保证反应体系中不发生过热或过冷的情况，进而发挥更好的反应效果。

在反应器的装置中，还需要考虑到对反应试剂的供给和反应物的混合，以保证反应的均匀性。

3. 反应器操作反应器操作也是反应器设计的重要环节。

在生物发酵过程中，反应器的操作可以分为固定条件的反应和动态条件的反应两种不同的模式。

因此，在反应器设计中，需要对反应条件的变化提前预测和调整，适时地对反应器的操作进行控制。

二、反应器控制技术反应器设计的基础是对反应体系的深刻理解和适当调控。

在反应器运行过程中，反应控制对于保证反应过程的有效性和高质量生产具有重要意义。

反应器的控制技术主要分为两类，即开环控制和闭环控制。

1. 开环控制开环控制是指对反应器设备的正常工作，对反应条件设定好后，固定支配反应过程的各项参数。

例如，在固定的反应过程中，根据生物种群、反应物种类、设备设计等因素，将所需的设备操作参数予以设定，如反应温度、反应剂流量等指标。

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。

生化反应器第三章细胞反应动力学1

1.2c + d + 2e − 6 b= 2 1.2 × 0.909 + 3.855 + 2 × 2 − 6 = 2 = 1.473
所以： a= 0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2
即： C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86 +3.855H2O+2CO2 （2）底物对细胞的得率YX / S的计算
YX / S
max
= 1 / 0.0167 = 59.8802(g/mol)
m = 0.0012(mol/g ⋅ h )
由而可看出两种作法的计算结果时接近的
0.04 0.035 0.03 YX/S （g/mol） 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 5 10 1/ µ （h ） 15 20
0.008 0.007 q S （mol/g·h） 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
µ （1/h ）
qS及µ的实验数据计算YX/S ，以1/YX/S对1/µ进行回归得到则
1 / Y X / S = 0.0167 + 0.0012 / µ
对N元素平衡，有：
a = 0.86c = 0.782
对H元素平衡，有：
12 + 3a = 7.3c + 2d ， 12 + 3a − 7.3c d= 2 12 + 3 × 0.782 − 7.3 × 0.909 = 2 = 3.855
对O元素平衡，有：
6 + 2 × b = 1 .2 c + d + 2 e ，

生物反应器中微生物动力学建模研究

生物反应器中微生物动力学建模研究随着科技的不断发展和进步，越来越多的高科技手段被应用在了生物工程领域中，其中生物反应器技术尤为重要。

生物反应器是一种用来培养和控制微生物生长的设备，常见于医药、环保、食品等工业领域。

设计一种高效稳定的生物反应器已经成为生物反应器领域的重要研究领域之一，而微生物动力学建模则是该领域研究的核心之一。

微生物动力学建模，是通过建立微生物数量、生长速度等多种指标的动态方程，预测微生物对反应器运行的响应，有助于控制微生物反应器中的生物过程。

微生物动力学建模中，常见的模型有质量平衡模型、传质模型、能量平衡模型等。

质量平衡模型是一种基于质量平衡原理进行微生物动力学建模的方法，在该模型中，对于任何物质，其输入量与输出量之间必须达到平衡。

传质模型则是一种基于传质动力学原理进行微生物动力学建模的方法，该模型适用于有溶质从液相向气相、液相或固相转移的情况。

能量平衡模型则是一种基于热力学原理进行微生物动力学建模的方法，该模型适用于反应器中发生热能转移的情况。

微生物动力学建模是将生物反应器和微生物进行有机结合的重要途径，它可以提高生物反应器的稳定性、控制性和效率。

因此，在生物反应器设计和运行中，微生物动力学建模有着非常广泛的应用。

第一，微生物动力学建模可以帮助预测生物反应器的稳定性和控制性。

在微生物动力学模型的基础上，可以确定反应器的运行状态，并预测反应器的变化趋势。

由此，可以优化反应器的控制策略，从而保证反应器运行的稳定性和控制性。

第二，微生物动力学建模可以帮助优化反应器的设计和运行参数。

通过建立微生物动力学模型，可以确定反应器中各种物质的传质和反应过程，从而优化反应器的设计。

此外，微生物动力学建模还可以帮助确定反应器运行参数，如温度、压力、通气量等，从而提高反应器的效率和生产能力。

第三，微生物动力学建模可以帮助解释反应器中微生物的生长规律。

微生物的生长速率、代谢和生化反应等过程，是微生物动力学建模的关键研究内容。

环境工程原理课件第15章微生物反应器

第二节微生物反应的计量关系
Yx / s M s YATP / s (1 Yx / c )
Yx / s M s
Yx / ATP
(15.2.15)
Yx / ATP
x YATP / s (1 Yx / s ) s
Yx / ATPYATP / s
(15.2.16)
Yx/ATP＝ 8－11,平均10
Yx / s 细胞的生长量 X ＝反应消耗的基质量－S
(15.2.6)
Yx/s值的大小：可能小于1，也可能大于1
第二节微生物反应的计量关系
表15.2.3 细菌的细胞产率系数微生物 Saccharomyces cereviside Saccharomyces cereviside Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Aerobacter aerogenes Escherichia Coli Candida utilis 基质葡萄糖（好氧） Y x/s ［g•g-1］ 0.53
表15.2.1
表15.2.2
C7H10O3N
大肠杆菌: C4.2H8O1.3N
第二节微生物反应的计量关系
（三）微生物反应的综合计量式
S＝YxX＋YpP
(15.2.1)
产物产率系数(product yield)。
细胞产率系数(cell yield) 好氧微生物反应： CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O
Yx / av.e
Yx / s M s 4nO 2
ΔnO2：每摩尔的基质完全燃烧时需要的氧的摩尔数 (15.2.20)

生物反应器原理：微生物在反应器中的生长

生物反应器原理：微生物在反应器中的生长生物反应器是用于进行生物工艺过程的设备，其主要目的是提供适宜的环境，以支持微生物在其中进行生长、代谢和产物合成等生物反应。

以下是生物反应器中微生物生长的基本原理：基质与营养物质供应：生物反应器中提供的培养基是微生物生长的基础，包含了微生物所需的碳源、氮源、磷源、微量元素等。

这些物质为微生物提供了能量和原料，支持其代谢和生长。

温度控制：微生物的生长通常对温度敏感，因此生物反应器会通过加热或冷却系统来维持适宜的温度范围。

温度的控制对微生物的生长速率和代谢活性有重要影响。

pH控制：微生物对环境的酸碱度（pH值）也敏感。

生物反应器中通常设有 pH 控制系统，确保培养基的酸碱度在微生物生长的适宜范围内。

气体供应与气体传质：微生物通常需要氧气进行呼吸，而某些微生物也可能是厌氧生物，需要在缺氧或无氧条件下生长。

因此，生物反应器中有适当的气体供应系统，以满足微生物对氧气或其他气体的需求。

搅拌与氧传递：为了保持培养基的均匀性，生物反应器通常通过搅拌系统来提高培养基的混合程度。

此外，搅拌还有助于提高氧气在培养基中的传递效率，确保微生物有足够的氧气供应。

生物质传递：生物反应器中，微生物生长后会产生细胞质和代谢产物，而这些物质需要被传递出去，以维持培养基的适宜环境。

通常通过排放废液或分离技术来实现。

在线监测与控制：为了确保微生物在生物反应器中的良好生长，常常使用在线监测系统，监测关键参数如培养基中的营养物质浓度、微生物生长速率、产物浓度等，并根据监测结果进行实时的控制调整。

这些基本原理的合理应用能够有效地支持微生物在生物反应器中的生长和代谢过程，从而实现对特定产物的高效生产。

生物反应器在生物技术、制药、食品工业等领域发挥着重要的作用。

生物反应工程第三章

Yx / s
生成细胞的质量 X 消耗基质的质量 S
• 单位:g细胞/g基质。注：细胞是指干细胞的质量
• 微分细胞得率（或瞬时细胞得率）：某一瞬间的细胞得率。 dX rX dX dt YX S dS dt dS rS
• rx：微生物细胞的生长速率；rs：基质的消耗速
求酵母细胞的Yx/s和Yx/o
• 同化作用，也称合成代谢，是生物体从环境中取得物质，转化为体内新的物质的过程。 • 异化作用，也称分解代谢，生物体内的原有物质分解代谢，释放能量，转化为环境中的物质的过程。
• 微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。 • 当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4 倍称为该基质的有效电子数。 • 基于有效电子数的细胞得率Y-ave
四、pH • 不同微生物有其最适生长的pH值范围。大多数自然环境的pH值为5～9，许多微生物的最适生长pH也在此范围内，只有少数种类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。大多数酵母与霉菌在微酸性（pH5～6）环境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性或微碱性条件下生长最好。
五、湿度 • 细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同温度下纯水饱和蒸汽压）在0.90～0.99 之间；大多数酵母菌的为0.80～0.90； • 真菌及少数酵母菌要求在0.60～0.70。因此，固态发酵常用真菌的原因就是其对水活度要求低，可以排除其它杂菌的污染。
酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌丝生长）三种。在最适条件下，酵母在45 min内就可以分裂，比较典型的分裂时间为90～120 min。霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间为4～8 h。

反应工程原理

第一节反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机) 返混(back mixing)：处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器的反应特性。
第十一章反应动力学基础
第十一章反应动力学基础
本章主要内容
第一节反应器和反应操作
反应器的主要类型与特点、常见的反应器操作方式及其特点
第二节反应的计量关系
反应组分(参与反应的各物质)间的定量关系
第三节反应动力学
反应速率与反应条件之间的关系
第一节反应器与反应操作
本节的主要内容
一、反应操作二、反应器三、反应器的操作方式四、反应器内物料的流动与混合状态五、反应器的类型六、反应器的设计七、反应器的放大
浓度cA 体积V A的流出量
qnA qV cA
污水
初沉池
曝气池
回流污泥
二沉池
处理水
剩余污泥
连续操作的应用（污水的活性污泥处理系统）
第一节反应器与反应操作
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。 • 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。） • 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备投资高。

第六章微生物细胞反应动力学

1 D1 D2
CX1 0.85CX 2; 2 D
2

1 (1
CX1 CX 2
)

1 (1
0.85)

0.151
1

2
0.15
m

0.15
2

0.15
2

0.3
以上计算，表明用两个罐串联发酵（培养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。

mX mS
分批培养瞬时得率系数可写成：
YX
S

rX rS
• 总的细胞得率系数可写成：
YX
S

CXt CX 0 CS 0 CSt
㏑(CX/C0)
二、微生物间歇培养
1)延滞期 μ= 0 2)加速期 0＜μ＜μmax 3)对数期 μ= μmax 4)减速期
Monod方程：

max
CS Ks CS
rX
dcX dt
CX
生长比速率μ大小，与微生物种类、环境、营养等有关。
对一定的微生物，在一定条件下，当营养充足时， μ= μmax，是常数，积分得到：
ln CX t
CX 0
2、细胞反应过程的得率系数
（1）相对底物的细胞得率系数 YX S
定义：
YX
S

生成细胞的质量消耗底物的质量
假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2

生物反应器总结

第一章
生物反应器（Bioreactor ）
第一节

概述
传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐” （fermenter）。20世纪70年代， Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同时，Ollis提出了另一术语－生物反应器（biological reactor）。进入80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍中大量出现。

2.间接测定法
从图中可以看出，DNA含量的变化最小。

培养基中存在较多不溶性物质时，可以通过测定构成细胞的大分子物质（如蛋白质、RNA、DNA等)来确定细胞浓度。采用这种方法来估计细胞浓度时，须确定在培养过程中，这种组分在细胞中的含量基本保持不变。
第三节生物反应器的基本类型及其设计

New Brunswick Scientific Co., Inc. (American, NBS Co.)

Biostat B2
Biostat ED10
Pilot Biostat UD50
各类生物反应器
机械搅拌式反应器
气升式反应器
鼓泡反应器膜生物反应器固定床和流化床反应器
生物反应器
细胞生物反培养液（养分）应器
蛋白质、疫苗…
组织…
转基因动物是指通过实验方法，人工地把外源基因导入动物的受精卵（或早期胚胎细胞），使外源基因与动物本身的基因组整合在一起，因而外源基因能随细胞的分裂而增殖，并能稳定地遗传给下一代的一类动物。
1982年，R.D.Palmiter 等科学家将金属硫蛋白基因的启动子和大白鼠生长激素基因拼接成融合基因，把这种基因导入小白鼠的受精卵，再将这一受精卵移植到一借腹怀孕的母鼠体内，生下来的小鼠比正常小鼠体格大一倍，称为 “巨鼠”。

生化工程知识点

生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。

技术产品的生产过程。

生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。

整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。

重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。

反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。

2）反应条件温和。

3）生物催化剂易失活，难以长期使用。

4）生产设备较简单、能耗较低。

5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。

6）反应机理复杂，较难检测与控制。

7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（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。

②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。

第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。