生物反应工程重点

⽣物反应⼯程重点
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
见打印（均相酶促反应动⼒学）ppt
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
见打印（外扩散因⼦、内扩散因⼦）ppt
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。

D.曲节因⼦
没找到
4.细胞反应动⼒学
A.细胞的⽣长曲线
见书86页
B.各种⽐速率
见书81页
C.细胞⽣长速率及各种⽐速率
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：⽶⽒⽅程：
描述微⽣物⽣长描述酶促反应
经验⽅程理论推导的机理
⽅程
⽅程中各项含义：
µ：⽣长⽐速(h-1)
µmax：最⼤⽣长⽐速(h-1)
S: 单⼀限制性底物浓度(mol/L)
K S:半饱和常数(mol/L)
⽅程中各项含义：
r：反应速率(mol/L.h)
r max：最⼤反应速率(mol/L.h)
S：底物浓度(mol/L)
K m：⽶⽒常数(mol/L)
适⽤于单⼀限制性底物、不存在抑制的情况适⽤于单底物酶促反应不存在抑制的情况
D.得率系数
菌体得率常数：
F.呼吸商
呼吸商：
G.产物⽣成与细胞⽣长的相关模型
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。

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。

3.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。

d /d
1
2
3
44
Ⅰ
Ⅱ
1/r
1/S
曲线Ⅰ：竞争性抑制
曲线Ⅱ：⽆抑制
曲线1：宾汉流体
曲线2：胀塑性流体
曲线3：⽜顿型流体
曲线4：拟塑性流体
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？
µ
S
µm
0.5µm
K S
S crit
X
DX
X ，DX
D crit
D m
图3 图4
S crit如图所⽰。

若S
，此基
crit
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m=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=m[1-KS1/2/(KS+S0)1/2]=0.4(1/h)
(DX)m=DmYX/S(S0-S)= DmYX/S[S0-KSDm/(m-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：
0.0800.200.250.260.27
µ(=D) (h-
1)
[S](g/l)0.050.3 1.0 2.0 3.0
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。

解：把Ｍｏｎｏｄ⽅程变形为：，（2分）；以为横坐标，为纵坐标，作出如下图。

在纵坐标截距为３.４５，与横坐标相交于－７.３３，所以（3分）。

（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，µm=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：
流加开始时：
5.⽣物反应器的设计
A氧传递过程及其阻⼒
见书134页
B.双模理论（能够推导氧传递速率⽅程）
见书135页
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
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
⽅程见书161页
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。

流加操作拟定态要求。

2)临界⽐⽣长速率，应满⾜，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：
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
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体积，L。

推导：对微⽣物菌体进⾏物料平衡计算：
，（2分）；⽅程两边同除以V得：，因为D=（1分）；
所以。

达稳态时0，所以有=0 所以（2分）。

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。

( )
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。

（√ ）
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。

（× ）
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。

（ √ ）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。

( √ )
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。

( )
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。

( )
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
求各系数a、b、c、d及菌体得率Y。

X/S
解：根据元素平衡式有：
C： 2 = c + d (1)
H: 6+3b=1.75c+2e (2)
O: 1+2a=0.5c+2d+e (3)
N: b=0.15c (4)
已知RQ=0.6，即d=0.6a (5)
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
0.564（CH1。

75N0。

15O0。

5）+1.436CO2+ 2.634H2O
菌体得率Y X/S=0.56423.85/46=0.29
2.在啤酒酵母的⽣长实验中，消耗0.2kg糖，得到0.0746kg酵母细胞，释放出⼆氧化碳0.121kg，并消耗了氧⽓0.0672kg，求酵母细胞得率Y
和呼吸商RQ。

X/S
解：（2.5分）；
ＲＱ＝（2.5分）。

3.以葡萄糖为限制性基质，在稀释率D = 0.08 (1/h)条件下，连续培养Candida utilis，建⽴了化学平衡式，结果如下，求菌体。

（4分）
得率Y
X/S
0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O。