生物工艺学第五章生物反应动力学
第五章 微生物反应动力学
菌体的生长比速：
dx
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内的生长量，它表示细胞繁殖的 速度或能力。
产物的形成比速： dp
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合
成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代
谢产物的效率。
得率(或产率，转化率，Y)：指被消耗的物质和所合 成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。 提高微生物生长得率的措施： 1 要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。 2 要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营 养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 3 还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代 谢按所需方向进行。 4 在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
细胞所生存的环境恶化，细胞开始死亡，活细胞数量不断 下降。
二 细胞生长速率与底物浓度的关系
1、莫诺方程 当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速
率是限制性底物浓度 s 的函数：
dx f s
dt
莫诺方程（Monod）：
s m Ks s
描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。
——比生长速率，hr-1 Ks——细胞对底物的半饱和常数，g/L s——单一限制性底物的浓度，g/L
x
x x0 et 或
x 1 dx
t
dt
x0 x
0
x ln t
x0
③世代时间td：
也称倍增时间（doubling time），是细胞浓度增长一倍 所需要的时间，也即细胞分裂一次，繁殖一代所用的时间。
生物反应工程课件
酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化 剂。国际生物化学协会（IUB）根据催化反应的类 型，可将酶分为六大类：即氧、转、水、裂、异、 合。
补充讲解
化学反应分类： 基元反应——由反应物一步生成产物的反应，没有可由宏
+ CS
Cp)
1.2简单的酶催化反应动力学
例
1.2简单的酶催化反应动力学
1.2.3 参数的求取
rmax 和Km是M-M方程中两个重要的动力学 参数，必须在动力学实验的基础上，经过 适宜的数据处理，才能求取。
1.2简单的酶催化反应动力学
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 线1r = 斜rm1ax率+ rKm为max C1SrKmam,x以，1r截~ 距C1S 为作图rm1ax，,得根一据直直线线，斜直率 和截距可计算出Km和rmax。
1.2简单的酶催化反应动力学
积分作图法：
rs = rmaxCS
积分
Km + CS
通过动力学实验，测出Cs～t系列数据，代 入式子，通过线性作图求得动力学参数
1.2简单的酶催化反应动力学
例题
1-1 某酶催化反应，分别在两个不同的初始酶浓度 （CE01=0.015g/L,CE02=0.00875g/L)下进行，得到不 同初始底物浓度时代反应初始速率数据，见列表。试 用H-W作图法求Km，rmax，k+2
观实验方法探测到的中间产物 复合反应——由两个以上的基元反应组合而成的反应。组 合的方式或先后次序成为反应机理
反应速率方程（动力学方程） 在其它因素固定不变的条件下，定量描述各种物质的浓
食品工艺学中生物化学反应动力学研究
食品工艺学中生物化学反应动力学研究食品工艺学是一个将科学原理应用于食物制备和加工的学科领域。
在食品工艺学中，了解食物中的化学反应以及这些反应的动力学很重要。
生物化学反应动力学研究是一门关于食物中生物分子反应速率与机理的学科，它为我们理解食品加工过程中的物质转化、品质保持和储存稳定性提供了重要的方法和信息。
生物化学反应动力学研究的目的是研究食品中发生的生物分子反应的速率和机理。
这些分子反应可以是酶催化反应、非酶催化反应或者是生物转化过程。
了解这些反应的速率和机理可以帮助我们更好地控制食品制作和加工中的过程，以提高产品的质量、延长保质期以及增加商品的功能性。
在食品工艺学中，生物化学反应动力学的研究有助于理解和控制食物中的酶催化反应。
酶是生物体内的催化剂，它们可以加速食物中的化学反应。
通过研究酶的反应动力学，我们可以得到反应速率、酶的底物亲和性以及反应的影响因素等重要信息。
这有助于我们优化食品加工中酶的使用条件，提高生产效率和产品的质量。
另外，生物化学反应动力学研究还关注食品中的非酶催化反应。
非酶催化反应是指在无酶存在的情况下进行的化学反应。
这些反应可能导致食品中的营养物质分解、氧化还原反应以及色素的变化等。
通过了解这些反应的速率和机理，我们可以优化食品加工中的条件，如温度、酸碱度等，以控制食品的品质和稳定性。
例如，在食品储存过程中，了解食品中的非酶催化反应可以帮助我们选择适当的储存温度和时间，以延长产品的保质期。
在食品工艺学中，生物转化过程也是一个重要的研究领域。
生物转化是指通过微生物、酵母、真菌等生物体完成的化学转化过程。
这些过程可以用于生产食品添加剂、发酵食品以及生物活性化合物等。
生物化学反应动力学的研究可以帮助我们了解生物转化过程中的反应速率和机理，从而提高生产效率和产量。
总之，食品工艺学中的生物化学反应动力学研究对于优化食品加工和制备过程，提高产品质量和稳定性具有重要意义。
通过研究食物中的酶催化反应、非酶催化反应和生物转化过程，我们可以更好地理解和控制食品中的化学反应。
微生物反应动力学
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。
生物工艺学
第一章绪论1.生物工艺学：生物技术，以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的过程技术手段，按照设计改造生物体或生物原料，为人类生产出所需要产品或达到某种目的的技术。
2.生物工艺学特点：一门综合性学科，采用生物催化剂，利用可再生资源为主要原料，设备简单，耗能较低。
3.生物催化剂：游离或固定化细胞或酶的总称。
4.1928年英国人弗来明发现青霉素第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏1.工程菌：细菌、放线菌（生产各种抗生素）、酵母菌、霉菌2.工程菌的菌种选育：自然育种、诱变育种、杂交育种、基因工程育种3.自然育种步骤：采样、增殖培养、纯种分离（单菌落分离法）和性能测定4.重组DNA技术：目标DNA片段的获得、与载体DNA分子的连接、重组DNA分子引入宿主细胞、选出含有所需重组DNA分子的宿主细胞5.种子制备：摇瓶种子制备、种子罐种子制备6.工业微生物菌种的保藏：冷冻干燥保藏法、液氮保藏法、斜面保藏法、液体石蜡覆盖保藏法、载体保藏法、悬液保藏法第三章工程培养基及其设计1.工业培养基：为微生物提供生长繁殖和生物合成各种代谢所需的，按照一定比例而配置的多种营养物质的混合物。
2.工业大规模发酵培养基配置原则(1)提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分(2)有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物的转化率(3)有利于提高产物的浓度，以提高单位容量发酵罐的生产能力(4)有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期(5)尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化(6)原料价格低廉，质量稳定，取材容易(7)所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗(8)有利于产品的分离纯化，尽可能减少“三废”物质的产生。
3.培养基成分：碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子、水4.蛋白胨为氮源、葡萄糖为碳源、能源5.微量元素：10-8 -10-6mol/L；大量元素：10-4 -10-3mol/L6.制备培养基的基本原则：目标明确、营养协调、条件适宜、经济合理7.C/N低，利于微生物的生长与繁殖；C/N高，有利于获取代谢产物或用作发酵培养基。
生物反应工程原理
各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢
产物和微生物细胞本身；
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵酵，次级代
• 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（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……。 • 从我们每一个人，即个体说起：
由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言：
• 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
谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门
生物发酵工艺的动力学模型及其优化设计策略
生物发酵工艺的动力学模型及其优化设计策略生物发酵工艺是一种利用微生物在特定条件下进行代谢，从而产生生物制品的生产工艺。
生物发酵工艺已经被广泛应用于医药、食品、化工和环保等领域，成为现代生产工艺中不可或缺的一部分。
在生物发酵工艺中，动力学模型的建立和优化设计是实现高效、稳定和可控制生产的关键。
一、动力学模型的建立动力学模型是描述发酵过程中微生物生长和代谢过程的数学模型，可以实现发酵过程的定量分析和预测。
常用的动力学模型包括Monod模型、Andrews模型、Contois模型和Gompertz模型等。
其中，Monod模型是最为常用的动力学模型之一，其基本假设是微生物生长速率取决于底物浓度。
该模型可以用以下方程进行描述：μ=μmaxS/Ks+S其中，μ表示微生物生长速率，μmax表示最大生长速率，S表示底物浓度，Ks 表示底物浓度半饱和常数。
除了Monod模型，其他模型都对底物的影响做出不同假设。
例如，Andrews模型假设底物对微生物生长有负反馈作用，Contois模型则假设底物在一定程度上可以促进微生物生长速率。
这些模型的选择取决于不同发酵工艺的特点和需求。
建立动力学模型的关键是实验数据的优质。
在实验中，需要对发酵过程中各种环境因素进行控制，例如温度、pH值、氧气供应等，以获得准确的数据。
同时，需要进行多次重复实验，以验证数据的稳定性和可靠性。
二、优化设计策略动力学模型的建立为优化设计提供了基础。
在优化设计中，需要充分考虑发酵过程中各种环境因素的相互作用，以实现高效、稳定和可控制的生产。
常用的优化设计策略包括：1.反馈控制策略反馈控制策略是利用测量结果对发酵过程中的各种环境因素进行调节，以实现对生产过程的精确控制。
其中，最为常用的反馈控制策略包括温度、pH值、氧气供应和营养物质等的控制。
在反馈控制策略中，需要选择合适的传感器和仪器，以实时监测温度、pH值、氧气和营养物质等参数。
同时，需要配合合适的智能控制算法，以实现对生产过程的快速反应和调节。
发酵工艺学第五章
（二）恒化连续培养
恒化器（chemostat或bactogen）是使培养液流
速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率 条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。它通过控 制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子
这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投
入的基质量减去残留的基质量。 转化率：指投入的原料与合成产物数量之比。
2．基质比消耗速率 (qs ，g/g菌体· h)：指单位时间内每克菌体消耗营养物 质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
3．产物比生产速率 (qp，g(或mo1)／g菌体· h)：指单位时间内每克菌体合 成产物的量。它表示细胞合成产物的速度或能力
（细菌的生长速率取决于限制性因子的浓度，并低于最高生长速率）
通过控制流速可以得到生长速率不同但密度基本恒定的培养物 多用于科研
遗传学：突变株分离；
生理学：不同条件下的代谢变化；
生态学：模拟自然营养条件建立实验模型；
的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装
置。
使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高
生长速率下进行生长繁殖。
限制性因子必须是机体生长所必需的营养物质，如氨基酸
和氨等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，
因而可在一定浓度范围内能决定营养物质控制在较低的浓度， 以作为限制性因子，而其他营养物均过量。
Temperature Fermentation time (h)
Flow Rate Control 流量控制
生物中的化学反应动力学
生物中的化学反应动力学随着科学技术的发展，我们对生命的认知也越来越深刻。
其中，生物化学反应动力学是研究化学反应速率和机理的重要分支，它不仅关注生物大分子的性质，还探讨了许多生命过程中的本质。
本文旨在介绍一些关于生物中的化学反应动力学的概念、原理和应用，进一步探索其背后的奥秘。
概念与原理生物中的化学反应动力学是指研究生物分子间相互作用的速率和机理。
其中，生化反应的速率由一系列因素决定，如反应物浓度、温度、催化剂、酶活性等。
为了更好地理解这些过程，我们需要掌握以下基本概念和原理。
1. 酶催化：生物体内的化学反应都是由酶催化完成的。
酶通常是大分子蛋白质，具有特定的立体构象和活性中心。
它们可以加速化学反应的速率，使得反应更快、更精准。
2. 反应速率：反应速率是指化学反应的进程快慢程度。
它取决于反应物与溶液中其他分子的碰撞概率，具有较高的浓度、温度、压力和化学反应时限等因素，都能对反应速率造成影响。
3. 反应平衡常数：反应平衡常数可以衡量一个反应体系中，反应物和生成物之间达到平衡的相对浓度。
对于一般的热平衡反应，平衡常数等于生成物浓度乘积与反应物浓度乘积的比值。
应用与实例生物中的化学反应动力学不仅仅是理论上的内容，它还有着广泛且重要的应用。
在生命科学研究、医学卫生、生物工程等领域，都有着它深刻的影响。
接下来，我们将举几个例子来说明它的应用价值。
1. 酶动力学研究：酶催化是生物体内化学反应的重要机制，而酶动力学研究正是探讨酶催化机理的重要分支。
在这方面的研究，可以帮助我们更好地理解酶的三维构象、催化中心和反应机制等关键内容，同时也对生物化学反应动力学有着深刻的启发意义。
2. 药物反应动力学研究：化学药物在生命体内的代谢过程也是一个生物化学反应动力学的过程。
探究药物代谢的动力学特征和代谢物的生成量、消失量及半衰期等数据，可以有助于评估药物的药效、毒性和药代动力学等方面，从而说明它的治疗作用和适应症。
3. 生物工程制剂的生产：在现代生物工程制剂的生产过程中，同样需要运用化学反应动力学的原理和实践。
生物工艺学知识点
生物工艺学知识点第一章绪论1、生物工艺学（biotechnology）：又称为生物技术，它是应用自然科学及工程学原理，依靠生物作用剂(biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。
特点：多学科和多技术的结合、生物作用剂（生物催化剂）的参与、应用大量高、精、尖设备。
2、生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。
生物催化剂特点：优点：①常温、常压下反应②反应速率大③催化作用专一④价格低廉缺点：稳定性差控制条件严格易变异（细胞）生物反应过程实质是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程(process engineering)。
3、生物技术研究的主要内容：基因工程(DNA重组技术，gene engineering) 、细胞工程(cell engineering)、酶工程(enzyme engineering)、发酵工程(fermentation engineering)、蛋白质工程(protein engineering)、第二章菌种的来源1、工业生产常用的微生物细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、担子菌、藻类。
2、分离微生物新种的过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定。
含微生物材料的预处理方法：物理方法（加热）；化学方法（pH）；诱饵法。
诱饵技术：将固体基质加到待检的土壤或水中，待其菌落长成后再铺平板。
分离的效率影响因素：1）培养基的养分； 2）pH； 3）加入的选择性抑制剂。
3、高产培养基成分的选择准则：制备一系列的培养基，其中有各种类型的养分成为生长限制因素（C、N、P、O）；使用一聚合或复合形式的生长限制养分；避免使用容易同化的碳（葡萄糖）或氮（NH4+），它们可能引起分解代谢物阻遏；确定含有所需的辅因子(Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+)加入缓冲溶液以减小pH变化。
4、代谢控制发酵（Metabolic Control fermentation）：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。
生物反应动力学
当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维 持能量，即： 用于生长 + 用于维持代 碳源总消耗量 = 的消耗速率 谢的消耗速率 -vs
=
1 v x YG
+
m· c(X)
菌体生长 1 μ m 菌体维持代谢 -v= + 的维持系数 Y 得率系数 G
• 代谢产物的生成速率vp：单位体积、单 位时间内，产物形成的量。 dc(P) vp= dt • 产物的比生成速率Q： vp Q= c(X)
件的不同而不同，通常 µ m -1 为0.086～2.1h c(S) ﹤KS时 ﹤ µ ． µ = m c(S) KS µ KI µ= m KI + c(S)
b
μ µ /2 m
c
﹤ ﹤
c(S)
K S时
a
KS
c(S)
• 微生物生长过程的特征通常以得率系数 来描述，即生成细胞或产物与消耗的营 养物质之间的关系。 细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。 产物得率系数（YP/S g）：消耗1g营养 物质生成产物的质量。
菌体生长 基质消耗 产物生成
最佳工艺条件的控制 为试验工厂比拟放大， 为分批发酵过渡到连续发 酵提供理论依据。
菌体生长速率
基质消耗速率
代谢产物的生成速率
• 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长 的菌体量（g/h.L)
dc(X) 或 =µ c(X) vx= dt dc(X) 1
µ =
发酵方法
open
open
open
分批 发酵法
补料分 批发酵法
连续 发酵法 封闭式 连续发酵
开放式 连续发酵
微生物所处的环境是 每一次发酵需进行反复的 不断变化的； 是指在一个密闭系 清洗、灭菌等操作，增大了 统内，投入有限数 可进行少量多品种的 发酵的非生产时间，降低了 设备利用率及发酵效率； 发酵生产； 量的营养物质后接 每次均存在一个微生物生 发生杂菌污染能够很 概念 入少量微生物菌种 长适应、增殖过程，增大了 容易终止操作； 特点 对底物的消耗，降低了底物 进行培养，使微生 对原料组成要求较粗 的利用率； 物生长繁殖，在特 放； 培养基中的底物浓度较高， close 定条件下只完成一 当运转条件发生变化 具有较高的渗透压，不利于 或需要生产新产品时， 个生长周期的微生 微生物的生长等。 易改变处理对策。 物培养方法。
生物工艺学习题
⽣物⼯艺学习题第 5 章代谢调控1、代谢控制的类型有⼏种？主要类型1.酶活的调节（活化或钝化）2.酶合成的调节（诱导或阻遏）微⽣物采⽤3种⽅式调节其初级代谢：酶活的调节、酶合成的调节和遗传控制。
2、酶合成调节与酶活调节异同之处是什么？酶合成的调节与酶活性的调节的对⽐酶合成的调节酶活性的调节不同点调节对象通过酶量的变化控制代谢速率控制酶活性，不涉及酶量变化调节效果相对缓慢快速、精细调节机制基因⽔平调节，调节控制酶合成代谢调节，它调节酶活性相同点细胞内两种⽅式同时存在，密切配合，⾼效、准确控制代谢的正常进⾏。
3、简述诱导作⽤的机制。
（1）酶的诱导可分两种：当诱导物加⼊后，同时或⼏乎同时诱导⼏种酶的合成；主要存在于短的代谢途径中。
如将乳糖加⼊到E.coli培养基后，可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶、半乳糖苷转⼄酰基酶；不管诱导强度如何，所以这三种蛋⽩以同⼀⽐例合成。
（因为三者的基因组成同⼀操纵⼦）2）顺序诱导先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。
（2）酶的诱导机制：(以E.coli乳糖操纵⼦为例)E.coli乳糖操纵⼦由lac启动基因(lacP)、lac操纵基因(lacO)和三个结构基因(lacZ、Y、A)所组成，三个结构基因分别编码β-半乳糖苷酶、透过酶和转⼄酰酶。
乳糖操纵⼦是负调节的代表，在缺乏乳糖等诱导物时，由调节基因(lacI)编码的调节蛋⽩（即lac阻遏物）⼀直结合在操纵基因上，抑制着结构基因转录的进⾏。
4、反馈调节有⼏种主要类型？简述其机制。
反馈调节分为：1.反馈抑制2. 反馈阻遏1.反馈抑制: 是末端代谢产物抑制其合成途径中参与前⼏步反应的酶（通常是催化第⼀步反应酶）活性的作⽤。
2.反馈阻遏:是末端代谢产物阻⽌整个代谢途径酶的合成作⽤两种机制都起着调节代谢途径末端产物的⽣产速率的作⽤，以适应细胞中⼤分⼦合成对前体的需要。
末端代谢产物阻遏作⽤的功能直接影响酶的合成速率，但如果其单独起作⽤，代谢还会继续，直⾄先前存在的酶随着细胞的⽣长⽽被稀释为⽌；末端代谢产物抑制作⽤可弥补这种不⾜，使某⼀代谢途径的运⾏⽴即中⽌。
生物质热解反应动力学模型的建立
生物质热解反应动力学模型的建立生物质热解是一种利用化学热解方式将生物质转化为可用于发电、汽车燃料和化学品生产等用途的燃料，涉及到多个化学反应。
为了更好地理解和控制生物质热解过程，建立反应动力学模型对于合理设计生物质热解工艺和提高生物质热解效率至关重要。
一、生物质热解的热学过程首先，我们需要了解生物质热解的热学过程。
在生物质热解过程中，有三种主要的热学反应：干馏、气化和焦化。
在干馏反应中，生物质中的水分被蒸发掉，产生挥发性气体和热化合物。
在气化反应中，挥发性气体进一步裂解为可燃性气体。
在焦化反应中，生物质中的碳质化合物被加热分解为焦炭。
二、生物质热解反应动力学模型的建立在生物质热解过程中，不同反应之间的速率常数是不同的，反应速度也会随着温度的变化而发生改变。
因此，建立反应动力学模型可以更好地预测反应速率和反应产物。
反应动力学模型通常采用化学反应速率方程式来描述反应速率。
改方程式可以用来预测反应速率和反应产物。
三、化学反应速率方程式化学反应速率方程式是一个表达化学反应速度与反应物浓度之间关系的数学方程式。
在生物质热解过程中，化学反应速率方程式通常采用阶乘式、指数式、Sigmoid式等形式，其中指数式和Sigmoid式是最常用的形式。
四、建立反应动力学模型的步骤建立生物质热解反应动力学模型的步骤包括：确定反应体系、制备反应样品、精确测量反应条件、分析反应产物。
这些步骤都需要配备专业设备和技术人员，以确保实验过程的准确性和可重现性。
通过以上步骤，研究人员可以获得实验数据，根据这些数据构建数学模型，预测反应速率和产物。
五、反应动力学模型的应用建立反应动力学模型可以用于预测反应速率和产物，可用于优化反应条件，提高生产效率。
反应动力学模型还可以为研究人员提供更深入的理解，了解反应物和产物之间的变化过程，为未来更精细化的生物质热解过程设计打下了基础。
总之，建立生物质热解反应动力学模型非常重要，无论是从生产角度还是研究角度。
发酵工程—5微生物反应动力学
批 影响，并以数学语言进行描述。
发
酵
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
二 控方式；
、 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 批
工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
发 酵
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
、 分 批 发 酵 动 力
学 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
二 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
、 分
限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
Yp dt
批
发 酵 动
ds X m X 1 dP
dt YG
Yp dt
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
于是
二 、
r
1 YG
m
1 Yp
qp
分
批
发 酵
r ：基质消耗比速
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
用YG 表示菌体的理论得率：
二 YG 用于同 生化 成为 菌菌 体体 的碳 质源 量消耗＝ddxsG
生物反应工程课程教学大纲
生物反应工程Bioreaction Engineering课程编号：A0620016学分：2学分学时：32学时先修课程：生物化学、微生物学、化工原理、物理化学适用专业：生物工程专业建议教材：《生化反应工程》（第三版），戚以政主编，化学工业出版社，2007年开课系所：生物与食品工程学院生物工程系一、课程的性质与任务课程性质：本课程为生物工程专业本科生的专业必修课。
课程任务：生化工程是一个知识和技术密集的学科，其基本内容可分为培养基灭菌与空气除菌、酶促反应动力学、微生物反应动力学、生化反应器等方面。
本课程以掌握各部分内容的基本理论为重点。
学生通过本课程的学习后应对生物反应的整个过程有所了解，并能掌握其中的相关原理。
二、课程的基本内容及要求第一章绪论1．课程教学内容（1）通过本课程的学习，使学生了解生化工程的特点、研究内容；（2）掌握生化工程工艺设计的基本原则。
2．课程的重点、难点生物技术设计的基本准则和要求；现代生物技术的特点和体现。
3．课程教学要求（1）掌握生化反应的特点；（2）了解生物工程专业的实际应用；（3）了解整门课程学习的主要内容。
第二章培养基灭菌与空气除菌1．课程教学内容（1）理解常用生化工程反应中灭菌技术的重要性和常用灭菌技术；（2）掌握工业灭菌设备的特点和应用技术特性。
2．课程的重点、难点（1）掌握常用生化工程反应中灭菌技术的原理和应用特点，实验室灭菌技术和工业灭菌技术的差异；（2）掌握灭菌效果的分析与计算。
3．课程教学要求（1）掌握分批灭菌、连续灭菌的特点；（2）理解微生物的热死灭动力学；（3）理解空气过滤设计的原理；（4）掌握典型空气除菌流程。
第三章均相酶促反应动力学1．课程教学内容（1）掌握均相酶促反应动力学特点；（2）了解有各种抑制剂存在的酶促反应动力学特点。
2．课程的重点、难点（1）掌握M-M方程的推导及应用；（2）熟悉有抑制的酶催化反应动力学。
3．课程教学要求（1）掌握典型酶促反应过程的特点及相关公式；（2）掌握影响酶催化反应速率的因素；（3）理解米氏方程动力学参数的求取；（4）理解有各种抑制剂存在情况下的酶反应特征。
生物化工工艺学--第5章--培养基的灭菌
应用范围：空气消毒 手术室、传染病房、细菌实验室 不耐热物品的表面消毒
电离辐射
包括高速电子、X射线和 γ 射线 杀菌机理：产生游离基，破坏DNA。
应用范围： 一次性医用塑料制品的消毒
食品的消毒不破坏其营养成分
1.3 过滤除菌法
用物理阻留的方法 将液体或空气中的细菌除去，以达到除菌目的
滤菌器
含有微细小孔<0.22微米，只允许液体或气体通过，而大 于孔径的细菌等颗粒不能通过
方法二： ①求T1和T2时对应的K1和K2值； ②则有：
E ln K1 ln A RT1
两式相减有： ln
K 2 E 1 1 K1 R T1 T2
E ln K 2 ln A RT2
可计算ΔE
小结： ①ΔE一定时，T增加则K值变大；
龙胆紫
3%~5%
浅表创伤消毒
影响灭菌作用的因素
种类
菌龄
试剂
细菌
浓度
种类
作用时间
环境
有机物 温度 酸碱度
选择适当的消毒剂
有效 低毒 低破坏 方便 价廉 易贮藏
各种灭菌方法的特点及适用范围
灭菌方法
火焰灭菌法
原理及条件
火焰杀死微生物
特点
方法简单、灭菌彻底，适 用范围有限
适用范围
接种针、玻璃棒、 试管口、三角瓶口、 接种管 金属或玻璃器皿
适用范围 血清、毒素、抗生素以及空气等的除菌
1.4 低温与干燥
冷冻真空干燥法： 在低温状态下真空抽去水分
用途：保存菌种
二 化学消毒灭菌法
常用消毒剂种类
类别 作用机制
蛋白变性，细胞膜损伤 蛋白凝固 氧化、蛋白沉淀 氧化、蛋白酶变性 氧化、蛋白沉淀 蛋白变性，细胞膜损伤 干扰氧化、抑制繁殖 石炭酸 75%乙醇 高锰酸钾 红汞、硫柳汞 过氧乙酸、碘酒 新洁而灭 龙胆紫
反应动力学常数
反应动力学常数反应动力学常数是描述化学反应速率的一个重要参数，通常记作 k。
它是指在单位时间内单位物质的反应速率，是反应速率常数的一种形式化表示。
反应动力学常数是根据反应的特有条件下实验数据得出的。
反应动力学常数通常用来描述反应的速率和反应的特性。
根据反应速率的定义，速率与反应物的浓度相关。
因此，反应动力学常数是反应速率与反应物浓度的函数。
在一些情况下，反应动力学常数还可以表示为反应物浓度与温度的函数。
反应动力学常数的大小反映了反应的快慢程度，因此不同反应系统的反应动力学常数大小也不同。
一般来说，反应动力学常数越大，反应速率也就越快。
反应动力学常数的求法主要有两种：一种是实验方法，另一种是理论计算方法。
实验方法是通过测量反应速率与反应物浓度的关系来确定反应动力学常数。
常见的实验方法有速率常数法、瞬态方法、稀释法和对消法等，这些方法的优缺点各异，应根据反应的具体情况选用适当的方法。
理论计算方法主要是基于反应机理和动力学理论进行计算。
这种方法通常需要利用计算机进行复杂的计算和模拟，能够预测反应动力学常数与反应物浓度、温度等参数的变化规律，具有一定的优势和应用前景。
反应动力学常数在化学、生物学和地球科学等领域中都有广泛的应用。
在化学反应中，反应动力学常数能够帮助研究化学反应的机理和反应物的性质，对于合成新化合物、改进工艺、提高产品质量等方面具有重要的意义。
在生物学中，反应动力学常数可以用来研究生物反应的速率和特性，对于疾病的诊断和治疗等有着重要的应用价值。
在地球科学中，反应动力学常数可以用来研究地球化学反应、地球化学循环和环境污染等方面的问题，对于推进环境保护和可持续发展具有重要的作用。
总之，反应动力学常数是描述化学反应速率的一个重要参数，具有广泛的应用价值。
在不同领域的应用中，我们需要根据研究的具体问题和实验条件选用适当的方法来确定反应动力学常数，以更好地发挥其应用效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
共38页 第4页
目录
5.1.1 菌体生长速率
菌体的生长速率是指微生物群体的生长速率（群体生物量的生长速 率），是单位时间内，单位体积或单位表面积的培养基中菌体量（菌体干 重）的增加。
菌体的生长是靠消耗营养物质获得菌体生物量增长的物质基础及能量。 可以用菌体得率或生长得率来描述被消耗基质与合成菌体量之间的关系， 即消耗单位底物所生成的菌体干重，单位为[g菌体/g底物]。
共38页 第2页
目录
第五章 生物反应动力学
• 5.1 生物反应动力学概述 ◊ 5.1.1 菌体生长速率 ◊ 5.1.2 基质消耗速率 ◊ 5.1.3 代谢产物的生产速率
• 5.2 生物反应过程的质量和能量平衡 ◊ 5.2.1 质量平衡 ◊ 5.2.2 能量平衡
• 5.3 微生物发酵动力学 ◊ 5.3.1 分批发酵 ◊ 5.3.2 连续发酵 ◊ 5.3.3 分批补料发酵
共38页 第8页
目录
5.1.3.1 生长相关型
生长关联型是指产物的生成与细胞的生长密切相关，是细 胞能量代谢的直接结果。
此类产物通常是基质分解代谢产物，与细胞的生长相关， 常是一些初级代谢产物，如：乙醇、乳酸、葡萄糖酸等，故产 物的生成与细胞的生长是同步的和偶联的。其动力学方程可表 示为：
qp=Yp/x*rxμ
rp=Yp/xrx=Yp/xμCx
产物生成关联模型动力学特征示意图
共38页 第9页
目录
由图可知
由图可见细胞与产物的浓度、反应速率、比速率变化 几乎为同步的，最大值出现的时间相差不大，当基质浓度 开始降低时，细胞及产物的浓度开始增长；基质的消耗速 率逐步增高时，细胞及产物的生成速率也先后增加；基质 及细胞的比速率几乎为同步，产物的比生成速率在前期增 长时与基质、细胞的比速率也几乎同步，但后期达最大值 后，就出现延后现象。
目录
5.1.2 基质消耗速率
合成代谢：又称同化作用，是新陈代谢当中的一个重要过程，利用能 量由小的前体或分子合成较大分子的过程。
分解代谢：又称异化作用，是生物体将体内的大分子转化为小分子并 释放出能量ATP的过程，如呼吸作用。
合成代谢为分解代谢提供物质基础，分解代谢为合成代谢提供能量来 源。
维持代谢：又叫內源代谢、内呼吸，是指活细胞群体的生长速率与死 亡速率处于动态平衡时，无新生物量的生成及无胞外代谢产物合成的状态， 细胞所需能量由细胞内源储藏物的氧化及降解产生。
是微生物生长过程必需的一类结构简单、代谢途径明确、产 量较大的小分子物质。如：氨基酸、核苷酸、核酸等。
(2)次级代谢产物：与微生物的生长繁殖无明确关系， 在微生物的生长后期，细胞浓度积累到一定量后产生的分子 结构复杂、代谢途径独特的物质（初级代谢产物作其前体）。 如：抗生素、生物碱、色素、毒素等。
二、根据产物生成速率与细胞生成速率之间的动态关系： （1）生长关联型 （2）生长部分关联型 （3）非生长关联型
国家十一五规划教材《生物工艺学》（邱树毅主编）配套课件
目 录
• 第一章 绪论 • 第二章 工业微生物菌种选育、制备与保藏 • 第三章 工业培养基及其设计 • 第四章 生物工艺过程中的无菌技术 • 第五章 生物反应动力学 • 第六章 发酵过程原理 • 第七章 生物反应器及生物工艺过程的放大 • 第八章 生物反应过程参数检测与控制 • 第九章 生物产品分离及纯化技术 • 第十章 生物产品工艺学及应用
公式：
Yx / s
dX dS
式中：ｘ——菌体干重，ｇ。
rX rs
ｓ——基质消耗量，ｇ。
rx——菌体生成速率，g/(L·h)； rs——基质消耗速率，g/(L·h)；
共38页速率
好 （氧2）微在生基物质的中生的长某及些代成谢分都如需碳要源氧，气除，了在构发成酵菌过体程生中长溶的解组氧成浓成度分过外高， 或还过提低供都菌会体影 生响 长微 代生 谢物 的的能生 量长 需及 要产 。物 所合 以在成基。质在的好消氧耗发中酵若过考程虑中提，供氧能的量消，耗维 与持基代质谢的消部耗 分同 ，则等基重质要消。耗氧速的率消及耗比速消率耗与速比率消耗表速示率为：可表示为：
rs Y rr*x0 x2/s m C Yxxr/xo2 Y*CYx x/Cxs/ ox2 mC x
式中：Y﹡x/s——是理论得率，为细胞得率的最大值，是一个常数，
g/g。（1）如果基质的消耗仅用于细胞的生长，基质的消耗速率可通过菌体
的生长得率ｍ与—细胞—的细生胞长的速维率持之系间数进，行s-关1。联细。胞则维培持养系基数中对的于基菌质株s的是消一耗种速特
共38页 第3页
目录
5.1生物反应动力学概述
生物反应动力学研究的核心之一是反应速率，可用绝对速率和比速 率两种定义来描述。
绝对速率(简称速率)，对于液态发酵过程，定义为单位时间、单位 反应体积某一组分的变化量，单位为[g/(L·h)]，当为反应热的生成速率
： 时，单位为[kJ/(L·h)]。用下面表达式来表示
率性r值ｓ，及对比于消特耗定速的率菌qｓ株可在表特示rm定s为=的：－1培x (养Yrd条dxxt/ss件) =下－，是Y一xC/ 个sx 常数
式 式中中：：rｓｘ————基菌质体ｓ干的重消，耗g；速率，g/(L·h)；
qｓs ————基用质于ｓ维的持比的消基耗质速消率耗，量h，-1。g
共38页 第6页
r dC dt
比速率是以菌体浓度为基准来表述各组分的变化速率，单位为h-1，
当为反应热的比速率时，单位为[kJ/(g·h)]。比速率的大小反应了具有
催化活性的细胞活力大小，其中的菌体浓度为单位体积或单位面积的培养
基中的菌体量。
1 dC
C x dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。
细胞维持系数m（s-1）：是指单位质量的干菌体在单位时间内因维持 代谢消耗的基质的质量。特定菌株在特定条件下的m值是一个常数。
（3）当产物的合成与能量代谢过程相偶联时，基质的消耗速率也应 考虑产物的生成速率。
共38页 第7页
目录
5.1.3 代谢产物的生成速率
一、根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系 ： (1)初级代谢产物：与微生物自身生长繁殖关系密切，