第15章微生物反应器

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《生物反应器》PPT课件

第二章生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应环境的核心设备。
对细胞生长：累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗：累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成：累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。传热面积的计算。通风与搅拌装置的设计计算。材料的选择与确保无菌操作的设计。检验与控制装置。安全性。经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制

动物细胞培养生物反应器

•
传统发酵罐
•
酶反应器等
•
固定化酶和细胞反应器
•
动植物细胞培养反应器
.
3
生物反应器类型
机械搅拌式反应器气升式生物反应器鼓泡塔生物反应器膜生物反应器
动物生物反应器植物生物反应器
.
4
一机械搅拌式生物反应器
医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程，是形成标准化的通用产品。
• 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
.
31
2 动植物细胞培养反应器得到较大发展
• 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题，快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解决。
混合不够均匀。
.
28
三其他类型反应器
• 鼓泡塔生物反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器 • 动物植物生物反应器 • 其他
.
29
四生物反应器的发展趋势
• 生物反应器的研究、开发和设计是生物技术的一个重要内容，一种好的生物反应器出现往往能够大规模降低生产成本，成为生物制品成功商业化的关键。因此，生物反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的细胞生物反应器开发更是如此。生物反应器的发展趋势可归纳为以下几个方面：
.
7
• 反应器的结构
.
8
几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2

微生物反应动力学与微生物反应器解析

td: 倍增时间(doubling time)
第一节微生物反应动力学
微生物的Logistic增长曲线
X Xm
dX/dt=a(Xm-X)X
时间t
第一节微生物反应动力学
（二）微生物生长速率与基质浓度的关系
Monod（莫诺特）方程
μ
μ max

max S
Ks S

1 μ max 2
S：生长限制性基质的浓度(mg/L) μmax ：最大比生长速率(1/h)
kv De 球形催化剂的西勒数
第一节微生物反应动力学
三、微生物生长速率与基质消耗速率的关系
在环境工程中，常常需要根据污染物
的生物降解速率预测微生物的生长量
rs
1 Y x / s*
rx mx X
(15.3.16)
rx Y x / s*(rs ) mxY x / s*X
(15.3.59)
第二节微生物反应器的操作与设计
半连续培养的物料衡算
假设反应器内流体完全混合，只有一种限制性基质，微生物均衡生长，细胞产率系数恒定
体积流量:qv 基质浓度:Sin
菌体浓度: Xin=0
d (VX ) XV dt
(15.4.10)
S、V、X
d (VS ) 1 qVSin (rs )V qVSin XV dt Yx / s (15.4.11)
dX dS Y x / s* mxY x / s* X dt dt
(15.3.60)
常数b
第一节微生物反应动力学
dX dS Y x / s* bX dt dt
在污水生物处理中 Yx/s*：污泥真实转化率或污泥真实产率

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。

《生物反应器》课件

。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选，寻找具有药效的化合物或微生物。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋白质、多糖等，提高药物的生产效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造，如蛋白质工程、基因工程等，提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和应用领域的扩大，生物反应器将在医药、食品、化工等领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求，具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估

转基因生物反应器

反转录病毒感染法：将含目的基因的反转录病毒载体人为感染早期胚胎细胞实现基因转移，产生转基因动物。
01
特点：基因转移效率、感染率、整合率明显高于其他基因转移方法。
02
但不能完全杜绝反转录病毒在转基因动物生产的商品中的污染。
03
卵母细胞显微注射法基本方法：将带有外源目的基因的反转录病毒通过显微注射技术注入卵母细胞的卵周腔，通过体外受精，胚胎移植获得转基因动物。优点（ห้องสมุดไป่ตู้62）适合制备大型转基因动物对卵的机械损伤小提高外源基因与核染色体接触的机会提高外源基因的整合率
01
优良动物的育种：通过转基因可获得生长快速、品质良好、抗病力强、产量高的动物品种。
03
在异种器官移植中，通过转基因技术以期获得人类所需的不被免疫排斥的器官。
05
转基因动物模型与基因治疗
02
在医药领域：通过相应转入目的基因的动物获得所需的药物
04
生物反应器：P263－265 优点：易养殖、通过乳腺和血液制备活性物质简单易行不足：制备转基因动物成本高易产生一些伦理问题
曾溢滔院士预测称，目前一种新药从它的研制开发、通过药审、直到上市，约需10~15年。如果利用转基因动物-乳腺生物反应器，新药生产的周期为5年左右。
据悉，曾溢滔院士在1998年研制出转基因羊、1999年研制出转基因牛，这两项成果，震惊了世界，并连续两年获得两院院士评选的十大科技进展。
12.4 转基因植物生物反应器
方法：外源目的基因导入能进行体外培养的动物细胞，再以这些细胞作为核供体，利用克隆动物技术获得转基因动物。
优点（262）
获得转基因动物的效率高
通过鉴别核供体核型预知转基因动物性别
所需动物数量大为减少

微型生物反应器在生物医学工程中的应用

微型生物反应器在生物医学工程中的应用随着生命科学和医学技术的发展，人们对于微型生物反应器的研究越来越深入，这一新型技术在生物医学工程领域的应用也越来越广泛。

微型生物反应器，是指体积小于1毫升的微型反应器，通过微流控技术，可精确定量分发各种生化试剂和细胞，供细胞培养和微生物发酵使用。

微型生物反应器已经被广泛使用于基因工程、药物筛选、医学诊断和治疗等领域。

本文将从微型生物反应器的概述、微生物反应器的应用、细胞培养的应用、药物筛选的应用、三维打印的应用入手，论述微型生物反应器在生物医学工程中的应用。

一. 微型生物反应器的概述微型生物反应器是一种微流控技术的应用，将细胞或者微生物及其培养液通过微型管道输送到可控的微型反应器中进行培养和生长。

相比于传统的宏观反应器，微型生物反应器具有以下优点：1. 体积小，反应速度快：微型生物反应器的体积通常小于1毫升，可以快速完成反应过程。

2. 反应温度、pH、压力等可控：微型生物反应器的温度、pH 和压力等参数可以通过控制流体输送速度、温度和压力等实现，比传统反应器更加精确且稳定。

3. 重现性好：通过微控制技术和微型反应器的设计，可以实现反应过程的重现性，提高实验结果的可靠性。

二. 微生物反应器的应用微生物工程是微型生物反应器最早应用的领域之一。

微生物反应器用于微生物发酵的研究，可以大大提高反应的速度、控制发酵过程的参数和提高产率。

目前，微生物反应器在食品工业、制药工业和农业等领域的应用越来越广泛。

例如，在发酵红曲菌中合成伏特加风味增强剂时，使用微型生物反应器可以大幅提高反应速度和产量，同时也可以大大减少废弃物的产生。

三. 细胞培养的应用细胞培养是微型生物反应器在生物医学工程中的广泛应用领域之一。

微型细胞反应器已经成为细胞生物学、组织工程和干细胞研究等领域的重要工具。

通过微型细胞反应器，可以实现对细胞的高效培养、指定细胞类型的强制分化、复杂的细胞-细胞相互作用和疾病相关的组织工程体系建立等。

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二、微生物反应的计量关系 1．微生物反应综合方程（1）微生物浓度的表达方式一般用质量浓度，即单位体积培养液（反应介质）中所含细胞的干燥质量来表示，常用的单位有 kg（细胞）/m3 等。（2）微生物细胞的组成式在工程上，常用微生物的无灰干燥细胞的元素组成如 CHxOyNz 来表示细胞的组成。（3）微生物反应的综合计量式把参与微生物反应的碳源、氮源以及其他营养物质统一表示为基质 S、微生物细胞表示为 X、反应产物表示为 P，则微生物反应的综合方程可写为
以生成的 ATP 量为基准的细胞产率系数 YX/ATP[单位：kg（细胞）/kmol（ATP）]定
义为
（14-13）式中，△nATP 为反应生成的 ATP 量，kmol；YATP/S 为全部作为能源时消耗 1kmol 的
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古细菌
如产甲烷细菌、极端嗜盐细菌和嗜酸嗜热细菌
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非细胞微生物
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如病毒等
（2）微生物特性
①单细胞微生物的悬浊液在微生物浓度较低的情况下可以视为流体；
②当微生物大量分泌多糖等高分子化合物时，培养液的黏度增加，将具有非牛顿流体
（2）微生物反应的影响因素
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台
微生物反应的影响因素包括微生物的种类、基质的种类和浓度、环境条件等。对某一
微生物种类和基质确定的反应系统，环境因素，特别是 pH 和温度往往是重要的影响因素。
（3）微生物反应在环境领域中的应用在污染防治工程中，微生物反应主要用于污染物的降解和转化，它广泛地应用于城市污水及工业废水的生物处理、有机废气、挥发性有机物（VOCs）及还原性无机气体的生物处理、有机废弃物的堆肥处理等。

生化反应工程试题库

试题库结构章节试题分布名词解释数学表达式简答题图形题推导题判断题计算题合计第一章 0 0 9 0 0 0 0 9 第二章 0 0 11 0 0 0 2 13 第三章 1 3 9 3 11 4 2 33 第四章 1 11 6 7 1 11 14 51 第五章 3 1 7 8 2 0 13 34 第六章 6 0 6 2 0 0 0 14 第七章 2 2 2 2 0 0 13 21 第八章 0 0 36 0 0 0 2 38 合计 13 17 86 22 14 15 46 213一、名词解释[03章酶促反应动力学]酶的固定化技术：[04章微生物反应动力学]有效电子转移：[05章微生物反应器操作]流加式操作：连续式操作：分批式操作：[06章生物反应器中的传质过程]粘度：牛顿型流体：非牛顿型流体塑性流体假塑性流体胀塑性流体[07章生物反应器]返混：停留时间：二、写出下列动力学变量（参数）的数学表达式[03章酶促反应动力学]1. Da准数：2. 外扩散效率因子：3. 内扩散效率因子：[04章微生物反应动力学]1. 菌体得率：2. 产物得率：3. 菌体得率常数：4. 产物得率常数：5. 生长比速：6. 产物生成比速：7. 基质消耗比速：8. 生长速率：9. 产物生成速率：10. 基质消耗速率：11. 呼吸商：[05章微生物反应器操作]1. 稀释率：[07章生物反应器]1. 停留时间：2. 转化率：三、简答题：[01章绪论]1．什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2．生物反应工程研究的主要内容是什么？3．生物反应工程的研究方法有哪些？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？[02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。

反应工程原理

第一节反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time) 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。空间时间
V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。 τ＝30s 表示了什么？每30s处理与反应器有效体积相等的流体
反应量 -rAV
qnA0 qV cA0
浓度cA，cB 体积V
第一节反应器与反应操作
（四）有关反应器操作的几个工程概念 ①反应持续时间 (reaction time)：简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。 ②停留时间 (retention time)：亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元” 的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
第III篇反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程，需要借助适宜的装置，即反应器来实现。系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
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。

生物技术概论复习题及答案

生物技术概论复习题及答案一、名词解释1、生物技术：是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物得体或其体系或它们的衍生物来制造人类所需要的各种产品或达到某种目的的一门新兴的、综合性的学科。

2、基因工程：是指在基因水平上的操作并改变生物遗传特性的技术。

即按照人们的需要，用类似工程设计的方法将不同来源的基因（DNA分子）在体外构建成杂种DNA分子，然后导入受体细胞，并在受体细胞内复制、转录和表达的操作，也称DNA重组技术。

3、细胞工程：是指在细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的目的，加速繁育动植物个体，或获得某种有用物质的技术。

4、食品添加剂：是指为改善食品的品质（色、香、味）以及有防腐和加工工艺的需要而加入到食品中的化学合成物或天然物质。

5、湖泊的富营养化：由于环境的污染，象农业上的化肥、工业废水等大量排放使水中含有大量的营养元素象氮磷钾等非常丰富，使微生物生长迅速，造成富营养化。

6、生物反应器（bioreactor）：主要包括微生物反应器、植物细胞培养反应器，动物细胞培养反应器以及新发展起来的有活体生物反应器之称的转基因植物生物反应器，转基因动物生物反应器等。

7、转基因植物：是指通过体外重组DNA技术将外源基因转入到植物细胞或组织，从而获得新遗传特性的再生植物。

8、细胞融合：是指促融因子的作用下，将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程。

9、抗原：凡能刺激机体免疫系统发生免疫应答的物质均称为抗原。

10、组织培养：指在无菌和人为控制外因（营养成分、光、温、湿）的条件下，培养研究植物组织、器官，甚至进而从中分化发育出整个植株的技术。

11、原生质体培养：是关于原生质体分离，原生质体纯化、原生质体培养、原生质体胞壁再生，细胞团形成和器官发生，等技术。

12、有益微生物：指对人类有帮助，能满足人们需求的某些微生物。

微型生物反应器中微生物动力学模型研究

微型生物反应器中微生物动力学模型研究微生物动力学模型是微生物学研究领域中的重要内容，通过对微生物的生长、代谢等动态过程进行建模分析，可以探究微生物在不同环境下的生物学行为、优化生产条件等。

而微型生物反应器作为微生物动力学模型研究的重要实验工具，在微生物学研究、工业生产等领域中得到了广泛应用。

本文将探讨微生物动力学模型对微型生物反应器中微生物行为的研究以及其应用。

一、微生物动力学模型微生物动力学模型是对微生物生长、代谢等动态过程进行建模描述的数学工具。

主要包括传统的经验模型和机理模型两类。

经验模型是通过对试验数据的统计分析，得到各个参数之间的经验关系，来描述微生物动态过程的模型。

而机理模型则是基于微生物生长、代谢等基本原理出发，从微观分子层面上研究微生物的生物学过程，通过数学建模来描述其动态过程。

在微生物动力学模型的研究中，最重要的就是对微生物增殖速率的建模。

而微生物在生长过程中最重要的物质是营养物，因此微生物增殖速率与营养物浓度之间的关系是微生物动力学模型中最基本的关键。

通常情况下，微生物动力学模型中常用的营养物浓度模型是Monod模型。

Monod模型是一种基于微生物菌种对营养物的吸收能力和饱和度的模型，其表示形式为：μ=μmaxS/(Ks+S)其中，μ为微生物增殖速率，S为营养物浓度，μmax为定量化的最大增殖速率，Ks为呈对数比例的参数。

二、微型生物反应器微型生物反应器是指体积小于一升，有相应传质、传热装置和高度自动化控制系统的微型反应器。

微型生物反应器的优点在于其体积小，生产效率高，同时能够通过高度自动化的系统来控制反应过程，具有操作方便等特点，因此在微生物学研究、生物制药、微型化技术等领域中得到广泛应用。

微型生物反应器中微生物动力学模型的应用，可以对微生物生长、代谢等动力学行为进行研究。

与传统反应器相比，由于微型反应器体积小，反应速度快，操作简单，因此可以更方便地进行参数测试。

而微生物动力学模型的建模分析，也可以通过对反应器中不同条件下微生物生长、代谢等行为的模拟，预测生产过程中的微生物行为，并进行有针对性的优化。

环境工程原理总结2011.11

第I 篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算◆质量衡算的三个要素：划定衡算系统；确定衡算对象；确定衡算基准；◆稳态系统和非稳态系统的特征当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称稳态系统；当系统中流速、压力、密度等物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称非稳态系统。

◆质量衡算的基本关系式：见（2.2.4）p29第三节能量衡算◆封闭系统和开放系统封闭系统：与环境没有物质交换的系统开放系统：与环境既有物质交换又有能量交换的系统第四章热量传递第一节热量传递的方式◆根据传热机理的不同，热的传递三种方式的特点1、热传导：条件：物体各部分之间无宏观运动机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。

在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理不同。

气体的热量传递方式：不规则热运动时相互碰撞固体的热量传递方式：两种方式：晶格振动、自由电子迁移液体的热量传递方式：分子振动、分子间的相互碰撞2、对流传热：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。

对流与热传导的区别：流体质点的相对位移。

自然对流传热强制对流传热3、辐射传热：物体由于热的原因而发出辐射能的过程。

能量传递的同时又有能量的转化，不需要任何介质作媒介。

第二节热传导◆傅立叶定律的意义和适用条件意义：见（4.2.2）适用条件：平壁和圆管壁的稳态热传导◆多孔材料具有保温性能◆若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，分析应如何布置效果最好。

第三节对流传热◆对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施机理：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。

传热阻力的分布：层流底层（热传导）、缓冲层（热传导、对流传热）、湍流中心（对流传热）强化传热的措施：减小层流底层◆影响对流传热的因素：物性特征；几何特征；流动特征◆保温层的临界直径和保温层的临界厚度。

什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大（保温层外径小于临界直径）？保温层的临界直径由什么决定（导热系数与对流传热系数的比值）？◆间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？（1）两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻、间壁导热热阻。

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。

生化反应器ppt课件

rP
max
(1
P Pmax
)[(P P0 ) YP/ X
X0]
代入积分得：分反馈回反应器的入口，
t 2）带循环时的 X1，S1，rXr，Dcr，Xr，XF
状态参数与操作变量的关系
max r
6 管式反应器CPFR
Pt
Pmax P0 YP/ X X 0
ln
X t (Pmax X 0 (Pmax
而
力学，，有则效因子与转化率，无关，因此
令：
，
2）带循环时的 X1，S1，rXr，Dcr，Xr，XF
，
K 当为单底物无抑制时，且酶无失活，将米氏方程代入L积分得m：
t r
(1 )r L max
ln S0 St
3、微生物反应
• 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时
间，tr tr1 tr2，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期
若微生物的生长符合Monod方程，且YX/S为常数，则代入积分得
输入量＝输出量+反应量+累积量
响反应速率的因素，均能影响反应时间tr,即反应时间只与动
力学有关，而与反应器大小无关。
体积的计算
• 反应器的有效体积VR：是物料所占有的体积，是由物料的处理量决定的，也就是说是由设计生产能力决定的，若单位时间内物料的处理量
P0 ) Pt )
2）带循环时，因为
，
，所以，，
实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为理想的微生物生长是菌量相对于时间以指数规律增加，所以可以使流加的物料以时间的指数函数增加，即指数流加。
为什么同一个反应过程，在其他条件均相同的条件下，采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间？

第五章微生物反应器操作(简)

Yx / s ⋅ F ⋅ [ S ]in ⋅ t + V0 ⋅ (Yx / s ⋅ [ S ]0 + X 0 ) （5-26） (4 − 26) 可知，t时的菌体浓度为X = F ⋅ t + V0 这种流加方式的最大特点是微生物进行线性生长（line arg rowth)，即 d (V ⋅ X ) = K L (一定)(4 − 27) dt 式中，KL为线性生长速率常数。一般地，在线性生长阶段，基质浓度相当低。
10
5.2.2 状态方程
一般微生物的最适温度、最适pH值范围较窄。生长中一般采用定值控制。在这样的条件下，可以认为分批培养过程中的动态特性取决于基质与微生物浓度（接种量）及微生物反应的诸如比速率的（初始值）。因此支配分批培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值。分批式微生物反应过程分析中，需观察X、[S]和[P]等随时间的变化情况。由于不可能研究所有反应液成分随时间的变化，因此应选择与产物P 关系最为密切的底物S作为观察的对象。必要时，可观察两种基质浓度的变化。好氧反应中，溶解氧浓度（DO）随时间的变化也是很重要的参数。分批操作中rx，rs，rp， μ， γ，π等变量值，可从分批操作中的相应时间变化曲线中求得。
9
5.2.2 状态方程
分批式培养过程的状态方程式(环境过程的状态方程式)可表示为 d[S ] = −γ X ( 5 − 8) 基质： dt dX ( 5 − 9) 菌体： = μ X dt d [ P] =π X (5 −10) 产物： dt ⎤ ( PO 2)in ( PO 2)out F ⎡ − O2 : QO 2 X = ⎢ ⎥ (5 − 11) V ⎣ pall − ( PO 2)in－( PCO 2)in pall − ( PO 2)out－( PCO 2)out ⎦ ⎤ F ⎡ ( PCO 2)out ( PCO 2)in − ⎢ ⎥ (5 − 12) all − ( PO 2 ) out－( PCO 2 ) out all − ( PO 2 )in－( PCO 2 )in ⎦ V ⎣p p 式中：F − 惰性气体流速；V − 反应液总体积；Pall − 气体总压力；（PO 2)out − 排气中氧的分压；（PO 2)in − 进气中氧的分压； CO2 : QCO 2 X = （PCO 2)in − 进气中CO 2的分压；（PCO 2)out − 排气中CO 2的分压； [S [P 当t = 0时， ] = [ S ]0；X = X 0； ] = 0；γ = γ 0 ; μ = μ 0；π = π 0；QO 2 = (QO 2 ) 0；QCO 2 = (QCO 2 ) 0；

微生物反应器操作生物反应工程共讲

F 1 dV
V V dt
基于上式，菌体量为
XV X0V0expt)(
流量为
FF0expt)(
从以上成果可知，采用这种方式操作，不但能确保微生物呈指数生长，而且能保持基质浓度一定。流加基质浓度Sin与反应器内反应液最终体积、最终菌体量Xf和菌体收率YX/S有如下关系：
Sin
XfVf X0V0 YX S(Vf V0)
流加培养操作
流加操作时，特定基质加入到反应器后，
反应液体积就会发生变化，这时μ、γ和π旳可定
义如下：
1 d(XV)
XV dt
X1VFSind(dVtS)
1 d(VP)
VX dt
式中，V为反应液体积，F是体积流量，Sin是流加液中旳基质浓度，FSin为基质旳质量流量。
4.3.1 无反馈控制旳流加操作
连续操作有两大类型，即CSTR（continuous stirred tank reactor）型和CPFR(continuous plug flow tulular reactor）型。
根据达成稳定状态旳措施不同，CSTR型连续操作，大致可分为三种。一是恒化器法（chemostat），二是恒浊器法（turbidstat），第三是营养物恒定法（nutristat）。
当 t=0 S S 0 ; X X 0 ; P 0 ; 0 ;
时 0 ; 0 ;Q o 2 ( Q o 2 ) 0 ;Q c 2 o ( Q c 2 ) 0 o
一般微生物旳最适温度、最适pH旳范围较窄。例如， Calam 等人研究了温度对产黄青霉（Penicillum chrysogenum）生长速率和青霉素生成速率旳影响，发觉最适生长温度为30℃，进行呼吸旳最适温度为21.7～28.6℃，产物青霉素旳最适生成温度为24.7℃。生产中一般采用定值控制。在这么旳条件下，能够以为分批培养过程中旳动态特征取决于基质与微生物浓度（接种量）及微生物反应旳诸比速率旳初始值，所以，支配分批式培养统旳主要原因是基质与微生物旳浓度旳初始值。

环境工程原理第-十五章微生物反应器

蓄能代谢如多糖、糖原、脂肪等
7
(三)微生物反应在环境领域中的应用自然界中的碳、氮、磷、硫等的元素循环污染水体、土壤等的自净过程污染物的降解和转化城市污水及工业废水的生物处理有机废气、挥发性有机物(VOCs)及还原性无机气体的生物处理有机废弃物的堆肥处理
8
一
微生物反应综合方程
微生物浓度的表达方式微生物细胞的组成式微生物反应的综合计量式
非活性细胞分泌产物
6
微生物反应的总反应式 (好氧反应）
看作是基质与营养物质反应生成细胞代谢物的单一自催化反应：
碳源十氮源 + 其他营养物质 + 氧 → 细胞 + 代谢产物 + CO 2 + H 2 O
基质分解代谢如乙醇、乳酸、柠檬酸等发酵产品
合成代谢胞外酶、多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等次生代谢产品
S → Y X X + YP P
微生物反应的综合方程
式中： YX — 生长系数(gr owth yield) 或细胞产率系数 (cell yield) ， kg/kg; YP — 产物产率系数 (pr oduct yield) ， kg/kg。
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二、细胞产率系数
(一)以基质质量为基准的细胞产率系数定义YX / S
第十三章微生物反应器
二
细胞产率系数
１以基质质量为基准的细胞产率系数２以硕元素为基准的细胞产率系数３以氧消耗量为基准的细胞产率系数
第二节微生物反应的计量关系
４以ＡＴＰ为基准的细胞产率系数５以有效电子数为基准的细胞产率系数
三
代谢产物的产率系数
9
一