4.生物反应器的操作模型作业参考
4.生物反应器的操作模型作业参考
解得cS 1( g / L)
(2)当F=3时 F 3 =D= 3(min 1 ) VR 1
比max 大, 呈洗出状态
故cS cS 0 3( g / L)
2cS F (3) =D= VR 1+cS 当cS 1/ 3g / L时, 则可求得VR 6 L
F 1 2cS1 (4)两相串联时,则C X 1有 =D= VR 1 1+cS1 cS1 1g / L, C X 1 YX / S (cS0 -cS1 ) 1g / L CX 1 2cS2 稳态下求得 2 D (1 ) CX 2 1+cS2 另有, C X 2 YX / S (CS 0 CS 2 ) 故可求得cS2 0.17 g / L
d (VR cS ) VR CS 0 X S FinCS 0 Fout CS rs m dt F rs
CPFR：连续操作管式反应器
dcsl 对dVR作底物衡算,dVR Fcsl rS dVR F (csl dcsl ) dt CS 0 dC S P = CSf rS
4-7 某微生物反应的动力学方程为 r
X
2C C S X 1 C
S
g /(m3 h)
现已知CX0=CP0=0，CS0=3g/L，YX/S=0.5。试确定 （1） 在单一CSTR中，VR=1L，F=1L/min,求其出口CS？ （2） 在同一CSTR中，如果F=3 L/min，求其出口CS？ （3） 如果在F=3 L/min下操作，得到出口CS＝1/3 g/L，则其CSTR的体积VR=？ （4） 在两相串联CSTR中进行上述反应，每一CSTR的体积均等于1L，加料速率F=1 L/min，此时得到 的最低CS值为多少？ （5）如果对上述反应采用菌体提浓后再循环的操作方式，已知CS0＝3g/L，YX/S=0.5，VR=1L，F=1L/min， CX0=CP0=0，R=1/2，cXr＝4cXf，求最终离开反应系统的cXf为多少？
生物反应器
CHmOn aO2 bNH3
cCH xOy Nz dCHuOv Nw eH2O f CO2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz 是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元 素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z 分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、 氮的原子数。
CS0 CS K S rCS 0 CS K S
【例2-4】在常温下利用蔗糖酶水解蔗糖，蔗糖初始浓 度CS0＝1.0mmol/L，酶的初始浓度CE0=0.01mmol/L， 在实验室反应器内进行分批式操作，测定如下表中前两 行的数据。
试求确km定和可k+2否用米氏方程来描述该反和应速率，若可以，
6.383 6.452 6.849 7.143 7.692 8.333 9.165 10.06 11.028
解：首先将米氏方程转换为：
rs
dCS dt
k 2CE0CS CS Km
k1CS 1 k 2CS
其中：
k1
k2CE0 Km
k2
1 Km
积分得：
ln(CS0 / CS) k 2 k1 t
ln CS0 rmax t Kt CS Km
因为 已知t=1min时,Xs=0.02 所以 CS=CS0(1-XS)=1×10-5(1-0.02)=0.98×10-5mol/L
将已知数据带入上式中，求得 K=0.0202min-1 当t=3min时，可以求得 CS=0.94×10-5mol/L，XS=6%，CP=6×10-7mol/L (2) CS0=1×10-6mol/L时，仍可视为一级反应，所以当 t=3min时，同样可以求得Xs=6%，CS=0.94×10-6mol/L ，CP=6×10-8mol/L (3) 根据K=rmax/Km=0.0202 min-1 得rmax=KKm=4.04×10-5mol/(L•min)
生物反应器的设计和操作
生物反应器的设计和操作生物反应器是一种能用于培养和生长生物体的设备，其主要作用是提供良好的物理和化学环境，以便支持生物体的生长和代谢过程。
该设备广泛应用于生物技术、制药、食品、环境保护等领域。
本文将讨论生物反应器的设计和操作，以及其在不同领域的应用。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计是关键，因为不同的生物反应器设计可以影响反应器中生物体的生长和代谢过程。
生物反应器的设计主要包括反应器的形状、大小、材料、通气设计、搅拌方式、控制系统等。
以下是几种不同类型的反应器设计。
1.批式反应器批式反应器是一种简单的设备，其主要特点是在生物体培养的过程中，将其置于一定的体积容器中，并在反应器中输入所需的营养物质，然后等待生物体代谢反应结束，最后通过输送系统将反应物和产物分离。
该设备主要用于研究生物体在不同环境中的生长和代谢过程，并可进行小规模的实验研究。
2.连续式反应器连续式反应器是一种连续操作的设备，其主要特点是在反应器内循环送入新的营养物质，同时排出产物，以维持特定的反应条件并支持生物体的生长和代谢。
该设备主要用于大规模生产特定生物产品，并可用于生产食品添加剂、药品等产物。
3.滑动床反应器滑动床反应器是一种床式反应器，其主要特点是选择性的材料在床层之间“滑动”，其生物催化效益优于床式反应器。
该设备主要用于分离和提纯生物产品，以及在环境保护中用于污水处理等应用。
二、生物反应器的操作为了确保反应器的正常运行，需要进行反应器操作的一些重要参数控制。
生物反应器的操作主要包括控制反应器的温度、PH值、氧气浓度、搅拌速度等，以维持反应器中生物体的最佳生长和代谢状态。
1.温度控制温度是影响生物体生长和代谢过程的关键因素之一。
保持温度在特定范围内，有助于减少生物体在不适宜温度下的死亡和繁殖，提高生物反应器的效率。
2.PH值控制PH值是反应器中酸碱度的测量单位，其值变化可能会导致生物体死亡或生存能力下降。
因此，在生物反应器中，需要通过添加PH调节液，以保持反应器中恰当的PH值范围。
生化反应工程
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
生物反应器传质和反应的动力学模型
生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。
传质和反应是其中重要的过程。
为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。
一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。
传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。
即Q=DΔC A。
传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。
生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。
二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。
其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。
麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。
在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。
一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。
伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。
在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。
二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。
三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。
因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。
在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。
在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。
因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。
生物反应器的操作方式-化学反应工程
生物反应动力学 生物反应器的设计、放大与缩小
生物反应动力学
生物反应动力学主要研究生物反应速率 和各种因素对反应速率的影响，它是生物 反应工程学的理论基础之一，这里所讨论 计算反应 的生物反应动力学包含两个层次的动力学。 时间和反 应器体积 （1）本征动力学，又称微观动力学。 （2）宏观动力学，又称反应器动力学。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描 述微生物（酶、动植物等）反应体 系，确定这些方程在设计方面的用 途，规划实验室的实验，决定动力 学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的发展过程
1.5思考题：
1.生物反应工程包括哪两个重要内容的研究？ 2.生物反应动力学包含哪两个层次的动力学？
得率系数
研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律， 常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物 的潜力进行定量评价。例如：
生成细胞的质量 X 细胞得率 Yx/c= 消耗基质的质量 S
生物反应器的设计、优化与放大
生物反应器是使生物技术转化为产品 生产力的关键设备，使用高效率生物反应 器的目的是提高产品生成速率，减少有关 辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大 的经济效益。
三、新时期（20世纪90年代）
基因工程技术与生物反应工程技术不断 的融合，人类基因组计划的完成，后基因 组计划的进行，给生物反应工程技术带来 新的发展机遇。 质粒复制与表达动力学 超临界相态下的生物反应 界面微生物生长模型 双液相生物反应
1.3生物反应工程的主要内容
生物反应工程是以工业规模的生物反应 过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可 操作性，生物反应工程的研究内容为下述2项，
生物反应器的设计与操作
生物反应器的设计与操作生物反应器作为生化工程领域的重要组成部分，在制药、食品和生物制品等行业中发挥着不可替代的作用。
生物反应器的设计和操作是影响其性能和效率的关键因素。
本文旨在介绍生物反应器的设计原理和操作技术，以便更好地理解和掌握这一领域的知识。
一、生物反应器的设计原理生物反应器是一种可以维持生物物质生长和代谢的设备，其原理是通过提供合适的营养物质和生长环境，使微生物或其他生物物质在一定的温度、pH值、氧气气体、搅拌强度等条件下进行生长和代谢反应。
其主要构成部分有反应釜、控制系统、传感器和数据监测系统等。
在反应器的设计中，需要考虑以下几个方面：1. 反应釜的选材和结构设计反应釜的选材和结构设计是影响反应器性能和使用寿命的关键因素。
一般来说，反应釜的材质应该具有耐腐蚀性、耐高温、强度高等特点。
常见的反应釜材料有玻璃钢、不锈钢、陶瓷等。
反应釜的结构设计也应注意到避免盲区、防止污染等因素。
2. 生物体系的选取生物体系的选取是根据反应器的实际应用需求而进行的。
比如，烟酰胺生产线中使用的Pseudomonas fluorescens ATCC 13525就是通过筛选获得并通过后续的培养优化而得到的。
又比如，垃圾处理时常用的是团藻类等微生物等进行处理，其在反应器中的栽培需求是苛刻的，比如对氧气和二氧化碳的摄取、对温度、搅拌和水平等因素的适应性要求都较高。
3. 控制系统的设计反应器的控制系统用于实时监测和调整反应器中的各项参数，如温度、酸碱度、氧气气体、搅拌强度等。
一般来说，反应器控制系统的设计应遵守以下原则：稳定性、速度、准确度和可靠性。
否则，会有较大的影响到成品或应用。
二、生物反应器的操作技术生物反应器的操作技术包括灭菌、采样、培养和清洗等步骤。
下面介绍一下这几个步骤的具体操作：1. 灭菌灭菌是在反应器使用前进行的步骤，主要是为了杀死可能存在于反应器中的微生物，防止其污染反应器和反应物质。
灭菌方法包括高压氧气灭菌、干热灭菌和紫外线灭菌等。
生物反应器操作指南
生物反应器操作指南齐志BC-7L生物反应器操作指南一、清洗玻璃罐体及补料瓶等玻璃器皿先用洗洁精浸泡清洗，然后用自来水将洗洁精彻底冲洗干净后，再用浓硫酸/重铬酸钾洗液浸泡过夜，取出后用自来水冲洗10遍以上，纯化水冲洗6遍以上。
不锈钢罐盖及不锈钢管，快接头，硅胶管，瓶盖等材料先用洗洁精浸泡清洗，然后用自来水将洗洁精彻底冲洗干净后，再用1%氢氧化钠溶液浸泡过夜，取出后用自来水冲洗10遍以上，纯化水冲洗6遍以上。
清洗时使用软布或软刷，碱液或酸液浸泡时，要保证管路及内壁等充分浸泡到。
筛网清洗存放时要小心，不要被硬物划破，有条件的话，用氢氧化钠溶液煮沸清洗或放在氢氧化钠溶液中超声波清洗。
pH电极用纯化水清洗干净后，将电极头部浸泡在饱和KCl溶液中，放在电极包装盒内。
溶氧电极用纯化水清洗干净后，沥干放在电极包装盒中。
温度电极一般不需要清洗，妥善放置即可。
清洗后的上述设备若要马上准备投入使用，则装配连接后灭菌待用。
若暂时一段时间不用，既可以装配连接灭菌后放置也可以彻底烘干后放置。
二、罐体装配及管路连接罐体清洗后，给罐内装入约2L的PBS(要保证液位没过DO及pH 电极)。
将罐盖与罐体底座的螺丝孔对好，旋入配套的螺丝，先用手适度拧紧后再用内六角工具对角均匀拧紧。
罐盖固定好后，将排气瓶，补料瓶，碱瓶，取样瓶等用硅胶管或快接头与罐盖上的相应接口连接起来。
pH及DO电极清洗校正后，也慢慢小心插入到相应的接口中，用手拧紧即可。
切勿使用扳手等工具，防止用力过度损坏电极。
三、校正电极将pH 和DO电极与控制柜上的电极线连接起来，用管理员权限登陆控制系统，切换到电极校正界面。
pH电极校正：pH电极用纯化水清洗干净，轻轻用滤纸吸干水分(切勿摩擦pH敏感膜)。
ZERO校正：用6.86缓冲液，校正值设为6.86。
将pH电极放入到准确可靠的6.86缓冲液中，待PV值稳定后，按下ZERO键，等待PV值变为6.86后，再进行SPAN校正。
Chapter 4 微生物反应器操作
S K S ，所以Monod方程可写为 所以在整个反应过程中，
边界条件： t 0 ，X 0 0.1kg / m3
对上式积为，得
ln
dX max Xdt
X max t X0
所以，80％基质已反应时所需时间
t 1 max ln X 1 24.1 ln 5.87(h) X 0 0.935 0.1
应用的场合 进行少量产品生产； 使用同一种反应器，进行多 种产物生产； 易发生杂菌污染或菌种变异 从培养液中提取产物采取分 批式操作。
不 同 操 作 方 法 的 优 缺 点
分 批 式 操 作
流 加 式 操 作
不能进行连续式操作； 分批操作生产效率低； 希望延长反应时间； 出现基质抑制； 使用营养要求变异株 一定培养基成分的浓度是菌 体收率或代谢产物生产速度 的影响因素； 需要高菌体浓度。 需生产速率高的场合（对于 同一品质，大量生产的产 品）； 基质是气体、液体和可溶性 固体； 不易发生杂菌污染或菌种变 异。
Sin 80g / L, F 0.2L / h ，反应方程式可以用Monod方程来表示，其中
max 0.2h 1 , K S 1.0g / L, YX / S 0.6g / g （以细胞／葡萄糖计）。流加培
养2h后，求（1）此时的培养液体积V；（2）拟稳态下反应器中的葡萄 糖浓度；（3）完成时反应器中的菌体浓度。 解：（1）流加培养2h后，培养液体积 V V0 Ft 1.0 0.2 2 1.4( L) （2） F ( D ) 0.2 0.143(h 1 )
K S S 0
，所以假设在培养6h时间内， max
dX Xdt
t0 不考虑诱导期，边界条件：
生物反应器的操作
综合实训一生物反应器的操作一、目的要求:1.掌握机械搅拌通风发酵罐的基本结构(1)发酵罐主体(2)蒸汽灭菌系统:正确把握各阀门的操作(3)通气系统(4)加热冷却循环系统:各管道联络关系(5)搅拌动力系统(6)智能控制系统2.掌握发酵罐小试的基本操作,包括:培养基配制,灭菌,接种,参数设定3.掌握发酵过程中的参数测定和在线控制,包括:pH,DO,温度,搅拌速度,生物量,残糖含量,产物生成量,消泡,CO2。
4.运用所学知识分析发酵过程中的实验数据,讨论某一特定菌株的发酵规律。
二、实验试剂和仪器1、解脂假丝酵母AS2.1379培养基的配制培养温度:30℃培养时间:2天(1)种子培养基(100ml):蔗糖2.0g, 蛋白胨0.5g,NaCl 0.2g, K2HPO40.2g,酵母浸膏0.5g;(2)发酵培养基:(%,W/V):豆油4.0,全脂豆粉4.0,K2HPO4 0.1,KH2PO4 0.1.2、主要试剂和原料菜籽油、橄榄油、玉米油、叔丁醇、甲醇、NaOH、CuSO43、仪器分光光度计、CRYOBANK TM菌种保存管、摇床、电子天平、恒温培养箱、超净1实验台、离心机、50ml锥形瓶、培养皿、离心管、移液管、滴管、烧杯等三、实验步骤1、发酵罐操作步骤:(一)了解机械搅拌通分发酵罐的基本结构(1).罐体(2).发酵罐的搅拌系统(3).空气供给系统(4).温度控制系统(5).pH控制系统(6).过程变量的测量(7).灭菌系统(二)生物过程灭菌与发酵过程的操作1、灭菌操作过程2、发酵过程操作(三)测量与控制系统2、具体操作过程1). 了解机械搅拌通分发酵罐的基本结构2). 培养基的配制3). 装料、灭菌4). 溶氧电极“0”的标定灭菌完毕,此时发酵罐中为100%水蒸气分压,标定溶氧为“0”5). 降温冷却6). 取样操作旋松放料口螺旋阀门(开启方向与正常螺旋相反),打开取样阀,先弃掉约20-30mL样液(为什么?),再收集30-50mL灭菌培养基液体,关闭放料阀、取样阀、样液用已灭菌的4层纱布过滤样液(4℃冰箱保存),样液作用测定用。
生物反应器的模型及其应用
生物反应器的模型及其应用生物反应器是一种能够控制、操控生物反应的容器。
它采用生物学、化学、物理学等多学科知识进行设计、建立及优化运行，可用于制药、食品、医疗等生产领域。
然而，如何在掌握生物反应反应机理的基础上，提高反应器的效率和稳定性，是生物工程领域所面临的重要课题。
而生物反应器的模型对于解决这一问题具有非凡的作用。
1. 生物反应器的模型生物反应器的模型指通过建立数学公式和物理方程式，模拟生物反应器中各种变量之间的相互作用关系。
基于生物学、化学和数学等几个学科的交叉应用，生物反应器的模型可以帮助实验者掌握反应器中各个参数的变化情况，如微生物数量、温度、氧气浓度等，从而为反应控制提供参考依据。
生物反应器的模型主要分为动力学模型和传质模型两种。
1.1 动力学模型动力学模型描述的是反应器中各组分浓度随时间的变化情况。
常见的动力学模型包括质量守恒模型、动态平衡模型、物质转移速率模型等。
在建立动力学模型时，需要确定反应机理中的反应步骤及动力学方程，通常需要考虑如反应速率、反应物浓度、微生物增殖等参数。
1.2 传质模型传质模型主要描述反应器中物质在相间传递的过程，如气液传质、气固传质、液固传质等。
传质模型主要关注反应器内物质传递速率，因此对于反应器物质传递性能的控制、优化具有重要作用。
常见的传质模型包括质量守恒模型、波纳菲模型等。
2. 生物反应器模型的应用生物反应器的模型应用可以分为两类：生产过程的模拟和反应器操作优化。
2.1 生产过程的模拟生产过程的模拟是指通过对反应器内各项参数的模拟计算，得出反应器中物质传递、生长、变化以及微生物生态系统的变化趋势等。
这种模拟计算可以为操作人员提供参考以制定操作方案，并对反应器的实际生产情况进行预测。
同时，针对不同的反应器和不同的实验条件，可以采用不同的模式进行模拟计算，提高生产过程的精度和效率。
2.2 反应器操作优化反应器操作优化是指通过在模拟计算的基础上对反应器进行优化改进，提高反应器的效率、降低发生的损失。
生物反应器操作指南
生物反应器操作指南生物反应器操作指南1.简介本文档旨在提供详细的生物反应器操作指南，以帮助操作人员正确使用生物反应器并保证操作的安全与有效。
2.设备准备2.1 反应器选型- 根据所需反应规模、反应物种类等要素选择合适的生物反应器。
- 考虑反应器的容量、材质、温度控制能力以及搅拌效果等因素。
2.2 反应器清洁- 在使用前确保反应器没有残留的污垢或化学物质。
- 使用洁净的水和无害的清洁剂进行清洗，并彻底冲洗后进行干燥。
3.操作流程3.1 反应器装载- 将所需的反应物按照预定比例加入反应器中。
- 注意反应物的落入程度和均匀性，确保反应物的充分混合。
3.2 反应器密封- 关闭反应器的盖子或密封装置，确保反应器内部不受外界干扰。
- 检查密封装置是否完好，确保其正常工作。
3.3 反应器温度控制- 根据反应的要求，设定反应器的温度并启动温度控制系统。
- 定期监测反应器内部温度，并根据需要进行调整。
3.4 搅拌控制- 根据反应物的特性和反应要求，设定适当的搅拌速度。
- 确保搅拌效果良好，使反应物充分混合并提高反应效率。
3.5 反应时间控制- 根据反应的预定时间，设定反应器的反应时间，并进行监控。
- 定期检查反应进展，根据需要延长或缩短反应时间。
4.安全注意事项4.1 个人防护- 切勿直接接触反应物，穿戴适当的防护服和手套。
- 避免吸入或摄入反应物，使用防护口罩和眼镜。
4.2 废物处理- 对于剩余的反应物和产生的废物，按照相关法规进行处理，避免环境污染。
- 严禁将废物倾倒到下水道或非指定区域。
附件：本文档涉及的附件请参考附件A。
法律名词及注释：- 生物反应器：用于进行生物反应过程的设备，常用于细胞培养、发酵等工艺。
- 温度控制系统：用于调控反应器内部温度的设备。
- 搅拌效果：指搅拌设备对反应物的混合程度和均匀性的影响。
4. 生物反应器的操作模型
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
第4章 生物反应器的操作模型
基本要求：
掌握BSTR、CSTR、CPFR生化反应器的基本设计方程、及其 操作特点以及操作模型得到的主要结果 操作模型得到的主要结果 （1）BSTR:tr、VR的有关计算 （2）单级CSTR：D,Dopt,DC和CX,Cs,DCx以及 的计算 m 的关系 和 CX,Cs 的计算 （3）带循环的CSTR：D, DC与R， （4）CPFR：带循环CPFR模型的特点及 Ropt 和 P的确定 （5) CSTR 与CPFR的比较与组合 （6）FBC：恒速流加与指数流加的主要特征 （7）反应-分离耦合操作的主要特征 （8）研究CSTR动态特性的意义
2.转化率
CS 0 CS XS CS 0
CP 平均选择性SSP aSP (CS 0 CS ) rP 瞬时选择性SSP rS
4.收率
CP YP X S S SP aSP CS 0
5.反应器生产率 目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量，又称反 应器的生产能力(生产强度） (kg m-3 h-1)
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
要考虑的主要项目：反应动力学方程，物料 衡算式，能量衡算式和各种传递过程参数的 计算式
（1）物料衡算式 组分进入 组分流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 ± 组分的转化 ＋ 内组分的 元的量 元的量 或生成量 累积量 细胞进入 细胞流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 － 细胞的生长 ＋ 内细胞的 元的量 元的量 量 累积量
生物反应器操作指南
生物反应器操作指南简介：生物反应器（bioreactor）是一种生物化学工程中常用的设备，用于在控制的环境条件下进行生物反应和培养。
本文档将为您提供一份详细的生物反应器操作指南，旨在帮助您正确、安全地操作生物反应器，以获得最佳的实验结果。
一、安全操作指南1. 穿戴个人防护装备：在操作生物反应器时，必须佩戴适当的个人防护装备，包括实验室外套、手套、护目镜和鞋套。
这些装备能够有效地降低意外伤害的风险。
2. 确保设备安全：在使用生物反应器之前，务必检查设备的安全性能。
确保设备的密封性良好，机械部件正常运转，电源接线无异常，从而避免潜在的危险。
3. 准备紧急应对措施：在操作生物反应器的同时，随时保持警惕并准备好应对紧急情况的措施。
熟悉实验室的紧急停机程序、防触电和急救方法，以及应急电话号码等信息。
二、准备工作1. 清洗和消毒：在开始使用生物反应器之前，必须对其进行彻底的清洗和消毒。
使用适当的清洁剂和消毒剂，彻底清洗所有表面和零件，以确保实验样品不受到污染，并减少生物反应器内环境的细菌和病毒的存在。
2. 添加培养基：根据实验需求，准备好适当的培养基，并按照生物反应器的容量和要求进行添加。
务必严格遵守培养基制备和配制的标准操作程序，确保培养基的质量和浓度。
3. 设置操作参数：在准备阶段，您需要根据实验的要求和目标设置合适的操作参数，如温度、pH值、搅拌速度和气体流量等。
这些参数将直接影响到生物反应器的反应和培养效果。
三、生物反应器操作步骤1. 启动生物反应器：合理连接生物反应器的电源和气源，保证电源接线正确、电压稳定，并确保气源无泄漏。
按照操作手册中的启动程序，依次打开电源开关、气体阀门和液体进料阀门，实现生物反应器的启动。
2. 监控和调节参数：在生物反应器运行期间，密切关注监控参数的变化，并根据需要进行及时调节。
通过观察液位、温度、pH值、溶氧度等参数的变化，及时对液体进料、温度控制、pH调节和气体供应进行调整。
动物细胞培养生物反应器的操作模式
动物细胞培养生物反应器的操作模式(总7页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--动物细胞培养生物反应器的操作模式米力第四军医大学细胞工程中心，国家863西安细胞工程基地陕西西安，710032动物细胞培养工艺的选择首先考虑的重要一点是该产品所涉及的生物反应器系统。
选择反应器系统也就是选择产品的操作模式，操作模式选择将决定该产品工艺的产物浓度、杂质量和形式、底物转换度、添加形式、产量和成本，工艺可靠性等。
与许多传统的化学工艺不同，动物细胞反应器设备占整个工艺资金总投入的主要部分（＞50%），也就是说动物细胞培养工艺的选择主要部分是生物反应器系统的选择。
选择反应器系统及培养工艺时，必须对工艺的整体性进行全面考虑，主要包括以下几个方面：细胞株及生长形式、产物表达量和稳定性，培养基质及代谢物，产物分离和纯化难度等。
动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式，一般分为分批式操作（batch）、流加式操作（Fed-batch）、半连续式操作（semi-continuous）、连续式操作（continuous）和灌流式操作（perfusion）五种操作模式。
1. 批式操作（batch culture）批式操作是动物细胞规模培养发展进程中较早期采用的方式，也是其它操作方式的基础。
该方式采用机械搅拌式生物反应器，将细胞扩大培养后，一次性转入生物反应器内进行培养，在培养过程中其体积不变，不添加其它成分，待细胞增长和产物形成积累到适当的时间，一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。
该方式的特点:(1) 操作简单。
培养周期短，染菌和细胞突变的风险小。
反应器系统属于封闭式，培养过程中与外部环境没有物料交换，除了控制温度、pH值和通气外，不进行其他任何控制，因此操作简单，容易掌握；(2)直观的反应细胞生长代谢的过程。
由于培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境，不添加任何营养成分,因此可直观的反应细胞生长代谢的过程,是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段；(3)可直接放大。
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告一、引言生物反应器是生物工程领域中用于进行生物转化和合成的关键设备。
本实验旨在通过对生物反应器的设计与生产实践，探索其在生物工程中的应用。
二、材料与方法1. 反应器材料：选用优质不锈钢作为反应器材料，具有较好的耐腐蚀性和机械强度。
2. 反应器类型：采用批量发酵反应器，以控制反应条件并保证产品质量。
3. 反应器控制系统：使用PLC控制系统监测和调节温度、压力、pH值等关键参数。
4. 发酵菌株：选择能够生产目标产物的优良菌株，并进行前期培养和活化。
5. 发酵培养基：根据菌株需求，配制适宜的培养基，提供营养物质和生长条件。
6. 反应器操作：按照实验要求，对反应器进行喂料、通气、搅拌等操作。
三、结果与讨论1. 反应器设计：根据实验要求，确定反应器尺寸、内部结构和传热方式，保证反应物料均匀混合和适宜的传质效果。
2. 反应器实验过程：在良好的控制下，菌株在培养基中进行了发酵和生长，产物随着反应时间的增加逐渐积累。
3. 反应器控制性能：通过PLC控制系统，实时监测并调节反应器温度、压力、pH值等参数，保证了反应过程的稳定性和产品质量。
4. 产品分离纯化：经过反应后，通过合适的离心、过滤和萃取等方法，将产物从发酵液中分离出来，并进行进一步的纯化处理。
四、结论本实验通过对生物反应器的设计与生产过程进行了探索，验证了生物反应器在生物工程中的重要性和有效性。
通过合理的设备选择、运行控制和产品处理，可以实现对目标产物的高效生产和分离纯化。
五、参考文献[1] Smith R.T. et al. (2010). Bioreactor design considerations for continuous manufacturing. J Biotechnol, 155(3): 197-204.[2] Li Y. et al. (2015). Design and operation of bioreactors for cell cultures. Eng Life Sci, 15(5): 469-483.[3] Wang J. et al. (2018). Bioreactor strategies for improving production performance of microbial fermentation. Biotechnol Adv, 36(4): 1078-1089.以上是本次生物工程中的生物反应器设计与生产实验的报告，总结了实验的材料与方法、结果与讨论以及结论等内容。
第四章生物反应器的操作模型
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
• (4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行； • (5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数； • (6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 （BSTR）
• 反应时间的计算 • 反应器有效容积的确定 • 间歇反应过程的优化
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 临界稀释率
六、多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
第四节 连续操作的管式反应器 （CPFR）
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
生化反应器的分类（续）
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合） 理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
生物反应器操作说明书
生物反应器操作说明书一、前言生物反应器是用于进行生物学反应的设备，广泛应用于生物医药、食品、化工等领域。
本操作说明书旨在为操作者提供使用生物反应器的指导，确保操作的安全和有效性。
二、设备概述生物反应器由控制系统、反应器本体和附件组成。
控制系统包括温度、pH、氧气浓度和搅拌速度的监测和控制装置；反应器本体为容器，用于容纳生物反应物质；附件包括供气系统、加热系统和搅拌系统等。
三、操作步骤1. 准备工作a. 将生物反应器放置在平稳的工作台上，并确保周围环境清洁；b. 检查设备是否完好，包括控制系统、反应器本体和附件；c. 准备所需的培养基和其他反应物质，确保其质量和纯度。
2. 打开设备a. 按照设备操作面板上的指示，逐步将控制系统开启；b. 等待设备进行自检，并确保设备各项指标正常。
3. 调节参数a. 根据实验要求，设置合适的温度、pH值、氧气浓度和搅拌速度；b. 注意根据反应物质和生物反应过程的要求，进行相应的参数调整。
4. 加入反应物质a. 先将培养基加入反应器中，并保持适当的液位；b. 按照实验方案的要求，逐步加入其他反应物质，并注意控制投料速率和浓度。
5. 进行反应a. 观察反应过程中的温度、pH值、氧气浓度和搅拌速度等指标，并随时调节；b. 注意观察反应物质的状态和产物生成情况。
6. 反应结束a. 根据实验要求，决定反应的结束时机；b. 关闭设备，停止搅拌和供气等操作；c. 将产物进行收集和分析。
四、注意事项1. 操作人员应具备相关的生物学知识和实验技能，熟悉设备的使用方法；2. 操作人员应穿戴实验室常规工作服，并佩戴适当的防护手套、眼镜等；3. 操作过程中应注意设备的稳定性和安全性，避免碰撞和意外事故；4. 阅读并遵守相关的安全操作规程和实验室规章制度；5. 离开操作台前，应关闭设备并清理工作区域。
五、维护保养1. 定期清洗反应器，包括反应器本体和附件等；2. 定期检查设备连接件和密封件，确保其完好无损；3. 定期进行设备的保养和维修，以确保其正常操作；4. 如发现设备故障或异常情况，应及时联系维修人员进行处理。
生物反应器的操作模型
边界条件 假定： t=0时，cS =cS0,X S 0
t=tr时，cS =cS , X S X S
则有：
tr
dc cS 0
S
r cS
S
tr
cS 0
XS dX S 0 rS
tr为底物达到某一反应程度时所需要的反应时间
二、酶催化反应的反应时间
均相酶催化反应 固定化酶催化反应
二、酶催化反应的反应时间
SSP：反应的平均选择性
SSP
=
rP rS
三、操作参数
收率
实际产物生成量与底物全部生成目的产物的理论量之比值
YP
=
cP aSP cS0
收率（YP）、转化率（XS）和选择性（SSP）之间的关系
YP =X P SSP
对生物反应过程，目的产物的收率，即底物向目的产物转化的 比例，是作为实施生物反应过程优化操作的重要目标函数。
三、操作参数
反应器生产率
目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量，又称反应器生 产能力，简称容积生产率
分批操作
P
cP t
cS 0 X S t
t为一个操作周期中反应时间tτ与辅助时间0 X S
τ为物料在反应器中的平均停留时间，cP为流出液中的产物浓度
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 Batch Stirred Tank Reactor, BSTR
一、基本操作模型
特点 物料一次性加入，一次性排除 - 反应时间+辅助时间 - 浓度紧随时间变化，与位置无关 - 非稳态过程
dVR dt
0，Fin =Fout =0
一、基本操作模型
质量衡算式
细胞：dcX dt
rX
cX
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细胞总量CX VR VR0CX 0 YX / S FtCsf ,得出为50g
4-6 某微生物反应的动力学方程为 r X
2C C S X 1 C
3
g /(m3 h)
S
现已知CX0 =0，CS0=3g/L，YX/S=0.5， VR=1m 。或该反应在CSTR中进行，试求： （1）该反应的最佳加料速率应为多少？此时反应器出口的细胞浓度，底物 浓度和最大细胞生成速率各为多少？
4-19
解:VR VR 0 Ft VR 0 VR Ft 1 0.2 2 0.6( L) F 0.2 D 0.2h1 VR 1 KS D cS 2g / L max D 根据物料衡算可得 细胞总量CX VR VR 0C X 0 YX / S Ft (CS 0 CS ) 0.6 30 0.5 0.2 2 (100 2) 37.6 g
d (VR cS ) VR CS 0 X S FinCS 0 Fout CS rs m dt F rs
CPFR：连续操作管式反应器
dcsl 对dVR作底物衡算,dVR Fcsl rS dVR F (csl dcsl ) dt CS 0 dC S P = CSf rS
（2）当加料速率为1/3m3/h时，CX 、CS 、DCX又为多少？
KS 解:(1)DOpt max 1 K C S S0 Fopt 1m3 / h
1 ] 1 2[1 1 3
C X ,Opt YX / S C K K ( C K ) S S S S S 0 0 0.5(3 1 1(3 1) 1g / m3 Cs ,Opt K S DOpt 1 1 3 1g / m 2 1
变速流加以反馈流加为主。
4-1
4-2 对某S---P的均相酶催化反应，假定该反应动 力学方程符合M—M方程形式，且已知其 K m =1.2mol/L,r m a x =3 × 10 - 2 mol/(L · min) 。 根据设计要求年产产物 P为72000mol，并已知 CS0=2mol/L,XS=0.95。全年反应器的操作时间 为7200h，其中BSTR的每一操作周期内所需辅 助时间为 2h，试求所需反应器有效体积应为多 少 ？
4.生物反应器的操作模型
1.什么叫BSTR，CSTR，CPFR，请根据物料衡算 写出其操作模型方程，即反应时间与反应速率的关 系方程。 BSTR:间歇操作反应器（分批操作的搅拌槽式反应器
cs dc dnS s VR rS tr cs 0 r dt s
CSTR：连续操作的搅拌槽式反应器
max 2(min 1 ) g /( L min) 得 解：由 r X 1 C K s 1( g / L ) S
(1)CSTR在稳态下有
2C C S X
Байду номын сангаасD=
F 1 1(min 1 ) VR 1 2cS 2c c X 可得 S 1+cS 1+cS
由rX c X
(5)( F Fr )C X Fc Xf Fr c Xr c Xr c Xf c Xr cX 4 c Xf W 1 R R cX
1 2, W 2 YX / S K SWD 8 cX (cS 0 ) g/L W max WD 3 8 1 4 c Xf c X W g / L 3 2 3 K SWD 1 CSf g/L max WD 3
2.补料分批操作可分为哪几种类型,各有何特点,请简述之. 恒速流加，指数流加和变速流加 恒速流加是指以恒定的速率流加限制性底物的一种最简单的流 加操作方式。
d 1 经过长时间的流加培养后, 有 2 , 即生长比速率越来越小. dt t
指数流加：使加料速率按指数规律增加,以使限制性底物浓度维 持不变,故称为指数流加。指数流加可使生长比速率恒定。
4-9某一均相酶催化反应，在活塞流反应器中进行，其 动力学方程为
解:由r
S
0.1C S 1 0.5C
S
r
S
0.2C S 2C
S
rmax 0.2, K m 2 rmax P cS 0 X S K m ln 2 0.95 2 ln 1 1 X S
1 7.89 0.05 代入可求得 P 39.45 min VR P VR 25 39.45 986.4( L) F
72000 pr 解: F 7200 60 0.0877 L / min Cs0 X s 2 0.95 1 rmax tr Cs0 X s K m ln tr 183.2 min 1 X s
VR F tr tb 0.0877 183.2 120 26.6 L
解得cS 1( g / L)
(2)当F=3时 F 3 =D= 3(min 1 ) VR 1
比max 大, 呈洗出状态
故cS cS 0 3( g / L)
2cS F (3) =D= VR 1+cS 当cS 1/ 3g / L时, 则可求得VR 6 L
F 1 2cS1 (4)两相串联时,则C X 1有 =D= VR 1 1+cS1 cS1 1g / L, C X 1 YX / S (cS0 -cS1 ) 1g / L CX 1 2cS2 稳态下求得 2 D (1 ) CX 2 1+cS2 另有, C X 2 YX / S (CS 0 CS 2 ) 故可求得cS2 0.17 g / L
3
max DOpt
rX ,max DOpt CX ,Opt 11 1g /(m .h)`
F 1 1 (2)D h VR 3 1 1 KS D 3) C X YX / S CS0 0.5(3 1 max D 2 3 1.4 g / m3 1 1 KS D 3 0.2 g / m3 Cs max D 2 1 3 1 3 rX DC X 1.4 0.47 g /(m .h)` 3
4-7 某微生物反应的动力学方程为 r
X
2C C S X 1 C
S
g /(m3 h)
现已知CX0=CP0=0，CS0=3g/L，YX/S=0.5。试确定 （1） 在单一CSTR中，VR=1L，F=1L/min,求其出口CS？ （2） 在同一CSTR中，如果F=3 L/min，求其出口CS？ （3） 如果在F=3 L/min下操作，得到出口CS＝1/3 g/L，则其CSTR的体积VR=？ （4） 在两相串联CSTR中进行上述反应，每一CSTR的体积均等于1L，加料速率F=1 L/min，此时得到 的最低CS值为多少？ （5）如果对上述反应采用菌体提浓后再循环的操作方式，已知CS0＝3g/L，YX/S=0.5，VR=1L，F=1L/min， CX0=CP0=0，R=1/2，cXr＝4cXf，求最终离开反应系统的cXf为多少？