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)