生物反應工程計算題解析

..《生物反應工程》講稿〔生物反應工程與生物反應器課程簡介：1緒論1.1生物反應工程的發展過程20世紀40年代抗菌素工業誕生,對無菌操作、通風溶氧技術十分拍切,吸引了大量化學工程人員參與技術攻關,于是有微生物學、生物化學、化學工程形成了一門交叉學科——生物化學工程〔生化工程,當初的生化工程研究的核心,通風攪拌無菌操作。1942年monod研究連續發酵,研究的目的就是提高發酵速率,60-70年代,單細胞蛋白生產,污水處理的重視,對菌體生長速率、底物的反應速率等的研究越來越重視,于是人們就把微生物反應動力學的研究與生物反應器結合起來形成了生化工程的一個重要分支-——生物反應工程。這門課〔生物反應工程是一門以生物反應動力學為基礎,研究生物反應器的設計、放大和生物反應過程的優化操作和控制的學科。生物反應工程課程有好多名稱,在上世紀80年代初,江南大學〔原XX輕工業學院王鴻祺教授給研究生開設了《生化反應動力學與生化反應器》,天津科技大學賈士儒教授給研究生開設了《生物反應工程與生物反應器》,后來改為《生物反應工程原理》。90年代上海出版了高校教材《生物化工原理》,北京化工大學戚以政、王叔雄編著了《生化反應動力學與反應器》〔1995年第二版,以后有編寫了《生物反應工程》。本學學院最早給研究生開這門課名稱是《生物反應工程與生物反應器》,20XX改為《生物反應工程》。1.2生物反應工程的主要內容1生物反應動力學研究生物反應過程速率及其影響因素,是理論基礎。微觀動力學〔本征動力學,是研究分應的固有速率,與溫度、濃度、PH、催化劑等有關,與傳遞無關。另一種反應是宏觀動力學,也稱反應器動力學。與反應器的傳質、傳熱及物料流動類型有關。實驗室研究可以看作微觀動力學,從工程角度要研究的是宏觀動力學。2生物反應器設計、優化與放大〔設計包括結構型式、操作方式及尺寸的確定,實際生物反應器設計是將生化反應動力學特征和生化反應器特征結合的設計。生物反應器的優化分優化設計、優化操作。第二章均相酶反應動力學內容要點：了解酶反應特點,掌握M-M方程和各種抑制動力學特征及其應用。均相酶反應,系指酶與反應物處于同一相〔液相的美催化反應。在生產中均相酶反映較多。如淀粉的液化和糖化。2.1酶反應的基本特征共性特性2.2單底物酶反應動力2.2.1M-M酶反應機理：底物S與酶E結合形成中間復合物〔ES〕,然后復合物分解成產物,并釋放出E。反應式：E—游離酶；S—底物；〔ES〕—酶底物結合的中間復合物；P—產物；反應速率方程：rS—底物消耗速率,mol/L．Srp—產物生成速率,mol/L．SV—反應體系體積,L；nS—底物物質量,mol;nP—產物物質量,mol；t—時間,S；根據反應定律：對反應機理有四點假設：〔1反應過程酶濃度恒定,即〔2與底物濃度CS相比,酶濃度很小,可忽略生產中間復合物所消耗的底物?！?產物濃度很低,產物抑制作用忽略不計,也不需考慮P+E→〔ES〕的可逆反應?！?生產產物的速率低于酶與底物的結合速率,生成產物的速率決定整個反應速率,而生成復合物的可逆反應達到平衡狀態。根據假設：因〔rS,max=k+1CEo當中間復合物生產速率與其分解成酶和產物的速率相差不大時,以上公式不適用,MichaelisMenten的平衡假設不成立。1925年,Briggs和Haldane提出了"擬穩態假設",認為反應體系底物與酶濃度相比濃度高的多,中間復合物分解成產物和游離酶后,酶立即與底物結合,從而使反應體系中復合物濃度維持不變,即中間復合物不再隨時間變化。根據反應機理和以上假設：又因：因底物濃度比酶濃度高的多,產物的反應速率就等于底物的反應速率。推出底物濃度與底物反應速率的關系式即米式方程：式中：Km—米氏常數,mol/L；—底物農度,mol/L；Km與KS的關系：從上式看出,酶與底物結合成中間復合物這步反應速度很快,而復合物分解成產物這步反應很慢,米氏常數就等于解離常數〔Km=KS。顯然用"擬穩態平衡假設"推導出米氏常數更為科學,使米氏方程機理的推導更完美。最大反應反應速率rS,max和米氏常數Km是米氏方程的重要參數。rS,max大小與酶總量有關,與酶和底物反應特性有關；Km大小主要決定底物與酶的結合程度有關。結合力越大,Km越小,反之越大。米氏方程的意義,在于掌握反應速率與底物的關系。2.2.2當CS＞＞Km時,此反應與底物濃度無關,屬0級反應。積分得：該式表明,反應時間長短取決于底物的初始濃度和終了濃度以及最大反應速率,對大反應速率又取決酶的總濃度。當CS＜＜Km時,反應速率與底物濃度成正比關系,屬一級反應。積分得：當底物濃度即不＞＞也不＜＜米氏常數時,就符合米氏方程,當Km=CS時,,此時,C〔ES〕=CE。對米氏方程積分得出積分式：以上三個積分式,Cso為反應前的底物初始濃度,CS是反應t時間后的終了濃度。利用積分式求反應時間,并知道哪些因素影響了反應時間。用XS表示底物轉化率：以上三個積分式可寫成與轉化率有關的積分表達式：即：2.2有四種方法求取。lineweaver-Burk〔簡稱L-B法將米氏方程兩邊取倒數：以為縱坐標,以為橫坐標作圖,直線斜率為,截距為。Hanes-Woolf法簡稱〔H-W法將米氏方程取倒數,然后兩邊乘CS,得下式：以為縱坐標,以為橫坐標作圖,直線斜率為,截距為。Eadie-Hofstee法〔簡稱E-H法將M-M方程重排：以上三種方法,反應速率都要通過濃度和反應時間求出,實質是利用微分法求出來的,故稱微分法。微分法反應速率不是直接求出的,當地物濃度很低反應速率很慢時,誤差較大。積分法將M-M方程的積分式,經整理得到：以為縱坐標,以為橫坐標作圖,斜率為,截距為。積分法特點,通過反應時間和底物濃度可直接求出動力學參數,產物的增加對反應速率沒有影響,否則不符合米氏方程條件。2.3底物抑制動力學有的反應,底物濃度增加反應速率反而下降,這種由于底物濃度增大引起反應速率下降的作用稱為底物抑制作用,反應機理如下：根據穩態法,推導出的動力學方程：KSI—底物印制的解離常數,mol/L；2.4有抑制的酶反應動力學某種物質存在而使酶反應速率減慢,這種物質呈抑制劑。根據抑制機理可分為競爭性抑制,非競爭性抑制,反競爭性抑制。競爭性抑制動力學,抑制劑與酶活性中心結合,影響了酶與底物的結合,從而影響了酶反應。抑制機理表達式：底物反應速率：根據穩態假設：<>競爭性抑制動力學,其抑制劑影響了米氏常數,影響大小決定于抑制劑濃度CI和解離常數。競爭性抑制動力學參數的求取：和M-M方程動力參數求取相同,兩邊取倒數,得到如下方程：第三章微生物細胞反應動力學第一節微生物細胞反應基本概念第二節微生物細胞反應計量學微生物細胞反應衡算目的：是對反應物轉化成細胞或產物進行轉化程度的數量化研究,是為了更好的控制反應。微生物細胞反應元素衡算方程〔1無產物的反應式：第三節微生物生長動力學細胞生長動力學方程分批培養：〔！細胞生長速率：〔2比速率：是以單位質量細胞為基準表示各組分的變化速率。細胞生長比速率：假定μ是常數,積分得：Monod方程〔g/L.hμ—細胞生長比速率〔h-1CS—限制性底物質量濃度,〔g/L。KS—飽和常數,〔g/L。μmax—最大生長比速率Monod方程式是Monod在1943年通過大量實驗做出的經驗方程,CS是限制性底物濃度,Ks是飽和常數,即得出,生長比速率與限制性底物濃度的關系。微生物細胞間歇培養將方程以為縱坐標,以時間t為橫坐標,作的曲線圖如下：減速減速期t細胞生長曲線減速期減速期對數期加速期延滯期通過曲線進一步理解Monod方程及生長比速率的涵義。μ實際就是曲線上的斜率。1>延滯期μ=02>加速期0＜μ＜μmax3>對數期μ=μmax,營養底物充足,對生長不受限制。在對數生長期間,μ是恒值是一個常數。4>減速期在減速期,隨著時間延長,營養底物越來越匱乏,生長比速越來越小〔曲線上斜率越小。正符合Monod方程：連續培養〔單級操作連續穩定時,細胞生長量=排出量令：D—稀釋率,〔h-1。稀釋率是人為控制的,因此在連續發酵過程生長比速率可以人為控制。連續發酵的必要條件D＜μmax當D＞μmax,發酵就發生"沖出"現象。******連續發酵,在D＜μmax的前提下,μ隨著D的變化而變化,當D增大時,意味著進料速度增大,反應器內底物濃度增高,所以μ值隨之增大；當D降低時,意味著進料速度減小,反應器內底物濃度隨之降低,有許許多多的實驗得出了Monod方程,即限制性底物濃度CS與生長比速率μ的關系,因此連續發酵會自動趨向穩態,即μ=D,討論：〔1底物濃度〔CS與稀釋率的關系：〔2菌體相對基質得率系數Yx/s〔3菌體濃度與稀釋率的關系〔4微生物細胞生產強度<PX>與稀釋率的關系菌體濃度〔CX、底物濃度〔CS、生產強度〔Px與稀釋率〔D的關系作圖如下：從上圖看出：1在一定的稀釋率下,微生物細胞生產強度<生長速率〔DCX,隨著稀釋率〔D增大而增大,當達到一定的稀釋率后,其細胞生產強度隨著稀釋率增大而降低。2稀釋率在一定范圍內變化,細胞濃度〔CX和底物濃度〔CS變化很小。當增大到一定程度,其變化迅速增加。3稀釋率增大到一定程度時,微生物細胞沖出,罐內菌體濃度為零,底物濃度等于初始濃度,此時的稀釋率稱臨界稀釋率〔DC。4對細胞生產強度而言,有一個最佳稀釋率〔D0pt,即細胞生產強度最高。5稀釋率越小,底物濃度越低,細胞產率越高〔轉化率高。單罐連續發酵〔培養,當轉化率要求不高時,可以使用。如果既要轉化率高,又要細胞生產強度高,單罐連續發酵就滿足不了這個條件。如何設計才能使轉化率和生產強度都高,用多級串聯連續就能解決這個問題,一般用兩個罐就可滿足生產要求,第一個罐用作提高生產強度〔控制最佳稀釋率,第二個罐用作提高轉化率。四、最佳稀率〔Dopt>最佳稀釋率是細胞生產強度〔生長速率最大時的稀釋率。生產強度對D求導,等于零,即求得稀釋率最大值Dopt最佳稀釋率對應的最佳細胞濃度〔CXopt及最大生產強度〔PX>opt兩級串聯連續培養連續穩定時,CX0=0對第一個罐細胞平衡：對第二個罐細胞平衡：兩罐串聯與單罐連續發酵時間的對比假定用兩個罐<等體積串聯連續發酵,第一個罐的菌體濃度為第二個罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2兩罐與單罐排出的底物濃度相等,即：CS2=CS單罐發酵時間用τ表示:兩罐發酵時間用τm表示：帶細胞循環的單級培養帶細胞循環的單級培養是在單級連續培養的基礎上進行的,將流出反應器的物料進行細胞濃縮,將濃縮液循環。通過濃縮液循環,提高反應器內細胞濃度,從而提高反應速率。以下是帶細胞循環的單級細胞培養流程：圖中,RF為循環液量,R為循環比。Cx2＜CX＜CX1對發酵罐培養系統菌體平衡:細胞濃縮分離系統菌體平衡：由以上兩平衡式得出：、帶細胞循環連續發酵討論：循環與不循環相比：〔1在轉化率和發酵罐體積不變時,可提高生產能力。〔2在生產能力和發酵罐體積不變時,可提高轉化率〔CS降低〔3在生產能力和轉化率一定時,可減小設備體積?！?如果細胞不濃縮,D=μ,對CSTR無意義?！?生產能力的提高在于提高了發酵罐中的細胞濃度。七、帶循環的CPFR帶循環的CPFR〔帶循環平推流式反應器,對酶反應因循環物料使得進入反應器的底物濃度降低,因此可以解決因底物濃度抑制的反應而提高反應速率；對微生物細胞反應則提供了連續接種的作用?；亓鞅任锪虾馑悖哼M口物料進口濃度：第四節底物消耗與產物生成動力學底物消耗動力學底物只形成細胞的消耗動力學底物消耗速率通過細胞得率系數與細胞生長的關系：底物消耗比速率：qS,max—最大消耗比速率,〔h-1。包括維持細胞生命的底物消耗動力學底物消耗速率：底物消耗比速率：總得率與理論得率關系式可寫成：斜率m斜率m包括產物生成的底物消耗動力學底物消耗速率：底物消耗比速率：產物生成動力學根據產物生成速率與細胞生成速率的相關性分為三類：相關模型指產物生成與細胞生長相關的。產物生成速率可寫成：產物生成比速率：部分相關模型指產物生成與細胞生長部分相關。產物生成速率：產物生成比速率：非相關模型指產物生成與生長無關。其特點,細胞生長時無產物生產,當細胞停止生長后才生成產物。產物速率表達式：第五節動力學參數求取Monod方程兩個重要參數μmax和KS的求?。簩⒎匠虒懗桑豪梦⒎址ㄇ笕。旱诹潨缇鷦恿W第四章反應器設計與分析第一節生物反應器類型生物反應器是指利用生物催化劑進行生物反應的設備,按催化劑不同分：細胞生物反應器；酶反應器；按物料進出不同分：間歇操作反應器；連續操作反應器；半連續操作反應器；根據催化劑分布分：塊狀反應器；膜反應器。連續操作反應器根據流動模型分：全混流式；平推流式〔活塞流式。在生產中攪拌槽式反應器視為全混流