本課程總結PPT學習教案

1、會計學1 本課程總結本課程總結PPT課件課件 物反應器的設計，優(yōu)化和放大。物反應器的設計，優(yōu)化和放大。 第1頁/共69頁 l 采用生物催化劑，反應過程在常溫常壓下采用生物催化劑，反應過程在常溫常壓下 進行，可用進行，可用DNA重組及原生質體融合技術重組及原生質體融合技術 制備和改造制備和改造 l 采用可再生（采用可再生（renewable resources）資源）資源 l 設備簡單，能耗低設備簡單，能耗低 l 專一性強，轉化率高，制備酶成本高，專一性強，轉化率高，制備酶成本高， 發(fā)酵過程成本低，應用廣，但反應機理復發(fā)酵過程成本低，應用廣，但反應機理復 雜，較難控制，反應液雜質較多，給提取雜，

2、較難控制，反應液雜質較多，給提取 純化帶來困難。純化帶來困難。 第2頁/共69頁 第3頁/共69頁 1.1酶反應的基本特征酶反應的基本特征 簡單介紹酶催化反應和普通化學催化反應簡單介紹酶催化反應和普通化學催化反應 的共同性。詳細介紹的共同性。詳細介紹酶的催化特性酶的催化特性。 1.2 簡單酶催化反應動力學（重點之重點）簡單酶催化反應動力學（重點之重點） 詳細介紹簡單酶催化反應模型、詳細介紹簡單酶催化反應模型、平衡法、擬穩(wěn)平衡法、擬穩(wěn) 態(tài)法態(tài)法以及以及酶動力學參數的求取酶動力學參數的求取方法方法(重點為重點為L-B 法和法和E-H法）。法）。 第4頁/共69頁 第5頁/共69頁 第6頁/共69頁

3、 1.3 有抑制的酶催化反應動力學有抑制的酶催化反應動力學 詳細介紹詳細介紹競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭抑制動競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭抑制動 力學的共性和特性，與無抑制動力學的關系以及抑制力學的共性和特性，與無抑制動力學的關系以及抑制 程度與底物濃度關系上的差別。程度與底物濃度關系上的差別。 1.4復雜的酶反應動力復雜的酶反應動力 學學 詳細介紹可逆反應，雙底物酶催化反應（包括詳細介紹可逆反應，雙底物酶催化反應（包括隨機機隨機機 制、順序機制和乒乓機制制、順序機制和乒乓機制）簡單介紹變構酶反應動力）簡單介紹變構酶反應動力 學。對這幾種酶的機理反應式有所了解，掌握底物抑學。對這幾種酶

4、的機理反應式有所了解，掌握底物抑 制動力學以及底物濃度的優(yōu)化控制制動力學以及底物濃度的優(yōu)化控制 第7頁/共69頁 第8頁/共69頁 1.5 反應條件對酶反應速率的影響反應條件對酶反應速率的影響 詳細介紹詳細介紹pH和溫度和溫度對酶催化的影響的機對酶催化的影響的機 理、規(guī)律。理、規(guī)律。 酶的失活動力學中的靜態(tài)穩(wěn)定性和操作穩(wěn)酶的失活動力學中的靜態(tài)穩(wěn)定性和操作穩(wěn) 定性的影響規(guī)律定性的影響規(guī)律 1.6 酶的界面催化反應動力學 （了解） 第9頁/共69頁 exp d EtEO CCk t d d1 / 2 1ln2 k= tt （2.43） kd可稱為衰變常數。kd的倒數稱為時間常數td。t1/2稱為半

5、衰期。 （2.44） 對于酶的不可逆一級失活，具有 第10頁/共69頁 2.1-2 細胞反應過程計量學細胞反應過程計量學 詳細介紹細胞分子式、細胞反應元素衡算方程，詳細介紹細胞分子式、細胞反應元素衡算方程， 各種各種得率系數得率系數的定義和相互間的關系。的定義和相互間的關系。 2.3 細胞生長非結構動力學細胞生長非結構動力學 概括介紹細胞生長動力學模型。詳細介紹速度及概括介紹細胞生長動力學模型。詳細介紹速度及 比生長速度、細胞生長階段。重點介紹比生長速度、細胞生長階段。重點介紹Monod方方 程程。詳細介紹有抑制的細胞生長動力學及減小抑。詳細介紹有抑制的細胞生長動力學及減小抑 制的措施。詳細介

6、紹溫度和制的措施。詳細介紹溫度和pH, 溶氧對細胞生長溶氧對細胞生長 的影響。的影響。 第11頁/共69頁 0 / 0 Y XtXXX X S SSStS t ccmr mccr 細胞反應過程主要特征：細胞是反應過程的主體；本質是酶反 應；細胞反應與酶催化有著明顯的不同：復雜反應，多種途徑， 難以描述。 呼吸商Respiratory Quotient（RQ）： 在一定時間內放出的二氧化碳量和消耗的氧氣量（量為物質的量）之比 得率系數 第12頁/共69頁 /()gL h a）絕對速率： , sX Xs dcdc rr dtdt b）比速率： 11 ,() sX s XX dcdc q cdtcd

7、t 1 h 速率相關的符 號 第13頁/共69頁 第14頁/共69頁 max K s ss c c 第15頁/共69頁 指數生長期 在指數生長期內,細胞質量和數目均隨時間呈指數增加。在指 數生長期內，細胞的生長不受基質濃度限制，比生長速率達 到最大值 = max 第16頁/共69頁 2.4 底物消耗與產物生成動力學底物消耗與產物生成動力學 詳細介紹詳細介紹底物消耗、產物生成底物消耗、產物生成與熱產生速度與熱產生速度與與 細胞生長的關聯及模型細胞生長的關聯及模型。 2.5 細胞反應動力學的結構模型細胞反應動力學的結構模型 詳細介紹詳細介紹一下分室模型一下分室模型和控制模型的建模思路。和控制模型的

8、建模思路。 2.6 描述細胞群體反應動力學的分離模型描述細胞群體反應動力學的分離模型 分離模型的主要特點分離模型的主要特點 強調強調Monod方程動力學參數的求取方法以及與酶方程動力學參數的求取方法以及與酶 反應反應MM方程的相同之處。方程的相同之處。 第17頁/共69頁 0 0 expln4.45 N NNdd N C CCk tk t C （）即（） N dNN dC k CC dt 滅菌對數死亡規(guī)律 （活細胞濃度（個數） 第18頁/共69頁 作業(yè)：作業(yè)： 1、名詞解釋：、名詞解釋： 對底物的細胞得率系數；呼吸商；絕對速率和比速對底物的細胞得率系數；呼吸商；絕對速率和比速 率；非結構模型和

9、結構模型。率；非結構模型和結構模型。 2、寫出描述無抑制的細胞生長動力學模型的、寫出描述無抑制的細胞生長動力學模型的monod 方程，并簡單的討論方程，并簡單的討論 3、寫出下述三種情況的底物消耗的動力學方程、寫出下述三種情況的底物消耗的動力學方程： （1）底物全部用于合成細胞；（）底物全部用于合成細胞；（2）底物用于合成）底物用于合成 細胞和形成代謝產物；（細胞和形成代謝產物；（3）底物用于合成細胞，形）底物用于合成細胞，形 成代謝產物和提供維持能成代謝產物和提供維持能 XS rC隨 的變化. 第19頁/共69頁 4、Gaden根據產物生成速率與細胞生長速率之間的根據產物生成速率與細胞生長速

10、率之間的 關系，將產物形成動力學分為那三種類型？并簡述關系，將產物形成動力學分為那三種類型？并簡述 之。之。 5、習題、習題2-2；2-5; 2-8. 第20頁/共69頁 3.1 固定化生物催化劑概論固定化生物催化劑概論 簡單介紹固定化酶和細胞的方法、酶固定化后活性和穩(wěn)簡單介紹固定化酶和細胞的方法、酶固定化后活性和穩(wěn) 定性的變化、定性的變化、重點介紹重點介紹 影響固定化生物催化劑特性的因影響固定化生物催化劑特性的因 素素 1.通常采用的固定化方法為：載體結合法、交聯法、包載體結合法、交聯法、包 埋法埋法等 2.細胞的固定化方法：細胞的固定化方法：載體結合法，自聚集法載體結合法，自聚集法和和包埋

11、法包埋法 3.影響固定化酶動力學的因素有：空間效應（包括構象 效應和位阻效應）、分配效應（包括親水效應、疏水效 應和靜電效應）和擴散效應（包括外擴散效應和內擴散 效應）。 第第3 3章章 固定化生物催化劑反應過程動力學固定化生物催化劑反應過程動力學 第21頁/共69頁 第22頁/共69頁 3.2 外擴散對反應速率的限制效應外擴散對反應速率的限制效應 詳細介紹外擴散產生的原因，外擴散對速度的影響詳細介紹外擴散產生的原因，外擴散對速度的影響，反反 應速度的求取，有效因子的定義、計算應速度的求取，有效因子的定義、計算, Da的物理意義的物理意義 和對擴散的影響和對擴散的影響。 L max ()()(

12、3.3) si sosisdsi msi rC Ka CCRR KC max ()(3.6) a Lso r DamkohlerD k ac 最大反應速率 最大傳質速率 ( )/(3.9)E siso bR引入外擴散有效因子 第23頁/共69頁 2 2 2 (4) (4) 4 s err s er s dc Dr dr dc Dr dr rrr 流入量= 流出量= 消耗量 3.3 內擴散對反應速率的限制效應內擴散對反應速率的限制效應 詳細介紹固定化酶顆粒的結構的描述，顆粒內組詳細介紹固定化酶顆粒的結構的描述，顆粒內組 分的濃度分布、反應速度計算，內擴散的有效因分的濃度分布、反應速度計算，內擴散

13、的有效因 子的定義與計算。子的定義與計算。 第24頁/共69頁 222 (4)(4)4 ss errers dcdc DrDrr rr drdr 流入系統(tǒng)的流入系統(tǒng)的 質量質量 離開系統(tǒng)的離開系統(tǒng)的 質量質量 系統(tǒng)內消耗的質量系統(tǒng)內消耗的質量 2 2 2 () ss es d cdc Dr drr dr 0,0r ssi s 邊界條件: r=R, C =C dC dr 第25頁/共69頁 1 111 111 tan (3 )3h (3.30) 梯勒模數(Thiele modulus) 1 1 p pe V k AD 表面濃度下的反應速率 內擴散速率 第26頁/共69頁 2 0 2 2 () s

14、ss ee d cdcrk drr drDD 2 0 2 s e rc kd r drD 引 入 則 22 0 () 6 e k rR D ss0 c =c + 第27頁/共69頁 2 0 6 01, csoe c Rc D Rk R R s 當c 時，可得 其中 稱為臨界半徑。 0 . 6 soe c D k max max 故有最大固定化酶顆粒半徑R R 第28頁/共69頁 第29頁/共69頁 作業(yè)：作業(yè)： 1、簡述影響固定化酶動力學的因素？、簡述影響固定化酶動力學的因素？ 2、外擴散有效因子的定義、內擴散有效因子的、外擴散有效因子的定義、內擴散有效因子的 定義。定義。 3、什么是丹克萊爾

15、數（、什么是丹克萊爾數（Da）、梯勒模數（）、梯勒模數（）、）、 Biot數數.并簡述其對外、內擴散總反應速率的影響。并簡述其對外、內擴散總反應速率的影響。 4、計算題：、計算題：p128習題習題1，3，9 第30頁/共69頁 0 , EmL cR Kk孔 徑 第31頁/共69頁 第第4 4章章 生物反應器的操作模型生物反應器的操作模型復習 基本要求：基本要求： l 掌握掌握BSTR、CSTR、CPFR生化反應器的生化反應器的基本設計方程基本設計方程、及其、及其 操作特點操作特點以及操作模型得到的主要結果以及操作模型得到的主要結果 l操作模型得到的主要結果操作模型得到的主要結果 （1）BSTR

16、: tr、VR的有關計算的有關計算 （2）單級）單級CSTR：D,Dopt,DC和和CX,Cs,DCx以及以及 的計算的計算 （3）帶循環(huán)的）帶循環(huán)的CSTR：D, DC與與R， 的關系的關系 和和 CX,Cs 的計算的計算 （4）CPFR：帶循環(huán)：帶循環(huán)CPFR模型的特點及模型的特點及 （5) CSTR 與與CPFR的比較與組合的比較與組合（會根據作圖法得到最小反應（會根據作圖法得到最小反應 時間）時間） （6）FBC：恒速流加與指數流加的主要特征恒速流加與指數流加的主要特征 （7）反應）反應-分離耦合操作的主要特征分離耦合操作的主要特征 m optP R和的確定 第32頁/共69頁 Inp

17、ut = output + consumption+accumulation 第33頁/共69頁 BSTR推斷反應體積推斷反應體積 ttt rb () Rrb VF tt s o s C C s s r r dC t 第34頁/共69頁 第35頁/共69頁 0 max :(1) 1 ln 1 r rssm s t rtC XK X 解先求反應所需要的時間 4 max 1.33 0.0012.66 10/() 5 461.7 r rmol L s ts 故先求得 代入各值可求得 0 (2) 1000/60 208.3 /min 0.1 0.8 r ss F P FL C X 求得 對單底物酶反應

18、有 (3) ()208.3 (461.7/60 10)3685.9 Rrb VF ttL 反應器的有效體積為 第36頁/共69頁 0 0 0 C = SS S XC SS PS C SS dXd C rr （1）兩種理想流動的反應器的模型：全混流反應器(CSTR)和平推 流反應器(CPFR)。 00 SSSS m SS CCC X rr 第37頁/共69頁 R V V D 0 0 dt dCX 0 dt dCS D X SX SS C Y CC / 1 0 XXXX PrCDC (6-16) g/(L.min) 定義稀釋率(空速) 對單級對單級CSTR，穩(wěn)態(tài)條件下穩(wěn)態(tài)條件下，應存在，應存在 ，

19、 可得可得 （6-15） 這是單級CSTR進行細胞反應的的主要操作特性(表示了恒化器恒化器的主要操作特性)。 對于符合Monod模型的簡單細胞反應，若以單位時間單位體積的細胞產量(細胞產率)PX為優(yōu)化目標函數， Single CSTR for cells reaction 第38頁/共69頁 )( max / 0 D DK CDYP S SSXX 0 max 1 S Opt SS K D KC 00 ,/ () X OptX SSSSSS CYCKKCK 0 0 max SS S C CK C D max (6-17) 所以所以 當PX為最大時，相應的稀釋率稱為最佳稀釋率DOPt： （6-18

20、) 反應器中細胞濃度為 稀釋度的極限值：當CS=CS0時 當稀釋度達到極限值DC時，CSTR出口物料中細胞濃度為0，此時反應器處于“洗出”操作狀態(tài)( CS=CS0 )。因此操作要控制D小于 Levenspiel定 義一參數 1/N max 1N N /0 1 X SS N Yc N （6-19) （6-20) 第39頁/共69頁 4.3.4 帶細胞循環(huán)的單級帶細胞循環(huán)的單級CSTR r Xr X F R F c c 第40頁/共69頁 輸入量輸入量+循環(huán)量循環(huán)量+生長量輸出量生長量輸出量 0XrXrR XrX FcF cV rFF c 1 D RRW 0 0, XrXX R F cFFR rc

21、D V 對對CSTR做細胞衡算：做細胞衡算： （ ，故恒大于，故恒大于） 分離系數 Separatio n coefficien t 第41頁/共69頁 01 / 1 () SSX X S D ccc Y 經整理得到, 0 () SrSrSR S FcF cFF cV r (2)對對CSTR作底物衡算：輸入量輸出量消耗量作底物衡算：輸入量輸出量消耗量 / 0 () X S XSS Y ccc W 由于循環(huán)的作用，細胞的濃度提高，有利于提高細胞的生長率。由于循環(huán)的作用，細胞的濃度提高，有利于提高細胞的生長率。 第42頁/共69頁 max S S K WD c WD / 0 max () X SS

22、 XS YK WD cc WWD 可見循環(huán)的使用，底物的利用率提高，也有利于提高細胞 的生產率。 C CrC D DD W 故可見由于循環(huán)作用,提高了臨界 稀釋率,有利于提高操作的穩(wěn)定性。 第43頁/共69頁 例例4-8：在一帶循環(huán)的：在一帶循環(huán)的CSTR中進行下述細胞培養(yǎng)中進行下述細胞培養(yǎng) 過程過程 已知已知cX00，cS03g/L，F1L/min，YX/S0.5， VR1L，FrF/2，cXr4cXf。試求。試求cX1、cS1、cXr、 cXf。 解：解： 1 2 r F R F () 4 1 1 2, 2 rXXfrXr Xr XrX Xf Xf X FF CFcF c c cc c c

23、WRR c W 2 1 S XX S c rc c 第44頁/共69頁 1 1(min ) R F D V 1 814 / 323 XfX cc Wg L / 101 8 / 3 X S XSS Y cccg L W 1 max 1 / 3 S S K WD cg L WD 416 44/ 33 XrXf ccg L 第45頁/共69頁 第46頁/共69頁 第47頁/共69頁 第48頁/共69頁 作業(yè)： 1.什么叫BSTR，CSTR，CPFR，請根據物料衡算 寫出其操作模型方程，即反應時間與反應速率的 關系方程。 2.補料分批操作可分為哪幾種類型,各有何特點,請 簡述之. 3.計算題:4-1,

24、4-2,4-6,4-7,4-9,4-19 第49頁/共69頁 第50頁/共69頁 1 du dy （）牛頓型流體 脹塑性流體的表觀黏度隨切變率的增大反而增大。 2（ ）非牛頓型流體 第51頁/共69頁 L * ) OLOL OTRkcca（ L2 * ) OL OLOLOX dc OTROURkccq c dt a（ OUROTR0 OL dc dt 在穩(wěn)態(tài)下 ，即 ， 第52頁/共69頁 2 2 * LOX * OX L k a(c)-q c -1 c (q c )c k a OL OLOL OL OLOL dc c dt dc dt 即 22 2 OXO O -q cq() q OL OL

25、OLX X dc ccctt dt c 積分得 可求 再通氣后可由式(5-78) 求得kLa,也可利用圖解法求得。 某時刻停止通氣: (5-77) (5-78) 動態(tài)法測體積傳質系數 第53頁/共69頁 CL air off air on dt dCt t Fig.5-25 Dynamic technique for the determination of kLa CL La k 1 2 OL o dC r dt * L C 第54頁/共69頁 所謂動態(tài)法是根據停止向培養(yǎng)溶液中通氣時，培 養(yǎng)液中溶氧濃度的變化率求出攝氧率，當溶氧濃 度下降到一定程度時（不低于臨界溶氧濃度）， 再恢復通氣，則培養(yǎng)液中氧濃度又逐漸升高，直 至恢復到原先的水平，見Fig. 5.25左圖。右圖中， 截距為飽和溶氧濃度，斜率為-1/kLa. 溶氧法的優(yōu)點是只需測定溶氧濃度 CL 隨時間變化曲線， 非常方便地求出kLa. 第55頁/共69頁 第56頁/共69頁 L k LsL a受反應器的結構因素，反應器的操作條件和物 系