生物反應(yīng)工程原理第三版課后答案賈士儒

1、簡答題1、說明動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中流體剪切力的主要來源？P210主要來源為：機(jī)械剪切力、氣體攪拌剪切力2、說明固定化酶反應(yīng)的模數(shù)的物理意義，它與那些變量與參數(shù)有關(guān)？P103=表面濃度下的反應(yīng)速率/內(nèi)擴(kuò)散速率=最大反應(yīng)速率的特征值/最大內(nèi)擴(kuò)散速率的特征值一"級(jí)反應(yīng)：i二:怖11=1(VP,SP,kV1,De)與內(nèi)擴(kuò)散速率、反應(yīng)速率、內(nèi)擴(kuò)散阻力、對反應(yīng)速率的限制程度、有效因子刀等有關(guān)，而內(nèi)擴(kuò)散的有效因子又和顆粒粒度、顆?；钚?、孔隙率、孔徑、反應(yīng)溫度等有關(guān)3、哪些傳遞過程特性與流體流動(dòng)的微觀效應(yīng)有關(guān)？P223,P2987-30,PPTP1圖4、從反應(yīng)器內(nèi)物料混合的角度說明反應(yīng)器放大過程中傳

2、遞過程特性的變化？P235有流體流變特性、流體剪切作用、傳質(zhì)特性、氧的傳遞、質(zhì)量傳遞5、說明生物反應(yīng)器中對流體剪切力的估計(jì)參數(shù)有哪些？P210通過混合，可使反應(yīng)器中物料組成與溫度、pH分布更趨于均勻，可強(qiáng)化反應(yīng)體系的傳質(zhì)與傳熱，使細(xì)胞或顆粒保持懸浮狀態(tài)(1)宏觀混合：機(jī)械攪拌反應(yīng)物流發(fā)生設(shè)備尺寸環(huán)流，物料在設(shè)備尺度上得到混合，對連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器即為返混(2)微觀混合：物料微團(tuán)尺度上的混合，反映了反應(yīng)器內(nèi)物料的聚集狀態(tài)6、生物反應(yīng)器操作選擇補(bǔ)料分批培養(yǎng)的理由有哪些？P131,P177(1)積分剪切因子ISF=AlUAx=2兀Ndd)(D(2)時(shí)均切變率單ve(3)最小湍流漩渦長度入7、說明臨界溶氧

3、濃度的生理學(xué)意義？P62,P219補(bǔ)料分批操作的特點(diǎn)是：可調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)過程環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，一方面可避免某些營養(yǎng)成分的初始濃度過高而出現(xiàn)底物抑制的現(xiàn)象；另一方面又可防止某些限制性營養(yǎng)成分在反應(yīng)過程中被耗盡而影響細(xì)胞生長及產(chǎn)物形成。同時(shí)還可解除產(chǎn)物的反饋抑制及葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)等。故在細(xì)胞反應(yīng)過程中，實(shí)施流加操作可有效對反應(yīng)過程加以控制，以提高反應(yīng)過程的水平。8、說明得率系數(shù)的實(shí)質(zhì)，它與哪些條件有關(guān)？P42對于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，微生物細(xì)胞對于氧有一個(gè)最低的要求，將能滿足微生物呼吸的最低氧濃度稱為臨界溶氧濃度”，用Col,c表示。當(dāng)溶氧濃度Col值較低時(shí)，即Col<Col,c,氧的比

4、消耗速率qo2則隨Col的升高而近似線性遞增，細(xì)胞生長速率與溶氧濃度的關(guān)系可近似看作一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，細(xì)胞生長將受氧濃度限制的影響；當(dāng)Col>Col,c時(shí)，此時(shí)qo2不再隨著COL的變化而變化，qo2=qO2，max,細(xì)胞生長速率與溶氧濃度無關(guān)。故對于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，為了消除氧限制的影響，應(yīng)要求將反應(yīng)液中溶氧濃度的水平控制在其臨界值以上。9、對半連續(xù)操作方式，GadenIII類反應(yīng)器是否合適？P70Gadenlll分類為非生長得率型產(chǎn)物，即生成產(chǎn)物與細(xì)胞生長無直接關(guān)系，產(chǎn)物為次級(jí)代謝產(chǎn)物，而半連續(xù)操作可以得到高密度細(xì)胞，可延長細(xì)胞生長穩(wěn)定期的時(shí)間，適合次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的特點(diǎn)，以提高其產(chǎn)

5、量，所以該反應(yīng)器適合。10、舉例說明應(yīng)用生物反應(yīng)工程的研究方法及原理？P162有：CSTR與膜過濾組合的細(xì)胞循環(huán)系統(tǒng)，對廢水的生物處理系統(tǒng)。原理：該過程由于活性污泥的沉降性能很好，很容易利用沉降的方法，將待處理水中的污泥進(jìn)行濃縮，再返回反應(yīng)器(曝氣池)中，通過活性污泥大量循環(huán)的方法，來保持曝氣池中的活性污泥濃度，解決了要求的廢水處理量遠(yuǎn)大于活性污泥的比生長速率矛盾，這樣既可以增加反應(yīng)器的處理能力，又可以提高處理水的質(zhì)量。11、可以實(shí)現(xiàn)擬穩(wěn)態(tài)的操作方式有哪些？PPT有：補(bǔ)料分批操作中的恒速流加，反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)，反復(fù)流加，連續(xù)式操作。12、說明動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理？PPT該反應(yīng)器配有攪拌

6、槳，其目的是為了混合均勻。此外，反應(yīng)器模擬了體內(nèi)生長環(huán)境，在無菌、適溫及豐富的營養(yǎng)條件下，使細(xì)胞生長高密度、大規(guī)模培養(yǎng)。13、說明固定化酶反應(yīng)的Da準(zhǔn)數(shù)的物理意義，它與哪些變量與參數(shù)有關(guān)？P91Da=最大反應(yīng)速率/最大傳質(zhì)速率Da=rmax/(kLaC)Da值可作為判斷外擴(kuò)散控制或反應(yīng)控制的參數(shù)，Da=Da(rmax,Aa,5)14、說明由最小湍流漩渦長度判斷剪切力對細(xì)胞造成損傷的原理。機(jī)械攪拌反應(yīng)器中流體剪切力是否會(huì)對微生物細(xì)胞造成損傷？P213在湍流條件下，流體的剪切作用與細(xì)胞所處環(huán)境的速度分布有關(guān)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡與具有一定速度分布的漩渦的相對大小有關(guān)。當(dāng)漩渦尺寸大于細(xì)胞尺寸時(shí)，細(xì)胞會(huì)隨著流

7、體一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體的流線與細(xì)胞的流線之間速度差很小，細(xì)胞受到的剪切力較小，若漩渦尺寸小于細(xì)胞尺寸，細(xì)胞受到較大的剪切力，進(jìn)而受到損傷，而微生物有細(xì)胞壁的保護(hù)一般不會(huì)受損。15、說明本征(微觀)動(dòng)力學(xué)和宏觀動(dòng)力學(xué)的概念。影響宏觀動(dòng)力學(xué)速率的因素有哪些？P4下方(1)本征動(dòng)力學(xué)又稱為微觀動(dòng)力學(xué)，在無傳遞等工程因素影響時(shí)，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除了反應(yīng)本身的特性之外，只與各反應(yīng)組份的濃度、溫度、催化劑以及溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。(2)反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)又稱為宏觀動(dòng)力學(xué)，在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測得到的總反應(yīng)速率，其影響因素有：反應(yīng)器的形式與結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)與傳熱等。16、說明

8、反饋控制的概念，有哪些操作方式使用這種控制方式？P185在反饋控制流加中，常采用便于檢測的參數(shù)來推測細(xì)胞的濃度或者產(chǎn)物的積累，或者求出與細(xì)胞活性或代謝相關(guān)的參數(shù)，如耗氧速率以及呼吸商等，進(jìn)而對細(xì)胞反應(yīng)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。有：補(bǔ)料分批流加操作、連續(xù)操作等。17、說明空時(shí)與空速的概念，它們與反應(yīng)速率的關(guān)系如何？P133及PPT若反應(yīng)器體積為Vr,物料流入反應(yīng)器的體積流量為F,平均停留時(shí)間°=V/F,又稱為空間的時(shí)間，簡稱為空時(shí)。T越小，表示反應(yīng)器處理物料的能力越大，。的倒數(shù)，成為空間速度，常以Sv=7=F/Vr來表示反應(yīng)器體積單位時(shí)間內(nèi)所處理的物料量，空速越大，反應(yīng)器處理能力也越大。18

9、、以M-M動(dòng)力學(xué)為例，說明如何按空時(shí)最小化原則進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)？P144m=VR/F=(Cs-Cs0)/s,rs=maxCs/(ks+Cs)m=(Cs0-Cs)(ks+Cs)/rmaxCs計(jì)算題1、推導(dǎo)CSTR的空時(shí)計(jì)算式t=(x-cx0)/rxP143-144VRd=FGo-Cx)Vr&=0dF(Cx-ex。)=Vr&_VR_Cx-Cx0m=-=Frx其中，rx為Cx的函數(shù)。2、推導(dǎo)P185的pH恒定法流加的加料特性式P185(4-312)FSYX/BCOH,fFBYX/SCs,fFbYX/BCxCOH0-COHYx/b用Csf。-Csf_Fs一,一Yx/sFbCoh0-Co

10、hFb3、已知底物抑制酶反應(yīng)，rmax=2.2mol/(Lmin),Km=4.710-2mol/L,Ksi=0.3mol/L,加料流量F=100L/min,進(jìn)料底物濃度Cso=0.473mol/L,轉(zhuǎn)化率xs=0.90(1)設(shè)計(jì)一個(gè)CSTR+CPFR系統(tǒng)，計(jì)算其中CSTR的最小反應(yīng)器體積(作圖說明)(2)如采用循環(huán)式P22CPFR,試求出平推流反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)速率最大時(shí)的循環(huán)比XsCs。CSo0.473-CsS=0.900.473Cs=0.0473mol/hrmaxCs2.20.0473ss二二9kmCs(1Cs/ksL)4.710-20.0473(10.047300.3)=1.023Cs,ma

11、xVkmkSI-24.7100.3=0.119mol/lCx,max-Cx。Cs。-G,max二VrFVrLCs0-Cmax0.473-0.119=F-s0max=100=34.6L1.023(2)FFF一CSTR,cs1一CPFR一Cs0Cs1CsfRFrRFFFr=F(1R)FssRFcs=F(1R)Csi,1000.473R1000.0473=100(1R)0.119.R-4.944、某發(fā)酵過程，科=0.5G/(2+Cs)(h-1),Cs0=50.0g/L,Yx/s=0.6(1)設(shè)在一定體積V的單個(gè)CSTR中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、無細(xì)胞死亡的操作，求臨界稀釋率Dc、最大細(xì)胞生產(chǎn)率&max、最

12、佳稀釋率D°pt、底物轉(zhuǎn)化率Xs(2)如采用以上最優(yōu)加料速率，在反應(yīng)器后再串聯(lián)一個(gè)CSTR,并使最后Cs=1g/L,則求第2個(gè)反應(yīng)器的有效體積(3)如用反應(yīng)器總體積V的2個(gè)CSTR串聯(lián)系統(tǒng)，仍采用上述加料流量。試計(jì)算雙罐系統(tǒng)的臨界稀釋率，再證明雙罐系統(tǒng)的第一罐的體積須大于0.83VP148公式Dc=maxCs。/(ks+Cs。)=maxCs/(ks+Cs)=0.5Cs/(2+Cs)=0.5ks=2Dc=0.550寸2+50)=0.481/h,Dopt=F/Vr,ks2Dopt=max(1，.:s)=0.5(1-.)=0.402/h；ksCs0250rmax=Yx/s/max(.Cs0

13、ks-.ks)2=0.60.5(.502-.2)2=10.08g/(L*h)ksDopt20.4°Cs1=8g/Lmax-Dopt0.5-0.4xs_Cs0-CsCs0=0.84Cs2=1g/L(2) Cx1=Cx0+Yx/s(Cs0-Cs1)=25.2g/Lcx2=Cx1+Yx/s(Cs1+Cs2)=29.4g/LYX/S=(Cx-Cx0)/(Cs0-Cs1)YX/S=(Cx2-Cx1)/(Cs1-Cs2)g2=VR2/F=(Cx2-Cx1)/rx2rx2=maxCs2cs2/(ks+Cs2)Vr2=F(Cx2-Cx1)/rx2由(1)Dopt=F/VR1=F/VF=0.4VVr1

14、=VV=0.4V(29.4-25.2)/4.9=0.354V(3) Dc=Dc1=Dc2=|JmaxCs0/(ks+Cs0)D1<Dc<=>F/Vr1<0.48/hVri>F/0.48=0.4V0.48=0.83V故可得證5、某動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程，若采用機(jī)械攪拌反應(yīng)器，試確定最大允許的攪拌速度，所得的攪拌速度數(shù)值是否合理？若不合理，如何在此條件下避免細(xì)胞死亡？已知，細(xì)胞直徑為20dm,培養(yǎng)液運(yùn)動(dòng)黏度丫=1(6m2/s,密度p=1000kg/rri,反應(yīng)器有效體積Vr=2>0-3m3,攪拌器直徑d=0.07m,攪拌功率Np=1.5P213-214令入=2m=2火m0由入=(v+J4可知：