生物反应工程原理第三版课后答案贾士儒

1、简做题1、说明动物细胞培养反响器中流体剪切力的主要来源P210主要来源为：机械剪切力、气体搅拌剪切力2、说明固定化酶反响的模数的物理意义,它与那些变量与参数有关P103=外表浓度下的反响速率/内扩散速率=最大反响速率的特征值/最大内扩散速率的特征值一"级反响：i二:怖11=1(VP,SP,kV1,De)与内扩散速率、反响速率、内扩散阻力、对反响速率的限制程度、有效因子刀等有关,而内扩散的有效因子又和颗粒粒度、颗粒活性、孔隙率、孔径、反响温度等有关3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关P223,P2987-30,PPTP1图4、从反响器内物料混合的角度说明反响器放大过程中传递过程

2、特性的变化P235有流体流变特性、流体剪切作用、传质特性、氧的传递、质量传递5、说明生物反响器中对流体剪切力的估计参数有哪些P210通过混合,可使反响器中物料组成与温度、pH分布更趋于均匀,可强化反响体系的传质与传热,使细胞或颗粒保持悬浮状态(1)宏观混合：机械搅拌反响物流发生设备尺寸环流,物料在设备尺度上得到混合,对连续流动反响器即为返混(2)微观混合：物料微团尺度上的混合,反映了反响器内物料的聚集状态6、生物反响器操作选择补料分批培养的理由有哪些P131,P177(1)积分剪切因子ISF=AlUAx=2兀Ndd)(D(2)时均切变率单ve(3)最小湍流漩涡长度入7、说明临界溶氧浓度的生理学

3、意义P62,P219补料分批操作的特点是：可调节细胞反响过程环境中营养物质的浓度,一方面可预防某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制的现象；另一方面又可预防某些限制性营养成分在反应过程中被耗尽而影响细胞生长及产物形成.同时还可解除产物的反响抑制及葡萄糖的分解阻遏效应等.故在细胞反响过程中,实施流加操作可有效对反响过程加以限制,以提升反响过程的水平.8、说明得率系数的实质,它与哪些条件有关P42对于好氧微生物细胞反响,微生物细胞对于氧有一个最低的要求,将能满足微生物呼吸的最低氧浓度称为临界溶氧浓度,用Col,c表示.当溶氧浓度Col值较低时,即Col<Col,c,氧的比消耗速率qo2那么

4、随Col的升高而近似线性递增,细胞生长速率与溶氧浓度的关系可近似看作一级动力学关系,细胞生长将受氧浓度限制的影响；当Col>Col,c时,此时qo2不再随着COL的变化而变化,qo2=qO2,max,细胞生长速率与溶氧浓度无关.故对于好氧微生物细胞反响,为了消除氧限制的影响,应要求将反响液中溶氧浓度的水平限制在其临界值以上.9、对半连续操作方式,GadenIII类反响器是否适宜P70Gadenlll分类为非生长得率型产物,即生成产物与细胞生长无直接关系,产物为次级代谢产物,而半连续操作可以得到高密度细胞,可延长细胞生长稳定期的时间,适合次级代谢产物合成的特点,以提升其产量,所以该反响器适

5、合.10、举例说明应用生物反响工程的研究方法及原理P162有：CSTR与膜过滤组合的细胞循环系统,对废水的生物处理系统.原理：该过程由于活性污泥的沉降性能很好,很容易利用沉降的方法,将待处理水中的污泥进行浓缩,再返回反响器(曝气池)中,通过活性污泥大量循环的方法,来保持曝气池中的活性污泥浓度,解决了要求的废水处理量远大于活性污泥的比生长速率矛盾,这样既可以增加反响器的处理水平,又可以提升处理水的质量.11、可以实现拟稳态的操作方式有哪些PPT有：补料分批操作中的恒速流加,反复补料分批培养,反复流加,连续式操作.12、说明动物细胞培养反响器的设计原理PPT该反响器配有搅拌桨,其目的是为了混合均匀

6、.此外,反响器模拟了体内生长环境,在无菌、适温及丰富的营养条件下,使细胞生长高密度、大规模培养.13、说明固定化酶反响的Da准数的物理意义,它与哪些变量与参数有关P91Da=最大反响速率/最大传质速率Da=rmax/(kLaC)Da值可作为判断外扩散限制或反响限制的参数,Da=Da(rmax,Aa,5)14、说明由最小湍流漩涡长度判断剪切力对细胞造成损伤的原理.机械搅拌反响器中流体剪切力是否会对微生物细胞造成损伤P213在湍流条件下,流体的剪切作用与细胞所处环境的速度分布有关,导致细胞死亡与具有一定速度分布的漩涡的相对大小有关.当漩涡尺寸大于细胞尺寸时,细胞会随着流体一起运动,此时流体的流线与

7、细胞的流线之间速度差很小,细胞受到的剪切力较小,假设漩涡尺寸小于细胞尺寸,细胞受到较大的剪切力,进而受到损伤,而微生物有细胞壁的保护一般不会受损.15、说明本征(微观)动力学和宏观动力学的概念.影响宏观动力学速率的因素有哪些P4下方(1)本征动力学又称为微观动力学,在无传递等工程因素影响时,生物反响固有的速率.该速率除了反响本身的特性之外,只与各反响组份的浓度、温度、催化剂以及溶剂的性质有关,而与传递因素无关.(2)反响器动力学又称为宏观动力学,在一反响器内所观测得到的总反响速率,其影响因素有：反响器的形式与结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等.16、说明反响限制的概念,有哪些操作方

8、式使用这种限制方式P185在反响限制流加中,常采用便于检测的参数来推测细胞的浓度或者产物的积累,或者求出与细胞活性或代谢相关的参数,如耗氧速率以及呼吸商等,进而对细胞反响过程进行调节和控制.有：补料分批流加操作、连续操作等.17、说明空时与空速的概念,它们与反响速率的关系如何P133及PPT假设反响器体积为Vr,物料流入反响器的体积流量为F,平均停留时间°=V/F,又称为空间的时间,简称为空时.T越小,表示反响器处理物料的水平越大,.的倒数,成为空间速度,常以Sv=7=F/Vr来表示反响器体积单位时间内所处理的物料量,空速越大,反响器处理水平也越大.18、以M-M动力学为例,说明如何

9、按空时最小化原那么进行反响器的设计P144m=VR/F=(Cs-Cs0)/s,rs=maxCs/(ks+Cs)m=(Cs0-Cs)(ks+Cs)/rmaxCs计算题1、推导CSTR的空时计算式t=(x-cx0)/rxP143-144VRd=FGo-Cx)Vr&=0dF(Cx-ex.)=Vr&_VR_Cx-Cx0m=-=Frx其中,rx为Cx的函数.2、推导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-CohFb3、底物抑制酶反响,rm

10、ax=2.2mol/(Lmin),Km=4.710-2mol/L,Ksi=0.3mol/L,加料流量F=100L/min,进料底物浓度Cso=0.473mol/L,转化率xs=0.90(1)设计一个CSTR+CPFR系统,计算其中CSTR的最小反响器体积(作图说明)(2)如采用循环式P22CPFR,试求出平推流反响器进口反响速率最大时的循环比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,maxVkmkSI-24.7100.3

11、=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、某发酵过程,科=0.5G/(2+Cs)(h-1),Cs0=50.0g/L,Yx/s=0.6(1)设在一定体积V的单个CSTR中进行稳态、无细胞死亡的操作,求临界稀释率Dc、最大细胞生产率&max、最正确稀释率D°pt、底物

12、转化率Xs(2)如采用以上最优加料速率,在反响器后再串联一个CSTR,并使最后Cs=1g/L,那么求第2个反响器的有效体积(3)如用反响器总体积V的2个CSTR串联系统,仍采用上述加料流量.试计算双罐系统的临界稀释率,再证实双罐系统的第一罐的体积须大于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(.Cs0ks-.ks)2=0.60.5

13、(.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=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故可得证5、某动物细胞培养过程,假设采用机械搅拌反响器,试确定最大允许的搅拌速度,所得的搅拌速度数值是否合理假设不合理,如何在此条件下预防细胞死亡,细胞直径为20dm,培养液运动黏度丫=1(6m2/s,密度p=1000kg/rri,反响器有效体积Vr=2>0-3m3,搅拌器直径d=0.07m,搅拌功率Np=1.5P213-214令入=2m=2火m0由入=(v+J4可知：S=v