环保设备原理课件01生物反应器设计基础.pptVIP

思考与练习 1.Monod方程是用于描述细胞生长的数学模型，其表达式及各个参数的意义是什么？应用前提条件是什么？ 2.PH对微生物的生长及代谢有哪些影响？ 3.气液传质过程中，氧从气象到微生物细胞内部的传递步骤有哪些? 4.常用的描述氧传递的模型有哪三种？ 5.请简述剪切力对于微生物培养过程的影响关系？包括细菌、酵母、丝状微生物。 6.请简述剪切对酶反应的影响关系？ Thank You! “ ” “ ” 第一篇 环境设备通用基础 生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。本章以生物反应器设计为基础，从而全面地认识生物反应器设计的主要目的和设计原理。 Chapter1 生物反应器设计基础 生物反应器是环保工程设备中重要的设备之一，它主要是用于微生物细胞的增殖或为生化反应提供适宜的生长环境的一类设备。生物反应器中的物质、能量和热量转换与反应器的结构和内部装置密切相关，换句话说，生物反应器的结构对生物反应的产品质量、收率(转化率)和能耗起到关键作用。在进行设计时需要考虑到反应器中的传质、传热、pH和温度等一系列因素，同时还需要考虑好氧、缺氧或者厌氧等条件。生物体时活体细菌，整个过程受到剪切力的影响，也可能发生凝聚成为颗粒，或者受到气体的影响。总之，在设计生物反应器的时候要以生物活性控制在最佳条件，降低总费用。 Chapter1 生物反应器设计基础 1. 1 生物反应器化学计量基础学 1. 2 生物反应器的生物学基础 1. 3 生物反应器的质量传递 1. 4 生物反应器的热量传递 1. 5 生物反应器的剪切力问题 1.1 生物反应器化学计量基础学 反应器内发生的反应过程的产率可根据质量守恒定律和能量守恒定律推导的公式进行计算，前者为化学计量法，后者为热力学法。 一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质和反应程度。 化学平衡式可表示为： 这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的产率，氮和氧的需求量分别用系数a和b表示，所产生的水和二氧化碳系数分别为c和d。 系数具体推导过程见课本。 1.1 生物反应器化学计量基础学 大量的证据显示，相对基质的得率与生长速率相关，这种关系与蛋白的变换、保持最佳的胞内pH、抗衡通过细胞膜的泄露的主动运输、无用的循环及运动所需要的能量相关。一般来说生成能量的基质部分一些与生长相关，一些与生长无关，其主要是取决于当前系统中存在的生物量大小。其始终处于一种平衡的状态。 基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要工具。在设计的过程中速率是进行人为预测的，而培养的过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。 1.2 生物反应器的生物学基础 一、细胞学动力学 细胞在分批间歇式培养的过程中，其生长过程主要分为了四个阶段，分别为停滞期、对数期、减数期以及衰退期。图为典型的生长曲线。 1.2 生物反应器的生物学基础 二、生长动力学方程 1. 无抑制的细胞生长动力学——Monod方程 早在1942年Monod就指出，在培养基中无抑制剂存在时，如果生长速率由于基质的耗尽而出现下降，则细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系为： 此方程被广泛的应用与大量的场合，但是此方程至使用与单一基质限制。也就是说除了一种生长限制基质外，其他的营养物质都是过量，都不会对微生物的生长造成伤害。 Ks的限定条件以及 推导见课本。 1.2 生物反应器的生物学基础 二、生长动力学方程 2. 其他生物动力学方程 Monod方程只是简单的描述了在生长慢、细胞浓度低情况下的基质限制生长。在这种环境下，生长率简单地与S相关。在高细胞数水平下，有毒代谢产物变得更重要。除Monod方程外，有其他几种方程可用于描述基质限制生长。如Blackman方程、Tessier方程、Moser方程和Contoi方程式。在有毒有害代谢产物积累时，很多的产物抑制模型都可以用于生物动力学的描述。但有一个半经验的逻辑方程应用比较广泛，如下所示： 1.2 生物反应器的生物学基础 三、产物形成动力学方程 代谢产物和蛋白质释放到生长培养基中会逐渐的使得代谢产物在培养基中进行富集，条件和培养机制的不同会使得最终释放到培养基中的代谢产物成分以及代谢产物的浓度发生不同的变化，但是这些代谢产物大致可以分为四大类，它们分别是： 1 2 3 4 1.2 生物反应器的生物学基础 三、产物形成动力学方