生物反应器设计基础 ·化学计量基础 传质 生物反应的质量衡算 气-液传质 生物反应过程的得率系数 液体-微生物传质 生物学基础 传热 细胞数动力学 剪切力问题 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响
生物反应器设计基础 • 化学计量基础 • 生物反应的质量衡算 • 生物反应过程的得率系数 • 生物学基础 • 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学 • 环境因素对生长及代谢的影响 • 传质 • 气-液传质 • 液体-微生物传质 • 传热 • 剪切力问题
细胞反应过程特征 细胞反应过程系:以细胞为反应主体的一类生化反应过程。包 括微生物反应和动植物细胞培养过程 °细胞反应过程主要特性: (1)细胞是反应过程的主体 (2)细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系; (3)细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同: )酶催化反应为分子水平上的反应,酶本身不进 行再生产; (二)在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都 处于动态变化过程
细胞反应过程特征 细胞反应过程系：以细胞为反应主体的一类生化反应过程。包 括微生物反应和动植物细胞培养过程。 • 细胞反应过程主要特性： （1）细胞是反应过程的主体； （2）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系； （3）细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同： (一) 酶催化反应为分子水平上的反应，酶本身不进 行再生产； (二) 在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都 处于动态变化过程
生物反应的质量衡算 细胞反应的元素衡算: 营养物(C源、N源、O2、无机盐类等)→细胞+代谢产物(产物、CO2、HO等 CH1O+aNH3+bO2→Y6CH5OnN4(生物量 YCH OSN(产物)+cH2O+dCO2 对化学方程式进行元素衡算,得下列方程组: C: 1=Yb+Yp+d N grb+ tYp 2 O 1+2b= nyb sp tct 2d +3a Y t ry t 2c
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等） CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组： 生物反应的质量衡算 • 细胞反应的元素衡算： (2.1) H : 3 2 O : 1 2 2 N : C: 1 b p + = + + + = + + + = + = + + m a pY rY c b nY sY c d a qY tY Y Y d b p b p b p
CHnO+aNH3+bO2→Y6 CH O,N(生物量)+ YCH OSN(产物)+cH2O+dCO2 还原度y:某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如:NH3中氮、氢 的还原度为:N=3,H=1 细胞:yb=4+p-2n-3q 基质:y4=4+m-2l (2.2) 产物:yn=4+y-2s-3t 根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程: Ys-4b=Yrb+Prp yea rs rs Ys b 十c+E P E→)基质中传递到氧的有效电子数的分率; 5→进入细胞的有效电子数分率 5→进入胞外产物中有效电子数的分率
(2.2) 4 2 3 4 2 4 2 3 = + − − = + − = + − − y s t m l p n q p s b 产物： 基质： 细胞： CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程： s b Yb b Yp p − 4 = + s s p p s Yb b Y a 4 1 = + + = + + 1 b p • 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1 进入胞外产物中有效电子数的分率。 进入细胞的有效电子数分率； 基质中传递到氧的有效电子数的分率； → → → p b
细胞反应过程的得率系数 对基质的细胞得率Yxs 生成细胞的质量 消耗基质的质量-△S 对氧的细胞得率Yx 生成细胞的质量x XO 消耗氧的质量 △O 对碳的细胞得率YC =生成细胞量x细胞含碳量 MoX= 消耗基质的质量x基质含碳量(△Ssos 对基质的产物得率Y 生成代谢产物的质量△P PS=消耗基质的质量△S
细胞反应过程的得率系数 • 对基质的细胞得率Yx/s S x x − = ＝ 消耗基质的质量 生成细胞的质量 Y /s • 对氧的细胞得率Yx/o O x YX O − = ＝ 消耗氧的质量 生成细胞的质量 / • 对基质的产物得率Yp/s S P YP S − = ＝ 消耗基质的质量 生成代谢产物的质量 / • 对碳的细胞得率YC ( ) X S S X S X C Y S x Y / = − = ＝ 消耗基质的质量 基质含碳量 生成细胞量 细胞含碳量