生物反应工程原理 第三版 课后答案（贾士儒）

简答题

1、说明动物细胞培养反应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、说明固定化酶反应的Φ模数的物理意义，它与那些变量与参数有关？ P103

Φ = 表面浓度下的反应速率 / 内扩散速率

= 最大反应速率的特征值 / 最大内扩散速率的特征值 一级反应：Φ1=VPSPkV1 Φ1 = Φ1 (VP，SP，kV1，De) DeΦ与内扩散速率、反应速率、内扩散阻力、对反应速率的限制程度、有效因子η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、反应温度等有关

3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关？ P223，P298 7-30，PPT P1图

4、从反应器内物料混合的角度说明反应器放大过程中传递过程特性的变化？ 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、说明生物反应器中对流体剪切力的估计参数有哪些？ P210

通过混合，可使反应器中物料组成与温度、pH分布更趋于均匀，可强化反应体系的传质与传热，使细胞或颗粒保持悬浮状态

(1) 宏观混合：机械搅拌反应物流发生设备尺寸环流，物料在设备尺度上得到混合，对连续流动反应器即为返混

(2) 微观混合：物料微团尺度上的混合，反映了反应器内物料的聚集状态

6、生物反应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 = ΔμL / Δx = 2πNd / (D-d) (2) 时均切变率 γave (3) 最小湍流漩涡长度λ

7、说明临界溶氧浓度的生理学意义？ P62，P219

补料分批操作的特点是：可调节细胞反应过程环境中营养物质的浓度，一方面可避免某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制的现象；另一方面又可防止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馈抑制及葡萄糖的分解阻遏效应等。故在细胞反应过程中，实施流加操作可有效对反应过程加以控制，以提高反应

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应，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则随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应，为了消除氧限制的影响，应要求将反应液中溶氧浓度的水平控制在其临界值以上。

9、对半连续操作方式，Gaden III类反应器是否合适？ P70

GadenIII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，以提高其产量，所以该反应器适合。

10、举例说明应用生物反应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，再返回反应器(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，这样既可以增加反应器的处理能力，又可以提高处理水的质量。

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应器的设计原理？ PPT

该反应器配有搅拌桨，其目的是为了混合均匀。此外，反应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、说明固定化酶反应的Da准数的物理意义，它与哪些变量与参数有关？ P91

Da = 最大反应速率 / 最大传质速率 Da = rmax / (kLacζo)

Da值可作为判断外扩散控制或反应控制的参数，Da = Da(rmax，kLa，cζo)

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。机械搅拌反应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，此时流体的流线与细胞的流线之间速度差很小，细胞受到的剪切力较小，若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，生物反应固有的速率。该速率除了反应本身的特性之外，只与各反应组份的浓度、温度、催化剂以及溶剂的性质有关，而与传递因素无关。

(2) 反应器动力学又称为宏观动力学，在一反应器内所观测得到的总反应速率，其影响因素有：反应器的形式与结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

16、说明反馈控制的概念，有哪些操作方式使用这种控制方式？ P185

在反馈控制流加中，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，进而对细胞反应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，它们与反应速率的关系如何？ P133 及 PPT

若反应器体积为VR，物料流入反应器的体积流量为F，平均停留时间τ=VR / F，又称为空间的时间，简称为空时。Τ越小，表示反应器处理物料的能力越大，τ的倒数τ-1成为空间速度，常以Sv = τ-1 = F / VR来表示反应器体积单位时间内所处理的物料量，空速越大，反应器处理能力也越大。

18、以M-M动力学为例，说明如何按空时最小化原则进行反应器的设计？ P144

∵ τm = VR / F = (cs-cs0) / rs，rs = rmaxcs / (ks+cs) ∴ τm = (cs0-cs)(ks+cs) / rmaxcs

计算题

1、推导CSTR的空时计算式 τ = (cx-cx0) / rx P143-144

VRdcx?F(cx0?cx)?VRrx?0d?

?F(cx?cx0)?VRrx??m?VRcx?cx0?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 (4-312) P185

FSYX/BcOH,f?FBYX/Scs,fYX/B?YX/S?rcX?xcOH0?cOHFBcxr??xcsf0?csfrs

YX/BFScsf0?csfF?,?SYX/SFBcOH0?cOHFB

3、已知底物抑制酶反应，rmax = 2.2 mol/(L·min)，Km = 4.7×10-2 mol/L，KSI = 0.3 mol/L，加料流量F = 100 L/min，进料底物浓度cS0 = 0.473 mol/L，转化率xS = 0.90

(1) 设计一个CSTR+CPFR系统，计算其中CSTR的最小反应器体积(作图说明) (2) 如采用循环式CPFR，试求出平推流反应器进口反应速率最大时的循环比 P22 (1)

XS?CS0?CSCS0?0.473?CS?0.900.473?CS?0.0473mol/hrss?rmaxcs2.2?0.0473??1.023-2km?cs(1?cs/kSL)4.7?10?0.0473?(1?0.0473?0.3)-2cs,max?kmkSI?4.7?10?0.3?0.119mol/l??m?cx,max?cx0rx?cs0?cs,maxrss?VRF

?VR?Fcs0?cmax0.473-0.119?100??34.6Lrss1.023 (2)

F F F → CSTR，cs1 → CPFR → Cs0 cs1 csf

FrFF?Fr?F(1?R)R?Fss?RFcs?F(1?R)cSI?R?4.94

4、某发酵过程，μ = 0.5CS / (2+CS) (h-1)，CS0 = 50.0 g/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rx,max、最佳稀释率Dopt、底物转化率XS

(2) 如采用以上最优加料速率，在反应器后再串联一个CSTR，并使最后CS = 1g/L，则求第2个反应器的有效体积

(3) 如用反应器总体积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，再证明双罐系统的第一罐的体积须大于0.83V P148 公式 (1) Dc = μmaxcs0 / (ks+cs0)

μ=μmaxcs / (ks+cs)=0.5cs / (2+cs) ∴μ=0.5，ks=2 ∴Dc = 0.5×50÷(2+50)=0.481/h，Dopt = F/VR

?100?0.473?R?100?0.0473?100(1?R)?0.119Dopt??max(1?ks2)?0.5?(1-)?0.402/hks?cs02?502?0.4?8g/L0.5-0.4rmax?YX/S?max(cs0?ks-ks)2?0.6?0.5?(50?2-2)2?10.08g/(L?h)cs1?xs?ksDopt?max-Dopt?

cs0?cs?0.84cs0cs2?1g/L(2) cx1 = cx0+YX/S(cs0-cs1) = 25.2g/L cx2 = cx1+YX/S(cs1+cs2) = 29.4g/L

YX/S = (cx-cx0) / (cs0-cs1) YX/S = (cx2-cx1) / (cs1-cs2)

τm2 = VR2 / F = (cx2-cx1) / rx2 rx2 = μmaxcs2cs2 / (ks+cs2) VR2 = F(cx2-cx1)/rx2

由(1) Dopt = F/VR1 = F/V ∴F = 0.4V ∴VR1 = V V = 0.4V×(29.4-25.2) / 4.9 = 0.354V (3) Dc = Dc1 = Dc2 =μmaxcs0 / (ks+cs0)

D1 < Dc <=> F / VR1 < 0.48/h

VR1 > F/0.48 =0.4V×0.48 = 0.83V 故可得证

5、某动物细胞培养过程，若采用机械搅拌反应器，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？若不合理，如何在此条件下避免细胞死亡？

已知，细胞直径为20μm，培养液运动黏度 ν = 10-6m2/s，密度 ρ = 1000 kg/m3，反应器有效体积VR =2×10-3m3，搅拌器直径 d = 0.07m，搅拌功率NP = 1.5 P213-214

令λ = 2μm = 2×10-5m 由λ = (v3÷ε)1/4

可知：ε= v3/λ4 = (10-6)3/(2×10-5)4 = 6.25m2/s3 搅拌桨功率：p = ερd3 = 6.25×1000×0.073 = 2.144W 由P = NpρcN3d5可得： N3 = P/(Npρcd5) = 2.144÷(1.5×1000×0.0755) = 850.4/s N = 17.05 rad/s = 1023r/min 解得：N = 9.47/s = 568.5r/min 不合理

无气泡则合理，机械搅拌并非起剪切力的真正作用，若有气泡则降速 可添加微载体，降低搅拌速度。

VR1 > F/0.48 =0.4V×0.48 = 0.83V 故可得证

5、某动物细胞培养过程，若采用机械搅拌反应器，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？若不合理，如何在此条件下避免细胞死亡？

已知，细胞直径为20μm，培养液运动黏度 ν = 10-6m2/s，密度 ρ = 1000 kg/m3，反应器有效体积VR =2×10-3m3，搅拌器直径 d = 0.07m，搅拌功率NP = 1.5 P213-214

令λ = 2μm = 2×10-5m 由λ = (v3÷ε)1/4

可知：ε= v3/λ4 = (10-6)3/(2×10-5)4 = 6.25m2/s3 搅拌桨功率：p = ερd3 = 6.25×1000×0.073 = 2.144W 由P = NpρcN3d5可得： N3 = P/(Npρcd5) = 2.144÷(1.5×1000×0.0755) = 850.4/s N = 17.05 rad/s = 1023r/min 解得：N = 9.47/s = 568.5r/min 不合理

无气泡则合理，机械搅拌并非起剪切力的真正作用，若有气泡则降速 可添加微载体，降低搅拌速度。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a6wt.html