第6章生物反应器中的传质过程

十堰职业技术学院生物化工专业生物反应工程课程教学大纲(60-70学时）马俊林编一、《生物反应工程》课程的性质和任务《生物反应工程》是一门以生物学、化学工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。

生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。

根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。

生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。

生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。

二、《生物反应工程》课程的基本要求通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。

理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。

掌握微生物反应过程的质量和能量衡算；动植物细胞的生长模型与培养条件。

熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。

三、讲课内容1、绪论教学内容：生物反应工程研究的目的；生物反应工程学的形成与沿革；生物反应工程的研究内容与方法；生物反应动力学；生物反应器；生物反应过程的放大与缩小。

教学要求：熟练掌握生物反应工程的概念，生物反应工程的研究内容与方法；理解生物反应工程研究的目的；了解生物反应工程学科的形成与沿革，生物反应过程的放大与缩小。

教学重点：生物反应动力学和生物反应器。

教学建议：教学中注意和化学反应动力学及化学反应器进行比较。

2、酶促反应动力学教学内容：酶促反应动力学的特点；酶的基本概念；酶的稳定性及应用特点；酶和细胞的固定化技术；酶促反应的特征。

生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。

生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。

本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。

一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。

是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。

反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。

二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。

三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。

传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。

反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。

生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。

其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。

四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。

其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。

试题库结构章节 试题分布名词解释 数学表达式 简答题图形题推导题判断题 计算题合计第一章 0 0 9 0 0 0 0 9 第二章 0 0 11 0 0 0 2 13 第三章 1 3 9 3 11 4 2 33 第四章 1 11 6 7 1 11 14 51 第五章 3 1 7 8 2 0 13 34 第六章 6 0 6 2 0 0 0 14 第七章 2 2 2 2 0 0 13 21 第八章 0 0 36 0 0 0 2 38 合计 13 17 86 22 14 15 46 213一、名词解释[03章酶促反应动力学]酶的固定化技术：[04章微生物反应动力学]有效电子转移：[05章微生物反应器操作]流加式操作：连续式操作：分批式操作：[06章生物反应器中的传质过程]粘度：牛顿型流体：非牛顿型流体塑性流体假塑性流体胀塑性流体[07章生物反应器]返混：停留时间：二、写出下列动力学变量（参数）的数学表达式[03章酶促反应动力学]1. Da准数：2. 外扩散效率因子：3. 内扩散效率因子：[04章微生物反应动力学]1. 菌体得率：2. 产物得率：3. 菌体得率常数：4. 产物得率常数：5. 生长比速：6. 产物生成比速：7. 基质消耗比速：8. 生长速率：9. 产物生成速率：10. 基质消耗速率：11. 呼吸商：[05章微生物反应器操作]1. 稀释率：[07章生物反应器]1. 停留时间：2. 转化率：三、简答题：[01章绪论]1．什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2．生物反应工程研究的主要内容是什么？3．生物反应工程的研究方法有哪些？4．解释生物反应工程在生物技术中的作用。

5. 为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6. 何为系统生物学？7. 简述生化反应工程的发展史。

8. 如何理解加强“工程思维能力”的重要性。

9. 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？[02章生物反应工程的生物学与工程学基础]1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。

生物反应器的原理生物反应器是一种用于进行生物化学反应的设备，它可以提供理想的环境条件，以支持生物体的生长、代谢和产物合成。

生物反应器的原理涉及多种方面，包括传质、反应、能量转换等。

一、传质生物反应器中的传质是指底物和产物在反应器内部的传输过程。

传质过程包括传质阻力和传质速率两个方面。

传质阻力是指底物和产物在反应过程中的扩散阻力、溶解性以及质量转移的阻力。

传质阻力对于反应速率、底物利用率以及产物浓度均有重要影响，因此在设计和控制生物反应器时需要考虑传质过程。

传质速率是指底物和产物在反应器内部的传输速率，它受到反应器内部气体和液体流动的影响。

传质速率受到多种因素的影响，包括搅拌速度、反应器内部结构、底物浓度、温度等。

二、反应生物反应器的反应过程是指生物体在特定环境条件下进行代谢活动和产物合成的过程。

反应过程可以分为两个步骤，即生物体的生长和代谢。

生物体的生长是指在适宜的环境条件下，生物体通过吸收底物和营养物质进行新陈代谢并增加体积和数量的过程。

生物体的生长过程涉及到细胞生长、分裂、增殖等多种生物学过程。

生物体的代谢是指生物体通过酶、酶类和代谢途径进行的化学转化过程。

代谢过程中产生的底物和产物可以进一步作为反应物或产物参与反应。

三、能量转换生物反应器中的能量转换是指生物体在反应过程中能量的转化和利用。

能量转换包括吸热反应和放热反应两个方面。

吸热反应是指生物体在代谢过程中吸收能量的过程。

生物体通过吸收外界的热能来提供代谢活动所需的能量，进而促进生物体的生长和代谢。

放热反应是指生物体在代谢过程中释放能量的过程。

生物体在进行代谢活动时会放出热能，这些热能可以被利用来提供反应过程中的热能需求，例如保持反应器内部的恒温。

四、控制策略生物反应器的控制策略主要包括控制温度、pH值、溶氧量等。

这些参数对于反应速率、底物利用率和产物合成等都具有重要的影响。

温度的控制可以影响生物体的生长速率和产物合成速率。

不同的生物体对于温度的要求不同，因此在设计反应器时需要根据具体的生物体选取适当的温度范围，并通过控制加热或制冷来实现对温度的控制。

生物反应器中传质与反应的耦合研究生物反应器作为一种常见的生物技术设备，具有广泛的应用价值。

其中，传质与反应是生物反应器中非常重要的耦合过程，对于反应过程的控制和优化具有重要意义。

本文将在此基础上对生物反应器中传质与反应的耦合研究展开讨论。

1. 传质与反应的基本概念生物反应过程通常包括生物反应、代谢产物转移和营养物质供应三个阶段。

其中，传质是指物质在不同物质之间的传递过程，包括质量传递和能量传递两个方面。

反应是指化学物质在特定条件下发生化学变化的过程。

传质与反应在生物反应器中是紧密耦合的。

传质过程决定了物质在反应中的扩散速率和分布，进而影响反应速率和反应效果。

反过来，反应过程也会对传质起到反馈作用，使传递过程发生变化。

2. 生物反应器中传质与反应的耦合特点传质与反应在生物反应器中的耦合特点主要包括以下几个方面：（1）物质的浓度和流动速度决定了传质的速率和顺序，直接影响反应速率和质量转移。

（2）微生物体系的生长和代谢需要某些营养物质，而生成的代谢产物也会影响传质过程。

（3）反应的温度和pH值等条件都会影响反应过程和传质过程，从而影响反应效果。

（4）在反应器中，物质之间的相互作用会产生复杂的动力学效应，对传质和反应同时产生影响。

3. 生物反应器中传质与反应的实验设计在研究生物反应器中传质和反应的耦合过程时，需要进行实验设计。

一般可从以下几个方面入手：（1）优化反应器的设计：反应器设计时，应该尽可能地降低传质阻力，保证传质通畅。

同时，反应器的设计应该符合微生物生长和代谢的需要，以保证反应效果。

（2）优化营养物质供应：微生物生长和代谢需要各种营养物质，为了保证反应器中微生物的正常生长和代谢，需要优化营养物质的供应方式。

（3）优化反应器的操作条件：反应器操作时需要控制反应器的温度、pH、溶解氧等条件，以保证微生物代谢的正常进行。

（4）建立传质与反应的模型：建立物质传递和反应动力学模型，进行理论模拟和数值模拟，预测反应过程和传质过程的变化规律，为反应器的控制和优化提供依据。

《生化工程》学习指南一、课程性质生化工程，也称生物反应工程，是化学工程与生物技术的交叉学科，也是应用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科，是生物工程专业的一门核心课程。

该研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域。

二、学习方法《生化工程》是一门理论与工程实践相结合的应用基础课程。

它重点研究了酶反应动力学、细胞反应动力学、理想反应器模型、传质与传递过程以及反应器的选择、设计与放大，这些内容都是相互关联，有机结合的。

在学习过程中，要理解各种理想数学模型的原理和推导过程，重点考察物料平衡，注意培养逻辑推理能力，多想、多看，理解并记住一些经典理论方程。

另外，以工程放大的角度，从点到面，系统思考一个生物过程体系的方方面面。

三、各章学习指南本课程是学习如何将实验室的研究成果进行工业化开发的一门学科，是工程放大的基础。

本课程的模式和公式比较多，有些必须要记住，有些可以推导或了解一下。

第一章绪论主要内容：从青霉素、链霉素的发现及其工业化生产中引出现代发酵工程及产业，生化工程的研究进展重点：生化工程的定义，生物反应过程的特点难点：了解生化工程与化学工程之间的差别与共同点。

第二章均相酶催化反应动力学主要内容：包括酶反应的特征，可逆酶反应的动力学，影响酶反应的因素重点：酶促反应的影响因素，米氏方程表达式，Km的含义，L-B双倒数法测定参数，别构酶的Hill方程，pH的对酶动力学的影响及pK-pH关系。

难点：反应级数判定和计算理解快速平衡学说与稳态学说之间的区别，会用两种学说进行反应动力学推导掌握几种不同可逆抑制的原理及动力学推导，包括竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争抑制第三章固定化酶反应动力学主要内容：包括固定化酶反应动力学的特征，外扩散限制反应，内扩散限制反应。

重点：固定化酶的定义、优缺点，几种固定化酶的方法，外扩散限制下的酶反应速率与传质关系，内扩散限制条件下的φ（Thile）西勒模数的意义，如何减少内扩散限制的对酶动力学的影响。

第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。

一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。

工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。

6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。

1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。

一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。

1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。

3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。

4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。

5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。

6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。

生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科，它涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。

生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量，从而实现高效、可持续的生产。

在学习生物反应工程的过程中，课后习题是检验学生对知识掌握程度的重要方式。

下面是《生物反应工程第二版》课后习题的答案，供大家参考。

第一章：生物反应工程概述1. 生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科。

2. 生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量。

3. 生物反应工程涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。

第二章：微生物生长动力学1. 微生物生长动力学是研究微生物生长和代谢的数量关系的学科。

2. 在生物反应工程中，通常使用生长速率方程来描述微生物生长的动力学过程。

3. 常见的生长速率方程有Monod方程、麦克斯韦方程等。

第三章：反应器设计与操作1. 反应器是进行生物反应工程的核心设备，其设计与操作对反应过程的效果有重要影响。

2. 常见的反应器类型有批式反应器、连续流动反应器、气液循环反应器等。

3. 反应器的设计应考虑反应物的输送、温度、pH值等因素。

第四章：质量传递与传质过程1. 质量传递是指物质在反应器中的传输过程，包括物质的输送和扩散。

2. 传质过程对反应的速率和效果有重要影响，需要进行合理的设计和优化。

3. 常见的传质方式有对流传质、扩散传质等。

第五章：反应动力学与反应机理1. 反应动力学是研究反应速率与反应物浓度之间关系的学科。

2. 反应机理是指反应过程中发生的化学反应步骤和反应物之间的转化关系。

3. 反应动力学和反应机理的研究对于反应过程的优化和控制具有重要意义。

总结起来，生物反应工程是一门综合性学科，涉及到生物体的生理学、微生物学和化学工程学等多个学科的知识。

生物反应器中的生物传热技术探究随着工业的快速发展和科技的不断进步，人类对生命科学的研究也日益深入。

在许多生产过程中，通过利用生物制造的物质能够大幅度提高生产效率。

然而，生物过程和传统的化学工业生产过程不同，其反应过程受到生物体内环境的影响，包括温度、pH 值、营养物质等。

而传统化学工艺热量传递通常于一定压力下进行，其传热方式通常为通过换热器将蒸汽或其他流体送入反应器外侧，将反应器内部的物质进行升温、保温或冷却。

因此，为了更好地控制生物反应器中的温度、反应速率，生物反应器中的传热技术得到了广泛的关注和研究。

一、生物反应器中生物传热技术的概述在生物反应器中，生物体进行代谢过程所产生的热量，需要通过反应器的壁面传递出去，否则会引起反应器内部的温度变化，导致代谢活动受到影响，甚至会引发生物体的死亡。

为了更好地控制反应器温度，生物反应器中的传热技术成为一个研究的热点。

其中，常用的传热方式包括对换传热、辐射传热、导热传热等。

二、对换传热技术在生物反应器中的应用对换传热是生物反应器中应用最广泛的传热方式。

其原理是通过反应器的壁面和外部的流体进行热量交换，从而达到升温、保温或者冷却的目的。

对于传热过程的控制，通常是通过调节外部的流体流速、流量和温度来实现。

但对于一些在反应器内部生长较慢的微生物，其与反应器壁间的对流传质过程比较困难，在这种情况下，对换传热技术相对较差。

三、辐射传热技术在生物反应器中的应用辐射传热是一种基于辐射传热原理进行传热的技术，它的传热方式与对换传热技术不同，而主要是指反应器内生物体和反应器壁面之间的热量传递。

这种传热方式对于生物反应器中一些生长慢或集中在反应器壁面附近的微生物较为适用。

较好的情况下，还可以设计反应器内部的辐射反射面，从而增加反应物的吸收和辐射传热的能力。

四、导热传热技术在生物反应器中的应用导热传热是指通过反应器壳体内的传热设备，如径向翅片式散热器、管壳式换热器、内套管式反应器等当中导热传输的方式，在生物反应器中，通常应用于一些粘度较高的液体反应物，能够恰当提高反应速率。

生化反应器中氧气传递特性的研究随着现代医学和制药业的发展，对于生物反应器的需求也逐渐增加。

生物反应器的一个重要参数就是氧气传递特性。

研究生化反应器中氧气传递特性，对于生物反应器的性能优化和提高生产效率具有重要意义。

氧气在生物反应器中的传递过程主要有两个阶段：富集和扩散。

富集阶段是氧气从气相进入液相的过程，扩散阶段是氧气在液相中向生物细胞传递的过程。

因此，研究生化反应器中氧气的传递特性，需要从这两个方面去考虑。

首先来看氧气的富集过程。

在反应器中，气体的富集是通过气体在气液界面上的传递和液相中气泡的形成来实现的。

实验表明，在氧气流速和积液速度一定的情况下，液相深度越浅，气液界面积越大，氧气的传递速率越快。

此外，可通过控制罐内液位或添加表面活性剂等方式来提高气液传质速率。

因此，在设计生物反应器时，需要考虑到反应器的几何形状、液位控制以及表面活性剂的选择等方面，以保证氧气的富集速率。

其次，来看氧气在液相中的扩散过程。

氧气在液相中的扩散是由扩散系数和浓度梯度共同决定的。

研究表明，溶解氧在水中的扩散系数大约为 2.2×10^-5 cm2/s，而在液体中，扩散系数会受到温度、压力、溶剂和溶质的影响，因此需要考虑这些因素对氧气输运的影响。

此外，生物反应器中的微生物也会影响氧气的扩散。

微生物在生长和代谢过程中会产生流体力学和化学反应，这些反应会影响反应器中液相的流动状态和温度分布等，从而影响氧气的输运过程。

因此，需要对生物反应器中氧气扩散的影响因素进行全面深入的研究。

总的来说，生化反应器中氧气传递特性的研究涉及到多方面的因素，需要综合考虑实验设计和数据处理的问题。

此外，生物反应器的设计和优化需要充分运用相关的数学模型和计算方法，以提升反应器的生产效率和性能水平。

生物工程中的传热传质生物工程是以生命科学和工程学为基础，通过工程技术手段来解决生命科学中的问题，其中传热传质是生物工程中非常重要的一个方面。

传热传质在生物工程中被广泛应用，通过调节传热传质可以控制生物反应的进程和效果，达到优化工艺、提高产量和质量的目的。

传热传质的基本概念传热传质是指热量和物质在不同物体之间的传递过程。

其中传热是指热量在物体之间的传递，包括传导、对流和辐射三种方式。

传导是指热量通过两个接触物体之间的分子振动和传递，发生在物体内部，如铸造、加热、冷却等过程。

对流是指通过流体的运动传递热量的方式，包括自然对流和强制对流两种方式。

辐射是指通过电磁波传递热量的方式，如太阳辐射地球、炉壁辐射等。

传质是指物质在不同物体之间的传递过程，包括扩散、对流和传递三种方式。

扩散是指物质通过浓度差的驱动作用在物体内部的传递，如溶质的扩散、气体的透过等。

对流是指物质在流体运动下的传递，如水的流动中溶质的传递。

传递是指物质通过固体间的间隙传递，如气体传递。

在生物工程中，传热传质是一个非常重要的过程。

生物工程中常常需要将气体、液体或固体加热或冷却，或将溶解物或微生物在不同的介质之间传递。

传热传质的效果直接影响到生物反应的进程和效果。

生物反应过程中，传热传质的影响非常大。

在混合反应器中，气体、液体或固体的温度、浓度分布直接影响到反应物的扩散速度、反应速率和反应效果，而反应结果又反过来影响到传热传质过程，如反应产生的热量和溶解物浓度的变化又影响到传热传质的效果。

生物反应中传热传质的调控是优化反应效果的重要手段。

调节传热传质可以实现反应物的混合、溶解和扩散，改善反应速率和效果。

在生物反应器中，我们可以通过调节反应温度、流体的运动、物料的质量和传热介质的选择来控制反应过程的传热传质，在提高反应效率的同时保证反应的严格控制。

结语传热传质在生物工程中扮演着重要的角色，通过优化传热传质可以控制生物反应的进程和效果，达到优化工艺、提高产量和质量的目的。