第六章生物反应器中的传质过程

生物反应器的原理及深度研究生物反应器是一种重要的生物工程设备，常用于生物转化过程的控制和优化。

它利用微生物代谢产生的有机物质来加速物质转换的速度。

因此，在医药、食品、饮料、化工等行业，生物反应器被广泛应用。

本文将着重探讨生物反应器的原理和深度研究。

一、生物反应器的原理生物反应器是一种在控制条件下，根据微生物代谢活动进行转化的设备。

其基本原理是充分利用微生物的生长特性，通过调节物理化学条件来促进微生物的生长和代谢活动。

生物反应器包括生物反应器系统、传感器和控制器。

在生物反应器中，微生物将底物转化成终产物，同时释放出能量、水、气体等产物。

常见的微生物有细菌、酵母、真菌等。

在反应器中，微生物需要充分的生长环境，包括适宜的温度、PH值、营养液等因素。

此外，反应器还需要能够控制进料的流量、浓度、速度等因素的外部控制系统。

生物反应器的主要优点是控制精度高、反应速度快、转化效率高、产品品质好、操作简单等，因此成为了制造高附加值的生物材料和生物制品的首选设备。

二、生物反应器的深度研究生物反应器的深度研究主要包括反应器设计、传质过程和反应动力学等方面。

1. 反应器设计反应器设计是确定反应器放大的重要环节，包括反应器的尺寸、形状、材料、进出料口、控制系统等方面。

反应器的尺寸应根据反应所需的体积和微生物生长的物理环境来确定。

反应器选材需要考虑反应温度、环境影响、反应物质料等因素。

此外，反应器的进出料口和控制系统也需要根据反应条件和控制要求来设计。

2. 传质过程传质过程是生物反应器中重要的传输过程，主要涉及底物的传输和毒素的消除。

传质过程的要求是准确、快速地传输物料，同时不影响反应和微生物生长。

传质的最佳方案应根据底物和微生物特性进行优化。

3. 反应动力学反应动力学是描述反应过程的一般化学动力学原理，反应过程的关键特性是理解反应过程中物质转化速率和环境影响的变化规律。

反应动力学可以根据反应过程的反应物质和微生物的代谢特性进行模拟，建立模型来描述反应速率和微生物代谢过程中的关键参数，进而优化反应条件，提高反应效率。

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。

生物反应器过程中的传质和代谢机制研究生物反应器是利用微生物进行大规模生产的设备，是微生物工程领域的核心技术之一。

在生物反应器中，微生物通过代谢将原料转化为目标产物，而其中传质是影响代谢的重要因素之一。

一、传质机制传质是指物质在不同相之间的扩散、对流和反应等过程。

在生物反应器中，传质的主要方式是气相传质、液相传质和固体传质。

其中，液相传质是微生物生长、代谢和反应的主要过程之一。

液相传质可以分为对流传质和扩散传质两种方式。

对流传质是指溶液中存在浓度梯度时，溶液中的物质随着溶液的流动而传播扩散，这种传质方式常常被称为强化传质。

扩散传质则是指分子自发地从高浓度处向低浓度处运动，是液相传质的主要方式。

此外，流体的流动状态也会影响传质过程。

例如，液体的运动方式会改变流体内部的分子间距离和相对速度，从而影响传质效率。

二、代谢机制在生物反应器中，微生物通过代谢将原料转化为目标产物。

微生物的代谢过程可以分为两种类型：有氧代谢和无氧代谢。

有氧代谢指微生物在有氧条件下进行代谢反应。

在此过程中，微生物需要充分利用氧气进行呼吸，产生大量ATP能量来支持细胞活动。

有氧代谢产生的主要产物为水和二氧化碳。

此外，微生物在有氧代谢过程中，还会利用某些底物产生有用的物质。

例如，酵母在有氧条件下利用葡萄糖进行代谢反应，可以产生二氧化碳和酒精。

无氧代谢是指微生物在没有氧气的情况下进行代谢反应。

此时，微生物需要寻找其他的供能途径来提供充足的能量来支持细胞活动。

无氧代谢所产生的产物与有氧代谢有所不同，主要产物为酸、气体或者其他有机物质。

例如，某些厌氧细菌可以利用硫化氢或者二氧化碳来进行代谢反应。

在生物反应器中，通过确定合适的菌株和培养条件，可以充分控制微生物的代谢过程，从而最大化目标产物的生产。

三、总结生物反应器中的传质和代谢机制是微生物工程的基础，在工业生产中具有重要意义。

探究生物反应器中传质和代谢机制的研究，可以帮助我们更好地理解微生物在反应器中的生长和代谢过程，优化生产过程，提高产量和质量，实现可持续发展。

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。