第4章 生物反应器的操作模型

生物反应器的建模与优化生物反应器是以微生物为基础的生化过程，可以用于生产很多有用的物质，比如酒精、酱油、醋、药品等等。

为了提高生产效率，我们需要对生物反应器进行建模和优化。

一、生物反应器的建模生物反应器的建模是指建立一个数学模型，用来描述反应器中微生物生长和代谢的过程。

在建模的过程中，需要考虑的因素包括微生物的生长速率、代谢产物的合成速率、底物的转化速率等等。

通常使用质量守恒和能量守恒来建立模型。

为了方便建模，可以假设反应器是个完全混合的容器，这样可以将反应器视为一个整体。

然后可以根据底物浓度、代谢物浓度和微生物数量等参数，建立动态数学模型，使用差分方程组求解。

二、生物反应器的优化生物反应器的优化是指通过调整反应器中的参数，来实现最大化生产效率的目的。

因为生物反应器的生化过程是非常复杂的，调整参数并不像化学反应器那么简单。

所以生物反应器的优化往往需要结合实验和模拟分析。

优化的方法包括进料策略的优化、微生物生长条件的调整、控制参数的设计等。

进料策略的优化可以通过控制进料浓度、进料时间和进料方式等参数，来实现最大化产量和最小化废品的目的。

微生物生长条件的调整包括温度、pH值、氧气供应等等，这些条件都会影响微生物的生长，调整这些参数可以提高生产效率。

控制参数的设计包括选择合适的反应器、设计控制系统等等，这些都需要结合实验和模拟分析。

三、生物反应器的应用生物反应器的应用非常广泛，涉及食品、医药、化工等多个领域。

其中，酿造业和制药业是最常见的应用领域。

在酿造业中，生物反应器可以用来酿造啤酒、葡萄酒、威士忌等酒类。

在制药业中，生物反应器可以用来生产抗生素、激素、酶等等药品。

生物反应器的应用也有一些局限，这主要与微生物的特性有关。

比如，有些微生物只能在特定的温度、pH值和氧气供应下生长，这就限制了反应器的应用范围。

另外，微生物的生长速率和代谢速率都是非常复杂的，建模和优化也面临着很大的挑战。

四、未来发展趋势生物反应器的建模和优化是一个不断发展的领域。

生物反应及反应器原理第一章序论1。

1 生物反应工程研究的目的1。

2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。

3.1生物反应动力学⏹1。

3.2 生物反应器⏹1。

3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。

1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。

1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。

2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。

1.2.1 酶的稳定性⏹2。

1.2.2 酶的应用特点2.1。

3 酶和细胞的固定化技术⏹2。

1。

3。

1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。

3。

2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。

3 固定化细胞的特性⏹2。

1.3。

4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。

2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。

生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。

2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。

主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。

3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。

.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。

理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。

第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。

什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。

生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。

传质和反应是其中重要的过程。

为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。

一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。

传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。

即Q=DΔC A。

传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。

生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。

二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。

其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。

麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。

在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。

一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。

伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。

在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。

二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。

三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。

因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。

在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。

在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。

因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。

生物反应器的模型及其应用生物反应器是一种能够控制、操控生物反应的容器。

它采用生物学、化学、物理学等多学科知识进行设计、建立及优化运行，可用于制药、食品、医疗等生产领域。

然而，如何在掌握生物反应反应机理的基础上，提高反应器的效率和稳定性，是生物工程领域所面临的重要课题。

而生物反应器的模型对于解决这一问题具有非凡的作用。

1. 生物反应器的模型生物反应器的模型指通过建立数学公式和物理方程式，模拟生物反应器中各种变量之间的相互作用关系。

基于生物学、化学和数学等几个学科的交叉应用，生物反应器的模型可以帮助实验者掌握反应器中各个参数的变化情况，如微生物数量、温度、氧气浓度等，从而为反应控制提供参考依据。

生物反应器的模型主要分为动力学模型和传质模型两种。

1.1 动力学模型动力学模型描述的是反应器中各组分浓度随时间的变化情况。

常见的动力学模型包括质量守恒模型、动态平衡模型、物质转移速率模型等。

在建立动力学模型时，需要确定反应机理中的反应步骤及动力学方程，通常需要考虑如反应速率、反应物浓度、微生物增殖等参数。

1.2 传质模型传质模型主要描述反应器中物质在相间传递的过程，如气液传质、气固传质、液固传质等。

传质模型主要关注反应器内物质传递速率，因此对于反应器物质传递性能的控制、优化具有重要作用。

常见的传质模型包括质量守恒模型、波纳菲模型等。

2. 生物反应器模型的应用生物反应器的模型应用可以分为两类：生产过程的模拟和反应器操作优化。

2.1 生产过程的模拟生产过程的模拟是指通过对反应器内各项参数的模拟计算，得出反应器中物质传递、生长、变化以及微生物生态系统的变化趋势等。

这种模拟计算可以为操作人员提供参考以制定操作方案，并对反应器的实际生产情况进行预测。

同时，针对不同的反应器和不同的实验条件，可以采用不同的模式进行模拟计算，提高生产过程的精度和效率。

2.2 反应器操作优化反应器操作优化是指通过在模拟计算的基础上对反应器进行优化改进，提高反应器的效率、降低发生的损失。

生物反应器的模型建立与仿真随着生物技术的不断发展，生物反应器已经成为生产和研究生物制品的重要工具。

生物反应器的设计和运行对于生产效率和产品质量的影响巨大。

因此，建立生物反应器的数学模型，进行反应器的建模和仿真是非常重要的。

生物反应器模型的构建，需要考虑到反应器内生物体系及其代谢，其生长和代谢调控过程以及进出口质量传递等多因素。

目前，主流的反应器模型主要分为动态模型和静态模型两种。

一、动态模型动态模型对生物反应器内的各个物质含量和反应速率进行了更加精细的分析和计算。

反应器内物质平衡方程、能量平衡方程和代谢过程模型是动态模型的三大核心。

其中，代谢过程模型是构建动态模型的关键。

代谢过程模型可以用不同的数学表达式来描述生物反应过程，其中最常用的模型包括酶动力学模型、物种平衡模型和细胞生长模型。

酶动力学模型是描述酶促反应的常用模型，可用于描述反应器内的代谢过程。

同时，酶动力学模型可以在不同的操作条件下研究反应器内代谢的转化速率和平衡状态，进而优化反应器运行参数。

例如，在生产环节中，可以通过酶动力学模型来确定最适宜的温度、pH值和浓度等工艺条件。

物种平衡模型是基于反应器内物质的平衡情况来展开的模型。

在生物反应器中，不同物种之间的相互作用会影响反应速率以及代谢过程。

物种平衡模型可以帮助我们了解不同物种之间的作用关系，为生产和研究生物制品提供理论基础。

细胞生长模型是描述微生物生长的重要模型。

反应器内细胞的生长是反应器内代谢过程中关键的环节。

细胞生长模型可以描述反应器内细胞的生长和分裂过程，以及不同物质对细胞生长的影响。

例如，在生产乳酸菌等微生物制品时，细胞生长模型可以帮助优化反应器的操作参数，以达到生产效率和产量的最大化。

二、静态模型静态模型是对反应器进行等效处理并建立对应的数学模型，通常简化了反应器内部不同物质参与的动态过程。

静态模型的主要优点是计算简单、易于实现，而且不受操作参数的影响。

静态模型应用于生物反应器的建模和优化，能够帮助我们快速而有效地评估反应器的性能。

生物反应器的建模与仿真生物反应器是一种将生物资料与化学反应相结合的设备，广泛应用于生化制药、环境治理、工业发酵等领域。

近年来，随着计算机技术的不断发展，生物反应器的建模与仿真成为了研究热点之一。

本文将主要讨论生物反应器的建模与仿真方面的内容。

一、生物反应器的基本原理生物反应器是一种复杂的设备，其基本原理是将有机物或无机物通过菌种的嫁接和菌落的增殖转化为有用的产品，同时产生CO2、水和微量的物质副产物。

生物反应器的工作过程主要包括四个阶段：菌种培养阶段、发酵阶段、分离提取阶段和产品生产阶段。

其中，发酵阶段是生物反应器最核心的环节。

二、生物反应器的建模生物反应器的建模是指将生化过程的复杂性简化，将其转换为数学模型的过程。

在生物反应器的建模中，主要采用的是质量平衡方程、能量平衡方程、反应动力学方程等数学模型。

1. 质量平衡方程生物反应器的质量平衡方程主要涉及峰值菌群（Peak Microbial Population，PMP）和生物产物的浓度。

该方程主要是应用由纳维-斯托克斯方程中推导出的持续阻尼（Stokes drag）的基本原理，换而言之就是物质对于空气吸附和扩散的速度以及反应通道的复杂性。

2. 能量平衡方程生物反应器的能量平衡方程主要涉及温度、压力和时间的变量。

在这种方程中，温度和化学活性的计量单位则被确定为焓（Enthalpy）。

能量平衡方程的另一个重要因素是良性生物产物的产生速率，包括需求量和供应量。

3. 反应动力学方程生物反应器的反应动力学方程主要涉及微生物的生长，以及生物代谢和分子间相互作用的过程。

在这种方程中，主要通过一些统计学方法来确定微生物生长的分布。

三、生物反应器的仿真生物反应器的仿真是指将已经建立起的生物反应器的模型应用于计算机或其他数学工具进行仿真的过程。

在生物反应器的仿真过程中，主要需要确定输入参数和控制变量，模拟生物反应器的工作过程，并对其进行分析和评估。

在生物反应器的仿真中，主要采用的是有限元法、有限差分法、蒙特卡洛方法等数值模拟方法。