一用亞硫酸鈉氧化法測定氣液接觸過程的體積傳質系數

1、生物反應工程實驗講義及實驗報告班級： 學號： 姓名： 成績： 實驗一 游離酶與固定化酶酶學性質比較實驗目的：掌握測定酶動力學參數的實驗方法，作圖法計算酶動力學參數，掌握固定化酶的方法，以及固定化酶后動力學參數的變化。實驗原理： 要建立一個完整的酶動力學方程，必須要通過動力學實驗確定其動力學參數。對MM方程，就是要確定rmax和Km值。但直接應用MM方程求取動力學參數所遇到的主要困難在于該方程為一非線性方程。為此常將該方程加以線性化，通過作圖法直接求取動力學參數。通常有下述幾種作圖方法。LineweaverBurk法(簡稱L-B法)。將MM方程取其倒數得到下式： (1)以1rs對1Cs作圖可得一

2、直線，該直線斜率為Kmrmax，直線與縱軸交于1rmax，與橫軸交于一1Km。此法又稱雙倒數圖解法。HanesWoo1f法(簡稱HW法)。將式(1)兩邊均乘以Cs得到 (2)以Csrs對Cs作圖，得一斜率為1rmax的直線，直線與縱軸交點為Kmrmax，與橫軸交點為一Km。(3)EadieHofstee法(簡稱E-H法)。將MM方程重排為 （3）以rs對rsCs作圖，得一斜率為一Km的直線，它與縱鈾交點為rmax，與橫軸交點為rmaxKm。固定化酶亦稱固相酶或水不溶酶。它是通過物理或化學的方法使溶液酶轉變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內其運動受到完全約束、或受到局部約束的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它能以固

3、相狀態(tài)作用于底物進行催比反應。固定化酶的主要優(yōu)點是，在催化反應以后很容易從反應系統(tǒng)中分離出來，不僅固定化酶可以反復使用，而且產物不受污染容易精制，固定化后的酶大多數情況下其穩(wěn)定性增加，僅有少數的穩(wěn)定性下降，固定化酶有一定的形狀和一定的機械強度，可以裝填在反應器中長期使用，便于實現生產連續(xù)化和自動化。固定化酶的制備方法可分為吸附法、交聯法、共價法、包埋法四大類。如果固定化酶的動力學仍服從MM方程，則可通過動力學參數Km與rmax值的大小來反映酶在固定化前后活性的變化。儀器與試劑：分光光度計、水浴鍋、酸性磷酸酯酶、磷酸苯二鈉、酚標準液、碳酸鈉溶液、費林酚試劑、卡拉膠實驗步驟及數據記錄：1、酚標準曲

4、線的繪制。取9只試管，按照0-8的順序編號，0號為空白管。按照下表的過程進行操作：管號0123456780.4mmol/L酚標準液0 mL0.10.20.30.40.50.60.70.8蒸餾水10.90.80.70.60.50.40.30.21mol/L碳酸鈉溶液222222222費林酚試劑0.50.50.50.50.50.50.50.50.535顯色10minA6802、酶動力學參數的求取。取7只試管，按照0-6的順序編號，0號為空白管。按照下表的過程進行操作：管號01234565mmol/L磷酸苯二鈉溶液00.10.150.20.30.40.50.2mol/LpH5.6乙酸鹽緩沖液0.50

5、.40.450.30.20.10酶液0.50.50.50.50.50.50.535反應15min1mol/L碳酸鈉溶液2222222費林酚試劑0.50.50.50.50.50.50.535顯色10minA6803、酶固定化及動力學參數測定。稱取0.8g卡拉膠，溶解在20mL水中，加熱煮沸，冷卻到50-60。將在水浴鍋中保溫好的酶液5mL倒入，并攪拌均勻，冷卻，待完全固化后，用5%的KCl溶液浸泡30 min。將浸泡好的固定化酶取出，濾紙吸干，用小刀將其切成3×3mm的小塊。稱取固定化酶5g共6份，取6只50mL三角瓶，按照下表過程操作：三角瓶號0123455mmol/L磷酸苯二鈉溶液

6、0135790.2mol/LpH5.6乙酸鹽緩沖液1097531固定化酶55555535搖床反應15min1mol/L碳酸鈉溶液222222費林酚試劑0.50.50.50.50.50.535顯色10minA680實驗結果處理分析：繪制酚標準曲線計算游離酶動力學參數CsA680酚含量rs1/Cs1/rsCs /rsrs /Cs 計算固定化酶動力學參數CsA680酚含量rs1/Cs1/rsCs /rsrs /Cs 游離酶和固定化酶酶活力比較：游離酶方法L-BH-WE-H參數KmrmaxKmrmaxKmrmax固定化酶方法L-BH-WE-H參數KmrmaxKmrmaxKmrmax酶活回收率有效因子分

7、析和討論：1、 動力學參數作圖法求取的方法有那些？分別考慮其誤差來源。（預習時填寫）2、 固定化酶的方法有那些？本實驗中采用的方法是什么？有什么優(yōu)點？實驗二用亞硫酸鈉氧化法測定氣液接觸過程的體積傳質系數實驗目的：在非發(fā)酵情況下，用亞硫酸鈉氧化法來測定發(fā)酵罐通氣或攪拌時的體積傳質系數，從而考察通氣、攪拌等因素對發(fā)酵罐內氣液接觸過程的體積傳質系數的影響。儀器與試劑：1、 發(fā)酵罐（攪拌或氣升式）2、 碘量瓶3、 移液管（1mL）4、 燒杯（50mL、2000 mL）5、 0.1mol·L-1碘液6、 0.1 mol·L-1硫代硫酸鈉（Na2S2O3）溶液7、 無水亞硫酸鈉8、 硫

8、酸銅實驗原理亞硫酸鈉溶液，在銅或鈷離子作為催化劑的作用下，能與液相中的溶解氧迅速反應，使亞硫酸根離子氧化為硫酸根離子，其氧化反應速度在較大范圍內與亞硫酸根離子濃度無關。由于氧是較難溶解于水的氣體，因而氧的溶解速度要比液相中的氧的消耗速度慢的多，因此氧分子一經滲入液相，就立即被還原，所以可以認為，在整個實驗中，液相中的氧濃度可視為零，即有：在25及0.1MPa下，亞硫酸鈉溶液中，經測定C*=0.21mgO2·L-1。所以從上式可以看出，只要測得值，就可以計算出。實驗時，在攪拌罐中配制一定濃度的亞硫酸鈉溶液，其體積視發(fā)酵罐的大小而定；在攪拌通氣或通氣情況下，加入少量催化劑，計時，取不同時

9、刻的試樣與過量的碘溶液作用，多余的碘用表定過的硫代硫酸鈉來滴定，根據消耗的硫代硫酸鈉溶液的體積，可以計算出單位時間內氧的溶解量值。上述過程的反應式如下：實驗步驟：1、 發(fā)酵罐清洗，試運轉，（對氣升式發(fā)酵罐要確定其最佳裝液量）2、 裝罐實驗：準確稱取31.5g亞硫酸鈉，放置燒杯中，用1L水溶解，待亞硫酸鈉全部溶解后，倒入發(fā)酵罐中；準確稱取0.5g硫酸銅并溶解于少量水中，將硫酸銅溶液倒入發(fā)酵罐中；在室溫下，開動攪拌通氣或通氣攪拌，調節(jié)攪拌轉速n和通氣量Q；開始計時，每隔一定時間（5min）取樣1mL分析其中的亞硫酸鈉含量（取5個樣），測定其中的亞硫酸鈉含量。調節(jié)通氣量或攪拌轉速，重復上面的實驗，要

10、求改變實驗條件，做3個條件實驗。數據記錄：實驗結果記錄表時間(min)條件510152025轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：按照記錄數據進行繪圖： 數據處理：按照上面的數據，計算和條件轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：轉速：氣量：（ ）（ ）繪制轉速n和關系圖，或氣量Q和關系圖 分析和討論：3、 討論分析轉速、通氣量、亞硫酸鈉濃度等因素對發(fā)酵罐體積傳質系數的影響，如何根據測定數據計算氧消耗速率和體積傳質系數；（預習時填寫）4、 試分析實驗過程中的主要誤差來源，并提出今后實驗改進的意見。實驗三微生物反應器的反應性能試驗實驗目的：進

11、一步了解和掌握生物反應器BSTR和CSTR的反應性能，了解和掌握微生物菌體在反應器中生長的規(guī)律，并了解反應器的有關操作。實驗原理：間歇攪拌釜式反應器是一類常用的微生物反應器。其主要特征是分批進料和卸料，因此其操作試劑由兩部分組成：一是進行反應所需的時間，即開始進行反應直至達到所要求的反應程度為止所需的時間。由于攪拌的作用，反應器內的物料充分混合，濃度均勻，反應器內物系的組成僅隨反應時間而變。對于菌體濃度而言，隨著反應的進行，微生物菌體的濃度不斷增加，其菌體濃度變化的規(guī)律基本上符合Monod方程。連續(xù)攪拌釜式反應器也是一類微生物反應器，其反應性能和間歇反應器有明顯的不同。其主要特征是，反應物連續(xù)

12、穩(wěn)定地加入到反應器中，同時反應產物也連續(xù)穩(wěn)定地流出反應器，并保持反應體積不變。當反應器操作達到穩(wěn)定時，反應器內物系的組成不隨時間而變，同時由于反應器內的攪拌，使得物系在空間上達到充分混合，物系組成也不隨空間位置而變，此時反應器內物系的組成和反應器出口的組成相同。對應于一定的進料流量，反應器內的物系有一定的組成，對于菌體濃度而言，隨著流量的增大，菌體濃度變小，當進料流量達到一定值時，反應器內的菌體濃度可以為零，這時稱為反應器操作的洗出點。設備和試劑1、 微生物反應器2、 可見分光光度計3、 微型計量泵（蠕動泵）4、 酒精酵母種子培養(yǎng)液5、 葡萄糖實驗步驟：1、 反應培養(yǎng)基配制：培養(yǎng)基配方：葡萄糖

13、20g/L、硫酸銨4 g/L、蛋白胨5 g/L、磷酸二氫鉀1 g/L、硫酸鎂0.5 g/L、氯化鈣0.2 g/L、酵母膏1 g/L2、 反應器反應性能試驗：A：間歇反應試驗：加入一定體積的反應培養(yǎng)基，按10%的接種量加入酒精酵母種子液。30，控制一定的攪拌轉速和通氣量進行反應。每隔半小時，取一定量的反應液，測定其OD值。B：連續(xù)反應試驗：在間歇反應一定時間后，控制反應器內的反應體積在一較小值，在間歇反應條件下，用蠕動泵連續(xù)加入培養(yǎng)基，并控制出料閥門，使出料量等于進料量，以維持反應器內的液面位置不變，這時反應器在某一稀釋率下進行連續(xù)反應。當一定時間后連續(xù)反應達到穩(wěn)定時，取樣分析反應液的OD值。調

14、節(jié)進料流量和出料流量，使連續(xù)反應器在另一稀釋率下反應。流量的調節(jié)是從小到大，直至某一流量下反應器的操作達到洗出，完成試驗。分析方法：取5mL反應液，用水稀釋50mL，用水作為對比，在可見分光光度計上在540nm處測定其OD值。數據記錄：間歇實驗結果記錄表時間01.02.03.04.04.55.05.56.0CglucoseOD間歇實驗結果記錄表稀釋率0.40.60.830min40 min30min40 min30min40 minCglucoseOD數據處理：1、間歇反應菌體濃度隨時間變化的曲線和連續(xù)反應菌體濃度隨加料流量變化曲線， 2、根據圖中數據計算：(1h)(3h)(6h)maxKs分

15、析和討論：1、 間歇培養(yǎng)過程中遲滯期的長短如何調整？如何判斷連續(xù)培養(yǎng)中洗出點？（預習時填寫）2、經實驗數據可知，在連續(xù)培養(yǎng)過程中，什么情況下達到最佳稀釋率？洗出點的稀釋率為多少？實驗四停留時間分布的測定實驗目的：采用示蹤法測定反應器的停留時間分布，了解發(fā)酵罐內流體的混合特性，有利于發(fā)酵罐的設計和操作。實驗原理：停留時間分布理論不僅是化學反應和生化反應工程學科的置要組成部分，而且還廣泛用于吸收、萃取、蒸餾和結晶等分離過程與設備的設計及其模擬，以及其它涉及流動系統(tǒng)的領域。對于連續(xù)反應器，由于流體在系統(tǒng)中流速分布的不均勻、流體的分子擴散和湍流擴散、攪拌引起的強制對流，以及由于反應器的設計加工和安裝不

16、良而產生的死區(qū)、溝流和短路等原因，使得流體粒子在系統(tǒng)中的停留時間有長有短，有些物料過于很快離開了反應器，有些粒子則經歷很長的一般時間后才離開，停留時間分布更加復雜。物料粒子在反應器內的停留時間分布是一個隨機過程。對隨機過程可用描述概率分布的方法來描述物料粒子的停留時間分布，即停留時間分布密度函數和停留時間分布函數。停留時間分布的實驗測定方法是示蹤應答法，用示蹤劑跟蹤流體在系統(tǒng)內的停留時間。根據示蹤劑加入方式的不同，可分為脈沖法、階躍法和周期輸入法。其中：脈沖法是在設備內流體流動達到穩(wěn)定之后，在一短的時間內，在系統(tǒng)入口處向流進系統(tǒng)的流體加入一定量的示蹤劑，同時在出口處檢測流出物料中示蹤劑濃度隨時

17、間的變化。對于實驗中采集的離散型數據，可采用下式進行計算停留時間分布密度函數：階躍法是將系統(tǒng)中作穩(wěn)態(tài)流動的流體切換為流量相同的含有示蹤劑的流體，或者相反。前一種稱為升階法；后一種稱為降階法。階躍法與脈沖法的根本區(qū)別是前者連續(xù)向系統(tǒng)加入示蹤劑，一直到實驗測定結束，而后者則是在一段短的時間內加入全部示蹤劑。對于實驗中采集的離散型數據，可采用下式進行計算停留時間分布函數：儀器與試劑：1、 微生物反應器2、 可見分光光度計3、 微型計量泵（蠕動泵）4、 羅丹明B溶液（0.01g/mL）實驗步驟：一、脈沖法測定:1、測定蠕動泵流量，確定反應器內溶液體積（VR=30×V0）和反應器出口流量。2、

18、調節(jié)反應器出口流量，保持進出流量一致。3、待達到穩(wěn)態(tài)后，將0.01g/mL的羅丹明B溶液1mL迅速倒入，開始計時。4、每隔5min取樣測定光密度，總共測定2h。二、階躍法測定：1、清洗反應器后，在反應器中加入相同量清水，開啟攪拌（300r/min）。2、調節(jié)蠕動泵，保持進出流量一致。3、待達到穩(wěn)態(tài)后，將泵進口接到10-5g/mL的羅丹明B溶液中，待溶液剛滴入反應器時開始計時。4、每隔5min取樣測定光密度，總共測定2h。實驗記錄：脈沖法時間（min）510152025303540455055OD時間（min）6065707580859095100105110OD階躍法時間（min）510152025303540455055OD時間（min）6065707580859095100105110OD實驗結果處理與分析：繪制停留時間分布密度函數圖（脈沖法）和停留時間分布函數圖（階躍法） 通過脈沖法測定的數據計算分布密度函數、分布函數