生物反應(yīng)工程原理 第三版 課后答案 (賈士儒)

生物反應(yīng)工程原理第三版課后答案(賈士儒)生物反應(yīng)工程原理第三版課后答案(賈士儒)生物反應(yīng)工程原理第三版課后答案(賈士儒)V:1.0精細(xì)整理，僅供參考生物反應(yīng)工程原理第三版課后答案(賈士儒)日期：20xx年X月簡(jiǎn)答題1、說(shuō)明動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中流體剪切力的主要來(lái)源？P210主要來(lái)源為：機(jī)械剪切力、氣體攪拌剪切力2、說(shuō)明固定化酶反應(yīng)的Φ模數(shù)的物理意義，它與那些變量與參數(shù)有關(guān)？

P103Φ=表面濃度下的反應(yīng)速率/內(nèi)擴(kuò)散速率=最大反應(yīng)速率的特征值/最大內(nèi)擴(kuò)散速率的特征值一級(jí)反應(yīng)：Φ1=Φ1(VP，SP，kV1，De)Φ與內(nèi)擴(kuò)散速率、反應(yīng)速率、內(nèi)擴(kuò)散阻力、對(duì)反應(yīng)速率的限制程度、有效因子η等有關(guān)，而內(nèi)擴(kuò)散的有效因子又和顆粒粒度、顆?；钚?、孔隙率、孔徑、反應(yīng)溫度等有關(guān)3、哪些傳遞過(guò)程特性與流體流動(dòng)的微觀效應(yīng)有關(guān)？P223，P2987-30，PPTP1圖4、從反應(yīng)器內(nèi)物料混合的角度說(shuō)明反應(yīng)器放大過(guò)程中傳遞過(guò)程特性的變化？P235有流體流變特性、流體剪切作用、傳質(zhì)特性、氧的傳遞、質(zhì)量傳遞5、說(shuō)明生物反應(yīng)器中對(duì)流體剪切力的估計(jì)參數(shù)有哪些？P210通過(guò)混合，可使反應(yīng)器中物料組成與溫度、pH分布更趨于均勻，可強(qiáng)化反應(yīng)體系的傳質(zhì)與傳熱，使細(xì)胞或顆粒保持懸浮狀態(tài)(1)宏觀混合：機(jī)械攪拌反應(yīng)物流發(fā)生設(shè)備尺寸環(huán)流，物料在設(shè)備尺度上得到混合，對(duì)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器即為返混(2)微觀混合：物料微團(tuán)尺度上的混合，反映了反應(yīng)器內(nèi)物料的聚集狀態(tài)6、生物反應(yīng)器操作選擇補(bǔ)料分批培養(yǎng)的理由有哪些？P131，P177(1)積分剪切因子ISF=ΔμL/Δx=2πNd/(D-d)(2)時(shí)均切變率γave(3)最小湍流漩渦長(zhǎng)度λ7、說(shuō)明臨界溶氧濃度的生理學(xué)意義？P62，P219補(bǔ)料分批操作的特點(diǎn)是：可調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，一方面可避免某些營(yíng)養(yǎng)成分的初始濃度過(guò)高而出現(xiàn)底物抑制的現(xiàn)象；另一方面又可防止某些限制性營(yíng)養(yǎng)成分在反應(yīng)過(guò)程中被耗盡而影響細(xì)胞生長(zhǎng)及產(chǎn)物形成。同時(shí)還可解除產(chǎn)物的反饋抑制及葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)等。故在細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程中，實(shí)施流加操作可有效對(duì)反應(yīng)過(guò)程加以控制，以提高反應(yīng)過(guò)程的水平。8、說(shuō)明得率系數(shù)的實(shí)質(zhì)，它與哪些條件有關(guān)？P42對(duì)于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，微生物細(xì)胞對(duì)于氧有一個(gè)最低的要求，將能滿(mǎn)足微生物呼吸的最低氧濃度稱(chēng)為“臨界溶氧濃度”，用COL,C表示。當(dāng)溶氧濃度COL值較低時(shí)，即COL<COL,C，氧的比消耗速率qO2則隨COL的升高而近似線(xiàn)性遞增，細(xì)胞生長(zhǎng)速率與溶氧濃度的關(guān)系可近似看作一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，細(xì)胞生長(zhǎng)將受氧濃度限制的影響；當(dāng)COL>COL,C時(shí)，此時(shí)qO2不再隨著COL的變化而變化，qO2=qO2，max，細(xì)胞生長(zhǎng)速率與溶氧濃度無(wú)關(guān)。故對(duì)于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，為了消除氧限制的影響，應(yīng)要求將反應(yīng)液中溶氧濃度的水平控制在其臨界值以上。9、對(duì)半連續(xù)操作方式，GadenIII類(lèi)反應(yīng)器是否合適？P70GadenIII分類(lèi)為非生長(zhǎng)得率型產(chǎn)物，即生成產(chǎn)物與細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)直接關(guān)系，產(chǎn)物為次級(jí)代謝產(chǎn)物，而半連續(xù)操作可以得到高密度細(xì)胞，可延長(zhǎng)細(xì)胞生長(zhǎng)穩(wěn)定期的時(shí)間，適合次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的特點(diǎn)，以提高其產(chǎn)量，所以該反應(yīng)器適合。10、舉例說(shuō)明應(yīng)用生物反應(yīng)工程的研究方法及原理？P162有：CSTR與膜過(guò)濾組合的細(xì)胞循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)廢水的生物處理系統(tǒng)。原理：該過(guò)程由于活性污泥的沉降性能很好，很容易利用沉降的方法，將待處理水中的污泥進(jìn)行濃縮，再返回反應(yīng)器(曝氣池)中，通過(guò)活性污泥大量循環(huán)的方法，來(lái)保持曝氣池中的活性污泥濃度，解決了要求的廢水處理量遠(yuǎn)大于活性污泥的比生長(zhǎng)速率矛盾，這樣既可以增加反應(yīng)器的處理能力，又可以提高處理水的質(zhì)量。11、可以實(shí)現(xiàn)擬穩(wěn)態(tài)的操作方式有哪些？PPT有：補(bǔ)料分批操作中的恒速流加，反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)，反復(fù)流加，連續(xù)式操作。12、說(shuō)明動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理？PPT該反應(yīng)器配有攪拌槳，其目的是為了混合均勻。此外，反應(yīng)器模擬了體內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境，在無(wú)菌、適溫及豐富的營(yíng)養(yǎng)條件下，使細(xì)胞生長(zhǎng)高密度、大規(guī)模培養(yǎng)。13、說(shuō)明固定化酶反應(yīng)的Da準(zhǔn)數(shù)的物理意義，它與哪些變量與參數(shù)有關(guān)？P91Da=最大反應(yīng)速率/最大傳質(zhì)速率Da=rmax/(kLacζo)Da值可作為判斷外擴(kuò)散控制或反應(yīng)控制的參數(shù)，Da=Da(rmax，kLa，cζo)14、說(shuō)明由最小湍流漩渦長(zhǎng)度判斷剪切力對(duì)細(xì)胞造成損傷的原理。機(jī)械攪拌反應(yīng)器中流體剪切力是否會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞造成損傷？P213在湍流條件下，流體的剪切作用與細(xì)胞所處環(huán)境的速度分布有關(guān)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡與具有一定速度分布的漩渦的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)漩渦尺寸大于細(xì)胞尺寸時(shí)，細(xì)胞會(huì)隨著流體一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體的流線(xiàn)與細(xì)胞的流線(xiàn)之間速度差很小，細(xì)胞受到的剪切力較小，若漩渦尺寸小于細(xì)胞尺寸，細(xì)胞受到較大的剪切力，進(jìn)而受到損傷，而微生物有細(xì)胞壁的保護(hù)一般不會(huì)受損。15、說(shuō)明本征（微觀）動(dòng)力學(xué)和宏觀動(dòng)力學(xué)的概念。影響宏觀動(dòng)力學(xué)速率的因素有哪些？P4下方本征動(dòng)力學(xué)又稱(chēng)為微觀動(dòng)力學(xué)，在無(wú)傳遞等工程因素影響時(shí)，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除了反應(yīng)本身的特性之外，只與各反應(yīng)組份的濃度、溫度、催化劑以及溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)又稱(chēng)為宏觀動(dòng)力學(xué)，在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測(cè)得到的總反應(yīng)速率，其影響因素有：反應(yīng)器的形式與結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)與傳熱等。16、說(shuō)明反饋控制的概念，有哪些操作方式使用這種控制方式？P185在反饋控制流加中，常采用便于檢測(cè)的參數(shù)來(lái)推測(cè)細(xì)胞的濃度或者產(chǎn)物的積累，或者求出與細(xì)胞活性或代謝相關(guān)的參數(shù)，如耗氧速率以及呼吸商等，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。有：補(bǔ)料分批流加操作、連續(xù)操作等。17、說(shuō)明空時(shí)與空速的概念，它們與反應(yīng)速率的關(guān)系如何？P133及PPT若反應(yīng)器體積為VR，物料流入反應(yīng)器的體積流量為F，平均停留時(shí)間τ=VR/F，又稱(chēng)為空間的時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)為空時(shí)。Τ越小，表示反應(yīng)器處理物料的能力越大，τ的倒數(shù)τ-1成為空間速度，常以Sv=τ-1=F/VR來(lái)表示反應(yīng)器體積單位時(shí)間內(nèi)所處理的物料量，空速越大，反應(yīng)器處理能力也越大。18、以M-M動(dòng)力學(xué)為例，說(shuō)明如何按空時(shí)最小化原則進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)？P144∵τm=VR/F=(cs-cs0)/rs，rs=rmaxcs/(ks+cs)∴τm=(cs0-cs)(ks+cs)/rmaxcs計(jì)算題1、推導(dǎo)CSTR的空時(shí)計(jì)算式τ=(cx-cx0)/rxP143-144其中，rx為cx的函數(shù)。推導(dǎo)P185的pH恒定法流加的加料特性式(4-312)P185已知底物抑制酶反應(yīng)，rmax=2.2mol/(L·min)，Km=4.7×10-2mol/L，KSI=0.3mol/L，加料流量F=100L/min，進(jìn)料底物濃度cS0=0.473mol/L，轉(zhuǎn)化率xS=0.90設(shè)計(jì)一個(gè)CSTR+CPFR系統(tǒng)，計(jì)算其中CSTR的最小反應(yīng)器體積(作圖說(shuō)明)如采用循環(huán)式CPFR，試求出平推流反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)速率最大時(shí)的循環(huán)比P22(1)(2)FFF→CSTR，cs1→CPFR→Cs0cs1csf某發(fā)酵過(guò)程，μ=0.5CS/(2+CS)(h-1)，CS0=50.0g/L，YX/S=0.6(1)設(shè)在一定體積V的單個(gè)CSTR中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、無(wú)細(xì)胞死亡的操作，求臨界稀釋率DC、最大細(xì)胞生產(chǎn)率rx,max、最佳稀釋率Dopt、底物轉(zhuǎn)化率XS(2)如采用以上最優(yōu)加料速率，在反應(yīng)器后再串聯(lián)一個(gè)CSTR，并使最后CS=1g/L，則求第2個(gè)反應(yīng)器的有效體積(3)如用反應(yīng)器總體積V的2個(gè)CSTR串聯(lián)系統(tǒng)，仍采用上述加料流量。試計(jì)算雙罐系統(tǒng)的臨界稀釋率，再證明雙罐系統(tǒng)的第一罐的體積須大于0.83VP148公式 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/VRcx1=cx0+YX/S(cs0-cs1)=25.2g/Lcx2=cx1+YX/S(cs1+cs2)=29.4g/LYX/S=(cx-cx0)/(cs0-cs1)YX/S=(cx2-cx1)/(cs1-cs2)τm2=VR2/F=(cx2-cx1)/rx2rx2=μmaxcs2cs2/(ks+cs2)VR2=F(cx2-cx1)/rx2由(1)Dopt=F/VR1=F/V∴F=0.4V∴VR1=VV=0.4V×(29.4-25.2)/4.9=0.354VDc=Dc1=Dc2=μmaxcs0/(ks+cs0)D1<Dc<=>F/VR1<0.48/hVR1>F/0.48=0.4V×0.48=0.83V故可得證某動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程，若采用機(jī)械攪拌反應(yīng)器，試確定最大允許的攪拌速度，所得的攪拌速度數(shù)值是否合理若不合理，如何在此條件下避免細(xì)胞死亡

已知，細(xì)胞直徑為20μm，培養(yǎng)液運(yùn)動(dòng)黏度ν=10-6m2/s，密度ρ=1000kg/m3，反應(yīng)器有效體積VR=2×10-3m3，攪拌器直徑d=0.07m，攪拌功率NP=1.5P213-214令λ=2μm=2×10-5m由λ=(v3÷ε)1/4可知：ε=v3/λ4=(10-6)3/(2×10-5)4=