一用亞硫酸鈉氧化法測(cè)定氣液接觸過程的體積傳質(zhì)系數(shù)

1、生物反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)講義及實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 成績(jī)： 實(shí)驗(yàn)一 游離酶與固定化酶酶學(xué)性質(zhì)比較實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諟y(cè)定酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，作圖法計(jì)算酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)，掌握固定化酶的方法，以及固定化酶后動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)原理： 要建立一個(gè)完整的酶動(dòng)力學(xué)方程，必須要通過動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。對(duì)MM方程，就是要確定rmax和Km值。但直接應(yīng)用MM方程求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)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(dòng)力學(xué)參數(shù)。通常有下述幾種作圖方法。LineweaverBurk法(簡(jiǎn)稱L-B法)。將MM方程取其倒數(shù)得到下式： (1)以1rs對(duì)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(shù)圖解法。HanesWoo1f法(簡(jiǎn)稱HW法)。將式(1)兩邊均乘以Cs得到 (2)以Csrs對(duì)Cs作圖，得一斜率為1rmax的直線，直線與縱軸交點(diǎn)為Kmrmax，與橫軸交點(diǎn)為一Km。(3)EadieHofstee法(簡(jiǎn)稱E-H法)。將MM方程重排為 （3）以rs對(duì)rsCs作圖，得一斜率為一Km的直線，它與縱鈾交點(diǎn)為rmax，與橫軸交點(diǎn)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(xué)的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內(nèi)其運(yùn)動(dòng)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(jìn)行催比反應(yīng)。固定化酶的主要優(yōu)點(diǎn)是，在催化反應(yīng)以后很容易從反應(yīng)系統(tǒng)中分離出來，不僅固定化酶可以反復(fù)使用，而且產(chǎn)物不受污染容易精制，固定化后的酶大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加，僅有少數(shù)的穩(wěn)定性下降，固定化酶有一定的形狀和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可以裝填在反應(yīng)器中長(zhǎng)期使用，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動(dòng)化。固定化酶的制備方法可分為吸附法、交聯(lián)法、共價(jià)法、包埋法四大類。如果固定化酶的動(dòng)力學(xué)仍服從MM方程，則可通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)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(jì)、水浴鍋、酸性磷酸酯酶、磷酸苯二鈉、酚標(biāo)準(zhǔn)液、碳酸鈉溶液、費(fèi)林酚試劑、卡拉膠實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)記錄：1、酚標(biāo)準(zhǔn)曲

4、線的繪制。取9只試管，按照0-8的順序編號(hào)，0號(hào)為空白管。按照下表的過程進(jìn)行操作：管號(hào)0123456780.4mmol/L酚標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)林酚試劑0.50.50.50.50.50.50.50.50.535顯色10minA6802、酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求取。取7只試管，按照0-6的順序編號(hào)，0號(hào)為空白管。按照下表的過程進(jìn)行操作：管號(hào)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(yīng)15min1mol/L碳酸鈉溶液2222222費(fèi)林酚試劑0.50.50.50.50.50.50.535顯色10minA6803、酶固定化及動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)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(hào)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(yīng)15min1mol/L碳酸鈉溶液222222費(fèi)林酚試劑0.50.50.50.50.50.535顯色10minA680實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理分析：繪制酚標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算游離酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)CsA680酚含量rs1/Cs1/rsCs /rsrs /Cs 計(jì)算固定化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)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(shù)KmrmaxKmrmaxKmrmax固定化酶方法L-BH-WE-H參數(shù)KmrmaxKmrmaxKmrmax酶活回收率有效因子分

7、析和討論：1、 動(dòng)力學(xué)參數(shù)作圖法求取的方法有那些？分別考慮其誤差來源。（預(yù)習(xí)時(shí)填寫）2、 固定化酶的方法有那些？本實(shí)驗(yàn)中采用的方法是什么？有什么優(yōu)點(diǎn)？實(shí)驗(yàn)二用亞硫酸鈉氧化法測(cè)定氣液接觸過程的體積傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸诜前l(fā)酵情況下，用亞硫酸鈉氧化法來測(cè)定發(fā)酵罐通氣或攪拌時(shí)的體積傳質(zhì)系數(shù)，從而考察通氣、攪拌等因素對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)氣液接觸過程的體積傳質(zhì)系數(shù)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(shí)驗(yàn)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(yīng)，使亞硫酸根離子氧化為硫酸根離子，其氧化反應(yīng)速度在較大范圍內(nèi)與亞硫酸根離子濃度無關(guān)。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(jīng)滲入液相，就立即被還原，所以可以認(rèn)為，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jīng)測(cè)定C*=0.21mgO2·L-1。所以從上式可以看出，只要測(cè)得值，就可以計(jì)算出。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jì)時(shí)，取不同時(shí)

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(jù)消耗的硫代硫酸鈉溶液的體積，可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)氧的溶解量值。上述過程的反應(yīng)式如下：實(shí)驗(yàn)步驟：1、 發(fā)酵罐清洗，試運(yùn)轉(zhuǎn)，（對(duì)氣升式發(fā)酵罐要確定其最佳裝液量）2、 裝罐實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)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(zhǔn)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(dòng)攪拌通氣或通氣攪拌，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速n和通氣量Q；開始計(jì)時(shí)，每隔一定時(shí)間（5min）取樣1mL分析其中的亞硫酸鈉含量（取5個(gè)樣），測(cè)定其中的亞硫酸鈉含量。調(diào)節(jié)通氣量或攪拌轉(zhuǎn)速，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，要

10、求改變實(shí)驗(yàn)條件，做3個(gè)條件實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表時(shí)間(min)條件510152025轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：按照記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖： 數(shù)據(jù)處理：按照上面的數(shù)據(jù)，計(jì)算和條件轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：轉(zhuǎn)速：氣量：（ ）（ ）繪制轉(zhuǎn)速n和關(guān)系圖，或氣量Q和關(guān)系圖 分析和討論：3、 討論分析轉(zhuǎn)速、通氣量、亞硫酸鈉濃度等因素對(duì)發(fā)酵罐體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，如何根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算氧消耗速率和體積傳質(zhì)系數(shù)；（預(yù)習(xí)時(shí)填寫）4、 試分析實(shí)驗(yàn)過程中的主要誤差來源，并提出今后實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意見。實(shí)驗(yàn)三微生物反應(yīng)器的反應(yīng)性能試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)

11、一步了解和掌握生物反應(yīng)器BSTR和CSTR的反應(yīng)性能，了解和掌握微生物菌體在反應(yīng)器中生長(zhǎng)的規(guī)律，并了解反應(yīng)器的有關(guān)操作。實(shí)驗(yàn)原理：間歇攪拌釜式反應(yīng)器是一類常用的微生物反應(yīng)器。其主要特征是分批進(jìn)料和卸料，因此其操作試劑由兩部分組成：一是進(jìn)行反應(yīng)所需的時(shí)間，即開始進(jìn)行反應(yīng)直至達(dá)到所要求的反應(yīng)程度為止所需的時(shí)間。由于攪拌的作用，反應(yīng)器內(nèi)的物料充分混合，濃度均勻，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成僅隨反應(yīng)時(shí)間而變。對(duì)于菌體濃度而言，隨著反應(yīng)的進(jìn)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(yīng)器也是一類微生物反應(yīng)器，其反應(yīng)性能和間歇反應(yīng)器有明顯的不同。其主要特征是，反應(yīng)物連續(xù)

12、穩(wěn)定地加入到反應(yīng)器中，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)穩(wěn)定地流出反應(yīng)器，并保持反應(yīng)體積不變。當(dāng)反應(yīng)器操作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成不隨時(shí)間而變，同時(shí)由于反應(yīng)器內(nèi)的攪拌，使得物系在空間上達(dá)到充分混合，物系組成也不隨空間位置而變，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)物系的組成和反應(yīng)器出口的組成相同。對(duì)應(yīng)于一定的進(jìn)料流量，反應(yīng)器內(nèi)的物系有一定的組成，對(duì)于菌體濃度而言，隨著流量的增大，菌體濃度變小，當(dāng)進(jìn)料流量達(dá)到一定值時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的菌體濃度可以為零，這時(shí)稱為反應(yīng)器操作的洗出點(diǎn)。設(shè)備和試劑1、 微生物反應(yīng)器2、 可見分光光度計(jì)3、 微型計(jì)量泵（蠕動(dòng)泵）4、 酒精酵母種子培養(yǎng)液5、 葡萄糖實(shí)驗(yàn)步驟：1、 反應(yīng)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(yīng)器反應(yīng)性能試驗(yàn)：A：間歇反應(yīng)試驗(yàn)：加入一定體積的反應(yīng)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(zhuǎn)速和通氣量進(jìn)行反應(yīng)。每隔半小時(shí)，取一定量的反應(yīng)液，測(cè)定其OD值。B：連續(xù)反應(yīng)試驗(yàn)：在間歇反應(yīng)一定時(shí)間后，控制反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)體積在一較小值，在間歇反應(yīng)條件下，用蠕動(dòng)泵連續(xù)加入培養(yǎng)基，并控制出料閥門，使出料量等于進(jìn)料量，以維持反應(yīng)器內(nèi)的液面位置不變，這時(shí)反應(yīng)器在某一稀釋率下進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)。當(dāng)一定時(shí)間后連續(xù)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，取樣分析反應(yīng)液的OD值。調(diào)

14、節(jié)進(jìn)料流量和出料流量，使連續(xù)反應(yīng)器在另一稀釋率下反應(yīng)。流量的調(diào)節(jié)是從小到大，直至某一流量下反應(yīng)器的操作達(dá)到洗出，完成試驗(yàn)。分析方法：取5mL反應(yīng)液，用水稀釋50mL，用水作為對(duì)比，在可見分光光度計(jì)上在540nm處測(cè)定其OD值。數(shù)據(jù)記錄：間歇實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表時(shí)間01.02.03.04.04.55.05.56.0CglucoseOD間歇實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表稀釋率0.40.60.830min40 min30min40 min30min40 minCglucoseOD數(shù)據(jù)處理：1、間歇反應(yīng)菌體濃度隨時(shí)間變化的曲線和連續(xù)反應(yīng)菌體濃度隨加料流量變化曲線， 2、根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)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(zhǎng)短如何調(diào)整？如何判斷連續(xù)培養(yǎng)中洗出點(diǎn)？（預(yù)習(xí)時(shí)填寫）2、經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在連續(xù)培養(yǎng)過程中，什么情況下達(dá)到最佳稀釋率？洗出點(diǎn)的稀釋率為多少？實(shí)驗(yàn)四停留時(shí)間分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模翰捎檬聚櫡y(cè)定反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，了解發(fā)酵罐內(nèi)流體的混合特性，有利于發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)和操作。實(shí)驗(yàn)原理：停留時(shí)間分布理論不僅是化學(xué)反應(yīng)和生化反應(yīng)工程學(xué)科的置要組成部分，而且還廣泛用于吸收、萃取、蒸餾和結(jié)晶等分離過程與設(shè)備的設(shè)計(jì)及其模擬，以及其它涉及流動(dòng)系統(tǒng)的領(lǐng)域。對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器，由于流體在系統(tǒng)中流速分布的不均勻、流體的分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散、攪拌引起的強(qiáng)制對(duì)流，以及由于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)加工和安裝不

16、良而產(chǎn)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(shí)間有長(zhǎng)有短，有些物料過于很快離開了反應(yīng)器，有些粒子則經(jīng)歷很長(zhǎng)的一般時(shí)間后才離開，停留時(shí)間分布更加復(fù)雜。物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布是一個(gè)隨機(jī)過程。對(duì)隨機(jī)過程可用描述概率分布的方法來描述物料粒子的停留時(shí)間分布，即停留時(shí)間分布密度函數(shù)和停留時(shí)間分布函數(shù)。停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法是示蹤應(yīng)答法，用示蹤劑跟蹤流體在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間。根據(jù)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(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定之后，在一短的時(shí)間內(nèi)，在系統(tǒng)入口處向流進(jìn)系統(tǒng)的流體加入一定量的示蹤劑，同時(shí)在出口處檢測(cè)流出物料中示蹤劑濃度隨時(shí)

17、間的變化。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中采集的離散型數(shù)據(jù)，可采用下式進(jìn)行計(jì)算停留時(shí)間分布密度函數(shù)：階躍法是將系統(tǒng)中作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)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(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)束，而后者則是在一段短的時(shí)間內(nèi)加入全部示蹤劑。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中采集的離散型數(shù)據(jù)，可采用下式進(jìn)行計(jì)算停留時(shí)間分布函數(shù)：儀器與試劑：1、 微生物反應(yīng)器2、 可見分光光度計(jì)3、 微型計(jì)量泵（蠕動(dòng)泵）4、 羅丹明B溶液（0.01g/mL）實(shí)驗(yàn)步驟：一、脈沖法測(cè)定:1、測(cè)定蠕動(dòng)泵流量，確定反應(yīng)器內(nèi)溶液體積（VR=30×V0）和反應(yīng)器出口流量。2、

18、調(diào)節(jié)反應(yīng)器出口流量，保持進(jìn)出流量一致。3、待達(dá)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(jì)時(shí)。4、每隔5min取樣測(cè)定光密度，總共測(cè)定2h。二、階躍法測(cè)定：1、清洗反應(yīng)器后，在反應(yīng)器中加入相同量清水，開啟攪拌（300r/min）。2、調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵，保持進(jìn)出流量一致。3、待達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將泵進(jìn)口接到10-5g/mL的羅丹明B溶液中，待溶液剛滴入反應(yīng)器時(shí)開始計(jì)時(shí)。4、每隔5min取樣測(cè)定光密度，總共測(cè)定2h。實(shí)驗(yàn)記錄：脈沖法時(shí)間（min）510152025303540455055OD時(shí)間（min）6065707580859095100105110OD階躍法時(shí)間（min）510152025303540455055OD時(shí)間（min）6065707580859095100105110OD實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析：繪制停留時(shí)間分布密度函數(shù)圖（脈沖法）和停留時(shí)間分布函數(shù)圖（階躍法） 通過脈沖法測(cè)定的數(shù)據(jù)計(jì)算分布密度函數(shù)、分布函數(shù)