2022年高等数学知识在生物化学工程中的应用举例 .docx
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1、精品_精品资料_高等数学学问在生物化学工程中的应用举例高等数学是生命科学学院校开设的重要基础课程,数学方法为生物化学的深化讨论进展供应了强有力的工具.下面仅举一些用高等数学基础学问解决生物化学工程中的一些实际问题的例子,旨在启示同学怎样正确懂得和稳固加深所学的学问,并且强化应用数学解决实际问题的意识.例1在化工原理中常用的柏努利方程式中的应用化工生产过程中常于密闭管道内输送液体,使液体流淌的主要因素有1流体本身的位差. 2两截面间的压强差.3输送机械向流体外作的外功.流淌系统的能量衡量常用柏努利方程式,下面来介绍柏努利方程式.定态流淌时液体的机械能衡量式为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_
2、精品资料_2g zu 2p2vdpWeh fp11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_该式队可压缩液体和不行压缩液体均适用.对不行压缩液体,1式中p2pvdp项应视过程性质等温、绝热可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_或 多 变 过 程 按 热 力 学 原 就 处 理 , 对 不 可 压 缩 液 体 , 其 比 容 v 或 者 密 度为 常 数 , 故可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_p2vdpp1p2dppp1p 2p ,代入 1式有:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - -
3、欢迎下载精品_精品资料_u 2pg z2Weh f可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_或gz11p1u2We22up22gz2hf22可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2式称为柏努利方程式.u 2p可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_需要注明的是,为动能, gz 为位能,2为静态能,We 为有效能,h f 为能量损耗, z为高度差.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_例 2混合气体粘度的运算 常温下混合气体的运算式为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_n1yii M i2i 1mn13
4、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_yi M i2i 1其中m 为常温下混合气体的粘合度 Pa.s. yi 为纯组分 i 的摩尔分率. i 为混合气体的温度下,纯组分i的粘度 Pa.s. M i 为组分 i 的分子量 Kg/kmol .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_例如:空气组分约为O2 0.21, N 20.78, Ar0.01 均为体积积分率,试利用 O2, N 2, Ar的粘度数量,运算常可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_温下 200 C 时空气的粘度?可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_解:常温下空气可视为抱负气体,故各组分的体积
5、积分率等于摩尔分率,O 2 , N 2, Ar的分子量分别为 32,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_28 及 39.9,经查表知道常温下200 C 时各组分的粘度为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_O22.0310 5 Pas可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_N 21.710 5 Pas可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_代入 3式运算空气的粘度,即Ar2.0910 5 Pas可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_n1yii M i2
6、i 1mn1yi M i2i 1111可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_0.212.0310 532 20.7811.710 5128 20.012.09110 539.9 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1.7810 5 Pas0.2132 20.782820.0139.9 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_例 3. 在细胞生长运算中的应用随着细胞的生成繁衍,培育基中的养分物质被消耗,一些有害的代谢产物在培育液中累积起来,细胞的生长速度开头下降,最终细胞浓度不再增加,进入静止期,在静止期细胞的浓度到达最大值.假如细胞的生长速率的下降是由于养分物
7、质的消耗造成的,可以通过以下的分析来统计分批培育可能到达的最大细胞浓度.设限制性基质为A,其浓度为 a,且 A 的消耗速度与细胞浓度成正比:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_adaKX dt4可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4式中K a 为常数,假定接种后培育液中细胞浓度为X 0 ,且立刻进入指数生长阶段,且始终保持到静止期,就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_X mX 0expm t5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中 X m 为分批培
8、育到达的最大细胞浓度,即A 完全耗尽时细胞浓度,由 3式和 4式可得可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_整理得a 0aK aX mX 00mK a X mmX 0 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_也就是说分批培育过程中获得的最大细胞浓度与限制性基质的厨师浓度存在着线性关系.假如细胞及生长速度的下降是由于有害物质的积存,可以认为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dXKXdt1-f 有害物质浓度 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为便利起见,假定细胞生长速率与有害物质浓度有线性关系dX可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_KX 1d
9、tbC t 5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中 k, b 为常数,Ct 为有害物质浓度.由于有害物质有细胞产生,可以认为dC tqX dt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t=0 时, Ct =06可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中 q 为常数,由 6式可得ttCqXdt0,代入 5式有:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_因此有效生长速度为dXKX 1dttbqXdt0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - -
10、 - 欢迎下载精品_精品资料_1dXXdtK 1tbqXdt 0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_随着时间急剧下降,当 1t Xdt时,细胞的生长停止.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_bq0例 4细胞团内的氧传递rrdr细胞集成团时,氧在细胞团中边扩散边备细胞消耗,为便利起见,把细胞团看作一个匀称的耗氧球体,设它的半径为 R,密度为,取其半径为 r,厚度为 dr 的一层球壳进行稳态时的物料衡量可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_D dCdr4 r 2 |D dCdr4 r 2 |Qo24 r 2dr可编辑
11、资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中 D 为氧在细胞内的扩散系数, C 为半径 r 处的氧浓度,将上式整理,可得到可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_当 dr因此0 时,D d r 2drdC drD r 2r Q2o2dC|r drdrdrr 2 dCdr|r r Q2o2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_d 2CD 2dr2 dC Qor dr7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2细胞的比耗氧速率与耗氧浓度的关系适用米氏方程2QoQo Km2m
12、C C可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2式中Qom 为最大耗氧速率,K m 为米氏常数,代入 7式中,有可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_d 2C2D2 dC Qo m C8可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dr 2r drK mC可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_边界条件为r=R 时, CCLR=0 时, dC0dr可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_取 yC , Xr ,CLRK m代入 8式,有CL可编辑资料 - - - 欢
13、迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中 a6 R.6CL Dd 2 ydx 22 dyayxdxy9可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2Qo m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_边界条件就改为x=1 时, y=1x=0 时, dy1 .dx设细胞团的表现比耗氧速率为 Q ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4R3QR 4 rdr 3r 3 2QCdr ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_整理得Q2Qo m31x 2 y30y0 3dx ,omK mC可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑
14、资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_9式可写作d x 2 dy dxdxax2 y,y可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_x1因此有Q2Qo m3 x 2ady 10dx3 dy | a dx可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_假设取细胞团外表的比耗氧速率QQoCL2mK mCLQom21作为比较,就细胞元的耗氧有效因子为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Q3 Qa1) dy | dx1 ,a 就反映了细胞团
15、中最大反应速率与最大传输速率之比,反应速率越大, 传递速率越小,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_x细胞团内部缺氧就越重,有效因子也就越低.例 5 在中心导体模型中的应用长柱状细胞,如神经轴突和肌纤维细胞,其长度尺寸远大于细胞直径,电流横跨细胞膜的电阻往往比朱庄方 向流经一段细胞内介质所代表的中心电阻高出许多,从而细胞流内流淌的电流在溢出膜以前在柱轴方向内部导体中流过相当长距离, 这种中心导体概念成为用电缆理论分析长纤维状细胞中电流、电位分布的基础. 假设设 r m 为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_单位长膜电阻,Cm 为单位长膜电容,ri , re分别为胞内、外
16、液单位长介质电阻.令胞内、外电位分别为Vi ,Ve ,于可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_是膜两侧电位差 VmViVe .经推导可得:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_rmrire2Vm2VmxVmrm Cmt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_m令2rm, rirermCm可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_就得到标准的电缆方程形式:2VVmm22Vmmxt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_假设细胞膜处于电绝缘状态,单位长度膜面积上的电流Vmmi mdV mdt0 ,即02Vm
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