生物工程设备1.1 生物反应器设计基础
第一章 第三节 生物反应器的生物学基础-理化条件对微生物生长的影响
µ是流体的动力粘度系数，ρ是流体密度，g是重
力加速度，������������ 为反应器界面气体速率。
生物反应过程剪切力的控制
选择反应器类型
机械搅拌反应器>气升反应器
选择搅拌器类型
涡轮状叶轮>平叶轮>螺旋状叶轮
控制搅拌强度和通气强度
不同微生物对pH要求不同
微生物的生长pH值范围极广，从pH2-8之间都有
微生物能生长。但是绝大多数种类都生活在 pH5.0-9.0之间。
微生物生长的pH值三基点： 各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。低于 最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受抑制或导 致死亡。
一些微生物生长的pH值范围
阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������/(������������) ������������
其中������和 ������′ 是经验常数， ������������ 是细胞合成代 谢活化能，������������ 是死亡的活化能，������ 是理想气 体常数，������是凯氏温度。
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响微生物生长速率的阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ µ − ������������ ������������ ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������ /(������������) ������������
第一章 生物反应器设计基础
教材及参考文献
教材：
《生物工程设备》 梁世中 主编 轻工业出版社
参考文献：
《发酵设备》 高孔荣
轻工业出版社
《发酵工程与设备》 四校合编 轻工业出版社
《抗生素生产设备》 俞俊棠 化学工业出版社
《发酵生产设备》 刘雁然 轻工业出版社
《生化工程》
伦世仪 轻工业出版社
《啤酒工程原理及设备》 吴佩倧 江西科学技术出版社
4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些
原则： ⑴在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接
连通； ⑵尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引
起法兰连接外移位，从而导致污染； ⑶在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接
点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； ⑷防止死角、裂缝等情况； ⑸某些部分应能单独灭菌； ⑹易于维修； ⑺反应器可保持小的正压。
第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的化学计量基础 生物反应器的生物学基础 生物反应器的质量传递 生物反应器的热量传递 生物反应器的剪切力问题
生物反应的特点
首先生物反应存在活细胞，在反应中可将它看作催化 剂；
其次，由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求， 使得参与反应的成分很多；
一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是： 该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、 成本低 生物反应器设计的重要方面包括： 1）改善生物催化剂； 2）好的过程控制； 3）好的无菌条件； 4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传 递）等。
生物反应器设计基础
ln(C X C X 0 ) = µt L (2.9)
由式2.9，得倍增时间td：
ln 2 ln 2 td = = L (2.10) µ µ max
微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
C : N : O : H :
1 = Yb + Yp + d a = qYb + tYp 1 + 2b = nYb + sYp + c + 2d m + 3a = pYb + rY p + 2c LL (2.1)
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S = 生成代谢产物的质量 ∆P ＝ 消耗基质的质量 − ∆S
基质的细胞得率Y 基质的细胞得率 x/s与比生长速率的关系
•比生长速率µ：生长速度大小的参数。
rx = dC X dt = µC X L(2.3)
•维持的定义：
1 YX / S
＝
1 Y
max x/s
与化学反应器不同， 4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一 些原则： 些原则： • 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 已灭菌部分与未灭菌部分之间 连通； 连通； • 尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起 尽量减少法兰连接 因为设备震动和热膨胀， 法兰连接， 法兰连接外移位，从而导致污染； 法兰连接外移位，从而导致污染； • 在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点 在可能的条件下，应采用全部焊接结构 全部焊接结构， 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； • 防止死角、裂缝等情况； 防止死角、裂缝等情况； • 某些部分应能单独灭菌； 某些部分应能单独灭菌； • 易于维修； 易于维修； • 反应器可保持小的正压。 反应器可保持小的正压。
生物工程设备重点(加强版)
重点加强版第一篇第一章生物反应器设计基础1、生物反应器：为适应生物反应的特点而设计的反应装置。
2、生物反应器设计要求：要求以生物体为中心，满足生物体生长代谢的要求，满足生物的代谢特点及无菌操作的特点。
3、实际应用的生物反应器根据细胞或者组织生长代谢要求，总的分为①厌气生物反应器，有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。
例如酒精发酵罐、啤酒发酵罐；②通气生物反应器，又分为搅拌式、气升式、自吸式。
搅拌时反应期考搅拌器提供动力使物料循环、混合，气升式则以通入的空气上升产生动力，自吸式反应器是利用特殊搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空而将空气吸入反应器内，毋须另外供气；③光照生物反应器：反应器壳体部分或全部采用透明材料，进行光合作用反应；④膜生物反应器：反应器内安装适当的部件作为生物膜的附着体，或者用超滤膜（如中空纤维等）将细胞控制在某一区域内进行反应器。
5、一个良好的培养装置应具有：①严密的结构（可以抑菌），②良好的液体混合性能（原料与菌体充分接触），③高的传质和传热速率（保证高产率），④灵敏的监测和控制仪表（产物方面考虑）。
6、发酵生产过程：原料→处理→原料配比→灭菌；菌种→活化→扩培→发酵→产品提取→产品检验→成品7、啤酒发酵为厌气式发酵，但还是需要制备无菌空气，为什么？答：因为需要给麦汁通氧，酵母菌繁殖初期需要氧气。
8、设备分为专业设备、通用设备、非标准设备。
（举例）第二章通风发酵设备1、通风发酵设备的特点：良好传质和传热性能，结构严密，防杂菌污染，培养基流动与混合良好，良好的监测与控制，设备较简单，方便维护检修，能耗低，是目前应用最广泛的发酵设备。
2、机械搅拌通风发酵罐优点：①pH和温度容易控制，②尺寸放大的方法大致已确定，③适用于CSTR等。
缺点：①搅拌功率消耗大，②罐内结构复杂，③易使丝状菌受损伤。
3、通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡器、人孔、视镜。
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
31
32
33
2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
34
35
3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
43
结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
44
(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
3
4
间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
生物工程设备教学大纲
生物工程设备教学大纲《生物工程设备与实验操作技术》教学大纲【课程名称】《生物工程设备与实验操作技术》【课程类别】专业基础课【教学时数】 72 学时【课程学分 4学分【开设专业】生物制药、生化制药【开设学期】第五学期【选用教材】《生物工程设备与实验操作技术》.黄亚东.中国轻工业出版社，2008.8.【参考教材】1(梁世中《生物工程设备》北京:中国轻工业出版社，2002，22(段开红《生物工程设备》北京:科学出版社，2008，23(鲍新华《生物工程》北京:化学工业出版社，2008，7【教学性质和目的】本学科为校企合作开发的高职教育教材，较为全面地阐述了生物工程操作原理及典型设备，旨在培养生物技术应用领域高技能应用型专门人才。
全书共分为四篇，第一篇为原料预处理设备，主要包括原料的筛选与分级设备、粉碎设备、水处理系统及设备、空气除菌设备、培养基制备设备;第二篇为生物反应器，主要包括生物反应器设计基础、通风发酵设备、厌氧发酵设备、固态发酵生物反应器、动植物细胞培养反应器、酶反应器、生物反应器的放大与参数检测;第三篇为产物分离提纯设备，主要包括细胞的破碎与分离设备、沉降设备、过滤设备、离心分离设备、压榨设备、膜分离设备、萃取设备、液体吸附设备、浸出设备、离子交换设备、蒸发设备、结晶设备、干燥设备、蒸馏设备;第四篇为附属设备，主要包括物料输送设备、设备与管道的清洗与灭菌、产品包装设备及制冷设备。
【课程的基本要求】《生物工程设备与实验操作技术》是一门实践性很强的课程，要求学生在学过生物工程类基础课的基础上，通过本课程的学习，了解生物工程操作的基本概念和基本原理，掌握典型设备的结构、工作原理、性能特点、操作要点、选用及保养方法，并懂得运用所学知识和技能分析、分析和解决生物工业生产中的一般性技术问题，同时培养学生的工程意识、职业意识和责任意识。
【各章节内容及学时分配】备注(教学方法如:一般讲授，课堂讨论，章节教学内容学时作业，实际操作等) 第一篇一般讲授、课堂讨论、作业原料预处理设备 12 第二篇一般讲授、课堂讨论、作业生物反应器 30产物分离提纯设第三篇一般讲授、课堂讨论、作业 20备第四篇一般讲授、课堂讨论、作业附属设备 10合计 72第一篇，原料预处理设备第一章原料的筛选与分级设备【目的要求】1(掌握磁力除铁器的结构和工作原理;筛分的基本概念;常用筛分设备的操作要点 2(熟悉精选机的结构和工作原理;常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用 3(了解磁力除铁的意义和方法;物料粒度分布的测定方法;【教学重点、难点】重点:磁力除铁器的结构和工作原理难点:常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用【教学内容】第一节原料的除铁设备第二节原料的精选设备第三节物料筛分设备第二章粉碎设备【目的要求】1( 掌握原料粉碎的目的和意义;常用粉碎设备的结构和工作原理 2( 熟悉物料粉碎机理;常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项 3( 了解粉碎操作在生物工业中的应用;粉碎方法的分类;粉碎设备的选择【教学重点、难点】重点:常用粉碎设备的结构和工作原理难点:常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项【教学内容】第一节粉碎的基本概念和理论第二节常用粉碎设备第三章水处理系统及设备【目的要求】1.掌握生物工业中常用的水处理方法;常用水处理装置的结构和工作原理 2(熟悉培养基制备对水的质量要求;常用水处理装置的特点及操作要点 3(了解水的质量分级及质量要求;根据水源状况及生产工艺要求明确水处理方法【教学重点、难点】重点:常用水处理装置的结构和工作原理难点:常用水处理装置的特点及操作要点【教学内容】第一节水质分级及水质要求第二节水的过滤装置第三节水的软化及脱盐第四节水的杀菌第四章空气除菌设备【目的要求】1(掌握生物工业生产对空气质量要求;染菌几率;典型的空气过滤除菌流程2(熟悉空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用 3(了解空气洁净度等级及要求;空气除菌方法;常用的过滤介质及特点【教学重点、难点】重点:典型的空气过滤除菌流程难点:空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用【教学内容】第一节空气除菌方法第二节空气过滤除菌流程第三节空气过滤除菌设备培养基制备设备第五章【目的要求】1(掌握淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;培养基连续灭菌设备的结构及灭菌过程2(熟悉淀粉质原料间歇蒸煮糖化设备结构、特点;培养基制备中间灭菌设备、固体培养基制备中的润水设备的结构及操作要点3(了解蒸煮锅数量的确定方法;糖蜜稀释器的类型与结构【教学重点、难点】重点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;难点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;【教学内容】第一节淀粉质原料蒸煮与糖化设备第二节糖蜜稀释器第三节淀粉水解制糖设备第四节培养基灭菌设备第五节固体培养基制备设备第二篇生物反应器第一章生物反应器设计基础【目的要求】1( 掌握生物反应器的化学计量与动力学基础;生物反应器的质量传递与热量传递2( 熟悉生物反应器的特点及作用3.了解生物反应器的含义和分类方法【教学重点、难点】重点:生物反应器的化学计量与动力学基础难点:生物反应器的质量传递与热量传递【教学内容】第一节生物反应器概述第二节生物反应器设计基础第二章通风发酵设备【目的要求】1( 掌握种子罐空实消的操作要点;机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点2( 熟悉培养箱的使用注意事项;种子培养罐的结构及特点;轴封的作用及结构;常用联轴器的形式;自吸式发酵罐的结构及充气原理2( 了解培养箱的结构特点;影响带升式发酵罐性能的主要因素;塔式发酵罐的特点;文氏发酵罐的结构、工作机理及优缺点【教学重点、难点】重点:机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点难点:升式发酵罐、塔式发酵罐、文氏发酵罐的特点与结构、工作机理及优缺点【教学内容】第一节菌种培养设备第二节机械搅拌通风种子培养罐第三节机械搅拌通风发酵罐第四节其他通风发酵罐第三章厌氧发酵设备【目的要求】1( 掌握密闭式酒精发酵罐的结构、特点及操作要点;酵母扩大培养罐的结构及操作要点;啤酒锥底罐的结构、特点、安装及使用要求2(熟悉酒精捕集器的作用、类型、工作原理及结构;糖蜜原料制酒精连续发酵的设备组成、特点及操作要点;啤酒大直径露天贮酒罐和朝日罐的结构及特点 3(了解淀粉质原料制酒精连续发酵的设备组成、特点;啤酒连续发酵特点、流程及设备组成。
生物工程设备精品.ppt
• 产物形成方式：
•
1）是能量代谢的结果，如酵母酒精发酵
•
2）能量代谢间接结果：柠檬酸合成
•
3）二次代谢物：青霉素生产
•
4）产物是胞内或胞外蛋白，这属于蛋白合成
领域，可受到诱导和分解代谢抑制调节，如酶的 合成
精心整理
35
产物形成动力学
Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将 代谢产物生成动力学分为三种类型：
• 生物学基础
• 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学
• 传质
• 气-液传质 • 液体-微生物传质
• 传热 • 剪切力问题
• 环境因素对生长及代谢的影响
精心整理
16
生物反应器设计基础
• 生化反应的特点：活细胞
•
多营养成分
•
多途径代谢
•
催化剂为蛋白质组分的酶
生物工程设备
➢ 绪论
➢ 生物反应器设计基础
➢ 生物反应器
➢ 检测控制及放大
➢ 物料处理设备
➢ 产物分离纯化设备
➢
辅助系统设备 精心整理
1
• 作用
课程作用与任务
生物工程设备
生物技术的原理
生物技术产业化
• 任务
生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技 术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程 大型化、多样化、连续化和自动化
ms
(2.5)
•有产物时，基质的线性方程：
＝
/
Y max x/s
/
Y max x/s
ms
2.6
精心整理
23
式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。
第三章 生物反应器设计基础
①使反应器具有较好的生物相容性 ②应具有较好的传质性能 ③应具有较好的传热性能 ④安全性能
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
n
jiVXi
j 1
Ff S jf
FSj
( j 1,2,.....n. ) （3-2）
产物：
dVPk dt
n
kiVX i FPk
k 1
（3-(k3） 1,2,...... n)
反应液体积：
dV dt
Ff
F
（4-4）
生长速率
平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式
为
ln 2 rxtd
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机 能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol 的ATP， 31×38/2871 = 0.41，也就是说41% 的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌 氧时）的能量效率为（31×2）/2871 = 0.022， 即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞 /molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP 。
生物工程设备复习大纲
1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。
可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
答：1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供氧。
优点：高生产效率，高经济效益。
2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
特点： 1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。
缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。
4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
1－轴封 ； 2、20－人孔；3－梯； 4－联轴；5－中间轴承； 6－温度计接口；7－搅拌叶轮； 8－进风管；9－放料口； 10－底轴承；11－热电偶接口； 12－冷却管；13－搅拌轴； 14－取样管；15－轴承座； 16－传动皮带；17－电机； 18－压力表；19－取样口； 21－进料口；22－补料口； 23－排气口；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
d1 生物反应器设计基础91
稳定期
微生物的生长造成了营养物的消耗和有生 理毒性的代谢物质在培养基中的积累， 以及其它条件（pH值和氧化还原电位等） 对微生物不利的变化， 生长速度降低，繁殖数跟死亡数逐渐趋于 平衡，从而进入恒定期。
稳定期的特点：
细胞分裂速度降低 细胞质内积累细胞存贮物，如糖原、脂肪、 PHA等 产芽孢的细菌在此时产生芽孢 此时期因菌种和培养条件而异（如需要可 延迟）
细胞数动力学 生长动力学过程 产物形成动力学 高浓度基质及产物的抑制动力学
细胞数动力学
(Ⅰ.延迟期， Ⅱ.对数期， Ⅲ.稳定期， Ⅳ.衰亡期)
微生物生长的测定
平皿活菌计数法 血球板计数法 比色法 细胞干重法 细胞堆积体积的测法
延迟期
细胞内必须诱导产生新的营养物运输系统 参与初级代谢的酶必须调节好适应外界的环境
对数期菌体倍增时间td（代时）
dX/dt=ｕX 积分得 ln(X/Xo) =ｕt td=ln2/ｕ 一般，细菌td为15~60min, 酵母为 45~120min ，霉菌为2~8小时。
细菌种类 大肠杆菌（Escherichia coli） 大肠杆菌（Escherichia coli） 产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes） 产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）
ｕ=(ｕmaxs/ks+s)e-kp
ｕ=(ｕmaxs/ks+s)[KI/(KI+P)] ｕ=ｕmax(1-P/Pmax)
环境因素对生长及代谢的影响 热量
pH
P12：图1.1.4
dX/dt=(ｕ-kd)X dX/dt=(Ae(-Ea/RT) - Ae(-Ed/RT) )X
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基质消耗过程的热平衡：
碳源+O2
Ⅱ呼吸途径
Ⅰ完全氧化途径
△HS △H C
CO2+H2O
Ⅲ细胞氧化途径
CO2+H2O+细胞
微生物细胞μ max值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μ max 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
无抑制的细胞生长动力学
• Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)：
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。
• 基质抑制动力学 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：
式中
细胞比生长速率μ为：
kCxs ,而 max kCx总
K S C XS C C C XS XS S CS KI
∵
C x总 C X C XS C XS 2
∴
∴
对竞争性抑制，细胞比生长速率为：
对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：
图2.5 氧从气泡传递到细胞的示意图
双膜理论： （1）气泡中的氧通过气相边界层传递气-液界面上 （2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。 （3）在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。*** （4）在液相主体中进行传递。 （5）扩散通过生物细胞表面到液相滞流层传递进入生物细胞内。***
氧传递方程式
过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、 葡萄糖酸、乳酸的生产等。
Ⅰ
图2.2 Gaden类型Ⅰ
产物形成动力学：
类型Ⅱ(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有
间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬 酸和氨基酸的生成。 类型Ⅲ (非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系， 产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代 谢产物的生成。
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S 生成代谢产物的质量 P ＝ 消耗基质的质量 S
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。 •维持的定义：
式中YXS－细胞对基质的得率；
－最大得率；ms －维持系数； μ－比生长速率。
•无产物时，基质的线性方程：
• 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = -3, H = 1
根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：
细胞反应过程的得率系数
• 对基质的细胞得率Yx/s
• 对氧的细胞得率Yx/o
• 对碳的细胞得率YC
表2.1 有无抑制的酶促反应动力学和细胞生长动力学比较 类型 米氏公式 细胞生长动力学
无抑制
竞争性抑制
非竞争性抑制
反竞争性抑制
• 产物的抑制动力学
几个经验公式：
产物形成动力学
Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将 代谢产物生成动力学分为三种类型：
类型Ⅰ(相关模型)：是指产物的生成与细胞的生长相关的
计算：某氨基酸发酵产酸率12%，发酵时间为36h， 辅助时间为24h，每个发酵罐有效容积为100m3。试 设计年产5000t该氨基酸所需发酵罐个数。
环境因素对生长及代谢的影响
• 温度 在适宜的温度范围内，细胞净增 长率方程为：
根据Arrhenius方程，有：
图2.3 E.coli生长速率的Arrhenius图
• 细胞反应的元素衡算：
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等）
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
•有产物时，基质的线性方程：
式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。
细胞数动力学
细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期 和死亡期。
图2.1 典型的细菌生长曲线
在指数生长期，细胞量生长速度为：
细胞数增长速度为：
对式2.7在t0→t，X0 → X积分，得：
由式2.9，得倍增时间td：Ⅰ NhomakorabeaⅡ
Ⅲ
图2.2 Gaden模型分类
对间歇操作的反应器，达到一定反应程度或一 定细胞浓度所需的反应时间仅与过程速率有关，与 反应器的大小无关。
反应器容积的计算
反应器有效体积的大小由反应物料的处理量决定。一个 操作周期的总时间为
t tp tb
根据生产规模，有效体积为
V tPt / Cp
• 氧的传递速率：
用kLa的大小衡量发酵设备的通气效率，实验室用摇瓶，其kLa值约为10～
100h-1；带搅拌的发酵罐，其kLa值为200 ～1000h-1 。
生物反应器的热量传递
• 生物反应器的传热过程
热量平衡方程：
式中 QE－单位体积培养基中除去热量速率，J/(m3。s）； QB－单位体积培养基因生化反应的放热速率，J/(m3。s）； QA－单位体积培养基因搅拌造成的放热速率，J/(m3。s）； QS QV －分别为单位体积培养基因通气带走的显热和蒸发热 速率，J/(m3。s）； QR－单位体积培养基向周围环境的散失热速率，J/(m3。s）；
所以：
生物反应器的质量传递
生物反应体系中的氧传质模型
滞流区 ⑷ 细胞团 ⑴ 气泡 ⑶ ⑸ ⑵ ⑹ 液相主体 气-液界面 液-细胞团界面 ⑻ 细胞膜 ⑺ ⑼ 细胞 生化反应
气相
滞流区
↑
COG COL
液相 固相
COS
→
膜厚： δG δL1
传质系数： kG kL1 δL2 kL2 Z
图2.4 氧从气泡传递到细胞的示意图
Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过 量，不影响细胞的生长；
(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。
有抑制的细胞生长动力学
生物反应器设计基础
• 化学计量基础
•
•
生物反应的质量衡算
生物反应过程的得率系数
• 传质
• • 气-液传质 液体-微生物传质
• 生物学基础
• • • • • 细胞数动力学 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响
• 传热
• 剪切力问题
生物反应的质量衡算
• 体积质量传递系数kLa：
质量传递比速率，在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的
气体。该系数由两项产生：(1)质量传递系数kL，它取决于流体的物理特性和 靠近流体表面的流体动力学； (2)通气反应器单位有效体积的气泡面积a。
• 质量传递系数kL：
质量传递系数是基质（或其他被传递的化合物）的质量通量Ns与推动这一 现象的梯度（浓度差）之间的比例因子：