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第一章 绪论 一 生化工程由来1. 传统的发酵业天然发酵 酿酒：BC 2100 古巴比伦 Hammurabi典籍记载； 中国商代“酒池肉林”，酿酒业已很发达，BC1300前； 古罗马，希腊，埃及，印度等都有相关记载； 用于制作面包和储存食品奶酪； 2 第一代微生物发酵技术纯培养技术建立 1680年荷兰：列文虎克（40150倍）显微镜观察到微生物：细菌、酵母等 1857年法国：巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由于酵母引起。 1897年德国：毕希纳酵母细胞磨碎酵母汁使糖液发酵产生酒精酵母体内的酶 德国：柯赫发明了固体培养基获得细菌的纯培养物人为控制发酵过程，简单的发酵罐（以厌氧发酵和表面固体发酵为主），生产酵母、酒精、丙酮、丁醇、有机酸、酶制剂等 3 第二代微生物发酵技术深层培养技术建立 1928年英国弗莱明发现点青霉可以产生抑制葡萄球菌生长的青霉素 20世纪40年代：青霉素的大量需求需氧发酵工业化生产建立了高效通气搅拌供氧（深层培养）技术、无菌空气的制备技术及大型生物反应器灭菌技术，促进了生物制品的大规模工业化进入微生物发酵工业新阶段微生物学，生物化学与化学工程相结合，标志着生物化学工程（Biochemical Engineering）的诞生1964年，Aiba认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中比拟放大是焦点1973年，Aiba从发酵过程的物理现象解析与设备开发转向对微生物反应的定量研究反应动力学研究生化工程逐渐细化为生物反应工程、生化控制工程、生化分离工程、生化系统工程4 第三代微生物发酵技术微生物工程 1953年Waston, Crick发现了DNA双螺旋结构 1973年转基因技术的建立 利用微生物生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物， 生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等二 发酵工程的组成发酵工程三部分组成：上游工程（上游技术），发酵工程（中游技术）和下游工程（下游技术）。上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。主要有发酵原料和发酵罐以及各种连接管道灭菌技术；空气灭菌技术；菌种的扩大培养；过程设计；反应器设计及控制等下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术，产品的包装处理技术等三 生物化学工程的定义 又称生化工程或生物化工 是生物化学与化学工程相互渗透形成的一门学科。以微生物为研究主体，生物化学为理论基础，应用工程学实践技术，从动态、定量和微观的角度，揭示生物化学工业过程的本质。四 生化工程的研究领域 生物工程的上游技术：生物化学、生物物理、分子生物学、遗传学、细胞培养、育种等 生物工程的下游技术：生物初级制品的分离、纯化、精制到产品的过程 生化工程贯穿于上下游技术之中：生化反应工程学（反应动力学、反应器性能）， 产 品后处理技术（分离纯化手段）等五 生化工程重点研究内容 新型生物反应器的研究开发1) 传统的生物反应器2) 新型的生物反应器 新型分离方法和设备的研究开发 描述生物反应过程的数学模型的建立 生产过程控制手段的改进：在线反映反应器参数的传感器及计算机控制系统软件六 生化工程的应用 2000年生物制品56006900亿美元，其中医药制品占55，农产品14，食品及动物饲料7.5% 医药工业：激素、胰岛素、抗生素、干扰素、维生素等 食品工业：传统调味剂、醇类饮料、氨基酸、单细胞蛋白、甜味剂等 化工、冶金工业：微生物合成许多化工原料 能源和环境保护：生物产甲烷、乙醇；微生物产氢等；微生物处理污水、工业生活垃圾第二章 培养基灭菌（5学时）目的：发酵过程要求纯培养需要：培养基、发酵罐及管道、空气进行灭菌生产环境消毒第一节 概述灭菌（sterilization）利用物理或化学手段除去物体的所有生活微生物的方法。消毒（disinfection; sterilization）仅除去病原微生物的措施。一 灭菌方法1 加热灭菌火焰灭菌：彻底、快速。 适用于：接种干热灭菌：160170，12h 适用于：保持干燥的物料、设备等湿热灭菌：不同温度的蒸汽灭菌。 简单经济，应用广泛2 射线灭菌紫外线、阴极射线、x射线等适用于：表面灭菌3 化学药剂灭菌二 培养基及有关设备的灭菌方法1实罐灭菌（实消）：培养基与发酵罐同时灭菌。分批灭菌属于实罐灭菌方式方法：预热加热冷却2连续灭菌(连消)：培养基通过连续灭菌装置，快速连续加热灭菌，后进入灭菌的空罐。方法：连续灭菌装置：板式热交换器连续灭菌 蒸汽喷射连续灭菌连消塔保温罐连续灭菌 3. 空罐灭菌：空罐体灭菌罐压：1.52.0105Pa；罐温：125130，时间：3045min4. 发酵附属设备及管道灭菌：管道：罐压：3.5105Pa；时间：11.5h 补料罐：糖水罐 罐压：1.5105Pa；时间：30min 消泡剂罐 罐压：1.51.8105Pa；时间：60min空气过滤器：罐压：3.5105Pa；蒸汽从上至下通入第二节 加热灭菌的原理l 培养基灭菌要求：达到需要的无菌程度；有效成分受热破坏程度尽可能低。l 灭菌工作关键：控制加热温度和受热时间一、加热灭菌原理影响 1、微生物的热阻：微生物对热的抵抗力称为热阻。 （1）微生物对热的抵抗能力 营养细胞：在60加热10 min 全部死亡； 细菌芽孢：能耐较高的温度，在100需要几分钟甚至几小时才能被杀灭； 嗜热菌的芽孢：120，39 min 或更长时间才能杀灭。 （2）致死温度：杀死微生物的极限温度。（3）致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需要的时间。在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。 二2、微生物的热死规律-对数残留定律（1）微生物的热死：微生物受热失活，但是物理性质不变。 （2）热死规律： 一定温度下，微生物热死遵循微生物的热死亡动力学规律： 菌的死亡速率dN/d与任何瞬间残留的活菌数N成正比。微生物的热死亡动力学(符合一级反应动力学规律)： 一级反应动力学：反应速率仅与物质浓度的一次方成正比。APr=k1CA= k1CA微生物的死亡速率符合一级反应动力学规律，即：KN (1)意义：微生物死亡速率与任一瞬间残存活菌数成正比。N：残存活菌数T：灭菌时间（min）K：比死亡速率常数，也称反应速率常数（min1）dN/dt：死亡速率，菌体瞬时变化率。将(1)式移项积分：ln(Ns/No)=Kt (2)可变形为：lnNs =Kt +lnN0 或Ns=N0eKtN0：原有活菌数（t=0,污染度）Ns：经t时间后残存活菌数（灭菌度，一般要求Ns103）二 K比死亡速率常数（反应速率常数）1K大小反映微生物受热死亡的难易程度。与微生物的种类及加热温度有关； 1）相同温度下，k值愈小，加热时间长，则此微生物愈耐热。 即：t=1/K *ln(N0/Ns) 2）同一种微生物在不同灭菌温度下，灭菌温度 愈低，k值愈小；温度度愈高，k值愈大。2温度对K的影响T与K的关系，可用Arrhenius方程表示：K=AeE/RT 因：t=1/K *ln(N0/Ns) 故：t= eE/RT *1/A *ln(N0/Ns) K：比死亡速率常数，也称反应速率常数（min1）A：频率因子（min1），因菌种不同而异E：活化能（J/mol），值越大，微生物越易受热死亡T：绝对温度（K），T（K）t()+273.15R：气体常数，8.36J/molK或1.9874.187J/ mol K)e: 2.7183与K有关的表示方法：1/10衰减时间D1/10衰减时间D ( decimal reaction time )：活微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10所需要的时间。D= = 四 影响培养基灭菌的因素1营养成分的保持：营养成分受热分解也符合微生物热死亡动力学规律和Arrhenius方程：KC 可变形为：ln(C s/ C o)=Kt 或Cs=C0eKtK=AeE/ RTK：营养成分受热分解速率常数，（min1）C s受热后营养成分浓度； C o受热前营养成分浓度；E：营养成分受热分解反应的活化能（J/mol）注：微生物受热死亡的活化能E比营养成分受热分解反应的活化能E大；（E：活化能，指能促使化学反应的一种能量。化学反应动力学指出：活化能大的反应中，反应速度随温度的变化也大；反之，反应速度随温度的变化也小。）E大，说明反应速率随温度变化也大；当温度升高，微生物死亡速度比营养成分分解速度快。故采取高温瞬时，有利于减少营养的破坏。2 pH值：6.08.0 不易死亡；6.0易死亡3培养基组成：油脂、糖类及蛋白质增加耐热性3 泡沫及颗粒：第三节 分批灭菌培养基和发酵罐同时灭菌，冷却至发酵温度再接种发酵。又称间歇灭菌或实罐灭菌（实消）。一 灭菌效率当灭菌温度恒定为T，所需时间为：t =ln lg当温度随时间变化时，K也变化：dN/dt=KN=AeE/RTN积分可得 ln(Ns/No)=A升温、维持和冷却过程的灭菌效果可表示为：V总= ln(No / Ns) V加+ V保 V冷 V加ln(No / N1)AV保ln(N1 / N2)K（t2-t1）V冷ln(N2 / Ns) AV加、V冷经转换并积分后得：V加V冷T0培养基初温（K）T灭菌温度（K）i蒸汽热焓（kJ/kg），每千克蒸汽传递给培养基的热量；S蒸汽质量流量（kg/min）M0罐内培养基质量（kg）K发酵罐冷却装置的总传热系数（kJ/m2.min.K）A传热面积（m2）TH热源温度（K）C培养基比热（kJ/kg.K）C冷却剂比热（kJ/kg.K）W冷却剂质量流量（kg/min）Ts冷却后培养基温度（发酵所需温度）（K）Tco冷却剂进口温度（K）M罐内培养基和加热喷入蒸汽总质量（kg），M=M0 + st1，t1为升温时间二 分批灭菌讨论工业灭菌，灭菌周期约35h,各阶段的灭菌贡献大致为：V加 / V总= 0.2, V保 / V总= 0.75, V冷 / V总= 0.05例题：1 温度从120升至150时，分别计算VB1的分解速率常数KB和嗜热芽孢杆菌的比死亡速率常数Ks。已知EB1 =92114J/mol，AB1=9.301010（min-1）；Es = 283460J/mol，As =1.061036 (min-1)，且比较KB(150) / KB(120) 和Ks(150) / Ks(120)2. 在120下灭菌7.6min，计算此时VB1的损失。(120下KB1 0.055min1)3. 某厂培养基初始杂菌数为106个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。当发酵容器由1m3放 大至10 m3时，总灭菌效果增加多少。4 .发酵培养基60 m3，初始杂菌数为105个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。采用分批灭菌方式，120维持5min.已知升温和降温的灭菌效果不超过总灭菌度效果的25。则所设计的T-t过程是否达到无菌要求。如何改进。 5.10000kg 40的培养基在发酵罐内进行分批灭菌，灭菌温度T=120,灭菌后要求每1000批中仅有一只菌即Ns10-3。其操作条件如下：1) 培养基的原始污染程度为105个/ml2) 加热蒸汽压力为4kg/cm2,流量为40kg/min3) 冷却水温度Tco10，冷却水流量W750kg/min，传热面积A=15m2，总传热系数K=1.67MJ(400kcal)/m2.h.,冷却到发酵温度ts=354) 培养基的比热和比重分别为4.19kJ(1kcal)/kg.及1.0求：加热、维持和冷却需要的时间。第四节 连续灭菌培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却后，进入发酵罐的杀菌方法。适用于：黏度低，固体培养物较少的培养基优点：灭菌时间短，营养物破坏程度降低；灭 菌效率提高缺点：产生二次污染一 连续灭菌计算1连续灭菌加热和冷却时间极短，主要考虑维持时间与温度。 V总= V保灭菌时间主要是维持段停留时间：t =ln lg K取普通耐热细菌芽孢的值：K=7.941038e287441 / 8. 28T维持段设备：维持罐 V=Qt 维持管例题1一台连续灭菌设备流量Q6m3/h，发酵罐装料容积40m3，原始污染度105个/ml，要求灭菌度Ns=10-3，灭菌温度T=125，此时K=11min-1。求维持时间t2及维持罐装料容积V。2 试证明D=，D为1/10衰减时间，K为速率常数。第三章 空气除菌（5学时）第一节 概述一 空气除菌的意义：1 发酵要求纯种培养2 空气中大量杂菌：103104个菌体/m3空气微生物的分布：干燥寒冷北方 温暖湿润南方，高空 低空，工业城市 农村微生物种类：以细菌和细菌芽孢较多。也有酵母、霉菌和病毒等二 好气性发酵对空气无菌度的要求工业设计要求: 10-3概率意义: 经过1000次灭菌中仅有一次灭菌失败三 空气除菌的方法：除去或杀灭1 介质过滤除菌（filtration sterilization）:利用过滤介质阻截流过空气中的颗粒达到除菌的目的过滤介质为棉花、活性炭、玻璃纤维、石棉滤纸、烧结材料等。该法国内外广泛使用。2 加热灭菌（heating sterilization）空气压缩时放出热量温度升高达到杀菌目的。3 静电吸附（static dust cather）:利用静电引力吸附带电粒子达到除菌除尘目的。捕获率低，空气需干燥；但能耗小；(一) 常用过滤介质1 棉花：阻力大，易受潮2 活性炭：阻力小，但效率为棉花1/3, 与棉花混合使用3 玻璃纤维：4 石棉滤板5 绝对过滤介质：d Vc 空气流速越大，惯性冲击越大，纤维的捕获效率(1)随气流速度增大而增大，但流速过大易带走颗粒；惯性碰撞滞留效率1d/df d气流宽度（m）；df 纤维直径（m）VVc 颗粒惯性小, 惯性碰撞滞留作用忽略不计。惯性碰撞滞留效率10其中：Vc临界气速：气流速度小至颗粒的惯性力已不能脱离气流，导致颗粒不与纤维碰撞，故不能被捕获。此时的气速称为临界气速。Vc与纤维直径df ，颗粒直径dp，颗粒密度p，气体物理性质有关。表达式为： Vc C滑动系数； p颗粒密度(kg/m3)；空气黏度(kg/m.s)2 阻拦滞留作用：当V Vc 时, 气流流过纤维，纤维周围产生滞流层，微小颗粒在滞流层 接触纤维，由于摩擦黏附作用被纤维阻拦滞留的现象。l 颗粒质量很小，气流绕过纤维时颗粒仍随气流运动； l 气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，此区内气流速度更慢； l 滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留，这种作用称为阻截作用。 阻拦滞留效率(2)决定于：颗粒直径dp与纤维直径df，空气流速等 。阻拦滞留效率22(1+ NR)ln(1+ NR)- (1+ NR)+ 1/(1+ NR)其中：NRe (气流雷诺数)= df V/ df 纤维直径（m）；V空气流速(m/s)；空气密度(kg/m3)；空气黏度(kg/m.s)NR = dp/ df (微粒直径/纤维直径)注： 单个纤维介质距离s dp / 2, 阻拦滞留作用不计。3 扩散作用：当V Vc时，微小颗粒在流速缓慢的气流中发生布朗运动，与介质碰撞而被捕获。l 很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗扩散运动。微粒愈小，分子运动的速度愈大。 l 这种运动使较小微粒凝聚为较大微粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留。 l 空气流速低时，分子运动比较显著，微小粒子被除去的机会增加；空气流速大时，凝聚现象为惯性碰撞所取代。 扩散捕获效率(3)决定于：纤维直径df 和 气流速度V。 扩散捕获效率3 ：3= 2(1+ 2 X0/ df) ln(1+ 2 X0/ df )(1+ 2 X0/ df)+ 1/(1+ 2 X0/ df)其中：DB（微粒的扩散率）=CKT/3 d p C滑动系数；K波耳兹曼常数，1.411024kg.m/k；T绝对温度(k) 4 重力沉降作用 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。 对于小颗粒，只有当气流速度很低时才起作用。在空气的介质过滤除菌方面，这一作用很小。 5 静电吸附作用 许多微生物和孢子都带有电荷。 当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷，特别是纤维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更显著。 当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生静电吸引作用。三 捕获效率单个纤维的总捕获效率1+2+3当采用玻璃纤维时，可1忽略：即单个纤维的总捕获效率2+3 当纤维较粗，间隙较大时，3很小，可单独以2注：空气流速与过滤效率的关系 V vc 纤维的捕获效率随气流速度增大而增大，但流速过大易带走颗粒，减小；第三节 空气过滤器的计算一捕获效率(过滤效率) 和穿透率1 介质捕获效率：被介质层捕获的颗粒数与空气中原有颗粒数之比(N0-Ns)/ N0 1-P Ns过滤后残留的颗粒数 N0空气中原有颗粒数2 穿透率（残存率）：P= Ns/ N0 二 对数穿透定律1空气过滤时，颗粒数N随滤床厚度L的增加而递减。表示为： dN/dL=KN dN/N= KdL 积分后得：ln（Ns/ N0）KL K过滤常数 （cm-1 ），与气流速度V,纤维直径df，颗粒直径dp和纤维填充密度有关 L滤层厚度（cm ）2 过滤层厚度的计算： Lln（Ns/ N0）/KlnP / K三 k值的获得1 实验测定空气流速V(m/s)0.050.100.501.02.03.0K(cm-1)0.440.310.230.453.045.87 如：直径为16m的棉花纤维，当填充系数（过滤介质在滤层中的体积百分数）8时，空气流速V取以下值时的K值：2.公式计算当无实验数据可查，可依据此：单个纤维的总捕获效率惯性碰撞滞留效率1+阻拦滞留效率2+扩散捕获效率3当采用玻璃纤维时，1可忽略：即单个纤维的总捕获效率2+3过滤常数为K,3K与 L90的关系：L90为90时的滤层厚度ln（Ns/ N0）KLlnP KLKln10% /L902.303/ L90直径为16m的玻璃纤维，空气流速V取以下值时的L90值：空气流速V(m/s)0.030.150.31.523.05L90(cm)4.058.5011.701.530.38空气过滤相关计算：1空气过滤器的尺寸：有效过滤厚度和过滤器的直径D（决定了过滤面积）1）过滤层厚度：Lln（Ns/ N0）/KlnP / Kk值的获得：实验测定，K2.303/ L90或：K（2+3）2）过滤器的直径D V（Q）空气经过滤器时的体积流量（m3/s） Vs空容器截面的空气流速（m/s）（一般取0.10.3 m/s）计算题1试设计一台通风量为10m3/min 的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为5000个/m3,通过过滤器无菌要求为10-3。已知空气压力为3kg/cm2，工作温度为30。求：过滤效率滤层厚度L(选用df=16m ,气速Vs=0.1m/s，填充系数=8%)解：1) P= Ns/ N0=10-3/(50001060100)=3.3310-12 =1-P=1-3.3310-122) 表查得K=0.31cm-1,Lln（Ns/ N0）/K2.若上题中，采用df=10m的玻璃纤维作填充介质，计算其滤层厚度。已知微粒直径dp 1m1106m，p =1000 kg/m3;纤维直径df =10m1105m, 滑动系数C=1.16, 空气密度 =4.67 kg/m3, 空气黏度=1.863105 kg/m.s.3 一台空气过滤器的通风量为22.5m3/min, 过滤器使用周期为100h。空气中颗粒数为1750个/m3,求整个周期通过过滤器无菌要求为时的10-3滤层厚度。若通风量为2.25m3/min,过滤1 min后空气中的颗粒数。（介质为df=16m的玻璃纤维，原空气流速V=1.52m/s, 变化后V=0.15m/s）第四节 典型的过滤除菌空气净化流程空气除菌的要求：无菌、无尘、无油、无水、有压力一、提高过滤效果的措施:1) 提高过滤效果的措施: a.减少进风口的含菌数：环境卫生 * 提高进风口 * 预过滤 b.合理的空气过滤器 c.保证空气干燥：进行除油除湿 2) 常用空气净化流程 空气预净化空气过滤器无菌空气 注: 对于湿度大的地区，可采用二级冷却 二、常用流程1 两级冷却、两级分离、加热、除菌流程（较完善的流程）设备：粗过滤器、空气压缩机、贮罐、冷却器、分离器、加热器、过滤器等特点：两次冷却：使水、油形成雾粒两级分离：除去水、油雾粒加热：降低空气湿度，原100降至5060过滤除菌流程图：2 高效前置过滤除菌流程设备：高效过滤器、空气压缩机、贮罐、冷却器、分离器、加热器、过滤器等流程图：高效过滤器介质为：泡沫塑料（静电除菌）、超细纤维纸特点：高效过滤器前置后，空气无菌度达99.99%，使经过主过滤器的空气更洁净，无菌度更高3 热空气加热冷空气的流程设备：粗过滤器、空气压缩机、热交换器（贮气罐）、冷却器、析水器、过滤器等特点：有效利用热能，使冷空气温度升高，湿度降低第四章 传氧与通气搅拌（6学时）第一节 概述通气与搅拌的目的：1 供应氧气，供微生物生长及代谢；2 使发酵液均匀混合，促进物质传递：底物发酵液菌体；代谢物质菌体发酵液通风发酵的关键问题：提高溶氧速率第二节 氧的传递一、氧的传递途径与传质阻力 1、供氧及供氧方面的阻力(1)供氧：空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。 (2)供氧方面的阻力 氧膜阻力1/k1 气液界面阻力 1/k2 液膜阻力 1/k3 （可示1/ KL） 液流阻力 1/k4由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个主要障碍，即1/k3是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以减少这方面的阻力2、耗氧及耗氧阻力（1）耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。 细胞周围液膜阻力 1/k5 。 菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6 。 细胞膜的阻力 1/k7 。 细胞内反应阻力1/k8 。 通常耗氧方面阻力主要是1/k6和1/k7 ，即菌丝丛内阻力与细胞膜阻力所引起的。 搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。 至于细胞内反应阻力1/k8可随下列因素中任一种而产生：培养基成分与其相应的酶的作用失活；一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应；一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。 结论： 氧的传递过程中，从气相到液相过程是限制步骤，液膜阻力1/KL控制因素。 提高氧的传递速率，需提高从气相到液相的传质（溶氧）速率。二 双膜理论 氧溶解过程的双膜理论，其基本论点为： 1. 气相与液相主体间存在两膜，气泡一侧为 气膜，液体一侧为液膜。氧分子借浓度差 扩散透过双膜；氧气从气相到液相主体， 阻力来自两膜。 2. 在气液界面上，氧浓度平衡，界面上无传 质阻力。 3. 两膜外的气、液主体中，氧浓度均匀，无 传质阻力。通过气膜的传氧推动力（压力降）气相平均浓度（氧分压p）界面相平均浓度（氧分压pi）通过液膜的传氧推动力（浓度降）界面相平衡浓度（Ci）液相平均浓度（C）三 传氧速率方程在稳定传质过程中，两膜的氧传递速率可表示为：N = kG (ppi) = kL (Ci-C)N传（溶）氧速率（kmolO2 / m2.h）kG气膜传质系数（kmolO2 / m2.h.atm）kL液膜传质系数（m/h）p气相主流中氧分压（atm）； pi气液界面相氧分压（atm）C液相主流中氧浓度(kmolO2 / m3)； Ci气液界面相氧浓度(kmolO2 / m3) 由于pi、Ci难以测量，故上式改写为： N = KG (pp*) =KL (C*C)KG以氧分压为总推动力的总传质系数（kmolO2 / m2.h.atm）KL以氧浓度差为总推动力的总传质系数（m/h）P*与液相主体中溶氧浓度C相平衡的氧分压（atm）C*与气相主体中氧分压p相平衡的溶氧浓度 (kmolO2 / m3)其中: C*p/H,，p*= H C。 H为亨利常数(atm. m3 /kmolO2)，表示气体溶解于液体的难易程度。H越大，表示越难溶。 由于液膜阻力远大于气膜阻力，故通常以(C*C)为溶氧推力来计算：故：N = KL (C*C) kL (C*C)N为每单位界面上每小时的传氧量（kmolO2 / m2.h），无法测量，故两边同乘：N= Nv = KL (C*C) = kL(C*C) 单位体积培养液中气液两相的总接触面积（m2/m3） N体积溶氧速率（kmolO2 / m3.h）KL或kL以(C*C)为推动力的体积溶氧系数 (1/h)四 体积溶氧系数的测定及影响因素1 亚硫酸盐法测定氧的溶解速度（氧传递速度）是控制氧化反应速度的决定因素。原理：2Na2SO3 + O2 Cu2+ 或Co2+ 2Na2SO4 Na2SO3 + I2 (过量)+ H2O 2Na2SO4 + 2HI2Na2S2O3 + I2 (剩余) Na2S4O6+ 2NaI蓝色 无色 用Na2S2O3滴定剩余I2，每滴定消耗1mol Na2S2O3，必有1/4mol溶氧；Nv(mol/ml.min)或 Nv(mol/L.h) V样液与空白液滴定用标准Na2S2O3（0.1N）体积差（mL） NNa2S2O标定的克分子浓度 m样液体积（ml） t氧化时间 (min)由于N= NvkL(C*C)，C0故 kLNv / C* 由于C*0.21 mmol/L（1atm下，亚硫酸钠实际溶解氧浓度为0.21 mmol/L） kLNv / 0.21 (1/h)亚硫酸盐法测定溶氧传递系数的特点：1） 溶氧速度与亚硫酸钠的浓度无关，且反应速度快，无需特殊仪器。2） 不能完全真实反映培养条件下的溶氧情况。3） 培养设备容积在480L范围内测定较准确。2 溶氧电极法溶解氧电极：利用复合膜电极测定气体中的氧或溶解氧。（复合膜，具有高的氧分子渗透性和贮氧功能；电极由电解质相连的阴极和阳极）氧存在时，阴极反应： O2 + 2H2O + 4e 4OH阳极反应： 4Ag + 4Cl 4AgCl + 4e两级产生电流，电流的强弱与溶液中的氧分压呈线性关系:I= k1DA (pO2/X)I电极的电流，A;k1常数；D膜中氧的扩散系数m/s；膜中氧的溶解度，mol/L；A阴极表面积，m2; pO2溶液中氧分压，Pa; X气体渗透膜的厚度，m.由于电极材料一定，物理特征与尺寸一定，那么k1、D、A和X均确定，则： I= KpO2 ，其中：K = k1DA / X电流与氧分压呈正比关系。如图: 据电极电流的高低，可测量溶液中氧的含量C。计算溶氧传递系数kL1/斜率溶氧电极法测定溶氧传递系数的特点：1） 测得实际发酵系统中的溶氧系数。溶氧系数的换算kd 以氧分压差为传氧推动力的体积溶氧系数。Nv = kd (pp*) 对于亚硫酸盐法，液相溶氧浓度C0，与之相平衡的气相氧分压 p*= H C = 0故 C*0.21 mmol/L，p0.21 atmkd Nv / 0.21 (mol/mL.min.atm)kL6107kd五 kL与设备参数及操作变量的关系式建立关系式的目的：可根据模型设备的kL，进行比拟放大，设计大的设备1 Richard关系式（适合2.58500L通气搅拌罐）kL=K(Pg/V)0.4vs0.5 N 0.5 K设备的形状系数Pg/V搅拌轴功率(马力/米3)vs空截面气流速度（cm/min）N转速（r/min）2 福田秀雄修正式（100L42m3通气搅拌罐）kd = (2.36 +3.30 Ni) (Pg/V)0.56 vs0.7 N 0.7109 kd以氧分压为推动力的体积溶氧系数mol/mL.min.atm(pO2) Ni搅拌涡轮只数（个）Pg单只搅拌器的搅拌功率（KW）V培养液体积（m3）vs空截面气流速度（cm/min）N转速（r/min）六 影响传氧速率的因素N= NvkL(C*C)： 影响传氧速率的因素有kL和推动力（C*C）其中：与kL有关的为搅拌、空气线速度、空气分布器的形式和发酵液的黏度等；推动力（C*C）有关的是发酵液的深度、罐容、氧分压及发酵液的性质等。（一）与kL有关的因素11 搅拌可提高kL的机制： 大气泡打成小气泡，增加接触面积； 搅拌使气泡由直线运动变为螺旋上升，延长气液接触时间； 搅拌使菌体分散，避免结团，使固液接触面积增加，且减少菌体表面液膜厚度，利于氧的传递。12 搅拌器各项参数对kL的影响 搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距等2. 空气流速VskLVskL随通气量Q的增大而加大：Q增大，Vs增大，促进溶氧；但增加通气量Q，转速不变时，会使功率下降，则kL减小3 发酵液的黏度发酵液黏度增大，kL减小发酵液中泡沫的形成，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响氧传递加入消泡剂，使kL升高；但消泡剂过多，增加传质阻力，会使kL下降。（二）推动力（C*C）有关的因素1 发酵液的深度发酵罐的H/D之比：1增加到2，kL增加40，2增加到3，kL增加20；但H/D 过大，液柱压差过大，气泡体积缩小，使气液界面减小，kL下降。故：通风搅拌罐 H/D10，机械搅拌罐H/D2.54.02 罐容大罐容氧利用率710，小罐容氧利用率35大罐容气液接触时间长，氧溶解率高。故通风量Q与搅拌转速均低些3 氧分压 Nv = kd (pp*)提高空气中氧分压方法：提高罐压（5atm）增加罐中空气的溶解度 利用纯氧第三节 搅拌功率的计算一 搅拌器的型式1 螺旋桨式搅拌器：产生轴向流动，但对气泡分散效果较差2 园盘平直叶涡轮式搅拌器：产生径向流动，分散气泡效果好。适于各种流体的搅拌。3 园盘弯叶涡轮式搅拌器：产生径向流动，输出功率大。适于混合困难但溶氧要求不高的流体。4 园盘箭叶涡轮搅拌器：产生径向流动，同时有轴向流动。适于难混合且低剪切率的情况。二 搅拌功率的计算目的：选择电动机的依据（电机功率为搅拌功率的1.21.5倍）；确定溶解氧的重要指标；比拟放大和设计计算的基本依据；1 单只涡轮不通气条件下输入液体的搅拌功率Po计算1）输入液体的搅拌功率（简称轴功率）：克服介质阻力所需用的功率。电动机轴功率机械摩擦消耗功率输入液体的搅拌功率 2）搅拌功率决定于叶轮结构、尺寸、转速、流体的物性、挡板的尺寸数目等。Np = f (Re)Np（搅拌功率准数）机械搅拌的单位体积液体所受外力/单位体积液体的惯性力Re（搅拌雷诺准数）液体的惯性力/液体的黏滞力Np（搅拌功率准数）， Re（搅拌雷诺准数）可表示如下：K() Po无通气时搅拌器输入液体的功率（W） 液体密度 (kg/m3)液体粘度 (N.s/m2)Di涡轮直径(m)N涡轮转速(r/s)K,m由搅拌器的型式、挡板等决定3）绘制Np Re曲线（不同型式搅拌器，变化、Di和N，测出Po, 计算对应的Re、 Np，据Np Re描点绘图）当Re104时，随Re提高，Np为定值。如：园盘平直叶涡轮式搅拌器 Np6.2园盘弯叶涡轮式搅拌器 Np4.7园盘箭叶涡轮式搅拌器 Np3.74）计算 PoN3Di5 Np2 多只涡轮不通气条件下输入液体的搅拌功率Po计算1）功率增加程度与涡轮个数n、涡轮间距S均有关。依据实验测定： 若S0，实际为一组涡轮， Pn Po 若S（非牛顿流体取2Di；牛顿流体取2.5Di3.0Di），多个涡轮输出功率 Pn nPo若S介于以上两者间， Pn nPo 2）多个涡轮输出功率Pn经验计算式为： 两只涡轮：P2 = Po2 xx = 0.86(1+ S / Di )(1 S / HL0.9Di)0. 3三只涡轮：P3= Po3 yy = 0.86(1+ S / Di )(1 1.369S / HL0.9Di)0. 3P2 、P3两只、三只搅拌器的搅拌功率（W）；S搅拌器的间距(m)；Di搅拌器直径（m）；HL液柱的高度（m）。3 通气条件下输入液体的搅拌功率Pg计算通气条件下搅拌功率消耗 通气条件下的搅拌功率消耗，原因：液体的黏度和密度随发酵液中气泡混合而减小。1）Michel经验公式 (小型实验罐)PgC(Po2N Di3/ Q0. 56) 0.45 Pg 、Po通气、不通气时的搅拌功率（KW）；N搅拌器转速（r/min）；Di搅拌器直径（m）；Q通气量（m3/min）；C0.1562）Michel修正公式（福田秀雄 100L 42000L罐，适用于大罐40m3及以上） Pg2.2510-3 (Po2N Di3/ Q0. 08) 0. 39 Pg 、Po通气、不通气时的搅拌功率（KW）；N搅拌器转速（r/min）；Di搅拌器直径（cm）；Q通气量（ml/min）；求解通气下的机械搅拌功率Pg的过程： 1.计算Pg 时，可先算出Re，后确定出Np; 2.根据Np算出不通气下的Po; 3.求出Pg。例题：1.发酵罐工作容量12m3,罐径2.2m,通风量5m3/min,通气时搅拌功率11.6Kw,搅拌转速119r/min,反应器中氧c*=0.21mmol/L,试计算当液相中溶氧浓度分别为 0.48mg/L,2.4 mg/L, 4.8 mg/L时的溶氧速率。2.采用100L通用式发酵罐培养细菌，通风比为0.8L/L.min, kL=0.0417/s, 确保满足qo2 =8.89105 g /g.s(以氧/细胞计)，c=0.2mg/L, c*=7.3mg/L时达到供氧需求平衡，求此时的最大菌体浓度。3、某种细菌发酵罐。罐直径D1.8m；园盘六弯叶涡轮Di0.60m；一组涡轮。搅拌器转速N168 r/min ，通气量Q1.42 m3/min，罐压P1.5105Pa，液体密度1020 kg/m3，液体粘度1.96103 N.s/m2。求Pg。4、通用式发酵罐，已知罐径D液层高度HL=2.0m；园盘六箭叶涡轮Di0.66m；二只涡轮。搅拌器转速N120 r/min ，通风比0.5 m3/m3.min，液体密度1000 kg/m3，液体粘度1.0103 Pa.s。求发酵罐的搅拌功率。第五章 发酵罐的比拟放大（analog scale-up）（4学时）比拟放大的目的： 模型罐（model fermentor) 比拟放大 生产罐（production fermentor）。 使小型发酵试验所获的规律及数据在大生产中再现。比拟放大的依据： 1）传氧速度相等 2）比较搅拌桨叶顶端线速度 3) 通气培养下的单位体积液量的搅拌功率 4）混合时间相同 5）搅拌雷诺准数相同图：小型和大型