生物工程设备

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 课程作用与任务 生物工程设备 作用 IndustrialFermentationSetting 课程内容 生物工程设备 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 目的与要求 掌握生物工程的设备流程 设备结构及工作原理 主要设备的设计计算及选型 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设备问题的能力 了解国内外生物工程与设备的新技术 新设备及发展动向 掌握生物反应器的设计基础 LaboratoryprocessdevelopmentShakeFlaskExperiments 第一章生物反应器设计基础 生物反应器的设计要以生物体为中心需要两方面的知识化学工程 反应器的传热 传质的性能 剪切力 凝聚成颗粒现象 通气生物工程方程 生物体的生长特性和要求 生物体不同阶段对温度 溶氧 pH的要求 无菌要求 生物反应器的分类按目的分 1 生产细胞2 细胞的代谢产物3 酶催化得到的产物按培养类型分类 动植物细胞 组织 酶 微生物的培养和发酵 生物反应器设计基础 常用生物反应器 1 厌气生物反应器2 通气生物反应器 又可分为搅拌式 气升式 自吸式3 光照生物反应器4 膜生物反应器 可分为非循环式 内循环式 外循环式生物反应器 生物反应器设计基础 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 传质气 液传质液体 微生物传质传热剪切力问题 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因而质量和能量守恒定律间的关系复杂 生物反应器设计基础 三者关系 化学计量学是反应器设计的关键之一 为介质的合理设计提供基本数据质量衡算和化学计量关系可判断过程运行的好坏 并获得间接测量的数据最后结合热力学关系 可推断出给定系统的得率 生物反应器设计基础 营养物 C源 N源 O2 无机盐类等 细胞 代谢产物 产物 CO2 H2O等 CHmOl aNH3 bO2 YbCHpOnNq 生物量 YpCHrOsNt 产物 cH2O dCO2 对化学方程式进行元素衡算 得下列方程组 生物反应的质量衡算 细胞反应的元素衡算 CHmOl aNH3 bO2 YbCHpOnNq 生物量 YpCHrOsNt 产物 cH2O dCO2 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 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 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 对基质的产物得率Yp s 对碳的细胞得率YC 基质的细胞得率Yx s与比生长速率的关系 比生长速率 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 比生长速率 无产物时 基质的线性方程 式中 合成单位细胞的基质消耗速率 单位细胞的产物生产率 有产物时 基质的线性方程 若知道得率 可得所需氨量和氧量 及所产生的CO2和水同样进气 排气和氮消耗量的测量有助于确定得率其他 根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程根据ATP的形成与产率相关 生物量直接与生成能量基质产生的ATP相关 由此确立一系列关系 细胞内营养基质的消耗一部分用于生长 一部分用于产物形成 一部分用于维持生命活动维持能的具体表现是 变形蛋白的变换 保持最佳的胞内pH 抗衡通过细胞膜的主动运输 无用循环及运动所需能量 第二节生物反应器的生物学基础 前言 生物反应器的设计和优化 必须首先确定生物量 基质及产物浓度的变化速率 细胞生长 细胞数分布 产物合成 基质消耗等数据对运行的预报 控制及系统优化了解环境参数 pH 温度 化学成分等 如何影响系统的动力学 一 细胞数动力学 细胞生长动力学模型微生物细胞在生长过程中需经历以下生长阶段 没有产物抑制和传递抑制 停滞期对数生长期减速期平衡期衰退期 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 微生物细胞 max值较大 倍增时间约0 5 5h 而动物细胞 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 Monod方程 无抑制的细胞生长动力学 无抑制的细胞生长动力学 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 式中 为比生长速率 max为最大比生长速率 CS为限制性基质浓度 KS为饱和常数 当 max 2时的限制性基质浓度 有抑制的细胞生长动力学 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 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 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 产物的抑制动力学 几个经验公式 三 产物形成动力学方程 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 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 相关模型 是指产物的生成与细胞的生长相关的过程 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 产物形成动力学 图2 2Gaden类型 图2 2Gaden模型分类 类型 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 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 存在产物抑制作用 生长速率公式可表示为 Rx 反应速率K 常数积分 对于丝状微生物如霉菌等 在悬浮培养时常形成微生物小球 小球内部生长的细胞受到扩散的抑制它的生长模型常包括大颗粒 类似包埋或凝胶固定化细胞 中颗粒的同时扩散和营养消耗其次 丝状细胞还可在潮湿的固体表面生长 因而生长过程复杂 包括生长动力学 营养的扩散和有毒的代谢副产物 二 生长动力学方程 1 Monod方程 生物生长过程的基质传递速率 对于球形细胞 细胞的面积 体积比为 6 dc 单位反应体积的细胞面积 Ac V 为 形成球形细胞不同 可将基质传递速率方程改为 根据生物量对基质得率的定义 受质量传递控制的过程速率为 高基质浓度时 uhm对反应速率的影响可以忽略 u umax 但低浓度时 uhm可成为速率控制因素一般情况下存在以下公式 假设细胞壁上的基质浓度S Sc 则上式可变为相当于monod公式 在基质限制的范围内 uhm umax 此时基质浓度为 2 其他生长动力学方程Monod方程式只描述生长慢 细胞浓度低时基质限制生长的生长速率 高细胞浓度 有毒代谢产物时方程式需做改变Blackman 简单的将Ks加倍 取消monod方程中给出的指数生长和减数生长间的平滑转变 Blackman方程 Tessier方程Moser方程 Contois方程 它适合于比生长速率随细胞质量增加而减少时的高密度培养方程 3 多基质时的生长动力学方程此时也是其中一种被作为主要的能源或碳源 只有当这种基质被耗尽时 另一种基质消耗所需要的酶系统才能发展起来 采用葡萄糖和半乳糖为碳源建立分批培养细胞生长模型时 有 当营养不作任何改变时 原本存在的基质中不同的一个变成限制因素 如C N O2 umax不会发生变化 此时i 可以限制生长的营养物 G代表碳源 N 代表氮源 O 代表氧 四 高浓度基质及产物的抑制动力学 高浓度的基质可抑制生长和产物合成描述此现象的两个非竞争性抑制方程 对于竞争性抑制方程与酶动力学方程相类似 高浓度产物对生长的抑制方程为 P 产物浓度Kp 产物抑制平衡常数 若产物合成采用依赖于基质浓度的混合生长偶联模型表达 有 产物抑制可用好几种方法包括 上式n1通常大于1而0Pmax时 上式和下式已成功用于模拟柠檬酸的合成 五 环境因素对生长和代谢的影响 生物反应器中的大部分微生物是中温菌 20 T 或嗜热菌 T 50 温度向最适温度方向增加时 每增高10 生长速率大约增加一倍 超过最适温度 生长速率下降 最后出现热死 环境因素对生长及代谢的影响 温度 pH值 在适宜的温度范围内 细胞净增长率方程为 根据Arrhenius方程 有 所以 图2 3E coli生长速率的Arrhenius图 pH也会影响微生物的生长 通常发酵都是在最适pH范围内或附近 大多数微生物可接受的pH范围在最佳值左右1 2单位 总的pH变化范围可达3 4个单位生长最适pH与产物形成最适pH是不同的 哺乳动物对pH变化非常敏感 发酵过程中pH值常随基质特性而改变 尤其是氮源 随着发酵氨被细胞利用 pH将下降 第三节生物反应器的质量传递 质量传递在选择反应器形式 搅拌式 鼓泡式 气升式等 生物催化剂状态 悬浮或固定化细胞 和操作参数 通气率 搅拌速度 温度 中起决定性的作用 反应器中微生物的活动与质量传递及微生物的热量扩散相联系基质和代谢物的扩散必须要满足以反应器为整体的化学计量和质量衡算物质从实际化学反应点传递或传递到实际化学反应点的速率 可影响甚至掩饰化学转化的真实速率 好氧微生物的物质传递包括两个方面 气 液相之间的传递液相和微生物之间的传递凝聚细胞还包括热和质量从液体传到凝聚物 再传到凝聚物内部对固定化细胞还有一个到达细胞表面的过程 生物反应器的质量传递 生物反应体系中的氧传质模型 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 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 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 五 液体 微生物之间的质量传递 细胞所需基质扩散通过环绕它的边界层 然后进入细胞进行反应要弄清关键步骤是在细胞内还是在细胞周围这样能预测流体物理特性可能对过程速率的影响 六 微生物活性对吸收率的增强作用 在表面通气搅拌罐中 当质量传递系数kl较小时 氧的吸收速率将被微生物的活性所增强 微生物的分布也是一个影响因素 尤其是当表面浓度远大于主体内的浓度时 在传统的通气罐 搅拌罐和鼓泡塔中 质量传递系数相对较高 微生物所消耗的氧对氧的传递速率不会加强尤其是在非常黏的发酵条件下须考虑微生物活性对吸收率的影响 七 粒子间的质量传递 当微生物凝结成絮状 小丸状或固定于一固体支撑物上时 需考虑粒子间的质量传递关系1 扩散限制将对生物催化造成影响2 扩散限制可成为过程设计者的人工控制手段 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 基质消耗过程的热平衡 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 QA 单