生物反应器设计基础PPT课件

1、生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一由图可见，生物反应器在生物过程中，具中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。 一般生化反应过程一般生化反应过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生 物 反 应 器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物第1页/共35页生物反生物反应应器器的角色的角色实验室规模实验室规模基础筛菌基础筛菌探讨最适操作探讨最适操作条件条件工厂规模工厂规模以经以经济效益为目标济效益为

2、目标生产生产第2页/共35页生物反应器的应用生物反应器的应用第3页/共35页第4页/共35页生物反应器设计的目标和原则生物反应器设计的目标和原则1 1、一个优良的生物反应器应具备的条件：、一个优良的生物反应器应具备的条件： 生物反应器的作用：生物反应器的作用：为细胞代谢提供一个适宜的物为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。更多需要的生物量或代谢产物。一个优良的生物反应器应具备：一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构严密的结构 良好的液体混合性能良好的液体混合性能 高的传质和传热速率高的传质

3、和传热速率 灵敏的检测和控制仪表灵敏的检测和控制仪表第5页/共35页2 2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。工艺要求以取得最大的生产效率。 3 3、生物反应器设计的重要方面包括：、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：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低使产品的质量高、成本低。生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能节能是设计是设计的一个

4、重要因素。的一个重要因素。生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的重要方面包括：1 1）改善生物催化剂；）改善生物催化剂；2 2）好的过程控制；）好的过程控制；3 3）好的无菌条件；）好的无菌条件；4 4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。 第6页/共35页4 4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：一些原则： 在培养系统的在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直不能直接连通；接连通； 尽量减少尽量减少法兰连接法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会

5、引，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；起法兰连接外移位，从而导致污染； 在可能的条件下，应采用在可能的条件下，应采用全部焊接结构全部焊接结构，所有焊接，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；点必须磨光，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。第7页/共35页（4）特殊要求的新型生物反应器特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基的研制开发，如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业因产品生产、细胞固定化

6、及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等反应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视的开发研制已获得广泛重视（5）降低设备投资方面，对）降低设备投资方面，对连续过程连续过程更加重视。连更加重视。连续生物反应器的主要问题是产物浓度低。随着生物续生物反应器的主要问题是产物浓度低。随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一克服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高产品浓度的方法。种达到高生产能力、高产品浓度的方法。第8页/共35页5

7、、生物反应器开发的趋势和未来方向、生物反应器开发的趋势和未来方向（1）开发）开发活性高、选择性好及寿命长活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂的生物催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术（2）改进生物反应器的）改进生物反应器的传质、传热传质、传热的方法的方法（3）生物反应器向）生物反应器向大型化和自动化大型化和自动化方向发展。反应器方向发展。反应器的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反应器在最佳条件下操

8、作成为可能使反应器在最佳条件下操作成为可能第9页/共35页生物反应器的主要研究内容：1、生物反应器中的传递特性。2、生物反应器的设计与放大。3、生物反应器的优化与控制。第10页/共35页生物反应器的分类：生物反应器的分类：1、根据所使用的生物催化剂的不同酶催化反应器和细胞生物反应器2、根据操作方式间歇式、连续式和半间歇式（或半连续式）3、根据细胞或组织生长代谢要求 厌气生物反应器 通气生物反应器 光照生物反应器 膜生物反应器4、根据反应物系在反应器内的流动与混合状态 全混流反应器和活塞流反应器5、根据反应器的结构特征 搅拌槽式、管式、塔式和膜式反应器等第11页/共35页生物反应器设计的基本内容

9、：生物反应器设计的基本内容： 1、选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定、选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式；反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式； 2、确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、物料、通气量、物料流量等；流量等； 3、计算出所需反应器体积，设计各种结构参数。、计算出所需反应器体积，设计各种结构参数。 第12页/共35页反应器设计的基本方程：反应器设计的基本方程：1、描述浓度变化的物料衡算式2、描述温度变化的能量衡算式3

10、、描述压力变化的动量衡算式 （生物反应器一般作恒压处理，可省去动量衡算生物反应器一般作恒压处理，可省去动量衡算）第13页/共35页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 剪切力问题第14页/共35页生化反应与一般化学反应的区别 1、生物反应存在着活细胞 2、参与反应的成分很多 3、生物反应受到众多环境因素的影响第15页/共35页细胞反应过程特征 细胞反应过程系：以细胞为反应主体的一

11、类生化反应过程。包括微生物反应和动植物细胞培养过程。 细胞反应过程主要特性：（1）细胞是反应过程的主体；（2）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系；（3）细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同：(一) 酶催化反应为分子水平上的反应，酶本身不进行再生产；(二) 在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都处于动态变化过程。第16页/共35页营养物（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：生物反应的质

12、量衡算 细胞反应的元素衡算：1 . 223 :H221 :O :N 1 :Cpbc rY pYa m d c sY nYb tY qY adYYpbpbpb第17页/共35页)2 . 2(32424324tsrlmqnppsb产物：基质：细胞：CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2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：ppbbsYYb 4ssppsbbaYY41pb1 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

13、原度为: N = 3, H = 1子数的分率。进入胞外产物中有效电分率；进入细胞的有效电子数电子数的分率；基质中传递到氧的有效pb第18页/共35页细胞反应过程的得率系数 对基质的细胞得率Yx/sSxx消耗基质的质量生成细胞的质量/sY 对氧的细胞得率Yx/oOxYOX消耗氧的质量生成细胞的质量/ 对基质的产物得率Yp/sSPYSP消耗基质的质量生成代谢产物的质量/ 对碳的细胞得率YCSXSXSXCYSxY/基质含碳量消耗基质的质量细胞含碳量生成细胞量第19页/共35页基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系)4 . 2(11max/ssxSXmYY)5 . 2(/max/ssxmY6 . 2

14、/max/max/ssxsxmYY比生长速率：生长速度大小的参数。3 . 2ddCXXCtrx维持的定义：式中YXS细胞对基质的得率； max/ sxY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：第20页/共35页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第21页/共35页8 . 2ddNtN9 . 2)ln(0tCCXX10. 22ln2lnmaxtd7 . 2ddCXtrXx在指数生长期，细胞量生长速度为：细胞数增长速度为：对

15、式2.7在t0t，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0.55h，而动物细胞max值小得多，动物细胞的倍增时间约15100h，植物细胞倍增时间约2474h。第22页/共35页 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11. 2maxSSSCKCMonod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

16、为比生长速率;max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 max/2时的限制性基质浓度。第23页/共35页有抑制的细胞生长动力学 基质抑制动力学XXSSXkKS2XSKSXSI对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：ISSSSXSXKCCKCCC2max总式中饱和常数XSSXsCCCK抑制常数2XSSSXICCCK细胞比生长速率为：xskC总xkCmax,而ISXSXSSXSSXSXSXxKCCCCCKCCCC2总12. 2/2maxISSSSKCCKC第24页/共35页对竞争性抑制，细胞比生长速率为：13. 21ImaxSSSSCKCKC对非竞争性抑制，细胞比生长速率为

17、：14. 21)(ImaxKCCKCSSSS第25页/共35页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SSSSCKCKCImax1Imax1)(KCCKCSSSSISSSSKCCKC/2maxSSSCKCmaxSmSCKCVmaxSImSCKCKCVImax1Imax1)(KCCKCVISmSIIISmSCKCCKCVmax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第26页/共35页 产物的抑制动力学15. 2IImaxPSSSCKKCKC16. 2maxPICKSSSeCKC17. 21maxmaxnPPSSSCCCKC几个经验公式：第27页/共35页产

18、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。XdtdCdtdCXP/产物形成动力学：CSCXCPt图2.2 Gaden类型第28页/共35页图2.2 Gaden模型分类XdtdCP/XXdtdCP/XdtdCP/CSCXCPt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

19、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。CSCXCPtCSCXCPt第29页/共35页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：18. 2XkdtdCdX根据Arrhenius方程，有：19. 2/XeAAedtdCRTERTEXdaRTEaAeRTEddeAk所以：图2.3 E.coli生长速率的Arrhenius图第30页/共35页生物反应器的质量传递气泡滞流区 气-液界面液相主体液-细胞团界面滞流区 细胞团 细胞膜 细胞 生化反应 COGCOLCOS液液相相气气相相固固相相膜厚：GL1传质系数：kGkL1kL2L2COZ图2.4 氧从气泡传递到细胞的示意图图2.5 氧从气泡传递到细胞的示意图 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