第四章生物反应器总论

第四章生物反应器总论第1页，课件共39页，创作于2023年2月第一节生物反应器概述第二节生物反应器设计基础第三节生物反应器的检测和控制第2页，课件共39页，创作于2023年2月一、生物反应器在生产中的地位和作用概念：对生物有机体进行有控制的培养以生产某种成品，或进行特定反应的容器。生物反应器的作用和地位：就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。在生物工业生产中居于核心地位，是连接原料和成品的桥梁，是生物技术能够工业化的关键因素。第3页，课件共39页，创作于2023年2月二、生物反应器的类型

按反应器内流型分：理想（柱塞流、全混流）、非理想按操作方式分：间歇、连续、半连续按结构特征分：罐式、管式、塔式、膜式按反应器内相态分：均相、非均相按反应器内有机种类分：微生物、植物细胞、动物细胞、酶按反应器内气液混合方式分：机械搅拌混合、泵循环混合、直接通气混合、连续气相按是否通氧分：通风发酵设备、嫌气发酵设备第4页，课件共39页，创作于2023年2月三、生物反应器的发展趋势大型化；动植物细胞培养反应器得到较大发展；使用计算机技术。第5页，课件共39页，创作于2023年2月四、一般生物反应器的结构原理一般生物反应器指机械搅拌罐式反应器：有较低的制造成本和操作成本；大部分生物有机体都可以使用这种反应器进行培养。结构：罐体、搅拌装置、换热器、除沫装置、气体和物料进出口以及检测和调节装置第6页，课件共39页，创作于2023年2月一、生物反应器的化学计量基础二、生物反应器的生物学基础三、生物反应器的质量传递第7页，课件共39页，创作于2023年2月（一）物料衡算

对于反应基质和产物做物料衡算:对细胞做物料平衡:第8页，课件共39页，创作于2023年2月（二）能量衡算

如果反应为放热反应，则等号右边第二项取负号；如果为吸热反应，则应取正号。

衡算式根据各自的守恒定律，均符合下列模式：

第9页，课件共39页，创作于2023年2月(一)分批培养中细胞的生长第10页，课件共39页，创作于2023年2月1、延滞期：适应阶段2、指数生长期：细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比

td=ln2/µ=0.693/µµ=0.693/td

td——细胞的倍增时间

µ——比生长速率指数期有效第11页，课件共39页，创作于2023年2月3、减速生长期：细胞浓度的增加逐渐减慢

莫诺德方程：表示当某一种营养物质限制某种生物生长时，生物的生长与该营养物浓度的关系。µ=µmS/(KS+S)当S»KS时,µ=µm，当KS=S时，µ=µm/2KS——营养物质饱和常数、莫诺德常数

数值上等于µ达到µm一半时的营养物质浓度，大小表示了生物对营养物质的偏爱程度，数值越大，生物对这种物质越不偏爱，反之亦然。

第12页，课件共39页，创作于2023年2月4、平衡期：细胞浓度达到最大值5、衰亡期：死亡速率超过生长速率，细胞浓度增速下降

X=Xme-atXm——平衡期细胞浓度，kg/m3a——细胞比死亡速率，s-1t——进入衰亡期时间，s第13页，课件共39页，创作于2023年2月(二)产物形成动力学方程产物的生成形式：a主要产物是能量代谢的结果；b主要产物是能量代谢的间接结果；c产物是二次代谢物；d产物是胞内或胞外蛋白。

第14页，课件共39页，创作于2023年2月柠檬酸合成途径葡萄糖丙酮酸柠檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途径氧化脱羧羧化第15页，课件共39页，创作于2023年2月4种细胞产物合成动力学简分为三类：1、生长偶联型：产物合成在生长过程中出现

dP/dt=αdX/dt2、非生长偶联型：产物合成出现在细胞生长完成后dP/dt=βX3、混合生长偶联型：dP/dt=αdX/dt+βX第16页，课件共39页，创作于2023年2月产物形成动力学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：Ⅰ图2.2Gaden类型Ⅰ第17页，课件共39页，创作于2023年2月ⅡⅢ图2.2Gaden模型分类类型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。Ⅰ第18页，课件共39页，创作于2023年2月在普通气-液反应器中，低溶解度气体传递是最明显的问题。从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；通过气液界面；从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主流；液相溶解氧的传递；从液相主流扩散通过包围细胞的液膜到达细胞表面；氧通过细胞壁；微生物细胞内氧的传递第19页，课件共39页，创作于2023年2月双膜理论：①相互接触的气、液两相存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜层，在气相的一侧称为气膜，液相的一侧叫做液膜。氧气以扩散的形式通过此二膜层。②在相界面处，气、液两相达到平衡。③在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度基本相等，全部浓度变化集中在两个膜层内。第20页，课件共39页，创作于2023年2月渗透扩散理论：

渗透扩散理论对双膜理论进行了修正，认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程，液膜内氧边扩散边被吸收，氧浓度分布随时间变化。第21页，课件共39页，创作于2023年2月表面更新理论：

表面更新理论又对渗透扩散理论进行了修正，认为液相各微元中气液接触时间也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置换的几率是相等的。

第22页，课件共39页，创作于2023年2月氧气在发酵液的传递速率公式：Na=kLα(c*-c)kL——液相传质系数，m/sα——单位体积发酵液的气液界面面积，m2/m3c*——与气相氧分压p平衡的液相氧气浓度，mol/m3c——液相氧气浓度，mol/m3第23页，课件共39页，创作于2023年2月影响溶氧速率的关键因素：

氧的传递推动力(c*-c)体积溶氧系数kLαkLα

＝x(Pg/VL)y(vg)z

Pg——通气情况下的搅拌功率，WVL——发酵罐的装液量，m3vg——气体表面速率，m/s第24页，课件共39页，创作于2023年2月提高推动力只能增加氧气的饱和浓度c*。办法：降低培养液黏度；通入富氧空气；提高生物反应器内压力。工业生产上常采用稀释培养液的办法。第25页，课件共39页，创作于2023年2月1、机械搅拌2、培养液净体积：净体积越小，溶氧系数越大3、气体的表面速率：速率越大，溶氧系数越大。过载现象：培养液的通气量超过一定的限度，搅拌将带动大量的气泡空转，无法有效的将空气分散到发酵液中，即所谓的过载现象。4、搅拌罐内部结构：加挡板5、发酵液性质：加少量电解质6、消泡剂：双重作用第26页，课件共39页，创作于2023年2月

生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数即：生物反应进程中的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等；生物反应器进程中的化学条件，如液相pH、氧气和二氧化碳的浓度等；生物反应器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。第27页，课件共39页，创作于2023年2月检测方法及仪器组成

一般在线检测，核心仪器：传感器。离线检测，从反应器中取样，用仪器分析或化学分析方法检测。第28页，课件共39页，创作于2023年2月1、温度检测：铂电阻温度计2、压强检测：隔膜式压力表3、液位和泡沫高度检测：液位检测：电容法和压差法泡沫高度检测：电极探针测定法4、培养基和液体流量测定：流量计5、气体流量计：体积和质量流量型6、发酵液黏度检测：取样，黏度计检测第29页，课件共39页，创作于2023年2月7、搅拌转速和搅拌功率：搅拌转速：磁感应式、光感应式、测速发电机搅拌功率：测定驱动电动机的电压与电流，或直接测定电机搅拌功率8、pH的测量：玻璃氢电极9、溶氧浓度的检测：溶氧电极法10、溶解二氧化碳的检测：二氧化碳测量电极

第30页，课件共39页，创作于2023年2月11、氧化还原电位测定：复合电极12、尾气中O2含量的分析：顺磁氧分析仪尾气中CO2含量测定：红外CO2分析仪13、细胞浓度测定：全细胞浓度：流通式浊度计活细胞浓度：荧光活细胞浓度检测仪14、发酵液中营养成分与产物的分析用微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器取样，再用HPLC或GC等仪器或化学方法检测。第31页，课件共39页，创作于2023年2月生物反应器的控制

生物反应过程主要参数的控制1、温度的控制小规模的生物反应器：电加热器和外部冷水冷却较大的生物反应器：内置换热器2、溶氧浓度的控制氧气浓度的控制可从四个方面着手：增加搅拌速度，最有效；增加空气的鼓入速度；增加鼓入气体中氧气的浓度；增加反应器内氧气的分压。四种方法常常结合使用第32页，课件共39页，创作于2023年2月第33页，课件共39页，创作于2023年2月第34页，课件共39页，创作于2023年2月3、pH的控制：向反应器内滴加酸或碱4、泡沫的控制化学消泡：消泡剂机械消泡：安装在搅拌轴上的消沫碟片第35页，课件共39页，创作于2023年2月第36页，课件共39页，创作于2023年2月5、生物体浓度的控制根据溶氧浓度判断和控制：溶氧浓度低于临界值