生物工程設(shè)備（課堂PPT）

1、生物工程設(shè)備 緒論 生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ) 生物反應(yīng)器 檢測控制及放大 物料處理設(shè)備 產(chǎn)物分離純化設(shè)備 輔助系統(tǒng)設(shè)備生物技術(shù)的原理生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化課程作用與任務(wù)生物工程設(shè)備 作用 任務(wù) 生物工程設(shè)備的最佳設(shè)計和最適選型，滿足現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的需要；研究開發(fā)新型生物工程設(shè)備，使生產(chǎn)過程大型化、多樣化、連續(xù)化和自動化典型的分批發(fā)酵工藝流程圖菌種提純瓊脂斜面接種搖瓶蒸汽鍋爐空氣壓縮機(jī)種子培養(yǎng)種子罐無菌空氣空氣過濾器通氣生物反應(yīng)主要發(fā)酵罐pH調(diào)節(jié)液蒸汽滅菌連消裝置培養(yǎng)基配料罐培養(yǎng)基原料培養(yǎng)基配料去菌體分離及后處理檢測控制成品？活體生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)基因牛活體生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)基因牛機(jī)械攪拌反應(yīng)器機(jī)械攪拌反應(yīng)器植物細(xì)胞

2、培養(yǎng)器植物細(xì)胞培養(yǎng)器Industrial Fermentation Setting課程內(nèi)容生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器檢測控制及放大檢測控制及放大物料處理設(shè)備物料處理設(shè)備產(chǎn)物分離純化設(shè)備產(chǎn)物分離純化設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備目的與要求 掌握生物工程的設(shè)備流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理，主要設(shè)備的設(shè)計計算及選型。 初步具有獨(dú)立分析和解決試驗(yàn)研究及工業(yè)生產(chǎn)上的工程設(shè)備問題的能力。 了解國內(nèi)外生物工程與設(shè)備的新技術(shù)、新設(shè)備及發(fā)展動向。 掌握生物反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)。Laboratory process developmentShake Flask Expe

3、riments第一章第一章 生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物生物反應(yīng)器反應(yīng)器的設(shè)計要以的設(shè)計要以生物體生物體為中心為中心需要兩方面的知識需要兩方面的知識化學(xué)工程化學(xué)工程：反應(yīng)器的傳熱，傳質(zhì)的性能，反應(yīng)器的傳熱，傳質(zhì)的性能，剪切力，凝聚成顆?，F(xiàn)象，通氣剪切力，凝聚成顆?，F(xiàn)象，通氣生物工程方程生物工程方程：生物體的生長特性和要求，生物體的生長特性和要求，生物體不同階段對溫度，溶氧生物體不同階段對溫度，溶氧,pH的要的要求，無菌要求求，無菌要求 生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器的分類按目的按目的分：分： 1。生產(chǎn)。生產(chǎn)細(xì)胞細(xì)胞 2。細(xì)胞的。細(xì)胞的代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物 3。酶催化得到的產(chǎn)物酶催化得到的產(chǎn)

4、物 按按培養(yǎng)類型培養(yǎng)類型分類：分類： 動植物細(xì)胞動植物細(xì)胞,組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā)組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā)酵酵生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ) 常用生物反應(yīng)器：常用生物反應(yīng)器： 1）厭氣生物反應(yīng)器厭氣生物反應(yīng)器 2）通氣生物反應(yīng)器通氣生物反應(yīng)器，又可分為攪拌式，氣，又可分為攪拌式，氣升式，自吸式升式，自吸式 3）光照生物反應(yīng)器光照生物反應(yīng)器 4）膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器：可分為非循環(huán)式，內(nèi)循：可分為非循環(huán)式，內(nèi)循環(huán)式，外循環(huán)式生物反應(yīng)器環(huán)式，外循環(huán)式生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ) 化學(xué)計量基礎(chǔ) 生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 生物反應(yīng)過程的得率

5、系數(shù) 生物學(xué)基礎(chǔ) 細(xì)胞數(shù)動力學(xué) 無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué) 有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué) 產(chǎn)物形成動力學(xué) 環(huán)境因素對生長及代謝的影響 傳質(zhì) 氣-液傳質(zhì) 液體-微生物傳質(zhì) 傳熱 剪切力問題 生化反應(yīng)的特點(diǎn)：活細(xì)胞生化反應(yīng)的特點(diǎn)：活細(xì)胞 多營養(yǎng)成分多營養(yǎng)成分 多途徑代謝多途徑代謝 催化劑為蛋白質(zhì)組分的酶催化劑為蛋白質(zhì)組分的酶 因而質(zhì)量和能量守恒定律間的關(guān)系復(fù)雜因而質(zhì)量和能量守恒定律間的關(guān)系復(fù)雜生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ) 三者關(guān)系：三者關(guān)系： 化學(xué)計量學(xué)是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵之一化學(xué)計量學(xué)是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵之一， 為介質(zhì)的合理設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)為介質(zhì)的合理設(shè)計提供基本數(shù)據(jù) 質(zhì)量衡算和化學(xué)計量關(guān)系可判斷過程

6、運(yùn)質(zhì)量衡算和化學(xué)計量關(guān)系可判斷過程運(yùn)行的好壞行的好壞，并獲得間接測量的數(shù)據(jù)，并獲得間接測量的數(shù)據(jù) 最后結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，可最后結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，可推斷出給定系統(tǒng)推斷出給定系統(tǒng)的得率的得率生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)營養(yǎng)物（C源、N源、O2、無機(jī)鹽類等）細(xì)胞+代謝產(chǎn)物（產(chǎn)物、C O2、 H2O等）CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (產(chǎn)物)+ c H2O + dC O2對化學(xué)方程式進(jìn)行元素衡算，得下列方程組：生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算 細(xì)胞反應(yīng)的元素衡算：1 . 223 :H221 :O :N 1 :Cpbc rY pYa m d c sY nY

7、b tY qY adYYpbpbpb)2 . 2(32424324tsylmqnppsb產(chǎn)物：基質(zhì)：細(xì)胞：CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (產(chǎn)物)+ c H2O + dC O2根據(jù)細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度可以列出有效電子平衡方程：ppbbsYYb 4ssppsbbaYY41pb1 還原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效電子當(dāng)量數(shù)。 化合物中任何元素的還原度等于該化合物的化合價。例如：NH3中氮、氫的還原度為: N = 3, H = 1子數(shù)的分率。進(jìn)入胞外產(chǎn)物中有效電分率；進(jìn)入細(xì)胞的有效電子數(shù)電子數(shù)的分率；基質(zhì)中傳遞到氧的有效pb細(xì)胞反應(yīng)

8、過程的得率系數(shù) 對基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/sSxx消耗基質(zhì)的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/sY 對氧的細(xì)胞得率Yx/oOxYOX消耗氧的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/ 對基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/sSPYSP消耗基質(zhì)的質(zhì)量生成代謝產(chǎn)物的質(zhì)量/ 對碳的細(xì)胞得率YCSXSXSXCYSxY/基質(zhì)含碳量消耗基質(zhì)的質(zhì)量細(xì)胞含碳量生成細(xì)胞量基質(zhì)的細(xì)胞得率基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s與比生長速率的關(guān)系與比生長速率的關(guān)系)4 . 2(11max/ssxSXmYY)5 . 2(/max/ssxmY6 . 2/max/max/ssxsxmYY比生長速率：生長速度大小的參數(shù)。3 . 2ddCXXCtrx維持的定義：式中YXS細(xì)胞對基質(zhì)的得率； max

9、/ sxY最大得率；ms 維持系數(shù)； 比生長速率。無產(chǎn)物時，基質(zhì)的線性方程：式中合成單位細(xì)胞的基質(zhì)消耗速率；單位細(xì)胞的產(chǎn)物生產(chǎn)率。有產(chǎn)物時，基質(zhì)的線性方程： 若知道若知道得率得率，可得，可得所需氨量和氧量，及所所需氨量和氧量，及所產(chǎn)生的產(chǎn)生的CO2和水和水 同樣同樣進(jìn)氣，排氣和氮消耗量進(jìn)氣，排氣和氮消耗量的測量有助于的測量有助于確定確定得率得率 其他：其他： 根據(jù)基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度列出根據(jù)基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度列出電子平衡方程電子平衡方程 根據(jù)根據(jù)ATP的形成與產(chǎn)率相關(guān)的形成與產(chǎn)率相關(guān)(生物量直接與生物量直接與生成能量基質(zhì)產(chǎn)生的生成能量基質(zhì)產(chǎn)生的ATP相關(guān)相關(guān))由此確立一系由此確立一系列關(guān)系列關(guān)系

10、 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)基質(zhì)的消耗營養(yǎng)基質(zhì)的消耗一部分用于一部分用于生長生長，一部分用于一部分用于產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成，一部分用于，一部分用于維持生維持生命活動命活動 維持能維持能的具體表現(xiàn)是：的具體表現(xiàn)是： 變形蛋白的變換，保持最佳的胞內(nèi)變形蛋白的變換，保持最佳的胞內(nèi)pH，抗衡通過細(xì)胞膜的主動運(yùn)輸，無用循，抗衡通過細(xì)胞膜的主動運(yùn)輸，無用循環(huán)及運(yùn)動所需能量環(huán)及運(yùn)動所需能量第二節(jié)生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ) 前言： 生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化，必須首先確定生生物量物量，基質(zhì)及產(chǎn)物濃度的變化速率基質(zhì)及產(chǎn)物濃度的變化速率，細(xì)胞生長，細(xì)胞生長，細(xì)胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質(zhì)消

11、耗等數(shù)據(jù)對運(yùn)行細(xì)胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質(zhì)消耗等數(shù)據(jù)對運(yùn)行的預(yù)報，控制及系統(tǒng)優(yōu)化的預(yù)報，控制及系統(tǒng)優(yōu)化 了解環(huán)境參數(shù)（了解環(huán)境參數(shù)（pH,溫度，化學(xué)成分等）溫度，化學(xué)成分等）如何影響系統(tǒng)的動力學(xué)一。細(xì)胞數(shù)動力學(xué)一。細(xì)胞數(shù)動力學(xué) 細(xì)胞生長動力學(xué)模型細(xì)胞生長動力學(xué)模型 微生物細(xì)胞在生長過程中需經(jīng)歷以下微生物細(xì)胞在生長過程中需經(jīng)歷以下生長階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制）生長階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制） 停滯期停滯期 對數(shù)生長期對數(shù)生長期 減速期減速期 平衡期平衡期 衰退期衰退期細(xì)胞數(shù)動力學(xué)細(xì)胞生長分為幾個階段：停滯期、對數(shù)生長期、減速期、平衡期和死亡期。圖2.1 典型的細(xì)菌生長曲線8 . 2ddN

12、tN9 . 2)ln(0tCCXX10. 22ln2lnmaxtd7 . 2ddCXtrXx在指數(shù)生長期，細(xì)胞量生長速度為：細(xì)胞數(shù)增長速度為：對式2.7在t0t，X0 X積分，得：由式2.9，得倍增時間td： 微生物細(xì)胞max值較大，倍增時間約0.55h，而動物細(xì)胞max值小得多，動物細(xì)胞的倍增時間約15100h，植物細(xì)胞倍增時間約2474h。 Monod方程(無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué))：無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)11. 2maxSSSCKCMonod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)為：(1) 細(xì)胞的生長為均衡式生長；(2) 培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生

13、長；(3) 細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。 Monod方程僅適用于細(xì)胞生長較慢和細(xì)胞密度較低的環(huán)境下。 式中為比生長速率;max為最大比生長速率;CS為限制性基質(zhì)濃度;K S為飽和常數(shù), 當(dāng) max/2時的限制性基質(zhì)濃度。有抑制的細(xì)胞生長動力學(xué) 基質(zhì)抑制動力學(xué)XXSSXkKS2XSKSXSI對反競爭性抑制，其抑制機(jī)理可假設(shè)為：ISSSSXSXKCCKCCC2max總式中飽和常數(shù)XSSXsCCCK抑制常數(shù)2XSSSXICCCK細(xì)胞比生長速率為：xskC總xkCmax,而ISXSXSSXSSXSXSXxKCCCCCKCCCC2總12. 2/2maxISSSSKCCKC對競爭性抑制

14、，細(xì)胞比生長速率為：13. 21ImaxSSSSCKCKC對非競爭性抑制，細(xì)胞比生長速率為：14. 21)(ImaxKCCKCSSSS類型米氏公式細(xì)胞生長動力學(xué)無抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制SSSSCKCKCImax1Imax1)(KCCKCSSSSISSSSKCCKC/2maxSSSCKCmaxSmSCKCVmaxSImSCKCKCVImax1Imax1)(KCCKCVISmSIIISmSCKCCKCVmax表2.1 有無抑制的酶促反應(yīng)動力學(xué)和細(xì)胞生長動力學(xué)比較 產(chǎn)物的抑制動力學(xué)15. 2IImaxPSSSCKKCKC16. 2maxPICKSSSeCKC17. 21maxmaxn

15、PPSSSCCCKC幾個經(jīng)驗(yàn)公式：三。產(chǎn)物形成動力學(xué)方程三。產(chǎn)物形成動力學(xué)方程 產(chǎn)物形成方式：產(chǎn)物形成方式： 1）是能量代謝的結(jié)果）是能量代謝的結(jié)果，如酵母酒精發(fā)酵，如酵母酒精發(fā)酵 2）能量代謝間接結(jié)果）能量代謝間接結(jié)果：檸檬酸合成：檸檬酸合成 3）二次代謝物）二次代謝物：青霉素生產(chǎn)：青霉素生產(chǎn) 4）產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白）產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白，這屬于蛋白合成，這屬于蛋白合成領(lǐng)域，可受到誘導(dǎo)和分解代謝抑制調(diào)節(jié)，如酶的領(lǐng)域，可受到誘導(dǎo)和分解代謝抑制調(diào)節(jié)，如酶的合成合成產(chǎn)物形成動力學(xué) Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速度與細(xì)胞生長速度之間的關(guān)系，將代謝產(chǎn)物生成動力學(xué)分為三種類型： 類型(相關(guān)模型)：是指產(chǎn)物的

16、生成與細(xì)胞的生長相關(guān)的過程，產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。屬于此類型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生產(chǎn)等。XdtdCdtdCXP/產(chǎn)物形成動力學(xué)：CSCXCPt圖2.2 Gaden類型圖2.2 Gaden模型分類XdtdCP/XXdtdCP/XdtdCP/CSCXCPt類型(部分相關(guān)模型)：該類反應(yīng)產(chǎn)物的生成與基質(zhì)消耗僅有間接結(jié)果，產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。屬于此類型的有檸檬酸和氨基酸的生成。類型 (非相關(guān)模型)：產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長無直接聯(lián)系，產(chǎn)物是二次代謝物。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。CSCXCPtCSCXCPt 存在產(chǎn)物抑制作用存在產(chǎn)物抑制作用，生長速率公式可表示，生長

17、速率公式可表示為： Rx-反應(yīng)速率 K常數(shù) 積分： 對于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮培對于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮培養(yǎng)時常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長養(yǎng)時常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長的細(xì)胞受到的細(xì)胞受到擴(kuò)散的抑制擴(kuò)散的抑制 它的生長模型常包括大顆粒（類似包它的生長模型常包括大顆粒（類似包埋或凝膠固定化細(xì)胞）中顆粒的同時擴(kuò)埋或凝膠固定化細(xì)胞）中顆粒的同時擴(kuò)散和營養(yǎng)消耗散和營養(yǎng)消耗 其次其次,絲狀細(xì)胞還可在潮濕的固體表絲狀細(xì)胞還可在潮濕的固體表面生長，因而生長過程復(fù)雜，包括生長面生長，因而生長過程復(fù)雜，包括生長動力學(xué)，營養(yǎng)的擴(kuò)散和有毒的代謝副產(chǎn)動力學(xué)，營養(yǎng)的擴(kuò)散和有毒的代謝副產(chǎn)物物二。生長動力學(xué)

18、方程二。生長動力學(xué)方程 1。Monod方程 生物生長過程的基質(zhì)傳遞速率生物生長過程的基質(zhì)傳遞速率： 對于對于球形細(xì)胞球形細(xì)胞，細(xì)胞的，細(xì)胞的面積面積/體積比為體積比為（6/dc），單位反應(yīng)體積的細(xì)胞面積），單位反應(yīng)體積的細(xì)胞面積（Ac/V）為：）為： 形成形成球形細(xì)胞球形細(xì)胞不同，可將不同，可將基質(zhì)傳遞速基質(zhì)傳遞速率方程改為：率方程改為： 根據(jù)根據(jù)生物量對基質(zhì)得率生物量對基質(zhì)得率的定義，受的定義，受質(zhì)量質(zhì)量傳遞控制的過程速率傳遞控制的過程速率為：為： 高基質(zhì)濃度時，高基質(zhì)濃度時，uhm對反應(yīng)速率的影響可對反應(yīng)速率的影響可以忽略以忽略,u=umax，但低濃度時，但低濃度時，uhm可成為可成為速率

19、控制因素速率控制因素 一般情況下存在以下公式：一般情況下存在以下公式： 假設(shè)細(xì)胞壁上的基質(zhì)濃度假設(shè)細(xì)胞壁上的基質(zhì)濃度SSc，則上，則上式可變?yōu)橄喈?dāng)于式可變?yōu)橄喈?dāng)于monod公式：公式： 在基質(zhì)限制的范圍內(nèi)在基質(zhì)限制的范圍內(nèi),uhmumax，此時，此時基質(zhì)濃度為：基質(zhì)濃度為： 2。其他生長動力學(xué)方程。其他生長動力學(xué)方程 Monod方程式只描述生長慢，細(xì)胞濃度低時方程式只描述生長慢，細(xì)胞濃度低時基質(zhì)限制生長的生長速率?；|(zhì)限制生長的生長速率。 高細(xì)胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時方程式需做改高細(xì)胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時方程式需做改變變 Blackman：簡單的將：簡單的將Ks加倍加倍，取消，取消monod方程

20、中給出的指數(shù)生長和減數(shù)生長間的平滑轉(zhuǎn)變：方程中給出的指數(shù)生長和減數(shù)生長間的平滑轉(zhuǎn)變： Blackman方程： Tessier方程 Moser方程： Contois方程： 它適合于比生長速率隨細(xì)胞質(zhì)量增加而減少它適合于比生長速率隨細(xì)胞質(zhì)量增加而減少時的高密度培養(yǎng)方程時的高密度培養(yǎng)方程 3。多基質(zhì)時的生長動力學(xué)方程多基質(zhì)時的生長動力學(xué)方程 此時也是其中一種被作為主要的能此時也是其中一種被作為主要的能源或碳源，只有當(dāng)這種基質(zhì)被耗盡時，源或碳源，只有當(dāng)這種基質(zhì)被耗盡時，另一種基質(zhì)消耗所需要的酶系統(tǒng)才能發(fā)另一種基質(zhì)消耗所需要的酶系統(tǒng)才能發(fā)展起來展起來 采用采用葡萄糖和半乳糖為碳源葡萄糖和半乳糖為碳源建立

21、分批培建立分批培養(yǎng)細(xì)胞生長模型時，有：養(yǎng)細(xì)胞生長模型時，有： 當(dāng)營養(yǎng)不作任何改變時，原本存在的基當(dāng)營養(yǎng)不作任何改變時，原本存在的基質(zhì)中質(zhì)中不同的一個不同的一個變成限制因素（如變成限制因素（如C，N，O2），），umax不會發(fā)生變化，此時不會發(fā)生變化，此時 i-可以限制生長的營養(yǎng)物（可以限制生長的營養(yǎng)物（G代表碳源，代表碳源，N-代表氮源，代表氮源，O-代表氧）代表氧）四，高濃度基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動四，高濃度基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動力學(xué)力學(xué) 高濃度的基質(zhì)可高濃度的基質(zhì)可抑制抑制生長和產(chǎn)物合成生長和產(chǎn)物合成 描述此現(xiàn)象的兩個非競爭性抑制方程：描述此現(xiàn)象的兩個非競爭性抑制方程： 對于競爭性抑制方程與酶動力學(xué)

22、方程相對于競爭性抑制方程與酶動力學(xué)方程相類似類似 高濃度產(chǎn)物對生長的抑制方程為高濃度產(chǎn)物對生長的抑制方程為： P-產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度 Kp產(chǎn)物抑制平衡常數(shù)產(chǎn)物抑制平衡常數(shù) 若產(chǎn)物合成采用依賴于基質(zhì)濃度的混合若產(chǎn)物合成采用依賴于基質(zhì)濃度的混合生長偶聯(lián)模型表達(dá)，有生長偶聯(lián)模型表達(dá)，有： 產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括：產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括： 上式上式n1通常大于通常大于1而而0n2Pmax時，上式和下式已成功用于模時，上式和下式已成功用于模擬檸檬酸的合成：擬檸檬酸的合成： 21max1nnsPPSKSXdtdXdtdP五。環(huán)境因素對生長和代謝的影五。環(huán)境因素對生長和代謝的影響響 生物反應(yīng)器中的大部

23、分微生物是中溫菌生物反應(yīng)器中的大部分微生物是中溫菌（20TT）或嗜熱菌（或嗜熱菌（T50 ） 溫度向最適溫度方向增加時，每增高溫度向最適溫度方向增加時，每增高10 ，生長速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長速生長速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長速率下降，最后出現(xiàn)熱死率下降，最后出現(xiàn)熱死環(huán)境因素對生長及代謝的影響 溫度 pH值 在適宜的溫度范圍內(nèi)，細(xì)胞凈增長率方程為：18. 2XkdtdCdX根據(jù)Arrhenius方程，有：19. 2/XeAAedtdCRTERTEXdaRTEaAeRTEddeAk所以：圖2.3 E.coli生長速率的Arrhenius圖 pH也會影響微生物的生長，也會影響

24、微生物的生長，通常發(fā)酵通常發(fā)酵都是在最適都是在最適pH范圍內(nèi)或附近，范圍內(nèi)或附近，大多數(shù)微生大多數(shù)微生物可接受的物可接受的pH范圍在最佳值左右范圍在最佳值左右1-2單位，單位，總的總的pH變化范圍可達(dá)變化范圍可達(dá)3-4個單位個單位 生長最適生長最適pH與產(chǎn)物形成最適與產(chǎn)物形成最適pH是不同是不同的的，哺乳動物對，哺乳動物對pH變化非常敏感變化非常敏感 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中pH值常隨基質(zhì)特性而改變，尤值常隨基質(zhì)特性而改變，尤其是氮源，隨著發(fā)酵氨被細(xì)胞利用，其是氮源，隨著發(fā)酵氨被細(xì)胞利用，pH將將下降下降第三節(jié)生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞第三節(jié)生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞 質(zhì)量傳遞在選擇質(zhì)量傳遞在選擇反應(yīng)器形式反

25、應(yīng)器形式（攪拌式，攪拌式，鼓泡式，氣升式等鼓泡式，氣升式等），），生物催化劑生物催化劑狀態(tài)狀態(tài)（懸浮或固定化細(xì)胞懸浮或固定化細(xì)胞）和）和操作參數(shù)操作參數(shù)（通氣通氣率，攪拌速度，溫度率，攪拌速度，溫度）中起決定性的作用）中起決定性的作用 反應(yīng)器中反應(yīng)器中微生物的活動與質(zhì)量傳遞及微生物的活動與質(zhì)量傳遞及微生物的熱量擴(kuò)散相聯(lián)系微生物的熱量擴(kuò)散相聯(lián)系 基質(zhì)和代謝物的擴(kuò)散基質(zhì)和代謝物的擴(kuò)散必須要滿足以反應(yīng)必須要滿足以反應(yīng)器為整體的器為整體的化學(xué)計量和質(zhì)量衡算化學(xué)計量和質(zhì)量衡算 物質(zhì)物質(zhì)從實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)從實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)傳遞傳遞或傳遞到或傳遞到實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的速率，實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的速率，可影響可影響甚至掩飾

26、甚至掩飾化學(xué)轉(zhuǎn)化的真實(shí)速率化學(xué)轉(zhuǎn)化的真實(shí)速率 好氧微生物的物質(zhì)傳遞好氧微生物的物質(zhì)傳遞包括兩個方面：包括兩個方面： 氣氣-液相液相之間的傳遞之間的傳遞 液相和微生物液相和微生物之間的傳遞之間的傳遞 凝聚細(xì)胞凝聚細(xì)胞還包括熱和質(zhì)量從液體還包括熱和質(zhì)量從液體傳到凝聚物，再傳到凝聚物內(nèi)部傳到凝聚物，再傳到凝聚物內(nèi)部 對對固定化細(xì)胞固定化細(xì)胞還有一個到達(dá)細(xì)胞還有一個到達(dá)細(xì)胞表面的過程表面的過程生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞氣泡滯流區(qū) 氣-液界面液相主體液-細(xì)胞團(tuán)界面滯流區(qū) 細(xì)胞團(tuán) 細(xì)胞膜 細(xì)胞 生化反應(yīng) COGCOLCOS液液相相氣氣相相固固相相膜厚：GL1傳質(zhì)系數(shù)：kGkL1kL2L2COZ圖2.4 氧從氣泡

27、傳遞到細(xì)胞的示意圖圖2.5 氧從氣泡傳遞到細(xì)胞的示意圖 生物反應(yīng)體系中的氧傳質(zhì)模型雙膜理論：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞氣-液界面上（2）氧分子由氣相側(cè)通過擴(kuò)散穿過界面。（3）在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進(jìn)行傳遞。（5）擴(kuò)散通過生物細(xì)胞表面到液相滯流層傳遞進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)。 氧傳遞方程式)(OTRLccak 體積質(zhì)量傳遞系數(shù)kLa： 質(zhì)量傳遞比速率，在單位濃度差下，單位時間、單位界面面積所吸收的氣體。該系數(shù)由兩項(xiàng)產(chǎn)生：(1)質(zhì)量傳遞系數(shù)kL，它取決于流體的物理特性和靠近流體表面的流體動力學(xué)； (2)通氣反應(yīng)器單位有效體積的氣泡面積a。 質(zhì)量傳遞系數(shù)kL： 質(zhì)

28、量傳遞系數(shù)是基質(zhì)（或其他被傳遞的化合物）的質(zhì)量通量Ns與推動這一現(xiàn)象的梯度（濃度差）之間的比例因子：)(21LSSkNs 氧的傳遞速率： 用kLa的大小衡量發(fā)酵設(shè)備的通氣效率，實(shí)驗(yàn)室用搖瓶，其kLa值約為10100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其kLa值為200 1000h-1 。五。液體五。液體-微生物之間的質(zhì)量傳遞微生物之間的質(zhì)量傳遞 細(xì)胞所需基質(zhì)擴(kuò)散通過環(huán)繞它的邊界細(xì)胞所需基質(zhì)擴(kuò)散通過環(huán)繞它的邊界層，然后進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)層，然后進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng) 要弄清要弄清關(guān)鍵步驟關(guān)鍵步驟是在是在細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)還是在還是在細(xì)細(xì)胞周圍胞周圍 這樣能預(yù)測流體物理特性可能對過程這樣能預(yù)測流體物理特性可能對過程速率的影響速率的影響六。微生物活性對吸收率的增強(qiáng)作用 在表面通氣攪拌罐中在表面通氣攪拌罐中，當(dāng)質(zhì)量傳遞，當(dāng)質(zhì)量傳遞系數(shù)系數(shù)kl較小時較小時，氧的吸收速率將被微生氧的吸收速率將被微生物的活性所增強(qiáng)，微生物的分布物的活性所增強(qiáng)，微生物的分布也是一也是一個影響因素，尤其是當(dāng)表面濃度遠(yuǎn)大于個影響因