第四章生物反應(yīng)器總論

第四章生物反應(yīng)器總論第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)生物反應(yīng)器概述第二節(jié)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三節(jié)生物反應(yīng)器的檢測和控制第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物反應(yīng)器在生產(chǎn)中的地位和作用概念：對(duì)生物有機(jī)體進(jìn)行有控制的培養(yǎng)以生產(chǎn)某種成品，或進(jìn)行特定反應(yīng)的容器。生物反應(yīng)器的作用和地位：就是為生物體代謝提供一個(gè)優(yōu)化的物理及化學(xué)環(huán)境，使生物體能更好地生長，得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。在生物工業(yè)生產(chǎn)中居于核心地位，是連接原料和成品的橋梁，是生物技術(shù)能夠工業(yè)化的關(guān)鍵因素。第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、生物反應(yīng)器的類型

按反應(yīng)器內(nèi)流型分：理想（柱塞流、全混流）、非理想按操作方式分：間歇、連續(xù)、半連續(xù)按結(jié)構(gòu)特征分：罐式、管式、塔式、膜式按反應(yīng)器內(nèi)相態(tài)分：均相、非均相按反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)種類分：微生物、植物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞、酶按反應(yīng)器內(nèi)氣液混合方式分：機(jī)械攪拌混合、泵循環(huán)混合、直接通氣混合、連續(xù)氣相按是否通氧分：通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備、嫌氣發(fā)酵設(shè)備第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢大型化；動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器得到較大發(fā)展；使用計(jì)算機(jī)技術(shù)。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月四、一般生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理一般生物反應(yīng)器指機(jī)械攪拌罐式反應(yīng)器：有較低的制造成本和操作成本；大部分生物有機(jī)體都可以使用這種反應(yīng)器進(jìn)行培養(yǎng)。結(jié)構(gòu)：罐體、攪拌裝置、換熱器、除沫裝置、氣體和物料進(jìn)出口以及檢測和調(diào)節(jié)裝置第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物反應(yīng)器的化學(xué)計(jì)量基礎(chǔ)二、生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ)三、生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）物料衡算

對(duì)于反應(yīng)基質(zhì)和產(chǎn)物做物料衡算:對(duì)細(xì)胞做物料平衡:第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）能量衡算

如果反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則等號(hào)右邊第二項(xiàng)取負(fù)號(hào)；如果為吸熱反應(yīng)，則應(yīng)取正號(hào)。

衡算式根據(jù)各自的守恒定律，均符合下列模式：

第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1、延滯期：適應(yīng)階段2、指數(shù)生長期：細(xì)胞濃度的變化率與細(xì)胞濃度成正比

td=ln2/μ=0.693/μμ=0.693/td

td——細(xì)胞的倍增時(shí)間

μ——比生長速率指數(shù)期有效第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3、減速生長期：細(xì)胞濃度的增加逐漸減慢

莫諾德方程：表示當(dāng)某一種營養(yǎng)物質(zhì)限制某種生物生長時(shí)，生物的生長與該營養(yǎng)物濃度的關(guān)系。μ=μmS/(KS+S)當(dāng)S?KS時(shí),μ=μm，當(dāng)KS=S時(shí)，μ=μm/2KS——營養(yǎng)物質(zhì)飽和常數(shù)、莫諾德常數(shù)

數(shù)值上等于μ達(dá)到μm一半時(shí)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，大小表示了生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的偏愛程度，數(shù)值越大，生物對(duì)這種物質(zhì)越不偏愛，反之亦然。

第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4、平衡期：細(xì)胞濃度達(dá)到最大值5、衰亡期：死亡速率超過生長速率，細(xì)胞濃度增速下降

X=Xme-atXm——平衡期細(xì)胞濃度，kg/m3a——細(xì)胞比死亡速率，s-1t——進(jìn)入衰亡期時(shí)間，s第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)方程產(chǎn)物的生成形式：a主要產(chǎn)物是能量代謝的結(jié)果；b主要產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果；c產(chǎn)物是二次代謝物；d產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白。

第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月檸檬酸合成途徑葡萄糖丙酮酸檸檬酸乙酰-CoA草酰乙酸EMP途徑氧化脫羧羧化第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4種細(xì)胞產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)簡分為三類：1、生長偶聯(lián)型：產(chǎn)物合成在生長過程中出現(xiàn)

dP/dt=αdX/dt2、非生長偶聯(lián)型：產(chǎn)物合成出現(xiàn)在細(xì)胞生長完成后dP/dt=βX3、混合生長偶聯(lián)型：dP/dt=αdX/dt+βX第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)物形成動(dòng)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(dòng)力學(xué)分為三種類型：類型Ⅰ(相關(guān)模型)：是指產(chǎn)物的生成與細(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。產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)：Ⅰ圖2.2Gaden類型Ⅰ第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅡⅢ圖2.2Gaden模型分類類型Ⅱ(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Ⅲ(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。Ⅰ第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月在普通氣-液反應(yīng)器中，低溶解度氣體傳遞是最明顯的問題。從氣泡中的氣相擴(kuò)散通過氣膜到氣液界面；通過氣液界面；從氣液界面擴(kuò)散通過氣泡的液膜到液相主流；液相溶解氧的傳遞；從液相主流擴(kuò)散通過包圍細(xì)胞的液膜到達(dá)細(xì)胞表面；氧通過細(xì)胞壁；微生物細(xì)胞內(nèi)氧的傳遞第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月雙膜理論：①相互接觸的氣、液兩相存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個(gè)很薄的滯流膜層，在氣相的一側(cè)稱為氣膜，液相的一側(cè)叫做液膜。氧氣以擴(kuò)散的形式通過此二膜層。②在相界面處，氣、液兩相達(dá)到平衡。③在膜層以外的氣、液兩相中，氧氣的濃度基本相等，全部濃度變化集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透擴(kuò)散理論：

滲透擴(kuò)散理論對(duì)雙膜理論進(jìn)行了修正，認(rèn)為層流或靜止液體中氣體的吸收是非定態(tài)過程，液膜內(nèi)氧邊擴(kuò)散邊被吸收，氧濃度分布隨時(shí)間變化。第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月表面更新理論：

表面更新理論又對(duì)滲透擴(kuò)散理論進(jìn)行了修正，認(rèn)為液相各微元中氣液接觸時(shí)間也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置換的幾率是相等的。

第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氧氣在發(fā)酵液的傳遞速率公式：Na=kLα(c*-c)kL——液相傳質(zhì)系數(shù)，m/sα——單位體積發(fā)酵液的氣液界面面積，m2/m3c*——與氣相氧分壓p平衡的液相氧氣濃度，mol/m3c——液相氧氣濃度，mol/m3第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月影響溶氧速率的關(guān)鍵因素：

氧的傳遞推動(dòng)力(c*-c)體積溶氧系數(shù)kLαkLα

＝x(Pg/VL)y(vg)z

Pg——通氣情況下的攪拌功率，WVL——發(fā)酵罐的裝液量，m3vg——?dú)怏w表面速率，m/s第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月提高推動(dòng)力只能增加氧氣的飽和濃度c*。辦法：降低培養(yǎng)液黏度；通入富氧空氣；提高生物反應(yīng)器內(nèi)壓力。工業(yè)生產(chǎn)上常采用稀釋培養(yǎng)液的辦法。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1、機(jī)械攪拌2、培養(yǎng)液凈體積：凈體積越小，溶氧系數(shù)越大3、氣體的表面速率：速率越大，溶氧系數(shù)越大。過載現(xiàn)象：培養(yǎng)液的通氣量超過一定的限度，攪拌將帶動(dòng)大量的氣泡空轉(zhuǎn)，無法有效的將空氣分散到發(fā)酵液中，即所謂的過載現(xiàn)象。4、攪拌罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)：加擋板5、發(fā)酵液性質(zhì)：加少量電解質(zhì)6、消泡劑：雙重作用第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

生物反應(yīng)器的檢測和控制對(duì)象主要包括三個(gè)部分的參數(shù)即：生物反應(yīng)進(jìn)程中的物理?xiàng)l件，如溫度、壓力、攪拌速度等；生物反應(yīng)器進(jìn)程中的化學(xué)條件，如液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度等；生物反應(yīng)器進(jìn)程中的生化參數(shù)，如生物體量，生物體營養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃度等。第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測方法及儀器組成

一般在線檢測，核心儀器：傳感器。離線檢測，從反應(yīng)器中取樣，用儀器分析或化學(xué)分析方法檢測。第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1、溫度檢測：鉑電阻溫度計(jì)2、壓強(qiáng)檢測：隔膜式壓力表3、液位和泡沫高度檢測：液位檢測：電容法和壓差法泡沫高度檢測：電極探針測定法4、培養(yǎng)基和液體流量測定：流量計(jì)5、氣體流量計(jì)：體積和質(zhì)量流量型6、發(fā)酵液黏度檢測：取樣，黏度計(jì)檢測第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月7、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率：攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式、測速發(fā)電機(jī)攪拌功率：測定驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓與電流，或直接測定電機(jī)攪拌功率8、pH的測量：玻璃氫電極9、溶氧濃度的檢測：溶氧電極法10、溶解二氧化碳的檢測：二氧化碳測量電極

第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月11、氧化還原電位測定：復(fù)合電極12、尾氣中O2含量的分析：順磁氧分析儀尾氣中CO2含量測定：紅外CO2分析儀13、細(xì)胞濃度測定：全細(xì)胞濃度：流通式濁度計(jì)活細(xì)胞濃度：熒光活細(xì)胞濃度檢測儀14、發(fā)酵液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析用微孔陶瓷取樣器或滲透膜取樣器取樣，再用HPLC或GC等儀器或化學(xué)方法檢測。第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物反應(yīng)器的控制

生物反應(yīng)過程主要參數(shù)的控制1、溫度的控制小規(guī)模的生物反應(yīng)器：電加熱器和外部冷水冷卻較大的生物反應(yīng)器：內(nèi)置換熱器2、溶氧濃度的控制氧氣濃度的控制可從四個(gè)方面著手：增加攪拌速度，最有效；增加空氣的鼓入速度；增加鼓入氣體中氧氣的濃度；增加反應(yīng)器內(nèi)氧氣的分壓。四種方法常常結(jié)合使用第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3、pH的控制：向反應(yīng)器內(nèi)滴加酸或堿4、泡沫的控制化學(xué)消泡：消泡劑機(jī)械消泡：安裝在攪拌軸上的消沫碟片第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5、生物體濃度的控制根據(jù)溶氧濃度判斷和控制：溶氧濃度低于臨界值