生物工程設(shè)備 緒論 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 生物反應(yīng)器 檢測(cè)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(jì)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(dòng)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(cè)控制 成品 ？ 活體生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)基因牛 機(jī)械攪拌反應(yīng)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 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 基 礎(chǔ) 生 物 反 應(yīng) 器 檢 測(cè) 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 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(jì)計(jì)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(dòng)向。 掌握生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 Laboratory process development Shake Flask Experiments 第一章 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要以生物體為中心 需要兩方面的知識(shí) 化學(xué)工程： 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 生物工程方程： 生物體的生長(zhǎng)特性和要求， 生物體不同階段對(duì)溫度，溶氧 ,pH的要 求，無菌要求 生物反應(yīng)器的分類 按目的 分： 1。生產(chǎn) 細(xì)胞 2。細(xì)胞的 代謝產(chǎn)物 3。 酶催化得到的產(chǎn)物 按 培養(yǎng)類型 分類： 動(dòng)植物細(xì)胞 ,組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā) 酵 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 常用生物反應(yīng)器： 1） 厭氣生物反應(yīng)器 2） 通氣生物反應(yīng)器 ，又可分為攪拌式，氣 升式，自吸式 3） 光照生物反應(yīng)器 4） 膜生物反應(yīng)器 ：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 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 化學(xué)計(jì)量基礎(chǔ) 生物反應(yīng)的 質(zhì)量衡算 生物反應(yīng)過程的 得率系數(shù) 生物學(xué)基礎(chǔ) 細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué) 無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 有抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué) 環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)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 多營養(yǎng)成分 多途徑代謝 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 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 三者關(guān)系： 化學(xué)計(jì)量學(xué)是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一 ， 為介質(zhì)的合理設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù) 質(zhì)量衡算和化學(xué)計(jì)量關(guān)系可判斷過程運(yùn) 行的好壞 ，并獲得間接測(cè)量的數(shù)據(jù) 最后結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，可 推斷出給定系統(tǒng) 的得率 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)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 Y bCH pO nNq (生物量 )+ YpCH rOsNt (產(chǎn)物 )+ c H2O + dC O2 對(duì)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： 1.2 23 :H 221 :O :N 1 :C pb c r Y p Ya m d c s Y n Yb t Y qY a dYY pb pb pb )2.2( 324 24 324 tsy lm qnp p s b 產(chǎn)物： 基質(zhì)： 細(xì)胞： CHmOl+aNH3+bO2 Y bCH 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： ppbbs YYb 4 ss pp s bb aYY 41 pb1 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(jià)。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 p b 細(xì)胞反應(yīng)過程的得率系數(shù) 對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率 Yx/s S xx 消耗基質(zhì)的質(zhì)量 生成細(xì)胞的質(zhì)量/sY 對(duì)氧的細(xì)胞得率 Yx/o OxY OX 消耗氧的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/ 對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率 Yp/s S PY SP 消耗基質(zhì)的質(zhì)量 生成代謝產(chǎn)物的質(zhì)量 / 對(duì)碳的細(xì)胞得率 YC SXSXSXC YSxY / 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 Yx/s與比生長(zhǎng)速率的關(guān)系 )4.2(11 m a x / s sxSX m YY )5.2(/ m a x/ ssx mY 6.2/ m a x/m a x/ ssxsx mYY 比生長(zhǎng)速率 ：生長(zhǎng)速度大小的參數(shù)。 3.2ddC XX Ctr x 維持的定義： 式中 YXS 細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的得率； max /sxY 最大得率； ms 維持系數(shù)； 比生長(zhǎng)速率。 無產(chǎn)物時(shí)，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(shí)，基質(zhì)的線性方程： 若知道 得率 ，可得 所需氨量和氧量，及所 產(chǎn)生的 CO2和水 同樣 進(jìn)氣，排氣和氮消耗量 的測(cè)量有助于 確定 得率 其他： 根據(jù)基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度列出 電子平衡方程 根據(jù) ATP的形成與產(chǎn)率相關(guān) (生物量直接與 生成能量基質(zhì)產(chǎn)生的 ATP相關(guān) )由此確立一系 列關(guān)系 細(xì)胞內(nèi) 營養(yǎng)基質(zhì)的消耗 一部分用于 生長(zhǎng) ， 一部分用于 產(chǎn)物形成 ，一部分用于 維持生 命活動(dòng) 維持能的具體表現(xiàn)是： 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(dòng)運(yùn)輸，無用循 環(huán)及運(yùn)動(dòng)所需能量 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(jì)和優(yōu)化 ，必須首先確定 生 物量 ， 基質(zhì)及產(chǎn)物濃度的變化速率 ， 細(xì)胞生長(zhǎng)， 細(xì)胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質(zhì)消耗等數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行 的預(yù)報(bào)，控制及系統(tǒng)優(yōu)化 了解環(huán)境參數(shù)（ pH,溫度，化學(xué)成分等） 如何影 響系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué) 一。細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué) 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型 微生物細(xì)胞在生長(zhǎng)過程中需經(jīng)歷以下 生長(zhǎng)階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制） 停滯期 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期 減速期 平衡期 衰退期 細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué) 細(xì)胞生長(zhǎng)分為幾個(gè)階段：停滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、平衡期 和死亡期。 圖 2.1 典型的細(xì)菌生長(zhǎng)曲線 8.2dd NtN 9.2)ln ( 0 tCC XX 10.22ln2ln m a x t d 7.2ddC Xtr Xx 在指數(shù)生長(zhǎng)期，細(xì)胞量生長(zhǎng)速度為： 細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)速度為： 對(duì)式 2.7在 t0t ， X0 X積分，得： 由式 2.9，得倍增時(shí)間 td： 微生物細(xì)胞 max值較大，倍增時(shí)間約 0.5 5h，而動(dòng)物細(xì)胞 max 值小得多，動(dòng)物細(xì)胞的倍增時(shí)間約 15 100h，植物細(xì)胞倍增時(shí)間 約 24 74h。 Monod方程 (無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) )： 無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 11.2m a x SS S CK C Monod方程是典型的均衡生長(zhǎng)模型，其基本假設(shè)為： (1) 細(xì)胞的生長(zhǎng)為均衡式生長(zhǎng)； (2) 培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，而其他組分為過 量，不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)； (3) 細(xì)胞的生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)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(zhǎng)較慢和細(xì)胞密度較低的環(huán)境下。 式中 為比生長(zhǎng)速率 ;max為最大比生長(zhǎng)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(shí)的限制性基質(zhì)濃度。 有抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué) XXSSX kK S 2XSKSXS I 對(duì)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制，其抑制機(jī)理可假設(shè)為： ISSS S X SX KCCK CCC 2m a x 總 式中 飽和常數(shù) XS SXs C CCK 抑制常數(shù) 2XS SSXI C CCK 細(xì)胞比生長(zhǎng)速率 為： xskC 總xkCmax ,而 I SXSXS S XSSXSXSXx K CCCC CKCCCC 2總 12.2/2m a x ISSS S KCCK C 對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為： 13.2 1 I m a x S S S S C K C K C 對(duì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為： 14.2 1)( I m a x K C CK C S SS S 類型 米氏公式 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 無抑制 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制 S S S S C K C K C I m a x 1 I m a x 1)( K C CK C S SS S ISSS S KCCK C /2 m a x SS S CK C m a xSm S CK CV m a x S I m S C K C K CV I m a x 1 I m a x 1)( K C CK CV I Sm S I I I Sm S C K C CK CV m a x 表 2.1 有無抑制的 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 和 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 比較 產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué) 15.2 I Im a x PSS S CK K CK C 16.2m a x PI CK SS S e CK C 17.21 m a x m a x n P P SS S C C CK C 幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式： 三。產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)方程 產(chǎn)物形成方式： 1）是能量代謝的結(jié)果 ，如酵母酒精發(fā)酵 2）能量代謝間接結(jié)果 ：檸檬酸合成 3）二次代謝物 ：青霉素生產(chǎn) 4）產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白 ，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 合成 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(zhǎng)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 ( 相關(guān)模型 )：是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)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。 XdtdCdtdC XP /產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)： C S C X C P t 圖 2.2 Gaden類型 圖 2.2 Gaden模型分類 XdtdC P /XXdtdC P /XdtdC P / C S C X C P t 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(zhǎng)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。 C S C X C P t C S C X C P t 存在產(chǎn)物抑制作用，生長(zhǎng)速率公式可表示 為： Rx-反應(yīng)速率 K 常數(shù) 積分： m a x1 XXkXr x kt kt eXX eXX 11 m a x 0 0 對(duì)于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮培 養(yǎng)時(shí)常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長(zhǎng) 的細(xì)胞受到 擴(kuò)散的抑制 它的生長(zhǎng)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(shí)擴(kuò) 散和營養(yǎng)消耗 其次 ,絲狀細(xì)胞還可在潮濕的固體表 面生長(zhǎng)，因而生長(zhǎng)過程復(fù)雜，包括生長(zhǎng) 動(dòng)力學(xué)，營養(yǎng)的擴(kuò)散和有毒的代謝副產(chǎn) 物 二。生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程 1。 Monod方程 SKS s m a x 生物生長(zhǎng)過程的基質(zhì)傳遞速率： 對(duì)于 球形細(xì)胞 ，細(xì)胞的 面積 /體積比為 （ 6/dc），單位反應(yīng)體積的細(xì)胞面積 （ Ac/V）為： 形成球形細(xì)胞不同，可將基質(zhì)傳遞速 率方程改為： 根據(jù)生物量對(duì)基質(zhì)得率的定義，受質(zhì)量 傳遞控制的過程速率為： 高基質(zhì)濃度時(shí)， uhm對(duì)反應(yīng)速率的影響可 以忽略 ,u=umax，但低濃度時(shí)， uhm可成為 速率控制因素 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 SSc，則上 式可變?yōu)橄喈?dāng)于 monod公式： 在基質(zhì)限制的范圍內(nèi) ,uhm<<umax，此 時(shí)基質(zhì)濃度為： 2。其他生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程 Monod方程式只描述生長(zhǎng)慢，細(xì)胞濃度低時(shí) 基質(zhì)限制生長(zhǎng)的生長(zhǎng)速率。 高細(xì)胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時(shí)方程式需做改 變 Blackman：簡(jiǎn)單的將 Ks加倍 ，取消 monod 方程中給出的指數(shù)生長(zhǎng)和減數(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)速率隨細(xì)胞質(zhì)量增加而減少 時(shí)的高密度培養(yǎng)方程 3。 多基質(zhì)時(shí)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程 此時(shí)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(shí)， 另一種基質(zhì)消耗所需要的酶系統(tǒng)才能發(fā) 展起來 采用 葡萄糖和半乳糖為碳源 建立分批培 養(yǎng)細(xì)胞生長(zhǎng)模型時(shí)，有： XdtdX 21 1111m a x2 SKS 111222m a x1 1/ SKSKS 111222m a x1111m a x21 1/ SKSKSSKS 當(dāng)營養(yǎng)不作任何改變時(shí)，原本存在的基 質(zhì)中 不同的一個(gè) 變成限制因素（如 C， N， O2）， umax不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí) i-可以限制生長(zhǎng)的營養(yǎng)物（ G代表碳源， N-代表氮源， O-代表氧） OKONKNGKG ONGm a x ni ii i SK S1m a x 四，高濃度基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動(dòng) 力學(xué) 高濃度的基質(zhì)可 抑制 生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成 描述此現(xiàn)象的兩個(gè)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制方程： 對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性抑制方程與酶動(dòng)力學(xué)方程相 類似 tK S s s e SK S KSSK S m a x 1 2 m a x / 高濃度產(chǎn)物對(duì)生長(zhǎng)的抑制方程為： P-產(chǎn)物濃度 Kp產(chǎn)物抑制平衡常數(shù) m a x m a x 1 1m a x m a x 1 P P PK K SK S e SK S s K S P 若產(chǎn)物合成采用依賴于基質(zhì)濃度的混合 生長(zhǎng)偶聯(lián)模型表達(dá)，有 ： 產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括： 2 1 m a x 1 n n S P s S K s P P SK S X dt dX dt dP P K K SK S X dt dX dt dP e SK S X dt dX dt dP p SK SXdtdXdtdP S 上式 n1通常大于 1而 0<n2Pmax時(shí)，上式和下式已成功用于模 擬檸檬酸的合成： 21 m a x 1 nn s P P SK SX dt dX dt dP 五。環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)和代謝的影 響 生物反應(yīng)器中的大部分微生物是中溫菌 （ 20 <TT） 或嗜熱菌（ T50 ） 溫度向最適溫度方向增加時(shí)，每增高 10 ， 生長(zhǎng)速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長(zhǎng)速 率下降，最后出現(xiàn)熱死 環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)率方程為： 18.2XkdtdC dX 根據(jù) Arrhenius方程，有： 19.2/ / XeAAedtdC RTERTEX da RTE aAe RTE d deAk 所以： 圖 2.3 E.coli生長(zhǎng)速率的 Arrhenius圖 pH也會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)， 通常發(fā)酵 都是在最適 pH范圍內(nèi)或附近， 大多數(shù)微生 物可接受的 pH范圍在最佳值左右 1-2單位， 總的 pH變化范圍可達(dá) 3-4個(gè)單位 生長(zhǎng)最適 pH與產(chǎn)物形成最適 pH是不同 的 ，哺乳動(dòng)物對(duì) pH變化非常敏感 發(fā)酵過程中 pH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， pH將 下降 第三節(jié)生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞 質(zhì)量傳遞在選擇 反應(yīng)器形式 （ 攪拌式， 鼓泡式，氣升式等 ）， 生物催化劑 狀態(tài) （ 懸浮或固定化細(xì)胞 ）和 操作參數(shù) （ 通氣 率，攪拌速度，溫度 ）中起決定性的作用 反應(yīng)器中 微生物的活動(dòng)與質(zhì)量傳遞及 微生物的熱量擴(kuò)散相聯(lián)系 基質(zhì)和代謝物的擴(kuò)散 必須要滿足以反應(yīng) 器為整體的 化學(xué)計(jì)量和質(zhì)量衡算 物質(zhì) 從實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn) 傳遞 或傳遞到 實(shí)際化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的速率， 可影響 甚至掩飾 化學(xué)轉(zhuǎn)化的真實(shí)速率 好氧微生物的物質(zhì)傳遞包括兩個(gè)方面： 氣 -液相 之間的傳遞 液相和微生物 之間的傳遞 凝聚細(xì)胞 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 對(duì) 固定化細(xì)胞 還有一個(gè)到達(dá)細(xì)胞 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) C OG C OL C OS 液相 氣相 固相 膜厚： G L1 傳質(zhì)系數(shù)： kG kL1 kL2 L2 Z 圖 2.4 氧從氣泡傳遞到細(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 )(O T R L ccak 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(shí)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(dòng)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)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(dòng)這一 現(xiàn)象的梯度（濃度差）之間的比例因子： )( 21L SSkN s 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 10 100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其 kLa值為 200 1000h-1 。 五。液體 -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 層，然后進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng) 要弄清 關(guān)鍵步驟 是在 細(xì)胞內(nèi) 還是在 細(xì) 胞周圍 這樣能預(yù)測(cè)流體物理特性可能對(duì)過程 速率的影響 六。微生物活性對(duì)吸收率的增強(qiáng) 作用 在表面通氣攪拌罐中 ，當(dāng)質(zhì)量傳遞 系數(shù) kl較小時(shí) ， 氧的吸收速率將被微生 物的活性所增強(qiáng)，微生物的分布 也是一 個(gè)影響因素，尤其是當(dāng)表面濃度遠(yuǎn)大于 主體內(nèi)的濃度時(shí) 在 傳統(tǒng)的通氣罐 ， 攪拌罐 和 鼓泡塔 中， 質(zhì)量傳遞系數(shù)相對(duì)較高，微生物所消耗的 氧對(duì)氧的傳遞速率 不會(huì)加強(qiáng) 尤其是 在非常黏的發(fā)酵條件 下 須考慮微 生物活性對(duì)吸收率 的 影響 七。粒子間的質(zhì)量傳遞 當(dāng)微生物凝結(jié)成絮狀，小丸狀或固定于 一固體支撐物上時(shí)，需考慮粒子間的質(zhì)量 傳遞關(guān)系 1。 擴(kuò)散限制將對(duì)生物催化造成影響 2。擴(kuò)散限制 可成為 過程設(shè)計(jì)者的 人工 控制手段 生物反應(yīng)器的熱量傳遞 生物反應(yīng)器的傳熱過程 熱量平衡方程： 碳源 +O2 CO2+H2O CO2+H2O+細(xì)胞 HS 完全氧化途徑 呼吸途徑 細(xì)胞氧化途徑 HC RVSABE QQQQQQ 基質(zhì)消耗過程的熱平衡： 式中 QE 單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率， J/(m3。 s）； QB 單位體積培養(yǎng)基因生化反應(yīng)的放熱速率， J/(m3。 s）； QA 單位體積培養(yǎng)基因攪拌造成的放熱速率， J/(m3。 s）； QS， QV 分別為單位體積培養(yǎng)基因通氣帶走的顯熱和蒸發(fā)熱 速率， J/(m3。 s）； QR 單位體積培養(yǎng)基向周圍環(huán)境的散失熱速率， J/(m3。 s）； QA 單位體積培養(yǎng)基因攪拌造成的放熱速率， J/(m3。 s）； 二。反應(yīng)器中的熱量傳遞 含有微生物和細(xì)胞的過程反應(yīng)速率相 對(duì)低，因此 一般 在反應(yīng)器中因 熱影響 導(dǎo)致 局部溫度變化的問題 并不普遍 即使高分子產(chǎn)物釋放到培養(yǎng)基造成很 高的黏度，因?yàn)?高粘度培養(yǎng)基妨礙質(zhì)量傳 遞也不需將熱傳遞作為控制步驟 第五節(jié)生物反應(yīng)器的剪切力問題 剪切力的作用 1。 增加質(zhì)量與熱量傳遞速率 2， 對(duì)微生物，動(dòng)植物細(xì)胞 的培養(yǎng) 造成 影響