1、第三章第三章生物反應(yīng)器總論生物反應(yīng)器總論 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 3.4 3.4 一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述3.1.1 3.1.1 生物反應(yīng)器在生產(chǎn)中的地位和作用生物反應(yīng)器在生產(chǎn)中的地位和作用1生物技術(shù)和生物反應(yīng)器生物技術(shù)是對生物物質(zhì)有控制的應(yīng)用。因此，生物技術(shù)不僅僅包括基因工程或者細胞融合技術(shù)，實際上，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋化工領(lǐng)域，如乙醇、微生物和有機酸類、聚合物的生

2、產(chǎn)，制藥領(lǐng)域，如抗生素、疫苗的生產(chǎn)，能源領(lǐng)域，如燃料乙醇，食品領(lǐng)域，如奶制品、蛋白質(zhì)的生產(chǎn)，以及農(nóng)業(yè)，如動物飼料、廢物處理、微生物殺蟲劑、植物移植配方的生產(chǎn)和應(yīng)用。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述2生物反應(yīng)器在生產(chǎn)中的地位和作用 如圖3-1所示，在一般的生物工業(yè)中，生物有機體在生物反應(yīng)器中生長、繁殖， 其所需的營養(yǎng)成分, 如葡萄糖(碳源)、蛋白質(zhì)（氮源）、空氣（氧）及其它必要的添加劑（前體）等，經(jīng)適當處理和嚴格消毒后根據(jù)需要加入生物反應(yīng)器中。生物有機體的生長環(huán)境，如溫度，氧含量，PH值，經(jīng)熱交換、氧氣含量控制、酸堿滴入等手段維持，以使生物體始終處在良好的生長狀態(tài)。生物有機體在生物

3、反應(yīng)器中合成產(chǎn)品和其他代謝產(chǎn)物，經(jīng)過一系列的分離過程后，得到最終產(chǎn)品。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述圖3-1 生物工業(yè)一般過程 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述3.1.2 3.1.2 生物反應(yīng)器的類型生物反應(yīng)器的類型 生物反應(yīng)器有很多種，按照不同的分類角度可以分為各種類型，如表3-1所示。 柱塞流反應(yīng)器（plug flow）指流體在反應(yīng)器內(nèi)從進口流到出口，中間沒有返混，一些固定化細胞培養(yǎng)反應(yīng)器、膜反應(yīng)器及管式反應(yīng)器等屬于這種情況。 全混流反應(yīng)器（backmix）指流體在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過了充分混合，攪拌罐式反應(yīng)器是一種典型的全混流反應(yīng)器。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生

4、物反應(yīng)器概述表3-1 生物反應(yīng)器的分類按照反應(yīng)器內(nèi)流型理想反應(yīng)器柱塞流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器非理想反應(yīng)器按照操作方式間歇反應(yīng)器連續(xù)式反應(yīng)器半連續(xù)式反應(yīng)器按照結(jié)構(gòu)特征罐式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器膜反應(yīng)器 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述表3-1(續(xù)) 生物反應(yīng)器的分類按照反應(yīng)器內(nèi)相態(tài)均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器按照生物反應(yīng)器內(nèi)有機體種類微生物反應(yīng)器植物細胞反應(yīng)器動物細胞反應(yīng)器酶反應(yīng)器按照反應(yīng)器內(nèi)氣液混合方式機械攪拌混合反應(yīng)器泵循環(huán)混合反應(yīng)器直接通氣混合反應(yīng)器連續(xù)氣相反應(yīng)器按照是否通氧通風發(fā)酵設(shè)備嫌氣發(fā)酵設(shè)備 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述罐式反應(yīng)器高徑比在1：3之間，管式反應(yīng)器

5、高徑比一般大于30， 塔式反應(yīng)器高徑比通常大于10。膜式反應(yīng)器使用各種膜作為反應(yīng)器內(nèi)部關(guān)鍵組件，有時膜起分離作用，有時膜起固定化細胞和酶的作用。 均相反應(yīng)器指反應(yīng)器內(nèi)只有一相，如均相酶反應(yīng)器，酶作為催化劑溶解在反應(yīng)液中，形成單一的液相。非均相反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)有兩相以上，比如，一般的生物反應(yīng)器內(nèi)有固相（生物體）、液相（培養(yǎng)液）、氣相（空氣），固定床和流化床也屬于典型的非均相反應(yīng)器。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述對于需氧生物培養(yǎng)來說，空氣和培養(yǎng)液如何混合接觸是一個非常重要的因素。目前常用的混合方式有四種，如圖3-2 所示。機械攪拌混合是靠攪拌器的作用將通入培養(yǎng)液內(nèi)的空氣分成大量小氣

6、泡，使其與液體充分混合接觸。泵循環(huán)反應(yīng)器依靠一個外置液體循環(huán)泵，將液體從反應(yīng)器出口打回到入口，實現(xiàn)液體的循環(huán)并與空氣進行充分接觸。直接通氣混合是將空氣通過罐底氣體分布器直接通入，實現(xiàn)氣液混合接觸。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述圖3-2 生物反應(yīng)器中4種不同的氣液接觸方式，圖中的箭頭表示氣體流向1攪拌混合；2泵循環(huán)混合；3直接通氣混合；4連續(xù)氣相接觸 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述3.1.3 3.1.3 生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢 生物反應(yīng)器的研究、開發(fā)和設(shè)計是生物技術(shù)的一個重要內(nèi)容，一種好的生物反應(yīng)器出現(xiàn)往往能夠大規(guī)模降低生產(chǎn)成本，成為生物制品成功商

7、業(yè)化的關(guān)鍵。因此，生物反應(yīng)器的開發(fā)一直很活躍，尤其是最近的細胞生物反應(yīng)器開發(fā)更是如此。生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢可歸納為以下幾個方面。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述1微生物反應(yīng)器朝著大型化發(fā)展。由于微生物可以懸浮培養(yǎng)，對攪拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有條件在大型甚至超大型反應(yīng)器內(nèi)生長。目前，生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵罐容積已達到400立方米，氨基酸的達到300立方米，單細胞蛋白（SCP）的達到2600立方米，用微生物處理廢水的生物反應(yīng)器甚至高達27000立方米。顯然，反應(yīng)器的增大有利于降低生產(chǎn)成本。我國生物反應(yīng)器的容積在200立方米以下。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述2動

8、植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器得到較大發(fā)展。由于動植物細胞培養(yǎng)可以得到很多高附加值生物制品，如干擾物，單克隆抗體等，細胞培養(yǎng)反應(yīng)器的開發(fā)越來越受到重視。3大量使用現(xiàn)代計算機技術(shù)進行生物反應(yīng)器的設(shè)計和開發(fā)。首先，對反應(yīng)器內(nèi)的生物反應(yīng)過程建立數(shù)學(xué)模型，獲得能夠反應(yīng)生物過程規(guī)律的較精確的表達式，然后將該模型應(yīng)用于反應(yīng)器的設(shè)計和自動控制中，從而優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述3.1.4 3.1.4 一般生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理一般生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)原理 這里的一般生物反應(yīng)器指機械攪拌罐式反應(yīng)器（Stirred-tank bioreactor），這種反應(yīng)器作為一般反應(yīng)器是因為：首先，

9、這是一類工業(yè)上最重要，應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)器，它具有雙重優(yōu)勢，較低的制造成本和操作成本。 其次，這類反應(yīng)器是較為普遍接受的標準生物反應(yīng)器，除了因為它比較經(jīng)濟和容易放大外，大部分生物有機體都可以使用這種反應(yīng)器進行培養(yǎng)，它們的生長環(huán)境在這種反應(yīng)器內(nèi)也比較容易得到滿足和調(diào)節(jié)。圖3-3是這種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述圖3-3 一般生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) 3.1 3.1 生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)器概述 它的主要組成部分包括罐體，攪拌裝置，換熱器，除沫裝置，氣體和物料進出口以及檢測和調(diào)節(jié)裝置。生物體生長所需要的溫度、酸度分別由罐內(nèi)溫度計和酸度計檢測，并由夾套換熱器和滴入酸堿進行調(diào)

10、節(jié)和維持。攪拌器的上部有消沫裝置，加上滴入的化學(xué)消沫劑，控制著罐內(nèi)泡沫的產(chǎn)生。生物體在生長過程中產(chǎn)生的二氧化碳以及其他氣體從空氣出口經(jīng)過濾后排出。攪拌和罐體之間有機械密封，使整個生物反應(yīng)器處在密封無菌環(huán)境下。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1 3.2.1 分批培養(yǎng)中細胞的生長分批培養(yǎng)中細胞的生長1分批培養(yǎng)中細胞的生長過程 生物的分批培養(yǎng)是將大部分或全部生物所需營養(yǎng)物料一次性投入生物反應(yīng)器，調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)溫度、pH值、氧化還原電位處于最有利于生物生長的狀態(tài)，然后，接入生物體使其生長，直至一些關(guān)鍵的營養(yǎng)物質(zhì)耗盡或者由于毒素積累或pH值發(fā)生變化等因素導(dǎo)致生長環(huán)境惡化。 3

11、.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 如果以每升培養(yǎng)液中生物細胞干物質(zhì)的克數(shù)X（克/升）代表生物體的生長情況，在分批培養(yǎng)情況下X隨時間變化的曲線大致如圖3-4所示。根據(jù)這個曲線，細胞生長大體上可分為六個階段。圖3-4 分批培養(yǎng)中細胞生長的幾個階段 遲滯期（The lag phase）。 當生物種子被接入新鮮培養(yǎng)液時，細胞需要一定的時間適應(yīng)新環(huán)境，因而出現(xiàn)一段相對靜止的階段（圖中1），在這一階段，細胞的總量和濃度保持不變。這一階段的長短取決于細胞的個體遺傳特性、種齡、接種量和環(huán)境等，一般為幾個小時。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)圖3-4 分批培養(yǎng)中細胞生長的

12、幾個階段 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 加速生長期（acceleration phase）。如圖中2， 在這一時期內(nèi)，一部分細胞已經(jīng)適應(yīng)新的環(huán)境，開始生長和繁殖。由于細胞個體的差異，這種適應(yīng)有快有慢，表現(xiàn)為細胞量的逐步增加。 指數(shù)生長期（logarithmic or experimental phase）。 又稱對數(shù)生長期。在這一生長期內(nèi)細胞的各成分以恒定的速度合成，表現(xiàn)在細胞含量的對數(shù)值與時間成直線關(guān)系，如圖中3。在這一時期內(nèi)，細胞的生命力最強。 減速生長期（deceleration phase）。由于細胞的生長，營養(yǎng)物質(zhì)越來越少，培養(yǎng)液中積累的有毒代謝物也越來越多，

13、細胞的繼續(xù)生長受到限制，細胞濃度的增加逐漸減慢進入減速生長期，如圖中4。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 平衡生長期（stationary phase）。在減速生長期內(nèi)，細胞的生長速度逐漸減慢，死亡的速度逐漸增加，當二者達到相等時便進入平衡生長期。 負生長期（decline or death phase）。 由于營養(yǎng)物質(zhì)的進一步下降和有毒代謝產(chǎn)物的進一步積累，細胞的死亡速度開始超過生長速度，細胞的濃度呈增速下降趨勢。在抗生素工業(yè)中，這一時期抗生素產(chǎn)物繼續(xù)大量合成，但合成速度開始降低，直至細胞大量死亡和自溶，細胞濃度呈指數(shù)下降，抗生素的合成速度迅速降低直至停止。 3.2 3

14、.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2比生長速率 （specific growth rate） 微生物細胞的生長是一個自催化（autocatalytic）過程，也就是說，細胞量增長的速度與細胞濃度成正比。在細胞的指數(shù)增長期內(nèi)，細胞增長的變化符合這一規(guī)律。即每隔一個固定的時間間隔，細胞的量就要翻一番。設(shè)這一固定時間間隔為td, 如果細胞的初始濃度為X0（克干物質(zhì)/升），經(jīng)過時間t 后，細胞濃度為X（克干物質(zhì)/升），則有下列關(guān)系式： /02dttXX 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) /00d20 .6 9 3 In (X /X)(2 )/0 .6 9 3 (3 -1 )

15、0 .6 9 31 0 .6 9 3 (3 -2 )tdttddddXXInttttttd Xd ttd XXd t0式兩 邊 取 對 數(shù) 得或 者 I n X - I n X1兩 邊 取 導(dǎo) 數(shù) 得 X令則 有 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 在上述公式中，即比生長速率，單位為h-1 ，實際上是細胞濃度的增加速度除以細胞濃度，或者每單位細胞濃度，細胞濃度的增加速度。td為細胞的倍增時間，即細胞重量增加一倍所需要的時間，近似等于細胞完成一個分裂周期所需要的平均時間。如果忽略細胞死亡速率，且在反應(yīng)過程中沒有從反應(yīng)器內(nèi)取出細胞，則細胞在指數(shù)增長期的生長速度隨時間的變化符合上述

16、公式3-1或公式3-2所表達的數(shù)量關(guān)系。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3莫諾德方程（Monod equation） 在分批生物培養(yǎng)中，當其他營養(yǎng)物質(zhì)的濃度足以支持微生物以最大的生長速度生長，只有一種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度不足從而限制生物的生長，則生物生長速率和這種營養(yǎng)物質(zhì)濃度的關(guān)系可以用莫諾德方程表示： 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 公式3-3中, 比生長速率(1/h)， m最大比生長速率(1/h) S營養(yǎng)物質(zhì)濃度(g/L) Ks營養(yǎng)物質(zhì)飽和常熟或者莫諾德常數(shù)（g/L）。 最大比生長速率m實際上是當營養(yǎng)物質(zhì)十分充足不再限制生物生長時的比生長速度，即當SK

17、s時的情況。當 SKs時， Ks可以忽略不計，莫諾德公式變?yōu)椋寒擪s=S時， 莫諾德公式變?yōu)椋?3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 因此，莫諾德常數(shù)數(shù)值上等于比生長速率達到最大比生長速率一半時的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，它的大小表示了生物對營養(yǎng)物質(zhì)的偏愛程度（affinity for the substrate）, 數(shù)值越大，生物對這種營養(yǎng)物質(zhì)越不偏愛，反之亦然。最大比生長速率m和莫諾德常數(shù)是兩個重要的動力學(xué)常數(shù)，表征了某種生物的生長受某種營養(yǎng)物質(zhì)影響的規(guī)律。莫諾德方程所表達的比生長速率和營養(yǎng)物質(zhì)濃度關(guān)系如圖3-5所示。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)圖3-5 比生

18、長速率和營養(yǎng)物質(zhì)濃度關(guān)系 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 在分批培養(yǎng)中，在指數(shù)生長期，SKs , 因此=m，在減速生長期，不再是常數(shù)，它隨營養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化而改變。減速生長期一般非常短，有時甚至不存在。Ks的值越低，減速期越短。表3-2列出了幾種生物對某些營養(yǎng)物質(zhì)的飽和常數(shù)。 莫諾德方程是一個經(jīng)驗公式，表示了當某一種營養(yǎng)物質(zhì)限制某種生物生長時，生物的生長與該營養(yǎng)物濃度的關(guān)系，當多種物質(zhì)限制性因素出現(xiàn)，或更復(fù)雜情況時，莫諾德方程不一定適用。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)表3-2 部分微生物對部分營養(yǎng)物質(zhì)的飽和常數(shù) 生物營養(yǎng)物質(zhì)飽和常數(shù)Ks（mgl-1

19、）大腸菌(E.coli)葡萄糖6.810-2大腸菌(E.coli)乳糖20.0大腸菌(E.coli)磷酸根（PO42-）1.6黑曲霉(Aspergillus niger)葡萄糖5.0產(chǎn)朊假絲酵母(C. utilis)氧氣0.45 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3.2.2 3.2.2 分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗1得率系數(shù)、比產(chǎn)物生成速率和比基質(zhì)（營養(yǎng)物）消耗速率。 菌體得率系數(shù)（biomass yield coefficient）和產(chǎn)物得率系數(shù)(product yield coefficient)在生物分批培養(yǎng)體系中，細胞濃度X（克干物質(zhì)/升）、產(chǎn)物濃度P（克

20、/升）、營養(yǎng)物質(zhì)濃度（基質(zhì)濃度）S（克/升）都隨時間t（小時）變化，或者說都是時間t的函數(shù)。如果細胞濃度X對時間的導(dǎo)數(shù)是 ， 基質(zhì)濃度對時間的導(dǎo)數(shù)是 ，產(chǎn)物濃度對時間的導(dǎo)數(shù)是 ，產(chǎn)物得率系數(shù) 和菌體得率系數(shù) 由下頁兩個式子定義： 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)/PSXSdPdSYdtdtdPdSYdtdt 也就是說，得率系數(shù)是產(chǎn)物或菌體濃度對時間的導(dǎo)數(shù)除以基質(zhì)消耗對時間的導(dǎo)數(shù)，取正數(shù)。從上述定義也可以推出，得率系數(shù)實際上是產(chǎn)物或菌體生成速率對基質(zhì)消耗速率的導(dǎo)數(shù)，取正值。如下公式所示：/XSPSdSYdtdPYdt 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 因此

21、，如果經(jīng)過一個較段時間t后，系統(tǒng)的菌絲濃度增加了X，產(chǎn)物濃度增加了P， 某種營養(yǎng)物質(zhì)（基質(zhì)）濃度增加了S（或減少S）, 則得率系數(shù)可由以下兩個公式計算： 由此可見，菌體得率系數(shù)和產(chǎn)物得率系數(shù)代表了每消耗一個單位的某種營養(yǎng)物質(zhì)，菌體和產(chǎn)物濃度的增加量。 表3-3列出了產(chǎn)朊假絲酵母(C. utilis)對不同基質(zhì)的菌體產(chǎn)率系數(shù)。/XSPSXYSPYS 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)表3-3 產(chǎn)朊假絲酵母對三種基質(zhì)的菌體產(chǎn)率系數(shù) 基質(zhì)菌體得率系數(shù)Yx/s(g/mol)葡萄糖91.8乙醇31.2醋酸21.0 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 比產(chǎn)物生成速率（s

22、pecific rate of product formation）和比基質(zhì)（營養(yǎng)物）消耗速率(specific rate of substrate utilization)和以上介紹的比生長速度類似，比產(chǎn)物生成速率qp和比基質(zhì)消耗速率qs分別由以下公式定義：11 ( 3 - 4 )PSd PqXd td SqXd t 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2基質(zhì)消耗速率 生物培養(yǎng)中的基質(zhì)消耗不僅包括微生物生長所需要的基質(zhì)消耗，而且包括維持微生物生存和合成產(chǎn)物所需要的基質(zhì)消耗。因此，有下列關(guān)系： 系統(tǒng)基質(zhì)的積累速率 外界基質(zhì)供應(yīng)速率 微生物生長消耗基質(zhì)速率維持生存基質(zhì)消耗速率從系

23、統(tǒng)中移出基質(zhì)速率合成產(chǎn)物消耗基質(zhì)速率 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 在分批培養(yǎng)系統(tǒng)中，基質(zhì)在培養(yǎng)前一次性加入，在培養(yǎng)過程中沒有基質(zhì)移出，因此，基質(zhì)供應(yīng)速率和系統(tǒng)移出基質(zhì)速率都為零。由前述比生長速率、比產(chǎn)物生成速率、比產(chǎn)物和菌體得率系數(shù)的定義可推算出： 比生長速率 細胞濃度生長消耗基質(zhì)速率菌體得率系數(shù)比產(chǎn)物生成速率 細胞濃度產(chǎn)物消耗基質(zhì)速率產(chǎn)物得率系數(shù) 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 維持生存消耗基質(zhì)速率 =每單位細胞濃度維持基質(zhì)消耗速率細胞濃度以上公式中，每單位細胞濃度維持基質(zhì)消耗速率稱為細胞的維持系數(shù)(maintenance coefficien

24、t), 表示在細胞生長速度為零也沒有產(chǎn)物合成的情況下，每單位細胞濃度基質(zhì)的消耗速率。通常用m 表示。 則，在分批培養(yǎng)中，基質(zhì)的消耗速率可以由以下公式表示： 公式中的參數(shù)代表的意義與前述相同。/ (3 -5 )PXSPSqXd SXm Xd tYY 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 很多情況下，尤其是通風發(fā)酵過程中，維持系數(shù)m遠遠小于/Yx/s, 可以忽略為0， 這時，如果沒有產(chǎn)物合成，或者產(chǎn)物合成不消耗這種基質(zhì)，公式 3-5 可簡化為： 將比基質(zhì)消耗速率定義式公式3-3引入公式3-5，得： 公式3-5、3-6和3-7都是描述分批培養(yǎng)中基質(zhì)消耗的動力學(xué)方程，公式3-6適用于沒

25、有產(chǎn)物合成以及維持系數(shù)可以忽落不計的情況。 /S/ ( 3 - 6 )q ( 3 - 7 )XSPXSPSd SXd tYqmYY 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3.2.3 3.2.3 產(chǎn)物的生成產(chǎn)物的生成 如果在生物細胞生長時有產(chǎn)物的合成，產(chǎn)物合成的速率有以下關(guān)系： 合成產(chǎn)物的總速率=產(chǎn)物的合成速率產(chǎn)物移出速率產(chǎn)物降解速率 在分批培養(yǎng)過程中，一般沒有產(chǎn)物的移出，如果不考慮產(chǎn)物降解，產(chǎn)物生成速率由下列公式表達： ( 3 - 8 )Pd PqXd t 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)在實際的分批生物培養(yǎng)系統(tǒng)中，按照與生物細胞生長的關(guān)系，產(chǎn)物的生成可分為三

26、種情況： 1產(chǎn)物的生成與生物細胞生長完全相關(guān)。即產(chǎn)物是生物生長時直接代謝的產(chǎn)品，或者是生物代謝的中間產(chǎn)物。從生物細胞生長的開始，產(chǎn)物一直伴隨著細胞的生長，產(chǎn)物濃度和產(chǎn)品濃度密切相關(guān)，如圖3-6（a）所示。乙醇、氨基酸和微生物的發(fā)酵屬于這種情況。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 在這種情況下，產(chǎn)物的代謝速率可由下式表示： 式中，Yp/x為每單位干重量細胞生產(chǎn)產(chǎn)品的重量，稱為產(chǎn)物生長因子（product yield coefficient）。和X分別是比生長速率和細胞濃度。 /PXd PXd tY 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2產(chǎn)物的生成與細胞生長部分

27、相關(guān)。產(chǎn)物只是在細胞生長過程中的某一階段產(chǎn)生，在其他階段，沒有產(chǎn)物生成。產(chǎn)物濃度和細胞濃度如圖3-6（b）所示。乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)屬于這種情況。在這種情況下，產(chǎn)物的生成速率可由以下公式表示： 式中，1和1分別為生長相關(guān)因子和非生長相關(guān)因子，為常數(shù)，其他參數(shù)同前述。將公式3-9兩邊同除一個X，再將比產(chǎn)物生成速率和比生長速率定義公式代入，得：1P11 (3 -9 ) qd Pd XXd td t 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)3產(chǎn)物的產(chǎn)生與生物細胞的生長無關(guān)。這種產(chǎn)物也稱次級代謝物（Secondary metabolites）, 它與細胞的生長沒有必然的關(guān)系，一般在細胞停止生長后

28、才大規(guī)模產(chǎn)生，產(chǎn)物濃度和細胞濃度隨時間的變化曲線如圖3-6（c）所示。由于它和細胞生長沒有必然的聯(lián)系，因此，無法將這種產(chǎn)物的產(chǎn)生和細胞的生長相關(guān)聯(lián)。研究這種情況下的細胞生長情況，需要使用前述公式3-5或者3-7。抗生素以及一些微生物毒素的發(fā)酵生產(chǎn)屬于這種情況。 3.2 3.2 生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)圖3-6 分批培養(yǎng)中細胞的生長和產(chǎn)物的形成。圖中 (a) 產(chǎn)物形成和細胞生長完全相關(guān) （b）產(chǎn)物的形成和細胞的生長部分相關(guān) (c) 產(chǎn)物的形成和細胞的生長無關(guān) 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 生物工業(yè)生產(chǎn)很多都是深層需氧發(fā)酵過程，在這些過程中，生物

29、的生長和繁殖需要大量的氧氣，提供氧氣的辦法是向發(fā)酵罐培養(yǎng)液內(nèi)鼓入空氣，這一過程就是生物反應(yīng)器的通風。生物一般只能利用溶解在發(fā)酵液中的氧。氧氣在水中的溶解度很小，在一個大氣壓、25下大約只有0.2 mmol/L，而微生物在工業(yè)培養(yǎng)中氧氣的消耗量又很大，一般為2025 mmol/L，因此，必須不斷地向生物反應(yīng)器通入空氣，以保持培養(yǎng)液中溶解氧的濃度，。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)3.3.1 3.3.1 氣氣- -液相間的溶氧傳質(zhì)理論液相間的溶氧傳質(zhì)理論 在向培養(yǎng)液通風時， 空氣在培養(yǎng)液內(nèi)形成大量的氣泡，氧氣首先從氣泡內(nèi)進入培養(yǎng)液成為溶解氧，然后從培養(yǎng)液進入生

30、物細胞體內(nèi)供細胞消耗。因此，氧氣從氣相傳遞到微生物細胞內(nèi)的過程可分為兩步：1、氧氣從氣泡內(nèi)跨過氣液界面到達液體內(nèi)部； 2、氧氣從液體內(nèi)部跨過液固界面進入生物細胞內(nèi)。前者稱為氧氣在發(fā)酵液中的氣-液傳遞過程，后者叫做氧氣的液-固傳遞過程，如圖3-7所示。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)圖3-7 氧氣在發(fā)酵液中的傳遞過程 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 氧在氣液間的傳遞符合雙膜理論，其基本論點如下：圖3-8 雙膜理論示意圖 相互接觸的氣、液兩相存在著穩(wěn)定的相界面，界面的兩側(cè)各有一個很薄的滯流膜層，在氣相一側(cè)的稱為氣膜，液相一

31、側(cè)的叫做液膜。氧氣分子以擴散的形式通過此二膜層。如圖3-8所示。 在相界面處，氣、液兩相達到平衡。 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膜層內(nèi)。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)圖3-8 雙膜理論示意圖 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 通過以上的假設(shè)，就把整個氧氣在氣液間的傳遞過程簡化為經(jīng)由氣液兩膜的分子擴散過程。氧氣在氣液間的傳遞速度也就是氧氣通過兩個膜的擴散速度，可以用下列公式表示：NA=kG（p-pi）； （3-10）NA=kL（ci-c）； （3-11）式中：NA氧氣通過氣液的傳遞

32、速度， mol/（m2s）；kG 氣膜傳質(zhì)系數(shù)， mol/（m2sPa）；p氣相氧分壓，Pa；pi 氣液相界面氧分壓，Pa；kL 液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s；ci 氣液相界面氧氣濃度，mol/m3；c 液相溶氧濃度， mol/m3。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 公式3-10和公式3-11含有氣液相界面的氧氣濃度和分壓，實際上并沒有辦法測定它們，這給計算帶來困難，于是，人們又提出以下兩個公式：NA=KG（p-p*）； （3-12）NA=KL（c-c*）； （3-13）式中：KG 以氧分壓為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，mol/ （m2sPa）；KL 以氧濃度為推動力的總

33、傳質(zhì)系數(shù)，m/s；p* 與液相溶氧濃度c 平衡的氧氣分壓，Pa；c* 與氣相氧分壓p 平衡的液相溶氧濃度， mol/m3； 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì) 以上公式也可表述為推動力除以阻力的形式：0*0*1111iAAALiALPPNkppNKccNKccNK 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)又因為，氧氣在水中的溶解度符合亨利定律， 即：氣液平衡時 p=HC*其中，H為亨利常數(shù)，單位Pa/mol。所以， p*=Hc ， p=Hc*；根據(jù)雙膜理論，相界面上氧的分壓與濃度達到平衡，所以：pi=Hci 將以上關(guān)系分別代入公式3

34、-10和3-11，可得： *00*11iAiAiAiALLccNccNH kH kppHNppNHKK或或 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)00011111LLLHkkKHkkK 再分別結(jié)合公式3-13和公式3-12， 得： 從上式可知，當H比較大時，相同的分壓下氣體在液相中的溶解度較低， 遠遠小于 因此，KL=kL ，氣體傳遞屬于液膜傳遞控制，氣體的傳遞速度由公式3-13決定。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)氧氣向水中的傳遞屬于上述情況，因此，氧氣向發(fā)酵液的傳遞速率可由下述公式計算：溶氧速率 Na=KLa（c*-c）；

35、 （3-14）式中： Na溶氧速率，mol/（m3s）；a每單位體積發(fā)酵液中氣液界面面積，m2/m3。由于a很難測定，KLa常常合并為一個常數(shù)，稱為體積溶氧系數(shù)，單位s-1或 h-1。由公式3-14可看出，氧的傳遞推動力（c*-c）和體積溶氧系數(shù)KLa是影響溶氧速率的關(guān)鍵因素，任何影響這兩個數(shù)的外界因素都影響發(fā)酵液中氧的傳遞。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)3.3.2 3.3.2 影響溶氧系數(shù)的因素影響溶氧系數(shù)的因素從公式3-14 可看出，要想提高生物反應(yīng)器的供氧速率，一是提高氧傳遞推動力（c*-c），二是增加溶氧系數(shù)。因為發(fā)酵液內(nèi)氧氣濃度c 不允許太低，

36、提高推動力就只能增加氧氣的飽和濃度c*。提高飽和濃度c*的辦法通常有三種： 降低培養(yǎng)液粘度； 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，后兩種辦法通常不被采用。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)一般來說，在一個罐式攪拌生物反應(yīng)器中，溶氧系數(shù)KLa可以用下式表示：式中：Pg 在通氣情況下的攪拌功率，W；VL 反應(yīng)器中培養(yǎng)液凈體積，不包括氣體所占體積，m3；g 氣體表面速率，等于空氣流量除以反應(yīng)器的橫截面積，m/s；KLa 氧的體積傳質(zhì)系數(shù) s-1；X 常數(shù)；y, z均為正數(shù)。()() (3 -1 5 )gyZL agLPKXVV

37、3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)1機械攪拌攪拌是影響溶氧傳質(zhì)系數(shù)的一個主要因素，攪拌輸出功率越大，溶氧系數(shù)越大。這是因為比較大的攪拌功率不但可以使分布在發(fā)酵液中氣泡變小，增加氣液接觸面積，而且使氣泡在發(fā)酵液內(nèi)沿著一個比較曲折的途徑運動，延長了氣泡在液體內(nèi)的停留時間。更重要的是攪拌能夠增加液體的喘流程度，減少液膜厚度，降低傳質(zhì)阻力。此外攪拌也能使培養(yǎng)液中各成分在反應(yīng)器內(nèi)均勻分布，有利于細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝物的分散。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)2培養(yǎng)液的凈體積在同樣的攪拌形式和尺寸，同樣的輸入功率情況下，培養(yǎng)液的凈

38、體積越大，溶氧系數(shù)越小。這是因為如果發(fā)酵液體積比較大，攪拌的均勻程度就會下降，盡管攪拌葉附近的傳質(zhì)效果可能不受影響，但是，遠離攪拌的地方溶氧效果就會降低，總體上氣液傳質(zhì)效果就會變差，總?cè)苎跸禂?shù)降低。相反，培養(yǎng)液的凈體積小，攪拌比較均勻，發(fā)酵液各處都受到攪拌作用，溶氧系數(shù)就大。所以，減少培養(yǎng)液的凈體積也能夠提高溶氧系數(shù)，當然，培養(yǎng)液體積不能太小，至少要浸沒攪拌葉。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)3氣體的表面速率對同一個生物反應(yīng)器，氣體的表面速率越大，單位時間向反應(yīng)器通入的空氣越多，溶氧系數(shù)越大。原因在于較大的通氣量能夠在發(fā)酵液中產(chǎn)生較多的氣泡，從而增大氣液接

39、觸面積，使溶氧系數(shù)提高。同時，通氣對培養(yǎng)液也起到一定的攪拌作用，通氣量越大，攪拌越劇烈，降低了液膜和氣膜厚度，減少了傳質(zhì)阻力。因此，增加通氣量也能夠提高溶氧系數(shù)，但是，通氣量也不能太大，因為太大的通氣量不僅容易產(chǎn)生大量泡沫，使發(fā)酵液沖出發(fā)酵罐，而且，通氣量超過一定的限度，容易發(fā)生所謂的“過載”現(xiàn)象。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)4攪拌罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)在相同的條件下，如果對生物反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改造，也可以增加溶氧系數(shù)。比如，內(nèi)壁加有擋板的反應(yīng)器比不加擋板溶氧系數(shù)大，因為擋板增加了反應(yīng)器內(nèi)液體的喘動程度，使傳質(zhì)液膜變薄，減少了傳質(zhì)阻力，同時也改善了反應(yīng)器內(nèi)液體

40、的流型，使各處更加平均。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)5發(fā)酵液性質(zhì)發(fā)酵液性質(zhì)影響溶氧系數(shù)表現(xiàn)在它們對公式10中幾個常數(shù)x、y、z的影響上。首先，發(fā)酵液表面張力不同，空氣氣泡在發(fā)酵液中的合并難易程度就不一樣。一般純水和空氣的混合屬于這種“易合并表面氣-水混合液”。如果在發(fā)酵液中加入少量的電解質(zhì)，發(fā)酵液的表面張力就會發(fā)生改變，形成“非易合并表面氣-水混合液”，發(fā)酵液內(nèi)的氣泡就比較難以合并，小氣泡的數(shù)量就會較多，氣液接觸面積相對較大，在一定情況下溶氧系數(shù)就較高。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)以下兩個公式是在空氣-純水和空

41、氣-含電解質(zhì)水兩個系統(tǒng)中溶氧系數(shù)計算公式：純水-空氣混合系統(tǒng)溶氧系數(shù)關(guān)聯(lián)公式（式中各參數(shù)物理意義同公式3-10）：20.40.5gL32.610()() (3-16)p50010000V2.6gLagLLpKVVVm 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)含電解質(zhì)水-空氣系統(tǒng)溶氧系數(shù)關(guān)聯(lián)公式（式中各參數(shù)物理意義同公式3-10）：30.70.5gL3210()() (3-17)p50010000V2.6gL agLLpKVVVm 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)其次，在牛頓流體和非牛頓流體中，溶氧系數(shù)的變化規(guī)律也不同。牛頓流體指流

42、體在層流時，流體的粘度不隨速度而變，其速度分布呈拋物線形。大部份流體如水、酒精、空氣等屬于此類。非牛頓流體指流體行為不符合牛頓粘度定律者，如牙膏、強力膠、水泥漿等。在非牛頓流體中，攪拌功率的變化對溶氧系數(shù)的影響比牛頓流體要小，因此，要想達到同樣的溶氧系數(shù)，非牛頓流體發(fā)酵液需要更大的攪拌功率。 3.3 3.3 生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)生物反應(yīng)器的通風和溶氧傳質(zhì)6消沫劑消沫劑對溶氧系數(shù)的影響較大，有雙重作用。一方面，消沫劑能夠降低表面張力，減小發(fā)酵液中氣泡的直徑，使發(fā)酵液中充滿較多的小氣泡，從而增加單位體積發(fā)酵液中的氣液接觸面積，增加溶氧系數(shù)； 另一方面，消沫劑附著在氣液接觸界面，改變了傳質(zhì)液膜

43、的組成，不但增加了液膜傳質(zhì)阻力，而且降低了氣液界面的流動性，反而降低了溶氧系數(shù)。 3.4 3.4 一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項生物反應(yīng)器的操作一般分為分批操作和連續(xù)操作兩種類型。分批操作是指將培養(yǎng)液一次性加入生物反應(yīng)器，在適宜的條件下將微生物菌種接入，待生物生長一定時間后，將反應(yīng)器內(nèi)物料全部取出的一種操作方式。分批操作是生物工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一種操作模式，根據(jù)生產(chǎn)過程中生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的體積與時間的變化關(guān)系可分為以下幾種情況： 3.4 3.4 一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項一般生物反應(yīng)器的操作和注意事項1簡單分批發(fā)酵操作生物反應(yīng)器經(jīng)過清洗、滅菌后，將無菌的含有各種營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)液一次性加入生物反應(yīng)器，在一定的溫度下接入種子。培養(yǎng)一段時間后（一般是1至數(shù)天），將培養(yǎng)液一次全部放出。這種發(fā)酵操作工藝簡單，容易掌握，生產(chǎn)重現(xiàn)性好，對設(shè)備也沒有特別的要求，在生物工業(yè)發(fā)展的初期曾經(jīng)廣泛采用，但由于生產(chǎn)周期短，產(chǎn)率低，現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)很少應(yīng)用。 3.4