1、Franklin Gang Chen2003年11月組員:羅 旭 余 虎 姚 鵬 劉朝芬 楊 喆 謝青蘭 一生物反響器簡介 二生物反響器放大的目的 三生物反響器的放大原那么 四生物反響器的放大方法 五發(fā)酵罐的比較減少 六生物化工開展現(xiàn)狀與未來 生物反響器是生物技術(shù)開發(fā)中的關(guān)鍵 設(shè)備，每一種生物反響獲得的產(chǎn)品都離不開它。 一項(xiàng)生物技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，很大程度上依賴于所用反響器的效率。 在生物反響器的設(shè)計(jì)與操作中，至少要思索以下兩方面的問題： 1生物化學(xué)和生物能量學(xué)的問題 2該技術(shù)所涉及的生物反響過程 生物反響器是使生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、消費(fèi)力的關(guān)鍵設(shè)備，其在生物過程中處于中心位置。 生物工業(yè)中運(yùn)用

2、的生物反響器有多種方式。傳統(tǒng)生物工業(yè)中運(yùn)用的生物反響器稱為“發(fā)酵罐fermenter。 上個(gè)世紀(jì)70到80年代，“生物反響器這一稱謂開場(chǎng)出現(xiàn)，并逐漸被人們廣泛接受和大量運(yùn)用。 生物反響器的種類比較多，不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反響器，還包括固定化酶或細(xì)胞反響器、動(dòng)植物細(xì)胞培育反響器和光合生物反響器等等。 一個(gè)生物反響過程的開發(fā)，通常是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模優(yōu)化研討的根底上最后才在大型消費(fèi)設(shè)備中投入消費(fèi)的。 但在不同大小的反響器中進(jìn)展一樣的生物反響時(shí)，在生物反響器質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳送上的差別，有能夠?qū)е路错懰俾室约胺错憰r(shí)詳細(xì)過程的差別，從而導(dǎo)致反響的異化。因此，生物反響器的比較放大是生物化學(xué)工業(yè)中

3、的一個(gè)重要研討課題。 生物反響器的類型很多，所適用的體系也各異，因此生物反響器的放大是比較復(fù)雜的。下面就引見一些放大準(zhǔn)那么。 1幾何類似 即按小的與大的安裝各部分幾何尺寸比例大致一樣放大。但是，為了防止設(shè)備直徑過大，大設(shè)備的高徑比往往大一些。 2恒定等體積功率放大 由Pg/V恒定而確定攪拌轉(zhuǎn)速。三恒定傳氧系數(shù)kLa放大 這個(gè)方法抓住了傳氧這一關(guān)鍵要素，目前運(yùn)用很多。詳細(xì)運(yùn)用中要留意幾個(gè)問題。 1.小試中要測(cè)得準(zhǔn)確的kLa值，選擇適宜的計(jì)算公式。 2.留意各計(jì)算kLa公式在放大中參數(shù)的變化及適用范圍。 3.按照計(jì)算P0/Pg選擇通氣比，計(jì)算Vs求kL來計(jì)算四恒定剪切力恒定葉端速度放大 剪切力與攪

4、拌槳葉端速度成正比，在恒定體積功率放大時(shí)普通維持n3d2不變n為攪拌槳轉(zhuǎn)速、d為攪拌槳直徑五恒定的混合時(shí)間tM放大 另外，還有人主張思索NRe及動(dòng)量因子來放大等，這里就不一一引見了。 生物反響器的比較放大，要對(duì)詳細(xì)情況做詳細(xì)分析。根據(jù)不同的需求來確定放大準(zhǔn)那么，再選取適宜的方法。詳細(xì)的放大方法主要有以下幾種： 一以kLa為基準(zhǔn)的比較放大法 二以Po/V相等為準(zhǔn)那么的比較放大 三其他的比較放大方法 有的菌種在深層發(fā)酵時(shí)耗氧速率很快，因此溶氧速率能否與之平衡就能夠成為消費(fèi)的限制性要素。耗氧速率可以用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定。在小型實(shí)驗(yàn)發(fā)酵罐里進(jìn)展發(fā)酵過程，用適當(dāng)?shù)膬x器記錄發(fā)酵液中的溶氧濃度。 對(duì)于溶氧速率控制的

5、非牛頓發(fā)酵液系統(tǒng)，把Po/V相等作為比較放大的準(zhǔn)那么就非常方便，同時(shí)也防止了微生物參與所帶來的計(jì)算kLa的困難。 值得留意的是， Po/V與傳質(zhì)系數(shù)之間確實(shí)存在著重要的關(guān)系，但Po/V相等并不意味著kLa相等。二者之間沒有必然的聯(lián)絡(luò)。 一恒周線速度 絲狀菌發(fā)酵受剪率、特別是攪拌葉輪尖端線速度的影響較為明顯。假設(shè)僅僅堅(jiān)持kLa相等或Po/V相等，能夠會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤。在Po/V相等的條件下，D/T比越小，呵斥的剪率越大，也有利于菌絲團(tuán)的破碎和氣泡的分散，這對(duì)于產(chǎn)物抑制的發(fā)酵有重要意義。所以，對(duì)于這類發(fā)酵體系，攪拌渦輪周線速度也被以為是比較放大的基準(zhǔn)之一。 二恒混合時(shí)間 混合時(shí)間的定義是把少許具有

6、與攪拌 罐內(nèi)的液體一樣物性的液體注入攪拌罐內(nèi)，兩者到達(dá)分子程度的均勻混合所需求的時(shí)間。 混合時(shí)間主要與發(fā)酵液的粘度有關(guān)，通常，低粘度的液體混合時(shí)間要少于高粘度的液體。另外，放大罐的體積越大，混合時(shí)間就越長。 由此可以看出，比較放大雖然必需以理性知識(shí)為根底，但也離不開豐富的實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)閱歷，特別是對(duì)于非牛頓流體發(fā)酵系統(tǒng)尤其如此。直到最近，比較放大的現(xiàn)狀依然如此。 在不少情況下，大型的消費(fèi)規(guī)模的發(fā)酵罐是已有的，而用實(shí)驗(yàn)室的搖平去挑選消費(fèi)用菌株。但有的時(shí)候，搖瓶中的環(huán)境條件與大型發(fā)酵罐有很大的不同，這就導(dǎo)致很多消費(fèi)與實(shí)驗(yàn)中的不符合。 比較減少就是將現(xiàn)有的消費(fèi)規(guī)模發(fā)酵罐比較減少至實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。目的就是在實(shí)驗(yàn)

7、室規(guī)模中實(shí)現(xiàn)大型反響器的微生物生長活動(dòng)的環(huán)境條件。這就為現(xiàn)有的消費(fèi)規(guī)模提供了優(yōu)良的菌種挑選和選育的場(chǎng)所，也為工藝條件的優(yōu)化提供效力。 比較減少的原理、方法與比較放大一樣。一國外生物化工產(chǎn)業(yè)開展趨勢(shì)二我國生物化工主要產(chǎn)品開展方向三國內(nèi)外的生物公司 生物化學(xué)轉(zhuǎn)化與傳統(tǒng)的化學(xué)合成相比，具有原料易得、反響條件溫暖、選擇性高和環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的開展，已使生物化工成為21世紀(jì)最高生命力的產(chǎn)業(yè)。生物技術(shù)是振興化工的一個(gè)重要方面 。 美國確定2020年化學(xué)工業(yè)技術(shù)開展方向是：以催化為中心的化學(xué)合成技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和食品等生物工藝。全球生物化學(xué)工業(yè)產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)上千億美圓。在美國，從事生物

8、技術(shù)制品的消費(fèi)公司約1300多家；日本生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的5%以上。生物化工在化學(xué)品制備中，每年正以18%的速度開展。 國外生物化工開展特點(diǎn)：國際上老牌化學(xué)工業(yè)公司轉(zhuǎn)化為以生物技術(shù)為主的大公司，如孟山都公司、杜邦公司、默克公司等2生物催化合成已成為化學(xué)品合成的支柱之一。利用生物催化合成諸多的化學(xué)品3利用生物技術(shù)消費(fèi)具有特需功能的化工新資料。利用生物技術(shù)來消費(fèi)那些化學(xué)法無法消費(fèi)的或者消費(fèi)本錢高，或者對(duì)環(huán)境不利的那些化工新資料4傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)已被基因重組菌種取代或改良。許多傳統(tǒng)的發(fā)酵工程產(chǎn)品，如檸檬酸、青霉素等都已開場(chǎng)采用基因工程手段進(jìn)展改造，大大提高產(chǎn)量。以基因工程為主導(dǎo)的醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品已占75%左右。 1生物法合成化學(xué)品 產(chǎn)品中采用生物方法消費(fèi)功能性高分子資料，能消費(fèi)出可生物降解的高分子資料。清華大學(xué)和中科院在發(fā)酵法消費(fèi)PHB上獲得較大進(jìn)展。北京化工大學(xué)已建成250噸/年發(fā)酵發(fā)消費(fèi)殼聚糖工業(yè)化安裝。在開展實(shí)現(xiàn)聚天門冬酸的工業(yè)化是很有希望的，聚天門冬酸是一種優(yōu)良的生物可降解的高分子資料，可用