1、生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程生物工程：用生物體或其組成成分在最適條件下產(chǎn)生有益產(chǎn)物及進行有效生產(chǎn)過程的技術(shù)。生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應器工程。在這五大領(lǐng)域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種“工程菌”或“工程細胞株”。后三者的作用則是為這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程技術(shù)發(fā)展的三個階段： 傳統(tǒng)生物技術(shù)釀造技

2、術(shù)；蘇美爾人和巴比倫人在公元前 6000年就已開始啤酒發(fā)酵；說文解字：古者儀狄作酒醪，禹嘗之而美，遂疏儀狄。杜康作秫酒。列文虎克發(fā)現(xiàn)細胞，羅伯特胡克發(fā)明”cell”，德國的植物學家施萊登和動物學家施旺證明了細胞是動植物的基本單位 ；1897年德國的畢希納發(fā)現(xiàn)被磨碎后的酵母細胞仍可進行酒精的發(fā)醉，并認為這是酶的作用，并于1907年因此發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾化學獎；德國的科赫首先用染色法觀察了細菌的形態(tài)，并發(fā)現(xiàn)了結(jié)核菌，并因此獲1905年的諾貝爾生理學及醫(yī)學獎。生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備 近代生物技術(shù)生物發(fā)酵技術(shù)細菌和酵母等微生物在無氧條件下，酶促降解糖分子產(chǎn)生能量的過程。1928年英國的弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素

3、，近代生物工程的起始標志是青霉素的工業(yè)開發(fā)獲得成功；1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩因發(fā)明和開發(fā)了青霉素被授予諾貝爾醫(yī)學獎；美國的生化學家薩姆納說明酶是一類蛋白質(zhì)，在1946年和他的同事共獲諾貝爾化學獎；我國微生物學家尹光琳等在20世紀70年代完成維生素C微生物二步轉(zhuǎn)化的方法。生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備 現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程技術(shù)，按人們意愿設(shè)計，通過改造基因或基因組而改變生物的遺傳特性。1865年奧地利人孟德爾提出了經(jīng)典的遺傳學說；1911年，美國科學家Morgan和他的助手們第一次將代表某一特定性狀的基團同某一特定的染色體聯(lián)系了起來，創(chuàng)立了遺傳的染色體理論；1953年沃森和克里克提出了DNA的

4、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，闡明了DNA的半保留復制模式，從而開辟了分子生物學研究的新紀元，1962年，沃森、克里克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程生物工程主要操作對象主要操作對象工程目的工程目的與其它工程的關(guān)系與其它工程的關(guān)系基因工程基因及動物細胞、植物細胞、微生物改造物種通過細胞工程、發(fā)酵工程使目的基因得以表達細胞工程動物細胞、植物細胞、微生物細胞改造物種可以為發(fā)酵工程提供菌種、使基因工程得以實現(xiàn)發(fā)酵工程微生物獲得菌體及各種代謝產(chǎn)物為酶工程提供酶的來源酶 工 程微生物獲得酶制劑或固定化酶為其它生物工程提供酶制劑生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物反應工程技術(shù)細胞大規(guī)模培養(yǎng)

5、技術(shù)：微生物、動物細胞、藻類酶反應技術(shù)：生物催化劑、酶反應工程分離技術(shù)小分子化合物大分子活性化合物需要裝備技術(shù)來實現(xiàn)先進的裝備技術(shù)過程原理研究不同領(lǐng)域的先進技術(shù)設(shè)備原理、設(shè)計理念、部件與制造技術(shù)目錄目錄 第一篇第一篇 生物反應器生物反應器 第一章 生物反應器設(shè)計基礎(chǔ) 第二章 通風發(fā)酵設(shè)備 第三章 嫌氣發(fā)酵設(shè)備 第四章 植物細胞和動物培養(yǎng)反應器 第五章 生物反應器的檢測及控制 第六章 生物反應器的比擬放大第一章第一章 物料處理與培養(yǎng)基制備物料處理與培養(yǎng)基制備第二章第二章 過濾、離心與膜分離設(shè)備過濾、離心與膜分離設(shè)備第三章第三章 萃取與色譜分離設(shè)備萃取與色譜分離設(shè)備第四章第四章 蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備蒸發(fā)

6、與結(jié)晶設(shè)備第五章第五章 干燥設(shè)備干燥設(shè)備第六章第六章 蒸餾設(shè)備蒸餾設(shè)備第二篇第二篇 生物反應物料處理及產(chǎn)物分離純化設(shè)備生物反應物料處理及產(chǎn)物分離純化設(shè)備第一章第一章 空氣凈化除菌與空氣調(diào)節(jié)空氣凈化除菌與空氣調(diào)節(jié)第二章第二章 設(shè)備與管道的清洗與殺菌設(shè)備與管道的清洗與殺菌第三章第三章 物料輸送系統(tǒng)設(shè)備物料輸送系統(tǒng)設(shè)備第四章第四章 生物工程供水與制冷系統(tǒng)及設(shè)備生物工程供水與制冷系統(tǒng)及設(shè)備第三篇第三篇 輔助系統(tǒng)設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備特點：設(shè)備操作條件為常溫、常壓或低壓：發(fā)酵溫度一般為28 50；滅菌溫度128，30min；壓力一般常壓0.3MPa無菌操作，設(shè)備應考慮消除死

7、角，保證不被雜菌污染設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足工藝要求：通風、pH調(diào)節(jié)、溫度控制、補料等接口材料耐腐蝕性：不銹鋼或內(nèi)襯不銹鋼、涂料、橡膠生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備基本要求：在滿足生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，盡可能節(jié)省投資，降低生產(chǎn)成本。強度和剛度要求；加工費、運轉(zhuǎn)費；生產(chǎn)能力越大，投資越省，罐容增大10倍，投資只增加45倍；設(shè)備利用率越高，成本越低，盡可能提高利用率(反應器的時空收率)。生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物反應器生物反應器生物反應器生物反應器大規(guī)模培養(yǎng)微生物、動物細胞、植物細胞，獲得其代謝產(chǎn)物或生物體的設(shè)備。生物反應器要滿足和調(diào)控微生物、動物細胞、植物細胞的最適宜生長和合成的環(huán)境，是工業(yè)化大規(guī)模細

8、胞培養(yǎng)過程唯一一個把原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的設(shè)備。一個優(yōu)良的生物反應器應具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合的性能；結(jié)構(gòu)嚴密，內(nèi)壁光滑，易清洗，檢修維護方便；有可靠的檢測和控制儀表；攪拌及通氣所消耗的動力要少；能獲得最大的生產(chǎn)效率與最佳的經(jīng)濟效益。生物反應器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一生物反應器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一一般生化反應過程一般生化反應過程細胞或酶等生物催化劑細胞或酶等生物催化劑（游離或固定化游離或固定化）生生 物物 反反 應應 器器空氣空氣CO2等等冷卻水冷卻水原材料原材料培養(yǎng)基培養(yǎng)基滅菌滅菌產(chǎn)物產(chǎn)物廢物廢物除菌除菌檢測和控制檢測和控制產(chǎn)物預處理產(chǎn)物預處理產(chǎn)品提取精制產(chǎn)品提取精制副產(chǎn)物副產(chǎn)物 輔

9、助設(shè)備輔助設(shè)備 物料處理與培養(yǎng)基制備、無菌空氣制備物料處理與培養(yǎng)基制備、無菌空氣制備 發(fā)酵液預處理設(shè)備（過濾和離心設(shè)備）發(fā)酵液預處理設(shè)備（過濾和離心設(shè)備） 產(chǎn)品提取與精制設(shè)備產(chǎn)品提取與精制設(shè)備 核心部分是生物反應器核心部分是生物反應器緒論緒論一、基本概念一、基本概念二、發(fā)展過程二、發(fā)展過程三、生物反應器的分類三、生物反應器的分類四、生物反應器設(shè)計的目標和原則四、生物反應器設(shè)計的目標和原則一、基本概念一、基本概念 生物反應器是指為一個特定生物化學過程的操作提生物反應器是指為一個特定生物化學過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。供良好而滿意的環(huán)境的容器。 工業(yè)發(fā)酵中一般指進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備工

10、業(yè)發(fā)酵中一般指進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備 在有些情況下，密閉容器，簡單容器在有些情況下，密閉容器，簡單容器二、發(fā)展過程二、發(fā)展過程1）1900年以前，木制容器造酒年以前，木制容器造酒2）19001940年，鋼制發(fā)酵罐，開始使用空氣分布器，年，鋼制發(fā)酵罐，開始使用空氣分布器，機械攪拌開始應用機械攪拌開始應用3）19401960年，青霉素，通風，無菌操作，年，青霉素，通風，無菌操作， 純培養(yǎng)等純培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始應用，計算機用于發(fā)酵控制，產(chǎn)物分一系列技術(shù)開始應用，計算機用于發(fā)酵控制，產(chǎn)物分離純化商業(yè)化。離純化商業(yè)化。4）19601979年，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積增大到年，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積

11、增大到80150m3，出現(xiàn)壓力循環(huán)和壓力噴射型發(fā)酵罐，克服一些氣體交換和熱交出現(xiàn)壓力循環(huán)和壓力噴射型發(fā)酵罐，克服一些氣體交換和熱交換問題，計算機廣泛應用換問題，計算機廣泛應用.5）1979今，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐，胰島素、干擾素等基因工今，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐，胰島素、干擾素等基因工程產(chǎn)品商業(yè)化發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動化發(fā)展程產(chǎn)品商業(yè)化發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動化發(fā)展.三、生物反應器的分類三、生物反應器的分類1.1.按代謝要求分：按代謝要求分：u 厭氧生物反應器（酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐、沼氣發(fā)酵罐）厭氧生物反應器（酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐、沼氣發(fā)酵罐）u 通氣生物反應器（攪拌式、氣升式、自吸式

12、等）通氣生物反應器（攪拌式、氣升式、自吸式等）2.2.按所用的生物催化劑的不同分：按所用的生物催化劑的不同分： 酶催化反應器和細胞生物反應器酶催化反應器和細胞生物反應器3.3.按反應器的操作方式分：按反應器的操作方式分：間歇式生物反應器、連續(xù)式生物反應間歇式生物反應器、連續(xù)式生物反應器、半間歇式生物反應器器、半間歇式生物反應器4.4.按反應器結(jié)構(gòu)特征分：按反應器結(jié)構(gòu)特征分：罐式、罐式、管式、塔式、膜式等管式、塔式、膜式等 5.5.按能量的輸入方式分：按能量的輸入方式分： 機械攪拌式機械攪拌式 氣流攪拌式氣流攪拌式 液體環(huán)流式液體環(huán)流式6.6.按容積分類按容積分類 0.5m0.5m3 3以下的是

13、實驗室發(fā)酵罐以下的是實驗室發(fā)酵罐 0.5-50m0.5-50m3 3 是中試發(fā)酵罐是中試發(fā)酵罐 50m50m3 3以上是生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐以上是生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐 大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐動物細胞反應器動物細胞反應器液態(tài)深層白醋發(fā)酵設(shè)備液態(tài)深層白醋發(fā)酵設(shè)備氨基酸生產(chǎn)設(shè)備氨基酸生產(chǎn)設(shè)備四、生物反應器設(shè)計的目標和原則四、生物反應器設(shè)計的目標和原則1 1、一個優(yōu)良的生物反應器應具備的條件：、一個優(yōu)良的生物反應器應具備的條件： 生物反應器的作用：生物反應器的作用： 為細胞代謝提供一個適宜的物理及化學環(huán)境，使為細胞代謝提供一個適宜的物理及化學環(huán)境，使細胞能更快更好地生長，并得到更多需要的生物細胞能更快更好地生長

14、，并得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。量或代謝產(chǎn)物。一個優(yōu)良的生物反應器應具備：一個優(yōu)良的生物反應器應具備： 嚴密的結(jié)構(gòu)嚴密的結(jié)構(gòu) 良好的液體混合性能良好的液體混合性能 高的傳質(zhì)和傳熱速率高的傳質(zhì)和傳熱速率 靈敏的檢測和控制儀表靈敏的檢測和控制儀表2 2、判斷生物反應器好壞的唯一標準是：、判斷生物反應器好壞的唯一標準是： 該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。 生物反應器設(shè)計的主要目標：生物反應器設(shè)計的主要目標：使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低 生物反應器設(shè)計的重要方面包括：生物反應器設(shè)計的重要方面包括： 1 1）改善生物催化劑；）改

15、善生物催化劑； 2 2）好的過程控制；）好的過程控制； 3 3）好的無菌條件；）好的無菌條件； 4 4）克服速度限制因素（物質(zhì)、熱量、質(zhì)量傳遞）等。）克服速度限制因素（物質(zhì)、熱量、質(zhì)量傳遞）等。3、生物反應器設(shè)計的重要方面包括：、生物反應器設(shè)計的重要方面包括： 在培養(yǎng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直在培養(yǎng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直接連通；接連通； 盡量減少法蘭連接，因為設(shè)備震動和熱膨脹，會引盡量減少法蘭連接，因為設(shè)備震動和熱膨脹，會引起法蘭連接外移位，從而導致污染；起法蘭連接外移位，從而導致污染； 在可能的條件下，應采用全部焊接結(jié)構(gòu)，所有焊接在可能的條件下，應采用全部焊接結(jié)構(gòu)

16、，所有焊接點必須磨光，消除蓄積耐滅菌的固體物質(zhì)的場所；點必須磨光，消除蓄積耐滅菌的固體物質(zhì)的場所； 防止死角、裂縫等情況；防止死角、裂縫等情況； 某些部分應能單獨滅菌；某些部分應能單獨滅菌； 易于維修；易于維修； 反應器可保持小的正壓。反應器可保持小的正壓。4、與化學反應器不同，生物反應器設(shè)計應具有以下一些原則：、與化學反應器不同，生物反應器設(shè)計應具有以下一些原則：5、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來方向、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來方向（1）開發(fā)）開發(fā)活性高、選擇性好及壽命長活性高、選擇性好及壽命長的生物催化劑的生物催化劑 開發(fā)主要途徑是利用基因工程技術(shù)，實現(xiàn)生物細胞的定向改造，以及改開發(fā)主要途徑是

17、利用基因工程技術(shù)，實現(xiàn)生物細胞的定向改造，以及改進酶和細胞的固定化技術(shù)進酶和細胞的固定化技術(shù)（2）改進生物反應器的）改進生物反應器的傳質(zhì)、傳熱傳質(zhì)、傳熱的方法的方法（3）生物反應器向）生物反應器向大型化和自動化大型化和自動化方向發(fā)展。反應器的放大降低了操作方向發(fā)展。反應器的放大降低了操作成本，自動化檢測和控制系統(tǒng)控制使反應器在最佳條件下操作成為可成本，自動化檢測和控制系統(tǒng)控制使反應器在最佳條件下操作成為可能能（4）特殊要求的新型生物反應器特殊要求的新型生物反應器的研制開發(fā)，如基因產(chǎn)品生產(chǎn)、細胞固的研制開發(fā)，如基因產(chǎn)品生產(chǎn)、細胞固定化及動植物細胞培養(yǎng)的工業(yè)反應器，固體發(fā)酵反應器、邊發(fā)酵邊分定化及

18、動植物細胞培養(yǎng)的工業(yè)反應器，固體發(fā)酵反應器、邊發(fā)酵邊分離反應器等的開發(fā)研制已獲得廣泛重視離反應器等的開發(fā)研制已獲得廣泛重視（5）降低設(shè)備投資方面，對）降低設(shè)備投資方面，對連續(xù)過程連續(xù)過程更加重視。更加重視。教材及參考文獻教材及參考文獻 教材：教材： 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備 梁世中梁世中 主編主編 輕工業(yè)出版社輕工業(yè)出版社參考文獻：參考文獻：發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備 高孔榮高孔榮 輕工業(yè)出版社輕工業(yè)出版社發(fā)酵工程與設(shè)備發(fā)酵工程與設(shè)備 四校合編四校合編 輕工業(yè)出版社輕工業(yè)出版社抗生素生產(chǎn)設(shè)備抗生素生產(chǎn)設(shè)備 俞俊棠俞俊棠 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備 劉雁然劉雁然 輕工業(yè)出版社輕工

19、業(yè)出版社生化工程生化工程 倫世儀倫世儀 輕工業(yè)出版社輕工業(yè)出版社啤酒工程原理及設(shè)備啤酒工程原理及設(shè)備 吳佩倧吳佩倧 江西科學技術(shù)出版社江西科學技術(shù)出版社 第一章第一章 生物反應器設(shè)計基礎(chǔ)生物反應器設(shè)計基礎(chǔ) 生物反應器的化學計量基礎(chǔ)生物反應器的化學計量基礎(chǔ) 生物反應器的生物學基礎(chǔ)生物反應器的生物學基礎(chǔ) 生物反應器的質(zhì)量傳遞生物反應器的質(zhì)量傳遞 生物反應器的熱量傳遞生物反應器的熱量傳遞 生物反應器的剪切力問題生物反應器的剪切力問題 生物反應的特點生物反應的特點 首先生物反應存在活細胞，在反應中可將它看作催化劑；首先生物反應存在活細胞，在反應中可將它看作催化劑； 其次，由于細胞是生長著的，它對營養(yǎng)有

20、一定的要求，使其次，由于細胞是生長著的，它對營養(yǎng)有一定的要求，使得參與反應的成分很多；得參與反應的成分很多； 第三，生物反應的途徑通常不是單一的，反應過程常伴隨第三，生物反應的途徑通常不是單一的，反應過程常伴隨著生成代謝產(chǎn)物的反應，受到多種環(huán)境因素的影響。著生成代謝產(chǎn)物的反應，受到多種環(huán)境因素的影響。一、生物反應器的化學計量基礎(chǔ)一、生物反應器的化學計量基礎(chǔ) 1.生化反應方程式生化反應方程式CHmO1+aNH3+bO2 YbCHpOnNq(生物量生物量)+YpCHrOsNt（產(chǎn)（產(chǎn)物）物）+cH2O+dCO2其中：其中：Yb、Yp分別是生物量和產(chǎn)物相對單位碳源量的產(chǎn)率。分別是生物量和產(chǎn)物相對單位

21、碳源量的產(chǎn)率。平衡式：平衡式：1=Yb+Yp+da=qYb+tYp1+2b=nYb+sYp+c+2dm+3a=pYb+rYp+2cCNOH1/YXS=1/YmaxXS+ms/式中式中: YXS生物量對基質(zhì)的得率；生物量對基質(zhì)的得率； YmaxXS得率最大值；得率最大值； ms維持系數(shù)；維持系數(shù)； 比生長速率。比生長速率。若方程兩項乘以若方程兩項乘以，得到基質(zhì)消耗的線性方程：，得到基質(zhì)消耗的線性方程： =/ YmaxXS + ms 式中：式中：合成單位生物量的基質(zhì)消耗速率。合成單位生物量的基質(zhì)消耗速率。當有產(chǎn)物產(chǎn)生時當有產(chǎn)物產(chǎn)生時 =/ YmaxXS +/ YmaxXS +ms 式中：式中：單位

22、生物量的產(chǎn)物生成率。單位生物量的產(chǎn)物生成率。2.維持定義維持定義二、生物反應器的生物學基礎(chǔ)生物反應器的生物學基礎(chǔ)二、生物反應器的生物學基礎(chǔ)生物反應器的生物學基礎(chǔ) 一一 ）細胞數(shù)動力學）細胞數(shù)動力學1指數(shù)生長期指數(shù)生長期 比生長速率；比生長速率； X生長量濃度，以生長量濃度，以g/L表示；表示； t生長時間。生長時間。 對方程求積分：并將對方程求積分：并將t為零時的生物量濃度稱為為零時的生物量濃度稱為X0，則：，則： ln(XX0)=t 因此倍增時間因此倍增時間(XX0=2時的時間時的時間t)是：是： td= ln2/2.減速期減速期 Monod方程：方程： 二二 ）產(chǎn)物形成動力學）產(chǎn)物形成動力

23、學（一）細胞代謝產(chǎn)物的生成的幾種形式：（一）細胞代謝產(chǎn)物的生成的幾種形式：（二）代謝產(chǎn)物形成的動力學模型（二）代謝產(chǎn)物形成的動力學模型Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生長速率之間的關(guān)系，將其分為三種根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生長速率之間的關(guān)系，將其分為三種類型。類型。1 類型類型稱為相關(guān)模型，或稱稱為相關(guān)模型，或稱伴隨生長的產(chǎn)物形成模型。伴隨生長的產(chǎn)物形成模型。其動力學方程可表示為其動力學方程可表示為dP/dt=dX/dt 式中式中 P產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度 系數(shù)系數(shù) 產(chǎn)物形成比率即產(chǎn)物形成比率即= dP/dt/X2類型類型稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長稱為部分相關(guān)模型，或稱不完全伴隨生長的產(chǎn)物形

24、成模型。的產(chǎn)物形成模型。其中其中 、系數(shù)系數(shù) 3 類型類型稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長的產(chǎn)物形成稱為非相關(guān)模型或稱不伴隨生長的產(chǎn)物形成模型。模型。dP/dt=X三三) 高濃度基質(zhì)抑制動力學高濃度基質(zhì)抑制動力學基質(zhì)抑制：高濃度的基質(zhì)抑制生長及產(chǎn)物合成?；|(zhì)抑制：高濃度的基質(zhì)抑制生長及產(chǎn)物合成。兩個非競爭性抑制方程：兩個非競爭性抑制方程：=maxS/( Ks+S+S2/K)=maxS/( Ks+S)e(-S/K)式中式中 Ks基質(zhì)的平衡常數(shù)基質(zhì)的平衡常數(shù) K抑制劑的平衡常數(shù)抑制劑的平衡常數(shù) 四四) 環(huán)境因素對生長的影響環(huán)境因素對生長的影響 溫度：一般溫度：一般20-50 pH：通常發(fā)酵應在最適：通

25、常發(fā)酵應在最適pH范圍或附近，不同細胞最范圍或附近，不同細胞最適適pH不同。不同。1. 假如通過實驗測定，反應底物葡萄糖中假如通過實驗測定，反應底物葡萄糖中2/3的碳轉(zhuǎn)化的碳轉(zhuǎn)化為細胞的碳，為細胞的碳，（1）計算該反應的計量系數(shù)）計算該反應的計量系數(shù)C6H12O6+aO2+bNH3 cC4.4H7.3O1.2N0.86 +dH2O+eCO2(2)計算上述反應的得率系數(shù)計算上述反應的得率系數(shù)YX/S（g干細胞干細胞/ g底物）和底物）和YX/O （g干細胞干細胞/ g氧）。氧）。解解: (1)1mol葡萄糖含有的碳為葡萄糖含有的碳為6mol 轉(zhuǎn)化為細胞的碳為轉(zhuǎn)化為細胞的碳為 6*2/3=4mol

26、 則有則有 4=4.4c, c=0.909 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為CO2的碳量為的碳量為2mol 則有則有 2=e, e=2 N平衡平衡 b=0.86c ,b=0.782 H平衡平衡 12+3b=7.3c+2d, d=3.854 O平衡平衡 6+2a=1.2c+d+2e a= 1.473X/SX/O0.9094.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14Y =0.461g/g1800.909 (4.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14)Y =1.76g/g32 1.473（）干細胞 底物干細胞 氧(2)2.一發(fā)酵罐基質(zhì)濃度為一發(fā)酵罐基質(zhì)濃度為225g/L，細胞濃度，細胞濃度0.15g/L，

27、dX/dt=1.5g/h,當基質(zhì)濃度為當基質(zhì)濃度為175g/L，細胞濃度為，細胞濃度為0.1g/L，此，此時，時， dX/dt=0.875g/h,若細胞生長可用若細胞生長可用Monod方程描述，求方程描述，求動力學參數(shù)動力學參數(shù)max、Ks？解：已知解：已知 S1=225g/L X1=0.15g/L dX/dt=1.5g/h, S2= 175g/L X2= 0.1g/L dX/dt=0.875g/h,由由Monod方程：方程：dXXdtSSS maxK +SS maxK +S得：max=20h-1 Ks=225g/L1.50.150.8750.1SS225 maxK +225225 maxK

28、+225 3.已知發(fā)酵罐內(nèi)細胞總濃度為已知發(fā)酵罐內(nèi)細胞總濃度為400g/m3 ，此時細胞濃，此時細胞濃度隨時間變化率為度隨時間變化率為0.02g/Lh， 則求則求（1）細胞比生長速率）細胞比生長速率;（2）若此時細胞處于對數(shù)生長期，細胞數(shù)量倍增時間）若此時細胞處于對數(shù)生長期，細胞數(shù)量倍增時間td 。解：解：已知：已知：X=400g/m3，dX/dt=0.02g/Lh(1)由由30.02100.05400dXXdt h-1(2)td=ln2/0.693/0.05=13.86h 4. 已知某發(fā)酵過程動力學可用下述公式描述，已知某發(fā)酵過程動力學可用下述公式描述， XSKStXSmaxddtXYtSX

29、Sdd1ddd1 dddXPPXtYt（2）（1）（3） 基質(zhì)初始濃度為基質(zhì)初始濃度為S0=100g/L，產(chǎn)物的初始濃度，產(chǎn)物的初始濃度P0=0，細胞初始濃度細胞初始濃度X04g/L，基質(zhì)飽和常數(shù)，基質(zhì)飽和常數(shù)KS25 g/L，最大潛在比生長速率最大潛在比生長速率max0.25h-1，細胞對基質(zhì)的得，細胞對基質(zhì)的得率系數(shù)率系數(shù)YXS0.06，單位產(chǎn)物的細胞質(zhì)量系數(shù)，單位產(chǎn)物的細胞質(zhì)量系數(shù)YXP0.16. 試求試求:細胞質(zhì)量倍增時間細胞質(zhì)量倍增時間td及此時的基質(zhì)濃度及此時的基質(zhì)濃度S和產(chǎn)物濃和產(chǎn)物濃度度P。 解：由（解：由（2）式）式 得：得： ，積分得：，積分得： 有：有： （4） 則細胞質(zhì)

30、量加倍后的基質(zhì)濃度為則細胞質(zhì)量加倍后的基質(zhì)濃度為 tXYtSXSdd1dddXYdSXS1)(100XXYSSXSXSXSYXYXSS0010033.3306. 0806. 04100LgYXYXSSXSXS （4）代入（）代入（1）：）：XXXSYYKXXSYtXXSXSSXS0000maxdd令 XSSXSYKabXSYa,00，則上式變?yōu)椋?，則上式變?yōu)椋?XbXXatX)(ddmax 分離變量積分分離變量積分tdtXdXXaXbtXXmax0max0)(即即tdXXaabXabXXmax0111所以有所以有tXaXaabXXabmax00ln1ln 即即tXaXaXSYYKXXXSYYK

31、XSXSSXSXSSmax000000lnln1從而有從而有tXXX106ln6 . 0ln6 . 40則細胞質(zhì)量倍增時間則細胞質(zhì)量倍增時間htd85. 38106ln6 . 02ln6 . 4 第三節(jié)第三節(jié) 生物反應器的質(zhì)量傳遞生物反應器的質(zhì)量傳遞 第四節(jié)第四節(jié) 生物反應器的熱量傳遞生物反應器的熱量傳遞 第五節(jié)第五節(jié) 生物反應器的剪切力問題生物反應器的剪切力問題 第三節(jié) 生物反應器的質(zhì)量傳遞 一、一、 氣氣-液質(zhì)量傳遞液質(zhì)量傳遞 kLA體積質(zhì)量傳遞系數(shù)，它是質(zhì)量傳遞的比速率，指體積質(zhì)量傳遞系數(shù)，它是質(zhì)量傳遞的比速率，指在單位濃度差下，單位時間、單位界面面積所吸收的在單位濃度差下，單位時間、單位界面面積所吸收的氣體。氣體。kLA有兩項產(chǎn)生：有兩項產(chǎn)生：kL ：質(zhì)量傳遞系數(shù)，它取決于流體的物理特性和靠近流體表：質(zhì)量傳遞系數(shù)，它取決于流體的物理特性和靠近流體表面的流體動力學，對動力輸入的依賴很弱；面的流體動力學，對動力輸入的依賴很弱；A ：通氣反應器單位有效體積的氣泡面積。是一個集總參數(shù)，：通氣反應器單位有效體積的氣泡面積。是一個集總參數(shù)，不能定義為一點，具有物理特