1、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,課程作用與任務(wù),生物工程設(shè)備,作用,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

2、 developmentShake 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

3、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)胞生長動(dòng)力學(xué) 有抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué) 產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué) 環(huán)境因素對(duì)生長及代謝的影響,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，并獲得間接測量的數(shù)據(jù) 最后結(jié)合熱力學(xué)

4、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 YbCH 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：,CHmOl+aNH3+bO2 YbCH 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：,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

5、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,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,對(duì)氧的細(xì)胞得率Yx/o,對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/s,對(duì)碳的細(xì)胞得率YC,基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s與比生長速率的關(guān)系,比生長速率：生長速度大小的參數(shù)。,維持的定義：,式中YXS細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的得率；,最大得率；ms 維持系數(shù)； 比生長速率。,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量有助于確定得率 其他： 根據(jù)基

6、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，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，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)胞生長動(dòng)力學(xué)模型 微生物

7、細(xì)胞在生長過程中需經(jīng)歷以下生長階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制） 停滯期 對(duì)數(shù)生長期 減速期 平衡期 衰退期,細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué),細(xì)胞生長分為幾個(gè)階段：停滯期、對(duì)數(shù)生長期、減速期、平衡期和死亡期。,圖2.1 典型的細(xì)菌生長曲線,在指數(shù)生長期，細(xì)胞量生長速度為：,細(xì)胞數(shù)增長速度為：,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0.55h，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15100h，植物細(xì)胞倍增時(shí)間約2474h。,Monod方程(無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué))：,無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué),Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設(shè)為：

8、 (1) 細(xì)胞的生長為均衡式生長； (2) 培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長； (3) 細(xì)胞的生長視為簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。 Monod方程僅適用于細(xì)胞生長較慢和細(xì)胞密度較低的環(huán)境下。,式中為比生長速率;max為最大比生長速率;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)胞生長動(dòng)力學(xué),基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué),對(duì)反競爭性抑制，其抑制機(jī)理可假設(shè)為：,式中,對(duì)競爭性抑制，細(xì)胞比生長速率為：,對(duì)非競爭性抑制，細(xì)胞比生長速率為：,表2.1 有無抑制的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)比較,產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué),幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

9、,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)：,圖2.2 Gaden類型,圖2.2 Gaden模型分類,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，

10、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。,存在產(chǎn)物抑制作用，生長速率公式可表示為： Rx-反應(yīng)速率 K常數(shù) 積分：,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)部生長的細(xì)胞受到擴(kuò)散的抑制 它的生長模型常包括大顆粒（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，因而生長過程復(fù)雜，包括生長動(dòng)力學(xué)，營養(yǎng)的擴(kuò)散和有毒的代謝副產(chǎn)物,二。生長動(dòng)力學(xué)方程,1。Monod方程,生物生長過程的基質(zhì)傳遞速

11、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),uhmumax，此時(shí)基質(zhì)濃度為：,2。其他生長動(dòng)力學(xué)方程 Monod方程式只描述生長慢，細(xì)胞濃度低時(shí)基質(zhì)限制生長的生長速率。 高細(xì)胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時(shí)方程式需做改變 Blackman：簡單的

12、將Ks加倍，取消monod方程中給出的指數(shù)生長和減數(shù)生長間的平滑轉(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)胞生長模型時(shí)，有：,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-可以限制生長的營養(yǎng)物（G代表碳源，N-代表氮源，O-代表氧）,四，高濃度基質(zhì)及產(chǎn)

13、物的抑制動(dòng)力學(xué),高濃度的基質(zhì)可抑制生長和產(chǎn)物合成 描述此現(xiàn)象的兩個(gè)非競爭性抑制方程： 對(duì)于競爭性抑制方程與酶動(dòng)力學(xué)方程相類似,高濃度產(chǎn)物對(duì)生長的抑制方程為： P-產(chǎn)物濃度 Kp產(chǎn)物抑制平衡常數(shù),若產(chǎn)物合成采用依賴于基質(zhì)濃度的混合生長偶聯(lián)模型表達(dá)，有： 產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括：,上式n1通常大于1而0Pmax時(shí)，上式和下式已成功用于模擬檸檬酸的合成：,五。環(huán)境因素對(duì)生長和代謝的影響,生物反應(yīng)器中的大部分微生物是中溫菌（20T）或嗜熱菌（T50 ） 溫度向最適溫度方向增加時(shí)，每增高10 ，生長速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長速率下降，最后出現(xiàn)熱死,環(huán)境因素對(duì)生長及代謝的影響,溫度,pH值,

14、在適宜的溫度范圍內(nèi)，細(xì)胞凈增長率方程為：,根據(jù)Arrhenius方程，有：,所以：,圖2.3 E.coli生長速率的Arrhenius圖,pH也會(huì)影響微生物的生長，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

15、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,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

16、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,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：,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10100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其kLa值為200 1000h-

17、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：,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/