生物反应器精选课件.ppt

关于生物反应器第一页，本课件共有79页第一节 概述 生物反应器:培养细胞生产所需产品的装置。自然生物、实验室设备和工业装置提供细胞生长生活所需良好环境：物理环境 温度、pH、氧浓度等化学环境 营养物、生长调节物 第二页，本课件共有79页研究生物反应器的目的：确定所需生物反应器大小和结构 优化已有生物反应器 更好的了解细胞生长、代谢过程，生产效益最大化生物反应器是生物学和化工科学的交叉，许多方法需应用化学工程的知识。如流体传输与混合；物质传递；热量传递等第三页，本课件共有79页第二节第二节 细胞生长代谢动力学细胞生长代谢动力学 生物反应过程目前最常见的是利用发酵罐培养工程菌，生产目的产物。目前最常见的是利用发酵罐培养工程菌，生产目的产物。动、植物生物反应器发展迅速动、植物生物反应器发展迅速由生物工程所引出的生产过程第四页，本课件共有79页一一般般生生物物反反应应过过程程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物 由图可见，利用生物催化剂进行反应的由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值中，通过产物的合成，廉价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和操作，是了。因此，生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。品的成本和质量有很大影响。第五页，本课件共有79页一、细胞生长的特点、描述方法和分类一、细胞生长的特点、描述方法和分类细胞生长代谢动力学：定量描述细胞生长代谢过程之速细胞生长代谢动力学：定量描述细胞生长代谢过程之速率及其影响因素的科学。率及其影响因素的科学。重要的概念重要的概念 反应速率：单位时间物质浓度的变化量反应速率：单位时间物质浓度的变化量 dx/dt 得率系数：得率系数：2种物质得失之间的计量比种物质得失之间的计量比 YP/Sdp/ds 比速率：单位浓度菌体单位时间内引起物质浓度的变化比速率：单位浓度菌体单位时间内引起物质浓度的变化 代表菌体活力和能力的大小。代表菌体活力和能力的大小。菌体菌体比比生长生长速率速率：1dx/Xdt 基质利用：基质利用：qs-1 ds/Xdt ds/Xdt 基质比消耗速率基质比消耗速率产物形成：产物形成：qp1dp/Xdt 产物比生成速率产物比生成速率第六页，本课件共有79页如果细胞物质或细胞数增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速度增长，可用数学模型来描述。：比生长速率 ：比生产速率 X：细胞浓度(g/L)N：每升细胞数第七页，本课件共有79页讨论反应动力学常假设生物反应在理想状讨论反应动力学常假设生物反应在理想状态下进行，按流动特点，分两种理想流动态下进行，按流动特点，分两种理想流动模式：模式：全混式全混式 反应器内各点浓度、条件完全一反应器内各点浓度、条件完全一致致 活塞流式活塞流式 反应器内物质沿一定方向流动，反应器内物质沿一定方向流动，全无反向混合。全无反向混合。实际反应器流动特点界于实际反应器流动特点界于这两者之间。这两者之间。第八页，本课件共有79页细胞生长的特点与群体描述 多相 体系气、液、固相混合存在 多组分 细胞外和细胞内各种营养成分，代谢产物 非线性 不能用线性方程准确描述 群体性 细胞培养和代谢表现为群体性活动，细胞之间互相影响。104-8个/ml，遵循普遍的生命活动规律。第九页，本课件共有79页基于细胞培养体系的复杂性，几乎无法对其进行描述。从基于细胞培养体系的复杂性，几乎无法对其进行描述。从工程化角度描述细胞群体，首先进行简化，然后建立物理工程化角度描述细胞群体，首先进行简化，然后建立物理模型，最后建立数学模型。模型，最后建立数学模型。对细胞群体的简化，必须考虑如下2方面的因素：细胞内部复杂的结构 细胞之间的差别因此，工程上应用最多的是非结构非离散模型均衡生长模型。该模型不考虑细胞内部的（组分）结构和细胞间的差异，把细胞看成一种溶质（质点），便于用浓度描述，便于数学描述可满足大部分微生物过程及过程控制分析的需要第十页，本课件共有79页细胞群体模型细胞群体模型第十一页，本课件共有79页非非结结构构模模型型不不考考虑虑细细胞胞内内部部结结构构，每每个个细细胞胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；之间无差别，细胞群体作为一种溶质；结结构构模模型型是是指指每每个个细细胞胞之之间间无无差差别别，细细胞胞内部有多个组分存在；内部有多个组分存在；一一般般的的微微生生物物生生长长动动力力学学模模型型认认为为细细胞胞为为单单一一组组分分，在在这这种种理理想想状状况况下下建建立立的的动动力力学学模模型型称称为为非非结结构构模模型型。由由于于细细胞胞组组成成是是复复杂杂的的，当当微微生生物物细细胞胞内内部部的的蛋蛋白白质质、脂脂肪肪、碳碳水水化化合合物物、核核酸酸、维维生生素素等等含含量量随随环环境境条条件件的的变变化化而而变变化化时时，建建立立起起的的动动力力学学模模型型称称为为结结构构模型。模型。第十二页，本课件共有79页二、细胞浓度及浓度测量细菌细胞浓度常用干菌质量浓度（g/L，kg/m3）描述而不是量浓度（mol/L）。所用测量方法 直接测量法直接测量法 细胞干重法 一定体积培养液中收集菌体，洗净干燥，称重。测出的是细胞浓度，不适用于含不溶性固体成分的培养液。最常用方法。显微记数法 显微镜下用细胞计数器测定单位体积培养液内细胞个数。不能用于多细胞和丝状生物体记数，细菌培养液也难以使用，并且无法区别死和活细胞。平板记数法 含细胞培养液系列稀释，取一定量稀释液涂布于平板固体培养基上培养，计算长出菌落数，在还原成原培养液的细胞浓度。测出的是活细胞数。可用于细菌、酵母等单细胞微生物或微生物孢子悬浮液，不适用丝状微物。第十三页，本课件共有79页浊度法 用比色法测定，A600-700nm，快速简单，也不能区别活/死细胞，实践常用。丝状微生物可先破碎再比色，过高浓度需稀释后再比色。间接测定法间接测定法 测定细胞内结构成分的含量。在培养液内含较多不溶性固体物时采用，细胞成分在细胞中含量基本衡定才适用。如测DNA。RNA，蛋白质，或者代谢产物等。第十四页，本课件共有79页三、均衡生长模型均衡生长模型只用一个量描述细胞含量生物量/浓度，单位体积中细胞个数/干重表示。1、细胞生长模型 细胞生长动力学曲线 测定培养过程中细胞浓度变化得到的细胞生长动力学曲线。细胞生长需经历延迟期1，细胞增加少，培养基浓度对其长短影响不大；指数生长期2，细胞的生长不受限制，细胞浓度随时间呈指数生长，细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性最高，实践中常转接处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后细胞能迅速生长，微生物反应能快速进行；静止期3营养物（限制性基质）耗尽，有害物大量积累，细胞浓度达最大值；自溶期4，环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度下降，细胞生长速率为负值。4个典型生长阶段。如下图。第十五页，本课件共有79页第十六页，本课件共有79页细胞生长动力学描述 用比生长速率表示，比生长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，=1dx x/xdt t，单位是时间的倒数h-1，m-1，s-1。表示菌体生长能力大小。描述的是单位体积内单位细胞量细胞单位时间内增加（一倍）的细胞量。培养过程中如果速率不再变化了，上式的菌体浓度变化为 X=X0exp（t）X0为 t=0 时的菌体浓度。在对数生长期，是一个常数，由此计算出一段均衡生长过程中的平均生长速率，=1/t lnx/X0 0。第十七页，本课件共有79页例5-1 某微生物培养液的0.125 h-1，求菌体浓度增加一倍所需的时间。解：td=ln2/=0.693/0.125=5.544 h比生长速率受菌株和各种理化因素影响，把pH，温度等控制在最佳，则可以定量描述菌体的生长状态。第十八页，本课件共有79页在菌株确定后，最重要的就是限制性底物。现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年便指出，在培养基中无抑制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示：该方程中 为比生长速率(s-1)；为最大比生长速率(s-1，min-1，h-1)，S为限制性基质浓度(g/L)；Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。第十九页，本课件共有79页Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其它组分为过量不影响细胞的生长；细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。Ks的意义：Ks越小，则S增加少许，增加很大，所以Ks越小，就越敏感。Ks可以表示菌体细胞与基质亲和力的关系。第二十页，本课件共有79页细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系第二十一页，本课件共有79页当限制性基质浓度很低时，S Ks时，=m，若继续提高基质浓度，细胞生长速率基本不变。此时细胞的比生长速率与基质浓度无关，为零级动力学特点。第二十二页，本课件共有79页将Monod方程式变为为直线方程。不同的菌种，不同的培养基，Ks和 是不同的。例：采用合成培养基，在1m3生物反应器中进行大肠杆菌分批培养，菌体的生长变化可利用Monod方程描述，已知=0.935h-1，Ks=0.71kg/m3，基 质 初 始 浓 度 为50kg/m3，菌体初始浓度X0=0.1kg/m3，YX/S=0.6kg/kg(以细胞/基质计)，求当80%的基质已反应时所需的时间。第二十三页，本课件共有79页两种或两种以上的底物同时用于生长时，则可考虑用Monod式的形式表示各种底物与比生长速率的关系：第二十四页，本课件共有79页微生物微生物限制生长基质限制生长基质Ksm（hr）大肠杆菌大肠杆菌葡萄糖葡萄糖0.22/大肠杆菌大肠杆菌乳糖乳糖0.58/啤酒酵母啤酒酵母乳糖乳糖2.63.00.18啤酒酵母啤酒酵母葡萄糖葡萄糖0.56/纤维素分解菌纤维素分解菌葡萄糖葡萄糖0.860.125固氮菌固氮菌葡萄糖葡萄糖0.160.330.13青霉菌青霉菌氧气氧气0.0070.35KsKs和和m值随菌种、限制性基质种类的变化值随菌种、限制性基质种类的变化第二十五页，本课件共有79页对粘稠，高密度培养，特别是丝状菌发酵液，由于菌体对基质的扩散阻力，不太适合Monod方程，可采用Contois（1959）方程：=mS/Kxx+S Kx为菌体与基质的比例系数。其他的关联式可以阅读教材P5，第二十六页，本课件共有79页2、基质消耗模型基质消耗主要用于 细胞生长，合成新的细胞 细胞维持生命消耗的能源物质（基础代谢）合成次级代谢产物 用方程表示为 ds/dt -1dx/Yx/sdt mxX1dp/Yp/sdt Yx/s 表示菌量对基质的得率系数Yp/s 表示产物对基质的得率系数mx 表示菌体的维持系数，即单位量菌体在单位时间内消耗的基质量。第二十七页，本课件共有79页3、产物生成的动力学模型产物指细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的物质。据其特点分为：1）、生长藕联型 产物只在细胞生长时才能生成。2）、非生长藕联型 产物与细胞同时存在。如抗生素和毒素。3）混合生长藕联型 既与生长有关也与菌量有关。第二十八页，本课件共有79页4、均衡生长动力学模型培养过程中基质的消耗、细菌生长及产物的增加互相影响，交织在一起。故细胞培养整体的动力学模型是他们的微分方程的联立的结果，已知初始条件即可用合适的数学方程组求解与分析。一般尽量采用简化的数学模型。通过代谢曲线分析与菌体形态观察，提出一些假设，建立数学模型，采集实验数据求解模型中个参数值，最后用初始条件、参数值和限制性条件等计算出过程曲线。判断曲线与实验点的符合程度或可靠性。如P7青霉素的发酵动力学模型计算。第二十九页，本课件共有79页四、其他模型在分析胞内诱生，描述工程菌生长动力学及形态功能差距较大的细胞的生长动力学时，前面的均衡生长模型不能满足其要求。必须采用离散型和结构型生长模型。工程菌要考虑质粒的稳定性、质粒拷贝数的控制、转录的效率的提高与控制、翻译效率的提高以及菌体向外分泌产物等因素。工程菌株的质粒不稳定过程分为两个阶段：1.工程菌株细胞分裂时，某一子细胞未能得到质粒或质粒缺失等。2.由于质粒保持菌株与第一阶段得到的失去质粒菌株生长速率的差异，特别是后者生长速率更快些，致使后者所占总菌数的比率越来越大。工程菌放大生产过程中，要检查菌体质粒稳定性。模型建立，首先，也必须提出假设，然后，建立数学模型，采集实验数据求解模型中个参数值，最后用初始条件、参数值和限制性条件等计算出过程曲线。判断曲线与实验点的符合程度或可靠性。第三十页，本课件共有79页第三节 生物反应器的基本类型与设计一、生物反应器的特点和分类生物反应与一般的化学反应器相似，对生物反应器也要求能维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应明显不同的是，细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。最简单的反应器是没有机械搅拌和通气系统的反应罐，适合液相、厌氧催熟型操作，如酿造。第三十一页，本课件共有79页2、生物反应器、生物反应器第三十二页，本课件共有79页生物反应器的分类1、按所用的生物催化剂的不同分酶催化反应器细胞生物反应器 2、按反应器的操作方式分 批式生物反应器 连续式生物反应器 有恒化器和管式反应器2种半连续式生物反应器 介于上2者之间3 3、按反应器结构特征分、按反应器结构特征分釜式、管式、塔式、膜式等类型4 4、按能量的输入方式分、按能量的输入方式分机械搅拌式机械搅拌式 通过机械搅拌输入能量通过机械搅拌输入能量 最常用最常用气升式气升式 利用从下部通入的气体喷射动能利用从下部通入的气体喷射动能 有多种形式有多种形式使液体循环的生物反应器使液体循环的生物反应器 利用泵对液体的喷射作用利用泵对液体的喷射作用第三十三页，本课件共有79页 间歇式生物反应器：间歇式生物反应器：在反应开始到结束的整个反应过程中，没有底物和产物的加入和取出，但底物和产物的浓度是随反应时间的变化而变化。间歇式生物反应器的基本特征：间歇式生物反应器的基本特征：反应物料一次性加入和取出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进行的反应过程是一非稳态过程。连续式生物反应器连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基，同时以相同的流量不断取出反应液。这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。连续式生物反应器基本牲：连续式生物反应器基本牲：反应大多属于稳态过程，反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变化。第三十四页，本课件共有79页半间歇式生物反应器半间歇式生物反应器 采用将原料与部分产物连续输人或输出，其余则分批加人或输出的半连续操作的反应器称为半连续生物反应器。半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应器和连续式生物反应器的一些特点。第三十五页，本课件共有79页第三十六页，本课件共有79页生物反应器生物反应器壳体第三十七页，本课件共有79页固定床固定床反应器反应器第三十八页，本课件共有79页流化床流化床反应器反应器第三十九页，本课件共有79页机机械械搅搅拌拌反反应应器器第四十页，本课件共有79页生物反应器的结构组成生物反应器的结构组成生物反应器的结构组成生物反应器的结构组成1、壳体 密封，要耐热耐压 0.3 MPa以上 2、温控器 3、搅拌器 4、通气孔 底部输入灭菌空气，顶部出气。5、进料口 发酵原料、发酵液、营养物补充，pH调节6、测量系统 pH，氧溶7、附属系统 视镜用于观察，挡板加强混合。第四十一页，本课件共有79页生物反应器设计需考虑的要点生物反应器设计需考虑的要点1 1、避免、避免/减少机械搅拌产生的剪切力对细胞的伤减少机械搅拌产生的剪切力对细胞的伤害。害。2 2、通气中防止气泡与细胞接触，避免气泡表面张、通气中防止气泡与细胞接触，避免气泡表面张力对细胞的伤害。力对细胞的伤害。3 3、补料与、补料与pHpH调节要防止化学环境急剧变化对细胞调节要防止化学环境急剧变化对细胞的伤害。一般不用酸碱直接调节的伤害。一般不用酸碱直接调节pHpH。第四十二页，本课件共有79页生物反应器选型与设计的原则生物反应器选型与设计的原则1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。易受杂菌污染等。2、确定适宜的反应器形式。、确定适宜的反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积的计算。、传热面积的计算。5、通风与搅拌装置的设计计算。、通风与搅拌装置的设计计算。6、材料的选择与确保无菌操作的设计。、材料的选择与确保无菌操作的设计。7、检验与控制装置。、检验与控制装置。8、安全性。、安全性。9、经济性。、经济性。第四十三页，本课件共有79页二、批式反应器营养和菌中一次加入，直至反应结束，中途除了空气进入和尾气排出外，与外界无物料交换。操作简单，容易放大，产能低。细胞环境前后改变大，细胞浓度前低后高。第四十四页，本课件共有79页 厚层通风制曲装置是目前国内使用较多的分批厚层通风制曲装置是目前国内使用较多的分批式通风固态发酵设备。制盒曲的曲盒，制帘子曲式通风固态发酵设备。制盒曲的曲盒，制帘子曲的帘子等是最简单，且古老实用的固态发酵设备。的帘子等是最简单，且古老实用的固态发酵设备。另外，一些现代化的固态发酵设备，如自动化制另外，一些现代化的固态发酵设备，如自动化制曲装置和流化床式固态发酵设备早已工业化应用。曲装置和流化床式固态发酵设备早已工业化应用。第四十五页，本课件共有79页应用领域使用的酶种类用途乳制品工业凝乳酶乳糖酶在奶酪的制作过程中用于分解蛋白质降解乳糖为葡萄糖和半乳糖糖工业淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶葡萄糖异构酶将淀粉转化为葡萄糖及各类糖用于将葡萄糖转化为果糖生产高果糖浆纺织工业淀粉酶广泛地应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100-110度的高温操作条件制革工业胰蛋白酶类用于除去毛皮中特定蛋白成分使得皮革软化，也可用于皮革脱毛医疗和药品工业胰蛋白酶L-天冬酰胺酶蛋白酶用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，抑制污染微生物生长用于治疗癌症，剥夺癌细胞生长所需的营养治疗消化不良许多酶在医疗中还可作为诊断试剂第四十六页，本课件共有79页二、连续搅拌罐反应器二、连续搅拌罐反应器恒化器恒化器 物料连续以体积流量F流入反应器，并以同样流量流出，反应器内各点浓度一样(搅拌均匀),流出物流的浓度与反应器内相同,一加入反应器的物流立即与反应器内物料均匀混合。第四十七页，本课件共有79页F,S0,x0 S,xF,S,x恒化器的基本操作模型第四十八页，本课件共有79页四、生物反应器强化工艺过程的强化是推动其发展的因素。体现在1、规模的经济 通过大的工艺过程增加产量2、过程强化 保持性能的前提下，缩小单个工艺过程单元的尺度3、找到可替代的反应系统 反复循环 第四十九页，本课件共有79页 技术改进各项指标优 化增加反应容积的速率缩减反应器大小改善分离过程减少总过程罐数目提高设计容量提高设计机动性增加生物量浓度（持留）预定生物量浓度（持留）生物量浓度（持留）不依赖于过程产量预定生物量大小和形状改善生物量回收改善产率系数生物量/淤泥年龄不依赖于过程产量单一反应器中由于环境和物种局部改变作成多重反应通过流态相稀释，去悬浮，水溶液特性，特别是黏度所致的保留引起强化的范围第五十页，本课件共有79页如果一项技术改进后，能达到上表所列效果，将对强化过程起显著作用。第五十一页，本课件共有79页第四节第四节 生物反应器生物反应器 的放大的放大一、概述一、概述为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大生产中再现，就要掌握和运用放大技术。生产中再现，就要掌握和运用放大技术。放大一般有两个基本手段放大一般有两个基本手段：（1 1）用相似原理进行比拟放大，常用的方法；用相似原理进行比拟放大，常用的方法；（2 2）对全部机理做数学分析，太复杂。）对全部机理做数学分析，太复杂。第五十二页，本课件共有79页随着对发酵代谢机制，反应动力学，热力学与传递现象等的理解，有可能用数学模型代替过程本身去研究过程的优化与放大等问题。实践工作中建立的数学模型均以原型设备的流体流动模型为依据，放大后反应器真实情况可能与原型设备不同，涉及的影响因素更多，无法用完全的数学模型描述。通常用半数学模型法、因次分析法、近似法则法和尝试误差法研究生物反应器的放大。流行方法是用因次分析和近似法则相结合。第五十三页，本课件共有79页放大后最可能影响发酵速度的因素是，传质过程，其中限制性的传质速率是气态氧向液相传递/溶解的速率。1、氧的供给氧从气泡传给发酵液的速率OTR=kLaLa（C*C）OTR是供氧速率mmol/Lh；C*与气泡中的氧成平衡的液相氧浓度mmol/L；C发酵液中氧浓度mmol/L；kLaLa传氧系数，即液膜传氧系数与气液两相比界面的乘积 h-1。临界氧浓度（CL L）：指发酵液中的氧浓度低致使细胞停止生长，此时的氧浓度就叫临界氧浓度。kLaLa测定法：有直接测定法、动态法、亚硫酸盐法1）、直接测定法 根据反应器内氧的衡算得到容积氧供应速率。7.32 105OTR=kLaLa（C*C）=(FiPiYi/Ti FoPoYo/To)V V为发酵液体积 L;Y氧的分子分数;F是空气体积流量 L/min;T温度K;P空气压力;下标i与o,表入、出口条件。对深罐发酵，为测准kLa La，应用对数平均数C*C 计算。特点：计算简单，精确度不高，使用传感器多第五十四页，本课件共有79页2）、动态法原理 发酵罐内氧的物料平衡 氧的积累量=供氧量耗氧量 即 dc/dt kLaLa（C*C）qxq表示菌体比耗氧速率 mmol/gh 1C C*（qx+dC/dt）kLaLa用C对qx+dC/dt作图，所得直线斜率就是-1/kLaLa特点：计算量大，所用传感器简单测定时注意停气时溶氧浓度不能降的过低，防止细胞窒息。第五十五页，本课件共有79页3）、亚硫酸盐法原理 在Cu2+存在时溶解在水中的氧能将SO32-氧化成SO42+，且氧化速度与SO32-无关。NvVN60/（mt4）单位 mol/LhN：NaS2O3的标定物质的量浓度；m样液体积；T两次取样间隔时间（min）第五十六页，本课件共有79页2、罐内流体的混合罐内流体的混合既可加强氧的传递；又可避免局部浓度不均，强化菌体与营养物的接触。2种极端情况是最大混合（maximal mixing mm）和完全隔离（total segregation ts）。反应器混合程度由微观混合和宏观混合组成。微观混合 以反应器中反映相混合所用时间表示。宏观混合 由停留时间分布表征流体混合的好坏由混合度和混合时间2个参数衡量。混合度用示踪法测量。混合时间：达到一定混合度所需时间。物流性质、搅拌速度、搅拌浆直径、罐体直径均影响混合时间长短。第五十七页，本课件共有79页二、搅拌及传氧1、搅拌反应器搅拌的一个重要参数是通过搅拌器输入到流体的功率值。低速搅拌，流体呈层流，功耗少；高速搅拌，流体成湍流，混合好，但功耗高。他们之间还存在一个过度流区。决定搅拌功率的因素：搅拌浆速度与直径、流体的流动与性质、通气。流体流动性质按切变速率与剪切力的关系分为牛顿型流体和非牛顿型流体。第五十八页，本课件共有79页牛顿型流体的切变速率与剪切力成正比，比例系数为黏度。见于低浓度的细菌、酵母液。非牛顿型流体的切变速率与剪切力不成正比。见于丝状菌和高密度培养的发酵液。第五十九页，本课件共有79页2 2、氧的传递、氧的传递氧传递能力的强弱由kLa衡量。1）、摇瓶培养中的传氧受流体物性、摇动速度、装料体积及挡板的影响。一些学者的研究表明，装料体积大，摇动频率下降，无挡板对传氧不利。2）、搅拌罐中的传氧 与体系的特性、罐及搅拌浆的尺寸大小、操作参数有关。不少研究者得出了很多关联式。P25。第六十页，本课件共有79页三、生物反应器的放大原则1、几何相似按小、大装置各部分的几何尺寸比例，大致相同放大。体积放大10倍，设备直径和高度均放大 倍。大设备的高径比在12.5之间。D D2 2/D/D1 1=D=Di2i2/D/Di1i1=(V=(V2 2/V/V1 1)1/31/3D D 反应器直径；反应器直径；D Di i 搅拌器直径；搅拌器直径；V V 反应器的装料容积。反应器的装料容积。第六十一页，本课件共有79页2、恒定等体积功率放大若若P/VP/V恒定，则恒定，则n n3 3D Di i2 2恒定，即有恒定，即有(n(n3 3D Di i2 2)1 1 =(n=(n3 3D Di i2 2)2 2 n n2 2/n/n1 1=(D=(Di1i1/D/Di2i2)2/32/3=(D=(D1 1/D/D2 2)2/32/3比较简单，以前使用较广。3、恒定传氧系数kLa放大。目前使用最广。需注意1）小试要测得准确的kLa，选择合适的计算公式。2）注意各计算kLa公式在放大中参数的变化和适用范围。3）按照P0/Pg选择通气比，计算Vs求kL来计算。第六十二页，本课件共有79页4、恒定剪切力、恒定叶端速度（ndi）放大剪切力S与搅拌浆叶端速度成正比，恒定功率放大时维持n n3 3d di i2 2不变。故不变。故2 2系统切变力之比为系统切变力之比为 SSndi ，S S2 2/S/S1 1=(D=(Di2i2/D/Di1i1)1/31/3如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌已接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌器末端线速度相等来进行放大。器末端线速度相等来进行放大。所以，也有人认为放大应维持叶端速度恒定，所以，也有人认为放大应维持叶端速度恒定，大小大小 250500 cm/s250500 cm/s。第六十三页，本课件共有79页5、恒定混合时间（tM）放大几何相似单位体积功率恒定的2罐，混合时间的关系是：tM1/tM2 2=(D=(Di1i1/D/Di2i2)11/1811/18大装置混合时间延长，对混合是不利的总之，选用何准则放大，需要对所做体系深入研究，并加上丰富的经验积累，才能做好。第六十四页，本课件共有79页生物反应器放大的目的及方法生物反应器放大的目的及方法 一、生物反应器放大的目的一、生物反应器放大的目的 在在生生物物反反应应器器的的设设计计与与操操作作中中，至至少少有有两点必须明确：两点必须明确：1.1.目目的的反反应应是是如如何何进进行行的的，即即所所期期望望的的生化反应是通过何种渠道完成的。生化反应是通过何种渠道完成的。2.2.生物化学反应中哪些反应的反应速度生物化学反应中哪些反应的反应速度快、哪些反应的反应速度慢。快、哪些反应的反应速度慢。四、生物反应器的比拟放大第六十五页，本课件共有79页二、比拟放大的基本方法：二、比拟放大的基本方法：首先必须找出表征此系统首先必须找出表征此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们之间的函数式，然后用实验的方法在次数，并建立它们之间的函数式，然后用实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含的常数和指数，则此试验设备里求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设计。计。第六十六页，本课件共有79页 比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几何相似、比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分散等基本假设之培养条件相同和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上的。放大与通气、搅拌等技术构成了生物反应器的核心上的。放大与通气、搅拌等技术构成了生物反应器的核心部分。应用在微生物的放大方面，则需要由小试放大到中部分。应用在微生物的放大方面，则需要由小试放大到中试进行讨论，这是生物反应器的一个基本特征，生物反应试进行讨论，这是生物反应器的一个基本特征，生物反应器不同于一般的化学过程。器不同于一般的化学过程。第六十七页，本课件共有79页 发酵是一复杂的过程，比拟放大不是简单的发酵是一复杂的过程，比拟放大不是简单的比例放大。发酵设备的几何尺寸相似只不过是相比例放大。发酵设备的几何尺寸相似只不过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态相似及传质、传热等，且与微生物的新陈代谢态相似及传质、传热等，且与微生物的新陈代谢反应有关系。反应有关系。第六十八页，本课件共有79页 化学工业中，每级放大在化学工业中，每级放大在5050倍以下，而且每级放大时倍以下，而且每级放大时需对前级参数进行修正。生物工业中，放大的倍数有需对前级参数进行修正。生物工业中，放大的倍数有的高达的高达200200倍，如外国有公司用于单细胞蛋白生产的倍，如外国有公司用于单细胞蛋白生产的300m300m3 3反应器是从反应器是从1.5m1.5m3 3反应器直接放大得到的。一般生物反应器直接放大得到的。一般生物反应器的放大倍数为反应器的放大倍数为1010。第六十九页，本课件共有79页 由此可见，一个生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程，不可避免会遇到生物反应器的放大问题。对于一个生物反应过程，在不同大小的反应器中进行的生物反应虽然相同，但在质质量量、热热量量和和动动量量的的传传递递上上却却会会有有明明显显的的差差别别，从而导致在不同的反应器中生物反应速率有差别。欲使整个生物反应器处于最最优优条条件件下进行操作，就必须使反应器中的每一个细胞都处于最优环境之下，不然就达不到整体的优化。生生物物反反应应器器的的放放大大的的目目标标：就是要使大型生物反应器的性能与小型反应器接近，从而使大型反应器的生产效率与小型生产设备反应器相似。第七十页，本课件共有79页小型和大型生物反应器设计的不同点小型和大型生物反应器设计的不同点 项目项目 实验用小型反应器实验用小型反应器 生产用反应器生产用反应器功率消耗功率消耗 不必考虑不必考虑 需认真对待需认真对待反应器内反应器内 空间因大量的控制、空间因大量的控制、无此影响无此影响 检测装置占去一定空间检测装置占去一定空间混合特性混合特性 可不必考虑可不必考虑 需认真对待需认真对待换热系统换热系统 较易解决较易解决 较难解决较难解决第七十一页，本课件共有79页生物反应器的比拟放大，到底以什么为基准呢？首先要从大量的试验材料中把握和找出影响生产过程的主要因素，在着重解决主要矛盾的同时，不要使次要矛盾激化。例如，单纯按照kLa相等为准则放大的生物反应器，液体剪切力可能会上升到剪切敏感系统不可接受的程度，投入生产，就可使生产失败，必须注意不使这类情况出现，为此往往或多或少地牺牲几何相似的原则。第七十二页，本课件共有79页第五节第五节 生物反应器的控制与优化生物反应器的控制与优化 反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。生物反应过程的技术目标有：反应速率涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。选择性涉及生产过程的原料消耗费用。能量消耗生产过程操作费用的重要组成部分。不同类型反应的优化目标：对简单反应：只需考虑反应速率；对复杂反应：优先考虑选择性。第七十三页，本课件共有79页优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。化学因素包括反应类型及动力学特性工程因素包括 反应器型式：管式、釜式及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或分段加料等 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温度分布第七十四页，本课件共有79页一、生物反应器的控制 生物反应器的目的在于大规模生产中实现在工艺与动力学研究中得到的工艺条件（参数）。常用的基本变量与调节方法第七十五页，本课件共有79页常用的控制方法是反馈调节具体实现要依赖：1）控制器 相当与大脑。2）测量装置 控制器的眼睛，核心部件是传感器和放大变送装置3）执行器 控制器的手，常用阀门、计量泵/罐实现。输出变量输出变量测量值测量值第七十六页，本课件共有79页测量装置的探头和执行器由于常与发酵液接触，常要求：1、能灭菌，无泄漏。2、长时间稳定工作。3、在液体环境中能有效测量。4、满足过程的实时控制，首要的是解决测量问题。过程中一些物理量的测量见书P30。第七十七页，本课件共有79页二、生物培养过程的优化1、过程变量的关联和敏感量（参数）的获得生物培养过程的目的是获得足够的生物量和最多的代谢产物。他们受很多因素影响。敏感量：一定的培养条件下，生物培养过程中起决定作用的变量。优化敏感量可以极大地提高过程的效率。分析各变量影响的方法：1）变量关联法 对过程代谢曲线、变量的变化做统计关联。2）数学模型 动力学数学模型和统计分析、显著性检验第七十八页，本课件共有79页感感谢谢大大家家观观看看第七十九页，本课件共有79页