好氧生物反应器课件.ppt
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1、2022-4-131好氧生物反应器Huang Yan117217772022-4-132 1.生物反应器生物反应器 2.反应器中氧的传递反应器中氧的传递 3.发酵动力学发酵动力学 4.以丁二醇发酵以丁二醇发酵为例为例分析分析2022-4-1331.生物反应器 生物反应器:用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能,在体外进行生化反应的装置系统。本质上就是酶反应器。 不仅包括传统的发酵罐、酶反应器,还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等 生物反应器的作用:为酶或细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境,使细胞能更快更好地生长,并得到更多需要的生物量或代谢
2、产物。2022-4-134生物反应器发酵流程细胞或酶等生物催化剂细胞或酶等生物催化剂(游离或固定化游离或固定化)生生 物物 反反 应应 器器空气空气CO2等等冷却水冷却水原材料原材料培养基培养基灭菌灭菌底物底物产物产物废物废物除菌除菌检测和控制检测和控制产物预处理产物预处理产品提取或液化产品提取或液化副产物副产物2022-4-1352022-4-136生物反应器的分类生物反应器的分类 按结构区分:按结构区分: 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器鼓泡式反应器 填充床式反应器填充床式反应器 流化床式反应器流化床式反应器. . 膜反应器膜反应器按操作方式区分:按操作方式区分: 分批式反应分批
3、式反应 连续式反应连续式反应 流加分批式反应流加分批式反应 混合形式混合形式 连续搅拌罐反应器连续搅拌罐反应器 分批搅拌罐反应器分批搅拌罐反应器2022-4-137 生物反应器是生物工程中最重要的设备之一,在生物过程中,具有中心作用,是实现产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁。反应器中,通过产物合成,廉价原料被升值了。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,对产品成本和质量有很大影响。2022-4-138一个优良的生物反应器应具备: (1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度(或细胞浓 度),能得到较大的产品转化率。 (2) 能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反
4、应条件。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。 (4) 应具有最佳的无菌条件,否则,杂菌污染使反应器的生产 能力下降。2022-4-1392.反应器中氧的传递 好氧微生物的生长发育、繁殖和产生代谢产物都需要消耗氧气,在发酵过程中必须通入适量无菌空气满足菌体生长需要。 好氧微生物的氧化酶存在于原生质内,只能够利用溶解于发酵液中的氧气。由于各种好气微生物所含的氧化酶体系的种类和数量不同,在不同环境条件下,各种需氧微生物的吸氧量或呼吸程度也是不同的。 在反应器中,微生物的耗氧速率受到酵液中氧浓度影响,而发酵液中的氧浓度又受到诸多因素的影响。2022-4-1310氧传递的双膜理论213456789气液
5、界面气泡液膜液相主体液相主体固液界面细胞团细胞团液膜细胞膜细胞生物反应2022-4-1311发酵液中氧的传递方程发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N:传氧速率:传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/h2022-4-1312以液相浓度为基准推导式以液相浓度为基准推导式)(111*CCKkHkCCkCCkCCNLGLGiLi阻力推动力k kL L为液膜传质系数;为液膜传质系数;k kG G为气膜传质系数;为气膜传质系数;C Ci i为气液界面上的平衡浓度;为气液界面
6、上的平衡浓度;C C为反应液主流中氧的浓度;为反应液主流中氧的浓度;C C* *为与气相氧分压相平衡的氧浓度;为与气相氧分压相平衡的氧浓度;H H为亨利常数;为亨利常数;K KL L为以液膜为基准的总传质系数。为以液膜为基准的总传质系数。2022-4-1313 两边同乘两边同乘a a(单位体积反应液中气液比表面积)(单位体积反应液中气液比表面积) NaNa单位体积反应液中氧的传质速率单位体积反应液中氧的传质速率mol/mmol/m3 3s s; k kL Laa体积传质系数体积传质系数s s-1-1;)(*CCakNaL2022-4-1314 体积传质系数kLa作为一个整体在发酵过程中被测量出
7、来,其值对在发酵过程中评估通气效率,调节溶氧有十分重要的意义。 常用的测量kLa的方法有亚硫酸盐氧化法、取样极谱法、物料衡算法、动态法、排气法和电极法等。2022-4-1315亚硫酸盐法测定容积氧传递系数正常条件下,亚硫酸根离子的氧化反应非常快,远大于氧的溶解速度。当Na2SO3溶液的浓度在0.018 0.45mol内,温度在2045时,反应速度几乎不变。所以,氧一旦溶解于Na2SO3溶液中立即被氧化,反应液中的溶解氧浓度为零。此时氧的溶解速度(氧传递速度)成为控制氧化反应速度的决定因素。422322222SONaOSONaouorCC2022-4-1316 过量的碘与反应剩余的Na2SO3反
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