1、2022-3-171好氧生物反应器Huang Yan117217772022-3-172 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2022-3-1731.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。2022-3-174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2022-3-1752022-3-176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2022-3-177 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。2022-3-178一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。2022-3-1792.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。2022-3-1710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2022-3-1711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/h2022-3-1712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。2022-3-1713 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；)(*CCakNaL2022-3-1714 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。2022-3-1715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。422322222SONaOSONaouorCC2022-3-1716 过量的碘与反应剩余的Na2SO3反
8、应，再用标准的Na2S2O3溶液滴定剩余的碘。根据Na2S2O3溶液消耗的体积数，可求出的Na2SO3浓度。)(*CCakNaL*2CdtdCCNakSONaLa2022-3-1717 a也可以单独计算出来 a的大小取决于所设计的空气分布器、空气流动速率、反应器的体积、空气泡的直径等。 如果由空气分布器出口流出的空气流动速率为Fa，气泡在发酵罐中的停留时间为t ，气泡平均直径为dB，那么a可由下式给出：气液比表面积的计算BLaLBBadVtFVddtFa616322022-3-1718BdHa06 由于由于F Fa at/Vt/VL L是单位液体体积与所对应气泡体积之比，是单位液体体积与所对应
9、气泡体积之比，也是通气后液柱的增高值与不通气时液柱高度之比，也是通气后液柱的增高值与不通气时液柱高度之比，即气体的滞留量即气体的滞留量H H0 0 ，所以，所以BLadVtFa62022-3-1719影响氧传递速率的主要因素 1.1.搅拌搅拌把通入的气体打碎，强化涡流程度，使空气与发酵液充分混合 2.2.气液比表面积气液比表面积比表面积越大，氧传递速率越大. 3.3.空气的线速度空气的线速度 氧传递系数K L是随空气量的增加而增大的，当增加通风量时，空气的线速度也就相应地增大，从而增加了溶氧，氧传递系数K L相应地也增大。 4.4.发酵液性质发酵液性质粘度、表面张力、离子液度、密度、扩散系数等
10、，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数K L带来很大的影响。 5.5.表面活性剂表面活性剂分布于气液界面，改变传质阻力，进而影响氧传递系数K L2022-3-17202.2.发酵动力学发酵动力学 研究内容研究内容 包括菌体生长速率、基质消耗速率、产物生成速率的相互关系，环境对三者的影响，以及影响其反应速率的条件。 目的：目的： 通过动力学，研究各种物理，化学因素的影响,为调控提供依据,优化发酵的工艺条件及调控方式； 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵过程，以至实现用计算机来进行控制.2022-3-1721发酵动力学涉及的常规参数
11、发酵动力学涉及的常规参数符号参数测量方法X生物量细胞干重，浊度，细胞数S底物酶法分析，化学法，色谱法P产物酶法分析、HPLC或特殊方法O氧PO专用电极分析C二氧化碳CO专用电极分析Hv发酵热温度、热平衡2022-3-1722常用到的参变量： 菌体生长速率菌体生长速率指单位体积、单位时间里生长的菌体量。菌体量一般指其干重。 菌体的比生长速率：菌体的比生长速率：菌体生长速率与菌体浓度之比。dtdXXvdtdXX12022-3-1723 基质消耗速率：基质消耗速率： 基质的比消耗速率基质的比消耗速率：dtdSSvdtdSXQS12022-3-1724 产物生成速率产物生成速率: : 产物形成的比速率
12、产物形成的比速率dtdPPvdtdPXQp12022-3-1725 生长得率：生长得率：菌体的生长量相对于基质消耗量的得率，也称为细胞对基质的得率。 产物得率：产物得率：相对于基质消耗量的代谢产物得率。2022-3-1726 ATPATP生长得率生长得率 消耗1molATP得到的菌体量，用YATP表示。 根据观察发现，许多微生物的YATP大致相同，一般认为YATP=10g细胞/ molATP。这个数值已经被用做估算细胞理论得率的一个常数。 维持系数维持系数m m“维持维持”是指活细胞群体在没有实质性的生长（即细胞生长和死亡处于动态平衡状态）和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。维持代谢没有物
13、质的净合成，是完全用于产生能量的分解代谢.是为宏观上保持细胞物质总量平衡而进行的分解代谢2022-3-1727发酵类型发酵类型酒精发酵酒精发酵 柠檬酸发酵柠檬酸发酵 抗生素发酵抗生素发酵Luedeking-Piret模型模型 2022-3-1728生长偶联产物形成系数生长偶联产物形成系数如：酵母菌酒精发酵如：酵母菌酒精发酵1.1.生长偶联型：生长偶联型：XYdtdxYtddxdtdPX/PX/P 产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。谢），菌体生长与产物形成不分开。 P/XPYdtdpX1Q 2022-3
14、-17292.2.非生长偶联型非生长偶联型XdtdP非生长偶联型非生长偶联型：细胞生长时，无产物，产物生成在菌体停止生长才开始，产物的形成速率只与细胞积累量有关，与生长不偶联。所形成的产物均是次级代谢产物。但并非所有的次级代谢产物都是非生长偶联型。PQ2022-3-17303.混合型混合型XdtdXdtdP如：乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵。如：乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵。与生长偶联的产物形成系数，与生长偶联的产物形成系数，g/g细胞；细胞；非生长偶联的比生产速率，非生长偶联的比生产速率， g/（g细胞细胞h)。该混合型模型复杂的形成是将常数该混合型模型复杂的形成是将常数、作为变数，它们在作为
15、变数，它们在分批发酵的四个时期分别具有特定的数值。分批发酵的四个时期分别具有特定的数值。PQ2022-3-1731分批培养中微生物的生长曲线延迟期：指数生长期:减速期:静止期：衰亡期:2022-3-1732 克雷伯氏白杆菌进行丁二醇发酵克雷伯氏白杆菌进行丁二醇发酵 Qsa Qsr Qsf4.丁二醇发酵分析丁二醇发酵分析2022-3-17332022-3-1734 氧气充足，细胞数目呈指数型增长，细胞进行有氧呼吸，无氧呼吸近似于零。第一阶段2022-3-17352022-3-1736 由氧气充足变为氧受限，细胞增长速率逐步减少，最后细胞净增长速率趋为零。第二阶段2022-3-1737第三阶段 在氧受限情况下产生丁二醇，细胞净增长速率为零，并且随着丁二醇的积累，细胞逐渐死亡，产物含量最大。2022-3-17382022-3-17392022-3-17402022-3-17412022-3-1742Thank you！
