生物反应器总论.PPTVIP

第四章 生物反应器总论 第一节 生物反应器概述 第二节 生物反应器设计基础 第三节 生物反应器的检测和控制 一、生物反应器在生产中的地位和作用 概念：对生物有机体进行有控制的培养以生产某种成品，或进行特定反应的容器。 生物反应器的作用和地位：就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。在生物工业生产中居于核心地位，是连接原料和成品的桥梁，是生物技术能够工业化的关键因素。 二、生物反应器的类型 按反应器内流型分：理想（柱塞流、全混流）、非理想 按操作方式分：间歇、连续、半连续 按结构特征分：罐式、管式、塔式、膜式 按反应器内相态分：均相、非均相 按反应器内有机种类分：微生物、植物细胞、动物细胞、酶 按反应器内气液混合方式分：机械搅拌混合、泵循环混合、直接通气混合、连续气相 按是否通氧分：通风发酵设备、嫌气发酵设备 三、生物反应器的发展趋势 大型化； 动植物细胞培养反应器得到较大发展； 使用计算机技术。 四、一般生物反应器的结构原理 一般生物反应器指机械搅拌罐式反应器：有较低的制造成本和操作成本；大部分生物有机体都可以使用这种反应器进行培养。 结构：罐体、搅拌装置、换热器、除沫装置、气体和物料进出口以及检测和调节装置 一、生物反应器的化学计量基础 二、生物反应器的生物学基础 三、生物反应器的质量传递 （一）物料衡算 对于反应基质和产物做物料衡算 : 对细胞做物料平衡 : （二）能量衡算 如果反应为放热反应，则等号右边第二项取负号；如果为吸热反应，则应取正号。 衡算式根据各自的守恒定律，均符合下列模式： (一)分批培养中细胞的生长 1、延滞期：适应阶段 2、指数生长期：细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比 td = ln2/ μ = 0.693/ μ μ = 0.693/td td——细胞的倍增时间 μ——比生长速率 4、平衡期：细胞浓度达到最大值 5、衰亡期：死亡速率超过生长速率，细胞浓度增速下降 X=Xm e-at Xm——平衡期细胞浓度，kg/m3 a——细胞比死亡速率，s-1 t——进入衰亡期时间，s (二)产物形成动力学方程 产物的生成形式： a 主要产物是能量代谢的结果； b 主要产物是能量代谢的间接结果； c 产物是二次代谢物； d 产物是胞内或胞外蛋白。 4种细胞产物合成动力学简分为三类： 1、生长偶联型：产物合成在生长过程中出现 dP/dt = αdX/dt 2、非生长偶联型：产物合成出现在细胞生长完成后 dP/dt =βX 3、混合生长偶联型： dP/dt = αdX/dt + βX 在普通气-液反应器中，低溶解度气体传递是最明显的问题 。 双膜理论： ①相互接触的气、液两相存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜层，在气相的一侧称为气膜，液相的一侧叫做液膜。氧气以扩散的形式通过此二膜层。 ②在相界面处，气、液两相达到平衡。 ③在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度基本相等，全部浓度变化集中在两个膜层内。 渗透扩散理论： 渗透扩散理论对双膜理论进行了修正，认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程，液膜内氧边扩散边被吸收，氧浓度分布随时间变化。 表面更新理论： 表面更新理论又对渗透扩散理论进行了修正，认为液相各微元中气液接触时间也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置换的几率是相等的。 影响溶氧速率的关键因素： 氧的传递推动力(c*-c) 体积溶氧系数kLα kLα ＝ x (Pg/VL)y (vg)z Pg——通气情况下的搅拌功率，W VL ——发酵罐的装液量，m3 vg ——气体表面速率，m/s 生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数即： 生物反应进程中的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等； 生物反应器进程中的化学条件，如液相pH、氧气和二氧化碳的浓度等； 生物反应器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。 检测方法及仪器组成 一般在线检测，核心仪器：传感器。 离线检测，从反应器中取样，用仪器分析或化学分析方法检测。 1、温度检测：铂电阻温度计 2、压强检测：隔膜式压力表 3、液位和泡沫高度检测： 液位检测：电容法和压差法 泡沫高度检测：电极探针测定法 4、培养基和液体流量测定：流量计 5、气体流量计：体积和质量流量型 6、发酵液黏度检测：取样，黏度计检测 7、搅拌转速和搅拌功率： 搅拌转速：磁感应式、光感应式、测速发电机 搅拌功率：测定驱动电动机的电压与电流，或