第4章 生化反应器相关问题.ppt

生物反应器概论 生物反应器的传递特性 生物反应器的放大 一个优良的培养装置应具有： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表 常见生物反应器介绍 标准反应器的几何尺寸 H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 s/d=1.5~2.5 滴流床反应器 固体发酵反应器 膜组成 1)无机物 亚铁氰化铜、陶瓷、多孔玻璃等 2)有机物 天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊、醋酸纤维素、硝酸纤维素等 人工合成聚合物：聚砜类、聚酰胺类、聚碳酸酯等 3)特殊材料 聚电解质复合物、ZrO2/聚丙烯酸、 ZrO2 /碳等 膜分离过程的类型及其特点 膜生物反应器类型 膜生物反应器操作特性 生物催化剂悬浮的膜生物反应器 膜生物反应器操作特性 生物催化剂固定的膜生物反应器 动物细胞培养反应器类型 笼式通气搅拌反应器 中空纤维细胞反应器 微藻制油 微藻反应器类型 管道式光生物反应器 酒精发酵罐 酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热 酒精发酵罐筒体结构 为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。 罐底装有排料口和排污口； 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。 厌氧发酵设备 氧在纯水中的溶解度： 0.25mol/m3(25℃,0.1MPa) 8ppm 每立方米培养液的需氧量（109/ml）： 生物量×呼吸强度 ==[1015个菌体/m3 ×(10-16m3/个菌体) ×(1000kg/m3) ×(1-80%) kg干菌体/kg菌体] ×(2.6 ×10-3molO2/kg干菌体.s) ==0.052molO2/(m3.s) 几个概念 1. 比耗氧速率（呼吸强度） 单位质量的细胞（干重）在单位时间内消耗氧的量。 Qo2 (mol O2/(kg干细胞? s)) 一些微生物的K0值 一些微生物的最大比耗氧速率 2. 摄氧率 摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。 r=Qo2 ? X (mol O2/m3 ?s) 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，在分批培养过程中，摄氧率发生很大变化。在对数生长前期，比耗氧速率达到最大值，但此时细胞浓度尚很低，摄氧率不高；在对数生长后期摄氧率达到峰值。 3.临界氧浓度CCr 临界氧浓度:培养过程中，当不存在其它限制性基质时，比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升，当溶氧浓度高于临界值时，细胞的比耗氧速率不再上升并保持恒定，则此溶氧临界值为临界氧浓度。 4.细胞需氧量的影响因素 碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。 产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养基中，最大摄氧率分别为3.72×10-3，1.9 ×10-3和1.4 ×10-3mol/(m3.s)。当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培养微生物时，每消耗碳源中一个碳原子所需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。 5.溶解氧对发酵代谢产物生成的影响 溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响:溶解氧浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天门冬氨酸类氨基酸的产量下降；但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。 氧传递的阻力 供氧方面的阻力: 1.从气相主体到气液界面的气膜传递阻力1/kG 2. 气液界面的传递阻力1/kI 3.从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL 4.液相主体的传递阻力kLB 氧的传递通量 氧的传递通量(nO2)：通过单位面积的氧传递速率。 nO2 =推动力/阻力=Δpi/（1/ki） nO2 ：氧的传递通量，mol/（m2 ? S） Δpi ：各阶段的推动力（分压差），Pa 1/ki ：各阶段的传递阻力，N.s/mol Ki ：传递系数 mol/(m2 ? s ? Pa) 气体 n