生物反应器设计基础课件.pptxVIP

2009.10;概述;生物反应器与化学反应器的比较;生物反应器的作用;生物反应器的操作特性;高效生物反应器的特点;生物反应器设计的主要目的和设计原理;微生物反应过程的质量衡算

微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达基质到产物的反应过程非常困难。

为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。;如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。

式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。;对各元素做元素平衡，得到如下方程：;微生物反应过程的得率系数

得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。

细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质量均指干细胞）。;某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时细胞得率）

式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/s比厌氧培养的大的多。;当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示

式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式（3-1）中的系数c实际就是Yc。;微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该基质的有效电子数。

式中YATP为相对于基质的ATP生成得率（molATP/mol基质），Ms为基质的分子量。

;微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情况，

式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞的燃烧热，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的YKJ约等于0.002g细胞/kJ。;O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定义式为：;酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化为ATP。在标准状态下1molATP加水分解为ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产生2molATP。基于此，在酒精发酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式储存起来。;;利用YkJ表示微生物反应过程对能量利用，有

式中为以菌体X的燃烧热为基准的焓变。其因菌体的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g细胞。ΔHc为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差，其由下式给出

式中ΔHs为碳源氧化的焓变（kJ/mol），ΔHp为产物氧化的焓变（kJ/mol）。;生物反应器的生物学基础;;生长速率;F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]；

i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物,?表示基质的流加流量。

当采用分批式操作时,F?=F=0；采用流加式操作时，F??F=0；采用连续式操作时,F?=F?0;当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示;传热;实际生物反应过程中的热量计算，可采用如下方法：;2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂，在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大升温约为12℃。

3、通过生物合成进行计算。当Qsen、Qacc和Qgas可忽略不计，由式7-5可知，