生物反应工程原理

生物反应工程原理 1 Definition of Bioreaction Engineering 。 “个别的学问 knowledge of individuation”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。 具体的技术可以用记述的方法来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现。 研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。 抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。 工程本质上是具有价值取向的主体作用于客体、主观思维物化为客观实体的一种目标导向的活动和过程。 ）bioengineering/biotechnology ： 生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。 ——1982年国际经济合作及发展组织 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术凝聚着人类早期的发明和近期的创 造，代表着当代的科技文明。 我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间技术。 基因工程；酶工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程； 生物技术的特点 多学科、多技术的结合 多学科性: 生物催化剂: 建立工业生产过程: 生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。 生物（生化）反应过程： 从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类： 工业生物技术 农业生物技术 医药生物技术 环境生物技术 生物现象 Bio-appearance 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 性……。 从我们每一个人，即个体说起： 由上帝创造人类到生命起源的……。 从现代化的生物工业生产而言： 由单一需求到协调发展……。 如何从生物现象中抽象出共性的内容 从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率?影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等） 以获得目的产物为目的： 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等） 工程思维方法 Engineering sense method Adaptability 生物适应性(或可行性） Continuity 可持续性 Fixed quantity of process 过程的量化 Economy 经济性 Efficiency 效率 …… 。特点： 1 2 3 1 2 三、生物反应工程研究的目的 Objective of Bioreaction engineering 1、生化反应过程（工程）： 广义概念：自然界中的生物现象千变万化（如植物的生长、微生物的无处不在、酶促反应所起的关键作用等），这些变化中起主 导作用的是生物催化反应，或者说是生物的生长、繁殖、形成产物、某种物质的减少或增加的过程。 狭义概念：生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可供工业化生产的工艺过程，包括实现工业化生产过程的高效率运 转，或者说提高生产过程效率。 生物反应过程效率: ，即确保反应过程效率最大化。 产物量 生物反应过程效率,生产时间消耗的人财物等成本， r＝f（pH、temp、S、P、DO……） i （1）- （2）生物反应过程的四个组成部分 ?原材料的预处理及培养基的制备； ?生物催化剂的制备； ?生物反应器及反应条件的选择与监控； ?产物的分离纯化工程； （3）生物反应过程的特点 ?采用生物催化剂； ?采用可再生资源为主要原料； ?反应器； ?产物提取、纯化较难、复杂 生物反应的实质： 利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 温和条件下（常温、常压、pH接近中性等）进行反应。 对反应过程进行定量的、动力学方面的研究是各自所要探讨的最基本的问题。 2、生物反应过程研究的目的 Objective——Enhance Productivity （1）提供适宜的动力学速率方程，以描述微生物（或酶、动植物等）反应体系； （2）确定这些方程在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。 （3）从生物反应器设计和操作的角度，研究生物反应速率和与之相关影响因素之间的定量与定性的关系。 1 Classification of Bioreaction Process 见P4表1-1生物反应过程的分类及其特征 ?酶催化反应过程 采用游离或固定化酶为催化剂时的反应过程。 ?细胞反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程： 微生物细胞反应过程——发酵工程； 固定化细胞反应过程和动、植物细胞反应过程——细胞工程； ?废水的生物处理过程 利用微生物本身的分解和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。 特点： （1）由细菌等菌类、原生动物、微小后生动物等各种微生物构成的混合培养系统； （2）几乎全部采用连续操作； （3）微生物所处的环境条件波动大； （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身； ?简介其他分类方法 按获取能量的方式分——好氧发酵，厌氧发酵 按产物类型分——初级代谢产物发酵，次级代谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸发酵，维生素发酵，抗生素发酵„„ 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固态发酵，液态发酵 反应产物或服务的性质 2 按产物所属国民经济部门 Content of Bioreaction engineering 1 2 3 ?生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。 1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节； 2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等； 3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。 ?生物反应过程的放大与缩小 1 2 3 4 3、生物反应工程的研究方法 Method of Bioreaction engineering 1）通过生物反应过程分析和生物反应器选型与设计，阐明酶促反应过程的动力学规律。 2）以基本生物反应器为基础，通过例题，讨论进行生物反应器设计与分析的基本原理和方法。 3）生物反应工程领域中新的拓展。 Method (or要注意的事项) 注重归纳各类生物反应的内在规律。 注重基本理论所包含的“工程含义”。 注重从多层次考察生物反应过程。 注重生物反应过程的评价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 Problem 本章复习题： 1、什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？ 2、生化反应工程研究的主要内容是什么？ 3、生化反应工程的研究方法有哪些？ 4、解释生物反应工程在生物技术中的作用。 5、为什么说代谢工程是建立在生物反应工程与分子生物学的基础之上？ 6、何为系统生物学？ 7、简述生化反应工程的发展史。 8、如何理解加强“工程思维能力”的重要性。 9、为生命在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物 第一节 生物反应工程的生物学基础 第二节 生物反应工程的工程学基础 酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，经典的酶学理论认为酶是蛋白质催化 剂，具有蛋白质的一切性质。 根据国际生物化学联合会（International Union of Biochemistry,IUB）国际酶学委员会（Enzyme Commission,EC）于1961年提出的酶的分类与命名 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的规定，根据酶进行催化反应的类型， 6 oxido-reductase transferase hydrolase lyase isomerase synthetase, ligase） ?根据酶在代谢调节中的作用分类 同功酶 酶作为催化剂的共性： ?降低反应的活化能； ?酶可加快反应速率； ?不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度； ?反应前后酶本身不变； 酶的生物催化特性： ?酶有较高的催化效率； ?酶有很强的专一性； ?酶有温和的反应条件； 催化效率的表示法： 1在特定的条件下（25?，在具有最适底物浓度、最适缓冲液离子强度和pH） 下，1min能催化1μmol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个国际单位，用IU表示。 （2）1972年国际酶学委员会推荐的新酶活力国际单位Katal，符号Kat，即，在最适条件下， 1s催化1mol底物转化的酶量。 71Kat=1mol/s=6×10IU -91IU=1umol/min=16.67×10Kat （3）酶的比活力:指每1kg酶所具有的Kat数，即Kat/kg。 3、酶的稳定性 因为酶的化学本质是蛋白质，因而能使蛋白质变性的因素均导致酶失活，酶的失活通常是不 可逆的。 酶反应中，酶活力的丧失是不可避免的，要作的是尽可能保留酶的活力，使酶的失活降至最 低点。 1 2 3 4 物理因素：热、紫外线、X射线、声波等； 化学因素：酸、碱、表面活性剂、重金属盐等； 前三类可以再生。P10表2-1确保酶活力的方法。 1.2.3.4. 4、酶的应用特点 酶以活力，而不是以纯度和质量购销。 酶活力测定：通过测定反应初始短时间内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力（初速度）的测定。 酶的应用研究找出酶应用的适宜方案，建立反应速率与相关因素的关联式，并通过关联式，寻求提高酶应用效率的途径。 酶学研究的目的：探讨酶促反应机制，阐明酶与底物的作用机制等。 酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药用酶。酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。 工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在 有机溶剂中进行。 1 速率（rate）：指变化快慢程度，包含反应速率和传质速率。 反应速率（reaction rate）：单位时间、单位反应体积生成的产物量。 传质速率（transfer rate）：单位面积上单位时间的传递量。 速度（velocity）：指运动物体运动的快慢。 2、何为准数和雷诺准数？并解释后者的物理意义。 3、工程思维的具体含义是什么？ 2 微环境（微观环境）：固定化酶颗粒附近的环境。 宏观环境：主体溶液体系称为宏观环境。 分配效应：由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物 浓度与溶液主体浓度不同的现象称为分配效应。 Da无疑是一个重要无因次数群。其物理意义可表示为： 因此，当Da《 1时，酶催化最大反应速率要大大慢于酶催化底物的扩散速率。此时该反 应过程为反应动力学控制。 酶是一种不稳定的物质，常因温度、pH等因素的影响而产生不可逆的活性下降。一般是胞外酶较为稳定，而胞内酶在外部环境 中容易失活。酶在保存和参与反应时均可能失活，前者的失活又称为稳定性。在使用时酶的失活规律对于酶催化反应过程的设 计和控制都是十分重要的。其中酶的热失活，或称为热变性是最重要的一种酶失活形式，下面主要讨论此种失活的动力学。 一、未反应时酶的热失活动力学 -1 kd[]kd tc et eo t1/2 kd tc t1/2 二、反应时酶的热失活动力学 微生物作为工业过程原料的优点： 1、能分泌或被诱导分泌有用物质； 2、容易筛选出分泌型突变株； 3、微生物生长速率快； 4、代谢产物的产率较高； 1、生化反应常温常压下进行； 2、原料为农副产品，来源丰富； 3、易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质； 4、菌体本身也是产物； 5、设备不变，可通过改良菌种提高生产能力； 6、是自催化（autocatalytic）反应； 1、基质不能全部转化，副产物多； 2、产物获得受菌体内外因素影响，难控制； 3、原料价格变动大； 4、准备工作量大，反应器效率低； 5、废水BOD值高； 第一节 微生物反应过程 计量学和能量衡算 一、微生物反应过程计量学 二、微生物反应过程的得率系数 三、微生物反应中的能量衡算 一、微生物反应过程计量学 + HO 22碳源 + 氮源 + 氧 = 细胞 + 有机产物 + CO对各元素做元素平衡，得到如下方程： C： 1 = c + d + f H： m +3b = xc + ud + 2e O： n + 2a = yc + vd + e + 2f N： b = zc + wd 方程4-1中有a、b、c、d、e、f六个未知数，需六个方程才能解。 respiratory quotient, RQ 补充：对有胞外产物的反应引入还原度概念 还原度：某一化合物的还原度为该组分中每一克碳原子的有效电子当量数，用γ表示。某些关键元素的还原度是：C=4，H=1，N= -3，O= -2。在一化合物中任何元素的还原度等于该元素的化合价。 由此：CO、HO、NH，其还原度为零。 223 123 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。 cell yield Ygrowth yield1g X/S /g/gg/mol 。 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬间细胞得率），其定义式为： 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（assimilate or anabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分解为CO和2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Y可由下式表示： C 三、微生物反应中的能量衡算 微生物反应体系动力学描述以群体（population）来表示。微生物群体变化过程分为： 生长：微生物群体吸收营养产生新物质或合成菌体。 繁殖：群体中新生个体的产生。 维持：群体自身能量消耗的过程。 死亡：微生物在适宜条件下仍无繁殖能力。 溶胞：细胞溶解。 能动性：单个生物在空间中的自身推进。 形态变化：微生物物理结构的重新组合。 物理的群体变化：包括生物依附在固体表面或其他生物体上，并随其运动而运动。 生物运动： , 由力场（电力、重力、离心力、粘性等） , 细胞的机械破坏 , 及其他因素引起。从宏观上讲，微生物反应是上述几种过程的综合表现，或简化为微生 物消耗基质，获得细胞的同时获得代谢产物。 , 微生物生长速率是群体生物量的生产速率，不是群体生物量变化的速率。 , 菌体量是指微生物菌体的干重。 , 深层培养中，微生物群体的生长速率以单位容积计，单位是单位体积、单位时间里生长 的菌体量。 的定义式为 , 表面生长的群体，生长速率以单位表面积计。 X 平衡生长条件下，微生物细胞的r 式中：X——微生物细胞的浓度； μ——微生物的比生长速率； μ与倍增时间（doubling time）t的关系为： d 二、生长的非结构模型 根据Tsuchiya理论， 1、确定论的非结构模型，是一种理想状况，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间无差别， 细胞群体作为一种溶质。 2、确定论的结构模型，每个细胞之间无差别，细胞内部有多个组分存在。 3、概率论的非结构模型，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间有差别。 4、概率论的结构模型，细胞内部结构有差别，每个细胞之间也有差别。 结构模型与非结构模型 非结构模型：不考虑细胞内部结构的不同，即理想状态下建立的动力学模型。 结构模型：当微生物细胞内部所含有的蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等的含量 随环境条件的变化而变化时，建立的动力学模型。 理想的微生物生长模型应具备的条件 1、明确建立模型的目的。 2、明确给出建立模型的假定条件和适用范围。 3、模型所含有的参数可以通过实验确定。 4、模型尽可能简单。 Monod方程 目前，常使用确定论的非结构模型是Monod模型。 Monod方程 , Monod Monod , , , , , 当初始底物浓度过高而造成细胞生长过快时，Monod方程不完全符合微生物的生长规律，可按下述方程： 三、基质消耗动力学 以菌体得率为媒介，基质消耗速率与细胞生长速率的关系： 基质的比消耗速率（specific substrate consumption rate）γ——基质的消耗速率除菌体量。 1 2 3 氮源、无机盐类、维生素等为基质时，这些物质只能组成细胞的构成成分，不能成为能源， Y 近似一定，4-40式成立。 X/S 碳源总消耗速率=生长消耗速率+维持代谢的消耗速率 Y是无维持代谢时的最大细胞得率。 G 方程两边同除菌体量，变为比基质消耗速率： 氧是微生物细胞的成分之一，也可看作为一种基质，氧消耗速率与细胞生长速率的关系为： c——溶解氧浓度。 π——产物比生成速率，表达细胞在S?P的转化过程中的转化活性。 细胞生长与产物生产的关系： 1、相关型——产物生成与细胞生长呈相关过程； 2、部分相关型——产物生成与细胞生长仅有间接的关系； 3、非相关型——产物生成与细胞生长无直接关系； π与μ的关系 第二节 基质一次性加入反应器内，在适宜条件下接种微生物，反应完成后将全部物料取出。 特点： 1、原料要求粗放； 2、微生物所处环境是变化的； 3、发生染菌容易控制； 主要缺点是反应器辅助操作时间长。 一、分批培养中微生物生长曲线 二、状态方程式 微生物培养过程是基质在微生物的作用下转变为产物（或菌体）的过程。由生物代谢过程和 环境过程组成。 分批培养过程的状态方程： 基质消耗速率： 菌体生长速率： 产物生成速率： V——培养液体积 α’——培养液取出率 β’——滤液取出率、 培养液加入量为（α’+β’）V=F 流加操作优点：能够任意控制反应液中基质浓度。 流加操作要点：控制基质浓度。 一、无反馈控制的流加操作 基质流加按预先设计好的条件进行。 1、定量流加操作 基质的流加速度保持一定，即dV/dt=F=定值 2、指数流加操作 基质的流加采用随时间呈指数性变化的方式，维持微生物菌体对数生长的操作。以满足μ等于定值为基础流加基质，即[S]=常数。 二、有反馈控制的流加操作 根据控制方式： 根据流加底物浓度： CSTRContinuous stirred tank reactor CPFRContinuous plug flow tulular reactor 恒化器（chemostat）-基质流速恒定； 恒浊器（turbidstat）-细胞浓度恒定； 营养物恒定（nutristat）-营养成分恒定； 1 在单级CSTR培养系统中，流入液仅为微生物生长的限制性营养成分。 D 稳定状态下，微生物的平均比生长速率等于稀释率，即： VFμ cri external control method D 当微生物的生长速度低于培养液的流加速度时，培养基中微生物将全部被排出。称 （wash out）。 （2）具有反馈的单级连续培养 将反应排出液中的部分微生物重新返回反应器中。 具有反馈的单级或多级培养中，稳定状态下的稀释率都高于比生长速率。 （3）多级连续培养 多级连续培养系统是具有n个串联反应器的连续反应系统。 限制性基质由n-1号反应器流入n号反应器中立即与n号反应器内的反应物料充分混合均匀， 二、恒浊器法连续操作 恒浊器法操作是在μ远低于μ的范围内进行，当两者接近时操作不稳定。 max 为保证连续稳定操作，X保持一定，对F进行反馈控制，即F是变量。 三、固定化微生物反应器的连续操作 四、连续培养中的杂菌污染与菌种变异 , 动植物细胞培养技术：将动植物组织、器官在适当的培养基上进行离体培养的技术。 , 组织：指由结构和功能相似的细胞和细胞间质组成，具有一定形态和生理功能的聚 集体。 , 器官：指机体中具有特殊结构和完成特殊功能的分化部分。 , 组织与器官培养：在人工条件下，使它们得以继续生存或发展的一种培养方法。 生物反应器是生物技术开发和生产中的关键设备。 进行生物反应器设计必须明确目的反应的变化规律和变化速率。 变化规律：包括微生物、生物化学、生物能量学等。 变化速率：包括生物反应动力学（酶促反应动力学和发酵动力学等）和传质（包括反应液的流变学特性等）与传热的速率等。 第一节 生物反应体系的流变特性 补充： 流变特性——流体混合时的流动特性。发酵液在反应器内的流变特性将影响其混合的程度、传质、传热速率。 发酵液是多相体系。 细菌、酵母菌的发酵液，一般粘度较低，流动性好，热量和质量传递速率较快。 一、 流体的流变学特性 在多种抗生素、有机酸等发酵产品生产中，由于发酵液中有大量菌丝体或菌球的存在，使发酵液粘度大为增加，并呈现非牛顿 流动特性。这些流体流动性差，易使混合不充分，传热和传质产生困难，因此必须予以充分的重视。 , 发酵液的流变学特性是指液体在外加剪切力τ作用下所产生的流变特性，简称流变 特性。 , 当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产生相应的剪切速率γ（即流速梯度或 切变率，单位为Pa），两者之间的关系为流体在给定温度和压力下的流变特性： 式（7-1）称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 有多种经验方程来描述非牛顿型流体的流变特性，其中最简单的形式是指数律方程： 式中： K——稠密度指数或称指数律系数，Pa.s； n——流变性指数，或称指数律的方次。 n=1 τ/γ。 补充：流变模型 流变模型——反映流体流动特性的模型。流体的流动特性——以剪应力与速度梯度的关系来表示。 第二节 生物反应器中的传递过程 , 根据Weisz的观点:西勒准数为1，且无任何扩散限制时，细胞和其他成分的生物催 化反应以最大反应速率而进行。 , 基质（产物）传递 , 氧（二氧化碳）传递 发酵过程中，有的微生物以菌丝团（或絮状物）的形式生长繁殖，基质需通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用是同 步进行的。当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的，且反应速度与基质浓度呈正比时，产物的生成速度和菌体的生成速度 都将低于悬浮液单一细胞的相应速度。为克服发酵过程中的扩散限制，可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。 1-2-生物反应过程中常有大量CO溶解在发酵液中，气液两相中的CO以不同形式（CO、HCO、HCO、CO）进行转变，导2222333 致反应液pH值发生变化 , 双液相生物反应体系——由碳氢化合物生产SCP。 , 氧载体（Oxygen vector）——一类具有很高溶解氧能力的有机物，也是一种改善氧传递速度的有效方法。 , 固态发酵（solid state fermentation） , 发酵热（fermentation heat） 一、氧传递理论概述 在细胞反应过程中，大都采用深层培养的方法大量生产细胞及有用的代谢产物。对需氧的细 胞反应，常常需要不断地向培养基中供氧，以满足细胞生长代谢的需要。特别是对大规模生 产的细胞反应器，则需要通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式，以满足供氧的需要。 对于需氧的细胞反应，氧气首先要从气相通过扩散进入液相，进而又经过在液相中的扩散进 入细胞的内部进行呼吸反应。图7-2给出了氧从气泡传递到细胞内部的示意图。 从图7-2可以看出，氧在传递过程中有下述各项传递阻力： ?氧从气相主体扩散到气-液界面的阻力——气膜阻力1/k； 1 ?通过气-液界面的阻力——气液界面阻力1/k； 2 ?通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力——液膜阻力1/k； 3 ?液相主体中的传递阻力——反应液阻力1/k； 4 ?通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体界面的阻力——细胞外液膜阻力1/k； 5 ?通过液体与细胞团之间界面的阻力1/k； 6 ； 7?进入细胞内部的传质阻力1/k（包括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力）。 8 其中，?～?项属供氧方面的阻力；?～?项为耗氧方面的阻力。当单个细胞以游离状态?细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力1/k悬浮于液体中时第?项阻力消失。 若总阻力为R，则： 稳态时，各阶段的氧传递速率N为一定，则： 式中：?c，?c，…，?c为各阶段的溶解氧浓度差。 12n 停滞模型的基本论点： 1、在气液两个流体相间存在界面，界面两旁具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜，这两层 稳定的薄膜在任何流体动力学条件下，均呈滞流状态； 2、在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡（空气中氧的浓度和溶解在液体中的氧的浓度 处于平衡状态），即界面上不存在氧传递阻力； 3、在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就 是无任何传质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到的阻力仅存在于两层滞流膜中。 下图表示了氧在三相过程中的浓度(Co)分布，并表示各步骤的传质系数和膜的厚度。 从上图可以看出，影响氧的传质系数的参数有气-液相界面上的气膜传质系数k和液膜传质G 系数K，以及固-液界面上的液膜传质系数k和在固相内部的传质速率。 L1L2氧在克服上述阻力进行传递的过程中，其总推动力就是气相与细胞内氧分压之差。这一总推 动力消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻力。 图7-3 气液界面附近氧分压与浓度的变化 对于氧的传递速率，以液相浓度为基准可得下式： 式中： k——液膜传质系数； L k——气膜传质系数； G c——气液界面上的平衡浓度； i c——反应液主流中氧的浓度； *c——与气相氧分压相平衡的氧浓度； H——亨利常数； K——以液膜为基准的总传质系数； L 氧是难溶气体，因此有： 式中： 3Na——单位体积反应液中氧的传质速率，mol/(m.s); ka——体积传质系数，l/s； L 二、细胞膜内的传递过程 , 营养物质通过细胞膜的传递形式有： 一种溶解物从浓度c一边转送到浓度c一边时，有以下规则： 12 自由能变化?G为： 式中： R和T——气体常数和绝对温度。 G 主动传递中，c＞c，?G＞0，自由能增加； 21 被动传递中，c＜c，?G＜0，自由能减少； 12 促进传递是借助载体分子完成的，被传递的化合物在膜外与载体分子结合后，扩散到膜的另 一边，在细胞内将载体分子释放出。促进传递的特征之一是其传递速率与酶促反应中的米氏 方程类似。 2+2+或Co 载体传递有很大的选择性和针对性。 以铜（或钴）离子为催化剂， NaSO的氧化反应式为： 第三节 体积传质系数的测定及其影响因素 23将测得的反应液中残留的NaSO浓度与取样时间作图，由NaSO消耗曲线的斜率求出Cu2323 dc/dt，再求出ka Na2SO3L 此方法需多次取样，有人提出只需分析出口气体中氧的含量，省去滴定操作。ka值可由下L 式给出： 2、动态法 2、动态法 根据培养液中溶解氧浓度变化，可求出QX，见图7-4。 O2当液体的溶解氧浓度下降到一定程度时（不低于临界溶解氧浓度），再恢复通气，培养液中 溶解样浓度将逐渐升高，最后恢复到原先的水平。由（3-44）式可得： 3、稳态法 稳定状态下，QX为： O2 4、葡萄糖氧化法 式中： t——取样时间间隔； c’——NaOH浓度； V’——滴定样品量； ka值可由下式给出： L 二、影响Ka的因素 L 1、操作变量 高湍流鼓泡式反应器，利用下式估算k： L式中： D——分子扩散系数； L ρ——液体的密度； γ——液体的运动黏度； K——系数； V——反应器内发酵液的体积； L P——功率消耗； 气泡的直径和所处流体动力学特性影响k，所以要讨论实际发酵系统中气泡大小的分布和流L动类型。 鼓泡式反应器的k关联式为： L 式中： d——气泡的直径； B ρ——液体的密度； σ——气液间表面张力； g——重力加速度； a的大小取决于所设计的空气分布器（如通气口直径）、空气流动速率、反应器体积、空气 泡的直径等 由于 是单位液体体积与所对应气泡体积之比，也是通气后液柱的增高值与不通 气时液柱高度之比，即气体的滞流量H，所以 0式中，n是直径为d的气泡的数目。 iBi 随气泡直径的增大呈线性增加时，由（7-22）式定L 义的a和与d相关的kL的乘积，能够给出反应器的kLa的估算值，其误差不超过2～3%。 B 低雷诺数条件下，气泡的运动服从Stokes定律，此时， 当反应器中气泡的大小呈高斯分布，且k气液间比表面积与气泡直径的三次方成反比，基于此，采用强烈搅拌操作，就是为了减小 d，从而增大a值。 B d与通气量Q、液体性质等有关。通气量小时，空气通过小孔在液体中形成不连续的气泡。BG 此时，气泡的大小可利用离开分布器的气泡所受的平衡力来确定。 当气泡的上升力 等于小孔与气泡件的界面张力 时，有： 式中: d——分布器出口小孔孔径； 0 ρ和ρ——液体和气体的密度。 LG 机械搅拌罐中，气泡直径与 数群 有关。 式中：P/V为单位体积的液体所消耗的通气条件下的搅拌功率。 GL 气体截留量H可用下式求得： 0 式中，w为气体的空塔速度。 S 单个气泡的直径d＞6mm时，气泡在水中的上升速度w为： BB（7-31）式是根据w为w（w=QH/V）的1/H倍的概念提出来的。 BSSLLL0 在搅拌情况下，气泡在单位液体高度（未通气时的液柱高度）的停留时间可用下式求得： 归纳以上结果，概括起来可用下式表达： 式中： N——搅拌器转速； K——有因次的系数，其随搅拌器型式、反应器的形状而变化； αβγ——经验指数。 α=0.4,β=0.5,γ=0.5 时，上式称为Richard公式 随着反应器尺寸增加，α值减小，β值变化不大。 反应器尺寸/L α β 5 0.95 0.67 500 0.6-0.7 0.67 50000 0.4-0.5 0.50 （2）温度与压力 温度影响氧的溶解度，也影响发酵液的物理常数。 温度升高时，发酵液黏度和液体表面张力降低，氧在液相中的扩散系数增加，有利于提高溶 氧速率。 Oconner的研究表明，常温下利用活性污泥法处理废水时，提高温度可增加k a值。 L 嗜热脂肪芽孢杆菌的培养过程中，有相似结果，温度由45?提高到65?，ka值约增加L 20%。 发酵罐压力和液柱高度影响氧溶解速率。通用式发酵罐中，通气量恒定时，溶氧速率随压力 的增加而增加，同时，ka值也随压力的增加而增大。 L 2、发酵液的理化性质 发酵液中的有机物，有些是作为基质加入的，有些是代谢产物。有些物质，如蛋白质类物质， 加入到发酵液中后会降低ka值。另一些物质，如酮、醇、脂等会提高ka值。 LL发酵液中含有多种离子盐，其离子强度达0.2～0.5g/L。离子强度增加，kLa值增大，其增大 明0显增大。其原因是由于气泡直径的减小和发酵液中酸（氨基酸和乳酸等）的产生抑制气泡聚的程度随投入动力的增加而增加，有时达纯水的5～6倍。 合作用。发酵液中加入表面活性剂时，H显著减小，直到达到自来水的水平。 0以玉米为碳源的发酵液与自来水相比，尤其在气体空塔速度大于4cm/min时，前者的H发酵工业中，单气泡直径在5～20mm范围内增大时，稀发酵液中单气泡的上升速度w值B将由20增加到30cm/min，但发酵液呈非牛顿型时，w将会明显下降。 B 气泡平均大小的变化依赖于液体成分、气体的空塔速度和液体状态、是否湍流等。少量的盐 和乙醇加到反应液中，会相应减少气泡的大小。增加细胞浓度有相同影响。 表7-5 黏度与气泡上升速度的关系 黏度/Pa.s 气泡直径dB/mm w=30cm/min w=3cm/min BB 0.001 0.13 0.25 0.1 0.75 0.25 10 5.0 1.5 图7-5给出了单位液体体积功率消耗对体积传质系数的影响，当反应器的功率消耗低于 1kW/m3时，机械搅拌罐的流体流动特性已相似于鼓泡罐的流体流动特性。 图7-5 单位液体体积功率消耗对体积传质系数的影响 3、反应器结构因素的影响 通用式发酵罐的搅拌器组数和搅拌器之间的最适距离对溶氧有一定影响。实验证明，搅拌器 组数和间距在很大程度上要根据发酵液的特性来确定。一般说，当高径比为2.5时，用多组搅拌器可提高溶氧系数10%，当高径比为4时，采用较大空气流速和较大功率时，多组搅拌 器可提高溶氧系数25%。 当搅拌器的间距不恰当时，液体流型和空气分布将发生变化，引起体积溶氧系数下降。 带有搅拌装置的反应器都应安装适当的档板或以垂直冷却管兼当档板用，否则，搅拌会使液 体形成中心下降的旋涡。档板可使液体形成轴向运动，减少回旋运动，不让大量空气通过旋 涡外逸，从而提高气液的混合效果，改善氧的传递条件。一般的反应器安装4块档板。 当空气流量和单位体积功耗不变时，通气效率随高径比增大而增大。经验表明，当反应器的 高径比由1增到2时，k a可增加40%左右；由2增到3时，ka可增加20%左右； LL气流搅拌式生物反应器，采用非黏性液体的发酵物系，可用下式获得ka值： L式中：b和m分别为经验常数；ka的单位为1/s，气体的空塔速度ws的单位为m/s。m一L 般为0.78～1，b一般为0.24～1.45。b值受喷嘴形状影响，当喷嘴由单孔式改为烧结板式时， b增大3倍；其次受流体性质影响。 当气流搅拌式反应器的直径大于15cm时，ka值与反应器的直径（15～5500cm）无关。反L 应器内流体流速及流动方向对ka值也无大影响。 L 鼓泡式反应器中的ka关联式是通过因次分析法获得的。 L 依据上式，有人提出了适用于牛顿型流体，也适用于非牛顿型流体的ka关联式： L第四节 发酵系统中的氧传递 一般认为，发酵系统中氧由气相到液相的总传质系数近似等于液膜传质系数。当反应器内气 液充分混合时，主体溶液中氧的浓度呈恒定状态。但由于发酵液多为非牛顿型流体，难于达 到完全混合，液相中常出现浓度梯度，此时，8步氧传递阻力中有些不能忽视。 当细胞呈游离态，而非菌团存在时，因细胞直径小，且细胞呼吸酶在细胞膜上，细胞器与所 处位置与膜间距离接近，故细胞内氧传递阻力可忽略不计。 发酵中菌丝团的大小以保证团内不出现无氧区域为宜，取决于氧的消耗速率、氧的扩散速率 及主体溶液中氧的浓度等。 a的影响 L 当氧的传递速率大于氧的消耗速率时，菌体的耗氧速率成为限制性因素。氧的比消耗速率是 图7-6 细胞浓度和菌丝团浓度对k发酵液中溶解样的双曲线函数。只要溶解氧浓度高于其临界值（通常为溶解氧浓度的10%）， 微生物细胞的呼吸就不受抑制，氧的消耗速率就不依赖溶解氧浓度，为一定值。 一、氧传递的并联模型 几微米大小的微生物单细胞可在几十微米厚的气液界膜内占有一定空间。数学上将这种多相 反应系统看成均相反应系统，以双膜模型为依据进行讨论。 边界条件为y=0时，DO*=DO，y=δ时，DO=DO，解上式得： yLy 上式给出了氧在界膜中的浓度变化。 发酵中溶解氧的浓度取决于氧的传递速度和氧的利用速度。当反应器内气液两相充分混合， 且无液深影响时，对分批发酵操作，氧的衡算式为： 在稳定状态下，溶氧浓度为： *当DO接近0时，有kaDO=QX， tLO2 QX为ka所控制。 O2L*分批培养中，ka由（Q）X/（DO-DO）给出。 LO2maxtcri 三、菌丝团（菌丝体）中氧的传递模型 假如菌丝团呈球形（半径=R），菌丝体密度为ρx（从里到外密度相同）。菌丝体内物质传递仅由分子扩散引起，菌丝体的耗氧速率与氧浓度的关系适用米氏方程，那么，在稳定状态下， 基本方程式： 第五节 溶氧方程与溶氧速率的调节 二、单位溶解氧功耗 ka值的大小是评价通风反应器的重要指标，但不是惟一的指标。一个性能良好的反应器，L 应具有较高的kLa值，同时溶解1mol氧所消耗的能量（Np）应该低。 三、溶氧速率的调节 提高氧传递速率Na的途径： 1、提高氧传质推动力（C*-C）。 2、提高ka值。 L 提高氧传递速率的同时，应尽量减小通风搅拌功率，以保证较低的Np值。 End Thanks!