好氧生物反應(yīng)器

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1、2020/9/10,1,好氧生物反應(yīng)器,Huang Yan 11721777,2020/9/10,2,1.生物反應(yīng)器 2.反應(yīng)器中氧的傳遞 3.發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 4.以丁二醇發(fā)酵為例分析,2020/9/10,3,1.生物反應(yīng)器,生物反應(yīng)器：用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)。本質(zhì)上就是酶反應(yīng)器。 不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器，還包括采用固定化技術(shù)后的固定化酶或細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器和光合生物反應(yīng)器等 生物反應(yīng)器的作用：為酶或細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好地生長(zhǎng)，并得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。,2020/9/10,4,生物反

2、應(yīng)器發(fā)酵流程,2020/9/10,5,2020/9/10,6,生物反應(yīng)器的分類(lèi),按結(jié)構(gòu)區(qū)分： 攪拌罐式反應(yīng)器 鼓泡式反應(yīng)器 填充床式反應(yīng)器 流化床式反應(yīng)器. 膜反應(yīng)器 按操作方式區(qū)分： 分批式反應(yīng) 連續(xù)式反應(yīng) 流加分批式反應(yīng) 混合形式 連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器 分批攪拌罐反應(yīng)器,2020/9/10,7,生物反應(yīng)器是生物工程中最重要的設(shè)備之一，在生物過(guò)程中，具有中心作用，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。反應(yīng)器中，通過(guò)產(chǎn)物合成，廉價(jià)原料被升值了。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，是生物工程中一個(gè)及其重要的問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品成本和質(zhì)量有很大影響。,2020/9/10,8,一個(gè)優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備： (

3、1) 所用生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和酶濃度（或細(xì)胞濃 度），能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。 (2) 能用電腦自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件。 (3) 應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能。 (4) 應(yīng)具有最佳的無(wú)菌條件，否則，雜菌污染使反應(yīng)器的生產(chǎn) 能力下降。,2020/9/10,9,2.反應(yīng)器中氧的傳遞,好氧微生物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物都需要消耗氧氣，在發(fā)酵過(guò)程中必須通入適量無(wú)菌空氣滿(mǎn)足菌體生長(zhǎng)需要。 好氧微生物的氧化酶存在于原生質(zhì)內(nèi)，只能夠利用溶解于發(fā)酵液中的氧氣。由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系的種類(lèi)和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種需氧微生物的吸氧量或呼吸程度也是不同的。 在反應(yīng)器

4、中，微生物的耗氧速率受到酵液中氧濃度影響，而發(fā)酵液中的氧濃度又受到諸多因素的影響。,2020/9/10,10,氧傳遞的雙膜理論,2020/9/10,11,發(fā)酵液中氧的傳遞方程,C,Ci,P,Pi,氣膜,液膜,N：傳氧速率 kmol/m2.h kg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atm Kl: 液膜傳質(zhì)系數(shù) m/h,2020/9/10,12,以液相濃度為基準(zhǔn)推導(dǎo)式,kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)； kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)； Ci為氣液界面上的平衡濃度； C為反應(yīng)液主流中氧的濃度； C*為與氣相氧分壓相平衡的氧濃度； H為亨利常數(shù)； KL為以液膜為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)。,2020/9/10,13,兩邊同乘a（單

5、位體積反應(yīng)液中氣液比表面積） Na單位體積反應(yīng)液中氧的傳質(zhì)速率mol/m3s； kLa體積傳質(zhì)系數(shù)s-1；,2020/9/10,14,體積傳質(zhì)系數(shù)kLa作為一個(gè)整體在發(fā)酵過(guò)程中被測(cè)量出來(lái)，其值對(duì)在發(fā)酵過(guò)程中評(píng)估通氣效率，調(diào)節(jié)溶氧有十分重要的意義。 常用的測(cè)量kLa的方法有亞硫酸鹽氧化法、取樣極譜法、物料衡算法、動(dòng)態(tài)法、排氣法和電極法等。,2020/9/10,15,亞硫酸鹽法測(cè)定容積氧傳遞系數(shù),正常條件下，亞硫酸根離子的氧化反應(yīng)非常快，遠(yuǎn)大于氧的溶解速度。當(dāng)Na2SO3溶液的濃度在0.018 0.45mol內(nèi)，溫度在2045時(shí)，反應(yīng)速度幾乎不變。所以，氧一旦溶解于Na2SO3溶液中立即被氧化，反

6、應(yīng)液中的溶解氧濃度為零。此時(shí)氧的溶解速度（氧傳遞速度）成為控制氧化反應(yīng)速度的決定因素。,2020/9/10,16,過(guò)量的碘與反應(yīng)剩余的Na2SO3反應(yīng)，再用標(biāo)準(zhǔn)的Na2S2O3溶液滴定剩余的碘。根據(jù)Na2S2O3溶液消耗的體積數(shù)，可求出的Na2SO3濃度。,2020/9/10,17,a也可以單獨(dú)計(jì)算出來(lái) a的大小取決于所設(shè)計(jì)的空氣分布器、空氣流動(dòng)速率、反應(yīng)器的體積、空氣泡的直徑等。 如果由空氣分布器出口流出的空氣流動(dòng)速率為Fa，氣泡在發(fā)酵罐中的停留時(shí)間為t ，氣泡平均直徑為dB，那么a可由下式給出：,氣液比表面積的計(jì)算,2020/9/10,18,由于Fat/VL是單位液體體積與所對(duì)應(yīng)氣泡體積之

7、比，也是通氣后液柱的增高值與不通氣時(shí)液柱高度之比，即氣體的滯留量H0 ，所以,2020/9/10,19,影響氧傳遞速率的主要因素,1.攪拌 把通入的氣體打碎，強(qiáng)化渦流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合 2.氣液比表面積 比表面積越大，氧傳遞速率越大. 3.空氣的線(xiàn)速度 氧傳遞系數(shù)K L是隨空氣量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí)，空氣的線(xiàn)速度也就相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)K L相應(yīng)地也增大。 4.發(fā)酵液性質(zhì) 粘度、表面張力、離子液度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)氧傳遞系數(shù)K L帶來(lái)很大的影響。 5.表面活性劑 分布于氣液界面，改變傳質(zhì)阻力，進(jìn)而影響氧傳遞系數(shù)K

8、 L,2020/9/10,20,2.發(fā)酵動(dòng)力學(xué),研究?jī)?nèi)容 包括菌體生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率、產(chǎn)物生成速率的相互關(guān)系，環(huán)境對(duì)三者的影響，以及影響其反應(yīng)速率的條件。 目的： 通過(guò)動(dòng)力學(xué)，研究各種物理，化學(xué)因素的影響,為調(diào)控提供依據(jù),優(yōu)化發(fā)酵的工藝條件及調(diào)控方式； 建立反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬最適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒毯凸に噮?shù)，預(yù)測(cè)反應(yīng)的趨勢(shì)； 控制發(fā)酵過(guò)程，以至實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行控制.,2020/9/10,21,發(fā)酵動(dòng)力學(xué)涉及的常規(guī)參數(shù),2020/9/10,22,常用到的參變量：,菌體生長(zhǎng)速率指單位體積、單位時(shí)間里生長(zhǎng)的菌體量。菌體量一般指其干重。 菌體的比生長(zhǎng)速率：菌體生長(zhǎng)速率與菌體濃度之比。,2020

9、/9/10,23,基質(zhì)消耗速率： 基質(zhì)的比消耗速率：,2020/9/10,24,產(chǎn)物生成速率: 產(chǎn)物形成的比速率,2020/9/10,25,生長(zhǎng)得率：菌體的生長(zhǎng)量相對(duì)于基質(zhì)消耗量的得率，也稱(chēng)為細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的得率。 產(chǎn)物得率：相對(duì)于基質(zhì)消耗量的代謝產(chǎn)物得率。,2020/9/10,26,ATP生長(zhǎng)得率 消耗1molATP得到的菌體量，用YATP表示。 根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，許多微生物的YATP大致相同，一般認(rèn)為YATP=10g細(xì)胞/ molATP。這個(gè)數(shù)值已經(jīng)被用做估算細(xì)胞理論得率的一個(gè)常數(shù)。 維持系數(shù)m “維持”是指活細(xì)胞群體在沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的生長(zhǎng)（即細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)）和沒(méi)有胞外代謝產(chǎn)物合成情況

10、下的生命活動(dòng)。 維持代謝沒(méi)有物質(zhì)的凈合成，是完全用于產(chǎn)生能量的分解代謝.是為宏觀上保持細(xì)胞物質(zhì)總量平衡而進(jìn)行的分解代謝,2020/9/10,27,發(fā)酵類(lèi)型,酒精發(fā)酵 檸檬酸發(fā)酵 抗生素發(fā)酵,Luedeking-Piret模型,2020/9/10,28,生長(zhǎng)偶聯(lián)產(chǎn)物形成系數(shù) 如：酵母菌酒精發(fā)酵,1.生長(zhǎng)偶聯(lián)型：,產(chǎn)物直接來(lái)源于產(chǎn)能的初級(jí)代謝（自身繁殖所必需的代謝），菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成不分開(kāi)。,2020/9/10,29,2.非生長(zhǎng)偶聯(lián)型,非生長(zhǎng)偶聯(lián)型：細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)產(chǎn)物，產(chǎn)物生成在菌體停止生長(zhǎng)才開(kāi)始，產(chǎn)物的形成速率只與細(xì)胞積累量有關(guān)，與生長(zhǎng)不偶聯(lián)。 所形成的產(chǎn)物均是次級(jí)代謝產(chǎn)物。但并非所有的次級(jí)代

11、謝產(chǎn)物都是非生長(zhǎng)偶聯(lián)型。,2020/9/10,30,3.混合型,如：乳酸、檸檬酸、谷氨酸等的發(fā)酵。 與生長(zhǎng)偶聯(lián)的產(chǎn)物形成系數(shù)，g/g細(xì)胞； 非生長(zhǎng)偶聯(lián)的比生產(chǎn)速率， g/（g細(xì)胞h)。 該混合型模型復(fù)雜的形成是將常數(shù)、作為變數(shù)，它們?cè)诜峙l(fā)酵的四個(gè)時(shí)期分別具有特定的數(shù)值。,2020/9/10,31,分批培養(yǎng)中微生物的生長(zhǎng)曲線(xiàn),延遲期：,指數(shù)生長(zhǎng)期:,減速期:,靜止期：,衰亡期:,2020/9/10,32,克雷伯氏白桿菌進(jìn)行丁二醇發(fā)酵 Qsa Qsr Qsf,4.丁二醇發(fā)酵分析,2020/9/10,33,2020/9/10,34,氧氣充足，細(xì)胞數(shù)目呈指數(shù)型增長(zhǎng)，細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸，無(wú)氧呼吸近似于零。,第一階段,2020/9/10,35,2020/9/10,36,由氧氣充足變?yōu)檠跏芟?，?xì)胞增長(zhǎng)速率逐步減少，最后細(xì)胞凈增長(zhǎng)速率趨為零。,第二階段,2020/9/10,37,第三階段,在氧受限情況下產(chǎn)生丁二醇，細(xì)胞凈增長(zhǎng)速率為零，并且隨著丁二醇的積累，細(xì)胞逐漸死亡，產(chǎn)物含量最大。,2020/9/10,38,2020/9/10,39,2020/9/10,40,2020/9/10,41,2020/9/10,42,Thank you！,