好氧生物反应器

2020/9/10,1,好氧生物反应器,Huang Yan 11721777,2020/9/10,2,1.生物反应器 2.反应器中氧的传递 3.发酵动力学 4.以丁二醇发酵为例分析,2020/9/10,3,1.生物反应器,生物反应器：用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。本质上就是酶反应器。 不仅包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等 生物反应器的作用：为酶或细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。,2020/9/10,4,生物反应器发酵流程,2020/9/10,5,2020/9/10,6,生物反应器的分类,按结构区分： 搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器. 膜反应器 按操作方式区分： 分批式反应 连续式反应 流加分批式反应 混合形式 连续搅拌罐反应器 分批搅拌罐反应器,2020/9/10,7,生物反应器是生物工程中最重要的设备之一，在生物过程中，具有中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。,2020/9/10,8,一个优良的生物反应器应具备： (1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓 度），能得到较大的产品转化率。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产 能力下降。,2020/9/10,9,2.反应器中氧的传递,好氧微生物的生长发育、繁殖和产生代谢产物都需要消耗氧气，在发酵过程中必须通入适量无菌空气满足菌体生长需要。 好氧微生物的氧化酶存在于原生质内，只能够利用溶解于发酵液中的氧气。由于各种好气微生物所含的氧化酶体系的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸氧量或呼吸程度也是不同的。 在反应器中，微生物的耗氧速率受到酵液中氧浓度影响，而发酵液中的氧浓度又受到诸多因素的影响。,2020/9/10,10,氧传递的双膜理论,2020/9/10,11,发酵液中氧的传递方程,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h,2020/9/10,12,以液相浓度为基准推导式,kL为液膜传质系数； kG为气膜传质系数； Ci为气液界面上的平衡浓度； C为反应液主流中氧的浓度； C*为与气相氧分压相平衡的氧浓度； H为亨利常数； KL为以液膜为基准的总传质系数。,2020/9/10,13,两边同乘a（单位体积反应液中气液比表面积） Na单位体积反应液中氧的传质速率mol/m3s； kLa体积传质系数s-1；,2020/9/10,14,体积传质系数kLa作为一个整体在发酵过程中被测量出来，其值对在发酵过程中评估通气效率，调节溶氧有十分重要的意义。 常用的测量kLa的方法有亚硫酸盐氧化法、取样极谱法、物料衡算法、动态法、排气法和电极法等。,2020/9/10,15,亚硫酸盐法测定容积氧传递系数,正常条件下，亚硫酸根离子的氧化反应非常快，远大于氧的溶解速度。当Na2SO3溶液的浓度在0.018 0.45mol内，温度在2045时，反应速度几乎不变。所以，氧一旦溶解于Na2SO3溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度为零。此时氧的溶解速度（氧传递速度）成为控制氧化反应速度的决定因素。,2020/9/10,16,过量的碘与反应剩余的Na2SO3反应，再用标准的Na2S2O3溶液滴定剩余的碘。根据Na2S2O3溶液消耗的体积数，可求出的Na2SO3浓度。,2020/9/10,17,a也可以单独计算出来 a的大小取决于所设计的空气分布器、空气流动速率、反应器的体积、空气泡的直径等。 如果由空气分布器出口流出的空气流动速率为Fa，气泡在发酵罐中的停留时间为t ，气泡平均直径为dB，那么a可由下式给出：,气液比表面积的计算,2020/9/10,18,由于Fat/VL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，即气体的滞留量H0 ，所以,2020/9/10,19,影响氧传递速率的主要因素,1.搅拌 把通入的气体打碎，强化涡流程度，使空气与发酵液充分混合 2.气液比表面积 比表面积越大，氧传递速率越大. 3.空气的线速度 氧传递系数K L是随空气量的增加而增大的，当增加通风量时，空气的线速度也就相应地增大，从而增加了溶氧，氧传递系数K L相应地也增大。 4.发酵液性质 粘度、表面张力、离子液度、密度、扩散系数等，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数K L带来很大的影响。 5.表面活性剂 分布于气液界面，改变传质阻力，进而影响氧传递系数K L,2020/9/10,20,2.发酵动力学,研究内容 包括菌体生长速率、基质消耗速率、产物生成速率的相互关系，环境对三者的影响，以及影响其反应速率的条件。 目的： 通过动力学，研究各种物理，化学因素的影响,为调控提供依据,优化发酵的工艺条件及调控方式； 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势； 控制发酵过程，以至实现用计算机来进行控制.,2020/9/10,21,发酵动力学涉及的常规参数,2020/9/10,22,常用到的参变量：,菌体生长速率指单位体积、单位时间里生长的菌体量。菌体量一般指其干重。 菌体的比生长速率：菌体生长速率与菌体浓度之比。,2020/9/10,23,基质消耗速率： 基质的比消耗速率：,2020/9/10,24,产物生成速率: 产物形成的比速率,2020/9/10,25,生长得率：菌体的生长量相对于基质消耗量的得率，也称为细胞对基质的得率。 产物得率：相对于基质消耗量的代谢产物得率。,2020/9/10,26,ATP生长得率 消耗1molATP得到的菌体量，用YATP表示。 根据观察发现，许多微生物的YATP大致相同，一般认为YATP=10g细胞/ molATP。这个数值已经被用做估算细胞理论得率的一个常数。 维持系数m “维持”是指活细胞群体在没有实质性的生长（即细胞生长和死亡处于动态平衡状态）和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。 维持代谢没有物质的净合成，是完全用于产生能量的分解代谢.是为宏观上保持细胞物质总量平衡而进行的分解代谢,2020/9/10,27,发酵类型,酒精发酵 柠檬酸发酵 抗生素发酵,Luedeking-Piret模型,2020/9/10,28,生长偶联产物形成系数 如：酵母菌酒精发酵,1.生长偶联型：,产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。,2020/9/10,29,2.非生长偶联型,非生长偶联型：细胞生长时，无产物，产物生成在菌体停止生长才开始，产物的形成速率只与细胞积累量有关，与生长不偶联。 所形成的产物均是次级代谢产物。但并非所有的次级代谢产物都是非生长偶联型。,2020/9/10,30,3.混合型,如：乳酸、柠檬酸、谷氨酸等的发酵。 与生长偶联的产物形成系数，g/g细胞； 非生长偶联的比生产速率， g/（g细胞h)。 该混合型模型复杂的形成是将常数、作为变数，它们在分批发酵的四个时期分别具有特定的数值。,2020/9/10,31,分批培养中微生物的生长曲线,延迟期：,指数生长期:,减速期:,静止期：,衰亡期:,2020/9/10,32,克雷伯氏白杆菌进行丁二醇发酵 Qsa Qsr Qsf,4.丁二醇发酵分析,2020/9/10,33,2020/9/10,34,氧气充足，细胞数目呈指数型增长，细胞进行有氧呼吸，无氧呼吸近似于零。,第一阶段,2020/9/10,35,2020/9/10,36,由氧气充足变为氧受限，细胞增长速率逐步减少，最后细胞净增长速率趋为零。,第二阶段,2020/9/10,37,第三阶段,在氧受限情况下产生丁二醇，细胞净增长速率为零，并且随着丁二醇的积累，细胞逐渐死亡，产物含量最大。,2020/9/10,38,2020/9/10,39,2020/9/10,40,2020/9/10,41,2020/9/10,42,Thank you！,