好氧生物反应器

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,好氧生物反应器,Huang Yan,11721777,2024/9/13,1,1.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,2024/9/13,2,1.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。,2024/9/13,3,生物反应器发酵流程,细胞或酶等生物催化剂,（,游离或固定化,）,生 物 反 应 器,空气,CO,2,等,冷却水,原材料,培养基,灭菌,底物,产物,废物,除菌,检测和控制,产物预处理,产品提取或液化,副产物,2024/9/13,4,2024/9/13,5,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,2024/9/13,6,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。,2024/9/13,7,一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,。,2024/9/13,8,2.,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。,2024/9/13,9,氧传递的双膜理论,2,1,3,4,5,6,7,8,9,气液界面,气泡,液膜,液相主体,固液界面,细胞团,液膜,细胞膜,细胞,生物反应,2024/9/13,10,发酵液中氧的传递方程,C,C,i,P,P,i,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m,2,.h,k,g,: 气膜传质系数 kmol/m,2,.h.atm,K,l,: 液膜传质系数 m/h,2024/9/13,11,以,液相浓度为基准,推导式,k,L,为液膜传质系数；,k,G,为气膜传质系数；,C,i,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；,K,L,为以液膜为基准的总传质系数。,2024/9/13,12,两边同乘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/m,3,s；,k,L,a,体积传质系数s,-1,；,2024/9/13,13,体积传质系数,k,L,a,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,k,L,a,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。,2024/9/13,14,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Na,2,SO,3,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Na,2,SO,3,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,。,2024/9/13,15,过量的碘与反应剩余的Na,2,SO,3,反应，再用标准的Na,2,S,2,O,3,溶液滴定剩余的碘。根据Na,2,S,2,O,3,溶液消耗的体积数，可求出的Na,2,SO,3,浓度。,2024/9/13,16,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,2024/9/13,17,由于F,a,t/V,L,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H,0,，所以,2024/9/13,18,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,2024/9/13,19,2.,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,.,2024/9/13,20,发酵动力学涉及的常规参数,2024/9/13,21,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,。,2024/9/13,22,基质消耗速率：,基质的比,消耗,速率,：,2024/9/13,23,产物生成速率:,产物形成的比速率,2024/9/13,24,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,。,2024/9/13,25,ATP生长得率,消耗1molATP得到的菌体量,，用,Y,ATP,表示。,根据观察发现，许多微生物的Y,ATP,大致相同，一般认为Y,ATP,=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,2024/9/13,26,发酵类型,酒精发酵,柠檬酸发酵,抗生素发酵,Luedeking-Piret模型,2024/9/13,27,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。,2024/9/13,28,2.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。,2024/9/13,29,3.,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。,2024/9/13,30,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,:,2024/9/13,31,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,2024/9/13,32,2024/9/13,33,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,2024/9/13,34,2024/9/13,35,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,2024/9/13,36,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。,2024/9/13,37,2024/9/13,38,2024/9/13,39,2024/9/13,40,2024/9/13,41,Thank you！,2024/9/13,42,