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1、第四章生物反应器总论第1页，本讲稿共39页第一节第一节 生物反应器概述生物反应器概述第二节第二节 生物反应器设计基础生物反应器设计基础第三节第三节 生物反应器的检测和控生物反应器的检测和控制制第2页，本讲稿共39页一、生物反应器在生产中的地位和作用一、生物反应器在生产中的地位和作用概念：概念：对生物有机体进行有控制的培养以生对生物有机体进行有控制的培养以生产某种成品，或进行特定反应的容器。产某种成品，或进行特定反应的容器。生物反应器的生物反应器的作用和地位作用和地位：就是为生物体代：就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更好地生长，得到更
2、多需要的生物量或体能更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。在生物工业生产中居于代谢产物。在生物工业生产中居于核心地位核心地位，是连接原料和成品的是连接原料和成品的桥梁桥梁，是生物技术能够，是生物技术能够工业化的关键因素。工业化的关键因素。第3页，本讲稿共39页二、生物反应器的类型二、生物反应器的类型 按反应器内按反应器内流型流型分：理想（柱塞流、全混流）、非理想分：理想（柱塞流、全混流）、非理想按按操作方式操作方式分：间歇、连续、半连续分：间歇、连续、半连续按按结构特征结构特征分：罐式、管式、塔式、膜式分：罐式、管式、塔式、膜式按反应器内按反应器内相态相态分：均相、非均相分：均相、非均相
3、按反应器内按反应器内有机种类有机种类分：微生物、植物细胞、动物细胞、分：微生物、植物细胞、动物细胞、酶酶按反应器内按反应器内气液混合方式气液混合方式分：机械搅拌混合、泵循环混分：机械搅拌混合、泵循环混合、直接通气混合、连续气相合、直接通气混合、连续气相按按是否通氧是否通氧分：通风发酵设备、嫌气发酵设备分：通风发酵设备、嫌气发酵设备 第4页，本讲稿共39页三、生物反应器的发展趋势三、生物反应器的发展趋势大型化；大型化；动植物细胞培养反应器得到较大发展；动植物细胞培养反应器得到较大发展；使用计算机技术。使用计算机技术。第5页，本讲稿共39页四、一般生物反应器的结构原理四、一般生物反应器的结构原理一
4、般生物反应器指一般生物反应器指机械搅拌罐式反应器：有机械搅拌罐式反应器：有较低的制造成本和操作成本；大部分生物有较低的制造成本和操作成本；大部分生物有机体都可以使用这种反应器进行培养。机体都可以使用这种反应器进行培养。结构结构：罐体、搅拌装置、换热器、除沫装置、：罐体、搅拌装置、换热器、除沫装置、气体和物料进出口以及检测和调节装置气体和物料进出口以及检测和调节装置 第6页，本讲稿共39页一、生物反应器的化学计量基础一、生物反应器的化学计量基础二、生物反应器的生物学基础二、生物反应器的生物学基础三、生物反应器的质量传递三、生物反应器的质量传递第7页，本讲稿共39页（一）物料衡算（一）物料衡算 对
5、于对于反应基质和产物反应基质和产物做物料衡算做物料衡算:对对细胞细胞做物料平衡做物料平衡:第8页，本讲稿共39页（二）能量衡算（二）能量衡算 如果反应为放热反应，则等号右边第二项取如果反应为放热反应，则等号右边第二项取负号；如果为吸热反应，则应取正号。负号；如果为吸热反应，则应取正号。衡算式根据各自的守恒定律，均符合下列模衡算式根据各自的守恒定律，均符合下列模式：式：第9页，本讲稿共39页(一一)分批培养中细胞的生长分批培养中细胞的生长第10页，本讲稿共39页1、延滞期：适应阶段、延滞期：适应阶段2、指数生长期：细胞浓度的变化率与细胞浓、指数生长期：细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比度成正比 t
6、d=ln2/=0.693/=0.693/td td细胞的倍增时间细胞的倍增时间 比生长速率比生长速率指数期有效指数期有效第11页，本讲稿共39页3 3、减速生长期：细胞浓度的增加逐渐减慢、减速生长期：细胞浓度的增加逐渐减慢 莫诺德方程莫诺德方程 ：表示当某一种营养物质限制：表示当某一种营养物质限制某种生物生长时，生物的生长与该营养物浓某种生物生长时，生物的生长与该营养物浓度的关系。度的关系。=m mS/(KS/(KS S+S)+S)当当 SK SKS S 时时,=,=m m ，当当 K KS S=S=S 时，时，=m m/2/2K KS S营养物质饱和常数、营养物质饱和常数、莫诺德常数莫诺德常
7、数 数值上等于数值上等于 达到达到 m m一半时的营养物质浓度，大小一半时的营养物质浓度，大小表示了生物对营养物质的偏爱程度，数值越大，生物表示了生物对营养物质的偏爱程度，数值越大，生物对这种物质越不偏爱，反之亦然。对这种物质越不偏爱，反之亦然。第12页，本讲稿共39页4、平衡期：细胞浓度达到最大值、平衡期：细胞浓度达到最大值5、衰亡期：死亡速率超过生长速率，细胞浓、衰亡期：死亡速率超过生长速率，细胞浓度增速下降度增速下降 X=Xm e-at Xm平衡期细胞浓度，平衡期细胞浓度，kg/m3 a细胞比死亡速率，细胞比死亡速率，s-1 t进入衰亡期时间，进入衰亡期时间，s第13页，本讲稿共39页(
8、二二)产物形成动力学方程产物形成动力学方程产物的生成形式：产物的生成形式：a a 主要产物是能量代谢的结果；主要产物是能量代谢的结果；b b 主要产物是能量代谢的间接结果；主要产物是能量代谢的间接结果；c c 产物是二次代谢物；产物是二次代谢物；d d 产物是胞内或胞外蛋白。产物是胞内或胞外蛋白。第14页，本讲稿共39页柠檬酸合成途径柠檬酸合成途径葡葡萄萄糖糖丙丙酮酮酸酸柠柠檬檬酸酸乙酰乙酰-CoA-CoA草酰乙酸草酰乙酸EMPEMP途径途径氧化脱羧氧化脱羧羧化羧化第15页，本讲稿共39页4 4种细胞产物合成动力学简分为三类：种细胞产物合成动力学简分为三类：1 1、生长偶联型：产物合成在生长过
9、程中出现、生长偶联型：产物合成在生长过程中出现 dP/dt=dX/dt dP/dt=dX/dt 2 2、非生长偶联型：产物合成出现在细胞生长、非生长偶联型：产物合成出现在细胞生长完成后完成后dP/dt=XdP/dt=X3 3、混合生长偶联型：、混合生长偶联型：dP/dt=dX/dt+XdP/dt=dX/dt+X第16页，本讲稿共39页产物形成动力学 Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将代谢产物生成动力学分为三种类型：类型(相关模型)：是指产物的生成与细胞的生长相关的过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生产等。产物形成动力学：图2.2 Gaden
10、类型第17页，本讲稿共39页图2.2 Gaden模型分类类型(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬酸和氨基酸的生成。类型(非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系，产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代谢产物的生成。第18页，本讲稿共39页在普通气在普通气-液反应器中，低溶解度气体传递是最明液反应器中，低溶解度气体传递是最明显的问题显的问题 。从气泡中的气相扩散通过气从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；膜到气液界面；通过气液界面；通过气液界面；从气液界面扩散通过气泡的从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主流
11、；液膜到液相主流；液相溶解氧的传递；液相溶解氧的传递；从液相主流扩散通过包围细从液相主流扩散通过包围细胞的液膜到达细胞表面；胞的液膜到达细胞表面；氧通过细胞壁；氧通过细胞壁；微生物细胞内氧的传递微生物细胞内氧的传递第19页，本讲稿共39页双膜理论：双膜理论：相互接触的气、液两相存在着稳定的相界相互接触的气、液两相存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜层，在面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜层，在气相的一侧称为气膜，液相的一侧叫做液膜。气相的一侧称为气膜，液相的一侧叫做液膜。氧气以扩散的形式通过此二膜层。氧气以扩散的形式通过此二膜层。在相界面处，气、液两相达到平衡。在相界面处，气、液两相
12、达到平衡。在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度基本相等，全部浓度变化集中在两个膜层内。基本相等，全部浓度变化集中在两个膜层内。第20页，本讲稿共39页渗透扩散理论：渗透扩散理论：渗透扩散理论对双膜理论进行了修正，认为渗透扩散理论对双膜理论进行了修正，认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程，层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程，液膜内氧边扩散边被吸收，氧浓度分布随时液膜内氧边扩散边被吸收，氧浓度分布随时间变化。间变化。第21页，本讲稿共39页表面更新理论：表面更新理论：表面更新理论又对渗透扩散理论进行了修正，表面更新理论又对渗透扩散理论进行了修正，认为液
13、相各微元中气液接触时间也是不等的，认为液相各微元中气液接触时间也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置换的几率是而液面上的各微元被其他微元置换的几率是相等的。相等的。第22页，本讲稿共39页氧气在发酵液的传递速率公式：氧气在发酵液的传递速率公式：Na=kL(c*-c)kL液相传质系数，液相传质系数，m/s单位体积发酵液的气液界面面积，单位体积发酵液的气液界面面积，m2/m3c*与气相氧分压与气相氧分压p平衡的液相氧气浓度，平衡的液相氧气浓度，mol/m3c 液相氧气浓度，液相氧气浓度，mol/m3第23页，本讲稿共39页影响溶氧速率的关键因素：影响溶氧速率的关键因素：氧的传递推动力氧的传递推动
14、力(c*-c)(c*-c)体积溶氧系数体积溶氧系数k kL L k kL L x(Pg/VL)y(vg)z Pg通气情况下的搅拌功率，通气情况下的搅拌功率，W VL 发酵罐的装液量，发酵罐的装液量，m3 vg 气体表面速率，气体表面速率，m/s第24页，本讲稿共39页提高推动力只能增加氧气的饱和浓度提高推动力只能增加氧气的饱和浓度c*c*。办法：办法：降低培养液黏度；降低培养液黏度；通入富氧空气；通入富氧空气；提高生物反应器内压力。提高生物反应器内压力。工业生产上常采用稀释培养液的办法。工业生产上常采用稀释培养液的办法。第25页，本讲稿共39页1、机械搅拌、机械搅拌2、培养液净体积：净体积越小
15、，溶氧系数越、培养液净体积：净体积越小，溶氧系数越大大3、气体的表面速率：速率越大，溶氧系数越、气体的表面速率：速率越大，溶氧系数越大。大。过载现象：培养液的通气量超过一定的限度，过载现象：培养液的通气量超过一定的限度，搅拌将带动大量的气泡空转，无法有效的将空搅拌将带动大量的气泡空转，无法有效的将空气分散到发酵液中，即所谓的过载现象。气分散到发酵液中，即所谓的过载现象。4、搅拌罐内部结构：加挡板、搅拌罐内部结构：加挡板5、发酵液性质：加少量电解质、发酵液性质：加少量电解质6、消泡剂：双重作用、消泡剂：双重作用 第26页，本讲稿共39页 生物反应器的检测和控制对象主要包括三生物反应器的检测和控制
16、对象主要包括三个部分的参数即：个部分的参数即：生物反应进程中的生物反应进程中的物理条件物理条件，如温度、压力、，如温度、压力、搅拌速度等；搅拌速度等；生物反应器进程中的生物反应器进程中的化学条件化学条件，如液相，如液相pHpH、氧气和二氧化碳的浓度等；氧气和二氧化碳的浓度等；生物反应器进程中的生物反应器进程中的生化参数生化参数，如生物体量，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。生物体营养和代谢产物浓度等。第27页，本讲稿共39页检测方法及仪器组成检测方法及仪器组成 一般一般在线检测在线检测，核心仪器：，核心仪器：传感器传感器。离线检测离线检测，从反应器中取样，用仪器分析或，从反应器中取样，用
17、仪器分析或化学分析方法检测。化学分析方法检测。第28页，本讲稿共39页1 1、温度检测：铂电阻温度计、温度检测：铂电阻温度计 2 2、压强检测：隔膜式压力表、压强检测：隔膜式压力表3 3、液位和泡沫高度检测：、液位和泡沫高度检测：液位检测：电容法和压差法液位检测：电容法和压差法 泡沫高度检测：电极探针测定法泡沫高度检测：电极探针测定法4 4、培养基和液体流量测定：流量计、培养基和液体流量测定：流量计5 5、气体流量计：体积和质量流量型、气体流量计：体积和质量流量型6 6、发酵液黏度检测：取样，黏度计检测、发酵液黏度检测：取样，黏度计检测第29页，本讲稿共39页7 7、搅拌转速和搅拌功率：、搅拌
18、转速和搅拌功率：搅拌转速：磁感应式、光感应式、测速发电机搅拌转速：磁感应式、光感应式、测速发电机搅拌功率：测定驱动电动机的电压与电流，或直接测定搅拌功率：测定驱动电动机的电压与电流，或直接测定电机搅拌功率电机搅拌功率8 8、pHpH的测量：玻璃氢电极的测量：玻璃氢电极 9 9、溶氧浓度的检测：溶氧电极法、溶氧浓度的检测：溶氧电极法1010、溶解二氧化碳的检测：二氧化碳测量电、溶解二氧化碳的检测：二氧化碳测量电极极 第30页，本讲稿共39页1111、氧化还原电位测定：复合电极、氧化还原电位测定：复合电极1212、尾气中、尾气中O O2 2含量的分析：顺磁氧分析仪含量的分析：顺磁氧分析仪 尾气中尾
19、气中COCO2 2含量测定：红外含量测定：红外COCO2 2分析仪分析仪 1313、细胞浓度测定：、细胞浓度测定：全细胞浓度：流通式浊度计全细胞浓度：流通式浊度计活细胞浓度：荧光活细胞浓度检测仪活细胞浓度：荧光活细胞浓度检测仪1414、发酵液中营养成分与产物的分析、发酵液中营养成分与产物的分析 用微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器取样，再用用微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器取样，再用HPLCHPLC或或GCGC等仪器或化学方法检测。等仪器或化学方法检测。第31页，本讲稿共39页生物反应器的控制生物反应器的控制 生物反应过程主要参数的控制生物反应过程主要参数的控制1 1、温度的控制、温度的控制小规模的生物
20、反应器：电加热器和外部冷水冷却小规模的生物反应器：电加热器和外部冷水冷却较大的生物反应器：内置换热器较大的生物反应器：内置换热器2 2、溶氧浓度的控制、溶氧浓度的控制 氧气浓度的控制可从四个方面着手：氧气浓度的控制可从四个方面着手：增加搅拌速度，最有效；增加搅拌速度，最有效；增加空气的鼓入速度；增加空气的鼓入速度；增加鼓入气体中氧气的浓度；增加鼓入气体中氧气的浓度；增加反应器内氧气的分压。四种方法常常结合使用增加反应器内氧气的分压。四种方法常常结合使用 第32页，本讲稿共39页第33页，本讲稿共39页第34页，本讲稿共39页3 3、pHpH的控制：向反应器内滴加酸或碱的控制：向反应器内滴加酸或
21、碱4 4、泡沫的控制、泡沫的控制化学消泡：消泡剂化学消泡：消泡剂机械消泡：安装在搅拌轴上的消沫碟片机械消泡：安装在搅拌轴上的消沫碟片第35页，本讲稿共39页第36页，本讲稿共39页5 5、生物体浓度的控制、生物体浓度的控制根据溶氧浓度判断和控制根据溶氧浓度判断和控制：溶氧浓度低于临界值，说明：溶氧浓度低于临界值，说明菌体浓度过高，应补入无菌水或降低营养物质的补充，菌体浓度过高，应补入无菌水或降低营养物质的补充，以降低生物体浓度；反之，增加营养物质的补充，使培以降低生物体浓度；反之，增加营养物质的补充，使培养液中生物体的浓度增加。养液中生物体的浓度增加。根据尾气中氧和二氧化碳浓度来估计和控制根据尾气中氧和二氧化碳浓度来估计和控制：二氧化碳浓：二氧化碳浓度太高或氧气浓度太低，表明生物体浓度太高，需要减度太高或氧气浓度太低，表明生物体浓度太高，需要减少养料的供给，反之增加养料的供给。少养料的供给，反之增加养料的供给。通常两种方法结合使用。通常两种方法结合使用。第37页，本讲稿共39页第38页，本讲稿共39页控制系统控制系统程序控制；程序控制；常规控制与优化控制。常规控制与优化控制。第39页，本讲稿共39页