生物工程设备介绍.ppt

Industrial Fermentation Setting 第一章 生物反应器设计基础 生物反应器的设计要以生物体为中心 需要两方面的知识 化学工程：反应器的传热，传质的性能，剪切力，凝聚成颗粒现象，通气 生物工程方程：生物体的生长特性和要求，生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要求，无菌要求 生物反应器的分类按目的分： 1。生产细胞 2。细胞的代谢产物 3。酶催化得到的产物 按培养类型分类： 动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发酵 生物反应器设计基础 常用生物反应器： 1）厌气生物反应器 2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气升式，自吸式 3）光照生物反应器 4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循环式，外循环式生物反应器 生化反应的特点：活细胞 多营养成分 多途径代谢 催化剂为蛋白质组分的酶 因而质量和能量守恒定律间的关系复杂 三者关系： 化学计量学是反应器设计的关键之一， 为介质的合理设计提供基本数据 质量衡算和化学计量关系可判断过程运行的好坏，并获得间接测量的数据 最后结合热力学关系，可推断出给定系统的得率 若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所产生的CO2和水 同样进气，排气和氮消耗量的测量有助于确定得率 其他： 根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程 根据ATP的形成与产率相关(生物量直接与生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系列关系 细胞内营养基质的消耗一部分用于生长，一部分用于产物形成，一部分用于维持生命活动 维持能的具体表现是： 变形蛋白的变换，保持最佳的胞内pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循环及运动所需能量 第二节生物反应器的生物学基础 前言： 生物反应器的设计和优化，必须首先确定生物量，基质及产物浓度的变化速率，细胞生长，细胞数分布，产物合成，基质消耗等数据对运行的预报，控制及系统优化 了解环境参数（pH,温度，化学成分等）如何影响系统的动力学 一。细胞数动力学 细胞生长动力学模型 微生物细胞在生长过程中需经历以下生长阶段：（没有产物抑制和传递抑制） 停滞期 对数生长期 减速期 平衡期 衰退期 三。产物形成动力学方程 产物形成方式： 1）是能量代谢的结果，如酵母酒精发酵 2）能量代谢间接结果：柠檬酸合成 3）二次代谢物：青霉素生产 4）产物是胞内或胞外蛋白，这属于蛋白合成领域，可受到诱导和分解代谢抑制调节，如酶的合成 存在产物抑制作用，生长速率公式可表示为： Rx---反应速率 K—常数 积分： 对于丝状微生物如霉菌等，在悬浮培养时常形成微生物小球，小球内部生长的细胞受到扩散的抑制 它的生长模型常包括大颗粒（类似包埋或凝胶固定化细胞）中颗粒的同时扩散和营养消耗 其次,丝状细胞还可在潮湿的固体表面生长，因而生长过程复杂，包括生长动力学，营养的扩散和有毒的代谢副产物 二。生长动力学方程 1。Monod方程 生物生长过程的基质传递速率： 对于球形细胞，细胞的面积/体积比为（6/dc），单位反应体积的细胞面积（Ac/V）为： 形成球形细胞不同，可将基质传递速率方程改为： 根据生物量对基质得率的定义，受质量传递控制的过程速率为： 高基质浓度时，uhm对反应速率的影响可以忽略,u=umax，但低浓度时，uhm可成为速率控制因素 一般情况下存在以下公式： 假设细胞壁上的基质浓度SSc，则上式可变为相当于monod公式： 在基质限制的范围内,uhmumax，此时基质浓度为： 2。其他生长动力学方程 Monod方程式只描述生长慢，细胞浓度低时基质限制生长的生长速率。 高细胞浓度，有毒代谢产物时方程式需做改变 Blackman：简单的将Ks加倍，取消monod方程中给出的指数生长和减数生长间的平滑转变： Blackman方程： Tessier方程 Moser方程： Contois方程： 它适合于比生长速率随细胞质量增加而减少时的高密度培养方程 3。多基质时的生长动力学方程 此时也是其中一种被作为主要的能源或碳源，只有当这种基质被耗尽时，另一种基质消耗所需要的酶