生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)化學(xué)計(jì)量基礎(chǔ)生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)生物學(xué)基礎(chǔ)細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué)無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)有抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)及代謝的影響傳質(zhì)氣-液傳質(zhì)液體-微生物傳質(zhì)傳熱剪切力問題什么是生物反應(yīng)器？生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理？生物反應(yīng)器的分類？細(xì)胞反應(yīng)過程特征細(xì)胞反應(yīng)過程系：以細(xì)胞為反應(yīng)主體的一類生化反應(yīng)過程。包括微生物反應(yīng)和動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)過程。細(xì)胞反應(yīng)過程主要特性：（1）細(xì)胞是反應(yīng)過程的主體；（2）細(xì)胞反應(yīng)過程的本質(zhì)是復(fù)雜的酶催化反應(yīng)體系；（3）細(xì)胞反應(yīng)與酶催化反應(yīng)也有著明顯的不同：(一)酶催化反應(yīng)為分子水平上的反應(yīng)，酶本身不進(jìn)行再生產(chǎn)；(二)在細(xì)胞反應(yīng)過程中細(xì)胞的形態(tài)、組成、活性都處于動(dòng)態(tài)變化過程。營(yíng)養(yǎng)物（C源、N源、O2、無機(jī)鹽類等）→細(xì)胞+代謝產(chǎn)物（產(chǎn)物、CO2、H2O等）CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpOnNq

(生物量)+YpCHrOsNt

(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2對(duì)化學(xué)方程式進(jìn)行元素衡算，得下列方程組：生物反應(yīng)的質(zhì)量衡算細(xì)胞反應(yīng)的元素衡算：CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpOnNq

(生物量)+YpCHrOsNt

(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2根據(jù)細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度可以列出有效電子平衡方程：還原度：某化合物中每一克碳原子的有效電子當(dāng)量數(shù)?；衔镏腥魏卧氐倪€原度等于該化合物的化合價(jià)。例如：NH3中氮、氫的還原度為:N=3,H=1細(xì)胞反應(yīng)過程的得率系數(shù)對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s對(duì)氧的細(xì)胞得率Yx/o對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/s對(duì)碳的細(xì)胞得率YC基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s與比生長(zhǎng)速率的關(guān)系比生長(zhǎng)速率μ：生長(zhǎng)速度大小的參數(shù)。維持的定義：式中YXS－細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的得率；－最大得率；ms

－維持系數(shù)；μ－比生長(zhǎng)速率。無產(chǎn)物時(shí)，基質(zhì)的線性方程：式中qs－合成單位細(xì)胞的基質(zhì)消耗速率；qp－單位細(xì)胞的產(chǎn)物生產(chǎn)率。有產(chǎn)物時(shí)，基質(zhì)的線性方程：細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)分為幾個(gè)階段：停滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、平衡期和死亡期。圖2.1典型的細(xì)菌生長(zhǎng)曲線在指數(shù)生長(zhǎng)期，細(xì)胞量生長(zhǎng)速度為：細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)速度為：對(duì)式2.7在t0→t，X0→X積分，得：由式2.9，得倍增時(shí)間td：微生物細(xì)胞μmax值較大，倍增時(shí)間約0.5～5h，而動(dòng)物細(xì)胞μmax值小得多，動(dòng)物細(xì)胞的倍增時(shí)間約15～100h，植物細(xì)胞倍增時(shí)間約24～74h。

Monod方程(無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué))：無抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Monod方程是典型的均衡生長(zhǎng)模型，其基本假設(shè)為：(1)細(xì)胞的生長(zhǎng)為均衡式生長(zhǎng)；(2)培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，而其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)；(3)細(xì)胞的生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單的單一反應(yīng)，細(xì)胞得率為一常數(shù)。

Monod方程僅適用于細(xì)胞生長(zhǎng)較慢和細(xì)胞密度較低的環(huán)境下。

式中μ為比生長(zhǎng)速率;μmax為最大比生長(zhǎng)速率;CS為限制性基質(zhì)濃度;KS為飽和常數(shù),當(dāng)μ＝μmax/2時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。有抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué)對(duì)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制，其抑制機(jī)理可假設(shè)為：∴式中細(xì)胞比生長(zhǎng)速率μ為：,而∵∴對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為：對(duì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率為：類型米氏公式細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)無抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制表2.1有無抑制的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)比較產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué)幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速度與細(xì)胞生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系，將代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)分為三種類型：類型Ⅰ(相關(guān)模型)：是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)相關(guān)的過程，產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。屬于此類型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生產(chǎn)等。產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)：Ⅰ圖2.2Gaden類型ⅠⅡⅢ圖2.2Gaden模型分類類型Ⅱ(部分相關(guān)模型)：該類反應(yīng)產(chǎn)物的生成與基質(zhì)消耗僅有間接結(jié)果，產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。屬于此類型的有檸檬酸和氨基酸的生成。類型Ⅲ(非相關(guān)模型)：產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無直接聯(lián)系，產(chǎn)物是二次代謝物。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。Ⅰ環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)及代謝的影響溫度

pH值在適宜的溫度范圍內(nèi)，細(xì)胞凈增長(zhǎng)率方程為：根據(jù)Arrhenius方程，有：所以：圖2.3E.coli生長(zhǎng)速率的Arrhenius圖生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞膜厚：δGδL1傳質(zhì)系數(shù)：kGkL1kL2δL2COZ圖2.4氧從氣泡傳遞到細(xì)胞的示意圖圖2.5氧從氣泡傳遞到細(xì)胞的示意圖生物反應(yīng)體系中的氧傳質(zhì)模型雙膜理論：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞氣-液界面上（2）氧分子由氣相側(cè)通過擴(kuò)散穿過界面。（3）在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進(jìn)行傳遞。（5）擴(kuò)散通過生物細(xì)胞表面到液相滯流層傳遞進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)。氧傳遞方程式體積質(zhì)量傳遞系數(shù)kLa：

質(zhì)量傳遞比速率，在單位濃度差下，單位時(shí)間、單位界面面積所吸收的氣體。該系數(shù)由兩項(xiàng)產(chǎn)生：(1)質(zhì)量傳遞系數(shù)kL，它取決于流體的物理特性和靠近流體表面的流體動(dòng)力學(xué)；(2)通氣反應(yīng)器單位有效體積的氣泡面積a。質(zhì)量傳遞系數(shù)kL：

質(zhì)量傳遞系數(shù)是基質(zhì)（或其他被傳遞的化合物）的質(zhì)量通量Ns與推動(dòng)這一現(xiàn)象的梯度（濃度差）之間的比例因子：氧的傳遞速率：

用kLa的大小衡量發(fā)酵設(shè)備的通氣效率，實(shí)驗(yàn)室用搖瓶，其kLa值約為10～100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其kLa值為200～1000h-1。生物反應(yīng)器的熱量傳遞生物反應(yīng)器的傳熱過程熱量平衡方程：碳源+O2CO2+H2OCO2+H2O+細(xì)胞△HSⅠ完全氧化途徑Ⅱ呼吸途徑Ⅲ細(xì)胞氧化途徑△HC基質(zhì)消耗過程的熱平衡：式中

QE－單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率，J/(m3。s）；QB－單位體積培養(yǎng)基因生化反應(yīng)的放熱速率，J/(m3。s）；QA－單位體積培養(yǎng)基因攪拌造成的放熱速率，J/(m3。s）；QS，QV－分別為單位體積培養(yǎng)基因通氣帶走的顯熱和蒸發(fā)熱速率，J/(m3。s）；QR－單位體積培養(yǎng)基向周圍環(huán)境的散失熱速率，J/(m3。s）；QA－單位體積培養(yǎng)基因攪拌造成的放熱速率，J/(m3。s）；生物反應(yīng)器的剪切力問題正面影響負(fù)面影響