【正文】 數(shù)之比。這些傳遞過(guò)程的強(qiáng)度主要由濃度差以及擴(kuò)散 (傳遞 )的面積決定。 ? 此外發(fā)酵動(dòng)力學(xué)又是化學(xué)工程的一個(gè)分支，其中除了化學(xué)反應(yīng)工程要在下面較詳細(xì)的介紹以外 (結(jié)合生物化學(xué)反應(yīng)工程 )，化學(xué)工程還包括下面幾個(gè)重要的內(nèi)容： (1) 流體的輸送及混合。 其核心問(wèn)題是流體之間動(dòng)量的傳遞、機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。 第二節(jié) 細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué) 一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi) 二、均衡生長(zhǎng)模型 三、其它模型 一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi) ? 動(dòng)力學(xué)研究的目的是要定量地描述過(guò)程的速率以及影響過(guò)程速率的諸因素。 (3) 比速率 ? 是單位質(zhì)量的菌體單位時(shí)間引起某物質(zhì)濃度的變化量。而實(shí)際反應(yīng)裝置因其流動(dòng)特點(diǎn)常常介于上述兩種理想流動(dòng)之間，討論及計(jì)算比較復(fù)雜。在進(jìn)行定量的描述之前，首先要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。它是把細(xì)胞分為幾種不同形態(tài)或功能的類(lèi)別。 二、均衡生長(zhǎng)模型 ? 1．細(xì)胞生長(zhǎng)模型 ? 均衡生長(zhǎng)模型只用一個(gè)量來(lái)描述細(xì)胞的量，即生物量或細(xì)胞的濃度。t) (12) 式中 x0為 t=o時(shí)的菌量。對(duì)于比較粘稠的發(fā)酵液，由于菌體對(duì)基質(zhì)的擴(kuò)散阻力， Monod方程有偏差，?？捎?contois式表示： 181。＝ 181。 通常把抗生素或生物毒素看作是非生長(zhǎng)偶聯(lián)型的，也有些產(chǎn)物可以叫混合生長(zhǎng)偶聯(lián)型，即既與生長(zhǎng)有關(guān)也與菌量有關(guān)，產(chǎn)物生成的通用模型是： (1— 10) 式中 α 、 β 是與生長(zhǎng)及菌體有關(guān)的比例系數(shù)，與前面 Monod常數(shù)一樣，它們也受菌株及各種環(huán)境因素的影響，在對(duì)代謝途徑作了一番研究以后可以列出相應(yīng)的表達(dá)式表示 α 、 β 與環(huán)境因素的關(guān)系，從而對(duì)式 (110)求解。 （ 1E1） ? (1) 菌體均衡生長(zhǎng)，用單一參數(shù)生物量來(lái)描述菌體生長(zhǎng)。2 ? 由圖可以看出計(jì)算曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是符合的，用統(tǒng)計(jì)方法分析了 6組試驗(yàn)91個(gè)數(shù)據(jù)，相對(duì)偏差僅 4． 6％，說(shuō)明上述模型是合適的。其缺點(diǎn)是罐內(nèi)的機(jī)械攪拌剪切力容易損傷細(xì)胞，造成某些細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程減產(chǎn)。 以上兩種生物反應(yīng)器是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上用得最多的。連續(xù)培養(yǎng)是不斷地往反應(yīng)器中加入營(yíng)養(yǎng)物，利用罐中的菌體增殖得到產(chǎn)物，并不斷采出。 ? 連續(xù)和半連續(xù)操作利于過(guò)程的優(yōu)化是近代生物化工的方向，但這兩種操作因有物料的流入、采出，因此一定要嚴(yán)格防止雜菌的污染，對(duì)設(shè)備的操作控制要求比較高。 圖 18 帶有多層攪拌槳發(fā)酵罐示意圖 ?由 (1— 12)可以看到，決定發(fā)酵罐總體積的因素是 3個(gè)方面： ?一是生產(chǎn)能力 Py的要求； ?二是一些操作條件的確定； ?三是動(dòng)力學(xué)參數(shù)即發(fā)酵液濃度與發(fā)酵時(shí)間。 ?第二種確定 P、 t關(guān)系的方法是根據(jù)前面介紹的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，再通過(guò)設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于一酵母菌發(fā)酵的實(shí)例如 181。 x0一般為 0，反應(yīng)器內(nèi)有很好的混合，即各點(diǎn)濃度一樣。由 D＝ 181。由式 (1— 21)可以求出當(dāng) x＝ 0時(shí)的D值，即最大的稀釋率 Dmax。 ? 為克服隨著生產(chǎn)能力 P的提高出口菌濃度下降、基質(zhì)濃度有所提高，對(duì)于產(chǎn)物提取及原料利用都是不利的矛盾，可以從設(shè)備及操作方面來(lái)改進(jìn)。對(duì)耗氧多的深層發(fā)酵，因入口與出口氣中含氧量變化大，為測(cè)準(zhǔn) Kla 。 ? 混合度常用示蹤法測(cè)定，其定義為 （ 132） ? 式中 C0為反應(yīng)器內(nèi)示蹤物的初始濃度； ? C ∞為加入一定量示蹤物后平衡濃度 。有人做過(guò)用 ，發(fā)現(xiàn)對(duì)不同菌株有不同的最佳產(chǎn)酸攪拌轉(zhuǎn)速．但菌量隨轉(zhuǎn)速的變化并不隨轉(zhuǎn)速而不同。再研究牛頓型流體通氣時(shí)功耗 Pg再研究非牛頓型流體不通氣及通氣時(shí)的功耗。 (2) 牛頓型流體通氣情況下功耗 Pg ? 經(jīng)驗(yàn)得知，通氣情況下攪拌功率大大下降，而且隨著通氣的提高功耗下降得越多。 ? 其中式 (1— 39)常常被一些作者引用來(lái)討論傳氧的強(qiáng)化。 ? 圖 16為由 10小罐 (n＝ 500r／ min，通氣 1VVM)放大到10000L(即放大 1000倍 )時(shí)按照不同放大準(zhǔn)則得出的結(jié)論按攪拌轉(zhuǎn)速來(lái)作的比較。 ? 這說(shuō)明在放大中選用什么準(zhǔn)則是要積累較多的經(jīng)驗(yàn)的，多參考一些放大的實(shí)例，加上對(duì)所做體系特點(diǎn)的深入分析目前放大的比例已有較大提高，放大 100倍甚至更大，成功的例子已有不少。 80年代以來(lái)國(guó)外有種趨勢(shì)即高功率輸入達(dá) 2— 4KW/m3，低氣量 (VVM是生物化工中常用的空氣計(jì)量單位，含義是每分鐘單位體積發(fā)酵液得到的空氣體積數(shù) ,min1)(m3空氣／ (min氧的傳遞又常限制細(xì)胞的生長(zhǎng)，所以這里我們先研究一下?lián)u瓶培養(yǎng)中的傳氧，再研究發(fā)酵罐中的傳氧。本章僅就比較通用而且簡(jiǎn)單的情況作一介紹。在低速攪拌下，流體呈層流，消耗功率少；在高速攪拌下，流體呈湍流，混合好，消耗功率也增加；層流與湍流中間還有一過(guò)渡流區(qū)，這些在化工原理中有詳細(xì)介紹。 圖 1— 15 混合時(shí)間的測(cè)量及其與混合度的關(guān)系 ? 混合時(shí)間 tm定義為：達(dá)到一定混合度 m所需的時(shí)間。 (2)動(dòng)態(tài)法 ? 直接測(cè)定法計(jì)算簡(jiǎn)單，但所用傳感器較多，尤其尾氣氧分析儀價(jià)格較高精密度有限。 第四節(jié) 生物反應(yīng)器的放大 ? 一、概述 ? 1. 氧的供給 ? 2．罐內(nèi)流體的混合 ? 二、攪拌及傳氧 ? 1. 攪拌 ? 2. 氧的傳遞 ? 三、生物反應(yīng)器的放大原則 一、概述 ? 1. 氧的供給 ? 氧是如何得到供應(yīng)的呢 ?實(shí)驗(yàn)得知，在深層培養(yǎng)中菌體攝取的是溶解的氧，即氣相的氧先溶解在發(fā)酵液中再傳遞給菌體。 ? 對(duì)于一定反應(yīng)體積的恒化器，稀釋率提高表示流入及流出的體積流量增大，但流出的菌濃度又是逐漸下降的．恒化器對(duì)細(xì)胞的生產(chǎn)能力 p為： ? p＝ Dx （ 124） ? P表示單位體積反應(yīng)器單位時(shí)間所產(chǎn)生的細(xì)胞量。 x，它表示單位時(shí)間單位體積流出的菌量與單位體積生成的菌量是相等的，這當(dāng)然是一種穩(wěn)態(tài)操作，而且隨著 D的改變 181。 圖 1－ 11 恒化器的基本操作模式 ? 下面來(lái)分析一下恒化器的設(shè)計(jì)方程及操作中的定量關(guān)系 ? 從前面給出的物料衡算關(guān)系可以作出菌體的平衡關(guān)系： （ 113） ? 式中 V是反應(yīng)器的有效體積； α是菌體死亡速率常數(shù)。＝ 4g/L由式 (1E一 29)及式 (1E一 27)可以求出 x與 S隨時(shí)間變化的曲線(xiàn) (圖 1— 10)。 批式反應(yīng)器中物料衡算的基本關(guān)系式是： 而動(dòng)力學(xué)參數(shù) P和 T的確定有兩種方法： 圖 1— 9 批式培養(yǎng)中的生產(chǎn)率 ? 1－－最大生產(chǎn)率； 2－－總生產(chǎn)率； 3－－產(chǎn)物的生產(chǎn)率