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正文內(nèi)容

生物反應(yīng)器ppt課件(2)(編輯修改稿)

2025-05-28 13:36 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 下部通入,借氣體的升力帶動流體在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動造成良好的混合。反應(yīng)器內(nèi)整體混合均勻,而且因不用機(jī)械攪拌槳,減少了剪切作用對細(xì)胞的傷害。就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式兩大類。 ?由于液體循環(huán)流動速度較快,因此反應(yīng)器內(nèi)供氧及傳熱都較好。但是為造成良好的混合,氣升式反應(yīng)器一般都需要做的較高(從十幾米至幾十米高 ),因而空氣壓縮機(jī)出口的壓力也要高些。如果培養(yǎng)過程中要補(bǔ)入較多的營養(yǎng)物,而料液高度變化又較大時(shí)對反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求也是較高的,顯然外循環(huán)式是很困難的。 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。它們的區(qū)分主要是其結(jié)構(gòu)及混合方式不同。 生物反應(yīng)器還可以按其操作方式分為下面 3類 ? (1) 批式培養(yǎng) 指的是營養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng),直到結(jié)束放出,中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出,與外部沒有物料交換。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搖瓶培養(yǎng)就是這種過程,由此放大到罐操作也比較容易,傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程。這種過程除控溫、通氣以外不用太多控制,操作簡單。但從細(xì)胞所處的化學(xué)環(huán)境來看,則明顯改變,培養(yǎng)初期營養(yǎng)物過多可能抑制生長.培養(yǎng)的中后期可能又因?yàn)闋I養(yǎng)物濃度過低而降低培養(yǎng)效率。從細(xì)胞的增殖來說.初期細(xì)胞濃度低,增長慢,后期細(xì)胞濃度雖高,但營養(yǎng)物濃度過低也長不快,總的設(shè)備生產(chǎn)能力不是很高的。 (2)連續(xù)培養(yǎng) 批式培養(yǎng)是一種間歇的培養(yǎng)過程,每批之間有清洗、準(zhǔn)備時(shí)間,面且每批都是在不斷改變著的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的,效率不高,各批產(chǎn)物的質(zhì)量、濃度也不盡相同,給產(chǎn)物的分離、純化造成一定的困難。連續(xù)培養(yǎng)是不斷地往反應(yīng)器中加入營養(yǎng)物,利用罐中的菌體增殖得到產(chǎn)物,并不斷采出。在良好的控制下,罐內(nèi)的增殖速度可以與采出速度相同而達(dá)到穩(wěn)態(tài),選擇好的狀態(tài)操作可以大大提高生產(chǎn)能力 。 實(shí)際進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)有兩類反應(yīng)器; ?一類是攪拌罐式反應(yīng)器。 因其罐內(nèi)各種物理化學(xué)參數(shù)均一,這種反應(yīng)器又叫恒化器; ?另一種是管式反應(yīng)器。 使用恒化器.罐中可以通氣,操作比較方便。管式反應(yīng)器則不易解決通氣問題,而且形成的污垢不易清洗,因此在生物培養(yǎng)中用得不 多。 ? (3) 半連續(xù)操作 這種方式介乎批式與連續(xù)操作之間席用的一種是在批式培養(yǎng)過程中不斷補(bǔ)入營養(yǎng)物,以解決營養(yǎng)物的抑制及不足問題,這種方式常叫做補(bǔ)料批式或流加過程,在近年生物培養(yǎng)中常常采用這種方式以造成更好的培養(yǎng)環(huán)境,提高設(shè)備效率;另一種是在補(bǔ)料的同時(shí)間斷地采出一定量的發(fā)酵液體產(chǎn)物,延長發(fā)酵培養(yǎng)周期。發(fā)酵周期常常由于菌體的老化而決定結(jié)束。 ? 連續(xù)和半連續(xù)操作利于過程的優(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,對設(shè)備的操作控制要求比較高。 生物反應(yīng)器的計(jì)算中用到的一個(gè)重要的關(guān)系是物料平衡,又叫物料衡算,實(shí)際是物質(zhì)守恒定律在化學(xué)反應(yīng)器中的應(yīng)用。 ?在進(jìn)行衡算時(shí)一定要考慮以一個(gè)對象為核心,其流入該部分的量等于流出的與反應(yīng)消失的及積累量三者之和,即 ? 流入量=流出量十反應(yīng)消失量十積累量 (1- 11) ? 所考慮的對象要求其中是均一的 (濃度、溫度 ),可以是一個(gè)混合很好的整個(gè)設(shè)備,也可以是一個(gè)微小體積又叫體積微元。此外衡算是針對一定的組分,如菌體、營養(yǎng)物中的任一種、產(chǎn)物等我們感興趣的組分,在進(jìn)行衡算中還要注意選定一定的時(shí)間,如整個(gè)發(fā)酵周期或單位時(shí)間等。 ? 流動式反應(yīng)器要考慮其流入及流出,批式反應(yīng)器只有式 (1— 11)的最后兩項(xiàng)。 二 . 批式反應(yīng)器 ?批式反應(yīng)可以用各種反應(yīng)器,其中以機(jī)械攪拌式和氣升式用得最多。本節(jié)只討論機(jī)械攪拌式反應(yīng)器的特點(diǎn)。前面已介紹過它的基本結(jié)構(gòu)部分,圖 18和表 12中給出其主要的結(jié)構(gòu)尺寸。 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; ?三是動力學(xué)參數(shù)即發(fā)酵液濃度與發(fā)酵時(shí)間。其中操作條件主要根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)、體系的特點(diǎn)來確定。而動力學(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 ? 第一種是通常所用的依據(jù)工藝優(yōu)化的方法,即在不同條件下作發(fā)酵產(chǎn)物隨時(shí)間的變化,并優(yōu)化之。對簡單以細(xì)胞量為產(chǎn)物的情況可參見圖1— 9。 ? 由圖可見由 Tl到 P- t曲線切線的斜率為產(chǎn)物的生產(chǎn)率。如發(fā)酵在 Tl結(jié)束可得到最大生產(chǎn)率,即在單位時(shí)間內(nèi)由單位體積的發(fā)酵罐可以得到最高的產(chǎn)量。如發(fā)酵在 T2結(jié)束,雖然可以得到更高一點(diǎn)的產(chǎn)物濃度,但生產(chǎn)率有明顯下降。實(shí)際發(fā)酵周期的選擇還要考慮到基質(zhì)利用率的高低、產(chǎn)物分離的難易等等。 ?第二種確定 P、 t關(guān)系的方法是根據(jù)前面介紹的動力學(xué)關(guān)系,再通過設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。 例:用批式反應(yīng)器培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白,菌體的生長符合 Monod關(guān)系,基質(zhì)只消耗于菌體生長,即其它消耗可以忽略不計(jì)。 批式反應(yīng)器中物料衡算的基本關(guān)系式是: ? 反應(yīng)器中的積累量=-反應(yīng)所消失量 (1E一 23) ? 先對生物量進(jìn)行衡算。作衡算時(shí)要取一時(shí)間間隔,如取一足夠的時(shí)間間隔可以得到 ? ( 1E24) ? 由 Monod關(guān)系得到: ? ( 1E25) ?如果批式反應(yīng)器中有良好的混合,則上述關(guān)系代表了整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度的變化。上述關(guān)系給出了細(xì)胞濃度隨時(shí)間的變化,其變化率與基質(zhì)濃度及細(xì)胞濃度有關(guān),基質(zhì)濃度的變化為: ? ? ( 1E- 26) ?式中 y是基質(zhì)對細(xì)胞的得率 (g基質(zhì)/ g細(xì)胞 )。如在發(fā)酵過程中 y不變,而且 t= o時(shí)x= x。, s= s0則: ? S=S0 – Y(XXO) (1E27) ?代入 1E25式得: ? (1E28) ? (1E一 28)式是包含 x、 t的一階微分方程,它又是可分離變量,積分求解得到: ? (1E29) ?求解時(shí)仍用到前面所給的初始條件,解得(1E一 29)式,給出了 x與 t的關(guān)系。對于一酵母菌發(fā)酵的實(shí)例如 181。= , Ks=, Y= 2g糖/ g菌體, S0= 30g/L, X。= 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 (圖 1— 10)。由圖可見,由于基質(zhì)的消耗,菌量在 12h以后不再增長而且基質(zhì)濃度也幾乎為 0。
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