生物反應(yīng)器ppt課件(2)-wenkub.com
2025-04-28 13:36 本頁面
【正文】 相信隨著對生物反應(yīng)器知識的進一步積累，不斷進行跨學(xué)科的合作，生物反應(yīng)器會得到更快的發(fā)展。 ? 要說明的是以上各因素的考慮各集中在一個側(cè)重點，得出的結(jié)論往往有較大差異。m3發(fā)酵液 ))， 三、生物反應(yīng)器的放大原則 ? 生物反應(yīng)器的類型很多，所適用的體系也各異，因此生物反應(yīng)器的放大是比較復(fù)雜的。下面只介紹幾個文獻上常引用的關(guān)聯(lián)式。 (1) 搖瓶培養(yǎng)中的傳氧 ? 氧的傳遞除受流體物性的影響外，主要受搖動頻率 (r／ min)、裝料體積及有無檔板的影響，表 I一 5給出用亞硫酸鈉溶液測得的傳氧系數(shù)、供氧速率 (OTR)與各因素的關(guān)系。還要說明的是對深罐有多層攪拌槳的情況，只要各層槳葉之間的距離符合前面的比例；總的功耗與槳葉層數(shù)成正比。 ? 只要使用同一單位制數(shù)據(jù)，上面兩準(zhǔn)數(shù)均為無因次數(shù)。研究攪拌功率往往從最簡單的情況開始：先研究牛頓型流體不通氣時功耗 P。 ? 決定攪拌功率的除了攪拌槳轉(zhuǎn)速與直徑外還有兩個重要的因素，一是流體的流動與性質(zhì)、一是通氣與否。 ? 除了反應(yīng)器內(nèi)整體的混合外，局部的微觀混合也很重要，微觀混合影響菌體的形態(tài)和活力。具體測量混合時間示意如圖 1一 l 5。 ? 流體混合的好壞常用 混合度 和 混合時間 兩個參數(shù)衡量。在實驗室可用動態(tài)法來測，只需一只溶氧電極就可以了。在簡化條件下忽略入口及出口間流量、溫度變化 ,只用溶氧電極及尾氧分析儀測出發(fā)酵液中溶氧值及尾氣中氧濃度，并測出氣體體積流量及發(fā)酵液體積就可推算出傳氧系數(shù)。根據(jù)化工原理得知氧從氣泡傳給發(fā)酵液的速率： ?128 常用 Kla的測定方法有直接測定法、動態(tài)法、亞硫酸鹽法等。由式 (1— 14)也可以通過實驗來測細(xì)胞培養(yǎng)的比生長速率的變化規(guī)律。因 D與 x是相反變化的有制約的因素，把式 (1— 21)與 (1— 24)結(jié)合得到它們對生產(chǎn)能力的影響： ? (1— 25) ?把式 (1— 25)對 D求導(dǎo)數(shù)，取極值，得到達到最大生產(chǎn)能力時的稀釋率。m迅速提 ? 高，相應(yīng)的出口菌濃度 x則開始線性下降，后來迅速下降到 0。是可以改變的，同時相應(yīng)的出口菌體濃度及殘余基質(zhì)濃度也是變化的、它們的變化取決于比生長速率與基質(zhì)濃度及菌體濃度的關(guān)系。這樣則 (1— 17)式簡化可得到： ? (1— 18) ? 與 (1— 16)式結(jié)合得到 ? x=Yx/s(S0S) (1— 19) ?由式 (1一 16)和 (1一 19)可知，恒化器的操作參數(shù) D是可以改變的，只要與菌體的比生長速率相同即可。式中各項自左到右分別為菌體流入速率、流出速率、增長速率、死亡速率、積累速率。流入物流中基質(zhì)濃度為 S0，菌體濃度為 x0。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。 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。 ? 反應(yīng)器中的積累量＝－反應(yīng)所消失量 (1E一 23) ? 先對生物量進行衡算。實際發(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。對簡單以細(xì)胞量為產(chǎn)物的情況可參見圖1— 9。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。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，在進行衡算中還要注意選定一定的時間，如整個發(fā)酵周期或單位時間等。發(fā)酵周期常常由于菌體的老化而決定結(jié)束。 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。 (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。實驗室內(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。如果培養(yǎng)過程中要補入較多的營養(yǎng)物，而料液高度變化又較大時對反應(yīng)器設(shè)計要求也是較高的，顯然外循環(huán)式是很困難的。反應(yīng)器內(nèi)整體混合均勻，而且因不用機械攪拌槳，減少了剪切作用對細(xì)胞的傷害。青霉素的發(fā)酵是一個好氧的深層培養(yǎng)過程，該設(shè)備可以作為好氧生物反應(yīng)器的一個典型代表，其主要組成部分為： ?這種發(fā)酵罐根據(jù)其特點叫做機械攪拌罐，有人也叫它常規(guī)發(fā)酵罐，是目前使用最多的一種，適用性好、適應(yīng)性強，從小型到中型、到大型的細(xì)胞培養(yǎng)過程都可以用，放大容易。離散模型和結(jié)構(gòu)模型解決了這些困難。用多批實驗數(shù)據(jù)采用非線性回歸方法得到上述數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)值為 ： 1。 ? (5) 在合適的條件下氮源、溶氧均不是限制性基質(zhì)。為了研究菌體的生長、前體的消耗、產(chǎn)物的生成、基質(zhì)的消耗，為過程的控制提供信息，擬采用盡量簡化的模型，通過代謝曲線的分析及菌體形態(tài)的觀察提出如下的假設(shè)。已知初始條件即可以應(yīng)用合適的數(shù)學(xué)方法對過程求解及分析。 ? 至于具體代謝產(chǎn)物究竟是哪種類型的還要從代謝動力學(xué)作深入的分析。mS/(xKx＋ S) (15) 3 ? 對于基質(zhì)抑制的情況 Andrews式 (1— 6) ? 對于產(chǎn)物抑制的情況 Aiba式 (1— 7) ? 對于限制底物多于一種的情況 (1— 8) 2．基質(zhì)消耗的模型 ? 基質(zhì)包括細(xì)胞生長所需各種營養(yǎng)成分，其消耗主要有 3個方面： ? 一是細(xì)胞的生長，合成新的細(xì)胞； ? 二是細(xì)胞維持生命要消耗能源物質(zhì)； ? 三是合成次級代謝產(chǎn)物。 181。 對于高密度培養(yǎng)，特別是絲狀真菌培養(yǎng)過程，應(yīng)用上式常得到滿意的結(jié)果。的關(guān)系都得到了滿意的結(jié)果。＝ 181。 ? 如在一段培養(yǎng)過程中比生長速率不變，則(11)式積分得到菌量的變化為： X=x0exp(181。它的定義是： (11) 式中 x為細(xì)胞濃度 t為時間。對于相當(dāng)多的微生物過程分析，特別是過程控制來說，均衡生長模型是可以滿足要求的。 ? 圖 11右下角的模型描述的是細(xì)胞培養(yǎng)的 實際情況 ，但在求解及分析中也是繁雜的，因此應(yīng)用較少。 ? 圖 11中左下角的模型是離散型非結(jié)構(gòu)模型。 ? 圖 1－ 1右上角的模型是非離散的結(jié)構(gòu)模型，文獻上簡稱結(jié)構(gòu)模型。 ? 因此，要對這樣一個復(fù)雜的體系進行精確的描述幾乎是不可能的，而且為了工程的目的也不必要過分細(xì)致。多相指的是體系內(nèi)常含有氣相、液相以及菌體 (固 )相，而各相狀態(tài)及物理性質(zhì)不同，相
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