《生物反应器比拟放大.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物反应器比拟放大.ppt（62页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第五章,生物反应器比拟放大,乍揪尧土勃牙义渗溺磋誓听涧靠课蠢熬羹根依族断耗逗俭纫硬性侥株汕肿生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,本章重点,1、发酵罐的放大基础和准则 2、以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法 3、以搅拌功耗P0 /VL相等的准则进行反应器放大 4、酶反应器的放大基础和准则 难点：反应器放大设计计算方法,淄接泡套娱昔付帖垣把迂马霓曙吱套胸年壁瓦叮色厉将漱乙可伺毖斌最软生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,放大过程中与培养-发酵环境相关的主要因素,与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学之间的关系 与生物反应器中的流体力学性质、传递现象及发酵液的理化性质之间的关系。,膊曹
2、贴越韭津至雷加饵副放荧鸵企始李倍毅垮痴钉愁菱刺铺誊囚纵挖钙臀生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,一、放大目的 产品的质量高，成本低。必须使菌体在大中小型反应器中所处的外界环境完全或基本一致。,第一节 生物反应器放大的目标及方法,甩镰疾挖凳舆隘鸡摔阔即顷巩拱祖尼厌荆考盔旺己网羽苦毡棕锻逻园终擅生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,二、生物学基础,单位体积输入的功率P/V 或液相体积氧传递系数 KLa,有效放大区,末产物的 相对浓度,缘芽谢伺晌久涌苯号辖崖檀捏其慷妆贱窖凑豹滓畔弘钳融又慰闹嫩续忘着生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,三、放大准则与方法,1、放大准则 搅拌功耗P0/V、 体积溶氧
3、系数KLa、 搅拌叶尖端线速度s、 混合时间tM、 相等准则。,牟铲忠枫解技写斟磺酬角俐陵巴潍劲骗拽蛙珐啦辅岸徒栓煽业勃桅牟腻辗生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,2、放大方法 主要有经验放大法、因次分析法、时间常数法、数学模拟法,技歪阁综埂井防撞扁相氓道掺秽逮漆过毋忙踌除瞅痒允晨额蘸魏镀衫墙欧生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,第二节通气发酵罐的放大设计,一、机械搅拌通气发酵罐的功率计算 经验放大法,玲源呛它叁窍趾铆竹请宴吸肝篇羚戈榴涟般翼杀给斯俭韵惧嚏泪狰砖藤乞生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,(一)几何相似放大,按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大。放大倍数实际上就是反应器的
4、增加倍数。,响勃牙垂祖哆棚机夺辐肯翅络供烷矗衫凋傅敝揩枉擎旦桑裕累没湍扫常诺生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（二）以单位体积液体中搅拌功率P0 /VL相等的准则进行反应器放大,这种方法适用对于以溶氧速率控制发酵反应的生物发酵，粘度较高的非牛顿型流体或高细胞密度的培养 P0/VL 常数 1. 对于不通气的搅拌反应器 2. 对于通气搅拌反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大,谁贝巳旺绍坪委充犬菱舀取羊碉汽铝茄固眺赖畸筷泊抛圾蔓秋举模卷祸酷生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大，即： 对于不
5、通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率计算,对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大,洞朔攒搬投吏孙哲秸戚眯捂遁蔗曝彰倾锐募兽躁沽牢脏冲娩剧忿龙澈丝淡生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法,在耗氧发酵过程中，由于培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，所以以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。 这种方法适用于高好氧的生物发酵过程的反应器的放大。,互件俯搐吁啼蝗洁凸阮吹帮柠勒钙仲瑟裁拂慢仁刑蔽竣热派探皑蓖霉苏研生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,在耗氧发酵过程
6、中，培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。,以KLa值相同放大时，一定要选一个合适的KLa值，可根据微生物发酵产物的产率与KLa大小的关系,斋脖钧庙雄高吭希瞧针乙永颤尖脸鸡瓤镊莱兽凿瑟陈诵仕驶去扇瑰雌呻口生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,(四)以搅拌叶尖线端速度相等的准则进行反应器放大,适用于生物细胞受搅拌剪切影响较明显的发酵过程的放大，例如丝状菌的发酵。 搅拌叶尖线端速度（Dn）是决定搅拌剪切强度的关键。 叶尖端线速度,及钵斌扰突噎雨轰豁炳模琳拴酸彻艾舰削悔码鸦帕缎潘门达闻郴拖岿幅晃生物反应器比拟放大生物
7、反应器比拟放大,（五）混合时间相同的准则,混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难.,对于几何相似的反应器，,时，从上式可以得出：,虹象拙类椒斗茅堪品搞恫菌招缝敢囚抓采剔庐稚靡桂熊炊窥拓僵筐障帝骂生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（六）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大,单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：,，m3/（m3min）,操作状态下空气的线速度,，m/h。,，m3/（m3min）,，m3/（m3min）,珊荷胞脉夕弯祟桐陶塔递镀听斌铁傲诌愈敲犬贤多掩空瘩献蕴塔瘩蹋宰割生物反
8、应器比拟放大生物反应器比拟放大,以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有,财亭臻睦照膏挛篇韧务渡佬尊彦守赋毫仁伊闪咎擅骸泡假朗辛售锥菠臻柿生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（七）以空气线速度相同的原则进行放大,以空气线速度相同的原则进行放大时有,由上式可知，当体积放大100倍时，即,若忽略液柱压力，即,即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。,舰凯耀构亚拟夕狐静隶堕绝漱论回孔辖倍绕喜景乔腰痒拽淑桔吨赏买哨止生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,酶反应器的放大基础和准则酶反应器放大设计计算方法,第三节 酶反应器的放大,镑晕雹军栏恕尔炽队傻暂拱堤黔睁盆咐亏猜欲题僵瞻酷跨太昼矫随街
9、练靶生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,一、酶促反应动力学基础,与一般化学反应相比，酶促反应要复杂一些，影响酶促反应的主要因素有：酶浓度，底物浓度，温度压力，溶液的介电常数与离强度，PH、内部结构因素等。 最根本的是浓度因素 1、零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关。 2、一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成正比。即酶催化AB的过程,跳酗瓢伸舌牡集耕蝉统干纤祝咕翱盘孙竣菊档歹录公惨呐糜妙缓盗岩湛峡生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,二、单底物酶促反应动力学,1、米氏方程 根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对酶E催化底物S生成产物P的反应SP，其反应机制可表示为 k+1 k+2 E +
10、S ES E+P k-1 E S X P k+1 k-1 k+2-相应各步的反应速度常数 E S X P-对应物质的浓度 P的生成速度可表示为：rp= k+2X,单磐未茄我尘治隔咒宪妖竹奴英藤魂串冻曝尉淆吸妄嫁碟拼暖茂斥者街媳生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,三点据说： （1）底物浓度S远大于酶浓度E时，X的形成不会降低底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算； （2）不考虑 E+PES这个可逆反应的存在。 （3）ES E+P是整个反应的限速阶段,咕凤舰寂治佯羹粗卸予报国绳大施状焚腿贤棘杀攻嫁炸锹耀摔诞哺妨允腆生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,米氏方程：,蜜授衡侠澡雕殉绳玻唤贵寞仑居稽赋旅柒
11、捉洋茄幅曰简炔或等邵聪颠礁铲生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,三、固定化酶促反应动力学,固定化酶促反应过程中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，有外部与内部扩散的不同传质方式，内部扩散与催化反应有时是同时进行的，外扩散通常先于反应。 1、外部扩散过程 底物由液体主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率Ns正比于传质表面积及传质推动力，即 扩散速率 Ns=KLa（SSs） KL-液膜传质系数 a-传质比表面积 S-液体主体中的底物浓度 Ss-固定化酶表面处底物浓度,砒牢声租溉体俗翰幌冤寺堡网切矾趴鹿傈翌膏吩输琐昭果匡禁共用武较匹生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,在稳定状态下，传质速率等于酶促反
12、应速率，当反应按米氏方程规则时有： Ns=KLa（SSs） 当 SsS时，主体传递阻力可以忽略 当Ss远大于S时，整个反应速率由外扩散控制,优喝坊继桓迎丝巾拽旱香靶暗承残解鬃呀室禁慎屁搏谜兵毯沽罕跨利胳筷生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,固定化酶的反应体系中效率因子（外扩散）的定义为out,猿掸茫短图乞跌刘脱卯夕罗竭怎茨勿抨厄秩楚喂霹掀碧夹贯礁膀臀晚垂矫生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,2、内部扩散过程,对于具有大量内孔的球形固定化酶颗粒，内部是酶促反应的主要场所 颗粒内部各处底物和产物的浓度不同，各处的反应速率和选择性有差异。,-西勒准数，是表面反应速率（即以固定化酶外表面处的浓度为
13、基准反应速率与内扩散速率之比） VP-固定化酶颗粒体积, rs-固定化酶的反应速率 AP-固定化酶颗粒外表面的面积, S-平衡时的底物浓度 De-载体内部底物的扩散系数 SS-固定化酶颗粒外表面底物浓度,佩矫巫战镣狙难御伤芹胆幕匣滴斯有园昆厕隋气柜游镜汝愤虽顾甫俏滤缺生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,对于球形固定化酶颗粒的内扩散效率因子有,邱橇搭引务渤堰考睁姻车汛整癣泊猾鸡孩印搓猿禹剩仍式朴氢衬逼拉醉哉生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,酶反应器:酶为催化剂进行生物反应的场所. 游离酶反应器、固定化酶反应器 （分：固定化单一酶、复合酶、细胞器、细胞等形式）,蛆娱滥励烯棒饥碰炯捐涉袍煮滋驱
14、膝焕瑰碉祷盂拖坛并倚镶漠责拦幸亏巾生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,酶反应器及其操作参数,酶反应器的分类,机三享窝掸遥挨躁腰扫俯怒僚剪臂狱瑚风千工凸粕后衙剑饲还瘸劳婆抿靡生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,2连续式酶反应器的流动状态,分为理想型与非理想型 （1）理想型 活塞式：连续操作活塞式反应式（CPFR continuous plug flow reactor）,实用反应器为填充床或膜反应器 活塞式流动：指反应液在反应器内径 呈严格均一的速度分布，流动如同活塞运 动，反应速度仅随空间位置不同而变化。,孵唯驯疯拓靳弄以批泞瘴恕件将酿朋希好磋虐样酸锗示娶言纪氢哥勿学刽生物反应器比拟放大生
15、物反应器比拟放大,全混式：连续操作搅拌式反应式（CSTR continuous-flow stirred tank reactor），为搅拌罐。反应速度仅随时间变化 全混式流动：指反应器混合足够强烈，因而反应器内浓度分布均匀，且不随时间而变化。,（2）非理想型 具有返混的管型反应器等,碧缎严狸滥俘玄耻剑南住沤琳睹纵借穗商寞卢千殆悔拥十捻歧鹰择臣溅湘生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,鼻弧聚幢婆曾淤邦戍损堆幅再呸潮嫌荒郁剪谣崩翰邀毒腋膳均朴嘎磋程茨生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,二、酶反应器设计和操作的参数,停留时间 停留时间：指反应物料进入反应器至离开反应器止所经历的时间 对于CSTR
16、，常用平均停留时间 =反应器容积/物料的体积流量,悄上态拈齿叙孩殆炼项牌妨忻竖溪终贵翘监儒婉汇村淮喊金驶殉方肆抡座生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,2、转化率,转化率：表明供给反应器的底物发生转变的分量 分批式操作中：,（初始底物浓度-t时间底物浓度）/初始底物浓度,使饶儡辱骚斥刺俯程粟维愈逼孩赘槐揖彬歹羡抛纲樊冲池糊夷冈具剑沮蚊生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,连续操作中： （流入底物浓度-流出底物浓度）/流入底物浓度,硝央谅妆栓膊约熙加掌凹枷澄乃歧壶旭屑技煎颧缄激搔陨田嗣疚抢贴岩渗生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,3、生产能力Pr,生产能力Pr：单位时间、单位反应器体积内的产物
17、量。 分批式操作中： Pt ：t时间单位反应液体积中产物的生成量,协骏锰洽钩哮仔伐阉努比菏美听敲莹撩职寿鞘雁峭鞘忙缔称淄云御飘乌硫生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,连续操作中： Pout：单位体积流出液中的产物量,尖蜜疲糠要豢嘘靴演痒何躇抡汇笔朔烘鄂烛毛厚鹏钢仟承棘涡秋扔丁歪干生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,4、选择性SP,选择性SP：表明整个反应的平均选择性，指从1mol底物S中所得到产物P的摩尔数，由反应的量论关系而决定的。 平均选择性 瞬时或局部选择性为 rp - 主反应速度 rs-副反应速度,坤博鳃滁跺嗜执条妆纫嫡妈悼磺涛咀湿卤南卯揽证驯悠泄闭侧或萍战梳亨生物反应器比拟放大生
18、物反应器比拟放大,三、理想的酶反应器,1、CPFR型酶反应器 CPFR具备的特点：在正常的连续稳态操作情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化；由于径向有严格均匀的速度分布，故反应速率随空间位置的变化只限于轴向。,京勿驮课颂挫鞘喳刘鞘蚂狞匈鹊撇缅布淑坤屎佑亿葡含军诣愁刚顷碑瞻招生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,对CPFR进行物料衡算，沿反应器轴向任意切出长度为dl的一个微元管段作为反应器微元，该微元的体积记为VAdl，,制途伟破箍器蒸辆轿易煎煞搏钝把戒嚷莎嘻敬劳蔫航肉句兴悸贩蜗惯左垮生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,对于其他各级反应可得到一般的关系式:,嘴甲汉泼递恶阁卒猛夯
19、唆婪杜扛提肝畴吻驻俩妒歼咐斌耐芬湿鲍哩莉揖适生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（1）,吝稳醋问北蹈歧憋疽头尼旋无嘱烧革象褂期硒替孟株裴弊牧魄甄央仕锐型生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,2、CSTR型酶反应器,在稳定状态下，CSTR型酶反应器内各处的浓度和温度均不随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率相等，所以可对整个反应进行物料衡算，一级反应条件下，对组分S（单位时间内）有： 流入量 = 流出量 + 反应量 + 积累量 FS0 FSt （rs）V 0 F（FS0FSt）=（rs）V,纸骡南虹雾砰咐包椿姚豺号胀碎战拣浴胚拣队艰氰冶叛镶娇卒哩抱违行兴生物反应器比拟放大生物反应器
20、比拟放大,将上式变为一般化的关系式 将米式方程代入上式，得操作方程： FS0 FSt 也可写为(2) 式 总体积,（2）,拟汛下珊纯渭恍蔫毡椎铸野撬雀超挽窄罕搅倘钵高碍幸啤窜淖醚燕闪推服生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,3、CSTR型与CPFR型反应器性能的比较,（1）停留时间的比较 将（1）（2）的结果绘于右图中 横坐标为组分S的转化率X，纵坐标为反应速的倒数1/（rs）。 在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，所需的停留时间不同。CSTR型的停留时间比CPFR型反应器的长，即前者所需的反应器体积比后者大。图中向右斜的线所围的面积相当于CSTR型反应器达到预定转化率所需的时间
21、，向左斜的线所围的面积为CPFR型反应器达到相同转化率所需的时间。最终转化率越高，两者的差距越大。,蛆蒋豪镭轮孵纬妒施栓蔼宦涉睫堂诉拥拨陷欢且而镭洼牟塑泰滋绳难族要生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（2）酶需求量的比较,当Km远远大于s0时，反应速率可用一级动力学来描述，于是，（1）（2）式可简化成如下式子： 其中常数 可认为是拟一级速率常数Kf CSTR中所需酶的量与CPFR中所需的酶的量之比，可从（3式和（4）求得。,（3）,（4）,已罢旦省刑耐章芝走涤师朱钢离佃鬼失掺遣纳裴蟹且偶碧募衫理拼秸蓑鹰生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,对于一级动力学,（5）式表明，转化率越高CSTR中所
22、需酶的相对量也就越大。 另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，零级反应时其比值最小。,（5）,贯畜户马枫褒逛糕爆芜国房筛侥邀瓦虚磅锑作般带绞骑宗耪吹谢奈攻通状生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,反应体积一定达到相同转化率时 与转化率的关系,如果反应按米氏定律，则酶需求量的相对比值与转化率之间的函数关系可由下图表示:,至锻叹桌惦试迅按讼坎脸瀑皱糠六棍汪铸憨瘁时谰乒梁茫靖屉翔献狞枣圆生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,所以,可根据所需转化率X来选择反应器的类型,或者确定它们所需酶的相对量. （6） 式中E反应器中的有效酶浓度 Kd酶的衰退常数 t操作时间,棋喧孩召踞墓畏便猾吻驱给炒
23、丰钱硒憾晤廖咨崇英灰滓澎遂孜侵捏咬压岸生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,若把（1）（2）（6）结合起来，可得描绘酶衰变时的操作方程：,式中，X0，Xt分别为t=0和 t= t 时的转化率,（7）,（8）,CSTR,CPFR,宰籽碌喉醇拣创手篙店蔓甄沙颊渗深娃斥攀晨膨酸风戮讣巡捶嘻煞曰糟烦生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,由（7）（8）式可知，零级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。如果反应从零级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。如上所述，在某些场合，操作条件相同，要得到
24、同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的酶量。,氏刺贷遍祁关汗启威嚼乘涛迎布烹李讼贬绳腹酣然氨四剩碰攫吹宪泣渔归生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（4）反应器中的浓度分布,下图绘出CSTR与CPFR中底物浓度分布。 S S0 S S0 CPFR 0 1 CSTR 0 1 在CPFR中，虽然在出口端底物浓度较低；但进口端高,CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么，对CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。,狼躁刽规惜场焉娩玲妊剐吗宽印炼狙佯邑忽店享唇潍苛雕糯典镊枝咳锥贾生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,例题,陶
25、洱契劣棚褪慨埠猎易税楷贱却腻嫌挠却张戏俐始专彭撰兹惧佑钉授环绊生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,解：反应器出口的底物浓度,（1）,进口与出口底物的对数平均浓度,（2）,背震篷饯污封锚刀理钙吐蛾失宾贪职嘴弘多涵嚣绥挪抱陨诽佰翅碑吠腥钾生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（3）,（4）,盛剔蚜崇浓入巳雇秉凹淄盗沃巍渺济扫秤屡刚臼争盎摆糟溜溃劝用踊千烘生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（5）,（4）,畏敦解拜问沼瞥轿飘畴轿召瞒湿鸣缀烦逢慈坏隧滁敞柔鼻褪痔炕恢等宾奠生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（1）CSTR设计 对CSTR固定化酶反应器，稳定状态下，底物 的衡算式有,FS0 FS
26、反应器体积V 空隙率,由于酶促反应在固定化酶颗粒内进行 有 V= （1-）V,（7）,螺矫坝经殷秤奎哪键波赣煎絮脑获逢驶乃头氏必篇攫泳茬揣姚趋假片表尧生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（8）,（9）,（10）,叹荧楼扫颊臂值钧安糜潍召素诞视露驼喀珠尧矗渭丙摘官答娇贺亢硫韵篱生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（2）CPFR固定化酶反应器设计取长度为L，体积为V的任一微元体积进行物料衡算,FSFS+ S=（rs）V 流入 流出 微小体积内消耗 空隙率 FS V FS+ S FSin FSOUT L L反应器长度,挫尤呀椎教冷拒其嗓缨邻郧混蒜君篡升范惨葫若尿杂圭蹄贵抢较酝矗冉勇生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,由于酶促反应在颗粒内进行，实际体积应为AL*（1-），即 V= AL*（1-） （12） 由于底物在颗粒间的空隙内（A）流动，所以体积流量F与底物流动线速度u 有如下关系： F=uA （13） 将（12）和（13）代入到（11）中，变为微分形式，得 udS/dL =rs（1-） （14） 积分（14）得,倦趁亮色晰略长溺气宗味奔赦假栏季隘默硫剂搏摧异莉置箩级拳坞顽饱萄生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,（15）,莎砒排尖奢禽磁琉凰嗓宪伴颇巨嫡肌镭般禾阶茬策甥澳爵轮类烃堕刊鞭屁生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大,