生物工程设备

• 还原度：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细胞： b 4p 2 n 3 q 基质： s 4 m 2 l ( 2 . 2 ) 产物： p 4y 2 s 3 t
间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬 酸和氨基酸的生成。 类型Ⅲ (非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系， 产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代 谢产物的生成。
一。细胞数动力学
• • • • • • • 细胞生长动力学模型 微生物细胞在生长过程中需经历以下 生长阶段：（没有产物抑制和传递抑制） 停滞期 对数生长期 减速期 平衡期 衰退期
细胞数动力学
细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期 和死亡期。
图2.1 典型的细菌生长曲线
在指数生长期，细胞量生长速度为：
2 K C C S S S /K I
• 产物的抑制动力学
几个经验公式：
C max S K I 2 . 15 K C K C S S I P

K C I P e 2 . 16 K C S S
C max S
C P 1 2 . 17 K C C S S P max
细胞反应过程的得率系数
• 对基质的细胞得率Yx/s
生成细胞的质量 x Y x /s ＝ 消耗基质的质量 S
• 对氧的细胞得率Yx/o
生成细胞的质量 x Y ＝ X/O 消耗氧的质量 O
• 对碳的细胞得率YC
x 生成细胞量 细胞含碳量 X X Y ＝ Y C X / S 消耗基质的质量 基质含碳量 S S S
生物反应器设计基础
• 化学计量基础
•
•
生物反应的质量衡算
生物反应过程的得率系数
• 传质
• • 气-液传质 液体-微生物传质
• 生物学基础
• • • • • 细胞数动力学 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响
• 传热
• 剪切力问题
生物反应器设计基础
课程内容
生物工程设备
生 物 反 应 器 设 计 基 础
生 物 反 应 器
检 测 控 制 及 放 大
物 料 处 理 设 备
产 物 分 离 纯 化 设 备
辅 助 系 统 设 备
目的与要求
• 掌握生物反应器的设计基础。 • 掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设 备的设计计算及选型。 • 了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。 • 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设
Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过 量，不影响细胞的生长；
(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。
有抑制的细胞生长动力学
式中YXS－细胞对基质的得率； Y xmax / s －最大得率；m －维持系数； μ－比生长速率。 s
•无产物时，基质的线性方程：
＝ / Y m ( 2 . 5 )
max x / s s
m ax m ax x / s x / s s
•有产物时，基质的线性方程：
＝ / Y / Y m 2 . 6
1 Y b Y p d a qY b tY p
2 . 1 1 2 b nY b sY pc 2 d
m3 a pY c b rY p 2
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
r x dC d t μX 2 . 7 X
细胞数增长速度为：
d N d t μN 2 . 8
对式2.7在t0→t，X0 → X积分，得：
ln( C C ) μt 2 . 9 X X 0
由式2.9，得倍增时间td：
ln 2 ln 2 t d 2 . 10 μ μ max
种子培养
琼脂斜面 摇瓶
接种
种 子 罐 无菌空气
pH调节液
检测控制
培养基原料
菌种提纯
生物反应
培养基配料
蒸汽
锅炉 空气压缩机
空 气 过 滤 器
培养基 配料罐 主 要 发 酵 罐
蒸汽灭菌
连消装置
通气
去菌体分离及后处理
成品
典型的分批发酵工艺流程图
机械搅拌反应器
植物细胞培养器
？
活体生物反应器－转基因牛
Industrial Fermentation Setting
类型Ⅰ(相关模型)：是指产物的生成与细胞的生长相关的
过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、 葡萄糖酸、乳酸的生产等。
CS CX CP
Ⅰ
t
图2.2 Gaden类型Ⅰ
dC X dC / dt X 产物形成动力学： P dt
类型Ⅱ(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有
生物反应的质量衡算
• 细胞反应的元素衡算：
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等）
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：
C : N : O : H :
2 S
C max S
对竞争性抑制，细胞比生长速率为：

C max S
C S K 1 C S S K I
2 .13
对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：

2 .14 C S (K C 1 S S) K I
C m ax S
备问题的能力。
Laboratory process development Shake Flask Experiments
第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的设计要以生物体为中心 需要两方面的知识 化学工程：反应器的传热，传质的性能， 剪切力，凝聚成颗粒现象，通气 生物工程方程：生物体的生长特性和要求， 生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要 求，无菌要求
kC k C m ax x 总 xs ,而
∵
K C C C S XS XS S C C C C C XS XS XS x 总 X 2 C K S I
C C X S S ＝ 2 ∴ C C maxC X 总 K S S S K I
∴
2 . 12 K C C /K S S I
根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：
4 b Y Y s b b p p
p 4 Y b Y a p b 1 s s s
1 b p
基质中传递到氧的有效 电子数的分率； b 进入细胞的有效电子数 分率； p 进入胞外产物中有效电 子数的分率。
• 基质抑制动力学 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：
K I K k ' S XS S XS X S XS X 2
式中
Ks
CX C C S XS C S －饱和常数 K 抑制常数 I CXS C XS
2
细胞比生长速率μ为：
式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。
• • • • •
若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所 产生的CO2和水 同样进气，排气和氮消耗量的测量有助于 确定得率 其他： 根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程 根据ATP的形成与产率相关(生物量直接与 生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系 列关系
• 生化反应的特点：活细胞 • 多营养成分 • 多途径代谢 • 催化剂为蛋白质组分的酶 • 因而质量和能量守恒定律间的关系复杂
生物反应器设计基础
• 三者关系： • 化学计量学是反应器设计的关键之一， 为介质的合理设计提供基本数据 • 质量衡算和化学计量关系可判断过程运 行的好坏，并获得间接测量的数据 • 最后结合热力学关系，可推断出给定系统 的得率
生物反应器设计基础
• • • • • • 生物反应器的分类按目的分： 1。生产细胞 2。细胞的代谢产物 3。酶催化得到的产物 按培养类型分类： 动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发 酵
生物反应器设计基础
• 常用生物反应器： • 1）厌气生物反应器 • 2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气 升式，自吸式 • 3）光照生物反应器 • 4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循 环式，外循环式生物反应器
VmaxCS CI 非竞争性抑制 (Km CS ) 1 K I

m aC x S
CS (KS CS ) 1 K I
反竞争性抑制

VmaxCS CI Km CS K CI I

C max S
微生物细胞μ max值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μ max 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
无抑制的细胞生长动力学
• Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)：
百度文库
C S 2 . 11 max K C S S
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。
生物工程设备
绪论
生物反应器设计基础 生物反应器 检测控制及放大
物料处理设备
产物分离纯化设备
辅助系统设备
课程作用与任务
• 作用
生物工程设备 生物技术的原理 生物技术产业化
• 任务
生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技 术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程 大型化、多样化、连续化和自动化
•
细胞内营养基质的消耗一部分用于生长， 一部分用于产物形成，一部分用于维持生 命活动 • 维持能的具体表现是： • 变形蛋白的变换，保持最佳的胞内 pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循 环及运动所需能量
第二节生物反应器的生物学基础
• 前言： • 生物反应器的设计和优化，必须首先确定生 物量，基质及产物浓度的变化速率，细胞生长， 细胞数分布，产物合成，基质消耗等数据对运行 的预报，控制及系统优化 • 了解环境参数（pH,温度，化学成分等）如何影 响系统的动力学
表2.1 有无抑制的酶促反应动力学和细胞生长动力学比较 类型 米氏公式
C S V m ax K m C S
VmaxCS CI Km 1 K CS I
细胞生长动力学
C S max K S C S
无抑制
竞争性抑制

maxCS
CS KS 1 K CS I
C max S
n
三。产物形成动力学方程
• 产物形成方式： • 1）是能量代谢的结果，如酵母酒精发酵 • 2）能量代谢间接结果：柠檬酸合成 • 3）二次代谢物：青霉素生产 • 4）产物是胞内或胞外蛋白，这属于蛋白合成 领域，可受到诱导和分解代谢抑制调节，如酶的 合成
产物形成动力学
Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将 代谢产物生成动力学分为三种类型：
• 对基质的产物得率Yp/s
生成代谢产物的质量 P Y ＝ P/ S 消耗基质的质量 S
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
r x dC d t μC 2 . 3 X X
•维持的定义：
1 m 1 s ＝ ( 2 . 4 ) max Y Y X /S x /s