生物反应器优秀课件
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《生物反应器》PPT课件
第二章 生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器
间歇式生物反应器的基本特征：反应物料一次性加入和取 出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进 行的反应过程是一非稳态过程。
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
生物反应器ppt课件
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
35
发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
第四章生物反应器(2)
生物工程设备课件
（三）酒精发酵罐的计算
1．结构尺寸的确定 2．发酵罐罐数的确定 3．发酵罐冷却面积计算
生物工程设备课件
1．结构尺寸的确定
全容积：
V＝V0/φ， m3
V0-进入发酵罐的发酵液量，m3；
φ -装液系数，0.85~0.90
有锥形底、盖的圆柱形发酵罐的全体积
V D2 H h1 h2
2．主要结构参数 ：反应器高径比H/D 、导流 筒径与罐径比DE/D 、空气喷嘴直径与反应器 直径之比等
3．操作参数 ：液面高度、操作气速 、溶液的 性质 等
生物工程设备课件
气升式反应器的设计
1．液体喷射循环反应器基本设计参数 2．液体喷射循环反应器的循环阻力 3．液体喷射循环反应器中驱动循环的功率和
8-冷却水出口 9-温度计 10-喷淋水收集槽 11-喷淋水出口 12-发酵液及污水排出口
生物工程设备课件
2．换热装置
中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁面进 行膜状冷却；大型发酵罐罐内装有冷却蛇管， 和罐外壁喷洒联合冷却装置
3．洗涤装置
水力喷射洗涤装置
洗涤水入口
图4-48 发酵罐水力洗涤器
生物工程设备课件
生物工程设备课件
生物工程设备课件
生物工程设备课件
山东中德设备有限公司
生物工程设备课件
自动清洗系统（CIP）
生物工程设备课件
CO2 排出口
洗涤液进口 1
2 3 4
2．大直径露天贮酒 罐
为柱体形罐，略带 浅锥形底，内设自 动清洗装置，罐底 部有CO2喷射环外， 部是保温材料，厚 度达100-200毫米。
部封头设有人孔、视镜、安 全阀、压力表、二氧化碳排 出口；采用自动清洗系统 （CIP）
生物反应工程原理(生物反应器)
生物反应器微生物反应器微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。
①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。
应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。
应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。
根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。
酶反应器酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。
其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。
酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。
每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。
目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。
动植物细胞反应器动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。
由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。
生物反应器的特点：①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
生物反应器工程课件-3
3. 固定化酶反应过程动力学
酶固定化原因： 游离酶不易回收，易污染产物溶液； 固定化有益酶热稳定性； 为使用固定床和流化床反应器提供条
固定床 开始流态化 均匀流态化 颗粒飞出
(a)上行流动方式
(b)下行流动方式
分布板 流体 低流速 流体 流体 流体 高流速
图31-17 固定床反应器流动方式
图31-18 固定床到流化床的过渡过程
不同速率表示法及其参数的意义： 固定化作用 空间效应 游离酶 分配效应 本征动力学和参数 扩散作用
固有（本征）速率和参数 rmax c S 0 rp = K m + cS 0 r c ηT × max S 0 有效速率和参数 K m + cS 0 表观速率和动力学参数 rmax c S 0 K m + cS 0
注意：CSi表示颗粒表面底物浓度 在稳定态：
k L a (c S 0 − c Si ) = rmax c Si K m + c Si
方程求解的无因次化——减少变量： c S = c Si c S 0
K = K m cS 0
rmax Damköhler Da = k L ac S 0 丹克莱尔准数：
cS 1 − c S = Da K + cS 解得
应用实例与前景： 固定化青霉素酰化酶生产6－氨基青霉烷酸； 分子酶工程的相关过程工业化 3.1 固定化酶反应动力学特征 Rp(固定化酶本征动力学，传质与扩散速率） 3.1.1 固定化方法 3.1.2 固定化对动力学特性的影响 （1）活性的下降（表观米氏常数增加）； （2）热稳定性的增加
3.1.3 影响固定化酶反应动力学的因素 （1）空间效应 来源：酶分子的构象改变 （2）分配效应 基本概念：微环境、大环境（主体溶液） 分配效应结果：动力学常数相对游离酶而变 c Sg 分配系数 K = c Si （3）扩散效应
酶固定化原因： 游离酶不易回收，易污染产物溶液； 固定化有益酶热稳定性； 为使用固定床和流化床反应器提供条
固定床 开始流态化 均匀流态化 颗粒飞出
(a)上行流动方式
(b)下行流动方式
分布板 流体 低流速 流体 流体 流体 高流速
图31-17 固定床反应器流动方式
图31-18 固定床到流化床的过渡过程
不同速率表示法及其参数的意义： 固定化作用 空间效应 游离酶 分配效应 本征动力学和参数 扩散作用
固有（本征）速率和参数 rmax c S 0 rp = K m + cS 0 r c ηT × max S 0 有效速率和参数 K m + cS 0 表观速率和动力学参数 rmax c S 0 K m + cS 0
注意：CSi表示颗粒表面底物浓度 在稳定态：
k L a (c S 0 − c Si ) = rmax c Si K m + c Si
方程求解的无因次化——减少变量： c S = c Si c S 0
K = K m cS 0
rmax Damköhler Da = k L ac S 0 丹克莱尔准数：
cS 1 − c S = Da K + cS 解得
应用实例与前景： 固定化青霉素酰化酶生产6－氨基青霉烷酸； 分子酶工程的相关过程工业化 3.1 固定化酶反应动力学特征 Rp(固定化酶本征动力学，传质与扩散速率） 3.1.1 固定化方法 3.1.2 固定化对动力学特性的影响 （1）活性的下降（表观米氏常数增加）； （2）热稳定性的增加
3.1.3 影响固定化酶反应动力学的因素 （1）空间效应 来源：酶分子的构象改变 （2）分配效应 基本概念：微环境、大环境（主体溶液） 分配效应结果：动力学常数相对游离酶而变 c Sg 分配系数 K = c Si （3）扩散效应
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。
《生物反应器》课件
生物反应器的设计
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生化反应器ppt课件
rP
max
(1
P Pmax
)[(P P0 ) YP/ X
X0]
代入积分得： 分 反馈回反应器的入口，
t 2）带循环时的 X1，S1，rXr，Dcr，Xr，XF
状态参数与操作变量的关系
max r
6 管式反应器CPFR
Pt
Pmax P0 YP/ X X 0
ln
X t (Pmax X 0 (Pmax
而
力学，，有则 效因子与转化率， 无关，因此
令：
，
2）带循环时的 X1，S1，rXr，Dcr，Xr，XF
，
K 当为单底物无抑制时，且酶无失活，将米氏方程代入L积分得m：
t r
(1 )r L max
ln S0 St
3、微生物反应
• 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时
间，tr tr1 tr2，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期
若微生物的生长符合Monod方程，且YX/S为常数，则代入积分得
输入量＝输出量+反应量+累积量
响反应速率的因素，均能影响反应时间tr,即反应时间只与动
力学有关，而与反应器大小无关。
体积的计算
• 反应器的有效体积VR：是物料所占有的体积，是由物料的处理量决定 的，也就是说是由设计生产能力决定的，若单位时间内物料的处理量
P0 ) Pt )
2）带循环时，因为
，
，所以 ， ，
实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为 理想的微生物生长是菌量相对于时间以指数规律增加，所以可以使流加的物料以时间的指数函数增加，即指数流加。
为什么同一个反应过程，在其他条件均相同的条件下，采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间？
第三章生物反应器设计基础_PPT幻灯片
生成细胞的质X量 Yx/s 消耗基质的质 量 S
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
生物反应器工程课件-5
产物
一、理想间歇反应器——BSTR （batch stirred tank reactor） 特征： 空间位置上不存在混合有关的温度、浓度等参数分布； 这些参数均为时间的单变量函数。
二、 BSTR操作特性方程 进－出＝反应量＋累积量 dc S t r = − ∫c S 0 rS
cS
A
底物转化率： cS 0 − cS XS = cS 0 dX S t r = c S 0 ∫0 rS
XS
tr CS0
CS
CS
间歇反应器的反应时间的图解积分
5.2.2.1 均相酶反应
dX S t r = c S 0 ∫0 cS rmax K m + cS cS 0 1 rmax t r = c S 0 X S + K m ln rmax t r = (c S 0 − c S ) + K m ln 1− XS cS
YX / S c S 0 + c X 0 − c X cX µmax t r = A ln − B ln cX 0 YX / S c S 0
5.2.2.4 最优反应时间 对一简单反应
S→P
单位时间的产物产量为
VR c P FP = tr + tb
⎡ ⎤ dc P − cP ⎥ V R ⎢ (t r + t b ) dt r dFP ⎣ ⎦=0 = dt r (t r + t b )2
XS
c S 0 << K m 反应呈一级反应特征时 ： cS 0 1 rmax t r = K m ln = K m ln 1− XS cS c S 0 >> K m 反应呈零级反应特征时 ： rmax t r = c S 0 X S = c S 0 − c S
《生物反应器》PPT课件 (2)
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（1E-1）
(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量 来描述菌体生长。
(2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最 高达40g/L，因此采用contois方程来关 联比生长速率，即:
（1E-1）
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(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球 直径为50一300µm，球内基质浓度受到 扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替
一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一；
二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比 较复杂。
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14
生物反应过程的核心问题是细胞的生长
细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的 生物化学过程，既包括有各种细胞内的生 化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含 有胞外的物质传递及生化反应。与一般化 学工程不同，这个反应体系的特点是多相、 多组分、非线性的体系。多相指的是体系 内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而 各相状态及物理性质不同，相内的反应及 传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。
发酵液中浓度，即：
s＝S－KixΒιβλιοθήκη (1E一2)精选PPT
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(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制 作用。
(5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限 制性基质。
基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数 学模型。
(1E－3)
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上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由 于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作
上述3种模型在实际过程分析中应用较少， 本章不作详细讨论。
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二、细胞浓度及浓度测量
细菌细胞浓度常用干菌质量浓度（g/L，kg/m3）描述而不 是量浓度（mol/L）。所用测量方法
⑴ 直接测量法
① 细胞干重法 一定体积培养液中收集菌体，洗净 干燥 ，称重。测出的是细胞浓度，不适用于含 不溶性固体成分的培养液。最常用方法。
②显微记数法 显微镜下用细胞计数器测定单位体 积培养液内细胞个数。不能用于多细胞和丝状生 物体记数，细菌培养液也难以使用，并且无法区 别死和活细胞。
⑵ 间接测定法 测定细胞内结构成分的含量。在培养液内含较多 不溶性固体物时采用，细胞成分在细胞中含量基 本衡定才适用。如测DNA。RNA ，蛋白质，或 者代谢产物等。
三、均衡生长模型
均衡生长模型只用一个量描述细胞含量——生物量/浓度 ，单位体积中细胞个数/干重表示。 1、细胞生长模型 细胞生长动力学曲线 测定培养过程中细胞浓度变化得到的细胞生
• ② 活塞流式 反应器内物质沿一定方向流动， 全无反向混合。 实际反应器流动特点界于 这两者之间。
细胞生长的特点与群体描述
① 多相 体系气、液、固相混合存在 ② 多组分 细胞外和细胞内各种营养成分，代谢
产物 ③ 非线性 不能用线性方程准确描述 ④ 群体性 细胞培养和代谢表现为群体性活动，
细胞之间互相影响。104-8个/ml，遵循普遍的生 命活动规律。
③平板记数法 含细胞培养液系列稀释，取一定量 稀释液涂布于平板固体培养基上培养，计算长出 菌落数，在还原成原培养液的细胞浓度。测出的 是活细胞数。可用于细菌、酵母等单细胞微生物 或微生物孢子悬浮液，不适用丝状微物。
④浊度法 用比色法测定，A600-700nm，快速简单， 也不能区别活/死细胞，实践常用。丝状微生物 可先破碎再比色，过高浓度需稀释后再比色。
益最大化 生物反应器是生物学和化工科学的交叉，许
多方法需应用化学工程的知识。如 流体传输与混合；物质传递；热量传递等
第二节 细胞生长代谢动力学
生物反应过程
由生物工程所引出的生产过程
目前最常见的是利用发酵罐培养工程菌，生产目的产 物。
动、植物生物反应器发展迅速
细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
如果细胞物质或细胞数增长一倍的时间间隔是常数， 则微生物是以指数速度增长，可用数学模型来描述。
dX X
dt ：比生长速率 X：细胞浓度(g/L)
dN dt
n N
：比生产速率
Nn：每升细胞数
• 讨论反应动力学常假设生物反应在理想状 态下进行，按流动特点，分两种理想流动 模式：
• ① 全混式 反应器内各点浓度、条件完全一 致
把细胞看成一种溶质（质点），便于用浓度描述，便 于数学描述 可满足大部分微生物过程及过程控制分析的需要
细胞群体模型
非结构模型不考虑细胞内部结构，每个细 胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；
结构模型是指每个细胞之间无差别，细胞 内部有多个组分存在；
一般的微生物生长动力学模型认为细胞为 单一组分，在这种理想状况下建立的动力 学模型称为非结构模型。由于细胞组成是 复杂的，当微生物细胞内部的蛋白质、脂 肪、碳水化合物、核酸、维生素等含量随 环境条件的变化而变化时，建立起的动力 学模型称为结构模型。
长动力学曲线。细胞生长需经历延迟期1 ，细胞增加少，培养基 浓度对其长短影响不大； 指数生长期2，细胞的生长不受限制， 细胞浓度随时间呈指数生长，细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性 最高，实践中常转接处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后 细胞能迅速生长，微生物反应能快速进行；静止期3营养物（限 制性基质）耗尽，有害物大量积累，细胞浓度达最大值；
基于细胞培养体系的复杂性，几乎无法对其进行描 述。从工程化角度描述细胞群体，首先进行简化， 然后建立物理模型，最后建立数学模型。
对细胞群体的简化，必须考虑如下2方面的因素： ⑴ 细胞内部复杂的结构 ⑵ 细胞之间的差别 因此，工程上应用最多的是非结构非离散模型——均衡
生长模型。 该模型不考虑细胞内部的（组分）结构和细胞间的差异，
空气
除菌
CO2等
检测和控制
生物反应器
原材料
灭菌 培养基
冷却水
产物预处理
底物
由图可见，利用生物催化剂进行反应 的生物反应器在生物过程中，具有中心的 作用，是实现生物技术产品产业化的关键 设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应 器中，通过产物的合成，廉价的原料被升 值了。因此，生物反应器的设计和操作， 是生物工程中一个及其重要的问题，它对 产品的成本和质量有很大影响。
自溶期4，环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度下降，细
胞生长速率为负值。4个典型生长阶段。如下图。
细胞生长动力学描述 用比生长速率μ表示，比生 长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比， μ=1dx/xdt，单位是时间的倒数h-1，m-1，s-1。表示 菌体生长能力大小。描述的是单位体积内单位细胞 量细胞单位时间内增加（一倍）的细胞量。培养过 程中如果速率不再变化了，上式的菌体浓度变化为 X=X0exp（μt）X0为 t=0 时的菌体浓度。在对数生 长期，μ是一个常数，由此计算出一段均衡生长过 程中的平均生长速率，
产品提取或液化
产物
副产物
废物
一 般 生 物 反 应 过 程
一、细胞生长的特点、描述方法和分类
细胞生长代谢动力学：定量描述细胞生长代谢过程之速 率及其影响因素的科学。 重要的概念 ⑴ 反应速率：单位时间物质浓度的变化量 dx/dt ⑵ 得率系数：2种物质得失之间的计量比 YP/S＝－dp/ds ⑶ 比速率：单位浓度菌体单位时间内引起物质浓度的变 化 代表菌体活力和能力的大小。 菌体比生长速率： μ＝1dx/Xdt 基质利用： qs＝- 1 ds/Xdt 基质比消耗速率 产物形成： qp＝1dp/Xdt 产物比生成速率
生物反应器优秀课件
第一节 概述
生物反应器: 培养细胞生产所需产品的装置。 自然生物、实验室设备和工业装置 提供细胞生长生活所需良好环境： ①物理环境 温度、pH、 氧浓度等 ②化学环境 营养物、 生长调节物
研究生物反应器的目的：
① 确定所需生物反应器大小和结构 ② 优化已有生物反应器 ③ 更好的了解细胞生长、代谢过程，生产效