第三章 生化制药反应器-2006

τ = K (γ )
0 < n <1
•
n
（3）涨塑性流体
• 表达式与拟塑性流体相同 • 但与拟塑性流体相反，随着切变率 但与拟塑性流体相反， 的增大，液体的表观黏度也增大。 的增大，液体的表观黏度也增大。
• 淀粉为培养基主要成分的发酵液。 淀粉为培养基主要成分的发酵液。 为培养基主要成分的发酵液
τ = K (γ ) n
τ = τ 0 + K (γ )
•
n
τ0为屈服应力
其中K为幂定律常数或黏度系数， 其中K为幂定律常数或黏度系数，
n为幂定律指数或流动特性指数。此方程为 为幂定律指数或流动特性指数。 幂定律方程。 幂定律方程。
流体的流变性分类
牛顿型流体
⋅ du τ =µ = µγ dy
牛顿型流体的黏度 在温度恒定时保持不变， 在温度恒定时保持不变， 气体、 气体、低分子的液体或 为牛顿型流体。 溶液为牛顿型流体 溶液为牛顿型流体。一 般说来细菌和酵母 细菌和酵母的培 般说来细菌和酵母的培 养液是牛顿型流体 。
• 具有投资省 无菌性能好,操作环境省 维修简 具有投资省,无菌性能好 操作环境省 无菌性能好 操作环境省,维修简 单不易污染环境等优点 • 固态发酵缺点: 固态发酵缺点 • 固体发酵往往在工程放大中面临热量积累 固体发酵往往在工程放大中面临热量积累 导致温度失控 温度失控问题 导致温度失控问题
固态发酵罐形式
• 转轴式 立式, 卧式 转轴式(立式 卧式) 立式 • 转桶式 卧式) 转桶式(卧式 卧式 • 浅盘发酵
醋酸固态发酵设备
固体发酵应用实例
• 适合于饲料 酶制剂 生物农药等行业 适合于饲料, 酶制剂, • 固体发酵生产酒 味)精 固体发酵生产酒(味 精 • 霉菌固态发酵将秸秆转化为 霉菌固态发酵将秸秆转化为SCP生产秸秆 生产秸秆 饲料
3.2 微生物发酵反应器
• 各类生物反应器简介 • 微生物发酵反应器主体设备——发酵罐 微生物发酵反应器主体设备 发酵罐
生物反应器分类
常见的几类反应器如下： 常见的几类反应器如下： • 机械搅拌式反应器 • 鼓泡反应器 • 气升式反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器
发酵罐图
微生物发酵反应器
• 微生物发酵罐 • 微生物发酵设备 固体发酵和液体发酵； 微生物发酵设备: 固体发酵和液体发酵； • 液体发酵罐 厌气和好气。 液体发酵罐: 厌气和好气。
固体发酵罐
• 固体发酵有许 多液体发酵无 所比拟的优势, 所比拟的优势 如为非均相系 统,有利于特定 有利于特定 培养物的自组 织行为; 织行为; • 液固相接触比 表面积大,一般 表面积大 一般 无液体发酵所 面临的高密度 培养时溶氧水 平不足的问题
当培养液黏度与细胞浓度的关系明确时， 当培养液黏度与细胞浓度的关系明确时， 可以通过测定培养液的黏度来确定细胞浓 度。
高浓度的细胞悬浮液可成为非牛顿型流体。 高浓度的细胞悬浮液可成为非牛顿型流体。 可成为非牛顿型流体
多形汉逊氏酵母培养液的黏度与纯液相 黏度之比与培养液中细胞浓度的关系
当培养液中的颗粒呈球状 或接近球形， 或接近球形，而且其浓度 较低时， 较低时，悬浮液为牛顿型 流体， 流体，其黏度可通过 Einstein公式计算。 公式计算。 公式计算 当培养液黏度与细胞浓度 的关系明确时， 的关系明确时，可以通过 测定培养液的黏度来确定 细胞浓度
•
• 黑曲霉、产黄曲霉、灰色链曲 黑曲霉、产黄曲霉、 霉等丝状菌发酵液。 霉等丝状菌发酵液。
（2）拟塑性（Pseudoplastic）流体 拟塑性（Pseudoplastic）
• 在双对数坐标中一条斜率为 的直线。 在双对数坐标中一条斜率为n的直线。 的直线
• 高分子化合物黄原胶的水溶液 • 许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌 许多丝状菌如青霉、曲霉、 青霉 的培养液 • 一些生产多糖的微生物发酵液 一些生产多糖 多糖的微生物发酵液 • 高浓度的植物细胞、酵母悬浮液 高浓度的植物细胞 酵母悬浮液 植物细胞、
• 发酵开始后 ， 胞外酶 的水解作用很快减 发酵开始后， 胞外酶的水解作用很快减 少了营养物的平均相对分子量， 少了营养物的平均相对分子量 ， 从而迅 速降低了发酵液的黏度。 速降低了发酵液的黏度。
• 流变特性通过影响 流体特性而影响 传质和 流变特性通过影响流体特性 而影响 流体特性 而影响传质和 传热， 从而影响生物化学反应 和细胞的新 生物化学反应和细胞的 传热 ， 从而影响 生物化学反应 和细胞的 新 陈代谢， 陈代谢 ， 即反应器生态系统中的流变学影 响甚至决定其内部的生物反应动力学 生物反应动力学。 响甚至决定其内部的 生物反应动力学 。 因 此 ， 在生物反应器的优化设计中应该对发 酵液的流变学特性引起足够的重视。 酵液的流变学特性引起足够的重视。
• 其他大分子（如蛋白质），特别是存在分 其他大分子（ 蛋白质），特别是存在分 ）， 散的很小的气泡时，也会影响流变学性质， 散的很小的气泡时 也会影响流变学性质， 气泡 但在生物过程中并不常考虑。 但在生物过程中并不常考虑。
• 胞外酶的影响： 胞外酶的影响： • 还有一种很特殊的情况， 初始培养基中 还有一种很特殊的情况 ， 含较高浓度的淀粉 淀粉， 含较高浓度的 淀粉 ， 表现出复杂的流变 学性质。 学性质。
发酵液组成
• • • • 多相 液相： 液相：水 固相： 固相：细胞以及不溶物 气相：好氧发酵（气泡） 气相：好氧发酵（气泡）
• 发酵前： 发酵前： • 一般， 接种前的培养基的流变学性质类 一般 ， 似于水。 随着发酵的进行， 似于水 。 随着发酵的进行 ， 其性质会变 得很复杂而且常常是对发酵过程是不利 的。
（1）宾汉（Bingham）塑性流体 宾汉（Bingham）
• Bingham塑性流体的特点是当 塑性流体的特点是当 剪应力小于屈服应力 时，流体 不发生流动， 不发生流动，只有当剪应力超 过屈服应力时流体才发生流动。 过屈服应力时流体才发生流动。 它的流动曲线是不通过原点的 直线。 直线。
τ = τ 0 +η γ
• 影响流变学性质的因素: 影响流变学性质的因素: • 生物量的增加 生物量的增加 • 代谢产物的积累(胞外多糖、蛋白质) 代谢产物的积累(胞外多糖、蛋白质) 产物的积累
生物量增加对流变学的影响
• 在丝状菌发酵中，生物量的作用很显著， 在丝状菌发酵中，生物量的作用很显著， 菌丝形式生长比以菌球形式生长对流变 形式生长比以菌球 以菌丝形式生长比以菌球形式生长对流变 学性质的影响更大。 学性质的影响更大。
微生物发酵常用的发酵罐
带有机械搅拌的发酵罐——这类发酵罐使 这类发酵罐使 带有机械搅拌的发酵罐 用最为普遍，因其操作弹性大，易于控制， 用最为普遍，因其操作弹性大，易于控制， 所以常称通用型发酵罐 通用型发酵罐。 所以常称通用型发酵罐。 气升式发酵罐——是利用压缩空气为动力 是利用压缩空气为动力 气升式发酵罐 的发酵罐，高径比一般较大 一般较大。 的发酵罐，高径比一般较大。 喷射自吸式发酵罐——是利用泵为动力并 是利用泵为动力并 喷射自吸式发酵罐 液体喷嘴将外界空气吸入罐内的 加上通过液体喷嘴 加上通过液体喷嘴将外界空气吸入罐内的 发酵罐
问题: 问题:
• 举例 举例: • 在什么条件下可从非牛顿流体变为牛顿流 体? • 在什么条件下可从牛顿流体变为非牛顿流 体?
3.1.3丝状真菌培养液的流变学特性 3.1.3丝状真菌培养液的流变学特性
• 一般来说，含有近似球形的微生物体的酵母菌 一般来说， 或菌丝球的培养液，黏度低，近似于牛顿流体 或菌丝球的培养液，黏度低，近似于牛顿流体 特性。 特性。 • 以长丝状生长的菌丝体，培养物的黏度高，存 以长丝状生长的菌丝体，培养物的黏度高， 在屈服应力。 在屈服应力。表观黏度和屈服应力两者都是菌 丝体浓度的函数。 丝体浓度的函数。 • 丝状生长的产黄青霉的屈服应力和菌丝体浓度 2.5次方成比例 次方成比例， 的2.5次方成比例，某些丝状生长的霉菌培养 液的表观黏度近似的与菌丝体浓度的2次方相 液的表观黏度近似的与菌丝体浓度的2 关。
• 在一般培养密度下的细菌和酵母，对流变 在一般培养密度下的细菌和酵母， 细菌 学性质的作用不大。 学性质的作用不大。
胞外代谢产物的影响
• 迄今所研究的胞外产物中，只有多糖对流 迄今所研究的胞外产物中，只有多糖对流 多糖 变学性质的影响较大。 变学性质的影响较大。与丝状菌发酵液不 含多糖的发酵液的流变学性质是由连 同，含多糖的发酵液的流变学性质是由连 续相所确定的 所确定的。 续相所确定的。
第三章 生化制药反应器
3.1 生物发酵培养基的流变学特性 生物发酵培养基的流变学 流变学特性 3.2 微生物发酵反应器 3.3 动植物细胞培养反应器
3.1.1研究发酵液流变学特性的原 3.1.1研究发酵液流变学特性的原 因和意义
• • • • • • 发酵液的流变学性质直接影响以下因素: 发酵液的流变学性质直接影响以下因素: 生物反应器的整体混合行为如传质过程和热传递 生物反应器的整体混合行为如传质过程和热传递 影响微生物反应的周期和产出 影响微生物反应的周期和产出 影响传感器的响应和可靠性 影响传感器的响应和可靠性 对产品分离纯化也起着很大的作用。 纯化也起着很大的作用 对产品分离纯化也起着很大的作用。 敏感地指示发酵状态，可用于过程检测和控制。 敏感地指示发酵状态，可用于过程检测和控制。 指示发酵状态
τ = τ + K c (γ )
1 2
1 2 0
• 1 2
表观黏度的概念
• 非牛顿形流体没有确定的黏度值，通常 非牛顿形流体没有确定的黏度值， 把一定切变速率下剪应力与此剪切率之 比称为表观黏度， 比称为表观黏度，即：
τ µa = γ
• 其中 µ a 为表观黏度，Pa.s 为表观黏度，Pa. • • 在培养过程中，随着细胞的浓度、形态的 在培养过程中，随着细胞的浓度、形态的 浓度 变化、培养液里营养物质的消耗 消耗、 变化、培养液里营养物质的消耗、代谢产 物的积累、以及补料操作等，培养液流动 物的积累、以及补料操作等 模型中的参数会发生明显的变化， 模型中的参数会发生明显的变化，表现出 时变性。 时变性。此外发酵液的流动特性的类型也 可发生变化。 可发生变化。
n >1
•
• 链霉素、四环素、和卡那霉素的发 链霉素、四环素、和卡那霉素的发 酵过程中， 酵过程中，接种后的一段时间内发 酵液呈涨塑性。 酵液呈涨塑性。
（4）凯松流体
• 油墨、融化的巧克力、血液、 油墨、融化的巧克力、血液、 酸酪等具有凯松型流体特性。 酸酪等具有凯松型流体特性。
• 青霉素发酵液为凯松流体，对 青霉素发酵液为凯松流体， 发酵液为凯松流体 丝状菌悬浮液， 丝状菌悬浮液，凯松方程常常 比幂定律方程更为适合。 比幂定律方程更为适合。
• 非牛顿型流体
不服从牛顿黏性定律的流体为非牛顿型 流体，其剪应力与剪切率之比不是常数， 流体，其剪应力与剪切率之比不是常数， 随着剪切率的变化，没有确定的黏度值 黏度值。 随着剪切率的变化，没有确定的黏度值。
非牛顿型流体分类
• 根据非牛顿型流体的剪应力与剪切率的关 又可以分为多种类型。 系，又可以分为多种类型。常见的有以下 几种： 几种： • （1）宾汉（Bingham）塑性流体 宾汉（ ） • （2）拟塑性（Pseudoplastic）流体 ）拟塑性（ ） • （3）涨塑性流体 ） • （4）凯松流体 ）
3.1.4影响培养液流动特性的因素 3.1.4影响培养液流动特性的因素
培养液的组成: 培养液的组成: 液相部分: 液相部分: 各种营养成分, 水、各种营养成分, 细胞的代谢产物 固形物: 固形物: 细胞、 细胞、培养基中的不溶性物质
一般在培养液中的液相部分黏度很低，随着其中 一般在培养液中的液相部分黏度很低， 细胞浓度的增加，培养液的黏度也相应增大。 细胞浓度的增加，培养液的黏度也相应增大。
Fra Baidu bibliotek 3.1.2 流体的流变学分类
• 流变学通常用黏度（对流体的抗性）、流 流变学通常用黏度（对流体的抗性）、流 ）、 动行为（黏度和剪切率的关系） 动行为（黏度和剪切率的关系）和屈服应 产生静液流需要的力）等术语来描述。 力（产生静液流需要的力）等术语来描述。 液体流变性通常是根据一个表达式来分类， 液体流变性通常是根据一个表达式来分类， 的关联式： 即所施的剪应力与产生的剪切率 的关联式：