1、Chapter1 Chapter1 生物反应器设计基础生物反应器设计基础 生物反应器是环保工程设备中重要的设备之一，它主要是用于微生物细胞的增殖或为生化反应提供适宜的生长环境的一类设备。生物反应器中的物质、能量和热量转换与反应器的结构和内部装置密切相关，换句话说，生物反应器的结构对生物反应的产品质量、收率(转化率)和能耗起到关键作用。在进行设计时需要考虑到反应器中的传质、传热、pH和温度等一系列因素，同时还需要考虑好氧、缺氧或者厌氧等条件。生物体时活体细菌，整个过程受到剪切力的影响，也可能发生凝聚成为颗粒，或者受到气体的影响。总之，在设计生物反应器的时候要以生物活性控制在最佳条件，降低总费用。
2、Chapter1 Chapter1 生物反应器设计基础生物反应器设计基础1.1 生物反应器化学计量基础学1.2 生物反应器的生物学基础1.3 生物反应器的质量传递1.4 生物反应器的热量传递1.5 生物反应器的剪切力问题1.1 1.1 生物反应器化学计量基础学生物反应器化学计量基础学 反应器内发生的反应过程的产率可根据质量守恒定律和能量守恒定律推导的公式进行计算，前者为化学计量法，后者为热力学法。一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质和反应程度。化学平衡式可表示为：这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的产率，氮和氧的需求量分
3、别用系数a和b表示，所产生的水和二氧化碳系数分别为c和d。系数具体推导过程见课本。22trpqnpb23lmdc产物）(（生物量）baCOOHHOCHYNOCHYONHOCHS1.1 1.1 生物反应器化学计量基础学生物反应器化学计量基础学 大量的证据显示，相对基质的得率与生长速率相关，这种关系与蛋白的变换、保持最佳的胞内pH、抗衡通过细胞膜的泄露的主动运输、无用的循环及运动所需要的能量相关。一般来说生成能量的基质部分一些与生长相关，一些与生长无关，其主要是取决于当前系统中存在的生物量大小。其始终处于一种平衡的状态。基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要工具。在设计的过程中速率是进行人
4、为预测的，而培养的过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。amaxxsxsmY1Y1 amaxpmaxsmYqYqxsxs1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 一、细胞学动力学 细 胞 在 分批间歇式培养的过程中，其生长过程主要分为了四个阶段，分别为停滞期、对数期、减数期以及衰退期。图为典型的生长曲线。1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 二、生长动力学生长动力学方程方程1.1.无抑制的细胞生长动力学Monod方程 早在1942年Monod就指出，在培养基中无抑制剂存在时，如果生长速率由于基质的耗尽而出现下降，则细胞的比生长速率与限制性基
5、质浓度的关系为：此方程被广泛的应用与大量的场合，但是此方程至使用与单一基质限制。也就是说除了一种生长限制基质外，其他的营养物质都是过量，都不会对微生物的生长造成伤害。Ks的限定条件以及 推导见课本。max）（SK smax/s1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 二、生长动力学生长动力学方程方程2.2.其他生物动力学方程 Monod方程只是简单的描述了在生长慢、细胞浓度低情况下的基质限制生长。在这种环境下，生长率简单地与S相关。在高细胞数水平下，有毒代谢产物变得更重要。除Monod方程外，有其他几种方程可用于描述基质限制生长。如Blackman方程、Tessier方程、
6、Moser方程和Contoi方程式。在有毒有害代谢产物积累时，很多的产物抑制模型都可以用于生物动力学的描述。但有一个半经验的逻辑方程应用比较广泛，如下所示：)/1(krmaxxXXX1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 三、产物形成动力学方程 代谢产物和蛋白质释放到生长培养基中会逐渐的使得代谢产物在培养基中进行富集，条件和培养机制的不同会使得最终释放到培养基中的代谢产物成分以及代谢产物的浓度发生不同的变化，但是这些代谢产物大致可以分为四大类，它们分别是：主要产物是能量代谢的结果。主要产物是能量代谢的间接结果。产物是二次代谢物。产物是胞内或胞外蛋白，可以受到诱导和分解代谢
7、抑制调节。1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础三、产物形成动力学方程 这四种细胞产物的合成动力学可以分为两大类，它们分别是常务合成在生长过程中出现，另一类是产物合成通常出现在细胞生长完成后，下面给出这两大类情况下的动力学计算方式：第一种情况也称之为偶联型，其动力学方程为：这种动力学方程的产物时在生长过程出现，且主要是渡河代谢产物中的第I类和第IV类。另一种情况称之为非生长偶联型，其动力学方程为：具体参数的含义及推导过程见课本。dt/addt/dXPaqpXPdt/dpq1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础四、高浓度基质以及产物的抑制动力学高浓度基
8、质以及产物的抑制动力学 在生物反应器中，如果基质的浓度过高，可能会抑制生长以及产物的合成，这就使得在进行微生物的培养的过程中，特别是污泥的驯化时，要逐步的增大基质的浓度，不然会对整个系统的工作效率造成抑制作用。这种现象称为基质抑制。有很多方程描述这种现象，并有综述概括。最重要的似乎是两个基质抑制方程：非竞争性抑制：竞争性抑制：)S/k1/Sk1/1smax）（S)S/k(1kS/1smax1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础五、环境因素对生长及代谢的影响环境因素对生长及代谢的影响 微生物在生物反应器中生长和繁殖的过程中，其产物形成动力学受到多种因素的影响，在进行反应器的
9、设计时，不但要单独考虑每种影响因素对其的影响效果，还需要综合考虑各种因素结合在一起对系统的影响。一般情况下，温度是影响细胞特性的关键因素。生物反应器中所采用的大部分微生物是中温菌(20T50)，有些也可能是嗜冷菌(T50)。净增长率方程：XX）（dk-dt/d1.2 1.2 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础五、环境因素对生长及代谢的影响环境因素对生长及代谢的影响 pH对微生物的影响主要是改变了微生物表面的电荷关系，从而使得微生物对物质的吸收和亲和力受到抑制作用。同时，pH也可能会改变微生物生长的环境，使得其不适合微生物的生长。对大多数微生物来说，可接受的pH范围可以是围绕最佳值变化
10、l-2单位(总的pH变化范围达3-4个单位)。在某些情况下，生长的最适pH与产物形成时的pH是不同的(如酸合成)。哺乳动物细胞则对pH的变化非常敏感。不同细胞的最适pH见表。细胞pH范围细胞pH范围细菌4-8植物细胞5-6酵母3-6动物细胞6.5-7.51.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递一、汽汽液质量传递液质量传递 人们经常将实验室得到的数据用于统计分析实际的生物反应器的设计，而此时对整个设计最重要的参数就是质量传递比速率，它指单位浓度下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。体积质量传递系数是由两项产生：质量传递系数kL，它取决于流体的物理特性和靠近流体表面的流体动力学；
11、通气反应器单位有效体积的气泡面积A。界面面积是一个重要的物理特性、几何设计及流体动力学功能，它是一个集总参数，不能定义在一点上。1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递一、汽汽液质量传递液质量传递 另一方面，质量传递系数实际上是基质的质量通量Ns与推动这一现象的梯度(浓度差)之间的比例因子：式中S1和S2表示两个质量传递之间的基质浓度，在实际反应器中，有可能同时共存较宽范围的梯度值，因此，必须选择代表整个反应器的值。由此可见，质量传递系数的值取决于采用的浓度。这就意味着确定它是代表反应器的流体动力学模型。）（21LsSSN1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递
12、一、汽汽液质量传递液质量传递 气液体系中氧的传递在好氧培养时极为重要。对于氧气的传质主要是研究氧气的溶解度，氧气的溶解度与所处的环境密切相关，与氧气所占的分压以及环境的温度等都有关。一般对氧的传递主要是考虑氧气的利用速率和氧气的消耗速率。而氧的吸收（OUR）和消耗（OCR）关系可由下式计算：式中各因子的计算和推导见课本。22ooqr）（OCROUR1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递二、机械搅拌生物反应器的质量传递机械搅拌生物反应器的质量传递 质量在传递的过程中取决于系统的能量摄入，这些能量通过剪切作用的形式表现出来，从而使得大气泡被打碎，产生小气泡，从而增大传质的过程，增
13、大了表面积。由于能量可通过搅拌的做功形式和通气方式进入系统，因此可用下式表示：高黏度流体的适当通气是非常困难的，在这些情况下需要多叶片搅拌器及特殊设计的搅拌叶。）（）（GLLJVPAAai1/k1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递三、气体搅拌生物反应器的气体搅拌生物反应器的质量传递质量传递1.1.鼓泡塔 从结构及操作的观点看，鼓泡塔是最简单的一种反应器，属于气体搅拌反应器的种类。它们是简单的容器，容器内气体喷人液体中，没有运动部件，容器内物料搅拌所需要的所有能量及培养所需要的氧均由喷人容器中的气体(通常为空气)提供。但由于存在剪切力的作用，因此如果气体的充气量过大，速率太快
14、就会对细胞的造成伤害，特别是对于污泥来说，气流过大可能会使得形成的絮凝体被冲散，从而导致系统的整体处理效果下降。另一方面，在大规模生产中，鼓泡反应器的结构及操作简单等实际优点都给人留下了深刻印象。因此，鼓泡塔在化学及生化工业中都占有重要的位置。1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递三、气体搅拌生物反应器的气体搅拌生物反应器的质量传递质量传递2.2.气升式反应器 气升式反应器给大规模生化过程提供了一些好处，尤其对动、植物细胞培养。传统情况下液体运行方式是集中在了一个点上，这样会在反应器内部形成紊流，还可能使得反应器内部的循环不够充分。而气升式反应器不存在这种高能耗散率的点，因此
15、剪切力场均匀得多。在生物反应器中运动的细胞或凝聚细胞不必忍受强烈的改变，流体流动具有主导作用。所以设备的几何设计尤其重要，特别是底部间隙以及气体分布器的设计对质量传递速率具有很大的影响，内循环气升式反应器各种因素的关系式如下：89.0-853.0-rd525.0r4-/110911.1k）（）（AAJGAL1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递四、液体液体微生物微生物之间的质量传递之间的质量传递 细胞之间的扩散主要是通过细胞表面的边界层而进行的，而目前解决液体-微生物之间传递的过程主要是弄清楚关键的过程是发生在细胞内还是细胞外。Rotem等研究了黏度对单细胞红藻Porphyr
16、idiumsp生长速率的影响。将藻放在含有本身细胞壁多糖的可溶性成分培养基中培养，随着培养基中多糖浓度的增加，藻生长速率和最大细胞数相应减少。增加多糖浓度也抑制细胞的C源消耗速率，从而抑制光合成。试管培养试验结果显示，对硝酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐和钠的质量传递系数随着多糖浓度的增加而减小。可得出如下结论：生长速率的减小是由于营养传递受到高浓度多糖阻碍所致。1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递五、微生物活性对质量传递的增强作用微生物活性对质量传递的增强作用 氧被吸收到发酵液中，类似于气体被吸收到液体中，它与悬浮的小颗粒发生反应。由于氧在气一液界面扩散时被消耗，因此氧的吸收速率被
17、增强。实验表明，在表面通气搅拌罐中氧的吸收率高于物理吸收的预期值。这种现象可以用所观察到的气一液界面附近微生物的积聚进行解释。除此之外，微生物的作用对传递也有一定的影响作用，尤其是当表面的浓度远大于主体内的浓度时。另一方面，在传统的通气罐、搅拌罐或鼓泡塔中，质量传递系数相对较高，则微生物所消耗的氧对氧的传递速率不会产生加强。1.3 1.3 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递六、粒子间的质量传递作用粒子间的质量传递作用 有的时候微生物并不是完全自由的悬浮在液体中，而是形成一些絮凝体，也类似于颗粒微生物，而此时的质量传递过程较快，但整个过程相当于简单的传递过程增加了一个步骤。扩散基质必须从外
18、表面传送到生物转化实际发生的地方，这就意味着基质必须经过长而曲折的路程才能到达位于粒子中心的细胞处发生作用。扩散限制对所需要的生物催化剂量的影响已是众所周知，这种现象已长时间被观察和分析。另一方面，扩散限制可以被过程设计者用作人工控制的手段。作为固定化的结果，酶的操作稳定性可以补偿甚至超过粒子间扩散的有害方面。在受到保护的絮团、颗粒或酶支持物内部，pH和温度的波动也将变缓。1.4 1.4 生物反应器的热量传递生物反应器的热量传递 细胞在进行活动时会释放出能量，这部分能量一部分用于物质的合成，另一部分用作呼吸作用，提供机体运动所需要的能量。细胞活动热的释放与生物反应的化学计量之间存在着紧密的关系
19、。图基质消耗过程中能量的总平衡显示了一个好气发酵过程和简单基质消耗的能量相等。生长及维持所需要的能量来源于基质的氧化。物质的氧化总伴随着电子的转移，伴随着能量释放所进行的电子转移称为“有效电子转移“，氧化过程中每分子氧可以接受4个电子。1.5 1.5 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题一、剪切力对微生物的剪切力对微生物的影响影响1.细菌细菌一般情况下，由于细菌的体积较小，因此细菌对剪切力的作用不是很敏感。除此之外，由于细菌具有细胞壁的原因，导致其能够抵御一定的外部冲击。但也有细菌受剪切力影响的报道，如在同心圆中受剪切作用的大肠杆菌细胞长度会增加。由于搅拌的剪切作用，曾观察到细胞体积的
20、变化。1.5 1.5 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题一、剪切力对微生物的剪切力对微生物的影响影响2.酵母菌酵母菌酵母比细菌大，一般为5um，但比常见的湍流旋涡长度仍要小。酵母细胞壁较厚，具有一定剪切抗性，但是酵母通过出芽繁殖或裂殖会产生疤点，其出芽点及疤点是细胞壁的弱处。有报道证明酵母出芽繁殖受到机械搅拌的影响。1.5 1.5 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题一、剪切力对微生物的剪切力对微生物的影响影响3.丝状丝状微生物微生物 丝状微生物虽然对活性污泥的影响较大，但是丝状微生物也具有较多的功能作用，在工业上特别是抗生素生产中应用广泛。在深层浸没培养中，丝状微生物可形成
21、两种特别的颗粒，即自由丝状颗粒和球状颗粒。在自由丝状形式下，菌丝的缠绕导致发酵液的高黏度及拟塑性。这样就导致发酵液中混合和传质非常困难。为增强混合和传质，需要强烈的搅拌，但高速搅拌产生的剪切力会打断菌丝，造成机械损伤。如果菌丝形成球状，则发酵液中黏度较低，混合和传质比较容易，但菌球中心的菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。1.5 1.5 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题二、剪切力对动物细胞的影响剪切力对动物细胞的影响 动物细胞对剪切作用非常敏感。因为它们尺寸相对较大，没有坚固的细胞壁而只有一层脆弱的细胞膜。因此，对剪切力敏感成为动物细胞大规模培养的一个重要问题。不同剪切力对人脐静脉内皮细
22、胞表达基质金属蛋白酶的影响研究表明，低剪切力及振荡剪切力均能诱导体外培养的hUVEC对MMP29 mRNA的表达，且增加其蛋白活性，生理剪切力却能抑制这种表达。1.5 1.5 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题三、剪切力对酶反应的影响剪切力对酶反应的影响 在环境工程设备中发生的反应实际上都涉及到了酶反应，因此保持酶的活性，提高酶的处理效果对最后的工艺效率有着密切的联系。研究剪切对过氧化氢酶活力的影响，结果表明，酶的残存活力随剪切作用时间与剪切力乘积增大而减小。在膜分离式的酶解反应器中，葡萄糖淀粉酶失活随叶轮叶尖速度增大而加快。在同样搅拌剪切时间下，酶活力的丢失与叶轮叶尖速度是一种线性关系。在同样条件下，凹槽叶轮搅拌引起酶失活最大，刮力叶轮次之，平板叶轮搅拌引起的酶失活最小，这与搅拌造成的流体剪切程度相符。思考与练习思考与练习1.Monod方程是用于描述细胞生长的数学模型，其表达式及各个参数的意义是什么？应用前提条件是什么？2.PH对微生物的生长及代谢有哪些影响？3.气液传质过程中，氧从气象到微生物细胞内部的传递步骤有哪些?4.常用的描述氧传递的模型有哪三种？5.请简述剪切力对于微生物培养过程的影响关系？包括细菌、酵母、丝状微生物。6.请简述剪切对酶反应的影响关系？
