生物反應(yīng)器比擬放大

生物反應(yīng)器比擬放大第1頁(yè)/共62頁(yè)

放大過(guò)程中與培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境相關(guān)的主要因素

與細(xì)胞形態(tài)學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和過(guò)程動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系與生物反應(yīng)器中的流體力學(xué)性質(zhì)、傳遞現(xiàn)象及發(fā)酵液的理化性質(zhì)之間的關(guān)系。第2頁(yè)/共62頁(yè)一、放大目的

產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應(yīng)器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致。

第一節(jié)生物反應(yīng)器放大的目標(biāo)及方法

第3頁(yè)/共62頁(yè)

二、生物學(xué)基礎(chǔ)單位體積輸入的功率P/V

或液相體積氧傳遞系數(shù)KLa有效放大區(qū)末產(chǎn)物的相對(duì)濃度第4頁(yè)/共62頁(yè)

三、放大準(zhǔn)則與方法1、放大準(zhǔn)則

攪拌功耗P0/V、

體積溶氧系數(shù)KLa、

攪拌葉尖端線速度νs、

混合時(shí)間tM、

相等準(zhǔn)則。第5頁(yè)/共62頁(yè)

2、放大方法

主要有經(jīng)驗(yàn)放大法、因次分析法、時(shí)間常數(shù)法、數(shù)學(xué)模擬法

第6頁(yè)/共62頁(yè)

第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)

一、機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)放大法第7頁(yè)/共62頁(yè)

(一)幾何相似放大按反應(yīng)器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。

第8頁(yè)/共62頁(yè)（二）以單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大

這種方法適用對(duì)于以溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密度的培養(yǎng)

P0/VL＝常數(shù)

1.對(duì)于不通氣的攪拌反應(yīng)器

2.對(duì)于通氣攪拌反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大第9頁(yè)/共62頁(yè)對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即：對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計(jì)算

對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大

第10頁(yè)/共62頁(yè)（三）以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準(zhǔn)的放大法在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，由于培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，所以以反應(yīng)器KLa的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。

這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)器的放大。第11頁(yè)/共62頁(yè)在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，以反應(yīng)器KLa的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。以KLa值相同放大時(shí)，一定要選一個(gè)合適的KLa值，可根據(jù)微生物發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與KLa大小的關(guān)系

第12頁(yè)/共62頁(yè)

(四)以攪拌葉尖線端速度相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大

適用于生物細(xì)胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過(guò)程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。攪拌葉尖線端速度（πDn）是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。葉尖端線速度第13頁(yè)/共62頁(yè)

（五）混合時(shí)間相同的準(zhǔn)則混合時(shí)間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時(shí)所需的時(shí)間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難.對(duì)于幾何相似的反應(yīng)器，時(shí)，從上式可以得出：

第14頁(yè)/共62頁(yè)（六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大單位培養(yǎng)液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣量（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），即：

，m3/（m3·min）操作狀態(tài)下空氣的線速度，m/h。

，m3/（m3·min），m3/（m3·min）第15頁(yè)/共62頁(yè)以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大時(shí)，有第16頁(yè)/共62頁(yè)（七）以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大

以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大時(shí)有由上式可知，當(dāng)體積放大100倍時(shí)，即若忽略液柱壓力，即

即通風(fēng)量減少4.64倍，其結(jié)果是通風(fēng)量過(guò)小。第17頁(yè)/共62頁(yè)酶反應(yīng)器的放大基礎(chǔ)和準(zhǔn)則

酶反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)計(jì)算方法第三節(jié)酶反應(yīng)器的放大第18頁(yè)/共62頁(yè)一、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與一般化學(xué)反應(yīng)相比，酶促反應(yīng)要復(fù)雜一些，影響酶促反應(yīng)的主要因素有：酶濃度，底物濃度，溫度壓力，溶液的介電常數(shù)與離強(qiáng)度，PH、內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素等。最根本的是濃度因素1、零級(jí)反應(yīng)：酶促反應(yīng)速率與底物濃度無(wú)關(guān)。2、一級(jí)反應(yīng)：反應(yīng)速率與底物濃度的一次方成正比。即酶催化A→B的過(guò)程第19頁(yè)/共62頁(yè)二、單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

1、米氏方程根據(jù)“酶-底物中間復(fù)合體”的假設(shè)，對(duì)酶E催化底物S生成產(chǎn)物P的反應(yīng)S→P，其反應(yīng)機(jī)制可表示為

k+1k+2E+SESE+Pk-1E[S]X[P]k+1k-1k+2-----相應(yīng)各步的反應(yīng)速度常數(shù)E[S]X[P]----對(duì)應(yīng)物質(zhì)的濃度P的生成速度可表示為：rp=k+2X第20頁(yè)/共62頁(yè)三點(diǎn)據(jù)說(shuō)：（1）底物濃度[S]遠(yuǎn)大于酶濃度E時(shí)，X的形成不會(huì)降低底物濃度[S]，底物濃度以初始濃度計(jì)算；（2）不考慮E+P→ES這個(gè)可逆反應(yīng)的存在。（3）ES→E+P是整個(gè)反應(yīng)的限速階段第21頁(yè)/共62頁(yè)

米氏方程：第22頁(yè)/共62頁(yè)三、固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

固定化酶促反應(yīng)過(guò)程中，需考慮擴(kuò)散傳質(zhì)與催化反應(yīng)的相互影響，有外部與內(nèi)部擴(kuò)散的不同傳質(zhì)方式，內(nèi)部擴(kuò)散與催化反應(yīng)有時(shí)是同時(shí)進(jìn)行的，外擴(kuò)散通常先于反應(yīng)。1、外部擴(kuò)散過(guò)程

底物由液體主體向固定化酶顆粒表面的擴(kuò)散速率Ns正比于傳質(zhì)表面積及傳質(zhì)推動(dòng)力，即擴(kuò)散速率Ns=KLa（[S]—[S]s）KL-----液膜傳質(zhì)系數(shù)a------傳質(zhì)比表面積[S]----液體主體中的底物濃度[S]s----固定化酶表面處底物濃度第23頁(yè)/共62頁(yè)在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳質(zhì)速率等于酶促反應(yīng)速率，當(dāng)反應(yīng)按米氏方程規(guī)則時(shí)有：Ns=KLa（[S]—[S]s）當(dāng)[S]s→[S]時(shí)，主體傳遞阻力可以忽略當(dāng)[S]s遠(yuǎn)大于[S]時(shí)，整個(gè)反應(yīng)速率由外擴(kuò)散控制第24頁(yè)/共62頁(yè)固定化酶的反應(yīng)體系中效率因子（外擴(kuò)散）的定義為ηout第25頁(yè)/共62頁(yè)2、內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程對(duì)于具有大量?jī)?nèi)孔的球形固定化酶顆粒，內(nèi)部是酶促反應(yīng)的主要場(chǎng)所顆粒內(nèi)部各處底物和產(chǎn)物的濃度不同，各處的反應(yīng)速率和選擇性有差異。Ф-----西勒準(zhǔn)數(shù)，是表面反應(yīng)速率（即以固定化酶外表面處的濃度為基準(zhǔn)反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之比）VP----固定化酶顆粒體積,—rs-----固定化酶的反應(yīng)速率AP----固定化酶顆粒外表面的面積,[S]----平衡時(shí)的底物濃度De-----載體內(nèi)部底物的擴(kuò)散系數(shù)[S]S-----固定化酶顆粒外表面底物濃度第26頁(yè)/共62頁(yè)對(duì)于球形固定化酶顆粒的內(nèi)擴(kuò)散效率因子有第27頁(yè)/共62頁(yè)

酶反應(yīng)器:酶為催化劑進(jìn)行生物反應(yīng)的場(chǎng)所.游離酶反應(yīng)器、固定化酶反應(yīng)器（分：固定化單一酶、復(fù)合酶、細(xì)胞器、細(xì)胞等形式）第28頁(yè)/共62頁(yè)

酶反應(yīng)器及其操作參數(shù)酶反應(yīng)器的分類型式名稱操作方式說(shuō)明單相系統(tǒng)酶反應(yīng)器攪拌罐分批、流加靠機(jī)械攪拌混合超濾膜反應(yīng)器分批、流加或連續(xù)適用于高分子底物多相系統(tǒng)酶反應(yīng)器攪拌罐分批、流加或連續(xù)靠機(jī)械攪拌混合固定床填充床連續(xù)適用于固定床酶或微生物反應(yīng)中流化床分批、連續(xù)靠溶液的流動(dòng)混合膜反應(yīng)器懸濁氣泡塔連續(xù)分批、連續(xù)膜狀或片狀固定化適于氣體為底物第29頁(yè)/共62頁(yè)

2．連續(xù)式酶反應(yīng)器的流動(dòng)狀態(tài)分為理想型與非理想型（1）理想型①活塞式：連續(xù)操作活塞式反應(yīng)式（CPFR

continuousplugflowreactor）,實(shí)用反應(yīng)器為填充床或膜反應(yīng)器活塞式流動(dòng)：指反應(yīng)液在反應(yīng)器內(nèi)徑呈嚴(yán)格均一的速度分布，流動(dòng)如同活塞運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。

第30頁(yè)/共62頁(yè)

②全混式：連續(xù)操作攪拌式反應(yīng)式（CSTRcontinuous-flowstirredtankreactor），為攪拌罐。反應(yīng)速度僅隨時(shí)間變化全混式流動(dòng)：指反應(yīng)器混合足夠強(qiáng)烈，因而反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻，且不隨時(shí)間而變化。（2）非理想型具有返混的管型反應(yīng)器等第31頁(yè)/共62頁(yè)第32頁(yè)/共62頁(yè)

二、酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的參數(shù)停留時(shí)間τ停留時(shí)間τ：指反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器至離開(kāi)反應(yīng)器止所經(jīng)歷的時(shí)間對(duì)于CSTR，常用平均停留時(shí)間

=反應(yīng)器容積/物料的體積流量第33頁(yè)/共62頁(yè)

2、轉(zhuǎn)化率χ轉(zhuǎn)化率χ：表明供給反應(yīng)器的底物發(fā)生轉(zhuǎn)變的分量分批式操作中：（初始底物濃度-t時(shí)間底物濃度）/初始底物濃度第34頁(yè)/共62頁(yè)連續(xù)操作中：

（流入底物濃度-流出底物濃度）/流入底物濃度第35頁(yè)/共62頁(yè)

3、生產(chǎn)能力Pr生產(chǎn)能力Pr：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位反應(yīng)器體積內(nèi)的產(chǎn)物量。分批式操作中：Pt

：t時(shí)間單位反應(yīng)液體積中產(chǎn)物的生成量第36頁(yè)/共62頁(yè)連續(xù)操作中：

Pout：?jiǎn)挝惑w積流出液中的產(chǎn)物量第37頁(yè)/共62頁(yè)

4、選擇性[S]P

選擇性[S]P：表明整個(gè)反應(yīng)的平均選擇性，指從1mol底物S中所得到產(chǎn)物P的摩爾數(shù)，由反應(yīng)的量論關(guān)系而決定的。平均選擇性

瞬時(shí)或局部選擇性為

rp----主反應(yīng)速度

rs----副反應(yīng)速度第38頁(yè)/共62頁(yè)三、理想的酶反應(yīng)器1、CPFR型酶反應(yīng)器CPFR具備的特點(diǎn)：在正常的連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作情況下，在反應(yīng)器的各個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間而變化；由于徑向有嚴(yán)格均勻的速度分布，故反應(yīng)速率隨空間位置的變化只限于軸向。第39頁(yè)/共62頁(yè)．

對(duì)CPFR進(jìn)行物料衡算，沿反應(yīng)器軸向任意切出長(zhǎng)度為dl的一個(gè)微元管段作為反應(yīng)器微元，該微元的體積記為ｄV＝Adl，

第40頁(yè)/共62頁(yè)對(duì)于其他各級(jí)反應(yīng)可得到一般的關(guān)系式:第41頁(yè)/共62頁(yè)

（1）

第42頁(yè)/共62頁(yè)2、CSTR型酶反應(yīng)器在穩(wěn)定狀態(tài)下，CSTR型酶反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度和溫度均不隨空間位置和時(shí)間而變化，因而反應(yīng)器內(nèi)各處的反應(yīng)速率相等，所以可對(duì)整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行物料衡算，一級(jí)反應(yīng)條件下，對(duì)組分S（單位時(shí)間內(nèi)）有：流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量

F[S]0F[S]t

（—rs）V0F（F[S]0—F[S]t）=（—rs）V第43頁(yè)/共62頁(yè)

將上式變?yōu)橐话慊年P(guān)系式將米式方程代入上式，得操作方程：

F[S]0F[S]t

也可寫(xiě)為(2)式

總體積（2）第44頁(yè)/共62頁(yè)3、CSTR型與CPFR型反應(yīng)器性能的比較（1）停留時(shí)間的比較將（1）（2）的結(jié)果繪于右圖中橫坐標(biāo)為組分S的轉(zhuǎn)化率X，縱坐標(biāo)為反應(yīng)速的倒數(shù)1/（—rs）。

在相同的工藝條件下進(jìn)行同一反應(yīng)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，所需的停留時(shí)間不同。CSTR型的停留時(shí)間比CPFR型反應(yīng)器的長(zhǎng)，即前者所需的反應(yīng)器體積比后者大。圖中向右斜的線所圍的面積相當(dāng)于CSTR型反應(yīng)器達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間，向左斜的線所圍的面積為CPFR型反應(yīng)器達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間。最終轉(zhuǎn)化率越高，兩者的差距越大。第45頁(yè)/共62頁(yè)（2）酶需求量的比較當(dāng)Km遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于[s]0時(shí)，反應(yīng)速率可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)來(lái)描述，于是，（1）（2）式可簡(jiǎn)化成如下式子：

其中常數(shù)可認(rèn)為是擬一級(jí)速率常數(shù)Kf

CSTR中所需酶的量與CPFR中所需的酶的量之比，可從（3式和（4）求得。（3）（4）第46頁(yè)/共62頁(yè)

對(duì)于一級(jí)動(dòng)力學(xué)

（5）式表明，轉(zhuǎn)化率越高CSTR中所需酶的相對(duì)量也就越大。另外，比值還依賴于反應(yīng)級(jí)數(shù)，一級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最大，零級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最小。

（5）

第47頁(yè)/共62頁(yè)反應(yīng)體積一定達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

如果反應(yīng)按米氏定律，則酶需求量的相對(duì)比值與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系可由下圖表示:第48頁(yè)/共62頁(yè)所以,可根據(jù)所需轉(zhuǎn)化率X來(lái)選擇反應(yīng)器的類型,或者確定它們所需酶的相對(duì)量.

（6）式中E——反應(yīng)器中的有效酶濃度

Kd——酶的衰退常數(shù)

t——操作時(shí)間第49頁(yè)/共62頁(yè)若把（1）（2）（6）結(jié)合起來(lái)，可得描繪酶衰變時(shí)的操作方程：

式中，X0，Xt分別為t=0和t=t時(shí)的轉(zhuǎn)化率

（7）

（8）

CSTRCPFR第50頁(yè)/共62頁(yè)由（7）（8）式可知，零級(jí)反應(yīng)時(shí)，CSTR與CPFR內(nèi)酶活力的衰退沒(méi)有什么區(qū)別。如果反應(yīng)從零級(jí)增至一級(jí)，那么，兩種反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得明顯。CPFR產(chǎn)量的下降比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更為敏感。如上所述，在某些場(chǎng)合，操作條件相同，要得到同樣的轉(zhuǎn)化率，CSTR所需酶的數(shù)量遠(yuǎn)大于CPFR所需的酶量。第51頁(yè)/共62頁(yè)（4）反應(yīng)器中的濃度分布下圖繪出CSTR與CPFR中底物濃度分布。[S][S]0[S]

[S]0CPFR01CSTR01

在CPFR中，雖然在出口端底物濃度較低；但進(jìn)口端高,CSTR中底物總處于低濃度范圍。如果酶促反應(yīng)速率與底物的濃度成正比，那么，對(duì)CSTR而言，由于整個(gè)反應(yīng)器處于低反應(yīng)速率條件下，所以其生產(chǎn)能力也低。第52頁(yè)/共62頁(yè)例題第53頁(yè)/共62頁(yè)解：反應(yīng)器出口的底物濃度

（1）進(jìn)口與出口底物的對(duì)數(shù)平均濃度（2）第54頁(yè)/共62頁(yè)（3）（4）第55頁(yè)/共62頁(yè)（5）（4）第56頁(yè)/共62頁(yè)（1）CSTR設(shè)計(jì)

對(duì)CSTR固定化酶反應(yīng)器，穩(wěn)定狀態(tài)下，底物的衡算式有F[S]0F[S]

反應(yīng)器體積V空隙率ε

由于酶促反應(yīng)在固定化酶顆粒內(nèi)進(jìn)行有V‘=（1-ε）V

（7）第57頁(yè)/共62頁(yè)（8）（9）（10）第58頁(yè)/共62頁(yè)（2）CPFR固定化酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)

取長(zhǎng)度為?L，體積為?V‘的任一微元體積進(jìn)行物料衡算F[S]—F[S]+?[S]=η（—rs）?V‘

流入流出微小體積內(nèi)消耗

空隙率ε

F[S]?V‘F[S]+?[S]

F[S]in

F[S]OUT