《生化工程》講義

10生化工程〔講義〕BiochemicalEngineering緒論一、概述概念： 為生化工程。組成：加工，培育基的配制和滅菌。2生物催化劑的制備：包括菌種的選擇擴大培育和接種，酶催器及反響條件的選擇和監(jiān)控4產(chǎn)物的分別純〔包括初提純和精提純〕, 這局部工序也常稱為下游加工過程.爭論內(nèi)容〔具體：生化工程技術(shù)包括生物反響器和傳感器設(shè)計、生物反響的程序掌握、產(chǎn)品分別精制技術(shù)等。二、生物技術(shù)的進(jìn)展簡史1.〔1863年之前〕早期的發(fā)酵工業(yè)以厭氧發(fā)酵產(chǎn)品居多，如酒類(公元前4000年的夏朝)。厭氧發(fā)酵由于不大量供給氧氣，染雜菌導(dǎo)致生產(chǎn)失敗的時機較少，故而深層液體厭氧發(fā)酵早就有相當(dāng)大的規(guī)模。產(chǎn)品：釀酒、制醋、醬、醬油、泡菜、奶酪。特點：地方性、閱歷性、偶然性2.巴斯德時期〔1863—1940〕釀酒等的厭氧發(fā)酵的進(jìn)展及少數(shù)的好氧發(fā)酵產(chǎn)品承受了深層液體發(fā)酵生產(chǎn)，如面包酵母，醋酸。前者由于酵母的比生長速率較高，后者由于醋酸生長導(dǎo)致發(fā)酵液中pH值降低，不易污染雜菌。為何當(dāng)時沒有產(chǎn)生生化工程？厭氧發(fā)酵及簡潔的好氧發(fā)酵承受一般的化學(xué)工程原理、方法和設(shè)備已能應(yīng)付，尚不需解決3抗生素時期〔1941—1960，近代生物技術(shù)產(chǎn)品開頭消滅于本世紀(jì)40年月〕1928年Flenming〔英國人弗萊明〕覺察青霉素；1940年由弗洛里Florey和錢恩Chain提取并經(jīng)臨床證明青霉素具有卓越療效和低毒19411943產(chǎn)品：抗生素等。特點：二次代謝產(chǎn)物，分子構(gòu)造簡單，純種深層培育。4抗生素后時期〔1961—1975〕最突出的50年月氨基酸發(fā)酵工業(yè)、60年月酶制劑工業(yè)的進(jìn)展以及一些原來承受外表培育的產(chǎn)品都改用沉醉培育法進(jìn)展生產(chǎn)。特點：〔初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物、生物轉(zhuǎn)化、酶反響等產(chǎn)品；發(fā)酵過程中通入無菌空氣2023m3；技術(shù)進(jìn)展速度快，菌種的活力及性能獲得了驚人的提高，以青霉素發(fā)酵的菌種為例，40余年來其活力提高了1500倍左右。產(chǎn)品：氨基酸，酶制劑，單細(xì)胞蛋白(SCP)，高果糖漿，細(xì)菌多糖(黃原膠)，GASCHOL，廢水生物處理。5現(xiàn)代生物技術(shù)時期〔1975年以后〕1953年美國華生Watson和科里克Crick覺察DNA雙螺旋構(gòu)造〔為DNA的重組奠定了根底；1969年日本人制造細(xì)胞和酶的固定化技術(shù)。用于DL-氨基酸的拆分；1974年美國波伊爾Boyer和科恩Cohen首次在試驗室實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移；1977年美國波伊爾Boyer首先用基因操縱手段獲得生長激素抑制基因的克隆；1978年吉爾勃脫Gilbert獲得鼠胰島素的克隆，幾年后利用基因工程微生物生產(chǎn)出第一個基因工程產(chǎn)品人胰島素第一章 培育基滅菌滅菌：用物理或化學(xué)的方殺滅物料或設(shè)備中的一些生命物質(zhì)的過程。滅菌方法：①化學(xué)藥劑滅菌②射線滅菌③干熱滅菌〔160℃，1-2h〕④濕熱滅菌〔121℃，20-30min〕⑤過濾滅菌微生物的熱死滅動力學(xué)1.削減，其削減量隨殘存活菌數(shù)的削減而逐減，即微生物熱死亡速率與任一瞬間殘存活菌數(shù)成正比。2、試驗證明，微生物養(yǎng)分細(xì)胞的均相熱死滅動力學(xué)符合化學(xué)反響的一級反響動力學(xué)規(guī)律，即-dN/dt=KNN——任一時刻的活細(xì)菌濃度，個/Lt——受熱時間，min；k——比熱死速率常數(shù)，min-1。t0=0,N=N0,得ｌｎＮ／Ｎ０＝－Ｋｔ或Ｎ＝Ｎ０ｅ－ＫｔttK1 N 2.303 Nln 0 lg 0NtKNt①滅菌時間取決于污染的程度〔N、滅菌的程度〔殘留菌數(shù)N〕和k值。0 t②反響速率常數(shù)k是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物的種類和滅菌溫度而異。③在一樣的溫度下，k值愈小，則此微生物愈耐熱。④同一種微生物在不同的滅菌溫度下，k值不同，滅菌溫度愈低，k值愈低。二、T〔溫度〕對K〔比熱死速率常數(shù)〕影響阿累尼烏斯方程〔Arrhenius〕K=Ae-ΔE/RTA——頻率因子；7.94×1038min-1ΔE——反響所需的活化能，J/mol；R 通用氣體常數(shù)，8.28J/(mol·K)KΔEK慢，細(xì)菌抵抗力越強。②在溫度〔T〕一樣的條件下，ΔE〔K〕不肯定比ΔEKA〔因菌種不同而異。lnK=-ΔE/RT+lnA對上式兩邊取T的導(dǎo)數(shù)，得dlnK/dT=ΔE/RT2得出結(jié)論：反響的ΔE越高，lnK對T的變化率越大，即T的變化對K的影響越大，細(xì)菌死亡速率對溫度變化敏感。為什么高溫短時滅菌比低溫長時要好推斷承受高溫或是在低溫條件下殺菌是由該反響的活化能的大小打算。滅菌溫度上升時，微Kt=常數(shù)，因而高溫K值增大，時間必定大大縮短，養(yǎng)分物質(zhì)總的損失可以削減，因此高溫短時滅菌比低溫長時要好。例120℃150℃，試計算維生素B1KBKS。⊿ES=283460J/mol,As=1.06×1036(min-1)；⊿EB=92114J/mol,AB=1.06×1010(min-1)解：由〔1〕K=㏑A－(⊿E/RT)得Ks=㏒As－⊿ES/(2.303RT)∴Ks1200.024(min-1)15011.12(min-1463120℃時為0.055(min-1)，150℃時為0.404(min-1)，同樣的溫度變化僅提高7.3倍 〔P4例〕三、連續(xù)滅菌器反響器的流體流淌模型模型、多級全混流反響器模型及集中模型?！睵FR〔抱負(fù)流體流淌型〕在反響器內(nèi)與流體流向相垂直的橫截面上的徑向流速分布是均一的即物料在反響器內(nèi)以同一流速和沿同一方向流淌，全部的物料質(zhì)點在反響器內(nèi)的停留時間都一樣，不存在返混。lnNf/No=-Kr〔熱死滅速率〕 或 Nf=Noe-KrNo、Nf 分別為滅菌前后的活孢子數(shù)r 平均停留時間作為連續(xù)滅菌器，常把活塞流反響器用于升至滅菌溫度后的恒溫?zé)釡缇?。連續(xù)式全混流反響器〔CFSTR〕模型〔抱負(fù)化的流型〕相等，不隨時間而變。依據(jù)其濃度分布特征，對進(jìn)出整個反響器的活菌數(shù)進(jìn)展衡算：Nf/No=1/1+KrNf/No，CFSTRPFR多級全混流反響器〔CFSTR-in-series〕模型內(nèi)部既存在全混流成分又存在活塞流成分，假設(shè)n只等容積的CFSTR串連，則n越大，內(nèi)部液流愈偏離全混流而向活塞流接近。Nf/No=1/〔1+Krn〕nτ1＝τ2＝?＝τn＝τ/nr-----CFSTRV1=V2=?＝Vn=Vr/nVr-----nPFRn集中模型在返混不大的管式或塔式反響器內(nèi)，由活塞流和軸向集中流疊加構(gòu)成集中模型。其次章空氣除菌一、空氣除菌的方法以除去空氣中的各種微生物。1、加熱滅菌基于加熱后微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)〔酶〕熱變性而得以實現(xiàn)。Aiba等覺察懸浮于空氣中的一般細(xì)菌孢子在218℃時24s即可被殺死?？諝鉄釡缇鷷r所需的溫度可直接利用空氣壓縮時的溫度上升來實現(xiàn)?？諝饨?jīng)壓縮后溫度可升到200℃以上，保持肯定時耐熱菌的孢子需長時間殺滅；所以，用加熱的方法不能夠大量制造無菌空氣。2、輻射滅菌Aiba等覺察波長范圍在226.5-328.7nm的紫外線對空氣中微生物的殺菌效力最強。也只是削減空氣中的微生物，并不能完全除菌。3、化學(xué)滅菌和硫磺等。目前用于無菌室、接種間和培育間的滅菌。4.靜電除塵時，發(fā)生電離作用，大局部微粒為正極捕集。5、介質(zhì)過濾是膜過濾器，可以完全過濾掉空氣中的微生物。二、典型空氣過濾除菌流程器——總過濾器——分過濾器預(yù)過濾器/無菌過濾——凈化空氣——進(jìn)罐無油潤滑空壓機：削減壓縮后空氣中的油霧污染空氣儲罐：降低壓縮后空氣的溫度，同時除去局部潤滑油冷卻器：降低壓縮后空氣的溫度油水分別器：使油水分別較完全除霧器：除去空氣中的霧滴加熱器：將空氣加熱至約50℃，使空氣相對濕度低于60％，再進(jìn)入總過濾器，以保證其維持枯燥狀態(tài)總過濾器：除去大局部塵埃、顆粒與微生物分過濾器預(yù)過濾器/無菌過濾：使空氣除菌程度可以到達(dá)99、99999％以上三、型過濾器1、聚乙烯醇〔PVA99.9999％以上，壓力1.5Kpa以下，使用達(dá)一年以上，殺菌及枯燥時間短，更換便利，占地小。2粘結(jié)于過濾盒中，形成折式過濾器。優(yōu)點：構(gòu)造簡潔，制造便利，過濾面積大，除菌效率達(dá)99.99％以上，占地小，壓力降低小，費用低。缺點：不耐氣流沖擊，易穿孔。20-30um,99.99910Kpa200-260換便利。4Milliproe~0.45um,小于菌體，因而微生物不能通過，過濾效率接近100％。外層承受超細(xì)玻璃纖維紙作為預(yù)過濾，內(nèi)層承受過濾膜，以避開膜微孔堵塞。四、空氣過濾設(shè)計發(fā)酵和生物制藥廠常用的空氣過濾器有棉花纖維過濾器、超細(xì)玻璃纖維過濾器、石棉板過濾器、燒結(jié)金屬板過濾器、尼龍纖維過濾器、陶瓷過濾器、聚丙烯過濾器等。空氣過濾器的過濾效率主要與微粒的大小，過濾介質(zhì)的種類和它們的規(guī)格〔纖維直徑質(zhì)的填充密度，過濾介質(zhì)厚度以及所通過的空氣氣流速度等因素有關(guān)。1、 捕集效率承受用概率論分析捕集效率，根本假設(shè)有以下三點：ξ層網(wǎng)格。②微生物經(jīng)過每一層玻璃纖維時，與玻璃纖維相碰的概率為p，p與流淌狀況、纖維直徑之比有關(guān)。③當(dāng)微生物與纖維碰撞次數(shù)小于m時，仍能通過過濾器中流出而返回空氣中。依據(jù)以上三點假設(shè)，過濾總效率為：P222、 空氣過濾器除菌機制過濾介質(zhì)的除菌效率取決于下述機制：附：提高過濾除菌效率的措施？1削減進(jìn)口空氣的含菌數(shù)；2設(shè)計合理的空氣預(yù)處理設(shè)備，以達(dá)到除油，水和雜質(zhì)的目的；34低進(jìn)入空氣過濾器的空氣的相對濕度，保證過濾介質(zhì)在枯燥狀態(tài)下工作。3、 對數(shù)穿透定率降與進(jìn)入空氣微粒濃度成正比:-dN/dL=KNK--濾常數(shù)〔m-1；N—空氣中的顆粒數(shù)〔個； L--濾床厚度〔cm〕移項積分得：lnN2/N1=-KL 這叫做對數(shù)穿透定律。N1為過濾前空氣中的總顆粒數(shù) N2為過濾后空氣中的顆粒數(shù)過濾常數(shù)K與很多因素相關(guān)，如空氣流速V、纖維直徑、顆粒直徑和纖維填充密度等。②.為了測定K值，可承受過濾效率η=90%〔即穿透率P=10%〕時的濾層厚度L90為基準(zhǔn)，則：ln(NL90/N0)=ln10-1＝-KL90K=2.303/L90K值越大，L90就越小。例:設(shè)有一臺空氣過濾器的空氣流量為22.5m3/min，操作周期100h，空氣中原有顆粒數(shù)為1750個/m3，要求在整個操作周期內(nèi)只允許有1/1000個微粒通過，過濾介質(zhì)承受16um的玻璃纖維。假設(shè)承受空氣流速Vs=1.52m/s，由表查得L90=1.53cm，則K=2.303/1.53m-1L=-1/K×2.303lg(N2/N1)=-1.53/2.303×2.303lg10-3/(22.5×60×100×1750)=17.4cm但假設(shè)空氣流量突然變動，從22.5m3/min降低到2.25m3/min，使空氣流速從1.53m/s降低N’計算如下：17.4=-/Klg(N’/2.25×1×1750)N’=36個/min附：空氣過濾器使用的過濾介質(zhì)，按其孔徑大小可分為二類：質(zhì)的一側(cè)。必需有肯定的厚度，因此稱為深層過濾介質(zhì)。深層過濾介質(zhì)除菌的機理比較簡單，主要是?〔1〕纖維介質(zhì)對顆粒的攔截，?顆粒的慣性沖撞，?對數(shù)穿透定律的四點假設(shè)：1) 響。2) 空氣中的微粒與纖維外表接觸后即被吸附，不再被空氣帶走。3) 過濾器中的過濾效率與空氣中的微粒的濃度無關(guān)。4) 空氣中微粒在濾層中的減遞均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。第三章 通氣與攪拌第一節(jié) 概述一、細(xì)胞對氧的需求量無菌空氣，才能使菌體生長生殖和積存所需要的代謝產(chǎn)物。需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此，微生物只能利用溶解于液體中的氧氣。二、臨界氧濃度概念比生長速率與氧濃度的關(guān)系在需氧發(fā)酵培育中當(dāng)限制性基質(zhì)的濃度肯定或者過量，而溶解度較低時，氧成為微生物生長的主要限制性基質(zhì)，微生物比生長速率與氧濃度關(guān)系可用Monod方程表示。比耗氧速率與氧濃度的關(guān)系2比耗氧速率：單位質(zhì)量的細(xì)胞〔干重〕在單位時間內(nèi)消耗氧的量。又稱為比呼吸速率和呼吸強度，以qO表示，單位為mmolO/g·h2 2r=-dc/dt=qoX2r-好氧速率〔mmolO/L.h；2qo〔mmolO/g.h；2 2X-菌體濃度〔g/L〕攝氧率：單位體積培育液在單位時間內(nèi)耗氧量。其次節(jié)傳氧速率方程供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜集中到液體主流中。氧的傳遞通量：通過單位面積的氧傳遞速率。影響供氧的因素：①氣膜阻力，主流氣流與氣膜間的氣膜阻力；②氣液界面阻力，與空氣狀況相關(guān)；③液膜阻力，氣液界面至液體主流間的液膜阻力；④液流阻力。氧的傳遞途徑及傳質(zhì)阻力？1氣相主體到氣液界面的氣膜傳遞阻力；2氣液界面的傳遞阻力；3456液體與細(xì)胞〔團(tuán)〕之間界面阻力；7細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻力；8細(xì)胞壁的阻力；9反響阻力。二、雙膜理論與傳氧方程〔一〕雙膜理論工業(yè)生產(chǎn)中把除菌后的空氣通入培育液中，使之分散成細(xì)小的氣泡，盡可能增大氣-液兩相體吸取過程，因此這一過程可用氣體吸取的根本理論，即雙膜理論加以說明。雙膜理論的根本前提如下：1.2.〔空氣中氧的分壓與溶于液體中的氧濃度處于平衡狀態(tài)。質(zhì)阻力。氧氣溶于水的速率是液膜阻力掌握的：υVN =kLa(c*-c)a—單位體積液體中氣-液兩相的總接觸界面積，m2/m3υVN---體積溶解氧速率，kmol/(m3·h)kLa---以(c*c)為推動力的體積溶解氧系數(shù)，h-1c---溶解氧濃度

(表示發(fā)酵罐的傳氧速率)c*---與氣相主流中氧的分壓強相平衡的液相溶解氧濃度，kmol/m3〔二〕傳氧速率方程.亨利定律：與溶解濃度相平衡的抱負(fù)氣體的分壓與該氣體所溶解的分子濃度成正比于是有：P=HCH---表示越易溶。氧是很難溶于水的氣體，所以H很大。可以導(dǎo)出總傳質(zhì)系數(shù)KL與膜傳質(zhì)系數(shù)kL及kG之間的關(guān)系：1/KL=1/HkG+1/kL 1/KG=1/kG+H/kLKL≈kL改寫方程為：N=KL(C*-C)≈kL(C*-C)在式子兩邊各乘以單位體積培育液中氣液兩相的總的接觸面積a(m2/m3)則得：Nv=KLa(C*-C)=kLa(C*-C)Nv---------體積溶氧速率〔kmol/m3.h〕KLa＆kLa 以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(shù)，簡稱體積溶氧系數(shù)〔1/h〕a---------單位體積培育液中氣液兩相的總接觸面積〔m2/m3〕由于Nv每立方米液體每小時的溶氧量，是可以實際測量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。為該領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)試驗的根本依據(jù)之一。第三節(jié)影響傳氧速率的因素1、傳氧速率指標(biāo)：是指每溶解1Kg溶氧消耗的電能。2、影響傳氧速率的因素有溶氧系數(shù)kLa和推動力(C*-C),ka值與攪拌、空氣線速度、空氣分布器L的形式和發(fā)酵液的黏度等有關(guān)。3、通氣攪拌反響器的攪拌槳葉類型①圓盤平直葉渦輪攪拌器適用于各種流體，包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。②圓盤彎葉渦輪攪拌器適用于混合要求特別高，溶氧速率相對要求較低的發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)。③圓盤箭葉渦輪攪拌器其攪拌流型與上述兩種渦輪相近；軸向流淌更猛烈，混合效果較好；④型凹葉圓盤渦輪槳 是圓盤彎葉渦輪和圓盤箭葉渦輪的改進(jìn)型，兼具二者優(yōu)點。P36⑤功率消耗：平直葉最大，彎葉次之，箭葉再次，型凹葉最小。第四節(jié)溶氧系數(shù)及其測定一、溶氧系數(shù)常見的形式kLa---以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù)[單位為1/h，即m2m/(hm3)]kGa---以氧分壓差為推動力的溶氧系數(shù)〔mol/ml.h.atm)kd---亞硫酸鹽氧化值〔mol/ml.min.atm)Kv---與kd一樣，但單位表示不同(kmol/m3.h.atm)kLa二、溶氧系數(shù)的測定Ka呢？?KaL L亞硫酸鹽氧化法原理：在反響器中含有Cu2+或Co2+為催化劑的亞硫酸鈉溶液，進(jìn)展通氣攪拌，亞硫酸鈉與溶解氧NaSO2 3溶解，馬上就反響。氧的溶入速度(氧的傳遞速度)打算反響速度。反響式如下：2NaSO+ O2→2 32NaSO2 4在小型試驗設(shè)備中，可無視進(jìn)出口空氣的壓力變化，在1atm，25℃時空氣中氧的分壓為0.021MPa，氧氣溶于水的亨利定律常數(shù)為4.58×104，由此可算出與之平衡的純水中的氧濃度C*=0.24mmol/L，一般規(guī)定C*=0.21mmol/LKa102數(shù)量級。L亞硫酸鹽氧化法測定Ka不需特地的儀器設(shè)備，適用于搖瓶及小型試驗罐Ka測定。大型反L L應(yīng)罐假設(shè)使用此法，將耗用大量的NaSO。2 3溶氧電極〔動態(tài)法〕1、原理：把溶氧濃度變成電流信號.。形成一個有肯定容積的電池，在電池內(nèi)參加數(shù)毫升的電解質(zhì)溶液5mol/LHAc+0.5mol/LNaAc+0.1mol/LPbAc陽極上： Pb→Pb2+ +2e陰極上：2e+1/2O2+HO2 2→2OH-假設(shè)將此電極插入待測的攪拌液體中，在兩極間接一電流表，此電流的大小正比與測量液體中的溶氧速率。所以電極產(chǎn)生的電流強度與測量液體中的溶氧濃度成正比。2、測量方法NaSO

水溶液中，攪拌，此時電流計的指示值定為溶氧值2 3100%。電極使用前，浸在NaSO2 3

水溶液中，將正負(fù)極短路，使電池內(nèi)液中的溶氧為零。化，溶氧濃度的變化速率等于溶氧速率和好氧速率之差。Qdc=Ka(C﹡－C)－Q2dt L O2

XQO2

〔呼吸強度Xconcentrationofbiomass〔g/l；C=mmol/L附：動態(tài)法測量Kla的原理和方法。kLa氧處于不平衡狀態(tài)〔Nv≠r。.3原理：為0.6~1.0v時，溶解氧被復(fù)原成HO。酸性時：O + 2H+ + 2e→HO22 2 22中性或堿性時：O+2HO+2eHO+OH-與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生上述電極反響2 2 22成正比。排出的氧氣。氧氣是氣體，要用到抱負(fù)氣體方程：PV=nRTRT

=PXQRT

mol/min，Nv=n nV

O2進(jìn) mol/minL進(jìn) Nv=

1RVL

XiQiTi

－QPX－0 0 T0

L)， Nv：mmol/L·hr，Ka=Nv/L〔C*－C，C*－CC*－CC*iC*0

的對數(shù)平均值此法可測量真實培育體系中的Ka，準(zhǔn)確度比較好。用的儀器是溶氧電極，流量計和氧。L主要有哪幾種測量Kla的方法，說明它們的適用場合。主要有亞硫酸鹽氧化法、溶氧電極法和氧的衡算法。亞硫酸鹽氧化法不能用于測定真實發(fā)酵Kla，大、小反響器均可用該法KlaKlaKLa〔1〕NPg，可以有效提高Kla〔2〕增大通氣量Q，Vs;(3〕Nv〔傳氧有效速率KLaC*。4〕高徑比調(diào)整。5〕向發(fā)酵液中添加少量的水不溶另一液相，氧在這一液相中具有比在水中高得多的溶解度。第五節(jié)攪拌功率的計算一、軸功率〔機械攪拌功率〕概念的功率，簡稱軸功率。包括內(nèi)容：它不包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機軸功率或耗用功率。等。不同狀況下軸功率的計算：依據(jù)攪拌液體在通氣與否的條件可分為以下幾種：單渦輪不通氣條件下軸功率多渦輪在不通氣條件下軸功率二、軸功率的計算1、單渦輪不通氣條件下軸功率〔P0〕計算P與以下因素有關(guān)：攪拌罐的直徑T、液柱高度HL、液體粘度μ、攪拌器直徑D，攪拌型式、0攪拌器轉(zhuǎn)速N、液體密度ρ、重力加速度g以及有無擋板等15個參數(shù)。攪拌罐直徑T、液位高度HL與攪拌器直徑D有肯定的比例關(guān)系，可以作為獨立參數(shù)。ReM=(ND2)/——攪拌狀況下的雷諾系數(shù)P0——無通氣時攪拌器輸入液體的功率(W)ρ——液體密度〔kg/m3〕μ——液體粘度〔N.s/m2〕D——渦輪直徑〔m〕N——渦輪轉(zhuǎn)速〔轉(zhuǎn)/分〕k、m、n值為與攪拌器型式、攪拌罐比例尺寸有關(guān)的常數(shù)，在具有擋板的狀況下，液面不產(chǎn)生中心下降的漩渦，此時指數(shù)n＝0。具有擋板的狀況下：P0/(N3

D5)=K[ND

2/]mNp=KReMm=K[ND2/]m 〔ReM＝ND2/〕P0=NpN3D52、Np=P0/(N3D5)——功率準(zhǔn)數(shù)Np〔表示機械攪拌器所施加于被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性力之比〕圓盤六平直葉渦輪Np＝6.0圓盤六平直葉渦輪Np＝6.0(6.2)圓盤六彎葉渦輪Np≡4.7(4.8)圓盤六剪葉渦輪Np≡3.7因此計算出ReM，就可知Np3.通氣狀況下的軸功率〔Pg(3.9)，軸功率為P0=〕的計算NpN3D5通氣準(zhǔn)數(shù)Na：它表示發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌葉頂端流速之比。同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入通氣液體的功率比不通氣流體的為低;可能的緣由是由于通氣使液體的重度(密度?)降低導(dǎo)致攪拌功率的降低。ND3/Q0.56]0.45福田秀雄公式:Pg=f〔P02ND3/Q0.08〕m進(jìn)一步通過試驗作圖得修正后的Michel公式：Pg=2.25[P02ND3/Q0.08]0.39×10-3Pg、P0——通氣與未通氣的軸功率wN——攪拌器轉(zhuǎn)速1/minD——攪拌器直徑cmQ——通氣量ml/min〔f---頻率因子〕1.8m1；裝配單只圓盤六彎葉渦輪，直徑0.60m；罐內(nèi)裝四塊擋板，攪拌器轉(zhuǎn)速168r/min，通氣流量Q＝1.42m3/min(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)，醪液粘度μ=1.96×10-3N.s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3MichelPg。解：醪液為非牛頓型流體，ReM＝ND2/=〔168÷60〕×0.62×1020/1.96×10-3=5.2×105＞104流體呈湍流狀態(tài)對于圓盤六彎葉渦輪Np≡4.7P0=Np N3D5=4.7×1020×1683×0.65W=8.07×103W=8.07KwPg=2.25[P02ND3/Q0.08]0.39×10-3Pg=2.258.072×168×0.63/1.420.08]0.39×10-3Kw=6.55Kw三、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征四種流體的流變特征線表示為： τ =Κ〔dω /dγ〕nτ 相鄰兩層流體間的剪應(yīng)強度Κ 均勻性系數(shù)dω /dγ 剪應(yīng)速率n 流淌特性指數(shù)①對牛頓流體：n=1，Κ=μ為常數(shù)②彬漢塑性n=1，Κ=μp③擬塑性流體n＜1，n四、非牛頓流體的軸功率計算1、可用Np＝ReMm的關(guān)系式進(jìn)展計算2、牛頓型流體與非牛頓型流體的Np～ReM曲線根本吻合，差異僅在ReM＝10～300區(qū)間之內(nèi)。3、粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必需事先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計算不同攪拌轉(zhuǎn)速下的ReM。4、應(yīng)按不通氣時所需攪拌功率來確定，這是由于滅菌及發(fā)酵前期不進(jìn)展通氣或通氣量很少。5、用水解糖液、糖蜜等原料作為培育液的細(xì)菌醪、酵母醪均屬于牛頓型流體。6直接用淀粉、豆餅粉原料的低濃度細(xì)菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。7、至于霉菌醪、放線菌醪，不管用什么原料作為培育液，均屬于非牛頓型流體。第四章連續(xù)培育動力學(xué)一、連續(xù)培育特點1、定義〔pH度、恒定的比生長速率〕下生長的發(fā)酵方式。優(yōu)點物為目的，便于進(jìn)展微生物的代謝、生理、生化和遺傳特性的爭論；在工業(yè)上可削減分批培育中每次清洗、裝料、滅菌、接種、放罐等操作時間，提高生產(chǎn)效率；產(chǎn)物質(zhì)量比較穩(wěn)定；所需設(shè)備和投資較少，便于實現(xiàn)自動化。缺點連續(xù)培育的細(xì)胞在開放系統(tǒng)中進(jìn)展的，發(fā)酵過程易染菌；在長時間的培育過程中，微生物菌種簡潔發(fā)生變異；參加的培育基與原有的培育基不易完全混合，影響培育和養(yǎng)分物質(zhì)的利用。二、單罐連續(xù)發(fā)酵的動力學(xué)單罐連續(xù)發(fā)酵的前提和假定在穩(wěn)定狀態(tài)下單罐連續(xù)發(fā)酵的物料平衡，各參數(shù)變化等于零。重要假定，即指連續(xù)發(fā)酵過程中菌體、基質(zhì)、氧等在培育基中均是混合均勻。假定微生物完全沒有死亡〔死亡比速為0〕稀釋率D與菌體比生長速率μ的關(guān)系〔穩(wěn)態(tài)條件〕對微生物細(xì)胞作物料平衡積存=流入-流出+生長-死亡dX/dt=(F/V)X0-(F/V)X+μX-αXX0,X 分別為流入和流淌身酵罐的細(xì)胞濃度〔g/L〕F 培育基流速〔L/h〕V 罐內(nèi)液體體積〔L〕μ、α 分別表示比生長速率和比死亡速率對于一般單級恒化器〔恒流速〕而言，因流入料液為穎培育基不含有任何細(xì)胞即X0=0;μ>>α則：dX/dt=(μ-F/V)X 令dX/dt=0則有：μ=F/VF/V被稱為稀釋率〔dilutionrate〕用符號“D”表示。μ=D稀釋率D：指加料流量與反響器有效體積的比值〔F/VR〕,h-1。均勻混合連續(xù)發(fā)酵穩(wěn)定狀態(tài)的前提是D=μ，即稀釋率D等于比生長速率μ。稀釋率Dh-1〔F〕占罐內(nèi)培育液總體積〔V〕的分?jǐn)?shù)。D的倒〔1/D〕用t表示，則是培育基在罐內(nèi)平均停留時間。爭論：假設(shè)D<μ，則dX/dt>0，培育液中微生物細(xì)胞的濃度隨時間而增加。假設(shè)D>μ，則dX/dt<0，〔washout〕發(fā)酵罐外而削減。假設(shè)D=μ，dX/dt=0，細(xì)胞濃度不隨時間而變化。稀釋率D對菌體濃度和底物濃度S物料循環(huán)比〔體積比積存=流入-流出-生長消耗-維持消耗-產(chǎn)物消耗dS/dt=(F/V)S0-(F/V)S-μX/YX/S-mX-qPX/YP/S同細(xì)胞生長相比，細(xì)胞對限制性底物的維持需求往往是很低的，而且產(chǎn)物形成對限制性〔dS/dt=0，因F/V＝D,上式可簡化為：D(S0-S)=μX/YX/S將D=μ代入得：X=YX/S(S0-S) －〔1〕D=μ代入到Monod方程中μ=μmaxS/(KS+S)得：D=DCS/(KS+S)－〔2〕DC 臨界稀釋速率，代表恒化器所能運行的最大稀釋速率。D=DCS/(KS+S) －〔2〕DC 臨界稀釋速率，代表恒化器所能運行的最大稀釋速率。DC=μmax將〔2〕式整理得：S=DKS/(μmax-D) －〔3〕將〔3〕代入〔1〕得：X=YX/S[S0-DKS/(μmax-D)] －〔4〕(4)兩邊乘以稀釋率D得：P=DX=DYX/S[S0-DKS/(μmax-D)] －(5)P對D求一階導(dǎo)數(shù)得：Dmax=μm{1-[Ks/(Ks+S0)]1/2} －(6)連續(xù)培育原理度后〔對數(shù)生長期以后由于內(nèi)中含有有毒害細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，發(fā)酵罐內(nèi)的毒物也不會積存。只要操作得當(dāng)，將使罐內(nèi)微生物始終處于旺盛的對數(shù)生長期，而不進(jìn)入穩(wěn)定期。連續(xù)培育的應(yīng)用目前主要用于面包酵母的生產(chǎn)、及污水處理。連續(xù)培育在科研領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在

、Ks(2)確定最佳培育條件。例如面包酵母生產(chǎn)中最正確葡萄糖濃度確實定。(3)m

消滅象進(jìn)展菌種的篩選。放大判據(jù)VVMVsL多極連續(xù)培育有助于解決兩個沖突：?〔1〕解決不同生產(chǎn)階段有不同生產(chǎn)要求的沖突；?解決快速生長和養(yǎng)分物充分利用之間的沖突。論述題：閱歷說明，易退化的高產(chǎn)菌株不適宜連續(xù)發(fā)酵操作模式，試分析緣由，并證明之易退化的高產(chǎn)菌株在反響器中易形成高產(chǎn)菌株〔A〕和退化菌株〔B〕,在同一反響則被洗掉而淘汰。對于A、B兩種微生物的混合連續(xù)培育，微生物的比生長速率與同一限制性底物濃度的關(guān)系SB。2AB，B被洗掉，ASA。3DA，穩(wěn)態(tài)限制性底物濃度為SA,BBA，SB。D1A，D2B。VVM放大前VVM放大前1放大后1放大前1放大后3.33Vs10.311Ka10.51311.71及根本方法運用放大技術(shù)。一般承受相像原理進(jìn)展比較放大。比較放大的根本方法：找出表征此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有肯定物理含義的無因次數(shù)；建立發(fā)酵罐和各種參數(shù)間的函數(shù)式；試驗設(shè)備幾何相像的大型設(shè)備的設(shè)計。比較放大的根本原則：分散等根本假設(shè)之上的；放大與通氣、攪拌等技術(shù)構(gòu)成了生化工程的核心局部。二、發(fā)酵罐比較放大基準(zhǔn)和放大方法〔一〕幾何尺寸放大幾何尺寸比較放大的應(yīng)用范圍：主要應(yīng)用在罐的尺寸、攪拌器及罐內(nèi)各部件位置等。比較放大的根本方法：在反響罐的放大中，放大倍數(shù)實際上就是罐的體積增加倍數(shù)。放大倍數(shù)m=V /V放大 模型V2V1 2 2 一般要保持幾何相像的原則，那么H =H =常數(shù)， =〔D 〕3=m,D =H =m1/3,V2V1 2 2 D D D D H1 2 1 1 1 1D 罐內(nèi)直徑，m;V 罐的體積,m3;H 度，m；下標(biāo)“1”——-模型罐；下標(biāo)“2”——放大罐?！捕晨諝饬髁糠糯骎sPD2有〔VVM〕= L

m3/m3

min〔VVM〕∝

V PD2S1 L457.76Vt VL L下面爭論三種空氣流量的放大方法:以單位培育液體積中空氣流量一樣的原則放大：(即VVM為常數(shù))=V DP=S2 2 V DPS1 1 2

，V可求S2Vs1.Vs2 模型罐和放大罐的空氣直線流速，m/minV

=V，(VVM )S2 S1 2

==DP〔VVM〕12212

可求。

(VVM ) DP1 21以KLa值一樣的原則放大P1P2有：(VVM ) P1P2(VVM )1 2

D×〔 〕 2/3×〔 〕 1D2用不同的放大原則放大反響器的結(jié)果是不同的。舉例如下：假設(shè)V/V=125,D=5D1,P=1.5P2 1 2 2 1125vvmVsVs3.33，還簡潔使攪拌器處于被空氣所包圍的狀態(tài)，不能加強氣液接觸和攪拌液體的作用。假設(shè)以Vs一樣方法進(jìn)展放大，則VVm值在放大后僅為放大前的30%。此值又過低。因此人們認(rèn)為以KLaVVmVs〔三〕以體積溶氧系數(shù)〔KLa〕值一樣的原則放大〔即Kla為常數(shù)〕放大的依據(jù)有的菌種在深層發(fā)酵時耗氧速率很快，因此溶氧速率能否與之平衡就可能成為生產(chǎn)的限制性因素；耗氧速率可以用試驗法測定；在小型試驗發(fā)酵罐里進(jìn)展發(fā)酵過程，用適當(dāng)?shù)膬x器記錄發(fā)酵液中的溶氧濃度。Vs2/Vs1=(T2/T1)1/3(VVM)2/(VVM)1=(T1/T2)2/3P2/P1Vs1.Vs2 模型罐和放大罐的空氣直線流速，m/minT1.T2 模型罐和放大罐的罐徑，mP1.P2 模型罐和放大罐的平均罐壓，Pa(VVM)1.(VVM)2-----模型罐和放大罐的空氣流量，m3/(m3.min)〔四〕恒定等體積功率放大主要的內(nèi)容；對于肯定性質(zhì)的液體，由于攪拌功率的大小取決于攪拌轉(zhuǎn)速n和攪拌器直徑Di，因此攪拌功率的放大實際上是n和Di的放大；攪拌功率以及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)放大的方法很多，常用于發(fā)酵罐的三種放大方法如下：〔1〕以單位體積培育液所消耗的功率一樣原則放大1

,Np不變功率準(zhǔn)數(shù)：Np=Po/(ρN3D5)∴Po∝N3D5，V∝D3因此Po/V∝N3D2∴NN=(D/D)2/32/ 1 1 2〔P〕/〔P〕=(N/N3(D/D5 ? 120 2 0 1 2 1 2 112N2/N112N2/N1=(D1/D2)0.745[Vs2/Vs1]0.08Pg2/Pg1=(N2/N1)3·(D2/D1)5=(D2/D1)2.756[Vs2/Vs1]0.2412以體積傳質(zhì)系數(shù)KLa相等的原則放大由于氣液接觸過程中，傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式較多，以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)按(K按(KLa)2=(KLa)1原則N2=N1[Vs]1/(Vs)2]0.23(D1/D2)0.533(pg)2=(pg)1[Vs]2/(Vs)1]0.067(D2/D1)3.667除上述放大原則以外，還有兩個原則需要考慮：?以恒定攪拌葉輪尖端線速度作為放大原則〔或者作為校正原則〕攪拌葉輪尖端線速度稱為周線速度。假設(shè)僅僅保持KLa相等或者Po/V相等，可能導(dǎo)致嚴(yán)峻250~500cm/sN2/N1=D1/D2 在放大倍數(shù)不大時可行混合時間的定義是把少許具有與攪拌罐內(nèi)的液體一樣物性的液體注入攪拌罐內(nèi)，兩者到達(dá)分子水平的均勻混合所需要的時間。放大倍數(shù)越大混合時間越長(6)攪拌液流速度壓頭〔H、攪拌液流循環(huán)量〔Q〕Q/H攪拌液流速度壓頭〔H〕正比于渦輪周線速度的平方：H∝(N·D)2攪拌液流循環(huán)量〔Q〕正比于渦輪的旋轉(zhuǎn)面積及周線速度：Q∝(π·N·D)(π／4D2)∝N·D3Q增大N對提高溶解氧濃度更為有效，增大D對縮短混合時間更為有效。Q/H比值成為比較放大中的一個重要的附加指標(biāo)。10L10000L。小發(fā)酵罐的高徑比H/T3，攪拌器直徑DT30％500r/minP0/V數(shù)恒定為放大原則確定大發(fā)酵罐的直徑和攪拌轉(zhuǎn)速。解：由于發(fā)酵罐為圓柱形，因此，V=π/4T2HH/T=3，所以。V=3/4πT3=10L解得小罐的幾何尺寸：T=0.162m,H=0.486m,D=0.049m放大倍數(shù)：m=10000/10=1000依據(jù)幾何尺寸相像的原則，得出大罐的幾何尺寸：T=1.62m, H=4.86m, D=0.49m依據(jù)P0/V恒定的原則進(jìn)展放大，則N3T2為常數(shù)。因此有N2=N1(T1/T2)2/3

=500×(1/10)2/3

=107(r/min) 1、2NTN2=N1(T1/T2)=500×(1/10)=50(r/min)NT2為常數(shù)。因此有因此有=500×(1/10)2=5(r/min)第六章 力學(xué)第一節(jié)動力學(xué)分類依據(jù)爭論對象分：分子水平動力學(xué)：酶反響動力學(xué)〔動力學(xué)等〕一、細(xì)胞反響過程的反響速率1.確定速率〔速率：是在單位時間、單位體積某一組份的變化量。細(xì)胞生長速率為——單位時間內(nèi)單位體積培育液中所含細(xì)胞(或菌體)干重的變化量。即，rx=dCX/dt基質(zhì)和氧的消耗速率rS、rO2為：rS＝-dCS/dtrO＝-dCO/dt〔攝氧率〕rP、rCO2、rHrP＝dCP/dtrC=dCCO2/dtrH=dCHv/dt單位：g/(L.h)kJ/(L.h)2.比速率——是以單位濃度細(xì)胞〔或單位質(zhì)量〕為基準(zhǔn)表示的各個組分變化速率。細(xì)胞生長比速率：μ=1/CX·dCX/dt基質(zhì)消耗比速率： qS=1/CX·dCS/dt (ν)氧消耗比速率： qO2=1/CX·dCO/dt 產(chǎn)物生成比速率: qP=1/CX·dCP/dt〔Qp〕反響熱生成比速率：qHv=1/CX·dCHv/dt單位：h-1或kJ/(g.h)二、得率系數(shù)：是基質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞或其他產(chǎn)物潛力的定量評價。得率系數(shù)可用于對碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)展定量評價。其次節(jié)細(xì)胞生長動力學(xué)一、分批培育時的細(xì)胞生長動力學(xué)1、延遲期：X=X0·eμm(t–tL)tL=t-(2.3/μm)log(X/X0)2、對數(shù)生長期：μ＝μmrx=dX/dt=μm·X3、減速期：μ=μmS/(Ks+S) rx=