生化工程专业资料

第二章生化反映动力学基础（一）反映速率及其测定由于每一瞬间的反映速率都不相同，所以用瞬时速率表达反映速率。设瞬时dt内反映物浓度的很小的改变为dc，则：有时反映物速率也可用单位时间内生成物浓度的增长来表达，即：（二）反映分子数反映分子数是在反映中真正互相作用的分子的数目。仅有1个反映的分子参与的反映称为单分子反映，有两个反映物分子参与反映称为双分子反映单分子反映的速率方程式（或称动力学方程式）是：AP双分子反映的速率方程式是：A+BP+Q判断一个反映是单分子反映还是双分子反映，必须先了解反映机制，然而反映速率与浓度的关系即可用实验方法来测量。（三）反映级数1.一级反映凡是反映速率只与反映物的浓度的一次方成正比的，这种反映就称为一级反映。T1/2叫半衰期，即有一半反映物转为产物所需的时间。即速率常数与半衰期成反比，半衰期与反映物的初浓度无关。换言之，不管反映物的初浓度是多少，半衰期是同样的，这也是一级反映的一个特性。2.二级反映凡是反映速率与反映物质浓度二次方（或两种物质浓度的乘积）成正比的，这种反映就称为二级反映。二级反映是最常见的。 上式表白二级反映的半衰期与初浓度成反比。换句话说，初浓度愈大，反映物减少一半所需的时间愈短，这也是二级反映的一个特性。3.零级反映凡是反映速率与反映物浓度无关而受它种因素影响而改变的反映称为零级反映，即反映速率为一常数。,初浓度愈大，半衰期愈长。第三章微生物发酵动力学第一节发酵动力学概述1、发酵（fervere）过程反映的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）2、发酵研究的内容：菌种的来源——找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力3、发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的互相作用随时间变化的规律的科学。对发酵过程进行合理的设计优选控制优化5、发酵反映动力学的描述方法：细胞生长动力学，反映基质消耗动力学，代谢产物生成动力学6、发酵过程的种类：1）分批培养（batchculture）；2）补料分批培养(fed-batchculture)；3）连续培养(continuousculture)。第二节分批培养动力学：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反映，通过一定期间后将所有反映系取出。培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。1、微生物的生长速度：菌体的比生长速率specificgrowthrate(h-1、s-1)每单位细胞浓度的生长速度dX/X=µdt（1）积分，最后得lnX2-lnX1=µ(t2-t1)X2与X1分别代表t2和t1时的细胞数量，测定从X1增长到X2所用的时间和X2与X1的量，就可以求出该条件下的µ例：初始时每ml培养液中细菌数为104，通过4小时后该培养液中细菌的数目增长到108，求此条件下细菌的比生长速率（µ）lnX2-lnX1=µ(t2-t1)换成以10为底的对数lgX2-lgX1=µ(t2-t1)/2.303µ=(lgX2-lgX1)/(t2-t1)´2.303=(8-4)/4´2.303=2.303h-1代表在该条件下，每个细菌以每小时增长2.303个细菌的速度增长倍增时间：td即在X2=2X1时所需时间，td=ln2/μ=0.693/μ2.1微生物生长动力学例：某微生物的μ＝0.125h-1，求td。XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+m(维持)菌体的生长比速：(h-1)基质的消耗比速：(h-1)产物的形成比速：(g产物/g细胞·h)维持消耗系数：(h-1)1、无克制的细胞生长动力学——Monod方程现代细胞生长动力学的奠基人Monod指出，在培养基中无克制剂存在的情况下，细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表达：μ：菌体的生长比速S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速度2、单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。S<<Ks时µ=µmaxS/Ks；当S=Ks时µ=0.5µmax；S>>Ks时µ®µmax.Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S633641532212.2基质消耗动力学XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+m(维持)维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。S2wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww3S1SS3S2wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww3S1S1．得率(或产率，转化率，Y)：涉及生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。1）生长得率(Yx/s)：每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)Yx/s=ΔX／ΔS菌体生长的过程中的得率常数可分为三类：①与生长过程的效率成本有关：、、②与代谢过程有关：、、③与能量代谢有关：2）产物得率(Yp/s)：每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。Yp/s=ΔP／ΔSXS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+m(维持)物料衡算：m:维持消耗系数；YX/s:细胞对基质的得率系数（g细胞/g基质）；YP/s:产物对基质的得率系数（g细胞/g基质）2.3产物形成动力学〖一类发酵〗产物的形成和菌体的生长相偶联类型Ⅰ：是指产物的生成与细胞的生长相关的过程，此时产物通常是基质的分解代谢产物，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。动力学方程为：〖二类发酵〗产物的形成和菌体的生长部分偶联类型Ⅱ：反映产物的生成与细胞生长仅有间接关系。在细胞生长期内，基本无产物生成。动力学方程为：或〖三类发酵〗产物的形成和菌体的生长非偶联类型Ⅲ：产物的生成与细胞的生长无直接联系。它的特点是当细胞处在生长阶段时，并无产物积累，而当细胞停止生长后，产物却大量生成。或分批发酵过程的生产率：生产率是以单位体积发酵液单位时间产生的产物克数（g/L·h）表达的，是对发酵过程总成果的一种衡量。2、发酵周期：从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，tc——放罐清洗时间tf——装料消毒时间tl——生长停滞时间非发酵时间总生产率:，第三节连续培养及其动力学连续培养（continuousculture）：以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。恒定状态(steadystate)：在连续培养系统中，微生物细胞的浓度、比生长速率和环境条件（如pH、营养物质浓度和产物浓度），均处在不随时间而变化的稳定状态之下。1、常见连续培养设备：(1)恒化器Chemostat：控制限制性营养物流速保持不变，使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖（2）恒浊器Turbitostat：根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速的连续培养器。在恒浊器中，微生物可维持该培养在分批培养时达成的最大生长速率2、单罐连续发酵的动力学单罐连续发酵的前提：1）稳态下连续发酵，各参数变化等于零。2）反映器内全混流溶质浓度处处相等。3）微生物完全没有死亡。1）基于细胞量的物料平衡（恒流速）细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率－细胞的死亡速率＝细胞的积累速率，稳定状态时，所以。在连续培养技术中被称为稀释速率，用符号“D”表达（等于培养液在罐中平均停留时间的倒数）在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释速率。2）基于限制性营养成分的物料平衡养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速率－用于产物形成的养分消耗的速率＝养分在系统中积累的速率。，稳定状态时，得得Dc=μm临界稀释率3）连续培养过程产率P是D的函数什么时候产率最大？dP/dD=0Xm=Yx/s[(S0+KS)-Ks1/2(S0+KS)1/2]S0>>Ks,达成最大的细胞产率的稀释率，并不等于达成最大的细胞得率时的稀释率。因此，过程的最佳化往往必须采用折衷的方法，要同时考虑到产率、转化率和流出液的残留基质浓度。4）分批培养与连续培养过程产率的比较连续培养的优点：①高效，缩短发酵周期和提高了设备的运用率；②优化控制，便于运用各种仪表进行自动控制；5）连续培养过程中的重要问题稳定性问题：1）菌种的稳定性；回复突变；菌种退化；对策：无对策，停止操作，重新更换培养液和菌种2）培养基的稳定无菌度问题：培养周期长对策：保持设备的密闭性；培养液、空气、设备、管道、阀门严格灭菌；在发酵液中加入抗菌药物，并使培养菌种适应当药物匀态问题控制问题放大问题第四节、补料分批培养简介（fed-batchculture）1、补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养，流加发酵，它是在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。2、应用范围∶单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸、高聚物、核苷酸3、补料分批培养的类型：1）单一补料分批培养：只进不出，直到培养液到定额为止；“准恒定状态”quasi-steadystate。2）反复补料分批培养在一定间隔的时间内，在取出一定体积的发酵液的同时，加入相同体积培养基。4、补料分批发酵的特点：介于分批培养和连续培养之间；非封闭系统；发酵罐内的培养基体积是随时间和物料流速而变化的变量。发酵系统中维持很低的基质浓度。5、补料分批培养的优点：可以避免底物、产物的克制和阻遏效应维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾，提高有用产物转化率使细胞处在连续的过渡态阶段，便于进行理论研究。便于进行培养过程的最优化和自动控制。6、补料分批培养和连续培养、分批培养的比较补料分批培养V.S.分批培养：解除底物克制、代谢阻遏补料分批培养V.S.连续培养：不易染菌，菌种不易老化变异第五节、基因工程菌的发酵基因工程：在生物体外对DNA分子进行重新组合，然后克隆到适合的受体细胞，进行增值和表达的遗传操作。基因工程菌：微生物为操作对象，通过基因工程技术获得的表达外源基因的工程生物体。工程菌应具有的条件：高产，易培养，安全，易控制，稳定。细菌和酵母是重要的表达重组药物的制药生物。基因工程菌的培养特点培养装置：不仅要防止外部微生物侵入罐内，还必须采用不使培养物外漏。培养技术（培养基、接种量、温度、溶氧）菌株和质粒稳定性Fn——质粒保持率1.培养基培养基的组成既要考虑提高工程菌的生长速率，又要保持重组质粒的稳定性，还要使质粒中的外源基因得以高效率的表达。采用天然培养基培产时质粒稳定件较用合成培养基为高。培养基成分尽量简朴，以便分离产物。2.接种量接种量大：可以缩短发酵周期，减少染菌的机会；但是菌体生长过快，代谢产物积累过多，对菌体后期的生长有克制作用。接种量少：延迟生长，整个发酵周期长，不利于外源基因的表达。接种量为：10%3.发酵温度温度对基因工程菌培养的影响是多方面的，温度对基因表达和调控的作用发生在：复制、转录、翻译三个方面。温度还影响蛋白质的表达形式重组人生长激素的发酵：30℃培养，目的产物（激素）是可溶性的；37℃培养，目的产物形成包含体。4.溶氧的影响过低的DO值，影响菌体的生长，成为菌体生长的限制性因子。DO值>40%，才有助于外源基因的表达。运用工程菌Ecoli.W3100/PGM—CSZ生产巨嗜细胞集落刺激因子，假如，发酵液的DO值低于20%，则会产生大量的杂蛋白，影响产物的合成与分离提出。培养装置培养技术菌株和质粒稳定性Fn——质粒保持率工程菌的防护问题1、实验室DNA重组实验的基本原则:生物安全(Biosafety)!!!1）物理密封方法：将重组菌封闭于设备内，以防止传染给实验人员和向外界扩散。物理密封由密封设施、实验室设计和实验注意事项组成。P1、P2、P3和P4级。2）生物密封方法：用只有在特殊培养条件下才干生存的宿主，同时用不能转移至其它活细胞的载体，B1、B2级数字越大，密封水平越高。2、基因工程菌工业化培养的基本原则LS-1、LS-2级：LS-1标准要点：培养设备可以防止重组菌外漏，可以在密封的状态下，对设备进行灭菌。培养装置的尾气需要通过除菌或灭菌后方可以排除到大气中。泡沫过多的培养过程，规定有专用的泡沫收集装置。发酵液的后解决，涉及：菌体分离、破碎等工艺，须在密闭的设备内或者安全柜内进行。3.基因重组菌外漏的防范(1)排气(2)取样(3)接种：向罐内直接接种的方法是不安全的。安全接种法：（1）将种子瓶与培养罐以管相连接后，用无菌空气加压压入的方法。（2）先把种子液在安全柜内移至供接种用的小罐内，再将其与培养罐连接，用蒸汽对连接部分灭菌后，把种子罐中的种子液接入培养罐内。(4)培养后的灭菌：一定要另行安装排水管并与废液灭菌贮槽等相连接，以便徘放污水。(5)排液：在培养开始前就将排液口与下段工序相连接并进行灭菌，这样培养于结束即可直接输送培养液。假如排液口未与下段工序相连那就应与连结废液灭菌罐的排水管道相接，这样就安全了。第四章酶及微生物细胞的固定化第一节固定化酶酶的固定化是将酶与水不溶性载体结合，制备固定化酶的过程固定化酶(immobilizedenzyme)：是指被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。固定化酶的优、缺陷：优点：纯化简朴，底物与产物容易分开；可反复使用；稳定性高；反映条件易控制，可以装塔连续反映；较水溶性酶更适合于多酶反映；增长产物的收得率，提高产物质量。缺陷：载体与试剂较贵；酶固定化回收率低；胞内酶固定化还要增长分离成本；合用于水溶性小分子底物。评价固定化酶的指标⒈酶活：在25℃，具有最适底物浓度，最适缓冲液离子强度和pH系统内一分钟转化一个微摩尔底物所需的酶量。⒉活力回收率=固定化酶总活力/被固定化游离酶总活力*100%，或称偶联效率、活力保存百分数。⒊操作半衰期：衡量稳定性的指标。连续测活条件下固定化酶活力下降为最初活力一半所需要的时间（t1/2）1.3酶固定化的方法：吸附法，包埋法，共价键结合法，交联法。㈠吸附法：物理吸附法：将酶固定到非水溶性载体上的方法优点：固定化时酶分子的构象很少或基本不发生变化。缺陷：结合力弱，易解吸附。选择吸附剂的原则：⑴要有巨大的比表面积；⑵要有活泼的表面；⑶要控制颗粒形状、大小，便于装柱进行连续反映。常用吸附剂：无机载体：氧化铝、活性碳、皂土、硅藻土、多孔玻璃、硅胶。有机载体：火棉胶膜、胶质膜、微孔玻璃载体。离子吸附法：通过离子键将酶结合到具有离子互换基团的非水溶性载体上的方法第一个离子结合法固定化酶：DEAE—Cellulose（固定化过氧化氢酶）第一个工业化的固定化酶： DEAE-SephadexA-50（固定化氨基酰化酶）选择吸附剂的原则：对酶有高亲和力，不会引起酶失活；吸附容量大，不吸附反映产物和酶克制剂。常用吸附剂阴离子互换剂DEAE—Cellulose二乙基氨基乙基纤维素DEAE—SephadexA-50DEAE—Sepharose阳离子互换剂CM—Cellulose羧甲基纤维素IRC-50IRC-120㈡包埋法EntrappingMethod：将酶物理包埋在高聚物内的方法1.网格型：将酶包裹在高分子凝胶的微小格子中，聚丙烯酰胺、海藻酸、角叉菜胶（卡拉胶）等2.微胶囊型：将酶包裹在球形高分子半透膜中，聚酰胺、聚脲、聚酯㈢共价键结合法：将酶蛋白分子上的非必需官能团和聚合物载体上的反映基团通过共价键形成不可逆的连接的方法技术要点：将所选用的载体上的有关基团活化，然后和酶蛋白上有关基团（游离氨基、游离羧基、巯基、咪唑基、酚基、羟基、甲硫基、吲哚基）发生偶联反映。常用方法：重氮化法，烷基化法，芳基化法常用载体

⑴天然高分子。如纤维素，葡聚糖凝胶（Aephadex），琼脂糖（Agarose，Sepharose），卡那胶，淀粉及其衍生物。（运用-OH）

⑵人工合成的高聚物，如聚丙烯酰胺，聚苯乙烯，聚乙烯醇，氨基酸共聚物等。（运用-NH2）

⑶无机载体，如多孔玻璃，硅胶等。（要加上一个基团），苯胺基多孔玻璃㈣交联法：运用双功能或多功能试剂与酶之间发生分子交联把酶固定化的方法交联法特点：①带有二个以上的功能基团。②反映比较剧烈条件比较严格。③操作方便，活力回收不高。1.4固定化酶的性质酶固定后，酶自身的结构必然受到扰动同时酶固定后，由于扩散限制效应、空间位阻作用以及载体性质等因素必然对酶的性质产生影响固定化酶的动力学方程：第二节细胞的固定化1、固定化细胞(immobilizedcell)就是被限制自由移动的细胞，即细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定的空间界线内，但细胞仍保存催化活性并能反复或连续使用包埋法：藻酸钙，琼脂，角叉菜聚糖吸附法：多孔玻璃陶瓷2、与固定化酶相比（1）免去了破碎细胞提取酶的手续（2）酶在细胞内的稳定性较高，完整细胞固定化后酶活性损失少（3）固定化细胞制备的成本比固定化酶低（4）无需辅酶再生3、固定化酶在工业生产上的应用:DL氨基酸的拆分Aminoacylase氨基酰化酶乙酰-DL—AlaL—Ala+乙酸 乙酰-D—Ala第五章生化反映器生化反映器的定义：生化反映器是为适应生化反映特点设计的反映设备。为以活细胞或酶为生物催化剂进行的细胞增殖或生化反映提供适宜环境，是生物反映过程中的关键设备。生化反映器的特点对反映器的严密性、材质及操作参数的检测有较高的规定。生化反映器的体积一般较大，或需要很长的反映时间。生化反映器的多样性生化反映器的发展方向生物反映器开发的趋势和末来的方向是：大型化，自动化，多样化生化反映器的分类及其操作特点按反映的相态分类：均相反映器、非均相反映器按催化剂的种类分类间歇式酶反映器；固定床、流化床（游离酶反映器）发酵罐；细胞培养装置按反映器的结构形式分类（四）按反映器的输入机械功率来源分类：1.机械搅拌式生化反映器2.鼓泡式生化反映器3.环流式生化反映器1.机械搅拌式反映器通气系统无菌空气制备系统空气分布器单管、环形管优点：pH值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。缺陷：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤2.鼓泡式反映器（Bubbletowerbioreactor）最简朴的气流搅拌生物反映器。以气流的动力实现反映体系的混合。罐内装有若干块筛板压缩空气由罐底导入，经筛板逐渐上升，并带动发酵液上升上升后发酵液通过筛板上带有液封作用的降液管下降而循环特点：培养基及操作合理，基本上可达成通用式发酵罐的水平优点：反映器结构简朴，易于操作，操作成本低；内无转动设备，能耗较低；反映器中的剪切力较小，适合于那些对剪切力敏感、并且容易染菌的细胞培养体系；由于避免了轴封，对保持无菌条件有利。缺陷：缺少控制流体运动的措施，其混合和氧传递效率较低3.环流式生化反映器1）气升环流式反映器在罐内装设导流筒（DraftTube），两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统在导流筒的下部装设空气喷嘴，以250~300m/s的高速喷入导流筒借助喷嘴的作用将空气分散ICI优点：结构简朴，无搅拌传动设备，节省动力约50%；反映溶液分布均匀；操作时无噪音；剪切力小，对生物细胞损伤小。维修、操作及清洗简朴，减少杂菌污染缺陷：对于粘度较大的发酵液溶解氧系数较低2）液体引射环流式反映器：带有中央吸气口的搅拌器浸在发酵液中的转子转子的空膛与大气相通发酵罐外的空气通过过滤器不断被吸入转子的搅拌使气体分散优点：无需空气压缩机及其附属设备；溶氧速率高，能耗较低；缺陷：罐内形成负压，增长染菌机会搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生物的正常生长（五）按反映器的运营方式和流动模型分类1、流体流动模型的概念及意义空混——流体在反映器内流动，不管其因何种因素而产生的流体粒子在反映器内相对位置发生变化而导致的物料微元之间的混合空混=∞粒子在空间发生最大限度的混合空混=0粒子在空间完全无混合返混——具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合返混=∞不同停留时间粒子完全混合返混=0粒子在反映器中停留时间相同1）间歇搅拌反映器(BSTR)流动模型特点由于剧烈搅拌，反映器内物料浓度达成分子尺度上的均匀，且反映器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反映的影响。空混=∞物料同时加入并同时停止反映，所有物料具有相同的反映时间。返混=0反映参数随时间变化，不随空间变化2）连续流搅拌反映器ContinuedStirredTankReactor(CSTR)反映物料以稳定流量流入反映器，在反映器中，刚进入的新鲜物料与存留在反映器中的物料瞬间达成完全混合。流动模型特点：反映器中所有空间位置的物料参数都是均匀的。空混=∞物料质点在反映器中的停留时间参差不齐。返混=∞反映参数不随时间和空间变化3.活塞流反映器PistonFlowReactor(PFR)流动模型特点:各质点在流动方向上作有规则的平行移动，互相之间并无位置的互换空混=0反映物料具有相同的停留时间返混=0反映参数不随时间变化，随空间变化BSTRPFRCSTR投料一次加料（起始）连续加料（入口）连续加料（入口）年龄年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同空混∞0∞返混00∞第六章传氧与通气搅拌第一节氧对微生物生长的影响氧对微生物生长有重要影响溶解氧——微生物液体深层培养唯一供氧来源。氧是难溶气体(l0mg/L)，溶解氧的供应成为提高微生物培养密度、提高单位体积发酵液产量的限制性因子。一、比生长速率μ与溶氧浓度C的关系微生物的临界氧浓度C临∶指不影响菌体生长所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低规定。某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022二、比耗氧速率qO2与溶氧浓度C的关系耗氧速率OxygenUptakeRate（OUR）qO2比耗氧速率，比呼吸速率，呼吸强度respiratoryintensity第二节传氧速率方程一、氧的传递途径和传质阻力供氧方面的阻力k1-1k2-1k3-1k4-1气泡气膜气液界面液膜发酵液耗氧方面的阻力k6-1k5-1k7-1k8-1菌丝丛胞外液膜细胞膜胞内二、双膜理论和传氧方程式1、双膜理论（two-filmtheory）假定条件：1.气液界面存在着滞流薄膜，溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。2．气相中氧分压Pi与液相中氧分压Ci平衡。3．氧传质阻力仅存在于两层滞流膜中。4.氧的传递是一个稳定的过程,传递途径上各点的氧浓度恒定。2、传氧速率方程式单位界面氧的传递速率N(molO2/m2·h),1Kc：气膜传质阻力；1KLkG：气膜传质系数；kL：液膜传质系数pi和Ci均无法测量！?假如将两膜合并起来考虑，用总传质系数和总推动力来考虑上式，则：亨利定律:气体的溶解度与该气体的分压成正比总传质系数KL与膜传质系数KG和KL的关系：氧气的H很大2、传氧速率方程式N:面积传氧速率(mol/m2h)kL：液膜传质系数（m/h）内界面面积参数a，单位为：m2/m3；传氧速率方程式Nv:体积传氧速率(kmol/m3h)kLa：体积溶氧系数（h-1）3.氧的供需平衡要使发酵正常进行，供氧与耗氧至少应相等第三节影响传氧速率的因素一、影响kLa的因素搅拌空气流速空气分布管罐内液柱高度醪液性质根据经验公式:kLa=k[(Pg/V)α(Vs)β(n)ω]（1）搅拌作用形成小气泡，增大比表面积液体涡流运动，增长气液接触时间料液湍流运动，促进传质使菌体分散，避免结团kLa∝(Pg/V)αPg：通气搅拌功率（2）空气流速kLa∝VsβVS=Q/S=4Q/πD2Vs：空气线速度(m/s)Vs较小时，KLa随Vs的增长而增长；Vs增长至一定限度后，如不改变搅拌速度，则会减少搅拌功率，使KLa减少，甚至发生“过载”现象。（3）空气分布管改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积。气泡直径越小，溶氧系数就越大（4）罐内液柱高度根据经验数据：H/D从1增长到2，KLa增长40%H/D从2增长到3，KLa增长20%（5）醪液性质黏度表面张力——泡沫二、影响传质推动力(C*-C)的因素关键：如何提高C*？根据亨利定律：减少亨利常数H提高氧分压PO2亨利常数H取决于温度、溶质浓度，改变余地不大Temperature(oC)Henry'sconstant(atm.mg-1.l)250.0258350.0299[NaCl](M)C*usingpureoxygenat25oC040.320.534.241.028.482.022.72氧分压PO2如何提高氧分压PO2？提高罐压通入纯氧第四节溶氧系数及其测定1、为什么测kLa？1）测定生物反映器的传氧性能。2）判断发酵过程的供氧情况。为通风罐的研究过程找出设备参数与溶氧系数的关系，以便进行运用发酵罐的放大和合理设计。2、如何测kLa？①亚硫酸盐氧化法②极谱法③溶氧电极法①亚硫酸盐氧化法(ChemicalSulfideMethod)反映原理：在Cu2+存在下，2SO32-+O2→2SO42-剩余的SO32-与碘作用（碘量法）SO32-+I2+H2O→SO42-+2I-+2H+方法：Na2SO31mol/L，CuSO410-3mol/L开阀通气，准确记录氧化时间。实验前后各移取一定量样液。以淀粉作指示剂，以标准碘液滴定至终点。②极谱法③溶氧电极法DissolvedOxygenProbeMethod原理：溶氧电极事实上是一种电解电池，有两个电极，由银丝组成的阴极和由铅皮组成的阳极。电流与氧浓度成正比。阳极：Pb→Pb2++2e阴极：2e+1/2O2+H2O→2OH-③溶氧电极法——稳态法供氧需氧Nv=r供需平衡③溶氧电极法——动态法DynamicMethod重点发酵液中氧浓度的变化瞬值可表达为：停止通气，积分得，C=-rt+C0恢复通气，积分得，例：运用动态法，在纯水中测定设备的kLa值（纯水中r=0）GlossaryDissolvedOxygenProbe溶氧电极Sulfide硫化物Endpoint滴定终点Ion离子CopperSulfate硫酸铜Titration滴定Flask细口瓶Iodine碘Buret滴定管Soluble可溶的Impeller叶轮Shaft轴Sparger空气分布器Baffle挡板Headplate面板Wobble震动Calibrate校正Solution溶液第五节搅拌功率及溶氧系数的计算搅拌功率的计算P，搅拌功率单位：W或kW定义：搅拌器以既定转速旋转时，克服介质阻力对液体做功并使之发生流动所需的功率。又称轴功率。P取决于下列因素：反映器的结构尺寸：D—容器内径HL—液面高度挡板数目及宽度搅拌器的型式：桨叶数目、形状Di—叶轮直径n—转速液体的性质：ρ—密度μ—粘度g—重力加速度P是n,Di,ρ,μ,g…的函数P=Ф(n,Di,ρ,μ,g…)如何将功率消耗和其它参数联系起来，建立功率关联式？因次分析法(量纲分析法)因次分析法：分析现象所包含的重要物理量，将具有较多物理量的方程转化为数目较少的无量纲（因次）数组方程。Q=（1）单组涡轮不通气搅拌功率P0的计算功率准数无因次数群P0=ρn3Di5NPP0：不通气时搅拌器的功率（W=kg·m2/s3）ω：涡轮线速度(m/s)a：加速度(m/s2)V：发酵液体积(m3)m：液体质量(kg)ρ：液体的密度(kg/m3)Di：涡轮直径(m)n：涡轮转数(r/s)与搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数Np=C(Re)X雷诺准数无因次数群μ：液体的粘度（N·s/m2）ρ：液体的密度（kg/m3）Di：涡轮直径（m）n：涡轮转数（r/s）搅拌功率准数NP的求解湍流层流湍流层流Np=C(Re)XRe<10粘滞力主导，层流X=-1，Np=CRe-1Re>104惯性力主导，充足湍流X=0，Np=CNP不随Re的增长而改变，但随着K而改变。发酵罐中发酵液大多处在湍流状态！Re>10000时，充足湍流1.三叶螺旋桨Np=0.42.六平叶涡轮桨Np=6.23.六弯叶涡轮桨Np=4.84.六箭叶涡轮桨Np=3.9（2）多个涡轮不通气搅拌功率Pn的计算使用多个涡轮时，两者间的距离S，对非牛顿型流体可取为2D，对牛顿型流体可取2.5~3.0D；静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。符合上述条件的发酵罐，Pn=n×P1(3)通气搅拌功率Pg的计算P0=ρn3D5NP通气使液体的ρ和μ减少。因此,同一搅拌器在相等的转速下输入于通气液体的搅拌功率比不通气时低。迈凯尔经验式福田秀雄对迈凯尔经验式进行了校正修正后的迈氏关系式Pg、P0（kW）n（r/min）Di（cm）Q（ml/min）搅拌功率计算环节计算Re由NP~Re查NP计算P0计算Pg例题，书P123，习题9某细菌醪发酵罐，罐直径D＝1.8(m)，圆盘六弯叶涡轮直径Di＝0.60m，一只涡轮，罐内装四块标准挡板，搅拌器转速N＝168r／min，通气量Q＝1.42m3／min(已换算为罐内状态的流量)，罐压P＝1.5×105Pa，醪液粘度μ＝1.96×10-3N·s／m2，醪液密度ρ＝1020kg／m3。规定计算Pg(1)计算ReRe=Di2nρ/μ=5.25×104(2)由NP~Re查NP圆盘六弯叶涡轮NP=4.8(3)计算P0P0=NPDi5n3ρ=8.18（kW）(4)计算Pg(4)非牛顿液体的搅拌功率非牛顿型流体搅拌轴功率的计算与牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法同样，但这类液体的粘度μa不是固定值，是随搅拌速度n而变化的，因而必须先知道μa与n的关系，然后才干计算不同搅拌速度下的Re，再后才干根据实验绘出其NP~Re曲线。μa=τ/knτ—流体间的剪应力k—比例常数n—搅拌器转速非牛顿液体搅拌功率计算环节一方面求表观粘度μa求Re值求Np值求P0值求Pg值二、溶氧系数的计算经验公式:kLa=k[(Pg/V)αVsβnω]福氏公式:kd=(2.36+3.30Z)×10-9(Pg/V)0.56Vs0.7n0.7空气线速度VS=Q/S=4Q/πD2kd亚硫酸盐氧化值(mol/ml·min·atm)Pg（kW）n（r/min）V(m3)Z(涡轮个数)Vs(cm/min)kd：亚硫酸盐氧化值以氧分压为推动力的溶氧系数kGa(P-P*)=Nv=kLa(C*-C)Nv(mol/ml·h)kGa(mol/ml·h·atm)kd(mol/ml·min·atm)第七章比拟放大生物工程产品的研发周期必须经历三个阶段：实验室阶段；中试阶段；工厂化规模一、比拟放大的定义比拟放大:以小型设备中进行科学实验所获得的实验数据为依据，设计制造大规模的反映系统，以进行工业规模生产。二、比拟放大的方法放大内容：1）几何尺寸D的放大2）通风量Q的放大(Q/V,VS,kLa)3）搅拌功率P的放大(Re,P/V,πDin,kLa,F/V,Hp)1.几何尺寸放大几何相似原则：两个大小不同的系统，搅拌釜的形状和搅拌桨的型式是完全相同的，并且相应各部分几何尺寸之比等于常数放大比D-----反映器直径；Di------搅拌器直径；V------反映器的装料容积；HL------反映器内液面高度；实验反映条件并非都能按几何比例放大。例：实验反映器直径为D，高度为L，若都放大10倍V`=1000VA`=100A假如散热面积按比例放大，考虑一下后果。假如是放热反映，即反映放热增长1000倍，而反映器散热量仅增长100倍。2.通风量Q放大(Q/V,VS,kLa)表征通风量的重要参变量:通风比Q/V单位体积的通风量空气线速度VS表征液体通风强度VS=Q/S=4Q/πD2体积溶氧系数kLakLa∝(Q/V)HL2/3∝(Q/V)D2/3①按Q/V相等放大(Q/V)1=(Q/V)2Q1/D13=Q2/D23Q1/Q2=(D1/D2)3这种放大原则下Vs的变化情况：VS=Q/S=4Q/πD2；VS1/VS2=Q1D22/Q2D12；Vs1/Vs2=D1/D2这种放大原则下kLa的变化情况：kLa∝(Q/V)D2/3kLa1/kLa2=(D1/D2)2/3②按通风截面空气线速度Vs相等放大VS1=VS24Q1/πD12=4Q2/πD22Q2/Q1=(D2/D1)2这种放大原则下Q/V的变化情况：(Q/V)1/(Q/V)2=D2/D1这种放大原则下kLa的变化情况：kLa∝(Q/V)D2/3kLa1/kLa2=(D2/D1)1/3③按体积溶氧系数相等放大(kLa)2=(kLa)1kLa∝(Q/V)HL2/3∝(Q/V)D2/3(Q/V)1D12/3=(Q/V)2D22/3Q1/Q2=(D1/D2)7/3这种放大原则下Q/V的变化情况：(Q/V)2/(Q/V)1=(D1/D2)2/3这种放大原则下Vs的变化情况：VS1/VS2=Q1D22/Q2D12=(D1/D2)1/3三种放大依据的比较体积放大125倍：3.搅拌功率放大(Re,P/V,πDin,kLa,F/V,Hp)①按雷诺准数Re相等放大n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2②按单位体积液体消耗功率P0/V相等放大P0=ρn3Di5NPP0/V∝n3Di2若P0/V相等，即n13Di12=n23Di22n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3从n求得P0，Pg③按体积溶氧系数相等放大P0=ρn3Di5NPkd=(2.36+3.30Z)×10-9(Pg/V)0.56Vs0.7n0.7Di、ρ、NP、Q、Vs、Z已知，将下列三式联立，可求得n，从而求得P0，Pg搅拌功率公式P0=ρn3Di5NP修正迈氏经验式福氏经验式kd=(2.36+3.30Z)×10-9(Pg/V)0.56Vs0.7n0.7④按搅拌器末端线速度πnDi相等放大假如在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌器末端线速度相等来进行放大。n1Di1=n2Di2n2/n1=D1/D2⑤按搅拌器性能相等放大a.单位体积搅拌循环流量F/V表征液体混合均匀度F∝nDi3F/V∝nn1=n2b.搅拌速度压头Hp表征液体流速Hp∝n2Di2n1/n2=D2/D1六种放大依据的比较10L小罐放大到10000L大罐，n=500r/min放大判据放大后n放大判据放大后n等Re5等叶端速度50等P0/V108等F/V500等kd79等Hp50P0/V∝n3Di2总结：1、设备尺寸按几何相似原则放大2、通风量一般按溶氧系数相等原则放大3、搅拌功率放大：按P/V相等原则放大；按kd相等原则放大以kd相等为基准的比拟放大方法重要环节:1）拟定实验设备的重要参数2）按几何相似原则拟定放大设备的重要尺寸3）按体积溶氧系数相等的原则决定通风量4）按体积溶氧系数相等的原则拟定搅拌功率及转速书P129，例7-1以P/V相等为基准的比拟放大方法重要环节:1）拟定实验设备的重要参数2）按几何相似原则拟定放大设备的重要尺寸3）按体积溶氧系数相等的原则决定通风量4）按P0/V相等的原则计算搅拌功率和转速。实战演习：书P132，例7-2书后习题51.几何尺寸放大HL2/HL1=Di1/Di2=D2/D1=1001/3=4.64Di2=1.07mD2=2.673mHL2=5.346m2.按体积溶氧系数相等准则放大通风量(Q/V)2/(Q/V)1=(D1/D2)2/33.按P/V相等准则放大功率n2/n1=(D1/D2)2/3n2=135.4r/min比较放大前后的叶尖线速度：放大前：πn1Di1=272(m/min)放大后：πn2Di2=455(m/min)叶尖线速度提高67%？太大了！调整！n2↓50%，Di2↑50%微调后，搅拌叶尖线速度：πn2Di2=341(m/min)仅提高25%，安全！P/V:P0=ρn3Di5NP(P/V)2’/(P/V)2=(ρn23Di25NP)’/ρn23Di25NP=0.53×1.55=0.95基本不变,放大成功第八章培养基灭菌一、培养基灭菌的定义sterilization培养基灭菌：用化学的或物理的方法从培养基中杀灭或除掉物料或设备中所有的有生命的有机体的技术或工艺过程。消毒：用物理或化学的方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物，一般只能杀死营养细胞而不能杀死芽孢。消毒不一定能达成灭菌的规定，而灭菌则可达成消毒的目的。灭菌的方法加热灭菌法：1）火焰灭菌法2）干热灭菌法3）湿热灭菌法2、射线灭菌法3、化学药剂灭菌法1、加热灭菌法（1）火焰灭菌法：运用火焰直接杀死微生物的灭菌法。该法方法简朴，灭菌彻底，但使用范围有限，仅合用于接种针、玻璃棒、三角瓶口等的灭菌。仅合用于接种灭菌（2）干热灭菌法：运用电热或红外线在一定设备内加热到一定温度把微生物杀死。进行干热灭菌时，氧化作用导致微生物死亡是重要依据。一般160～170℃，1～2h。（3）湿热灭菌法：运用饱和蒸汽进行灭菌的方法。原理：借助于蒸汽释放的热能使微生物细胞中的蛋白质、酶和核酸分子内部的化学键，特别是氢键受到破坏，引起不可逆的变性，使微生物死亡。蒸汽来源方便，价格低廉，灭菌效果可靠，是目前最为常用的灭菌方法。一般的湿热灭菌条件为121℃，30min。2、射线灭菌法：X射线、γ射线、阴极射线、紫外线紫外线对芽孢和营养细胞都能起作用，但细菌芽孢和霉菌孢子对紫外线的抵抗力强。紫外线的穿透力低，仅合用于表面灭菌和无菌室、培养间等空间的灭菌，且距照射物不超过1.2m仅合用于表面灭菌3、化学药剂灭菌法：某些化学药剂能与微生物发生反映而具有杀菌的作用。化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。三、湿热灭菌的基本原理培养基湿热灭菌需解决的工程问题：将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数Ns，需要多长的时间(ExposureTime,t)？多高的温度(Temperature,T)？多长的时间？N——任一时刻的活细菌浓度t——时间(min)K——杀菌速率常数，反映速度常数(min－１)取边界条件0～t，N0～Ns,对(1)积分得污染度N0——灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数

灭菌度

Ns——通过灭菌时间t后残存活菌个数，10-3——灭菌效果/灭菌准数，用V表达多高的温度？ln(K2/K1)=ΔE/R(1/T1-1/T2)所以，反映的ΔE越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大。四、分批灭菌的设计从0～t在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌。涉及升温、保温、降温三个过程。V总=V加+V保+V冷e-ΔE/Rf(t)dt+KTt2+e-ΔE/RФ(t)dtV总=V加+V保+V冷e-ΔE/Rf(t)dt+KTt2+e-ΔE/RФ(t)dt如何计算升温、维持和冷却过程所需时间？f(t)和Ф(t)分别是升温和降温时T对t的函数，可查书P145表8-6升温时间t1的计算根据表8-6，根据加热方式不同选择不同函数冷却时间t3的计算根据表8-6，公式8-9加热时灭菌效果V加的计算，根据公式8-14冷却时灭菌效果V冷的计算，根据公式8-15总灭菌效果V总的计算维持时灭菌效果V保=V总-V加-V冷维持时间t2=V保/KT五、连续灭菌的流程连续灭菌也叫连消，将培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却的灭菌方法。连续灭菌过程均涉及加热、维持和冷却。连续灭菌的特点：高温短时六、连续灭菌的设计要解决的问题：计算维持罐的容积Ｖ＝t·Q/ФＶ——维持罐有效容积(m３)Q——料液体积流量(m３/h)t——维持时间(h)，取经验数据为8～25min，不同类型的发酵维持时间不同Ф——充满系数如何求维持时间t?例题：书P151例8-2七、连续灭菌与间歇灭菌的比较连续灭菌优点:–保存较多的营养质量；–容易放大；–较易自动控制；–糖受蒸汽的影响较少；–缩短灭菌周期；–在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；–发酵罐运用率高；–蒸汽负荷均匀。缺陷–设备比较复杂，投资较大。

分批灭菌优点–设备投资较少；–染菌的危险性较小；–人工操作较方便；–对培养基中固体物质含量较多时更为适宜。缺陷–灭菌过程中蒸汽用量变化大，导致锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。第九章空气除菌1.空气除菌概述：好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗氧气。工业生产上均采用空气作为氧气来源。然而，空气中有各种各样的微生物，为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。发酵用无菌空气的质量标准：1、无菌、无灰尘、无杂质2、无油、无水、有压力3、无菌限度Ns：10-3(N0数量级：103～104)2.空气除菌方法a.加热灭菌法：将空气加热到一定温度后保温一定期间,使微生物蛋白热失活而致死。热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法。工业上是运用空气压缩时放出的热量进行杀菌。b.静电除菌法：静电除菌是运用静电引力来吸附带电粒子而达成除尘灭菌的目的。c.介质过滤除菌：过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。（目前工业上用的较多的空气除菌方法。）3.常用的滤菌介质：①深层过滤玻璃纤维；活性炭；超细玻纤；棉花；烧结材料。②绝对过滤(微孔过滤)：微孔滤膜4.过滤除菌的机制气流通过滤层时，滤层纤维的层层阻碍迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，导致微生物微粒与滤层纤维间产生：惯性碰撞滞留作用；阻拦滞留作用；布朗扩散作用；重力沉降作用；静电吸引作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤的目的。a.惯性碰撞滞留作用InertialImpaction捕集效率是微粒惯性力无因次准数φ的函数：ηl=f（φ）当气流速度等于临界速度vc时,φ＝1/16，b＝0，η1=0b.阻拦滞留作用Interceptionc.布朗扩散作用BrownianDiffusiond.重力沉降作用静电吸引作用各种机理各自所作奉献的大小：一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大，而重力和静电引力的作用则很小。ηs=η1+η2+η3+η4+η55.空气过滤器的计算设计参数：η(过滤效率)；K(过滤常数)；Vs(空气流速)；L(介质层厚度)；D(滤床直径)；ΔP(过滤压力降)。过滤效率：滤层所滤去的微粒数与本来微粒数的比值，衡量过滤器过滤能力的指标。穿透率P：Ns／N0，过滤前后空气中的微粒含量比值。对数穿透定律-dN/dL=KN或过滤常数K的计算1.根据公式ηs——单纤维过滤效率；α——介质填充率；df——介质纤维的直径。2.查经验K值表或L90表介质层厚度L的计算书例9-1过滤介质：直径为16μm的棉花纤维，Vs=0.1m/s，填充系数8%，空气中的原始菌浓度为5000个/m3，空气流量为10m3/min，使用周期100h。计算过滤效率η，穿透率PN0=5000×10×100×60=3×108Ns=10-3P=Ns/N0＝3.33×10-122.查表9-1，K值=0.31cm-13.计算L=85cm空气流速Vs的选择：在可控安全范围内，选择较高空气流速，这样可以减小过滤器体积，节省过滤材料和操作费用。滤床直径D的计算V——操作状态下空气的体积流量，m3/s由气态方程P1V1/T1=P2V2/T2导出：V2=P1T2V1/P2T1P1：大气压力P2：操作压力，绝对压力P2=P1+表压1atm=1.03kg/cm2过滤压力降ΔP的计算空气通过过滤层需要克服与介质的摩擦而引起的压力降，是一种能量损失，也是一种经济损失。过滤压力降ΔP的计算(教材P162)损失随滤层的厚度、空气的流速、过滤介质的性质、填充情况而变化，见下式：L——过滤层厚度，m；ρ——空气密度，kg/m3；α——介质填充系数；V——空气流速m/s；m——实验指数C——阻力系数6.空气过滤除菌流程：通过空气压缩机后的空气具有很高的温度,冷却后又具有较高的相对湿度,油滴,水滴都会污染空气过滤器。两次冷却、两次分油水、适当加热流程：粗过滤器；空气贮罐；空气冷却器；气液分离器；加热设备。1、有一个5m3生物反映器，罐径为1.4m，装液量为4m3，液深为2.7m，采用两层六弯叶涡轮搅拌器，叶径为0.45m搅拌转速n=190r/min，通风比为0.2m3/m3·min，发酵液密度为1040kg/m3，发酵液黏度为1.06×10-3Pa.S，现需放大至50m3生产，试求大罐尺寸和工艺条件（不通气时两只涡轮的功率等于单只涡轮的两倍）。第十章生化过程参数的检测和控制代谢参数按性质分可分三类：直接参数1、物理参数：温度、压力、流量、n、Pg、泡沫、浊度、粘度2、化学参数：pH、DO、氧化还原电位、排气O2（CO2）浓度、基质浓度（糖、氮、磷）、产物浓度间接参数3、生物参数：kLa、OUR、CER、RQ、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力、菌丝形态、发酵热参数又可分为：在线检测参数：直接接触或运用连续取样系统直接与相关分析器连接获取的参数离线检测参数：在一定期间内离散取样，在罐体外分析获得的参数物理参数的检测——生物量浊度法：合用范围有限；壁生长问题；气泡干扰荧光法测量活细胞ATP+荧光素+O2=氧化荧光素+PP1+CO2+荧光NADH激发荧光化学参数的检测——O2和CO21、进出气体中O2的浓度进出气体中O2的含量表征了进气的氧被微生物运用的速率(r)，进一步反映了菌体的