《生化工程》讲义.docx

生化工程讲义Biochemical Engineering绪 论一、概述1. 概念：将生物技术的试验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为 生化工程。2. 组成：生化反响工程由四局部组成：1 原料的预处理：包括原材料的选择，必要的物理化学方法加工，培育基的配制和灭菌。 2 生物催化剂的制备：包括菌种的选择扩大培育和接种，酶催化反响中酶的选择、固定化。 3 生化反响器及反响条件的选择和监控 4 产物的分别纯化包括初提纯和精提纯,这局部工序也常称为下游加工过程.3. 争论内容具体：生化工程技术包括生物反响器和传感器设计、生物反响的程序掌握、产品分别精制技术等。二、生物技术的进展简史1.传统生物技术：1863年之前早期的发酵工业以厌氧发酵产品居多，如酒类(公元前4000年的夏朝)。厌氧发酵由于不大量供给氧气，染杂菌导致生产失败的时机较少，故而深层液体厌氧发酵早就有相当大的规模。产品：酿酒、制醋、酱、酱油、泡菜、奶酪。特点：地方性、阅历性、偶然性2. 巴斯德时期18631940酿酒等的厌氧发酵的进展及少数的好氧发酵产品承受了深层液体发酵生产，如面包酵母， 醋酸。前者由于酵母的比生长速率较高，后者由于醋酸生长导致发酵液中pH值降低，不易污染杂菌。为何当时没有产生生化工程？厌氧发酵及简洁的好氧发酵承受一般的化学工程原理、方法和设备已能应付，尚不需解决更多的特别的工程技术问题，也就是说，还不具备建立生化工程这一学科的必要性和条件。3 抗生素时期19411960，近代生物技术产品开头消灭于本世纪40年月1928年 Flenming英国人弗莱明觉察青霉素；1940年由弗洛里Florey和钱恩Chain提取并经临床证明青霉素具有卓越疗效和低毒1941年 英美合作开发青霉素1943年 开发青霉素生产工艺成功产品：抗生素等。特点：二次代谢产物，分子构造简单，纯种深层培育。4 抗生素后时期19611975最突出的50年月氨基酸发酵工业、60年月酶制剂工业的进展以及一些原来承受外表培育的产品都改用沉醉培育法进展生产。特点：(1) 产品类型多。初级代谢产物、次级代谢产物、生物转化、酶反响等产品；(2) 技术要求高，主要表现为生产工程要求在纯种或无菌条件下进展，大多数属于好氧发酵，在发酵过程中通入无菌空气10(3) 规模巨大。搅拌通气罐可大至500m3，该时期技术最高、规模最大的单细胞蛋白工厂的气升式发酵罐的容积已超过2023m3；(4) 技术进展速度快，菌种的活力及性能获得了惊人的提高，以青霉素发酵的菌种为例，40余年来其活力提高了1500倍左右。产品：氨基酸，酶制剂，单细胞蛋白(SCP)，高果糖浆，细菌多糖(黄原胶)，GASCHOL，废水生物处理。5 现代生物技术时期1975年以后1953年 美国华生Watson和科里克Crick觉察DNA双螺旋构造为DNA的重组奠定了根底；1969年 日本人制造细胞和酶的固定化技术。用于DL-氨基酸的拆分；1974年 美国波伊尔Boyer和科恩Cohen首次在试验室实现基因转移；1977年 美国波伊尔Boyer首先用基因操纵手段获得生长激素抑制基因的克隆；1978年 吉尔勃脱Gilbert获得鼠胰岛素的克隆，几年后利用基因工程微生物生产出第一个基因工程产品人胰岛素第一章培育基灭菌灭菌：用物理或化学的方杀灭物料或设备中的一些生命物质的过程。灭菌方法：化学药剂灭菌射线灭菌干热灭菌160，1-2h湿热灭菌121，20-30min过滤灭菌一. 微生物的热死灭动力学1.对数残留定律：微生物受热死亡的主要缘由是高热能使蛋白质变性，在灭菌过程中，活菌渐渐削减，其削减量随残存活菌数的削减而逐减，即微生物热死亡速率与任一瞬间残存活菌数成正比。2、试验证明，微生物养分细胞的均相热死灭动力学符合化学反响的一级反响动力学规律，即-d N/d t=KNN任一时刻的活细菌浓度，个/L t受热时间，min；k比热死速率常数，min-1。对上式积分，取边界条件 t0=0,N=N0,得或t =K1N2 .303Nln0 =lg0NtKNt灭菌时间取决于污染的程度N 、灭菌的程度残留菌数N 和k值。0t反响速率常数k是微生物耐热性的一种特征，它随微生物的种类和灭菌温度而异。在一样的温度下，k值愈小，则此微生物愈耐热。同一种微生物在不同的灭菌温度下，k值不同，灭菌温度愈低，k值愈低。二、T温度对K比热死速率常数影响1. 阿累尼乌斯方程Arrhenius K =Ae- E/RTA频率因子；7.94×1038min-1 E反响所需的活化能，J/mol；R通用气体常数，8.28J/(mol·K)活化能 E 的大小对 K 值有重大影响。其它条件一样时， E 愈高，K 值愈低，热死速率愈慢，细菌抵抗力越强。在温度T一样的条件下， E 低的孢子比热死速率常数 K 值不肯定比 E 高的孢子大，即其抵抗力不肯定比后者弱，由于 K 值还取决于 A因菌种不同而异。2. 对阿累尼乌斯方程两边取自然对数，得lnK=- E/RT+ lnA对上式两边取 T 的导数，得d lnK/dT= E/RT2得出结论：反响的 E越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大，细菌死亡速率对温度变化敏感。3. 为什么高温短时灭菌比低温长时要好推断承受高温或是在低温条件下杀菌是由该反响的活化能的大小打算。灭菌温度上升时，微生物杀死速率的提高要超过养分成分破坏的速率。在灭菌度一样的条件下，Kt=常数，因而高温K 值增大，时间必定大大缩短，养分物质总的损失可以削减，因此高温短时灭菌比低温长时要好。例：当杀菌温度从 120升至 150 ，试计算维生素 B1 的分解速率常数 KB 和嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡速率常数 KS。ES=283460 J/mol, As=1.06×1036 (min-1) ；EB=92114 J/mol, AB=1.06×1010 (min-1)解：由1式，即 K= A (E /RT)得 Ks= As ES /(2.303 RT) Ks 在 120 时为 0.024 (min-1)150 时为 11.12 (min-1)灭菌速率常数提高 463 倍。同样地： KB 在 120 时为 0.055 (min-1)，150 时为 0.404 (min-1)，同样的温度变化仅提高 7.3 倍P4 例三、连续灭菌器反响器的流体流淌模型依据返混程度的大小，有四种根本模型：不存在返混的活塞流模型、全返混的连续式全混流模型、多级全混流反响器模型及集中模型。1. 活塞流模型PFR：抱负流体流淌型在反响器内与流体流向相垂直的横截面上的径向流速分布是均一的，即物料在反响器内以同一流速和沿同一方向流淌，全部的物料质点在反响器内的停留时间都一样，不存在返混。lnNf / No = -Kr热死灭速率或Nf = Noe -KrNo、Nf分别为灭菌前后的活孢子数r平均停留时间作为连续灭菌器，常把活塞流反响器用于升至灭菌温度后的恒温热灭菌。2. 连续式全混流反响器CFSTR模型 抱负化的流型设定反响器内的混合足够猛烈，反响器内物料的浓度处处相等，温度均一，反响速率也处处相等，不随时间而变。依据其浓度分布特征，对进出整个反响器的活菌数进展衡算：Nf/No=1/1+Kr在同一温度下灭菌，要到达同样的 Nf/No，CFSTR 的灭菌时间要比 PFR 的长得多。3. 多级全混流反响器 CFSTR-in-series 模型内部既存在全混流成分又存在活塞流成分，假设n只等容积的CFSTR串连，则n越大，内部液流愈偏离全混流而向活塞流接近。Nf/No=1/1+Krnn 1 2 n /nr-每个串连 CFSTR 的平均停留时间V1=V2=Vn=Vr/nVr-n 只等容积反响器的总容积在工程实践中常将几只真正存在的 CFSTR 串联，用以接近 PFR 的效果，这时不存在求模型参数 n 的问题。4. 集中模型在返混不大的管式或塔式反响器内，由活塞流和轴向集中流叠加构成集中模型。其次章 空气除菌一、空气除菌的方法获得无菌空气的方法大致两类：一是利用加热、化学药剂或射线等，使空气中微生物细胞的蛋白质变性，杀灭各种微生物；另一种是利用过滤介质及静电除尘捕集空气中的灰尘和各种颗粒， 以除去空气中的各种微生物。1、加热灭菌基于加热后微生物体内的蛋白质酶热变性而得以实现。Aiba等觉察悬浮于空气中的一般细菌孢子在218时24s即可被杀死。空气热灭菌时所需的温度可直接利用空气压缩时的温度上升来实现。空气经压缩后温度可升到200以上，保持肯定时间后，便可实现干热杀菌。但是，一方面空气的传热效率很低，温度分布不匀；另一方面，有些耐热菌的孢子需长时间杀灭；所以，用加热的方法不能够大量制造无菌空气。2、辐射灭菌Aiba等觉察波长范围在226.5-328.7nm的紫外线对空气中微生物的杀菌效力最强。也只是削减空气中的微生物，并不能完全除菌。3、化学灭菌常用空气灭菌用的化学药剂有苯酚、环氧乙烷、过氧化氢、重金属盐、洁尔灭、甲醛溶液和硫磺等。目前用于无菌室、接种间和培育间的灭菌。4.静电除尘原理是先使空气中的灰尘成为载电体，然后将其捕集在电极上。当正极电场强度1000V/cm2 时，发生电离作用，大局部微粒为正极捕集。5、介质过滤发酵工业真正用于发酵罐制备无菌空气的方法是承受介质过滤。目前发酵工业上普遍承受的是膜过滤器，可以完全过滤掉空气中的微生物。二、典型空气过滤除菌流程高空采风无油润滑空压机空气储罐冷却器油水分别器除雾器加热器总过滤器分过滤器预过滤器/无菌过滤净化空气进罐无油润滑空压机：削减压缩后空气中的油雾污染空气储罐：降低压缩后空气的温度，同时除去局部润滑油冷却器：降低压缩后空气的温度油水分别器：使油水分别较完全除雾器：除去空气中的雾滴加热器：将空气加热至约 50，使空气相对湿度低于 60，再进入总过滤器，以保证其维持枯燥状态总过滤器：除去大局部尘埃、颗粒与微生物分过滤器预过滤器/无菌过滤：使空气除菌程度可以到达 99、99999以上三、型过滤器1、聚乙烯醇PVA：乙酰化并以耐热树脂涂敷，制成片式过滤器。优点：除菌效率达 99.9999以上，压力 1.5Kpa 以下，使用达一年以上，杀菌及枯燥时间短，更换便利，占地小。2、折式过滤除菌器：承受超细玻璃纤维折成波浪型，并用支撑材料加固，底端用树脂粘结密封， 粘结于过滤盒中，形成折式过滤器。优点：构造简洁，制造便利，过滤面积大，除菌效率达99.99以上，占地小，压力降低小，费用低。缺点：不耐气流冲击，易穿孔。3、高效烧结金属过滤器：将金属蒙乃尔合金、青铜等粉末烧结成板或管状，微孔直径 20-30um, 优点：除菌效率达 99.999以上，压力将为 10Kpa,能耐 200-260 度，机械强度牢靠，安装更换便利。4、确定过滤器：由于医疗特种发酵需要 Milliproe 薄膜微孔过滤器已推广，微孔直径约为0.2 0.45um,小于菌体，因而微生物不能通过，过滤效率接近100。外层承受超细玻璃纤维纸作为预过滤，内层承受过滤膜，以避开膜微孔堵塞。四、 空气过滤设计发酵和生物制药厂常用的空气过滤器有棉花纤维过滤器、超细玻璃纤维过滤器、石棉板过滤 器、烧结金属板过滤器、尼龙纤维过滤器、陶瓷过滤器、聚丙烯过滤器等。空气过滤器的过滤效率主要与微粒的大小，过滤介质的种类和它们的规格纤维直径，介质的填充密度，过滤介质厚度以及所通过的空气气流速度等因素有关。1、捕集效率承受用概率论分析捕集效率，根本假设有以下三点： 纤维填充的空气过滤器由多层介质组成，设每单位长度过滤介质具有层网格。 微生物经过每一层玻璃纤维时，与玻璃纤维相碰的概率为 p，p 与流淌状况、纤维直径之比有关。 当微生物与纤维碰撞次数小于 m 时，仍能通过过滤器中流出而返回空气中。依据以上三点假设，过滤总效率为：课本 P222、空气过滤器除菌机制过滤介质的除菌效率取决于下述机制： 直接截留 惯性冲击 布朗运动或集中拦截 重力沉降 静电吸引附：提高过滤除菌效率的措施？ 1 削减进口空气的含菌数；2 设计合理的空气预处理设备，以达到除油，水和杂质的目的；3 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质；4 降低进入空气过滤器的空气的相对湿度，保证过滤介质在枯燥状态下工作。3、对数穿透定率.空气中微粒在滤层中为均匀递减，即每一纤维薄层这样，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正比:-dN/dL=KNK-过滤常数m -1； N空气中的颗粒数个；L-滤床厚度cm移项积分得：lnN2/N1=-KL这叫做对数穿透定律。N1 为过滤前空气中的总颗粒数N2 为过滤后空气中的颗粒数过滤常数K与很多因素相关，如空气流速V、纤维直径、颗粒直径和纤维填充密度等。.为了测定K值，可承受过滤效率=90%即穿透率P=10%时的滤层厚度L90为基准，则：ln(NL90/N0)=ln10-1-KL90 K=2.303/L90K值越大，L90就越小。例:设有一台空气过滤器的空气流量为22.5m3/min，操作周期100h，空气中原有颗粒数为1750个/m 3，要求在整个操作周期内只允许有1/1000个微粒通过，过滤介质承受16um的玻璃纤维。假设承受空气流速Vs=1.52m/s，由表查得L90=1.53cm，则K=2.303/1.53 m -1L=-1/K×2.303lg(N2/N1)=-1.53/2.303×2.303lg10-3/(22.5×60 ×100 ×1750)=17.4cm但假设空气流量突然变动，从22.5 m3/min降低到2.25 m3/min，使空气流速从1.53m/s降低到0.153m/s，那么查表的L90=8.5 K=1/8.5 m-1，则在此滤层厚度不变下，过滤后空气的颗粒数N计算如下：17.4=-/Klg(N/2.25 ×1 ×1750)N=36个/min附：空气过滤器使用的过滤介质，按其孔径大小可分为二类： 1)确定过滤介质：确定过滤介质的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。 2)深层过滤介质： 深层过滤介质的截面孔隙大于微生物，为了到达所需的除菌效果，介质必需有肯定的厚度，因此称为深层过滤介质。深层过滤介质除菌的机理比较简单，主要是 1纤维介质对颗粒的拦截， （2） 颗粒的惯性冲撞， （3） 布朗集中等因素。目前在我国的工厂和试验室，多承受深层过滤介质制备无菌空气。对数穿透定律的四点假设： 1)过滤器中过滤介质中，每一根纤维四周的空气流态并不因其它接近纤维的存在而受影响。 2)空气中的微粒与纤维外表接触后即被吸附，不再被空气带走。 3)过滤器中的过滤效率与空气中的微粒的浓度无关。4)空气中微粒在滤层中的减递均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体。第三章通气与搅拌第一节概述一、 细胞对氧的需求好气性微生物只有氧分子存在状况下才能完成生物氧化作用。在生物反响过程中必需供给适量无菌空气，才能使菌体生长生殖和积存所需要的代谢产物。 需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。二、临界氧浓度1. 概 念：当培育基中不存在其他限制性基质时，不影响耗氧微生物生长生殖的发酵液中最低溶氧浓度称为该微生物的“临界氧浓度”。2. 比生长速率与氧浓度的关系在需氧发酵培育中当限制性基质的浓度肯定或者过量，而溶解度较低时，氧成为微生物生长的主要限制性基质，微生物比生长速率与氧浓度关系可用Monod方程表示。3. 比耗氧速率与氧浓度的关系（1） 耗氧速率：单位体积发酵液每小时的耗氧量称作耗氧速率，以r表示，单位为mmolO /L·h。2（2） 比耗氧速率：单位质量的细胞干重在单位时间内消耗氧的量。又称为比呼吸速率和呼吸强度，以qO 表示，单位为mmolO /g·h22r=-dc/dt=qo X2r-好氧速率 mmolO /L.h ；2qo -比好氧速率 mmolO /g.h ；22X-菌体浓度g/L4. 摄氧率：单位体积培育液在单位时间内耗氧量。其次节 传氧速率方程1. 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜集中到液体主流中。氧的传递通量：通过单位面积的氧传递速率。2. 影响供氧的因素：气膜阻力，主流气流与气膜间的气膜阻力；气液界面阻力，与空气状况相关；液膜阻力，气液界面至液体主流间的液膜阻力；液流阻力。氧的传递途径及传质阻力？ 1 气相主体到气液界面的气膜传递阻力；2 气液界面的传递阻力；3 从气液界面通过液膜的传递阻力；4 液相主体的传递阻力；5 细胞或细胞团外表的传递阻力；6 液体与细胞团之间界面阻力；7 细胞团内的传递阻力；8 细胞壁的阻力；9 反响阻力。二、双膜理论与传氧方程一双膜理论工业生产中把除菌后的空气通入培育液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气-液两相的接触界面积和接触时间，以促进氧的溶解及提高空气中氧的利用率。氧的溶解过程本质上是气体吸取过程，因此这一过程可用气体吸取的根本理论，即双膜理论加以说明。双膜理论的根本前提如下：1.在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的两旁具有两层稳定的薄膜，即气泡一侧存在着一层气膜，液体一侧存在着一层液膜。氧气分子只能以集中方式，即借浓度差而透过双膜。2.在气液界面上，气液两相的浓度总是相互平衡空气中氧的分压与溶于液体中的氧浓度处于平衡状态。3. 两膜以外的气、液两相主流中，由于流体充分流淌，氧的浓度根本上是均匀的，也就无任何传质阻力。氧气溶于水的速率是液膜阻力掌握的： VN= kLa (c* - c)a单位体积液体中气-液两相的总接触界面积，m2/m3 VN-体积溶解氧速率，kmol/(m3·h)kLa-以(c* - c)为推动力的体积溶解氧系数，h-1 c-溶解氧浓度(表示发酵罐的传氧速率)c*-与气相主流中氧的分压强相平衡的液相溶解氧浓度，kmol/m3二传氧速率方程.亨利定律：与溶解浓度相平衡的抱负气体的分压与该气体所溶解的分子浓度成正比于是有： P=HCH-亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度，H越大表征该气体越难溶，反之，H越小，则表示越易溶。氧是很难溶于水的气体，所以H很大。可以导出总传质系数KL与膜传质系数kL及kG 之间的关系：1/KL=1/HkG+1/kL1/KG=1/kG+H/kL对于氧溶于水来说，H很大，1/HkG无视不计，因此KLkL。说明此过程液膜阻力是主要掌握因素。改写方程为：N=KL(C*-C) kL(C*-C)在式子两边各乘以单位体积培育液中气液两相的总的接触面积a(m2/m3)则得：Nv=KLa(C*-C)=kLa(C*-C)Nv-体积溶氧速率kmol/m 3.hKLakLa以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数1/ha-单位体积培育液中气液两相的总接触面积m 2/m 3由于Nv每立方米液体每小时的溶氧量，是可以实际测量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。上述公式是从双膜理论推导出的在通气液体中传氧速率的公式，在氧传递理论中被广泛承受，为该领域内科学试验的根本依据之一。第三节 影响传氧速率的因素1、传氧速率指标：是指每溶解1Kg溶氧消耗的电能。2、影响传氧速率的因素有溶氧系数kLa和推动力(C*-C),k a值与搅拌、空气线速度、空气分布器L的形式和发酵液的黏度等有关。3、通气搅拌反响器的搅拌桨叶类型 圆盘平直叶涡轮搅拌器适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。 圆盘弯叶涡轮搅拌器适用于混合要求特别高，溶氧速率相对要求较低的发酵产品生产。 圆盘箭叶涡轮搅拌器a. 其搅拌流型与上述两种涡轮相近；b. 轴向流淌更猛烈，混合效果较好； 型凹叶圆盘涡轮桨是圆盘弯叶涡轮和圆盘箭叶涡轮的改进型，兼具二者优点。P36 功率消耗：平直叶最大，弯叶次之，箭叶再次，型凹叶最小。第四节 溶氧系数及其测定一、溶氧系数常见的形式kLa-以浓度差为推动力的体积溶氧系数单位为1/h，即m 2m/(hm 3) kGa-以氧分压差为推动力的溶氧系数mol/ml.h.atm)kd-亚硫酸盐氧化值mol/ml.min.atm)Kv-与kd一样，但单位表示不同(kmol/m 3.h.atm)上述四种表示形式中，除kLa是以浓度差为推动力外，其他三种表示形式都是以压力差为推动力。二、溶氧系数的测定为什么要测量 K a 呢？ K a 是衡量反响罐传氧速率大小的指标。LL1 亚硫酸盐氧化法原理：在反响器中含有 Cu2+或 Co2+为催化剂的亚硫酸钠溶液，进展通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度格外快，反响速度在很大范围内0.93N-0.035N与 Na SO 的浓度无关，氧一23溶解，马上就反响。氧的溶入速度(氧的传递速度)打算反响速度。反响式如下：2Na SO +O2232Na SO24在小型试验设备中，可无视进出口空气的压力变化，在 1atm，25时空气中氧的分压为0.021MPa，氧气溶于水的亨利定律常数为 4.58×104，由此可算出与之平衡的纯水中的氧浓度C*=0.24mmol/L，一般规定 C*=0.21mmol/L。 一般的机械搅拌发酵罐的 K a 为 102 数量级。L亚硫酸盐氧化法测定 K a 不需特地的仪器设备，适用于摇瓶及小型试验罐 K a 测定。大型反LL应罐假设使用此法，将耗用大量的 Na SO 。232 溶氧电极动态法1、原理：把溶氧浓度变成电流信号.。溶氧电极不需要外加电源，可以看作是一种电解电池。将一对具有不同电极电位的电极装入电解质溶液中，一只是银丝做成的阴极，另一只是铅皮卷成的阳极。这对电极装置在两端开口的瘦长套管中，在靠近阴极的底端用一种耐热的、只允许溶氧透过而不透过水及离子的塑料薄膜掩盖， 形成一个有肯定容积的电池，在电池内参加数毫升的电解质溶液5mol/LHAc+0.5mol/LNaAc+0.1mol/LPbAc 阳极上：Pb Pb2+2e 阴极上： 2e + 1/2O2 + H O222OH-假设将此电极插入待测的搅拌液体中，在两极间接一电流表，此电流的大小正比与测量液体中的溶氧速率。所以电极产生的电流强度与测量液体中的溶氧浓度成正比。2、测量方法标定溶氧 0% 100%，将电极放入 Na SO水溶液中，搅拌，此时电流计的指示值定为溶氧值23的 0%；然后用水冲洗电极，插入水中，通气搅拌，直到电流响应到达饱和，定为溶氧值的100%。电极使用前，浸在 Na SO23水溶液中，将正负极短路，使电池内液中的溶氧为零。当培育液中溶氧速率和耗氧速率不相等时，即非稳态状况下，培育液中的溶氧浓度随时间变化，溶氧浓度的变化速率等于溶氧速率和好氧速率之差。Qdc = K a(CC)2dtLOX，其中 QO 2是细胞的比耗氧速率呼吸强度；X 是 concentrationof biomass g/l ；C= 培育液中溶氧浓度 mmol/L附：动态法测量 Kla 的原理和方法。 答：动态法是在不稳态条件下，通过测定醪液中溶解氧随时间的变化曲线来确定 kLa 值的。方法是在发酵的过程中临时停顿通气，短时间后连续通气，人为地制造一个不稳定状态即发酵液中溶氧处于不平衡状态Nvr。.3 氧的衡算法原理：对浸在液体中的阴极和参考阳极加上电压，记录在不同的电压下通过的电流，当电解电压为 0.61.0v 时，溶解氧被复原成 H O 。 酸性时：O+2H+2eH O2 222 2中性或碱性时：O + 2H O + 2e H O +OH-与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述电极反响222 2而被消耗，阴极外表便与液体主体存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧集中到阴极外表参与电极反响，使电路中维持肯定的电流。当氧的集中过程到达稳定状态时，集中电流和溶解氧浓度成正比。通过氧的衡算，直接测定溶氧速率。对反响器来说，在任意时间：进入的氧气=溶解的氧气+排出的氧气。氧气是气体，要用到抱负气体方程：P V=nRT所以 n= Po 2VRT= PXQRTmol/min，Nv= n- nVO2进出mol/min L所以 Nv=1RV L( Pi× Xi × Qi TiQ P X000T0L)，Nv：mmol/L·hr，那么 K a=Nv/LC*C， C*C 的值：小罐取排气时 C*C；大罐取进气 C*i 和 C*0的对数平均值此法可测量真实培育体系中的 K a，准确度比较好。 用的仪器是溶氧电极，流量计和氧。L4. 主要有哪几种测量 Kla 的方法，说明它们的适用场合。主要有亚硫酸盐氧化法、溶氧电极法和氧的衡算法。亚硫酸盐氧化法不能用于测定真实发酵液的 Kla，但具有参比价值。溶氧电极法用于测量真实发酵液的 Kla，大、小反响器均可用该法测量 Kla。氧的衡算法适合体积大的反响器 Kla 的测定。5. 提高 KLa 的途径1增加搅拌转数 N，以提高 Pg，可以有效 提高 Kla 2增大通气量Q，以提高 Vs ;(3为提高 Nv传氧有效速率，除了提高 KLa 之外，提高传质推动力也是可行的，通入纯氧或者提高罐压均可提高 C*。4高径比调整。5向发酵液中添加少量的水不溶另一液相，氧在这一液相中具有比在水中高得多的溶解度。第五节 搅拌功率的计算一、轴功率机械搅拌功率概念：搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的速度运转时，用以抑制介质的阻力所需的功率，简称轴功率。包括内容：它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机轴功率或耗用功率。意义：轴功率打算于液体的性质、搅拌器的型式、转速、反响器的构造尺寸、附件的尺寸及数目等。不同状况下轴功率的计算：依据搅拌液体在通气与否的条件可分为以下几种： 单涡轮不通气条件下轴功率多涡轮在不通气条件下轴功率通气条件下液体轴功率二、轴功率的计算1、单涡轮不通气条件下轴功率P0计算P 与以下因素有关：搅拌罐的直径T、液柱高度HL、液体粘度 、搅拌器直径D，搅拌型式、0搅拌器转速N、液体密度 、重力加速度g以及有无挡板等15个参数。搅拌罐直径T、液位高度HL与搅拌器直径D有肯定的比例关系，可以作为独立参数。ReM = (N D2 r) / m搅拌状况下的雷诺系数P0无通气时搅拌器输入液体的功率 (W) 液体密度kg/m3 液体粘度 N.s/m2 D涡轮直径 m N涡轮转速 转/分k、m、n值为与搅拌器型式、搅拌罐比例尺寸有关的常数，在具有挡板的状况下，液面不产生中心下降的漩涡，此时指数n0。具有挡板的状况下：P0/(r N 3D 5) =K N D2r / m mNp= K ReM m = K N D 2r/ m m ReM N D2r / m P0 = Np r N 3 D 52、Np= P0/(r N 3 D 5) 功率准数Np表示机械搅拌器所施加于被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性力之比圆盘六平直叶涡轮 Np6.0(6.2)圆盘六弯叶涡轮 Np4.7(4.8)圆盘六剪叶涡轮 Np3.7因此计算出ReM ，就可知Np3.通气状况下的轴功率Pg(3.9)，轴功率为P0 =的计算Np r N 3当ReM104，到达充分湍流之后，ReM增加，轴功率虽然随之增大，但Np将保持不变，即施加于单位体积的外力与其惯性力之比为常数。各涡轮搅拌器的Np值如下：D 5通气准数 Na：它表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶顶端流速之比。同一搅拌器在相等的转速下输入通气液体的功率比不通气流体的为低;可能的缘由是由于通气使液体的重度(密度?)降低导致搅拌功率的降低。功率下降的程度与通气量及液体翻动量等因素有关，主要地打算于涡轮四周气流接触的状况。Michel等人用六平叶涡轮将空气分散于液体之中，测量其输出功率，得到阅历式：Pg=cP02 ND 3 / Q0.560.45福田秀雄公式: Pg=fP02 N D 3 / Q0.08 m 进一步通过试验作图得修正后的 Michel公式： Pg=2.25P02 N D 3 / Q0.0 80.39×10-3Pg、P0通气与未通气的轴功率 wN搅拌器转速 1/min D搅拌器直径 cm Q通气量 ml/minf-频率因子例罐直径 1.8m，高径比 1；装配单只圆盘六弯叶涡轮，直径0.60m；罐内装四块挡板，搅拌器转速 168r/min，通气流量 Q1.42m3/min (已换算为罐内状态的流量 )，醪液粘度 =1.96× 10-3N.s/m2，醪液密度 =1020kg/m3。请依据 Michel 修正式，计算 Pg。解：醪液为非牛顿型流体，ReM N D2r / m = 168÷60×0.62×1020/1.96×10-3= 5.2×105 104 流体呈湍流状态对于圆盘六弯叶涡轮 Np4.7 P0 = NpN3 D5=4.7×1020×1683×0.65 W=8.07×103 W=8.07Kw依据修正后的 Michel 公式： Pg=2.25P02 N D 3 / Q0.080.39×10-3 Pg=2.25 8.072×168×0.63/1.420.08 0.39×10-3 Kw = 6.55Kw三、非牛顿型发酵醪的流变学特征四种流体的流变特征线表示为：= d/ d n相邻两层流体间的剪应强度均匀性系数d/ d剪应速率n流淌特性指数 对牛顿流体：n=1， = 为常数 彬汉塑性 n=1， = p 为常数拟塑性流体 n1，n 愈小，拟塑性愈强膨胀性流体 n1，n 愈大，膨胀性愈强四、非牛顿流体的轴功率计算1、可用NpReMm的关系式进展计算2、牛顿型流体与非牛顿型流体的NpReM曲线根本吻合，差异仅在ReM10300区间之内。3、粘度是随搅拌速度而变化的，因而必需事先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌转速下的ReM。4、应按不通气时所需搅拌功率来确定，这是由于灭菌及发酵前期不进展通气或通气量很少。5、用水解糖液、糖蜜等原料作为培育液的细菌醪、酵母醪均属于牛顿型流体。6直接用淀粉、豆饼粉原料的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。7、至于霉菌醪、放线菌醪，不管用什么原料作为培育液，均属于非牛顿型流体。第四章 连续培育动力学一、连续培育特点1、定义培育基料液连续输入发 酵罐，并同时放出含有产品的一样体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率下生长的发酵方式。2. 优 点供给了一个微生物在恒定状态下生长的环境，到达对微生物的稳定高速培育或产生大量代谢产物为目的，便于进展微生物的代谢、生理、生化和遗传特性的争论；在工业上可削减分批培育中每次清洗、装料、灭菌、接种、放罐等操作时间，提高生产效率；产物质量比较稳定；所需设备和投资较少，便于实现自动化。3. 缺 点连续培育的细胞在开放系统中进展的，发酵过程易染菌；在长时间的培育过程中，微生物菌种简洁发生变异；参加的培育基与原有的培育基不易完全混合，影响培育和养分物质的利用。二、单罐连续发酵的动力学1. 单罐连续发酵的前提和假定在稳定状态下单罐连续发酵的物料平衡，各参数变化等于零。假定培育基中每一点浓度都没有差异，称为完全均匀混合或匀态。匀态是连续发酵动态的一个重要假定，即指连续发酵过程中菌体、基质、氧等在培育基中均是混合均匀。假定微生物完全没有死亡死亡比速为02. 稀释率D与菌体比生长速率 的关系稳态条件对微生物细胞作物料平衡积存=流入-流出+生长-死亡dX/dt=(F/V)X0-(F/V)X+ X- XX0,X分别为流入和流淌身酵罐的细胞浓度g/LF培育基流速L/hV罐内液体体积L 、分别表示比生长速率和比死亡速率对于一般单级恒化器恒流速而言，因流入料液为颖培育基不含有任何细胞即X0=0; 又>> 则：dX/dt=( -F/V)X令dX/dt=0 则有： =F/VF/V被称为稀释率dilution rate用符号“D”表示。 =D稀释率D：指加料流量与反响器有效体积的比值F/VR, h-1 。均匀混合连续发酵稳定状态的前提是D= ，即稀释率D等于比生长速率 。稀释率D的单位同生长比速的单位一样，即为h-1，其含义为单位时间内进入的培育基体积F占罐内培育液总体积V的分数。D的倒1/D用t表示，则是培育基在罐内平均停留时间。争论：a. 假设D< ，则dX/dt>0，培育液中微生物细胞的浓度随时间而增加。b. 假设D> ， 则dX/dt<0，即细胞浓