《生物工程设备》课程教学资源（PPT课件）第十六讲 生物反应器设计基础

生物反应器设计基础 ·化学计量基础 传质 生物反应的质量衡算 气-液传质 生物反应过程的得率系数 液体-微生物传质 生物学基础 传热 细胞数动力学 剪切力问题 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响

生物反应器设计基础 • 化学计量基础 • 生物反应的质量衡算 • 生物反应过程的得率系数 • 生物学基础 • 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学 • 环境因素对生长及代谢的影响 • 传质 • 气-液传质 • 液体-微生物传质 • 传热 • 剪切力问题

细胞反应过程特征 细胞反应过程系:以细胞为反应主体的一类生化反应过程。包 括微生物反应和动植物细胞培养过程 °细胞反应过程主要特性: (1)细胞是反应过程的主体 (2)细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系; (3)细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同: )酶催化反应为分子水平上的反应,酶本身不进 行再生产; (二)在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都 处于动态变化过程

细胞反应过程特征 细胞反应过程系：以细胞为反应主体的一类生化反应过程。包 括微生物反应和动植物细胞培养过程。 • 细胞反应过程主要特性： （1）细胞是反应过程的主体； （2）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系； （3）细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同： (一) 酶催化反应为分子水平上的反应，酶本身不进 行再生产； (二) 在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都 处于动态变化过程

生物反应的质量衡算 细胞反应的元素衡算: 营养物(C源、N源、O2、无机盐类等)→细胞+代谢产物(产物、CO2、HO等 CH1O+aNH3+bO2→Y6CH5OnN4(生物量 YCH OSN(产物)+cH2O+dCO2 对化学方程式进行元素衡算,得下列方程组: C: 1=Yb+Yp+d N grb+ tYp 2 O 1+2b= nyb sp tct 2d +3a Y t ry t 2c

营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等） CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组： 生物反应的质量衡算 • 细胞反应的元素衡算： (2.1) H : 3 2 O : 1 2 2 N : C: 1 b p         + = + + + = + + + = + = + + m a pY rY c b nY sY c d a qY tY Y Y d b p b p b p

CHnO+aNH3+bO2→Y6 CH O,N(生物量)+ YCH OSN(产物)+cH2O+dCO2 还原度y:某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如:NH3中氮、氢 的还原度为:N=3,H=1 细胞:yb=4+p-2n-3q 基质:y4=4+m-2l (2.2) 产物:yn=4+y-2s-3t 根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程: Ys-4b=Yrb+Prp yea rs rs Ys b 十c+E P E→)基质中传递到氧的有效电子数的分率; 5→进入细胞的有效电子数分率 5→进入胞外产物中有效电子数的分率

(2.2) 4 2 3 4 2 4 2 3       = + − − = + − = + − − y s t m l p n q p s b    产物： 基质： 细胞： CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2 根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程： s b Yb b Yp p  − 4 =  +  s s p p s Yb b Y a      4 1 = + + =  +  +  1 b p • 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1 进入胞外产物中有效电子数的分率。 进入细胞的有效电子数分率； 基质中传递到氧的有效电子数的分率； → → → p b    

细胞反应过程的得率系数 对基质的细胞得率Yxs 生成细胞的质量 消耗基质的质量-△S 对氧的细胞得率Yx 生成细胞的质量x XO 消耗氧的质量 △O 对碳的细胞得率YC =生成细胞量x细胞含碳量 MoX= 消耗基质的质量x基质含碳量(△Ssos 对基质的产物得率Y 生成代谢产物的质量△P PS=消耗基质的质量△S

细胞反应过程的得率系数 • 对基质的细胞得率Yx/s S x x −   = ＝ 消耗基质的质量 生成细胞的质量 Y /s • 对氧的细胞得率Yx/o O x YX O −   = ＝ 消耗氧的质量 生成细胞的质量 / • 对基质的产物得率Yp/s S P YP S −   = ＝ 消耗基质的质量 生成代谢产物的质量 / • 对碳的细胞得率YC ( ) X S S X S X C Y S x Y /     = −     = ＝ 消耗基质的质量 基质含碳量 生成细胞量 细胞含碳量

基质的细胞得率Y与比生长速率的关系 比生长速率:生长速度大小的参数 r=dCx/d=Cx…(23) 维持的定义 …(2.4 X/S 式中Y-细胞对基质的得率;m一最大得率;m,一维持系数;-比生长速率。 °无产物时,基质的线性方程: =/Fx+m。…(25) 有产物时,基质的线性方程: σ=山/Fm+/ym+m1…(26) 式中σ一合成单位细胞的基质消耗速率;兀一单位细胞的产物生产率

基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系 (2.4) 1 1 max / /   s X S x s m Y Y ＝ + / (2.5) max ＝ Yx / s + ms  / / (2.6) max / max ＝ Yx / s +  Yx s + ms  •比生长速率μ：生长速度大小的参数。 dC d (2.3) X μCX rx = t = •维持的定义： 式中YXS－细胞对基质的得率； max Yx / s －最大得率；ms －维持系数； μ－比生长速率。 •无产物时，基质的线性方程： 式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。 •有产物时，基质的线性方程：

细胞数动力学 细胞生长分为几个阶段:停滞期、对数生长期、减速期、平衡期 和死亡期。 适应期 指数期 减速期 平衡期 死亡期 x粒子计数器法 00又 10 平板计数法 (活细胞数) 0光密度法 0.1 然米 10 0.01 时间/h 图21典型的细菌生长曲线

细胞数动力学 细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期 和死亡期。 图2.1 典型的细菌生长曲线

在指数生长期,细胞量生长速度为 r=dCx/(dt=X…(27) 细胞数增长速度为: dN/d=N…(2.8) 对式27在t→t,X→X积分,得: h(CX/CX0)=rt…(29) 由式29,得倍增时间a: In 2 hn 2 (210) max 微生物细胞μm值较大,倍增时间约0.5~5h,而动物细胞4 值小得多,动物细胞的倍增时间约15~100h,植物细胞倍增时间 约24~74h

dN dt = μN(2.8) ln( ) (2.9) CX CX 0 = μt (2.10) ln 2 ln 2 max  μ μ td = = r dC dt μX(2.7) X x = = 在指数生长期，细胞量生长速度为： 细胞数增长速度为： 对式2.7在t0→t，X0 → X积分，得： 由式2.9，得倍增时间td： 微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h

无抑制的细胞生长动力学 Monod方程(无抑制的细胞生长动力学) max (21) Ko+C 式中u为比生长速率4ma为最大比生长速率C为限制性基质浓度Ks为饱和常数, 当n=4ma2时的限制性基质浓度 Monod方程是典型的均衡生长模型,其基本假设为: (1)细胞的生长为均衡式生长; (2)培养基中只有一种基质是生长限制性基质,而其他组分为过 量,不影响细胞的生长; (3)细胞的生长视为简单的单一反应,细胞得率为一常数 Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下

• Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)： 无抑制的细胞生长动力学 (2.11) max  S S S K C C +  =  Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过 量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。 Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。 式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度

有抑制的细胞生长动力学 基质抑制动力学 对反竞争性抑制,其抑制机理可假设为: x+S←心[s]6→x[s」+s←k XS 式中 饱和常数 K 抑制常数 细胞比生长速率为:=kCx,而m=kCx总 KC C、=Cy+Cy+C +C。+ S Ks+C、+C; Max max K。+C、+C2/ K S

有抑制的细胞生长动力学 • 基质抑制动力学   ' X S XS X K k + ⎯S→ ⎯→     XS2 K XS S + ⎯I → 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为： S S S I S X X S K C C K C C C 2 max + + = ＝  总  ∴ 式中 －饱和常数 XS X S s C C C K  = − 抑制常数  = XS2 X S S I C C C K 细胞比生长速率μ为： xs  = kC ,而  max = kCx总 I XS S XS S S XS x X XS XS K C C C C K C C = C +C +C = + + ∵ 总 2 (2.12) / 2 max  S S S I S K C C K C + + =  ∴ 