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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：
A P

双分子反映的速率方程式是：
A+B P+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
X
S（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。
5、 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（batch culture）；2）补料分批培养 (fed-batch culture)；
3）连续培养 (continuous culture)。
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
specific growth rate (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)/2.303
µ=(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/μ
2.1 微生物生长动力学
例：某微生物的μ ＝0.125 h-1，求td。

X
S（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=0.5 µmax；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) 6 33 64 153 221
μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70
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/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3
S 6 33 64 153 221

2.2 基质消耗动力学
X
S（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。
S2wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww3
S1
S
S3
1．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／ΔS
X
S（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（continuous culture）：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(steady state)：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=0

Xm=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
1. 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
2. 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
3. 匀态问题
4. 控制问题
5. 放大问题
第四节、补料分批培养简介（fed-batch culture）
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-steady state 。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。
一、 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。
二、 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

三、 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：
v 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。
v 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。
v 泡沫过多的培养过程，规定有专用的泡沫收集装置。
v 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(immobilized enzyme)：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。
1.1 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 。
1.2 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：
1. 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。
2. 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-Sephadex A-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—Sephadex A-50
DEAE—Sepharose
阳离子互换剂 CM — Cellulose 羧甲基纤维素
IRC-50
IRC-120
㈡ 包埋法Entrapping Method：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
1、 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(immobilized cell)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 — Ala L — Ala +乙酸
乙酰 -D — Ala

第五章 生化反映器
一、 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。
二、 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
三、 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
四、 生化反映器的分类及其操作特点
（一） 按反映的相态分类：均相反映器、非均相反映器
（二） 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
（三） 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（Bubble tower bioreactor）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（Draft Tube），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250~300 m/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
Continued Stirred Tank Reactor (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
Piston Flow Reactor (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

BSTR
PFR
CSTR
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
0
0
∞

第六章 传氧与通气搅拌
第一节 氧对微生物生长的影响
q 氧对微生物生长有重要影响
q 溶解氧——微生物液体深层培养唯一供氧来源。
q 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
30
0.018
大肠杆菌
37
0.008
酵 母
30
0.004
产黄青霉
24
0.022
二、比耗氧速率qO2与溶氧浓度C的关系
q 耗氧速率 Oxygen Uptake Rate（OUR）

qO2 比耗氧速率，比呼吸速率，呼吸强度
respiratory intensity

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
k1-1 k2-1 k3-1 k4-1
气泡 气膜 气液界面 液膜 发酵液
耗氧方面的阻力
k6-1 k5-1 k7-1 k8-1
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-film theory）
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；1KL：液膜传质阻力

kG ：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/m2 h)
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/m3 h)
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
1) 搅拌
2) 空气流速
3) 空气分布管
4) 罐内液柱高度
5) 醪液性质
根据经验公式: kLa = k[(Pg/V)α(Vs)β(n) ω]
（1） 搅拌
作用
ü 形成小气泡，增大比表面积
ü 液体涡流运动，增长气液接触时间
ü 料液湍流运动，促进传质
ü 使菌体分散，避免结团
kLa ∝ (Pg/V)α
Pg：通气搅拌功率
（2） 空气流速kLa ∝Vsβ VS= Q/S = 4Q/π D2 Vs：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
ü 黏度
ü 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：
1. 减少亨利常数H
2. 提高氧分压PO2
1、 亨利常数H
取决于温度、溶质浓度，改变余地不大
Temperature(oC )
Henry's constant (atm.mg-1.l)
25
0.0258
35
0.0299

[NaCl] (M)
C* using pure oxygen at 25oC
0
40.32
0.5
34.24
1.0
28.48
2.0
22.72
2、 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。
3） 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(Chemical Sulfide Method)
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Dissolved Oxygen Probe Method
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 Dynamic Method 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 = -r t+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）

Glossary
q Dissolved Oxygen Probe 溶氧电极
q Sulfide 硫化物 End point 滴定终点
q Ion 离子 Copper Sulfate 硫酸铜
q Titration 滴定 Flask 细口瓶
q Iodine 碘 Buret 滴定管
q Soluble 可溶的 Impeller 叶轮
q Shaft 轴 Sparger 空气分布器
q Baffle 挡板 Head plate 面板
q Wobble 震动 Calibrate 校正
q Solution 溶液
第五节 搅拌功率及溶氧系数的计算
P， 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= ρ n3Di5 NP
P0：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

Np = C(Re)X
v Re<10
§ 粘滞力主导，层流
§ X=-1，Np=C Re-1
v Re>104
§ 惯性力主导，充足湍流
§ X=0，Np=C
§ NP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！
v Re>10000时，充足湍流
v 1. 三叶螺旋桨 Np= 0.4
v 2. 六平叶涡轮桨 Np= 6.2
v 3. 六弯叶涡轮桨 Np= 4.8
v 4.