生物工程设备第三章 生物反应器设计基础.pptVIP

3.空气分布装置空气分布装置有单管、多孔环管和多孔分支环管等几种。当通风量很小时，气泡的直径与空气喷口直径的1/3次方成正比，也就是说喷口直径越小，溶氧系数越大。但是，一般发酵工业的通风量远远超过这个范围，这时气泡直径只与通风量有关，与喷口直径无关。4.发酵罐内柱高度据报道，当H/D（高径比）从1加到3时，KLa可增加40％左右。当H/D从2增加到3时，KLa增加20％。由此可见，H/D小，氧利用率小，氧利用率差。H/D太大，溶氧系数增加不大。相反由于罐身过高液柱压差大气泡体积被压缩，以至造成气液界面小的缺点。H/D大，厂房要求也高，一般H/D＝1.7～4，以2～3为宜。5.发酵液的物理性质有些有机物质，如蛋白胨，能降低KLa值。当水中加入1％蛋白胨时，会将KLa减少到原来的1/3左右，同时气泡直径减少15％左右，而KLa值降到未加蛋白胨时的40％左右。在发酵过程中，营养物质的利用,代谢产物的积累，菌体的繁殖都会改变培养液的粘度、表面张力、离子强度等。从而影响气泡大小、气泡稳定性和氧的传递速度。培养物浓度增大、粘度增大、KLa值降低。6.温度温度对溶氧系数KLa的影响可用下式来表示；?上式可以看出，KLa随温度升高而增大。7.氧分压根据亨利定律，增大氧分压可提高溶氧浓度，从而增大推动力（C*-C），增大溶氧速率。采用纯氧、含氧量高的空气、增大罐压三种方法均能增大氧分压。但采用纯氧在经济方面是不合算的；增大罐压使空气压力要求增大，整个设备耐压要求也提高了。（3）其他因素的影响表面活性剂：消沫用的油脂分布在气液界面，增大传递阻力，使kLa下降；离子强度：在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。电解质浓度大的溶液的kLa比浓度低的溶液的kLa大；细胞：培养液中细胞浓度的增加，会使kLa变小，细胞的形态对kLa的影响也很显著，球状菌悬浮液的kLa比同样浓度丝状菌的大。综上所述，提高K的途径：(1)增加搅拌器转速N、以提高Pg、可以有效提高KLa;(2)增大通气量Q、可提高Vs。只有在增大Q的同时也相应提高N，不使Pg过分下降的情况下才会有效。(3)为了提高NV，除了提高KLa之外，提高C*也是可行的方法。1．影响kLa的因素（1）操作条件的影响搅拌和通气的影响：带有机械搅拌的通气培养装置，搅拌器对物质传递有几个方面的作用：1）可以增大气液相的接触面积；2）可以延长气泡在液体中的停留时间；3）可以减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力；4）有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。没有机械搅拌的鼓泡培养设备及气升式培养设备，则利用气泡在液体中的上升，带动液体运动，产生搅拌作用。搅拌和通气对kLa的影响：K-常数，其因次与α、β具体数值有关；PG-通气时的搅拌功率；V-培养液的体积；ω-通气的表观线速度。在实际操作中，通气量的影响有一定的限度，超过时，搅拌器不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量气泡中空转，发生所谓“过载”现象，导致搅拌功率大大下降，也不能提高kLa。搅拌功率过大会产生很大的剪切作用，可能对所培养的细胞造成伤害，也会产生大量搅拌热，加重传热的负担。2．kLa的测量溶氧电极法亚硫酸盐法动态法定态法极谱法等。2、溶氧电极法是一种参量变换器，把溶氧浓度转变成一个与之呈线性关系的电流量。这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温，可以固定装在发酵罐上，连续的测量培养液中溶氧浓度，此法为当前测量溶氧浓度的常用方法。生物反应器选型与设计的要点1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。2、确定适宜的反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积的计算。5、通风与搅拌装置的设计计算。6、材料的选择与确保无菌操作的设计。7、检验与控制装置。8、安全性。9、经济性。机械搅拌生物反应器的设计某生物医药公司为应用基因工程菌株发酵生产某药物原料（胞内产物），产量为30吨/年，现有情况：中试完成，20L发酵罐达到的指标为细胞浓度20g/L（干重），细胞内产物含量为5%（干重），细胞对糖的转化率为YX/S=0.4，细胞对氧的产率YX/O=1.0，在最佳条件（30℃和pH6.5）下，比生长速率μ=0.3/h，发酵时间为16