生物化学工程基础：08- 细胞生物反应器的搅拌和通气.ppt

李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering细胞生物反应器的搅拌和通气细胞生物反应器的搅拌和通气8.1 细胞生物反应器类型细胞生物反应器类型8.2 搅拌式生物反应器（发酵罐）的搅拌功率搅拌式生物反应器（发酵罐）的搅拌功率8.3 细胞对氧的需求细胞对氧的需求8.4 细胞培养中氧的传递过程细胞培养中氧的传递过程8.5 影响气液氧传递速率的因素影响气液氧传递速率的因素8.6 溶解氧、摄氧率和溶解氧、摄氧率和KLa的测定方法的测定方法李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.1 细胞生物反应器类型细胞生物反应器类型 1 微生物细胞反应器微生物细胞反应器 1) 1) 机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐 2) 2) 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 3) 3) 鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐 4) 4) 气升式发酵罐气升式发酵罐 2 动物细胞生物反应器动物细胞生物反应器 3 植物细胞生物反应器植物细胞生物反应器 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering1 微生物细胞反应器微生物细胞反应器李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering1) 机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐 立式圆筒形。

立式圆筒形 搅拌器、挡板、蛇管搅拌器、挡板、蛇管( (或壳体上或壳体上设置夹套设置夹套) )、空气分布装置空气分布装置 排气、取样、放料、接种、消排气、取样、放料、接种、消泡剂、酸、碱等管道接口、检测电泡剂、酸、碱等管道接口、检测电极，以及人孔极，以及人孔( (或手孔或手孔) )、视镜李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering * * 为了增加空气在培养液中的停留时间，圆筒部为了增加空气在培养液中的停留时间，圆筒部分的高径比大约为分的高径比大约为1.71.7～～2.52.5 * * 在一根搅拌轴上安装多个搅拌桨，搅拌桨直径在一根搅拌轴上安装多个搅拌桨，搅拌桨直径与罐径之比为与罐径之比为1/31/3～～1/21/2 * * 搅拌桨多采用六平叶、六弯叶或六箭叶涡轮搅搅拌桨多采用六平叶、六弯叶或六箭叶涡轮搅拌器，这几种搅拌器的中间部分有一圆盘拌器，这几种搅拌器的中间部分有一圆盘 * * 垂直挡板，挡板宽度通常为罐径的垂直挡板，挡板宽度通常为罐径的1/81/8～～1/121/12。

* * 小型发酵罐可用夹套进行热量交换，大型发酵小型发酵罐可用夹套进行热量交换，大型发酵罐均需设置多组蛇管进行热量交换罐均需设置多组蛇管进行热量交换李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering添加大标题（（a）） （（b）） （（c））(a)六平叶　六平叶　h:b:d1:d=4:5:13:20(b)六弯叶　六弯叶　h:b:d1:d=4:5:13:20, r=d1/2, θ=38°(c)六箭叶　六箭叶　e:h:b:d1=3:3.5:5:13:20, r=d1/4常用涡轮式搅拌桨常用涡轮式搅拌桨李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering2)自吸式发酵罐自吸式发酵罐李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3) 鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering4) 气升式发酵罐气升式发酵罐气升式发酵罐示意图气升式发酵罐示意图李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering2 动物细胞生物反应器动物细胞生物反应器一种用于动物细胞培养的通气搅拌式反应器一种用于动物细胞培养的通气搅拌式反应器李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3 植物细胞生物反应器植物细胞生物反应器 反应器与微生物反应器类似，但应避免过反应器与微生物反应器类似，但应避免过于剧烈的搅拌，防止损伤脆弱的植物细胞。

于剧烈的搅拌，防止损伤脆弱的植物细胞李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering微生物与动植物细胞的比较微生物与动植物细胞的比较微生物微生物细胞胞哺乳哺乳动物物细胞胞植物植物细胞胞大小大小( (直径直径) )1 1～～10μm10μm1010～～100μm100μm1010～～100μm 100μm 在液体中的生在液体中的生长悬浮生长，有悬浮生长，有时聚集成团时聚集成团有些悬浮生长，有些悬浮生长， 多数依赖表面多数依赖表面可悬浮生长，可悬浮生长， 常聚集成团常聚集成团营养要求养要求简单简单极复杂极复杂复杂复杂生生长速率速率一般较快一般较快慢，倍增时间０慢，倍增时间０.5.5～５～５h h慢，倍增时间慢，倍增时间1515～～100h100h代代谢控制控制内部控制内部控制内部，激素内部，激素内部，激素内部，激素对环境的敏感性境的敏感性一般耐受范围一般耐受范围较大较大无细胞壁，对环无细胞壁，对环境极敏感境极敏感耐受范围较大耐受范围较大细胞分化胞分化无无有有有有对剪切的敏感性剪切的敏感性低低极高极高高高李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.2 搅拌式生物反应器的搅拌功率搅拌式生物反应器的搅拌功率在牛顿型流体中的搅拌功率在牛顿型流体中的搅拌功率 1) 1) 无通气条件下的搅拌功率无通气条件下的搅拌功率 2) 2) 有通气条件下的搅拌功率有通气条件下的搅拌功率 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering1) 无通气条件下的搅拌功率无通气条件下的搅拌功率 搅拌功率的大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的搅拌功率的大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度及粘度有关，用功率准数密度及粘度有关，用功率准数(N(NP P) )、雷诺准数、雷诺准数(Re)(Re)和弗和弗鲁特准数鲁特准数(Fr)(Fr)表达表达: : 式中：式中： P0 —— 无通气搅拌功率无通气搅拌功率(W) N —— 搅拌转速搅拌转速(1/s）） ＤＤi —— 搅拌器直径搅拌器直径(m) ρ —— 液体密度液体密度(kg/m3) g —— 重力加速度重力加速度 (9.81m/s2) μ ——粘度粘度李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 在全挡板在全挡板(fully baffled)(fully baffled)条件下，液面的条件下，液面的中心部不生成漩涡，重力的影响可忽略，则：中心部不生成漩涡，重力的影响可忽略，则： 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering Re＜＜10，，滞流滞流，上式在双对数坐标中成直线关，上式在双对数坐标中成直线关系，系， 斜率为斜率为 x=-1。

搅拌功率搅拌功率与液体粘度成正比，与液体粘度成正比，与液体粘度成正比，与液体粘度成正比，与密度无关与密度无关与密度无关与密度无关 六平叶涡轮桨六平叶涡轮桨 K=71 六弯叶涡轮桨六弯叶涡轮桨 K=71 六箭叶涡轮桨六箭叶涡轮桨 K=70李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering Re＞＞104，， 湍流湍流，，x=0，，NP与与Re无关，搅拌功率无关，搅拌功率与与与与液体粘度无关，与密度成正比液体粘度无关，与密度成正比液体粘度无关，与密度成正比液体粘度无关，与密度成正比 六平叶涡轮桨六平叶涡轮桨 K=6.2 六弯叶涡轮桨六弯叶涡轮桨 K=4.8 六箭叶涡轮桨六箭叶涡轮桨 K=3.9李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering• 104＞＞Re＞＞10，过渡流状态，，过渡流状态，K与与 x 均随均随Re变化。

变化李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering添加大标题几种搅拌器的功率准数几种搅拌器的功率准数Np与雷诺准数与雷诺准数Re的关系的关系李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering如果搅拌轴上装有多个（层）搅拌器，搅拌功率用下式估算如果搅拌轴上装有多个（层）搅拌器，搅拌功率用下式估算 式中，式中，P Pm0 m0 为多个搅拌器的搅拌功率消耗；为多个搅拌器的搅拌功率消耗； m m 为搅拌桨的层数为搅拌桨的层数 P P0 0 为单层搅拌器下的功率消耗为单层搅拌器下的功率消耗李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering2)有通气条件下的搅拌功率有通气条件下的搅拌功率 通气后由于液体的密度下降，搅拌功率显著下降通气后由于液体的密度下降，搅拌功率显著下降。

通气量的大小与搅拌功率的消耗有明显关系，用通气量的大小与搅拌功率的消耗有明显关系，用通气准通气准数数来描述：来描述： 式中，式中，N NA A —— 通气准数通气准数 Q Qg g —— 空气流量空气流量(m(m3 3/s)/s) N N —— 转速转速(1/s)(1/s)李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering通气搅拌功率经验式通气搅拌功率经验式 Michel Michel 经验式：经验式： 式中，式中，P Pg g —— 通气搅拌功率，通气搅拌功率，kWkW P P0 0 —— 不通气时的搅拌功率，不通气时的搅拌功率，kWkW D Di i —— 搅拌浆直径，搅拌浆直径，m m N N —— 搅拌转速，搅拌转速，1/min1/min C C ——与反应器形状有关，且是有因次的常数。

与反应器形状有关，且是有因次的常数 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering经验公式的使用条件经验公式的使用条件 反应器容积反应器容积 3.53.5～～15.315.3ＬＬ 发酵液密度发酵液密度800800～～1650 kg/m1650 kg/m3 3 粘度为粘度为9 9××1010-4-4～～0.1Pa0.1Pa·s s 表面张力表面张力0.0270.027～～0.0720.072ＮＮ/m/m 搅拌浆为涡轮浆搅拌浆为涡轮浆 装料量为装料量为100100～～4200042000Ｌ的发酵罐此式也适用Ｌ的发酵罐此式也适用 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering计算功率的目的计算功率的目的1.检验需要的搅拌功率是否合适检验需要的搅拌功率是否合适2.设计在固定搅拌桨形式下需要多少转速达到相设计在固定搅拌桨形式下需要多少转速达到相应的功率，满足混合和传氧要求。

应的功率，满足混合和传氧要求3.配置减速箱配置减速箱4.配置电机的功率配置电机的功率李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.3 细胞对氧的需求细胞对氧的需求 氧是难溶气体，氧是难溶气体，25℃25℃和和1 1大气压时，空气中的氧在纯大气压时，空气中的氧在纯水中的平衡浓度（水中的平衡浓度（C C* *）仅）仅8.5g/m8.5g/m3 3，是葡萄糖的，是葡萄糖的1/60001/6000 1 1) ) 氧的功用氧的功用 氧是构成细胞本身及其代谢产物的组分之一，许多细氧是构成细胞本身及其代谢产物的组分之一，许多细胞必须利用分子状态的氧才能生长胞必须利用分子状态的氧才能生长 细胞通过体内糖、脂肪等有机化合物的生物氧化获得细胞通过体内糖、脂肪等有机化合物的生物氧化获得生命活动所需的能量，能量以形成生命活动所需的能量，能量以形成ATPATP的方式来贮存，部的方式来贮存，部分以热的形式放出分以热的形式放出 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering (1) (1) 比耗氧速率（呼吸强度）比耗氧速率（呼吸强度）QoQo2 2(molO(molO2 2/kg/kg·s)s) 是单位（质量的）细胞在单位时间内所消耗氧的量。

是单位（质量的）细胞在单位时间内所消耗氧的量 以氧为限制性基质的以氧为限制性基质的MonodMonod方程 式中，式中，(Qo(Qo2 2) )m m —— 最大比耗氧速率（最大比耗氧速率（mol Omol O2 2/kg/kg·s s…. .）） C CL L —— 培养液中的溶解氧浓度（培养液中的溶解氧浓度（mol/mmol/m3 3）） K KO O —— 氧的饱和常数（氧的饱和常数（mol/mmol/m3 3））2) 细胞需氧强度的表示细胞需氧强度的表示李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering一般一般 (Qo2)max=10-3～～ 10-4 mol O2/kg·s KO=10-3～～10-5 mol/m3 = (10-3～～10-5 )×32 g/m3 对于啤酒酵母，对于啤酒酵母， (Qo2)max =2.2 ×10-3mol O2/kg·s KO=0.001 mol/m3 =0.001×32 g/m3 KO的数值与的数值与C C* * （（ 8.5g/m8.5g/m3 3 ））数值比较数值比较说明了什么？说明了什么？李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(2) (2) 摄氧率（消耗速率）摄氧率（消耗速率）γ(mol Oγ(mol O2 2/ /m m3 3s)s) 单位单位体积体积培养液在单位时间内消耗的氧表示。

培养液在单位时间内消耗的氧表示 呼吸强度与摄氧率有以下关系：呼吸强度与摄氧率有以下关系： 式中，式中，X X 为培养液中细胞的浓度为培养液中细胞的浓度 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering摄氧率的估算（例子）摄氧率的估算（例子）已知：已知：1015个菌个菌/m3(109个菌个菌/cm3) 10-16m3/个菌，直径个菌，直径 d=5.8µm 呼吸强度呼吸强度 2.6×10-3 mol O2/Kg干干细胞细胞.s 菌体密度菌体密度 1000 Kg/m3，含水量，含水量80%李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering则每则每m3菌液中干菌重为：菌液中干菌重为： 10-16 (m3/个菌个菌)×1015(个菌个菌/m3)×1000(Kg/m3) ×0.2(Kg干菌干菌/Kg湿菌湿菌) = 20(Kg干菌干菌/m3)所以所以 γ= 2.6×10-3 (mol O2/Kg干菌干菌.s)×20 (Kg干菌干菌/m3) = 0.052 mol O2/m3.s = 1.664 gO2/m3.s （（ 溶解度溶解度8.5g/m8.5g/m3 3 ）） 可见，可见，5秒钟就将溶于水的氧耗尽了。

秒钟就将溶于水的氧耗尽了 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3) 影响细胞耗氧速率的因素影响细胞耗氧速率的因素(1) (1) 细胞的呼吸强度与培养液中溶解氧浓度有关细胞的呼吸强度与培养液中溶解氧浓度有关(2) (2) 碳源种类对细胞的耗氧速率影响碳源种类对细胞的耗氧速率影响(3) (3) 基质浓度对细胞的耗氧速度的影响基质浓度对细胞的耗氧速度的影响(4) (4) 细胞的耗氧速率与培养时间的关系细胞的耗氧速率与培养时间的关系李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(1)细胞的呼吸强度与培养液中溶解氧浓度有关细胞的呼吸强度与培养液中溶解氧浓度有关* * 当培养液中的溶解氧浓度低于某临界浓度时，细胞的呼吸强当培养液中的溶解氧浓度低于某临界浓度时，细胞的呼吸强度会随着溶氧浓度的下降而下降度会随着溶氧浓度的下降而下降 * 细胞的临界氧浓度一般为细胞的临界氧浓度一般为0.0030.003～～0.05mol/m0.05mol/m3 3，约是空气中，约是空气中的氧在培养液中平衡浓度的的氧在培养液中平衡浓度的1 1～～2020％。

％ * 培养过程中没有必要使溶解氧浓度维持在接近平衡浓度，只培养过程中没有必要使溶解氧浓度维持在接近平衡浓度，只要高于临界值，细胞的呼吸就不会受到抑制要高于临界值，细胞的呼吸就不会受到抑制李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical EngineeringCL, g/L酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系临界值临界值1临界值2李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering一些细胞的临界氧浓度一些细胞的临界氧浓度Ccr细胞种胞种类温度温度℃℃C Ccrcr(mol/m(mol/m3 3) )C Ccrcr(g/m(g/m3 3) )发光光细菌菌2424００.01.010.32维涅涅兰德固氮菌德固氮菌30300.0180.018～～0.0490.0490.576～1.568大大肠杆菌杆菌37.837.80.00820.00820.26216160.00310.00310.099粘粘质沙雷氏菌沙雷氏菌3131 0.015 0.0150.48脱氮假脱氮假单胞菌胞菌3030 0.009 0.0090.288酵母酵母34.834.80.00460.00460.14720200.00370.00370.118产黄青霉菌黄青霉菌24240.0220.0220.70430300.0090.0090.288米曲霉米曲霉3636 0.020 0.0200.64从从monod方程方程看，到了临界看，到了临界溶氧值意味什溶氧值意味什么？么？氧溶解度氧溶解度8.5g/m3李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(2)碳源种类对细胞的耗氧速率影响碳源种类对细胞的耗氧速率影响 一般来讲，葡萄糖比其它碳水化合物容易利用。

一般来讲，葡萄糖比其它碳水化合物容易利用 青霉菌在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养基中，摄青霉菌在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养基中，摄氧率分别为氧率分别为13.413.4、、6.76.7和和4.9 mol/m4.9 mol/m3 3 s s 用烃类作为碳源，每消耗用烃类作为碳源，每消耗 1 1分子碳的需氧量比碳分子碳的需氧量比碳水化合物高水化合物高李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical EngineeringMoo-Young提出了以下化学计量关系：提出了以下化学计量关系：以烃作碳源生产酵母细胞以烃作碳源生产酵母细胞以碳水化合物作碳源时以碳水化合物作碳源时 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(3)基质浓度对细胞的耗氧速度的影响基质浓度对细胞的耗氧速度的影响例如：在链霉素发酵中，例如：在链霉素发酵中， 第第70h的摄氧率为的摄氧率为34 mol O2/m3·h，， 第第78h补料补料后升为后升为40.9 molO2/m3h 第第94h又降到又降到15 ～～ 20 molO2/m3h。

李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering例如：重组毕赤酵母表达人血白蛋白溶氧变化例如：重组毕赤酵母表达人血白蛋白溶氧变化 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(4)细胞的比耗氧速率（呼吸强度）与培养时间的关系细胞的比耗氧速率（呼吸强度）与培养时间的关系 例如在分批培养中，例如在分批培养中，疣孢漆斑霉疣孢漆斑霉( (Myrothecium Myrothecium verrucariaverrucaria) )的呼吸强度在的呼吸强度在快速生长期的前期达到最快速生长期的前期达到最大，然后逐渐下降大，然后逐渐下降 疣孢漆斑霉在分批培养中疣孢漆斑霉在分批培养中QoQo2 2的变化的变化李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.4 细胞培养中氧的传递过程细胞培养中氧的传递过程供氧阻力氧从空气泡到达细胞内的示意图氧从空气泡到达细胞内的示意图细胞培养中氧传递过程物理模型细胞培养中氧传递过程物理模型摄氧阻力李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering传氧阻力分解传氧阻力分解传氧阻力分解传氧阻力分解(1) (1) 在气泡中氧从气相主体扩散到气在气泡中氧从气相主体扩散到气- -液界面的阻力液界面的阻力R1R1；；(2) (2) 通过气通过气- -液界面的阻力液界面的阻力R2R2；；(3) (3) 通过气泡外侧滞流液膜，到达液相主体的阻力通过气泡外侧滞流液膜，到达液相主体的阻力R3R3；；(4) (4) 液相主体中的传递阻力液相主体中的传递阻力R4R4；；(5) (5) 通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞( (团团) )与液与液 体间界面的阻力体间界面的阻力R5R5；；(6) (6) 通过液体与细胞通过液体与细胞( (团团) )之间界面的阻力之间界面的阻力R6R6；；(7) (7) 细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力R7R7；；(8) (8) 进入细胞的阻力进入细胞的阻力R8R8；；李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering气－液接触界面附近氧浓度的分布气－液接触界面附近氧浓度的分布李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.5 影响气液氧传递速率的因素影响气液氧传递速率的因素•1) 氧的溶解特性氧的溶解特性•2) 影响推动力的因素影响推动力的因素•3) 影响气液比表面积影响气液比表面积a的因素的因素•4) 影响影响KL的因素的因素•5) 影响体积传递系数影响体积传递系数KLa的因素的因素李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 供氧方面的阻力主要存在于气泡外侧的滞流液膜，供氧方面的阻力主要存在于气泡外侧的滞流液膜，提高通过液膜的提高通过液膜的氧传递速率氧传递速率，就可以提高生物反应，就可以提高生物反应器的供氧能力。

根据气液间氧传递方程器的供氧能力根据气液间氧传递方程 可知，提高气液传递的推动力可知，提高气液传递的推动力C*C*－Ｃ－ＣL L或体积传递或体积传递系数系数K KL La a都可提高氧传递速率都可提高氧传递速率 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering1) 氧的溶解特性氧的溶解特性u溶解度溶解度C C* *很小，温度升高，氧在水中的溶解度下降很小，温度升高，氧在水中的溶解度下降u在电解质溶液中，由于盐析作用，氧的溶解度降低在电解质溶液中，由于盐析作用，氧的溶解度降低u在培养过程中，培养液的组成是变化的，在培养过程中，培养液的组成是变化的，C C* *也是变化的也是变化的 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering2) 影响推动力的因素影响推动力的因素 提高气相中氧分压可以提高液相氧的平衡提高气相中氧分压可以提高液相氧的平衡浓度浓度C*C*但随着罐压的升高，二氧化碳的分压但随着罐压的升高，二氧化碳的分压也升高，由于二氧化碳的溶解度比氧大得多，也升高，由于二氧化碳的溶解度比氧大得多，对一些培养过程可能会产生不良影响。

对一些培养过程可能会产生不良影响 提高氧分压的另一方法是增加空气中氧的提高氧分压的另一方法是增加空气中氧的相对含量，进行富氧通气相对含量，进行富氧通气李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3)影响气液比表面积影响气液比表面积a的因素的因素 气液比表面积与气含率成正比，与气泡平气液比表面积与气含率成正比，与气泡平均直径成反比均直径成反比 对于带有机械搅拌的反应器，气泡的平均对于带有机械搅拌的反应器，气泡的平均直径与单位体积液体消耗的通气搅拌功率、流直径与单位体积液体消耗的通气搅拌功率、流体的物理性质，以及通气量有关体的物理性质，以及通气量有关李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering4) 影响影响KL的因素的因素• K KL L与液膜厚度和氧在液膜中扩散系数与液膜厚度和氧在液膜中扩散系数D DL L有关，由有关，由表面更新理论知道表面更新理论知道: :• t t 是气泡与液体接触时间，表面不断更新，是气泡与液体接触时间，表面不断更新，t t很很小，且与搅拌功率有关。

小，且与搅拌功率有关• K KL L与与D DL L0.50.5成线性关系成线性关系• D DL L与液体的温度和粘度有关与液体的温度和粘度有关 李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering5) 影响体积传递系数影响体积传递系数KLa的因素的因素(1) 操作条件操作条件(2) 流体性质流体性质(3) 表面活性剂表面活性剂(4) 盐浓度盐浓度 51李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(1) 操作条件操作条件(搅拌与通气搅拌与通气) 搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件对搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件对K KL La a有有很大影响，它们与很大影响，它们与K KL La a的关系可用以下经验式表示：的关系可用以下经验式表示： 式中，式中，αα、、ββ为指数；为指数；K K为有因次的系数为有因次的系数 在在3 3～～6565Ｌ的气液反应器中，Ｌ的气液反应器中，α=0.95α=0.95，，β=0.67β=0.67。

要提高要提高K KL La a，，增加单位液体体积的搅拌功率比增大通增加单位液体体积的搅拌功率比增大通气量有效气量有效52李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 生物反应器通常带有多个搅拌器，福田等对装料量生物反应器通常带有多个搅拌器，福田等对装料量100 100 ～～4200042000Ｌ的几何不相似的发酵罐得到以下关联式：Ｌ的几何不相似的发酵罐得到以下关联式： 式中，式中，K=1.86 mK=1.86 m为搅拌桨层数，为搅拌桨层数， P Pg g(kw)(kw)是有通气搅拌功率，是有通气搅拌功率， V(MV(M3 3) )是反应器容积，是反应器容积， w ws s(m/h)(m/h)是空气表观线速度，是空气表观线速度，N(1/s)N(1/s)是搅拌转速是搅拌转速53李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(2)流体性质流体性质 液体的物理性质对液体的物理性质对K KL La a也有影响。

在同样的操作状也有影响在同样的操作状态下，液体的粘度越大，态下，液体的粘度越大，K KL La a就越小，可表示为：就越小，可表示为： 例如例如RyuRyu等指出对于青霉素发酵液等指出对于青霉素发酵液δδ＝＝0.680.68 综合考虑操作状态和流体性质的影响，可以表示综合考虑操作状态和流体性质的影响，可以表示为为54李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(3)表面活性剂表面活性剂 培养液中的蛋白质、脂肪及化学消泡剂都是培养液中的蛋白质、脂肪及化学消泡剂都是表面活性物质，分布在气液界面，使表面张力下表面活性物质，分布在气液界面，使表面张力下降，形成较小的气泡，使比表面积降，形成较小的气泡，使比表面积a a增大但可能增大但可能使气含率降低，减少单位体积发酵液的总气液表使气含率降低，减少单位体积发酵液的总气液表面积从而降低溶氧面积从而降低溶氧 消泡剂的加入不宜太多，否则易影响生物代消泡剂的加入不宜太多，否则易影响生物代谢反应55李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(4)盐浓度盐浓度 水中通入空气后，气泡易凝并成大气泡，但水中通入空气后，气泡易凝并成大气泡，但在电解质溶液中，气泡凝并现象大大减少，气泡在电解质溶液中，气泡凝并现象大大减少，气泡直径比在纯水中小得多，有较大的比表面积。

是直径比在纯水中小得多，有较大的比表面积是由于离子带有静电，阻碍了气泡的聚并由于离子带有静电，阻碍了气泡的聚并 在同样的操作状态下，电解质溶液的在同样的操作状态下，电解质溶液的K KL La a比比水大，一些有机溶剂如甲醇、乙醇丙酮等也有此水大，一些有机溶剂如甲醇、乙醇丙酮等也有此现象56李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering8.6 溶解氧、摄氧率和溶解氧、摄氧率和KLa的测定方法的测定方法1) 溶解氧的测定溶解氧的测定2) 摄氧率的测定－－氧电极法摄氧率的测定－－氧电极法3) KLa的测定的测定 (1) 亚硫酸氧化法亚硫酸氧化法 (2) 动态法动态法57李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering1) 溶解氧的测定溶解氧的测定 一般用复膜氧电极测定培养液中的溶解氧将一般用复膜氧电极测定培养液中的溶解氧将阴极、阳极和电解质溶液装入壳体，用能透过氧分子阴极、阳极和电解质溶液装入壳体，用能透过氧分子的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜，就成了的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜，就成了复膜氧电极。

复膜氧电极 极谱型复膜氧电极极谱型复膜氧电极 原电池型复膜氧电极原电池型复膜氧电极 58李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering氧电极的种类复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图( (a)a)－－极谱型；　极谱型；　( (b)b)－－原电池型原电池型复膜氧电极内外气分压的分布复膜氧电极内外气分压的分布59李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 复膜氧电极的电极反应是在不与被测介质直接接复膜氧电极的电极反应是在不与被测介质直接接触的情况下进行的专门设计的氧电极触的情况下进行的专门设计的氧电极可以耐受蒸可以耐受蒸可以耐受蒸可以耐受蒸汽灭菌汽灭菌汽灭菌汽灭菌，所以可以安装在培养设备上，对在培养过，所以可以安装在培养设备上，对在培养过程中溶氧浓度变化的情况加以监测程中溶氧浓度变化的情况加以监测60李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering发酵工业用溶氧电极实物发酵工业用溶氧电极实物61李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering2) 摄氧率的测定摄氧率的测定氧电极法氧电极法 如果在某一时刻停止向培养液通气，而维持如果在某一时刻停止向培养液通气，而维持原来的搅拌状况，则氧的摄取速率：原来的搅拌状况，则氧的摄取速率： 62李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering停止通气后培养液中溶氧浓度的变化停止通气后培养液中溶氧浓度的变化停止通气后，残留在培养液中的气泡仍有氧传递作用，所以直线部分不立即出现。

停止通气后，残留在培养液中的气泡仍有氧传递作用，所以直线部分不立即出现空气泡63李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering3) KLa的测定的测定(1) (1) 亚硫酸氧化法亚硫酸氧化法 本法用于在本法用于在非培养情况下非培养情况下测定反应器的氧传递系数测定反应器的氧传递系数 在反应器中加入含有铜离子或钴离子为催化剂的亚硫酸钠在反应器中加入含有铜离子或钴离子为催化剂的亚硫酸钠溶液，通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠由于反应很溶液，通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠由于反应很快，液相氧浓度认为是零反应速度由气液相的氧传递控制，快，液相氧浓度认为是零反应速度由气液相的氧传递控制，与亚硫酸钠浓度无关与亚硫酸钠浓度无关( (在在0.0180.018～０～０.5kmol/m.5kmol/m3 3时时) ) NaSONaSO3 3+0.5O+0.5O2 2 Cu++, Co++Cu++, Co++ NaNa2 2SOSO4 4 非真实体系！！！，与真实体系有一定的差别非真实体系！！！，与真实体系有一定的差别64李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 用碘量法测定亚硫酸钠消耗速率，可求得氧传递速率OTR。

因氧化反应速度很快，液相氧浓度CL=０，所以：亚硫酸钠溶液亚硫酸钠溶液溶解氧浓度为溶解氧浓度为 0含氧气泡液面上层空气液面上层空气空气入气体分布器气体分布器65李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(2)动态法动态法 对非培养系统对非培养系统 先用氮气赶去液体中的溶解氧，加入适当量的亚硫酸钠先用氮气赶去液体中的溶解氧，加入适当量的亚硫酸钠( (让液体中的让液体中的氧气反应完氧气反应完) )，然后通入空气，测定溶氧浓度随时间的变化，这时的，然后通入空气，测定溶氧浓度随时间的变化，这时的r=0r=0，， 当当t=0t=0时时 C CL L=0=0上式积分后得到上式积分后得到 将将(C*-C(C*-CL L)/C*)/C*对时间对时间t t在半对数坐标中作图，可得一条直线，它的在半对数坐标中作图，可得一条直线，它的斜率为斜率为-1/K-1/KL La a 由于不需用图解法求由于不需用图解法求dCdCL L/dt/dt，所以更加简便。

所以更加简便66李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(2)动态法动态法 如前所述，停止通气，根据培养液中溶氧变化化速率可如前所述，停止通气，根据培养液中溶氧变化化速率可以求出摄氧率以求出摄氧率 当溶氧下降到一定程度时当溶氧下降到一定程度时( (不应低于临界氧浓度不应低于临界氧浓度) )，恢复，恢复通气，则培养液中溶氧浓度逐渐升高，最后恢复到原水平通气，则培养液中溶氧浓度逐渐升高，最后恢复到原水平Y XY X对培养系统对培养系统67李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering停止通气和恢复通气后培养液中溶氧浓度的变化停止通气和恢复通气后培养液中溶氧浓度的变化68李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering 根据恢复通气后溶解氧变化的曲线，用图根据恢复通气后溶解氧变化的曲线，用图解法求出与一定溶氧所对应的解法求出与一定溶氧所对应的dCdCL L/dt(/dt(即曲线的即曲线的斜率斜率) )；； 将将C CL L对对(dC(dCL L/dt+γ)/dt+γ)作图，可得一直线，其作图，可得一直线，其斜率为斜率为 -1/ K-1/ KL La a，在，在C CL L轴上的截距为轴上的截距为C*C*。

69李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering(dCL/dt) + r利用动态过程数据求利用动态过程数据求KLa和和C＊＊李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering作作 业业1)1)查阅资料（文章）查阅资料（文章） 各举出搅拌式反应器、气升式反应器和鼓泡式反应各举出搅拌式反应器、气升式反应器和鼓泡式反应器的一个应用例子（共三个例子）器的一个应用例子（共三个例子） 要求：列出具体的培养体系（什么细胞）要求：列出具体的培养体系（什么细胞） 发酵培养基配方发酵培养基配方 达到的细胞密度达到的细胞密度 生产的具体产品生产的具体产品71李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering作业作业2)2)在一个密闭发酵罐中测定停气情况下溶解氧的变化，在一个密闭发酵罐中测定停气情况下溶解氧的变化，假设发酵罐总体积是假设发酵罐总体积是5L5L，装液量，装液量6060％，上层空气中氧％，上层空气中氧气含量对停气法测定溶氧变化会有影响，请估算发酵气含量对停气法测定溶氧变化会有影响，请估算发酵液中氧含量（以水计算），并与上面空气中氧含量进液中氧含量（以水计算），并与上面空气中氧含量进行比较，简要说明上层空气中氧的存在对停气法（动行比较，简要说明上层空气中氧的存在对停气法（动态法）测定态法）测定KlaKla可能产生那些影响？可能产生那些影响？有关数据请自己查阅有关数据请自己查阅空气下节课再见了下节课再见了……李强￿￿化工系生化所￿￿抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础￿￿Biochemical Engineering添加大标题。