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1、第三章 生物反應(yīng)器中的傳遞與傳熱（4學(xué)時(shí)） 基本要求： 了解發(fā)酵介質(zhì)的流變特性、流變模型和影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素。 了解氧的傳質(zhì)反應(yīng)模型，掌握反應(yīng)器中氧的體積傳質(zhì)系數(shù)的定義及其影響因素和測(cè)定方法。 了解固定化酶中反應(yīng)過(guò)程的分析,了解內(nèi)外擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算方法,掌握內(nèi)外擴(kuò)散的判斷和消除方法. 了解兩相酶反應(yīng)過(guò)程的分析,掌握液-液傳質(zhì)的計(jì)算. 了解生物反應(yīng)器的滅菌過(guò)程以及反應(yīng)器的傳熱. 重點(diǎn)： 反應(yīng)器中氧的體積傳質(zhì)系數(shù)的定義及其影響因素。 固定化酶內(nèi)外擴(kuò)散的判斷和消除方法。 生物反應(yīng)器的滅菌過(guò)程。 難點(diǎn)： 固定化酶內(nèi)外擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。,1 發(fā)酵介質(zhì)的流變特性,生化反應(yīng)器中發(fā)酵液的流變特性將影響其混
2、合的程度，從而影響其傳質(zhì)和傳熱的速率。發(fā)酵液是由液相和固相構(gòu)成的多相體系，對(duì)于細(xì)菌和酵母發(fā)酵液，一般來(lái)說(shuō)其粘度較低，流動(dòng)性較好，熱量和質(zhì)量傳遞速率較快。如果采用特殊的培養(yǎng)技術(shù)得到高濃度的細(xì)胞發(fā)酵液，則會(huì)因其粘度的大大增加而造成熱量和質(zhì)量傳遞的困難。因此必須予以充分重視。 流變模型 流變模型系指能反映流體流動(dòng)特性的模型。流體的流動(dòng)特性又經(jīng)常以剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系來(lái)表示。,第一節(jié) 傳質(zhì)基礎(chǔ),影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素 發(fā)酵介質(zhì)的流變特性主要取決于細(xì)胞的濃度和其形態(tài)。一般發(fā)酵介質(zhì)中液相部分粘度較低，但是隨著細(xì)胞濃度的增加，發(fā)酵介質(zhì)的粘度也相應(yīng)增大，流體偏離牛頓特性越大。細(xì)胞的形態(tài)對(duì)發(fā)酵介質(zhì)流動(dòng)
3、特性也有較大影響，如細(xì)胞為絲狀形態(tài)時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵介質(zhì)成為非牛頓型流體。 影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的另一個(gè)因素為胞外產(chǎn)物，如產(chǎn)物為多糖，此時(shí)細(xì)胞的存在對(duì)發(fā)酵介質(zhì)的流變特性影響較小，而多糖濃度的高低則對(duì)介質(zhì)的粘度有較大影響。 一般當(dāng)發(fā)酵介質(zhì)中細(xì)胞的濃度較低，且其形態(tài)為球形時(shí)，通常為牛頓型流體，此時(shí)流體的流動(dòng)性能較好，傳質(zhì)和傳熱性能好，如酵母和細(xì)菌發(fā)酵液具有這種特性。,2 反應(yīng)器中傳質(zhì)和反應(yīng)過(guò)程,在生物反應(yīng)器中進(jìn)行的生物反應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)是個(gè)多相反應(yīng)，涉及到的相有液相（主要是水相體系，有時(shí)是兩個(gè)液相，比如雙水相體系和水相-有機(jī)相體系），氣相（好氧微生物反應(yīng)中通入的空氣），固相（微生物菌體，固定化載體等）。
4、因此，除了反應(yīng)過(guò)程外，必存在物質(zhì)的傳遞，包括底物和產(chǎn)物在一個(gè)相中和不同相間的傳遞。 物質(zhì)的傳遞過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程是個(gè)串聯(lián)過(guò)程，只有傳遞到達(dá)反應(yīng)位點(diǎn)的底物才能被生物催化劑催化而反應(yīng)，也只有在生物反應(yīng)生成產(chǎn)物后才能有產(chǎn)物離開反應(yīng)位點(diǎn)的物質(zhì)傳遞。在這個(gè)串聯(lián)過(guò)程中，速率最慢的一步（可以是傳遞也可以是反應(yīng)）決定了整個(gè)過(guò)程的速率，因此該步被稱為速率控制步驟，對(duì)應(yīng)的有過(guò)程為反應(yīng)控制和傳質(zhì)控制。 當(dāng)然，在生物反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的傳遞和反應(yīng)是在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，某物質(zhì)分子在傳遞的時(shí)候，其它物質(zhì)分子可能在反應(yīng)中。但從總體的物流角度看，傳遞和反應(yīng)是個(gè)串聯(lián)過(guò)程。 有關(guān)這方面的內(nèi)容，將在氧的傳遞和反應(yīng)中具體討論。,第二節(jié)
5、細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程中的氣液傳質(zhì)（氧的傳遞）,對(duì)于好氧微生物反應(yīng)，氧的傳遞過(guò)程往往是十分重要的。一方面微生物反應(yīng)達(dá)到一定程度后的需氧量十分大，另一方面氧是難溶的氣體，這就決定了氧的供給十分困難。因此，本章重點(diǎn)討論氧的傳質(zhì)。,1 氧的傳質(zhì)模型,氧的傳遞過(guò)程有如下各項(xiàng)： 氧從氣相主體擴(kuò)散到氣-液界面； 通過(guò)氣-液界面的傳遞； 通過(guò)氣泡外側(cè)的滯流液膜到達(dá)液相主體； 液相主體中的傳遞； 通過(guò)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜到達(dá)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)與液體的界面； 通過(guò)液體與細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)之間的界面； 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴(kuò)散 進(jìn)入細(xì)胞至反應(yīng)中心的傳遞。,一般認(rèn)為：在上述氣液傳質(zhì)過(guò)程中，氣液界面和液相主體的傳質(zhì)阻力都
6、較小，可不計(jì)。因此主要的阻力來(lái)自氣膜和液膜。我們可以用雙膜理論來(lái)描述上述過(guò)程。,因此，氧的氣液傳質(zhì)速率為：,上述描述方法同樣適應(yīng)于CO2等其他氣體在氣液相間的傳質(zhì)過(guò)程。,2 氧的傳質(zhì)反應(yīng)模型,如果在某一需氧微生物反應(yīng)過(guò)程中，生物體為單細(xì)胞，其大小可能為幾個(gè)微米，而液膜的厚度可能為幾十微米，此時(shí)在液膜內(nèi)就包含細(xì)胞，細(xì)胞有可能被吸附在氣液界面上， ，此時(shí)，48各項(xiàng)阻力均可不計(jì)。氧可被認(rèn)為一面溶解于液相，一面消耗于反應(yīng)，反應(yīng)體系可做均相處理。 對(duì)于這樣一個(gè)過(guò)程，反應(yīng)和傳質(zhì)同時(shí)起作用。假定反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，同時(shí)起作用有三種情況： 氧的傳質(zhì)速率快，反應(yīng)速率相對(duì)較慢，此時(shí)為動(dòng)力學(xué)控制，其氧的消耗速
7、率為：,反應(yīng)速率快，傳質(zhì)速率相對(duì)較慢，此時(shí)為傳質(zhì)控制，其氧的消耗速率為：,反應(yīng)速率和傳質(zhì)速率相當(dāng)，此時(shí)為過(guò)渡狀態(tài)，其氧的消耗速率為：,如果反應(yīng)符合Monod方程，則在穩(wěn)態(tài)下氧的消耗速率和傳質(zhì)速率可表示如下：,3 比氧消耗速率與溶解氧濃度的關(guān)系,微生物反應(yīng)過(guò)程中比氧消耗速率和溶解氧濃度間的關(guān)系可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)DO在某一值以上時(shí), DO 隨時(shí)間線性減少，其比氧消耗速率qO2與DO 無(wú)關(guān)，為一常數(shù)；當(dāng)DO在某一值以下時(shí)， qO2與DO有一定關(guān)系，隨 DO的減少，兩者呈雙曲線關(guān)系。這一值，我們稱為臨界溶解氧濃度，記為DOcri 。 討論： 當(dāng) 時(shí), DO 隨時(shí)間線性減少，
8、qo2與DO無(wú)關(guān)。這意味微生物反應(yīng)對(duì)于DO為0級(jí)反應(yīng)，而與細(xì)胞內(nèi)呼吸系統(tǒng)有關(guān)的酶完全被氧所飽和，微生物反應(yīng)過(guò)程成為酶催化反應(yīng)控制。進(jìn)一步，當(dāng)溶氧濃度大于空氣飽和值時(shí)，過(guò)高的溶氧反而會(huì)使微生物生長(zhǎng)受到抑制。 當(dāng)溶氧濃度小于臨界溶氧濃度時(shí)，比氧消耗速率隨溶氧而變化，可認(rèn)為是由于與呼吸作用有關(guān)的酶未被氧飽和，微生物反應(yīng)成為供氧控制。多數(shù)情況下，比氧消耗速率和溶氧的關(guān)系可用米氏方程近似表示：,,,,,,,,,,,,,4 氧的體積傳質(zhì)系數(shù),需氧微生物反應(yīng)器的氧傳遞性能可用體積傳質(zhì)系數(shù)表示，其值越大，說(shuō)明反應(yīng)器的氧傳遞性能越好。因此，要提高反應(yīng)器的氧傳遞速率，只要增大kLa即可。,影響體積傳質(zhì)系數(shù)的主要因
9、素 影響體積傳質(zhì)系數(shù)的因素很多，慨括起來(lái)可以分為：,,,通風(fēng)和攪拌 無(wú)機(jī)械攪拌時(shí)， 式中：K， 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)，取決于液體的性質(zhì)、設(shè)備的形狀等因素，其值由實(shí)驗(yàn)確定。 Q通風(fēng)量，V反應(yīng)液體積,,,采用機(jī)械攪拌，有利于增加氣液接觸面積，加長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間，減小液膜厚度，從而可以提高溶氧效率。 Rushton認(rèn)為： Calderbank P.H.認(rèn)為： 其中：vs為反應(yīng)器內(nèi)空截面空氣線速度，pg /V為單位體積反應(yīng)液所輸入的攪拌功率。 從上可以看出，影響反應(yīng)器溶氧的主要因素是pg / V，n 和vs 。而vs可歸結(jié)為通氣量的函數(shù)，因此，增加攪拌功率，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量，對(duì)一定的設(shè)備而言，可以增加溶
10、氧。但是，上面三者之間是相互關(guān)聯(lián)的。因此，要提高體積傳質(zhì)系數(shù)，有效的途徑是：增加攪拌器轉(zhuǎn)速n，以提高pg，從而有效地提高體積傳質(zhì)系數(shù)kLa；加大通氣量Q的同時(shí)，提高n，保持pg，以提高kLa或提高C*（可采用向反應(yīng)液通入純氧）。,,,,,,,,,,,,,,,溫度和壓力 溫度的高低改變了氧的溶解度，同時(shí)也影響到液體的物性。一般，溫度的升高，會(huì)降低液體的粘度，減小液體的表面張力，增大氧在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，因此有利于提高氧的溶解速率。Oconner的研究結(jié)果表明，常溫下用活性污泥法處理廢水時(shí)，提高溫度可增加體積傳質(zhì)系數(shù)。同時(shí)，溫度的升高，會(huì)使 下降。有下面的關(guān)系式： 上式表明，體積傳質(zhì)系數(shù)與溫度
11、成正比，而與液體粘度成反比。 操作罐壓的高低及液柱的高低，都會(huì)影響溶氧速率。佐藤等的研究表明，在通風(fēng)攪拌反應(yīng)器中，通氣量恒定時(shí)，溶氧速率隨壓力的增大而增大，同時(shí)體積傳質(zhì)系數(shù)值也隨壓力的增大而增大。三者之間的關(guān)系如下： 式中p*為與液相中溶解氧濃度C相平衡的氧分壓。,反應(yīng)液的理化性質(zhì) 反應(yīng)液的理化性質(zhì)指液體的粘度，密度，表面張力及氣體溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)等。即使對(duì)于牛頓型流體，上面各理化性質(zhì)都會(huì)隨反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生變化，因此它們間接影響傳質(zhì)性能。而對(duì)于非牛頓型流體，這些性質(zhì)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響就更加復(fù)雜了。 反應(yīng)液中的有機(jī)物的影響：有些是作為底物加入的，有些是代謝產(chǎn)物。有些有機(jī)物
12、的存在會(huì)降低體積傳質(zhì)系數(shù)值，例如蛋白質(zhì)；有些有機(jī)物的存在會(huì)提高體積傳質(zhì)系數(shù)值，例如酮、醇及脂等。 反應(yīng)液中鹽類的影響：添加多種鹽類，反應(yīng)液的離子強(qiáng)度會(huì)增加，從而體積傳質(zhì)系數(shù)值增加，其增加的程度隨投入動(dòng)力的增大而增大，有時(shí)為純水的56倍。這主要原因是在鹽類反應(yīng)液中，氣泡群變細(xì)小，并且難以合并，（增大了a）。另外，氣體的滯留量也有增大的傾向。 表面活性劑的影響：微生物培養(yǎng)基中的有些天然營(yíng)養(yǎng)物本來(lái)就是表面活性物質(zhì)，并且在反應(yīng)中微生物還會(huì)分泌出一些活性物質(zhì)。這些表面活性物質(zhì)的存在，有時(shí)會(huì)使kLa增大，有時(shí)會(huì)使kLa減小。由于這些物質(zhì)吸附在氣液兩相的界面上，一方面降低液體的表面張力，使氣泡直徑變小，
13、a增大；另一方面，表面活性物質(zhì)在相界面上聚集，使液膜傳質(zhì)系數(shù)kLa下降。這兩種作用的結(jié)果，則產(chǎn)生了上述結(jié)果。具體是增加kLa，還是減小kLa，則需視a增大的程度和kL減小的程度。例如：加入十二烷基磺酸鈉會(huì)使kLa增大，加入吐溫85會(huì)使kLa減小。 微生物反應(yīng)不僅因反應(yīng)而對(duì)氣體有吸收作用，而且微生物本身作為懸浮微小顆粒在物理上也影響氣體的吸收。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含有死菌體的培養(yǎng)液，kLa總是隨菌體濃度的增大而減小。,反應(yīng)器結(jié)構(gòu)因素的影響 通氣管：生化工程學(xué)者曾對(duì)各種形式的通氣管的氧傳遞能力進(jìn)行過(guò)研究，以便能找出一種氧由氣泡傳遞到液相的高效率的通氣管。但是，以單位體積反應(yīng)液的功率消耗為基準(zhǔn)，進(jìn)行不
14、同類型的比較，卻發(fā)現(xiàn)由亞硫酸鈉法測(cè)定的kLa值并無(wú)很大差異。 攪拌器：攪拌器組數(shù)和攪拌器直徑的最適距離對(duì)溶氧有一定的影響。實(shí)驗(yàn)表明，攪拌器組數(shù)和間距在很大程度上要根據(jù)發(fā)酵液的特性來(lái)確定，只有這樣，才能達(dá)到較好的溶氧效果。一般，當(dāng)高徑比為2.5時(shí)，用多組攪拌器可提高溶氧10%；當(dāng)高徑比為4時(shí)，采用較大的空氣流速和較大的攪拌功率時(shí)，多組攪拌可提高溶氧25%。但是，如果攪拌器之間的位置不當(dāng)，則流型和空氣分布情況將發(fā)生變化，引起kLa的大幅度下降。 擋板：帶有攪拌裝置的反應(yīng)器都應(yīng)安裝適當(dāng)?shù)膿醢?，或以垂直冷排管作為擋板，否則攪拌會(huì)使液體形成中心下降的漩渦。擋板可使液體形成某種軸向運(yùn)動(dòng)，不讓大量空氣通
15、過(guò)漩渦外逸，從而提高氣液混合效果，改善氧的傳遞條件。一般反應(yīng)器可裝4塊擋板，裝得太多，通氣效率也不會(huì)有太大的提高。 高徑比：當(dāng)空氣流量和單位體積的功率消耗不變時(shí)，通氣效率隨高徑比的增大而增大。經(jīng)驗(yàn)表明：高徑比由1增大到2時(shí)，kLa可增大40%；由2增大到3時(shí)，kLa可增大20%。因此，發(fā)酵工廠傾向于采用較大的高徑比。但是，高徑比也不是越大越好，高徑比太大，反而會(huì)使kLa下降，這主要是由于氣泡體積縮小，造成氣液界面積減小之故。,體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定 的測(cè)定可以分為熱模測(cè)定和冷模測(cè)定兩種。 熱模測(cè)定：直接利用發(fā)酵液在有微生物活動(dòng)的條件下測(cè)定； 冷模測(cè)定：利用模擬介質(zhì)，在無(wú)微生物活動(dòng)的條件下測(cè)
16、定。該法主要用于反應(yīng)器傳質(zhì)性能的研究。 熱模測(cè)定 在好氧微生物反應(yīng)過(guò)程中，若溶氧濃度恒定在某一值，則可根據(jù)氧的供需平衡來(lái)計(jì)算體積傳質(zhì)系數(shù)： 式中，CL*為一已知參數(shù)，因此只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定CL和rO2，就可以求得。 從理論上講，反映反應(yīng)器傳質(zhì)性能的體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定應(yīng)在熱模體系中進(jìn)行。但是，熱模測(cè)定存在如下缺點(diǎn)：用實(shí)際體系測(cè)定，成本高，特別是對(duì)于需反復(fù)測(cè)定的反應(yīng)器研究；實(shí)際體系內(nèi)由于生物呼吸的影響，不利于的計(jì)算，尤其是rO2隨時(shí)間和菌體濃度而變化時(shí)的情況；流體的流變特性隨時(shí)間而變化，而是受流體的流變特性影響，因而不同發(fā)酵時(shí)間測(cè)定出的不同。因此，研究和設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，為了研究其傳質(zhì)特性，常用冷模
17、介質(zhì)來(lái)模擬實(shí)際介質(zhì)，用冷模測(cè)定的數(shù)據(jù)代替實(shí)際體系的數(shù)據(jù)。相比之下，冷模測(cè)定方法方便、快捷和價(jià)廉。當(dāng)然冷模測(cè)定的結(jié)果還需在實(shí)際反應(yīng)體系上驗(yàn)證才能更好利用。,,,冷模測(cè)定 作為能反映實(shí)際體系傳質(zhì)性能的冷模介質(zhì)的選擇有一定的要求，具體可以考慮以下幾各方面：冷模介質(zhì)的粘度等流變學(xué)條件同實(shí)際體系；氣液的界面阻力類似，一般指表面張力；氣泡在介質(zhì)中會(huì)聚和分散的方式類似；相同的外部條件下，DL，Dg及C*等應(yīng)類似；所含固體顆粒濃度及固相物性相似。 下面介紹常用的一種方法：化學(xué)法測(cè)定體積傳質(zhì)系數(shù)（亞硫酸鹽氧化法）。 亞硫酸鹽氧化法是在反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)氧被亞硫酸鹽氧化消耗的化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行測(cè)定的方法。這是一個(gè)動(dòng)力
18、學(xué)特性復(fù)雜多變的自由基反應(yīng)。但是在氧分壓pO2=20kpa附近，且亞硫酸鹽濃度大于等于0.2mol/l時(shí)，該反應(yīng)可視為對(duì)溶解氧濃度的一級(jí)不可逆反應(yīng)。當(dāng)銅離子的濃度在10-610-3 mol/l范圍內(nèi)，30時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)k1 = 3.0 s-1 ,增加因子0.10.2?？梢?，與氧的溶解過(guò)程相比，該反應(yīng)進(jìn)行得很快，而且反應(yīng)對(duì)溶解過(guò)程的影響不大。故整個(gè)吸收過(guò)程可作為溶解控制的物理吸收過(guò)程處理。并可認(rèn)為氧一旦溶解，立即與亞硫酸鹽反應(yīng)，使溶液中溶解氧濃度很小，可視為0。因此，如向含催化劑的亞硫酸鹽水溶液中連續(xù)通氣時(shí)，可測(cè)得溶液中剩余的亞硫酸鹽的濃度隨時(shí)間變化的直線關(guān)系，由其斜率即可求得體積傳質(zhì)系數(shù)。亞
19、硫酸鹽的含量通常采用碘量法。使剩余的亞硫酸鹽與已知濃度的過(guò)量的碘反應(yīng)，然后用淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉溶液滴定剩余的碘，從而求出亞硫酸鹽的濃度。該法使用時(shí)應(yīng)注意符合幾點(diǎn)假定：溶液中CL0，即溶解的氧全部為亞硫酸鹽所消耗掉；液相為理想混合，各部位的CL皆為0。操作條件恒定，氣相組成恒定。,第三節(jié) 固定化酶中的固液傳質(zhì),固定化酶也稱固相酶或水不溶性酶，它是通過(guò)物理或化學(xué)的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢臻g內(nèi)其運(yùn)動(dòng)受到完全約束、或受到局部約束的一種不溶于水、但是仍具有活性的酶。 為什麼要對(duì)酶進(jìn)行固定化？ 反應(yīng)后容易從反應(yīng)體系中分離出來(lái)，不僅固定化酶可以反復(fù)使用，且產(chǎn)物不會(huì)受到污染，容易精制提純。 固定化
20、酶在大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加，可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持酶的活性。 固定化酶具有一定的形狀和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可以裝在反應(yīng)器中長(zhǎng)時(shí)間使用，便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)。 當(dāng)然，酶固定化后其動(dòng)力學(xué)特征會(huì)發(fā)生變化。 酶的活性變化：酶在固定化時(shí)，總會(huì)有一部份未被固定而殘留在溶液中，造成酶的部分損失；同時(shí)由于各種原因也會(huì)造成已被固定化的酶的活性有所下降。 酶的穩(wěn)定性變化：一般情況下，酶固定化后其穩(wěn)定性均有提高，包括保存時(shí)的穩(wěn)定性、使用時(shí)的穩(wěn)定性和酶的熱穩(wěn)定性。,1 影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素,空間效應(yīng) 空間效應(yīng)包括構(gòu)象效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)。 構(gòu)象效應(yīng)：酶的活性部位和變構(gòu)部位的性質(zhì)取決于酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)。酶在固定
21、化過(guò)程中，由于存在酶和載體的相互作用而引起了酶的活性部位,發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合能力，降低了酶活。 屏蔽效應(yīng)（位阻效應(yīng)）：因?yàn)檩d體的存在，使酶分子的活性基團(tuán)不易與底物相接觸，從而對(duì)酶的活性部位造成了空間障礙，使酶的活性下降。 分配效應(yīng) 對(duì)于固定化酶參與的固液非均相酶反應(yīng)，存在兩個(gè)環(huán)境：微觀環(huán)境（固定化顆粒內(nèi)部和附近的環(huán)境）和宏觀環(huán)境（主體溶液體系）。 由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起的有關(guān)物質(zhì)濃度在微觀環(huán)境和宏觀環(huán)境之間的不同的現(xiàn)象，稱為分配效應(yīng)。往往是底物在微觀環(huán)境中的濃度比宏觀環(huán)境中的低，這在某種程度上可以看作是酶的活性下降。,擴(kuò)
22、散效應(yīng) 固定化酶對(duì)底物進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，存在兩種方向相反的物質(zhì)流動(dòng)： 底物：主體溶液 固定化顆粒內(nèi)部的催化活性中心,,產(chǎn)物：主體溶液 固定化顆粒內(nèi)部的催化活性中心 這種流動(dòng)（物質(zhì)傳遞）過(guò)程包括分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散。這種擴(kuò)散過(guò)程會(huì)對(duì)酶反應(yīng)速率產(chǎn)生限制作用。 由于擴(kuò)散限制作用的存在，底物濃度從液相主體到固定化酶顆粒的外表面，再到內(nèi)表面的活性中心處是依次降低，而產(chǎn)物濃度則相反，由此影響酶反應(yīng)速率。,,擴(kuò)散限制效應(yīng)又分為外擴(kuò)散限制效應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)兩種。 外擴(kuò)散：液相主體與固定化酶顆粒的外表面之間的一種擴(kuò)散。 內(nèi)擴(kuò)散：固定化酶顆粒的外表面與微孔內(nèi)部的酶催化活性中心之間的一種擴(kuò)散。 上面討論的
23、三種效應(yīng)中，空間效應(yīng)難以定量描述；分配效應(yīng)可以描述，但是比較復(fù)雜。這兩種效應(yīng)可以通過(guò)校正M-M方程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)其影響。 不論分配效應(yīng)是否存在，固定化酶反應(yīng)受到擴(kuò)散限制時(shí)所觀察到的反應(yīng)速率成為有效反應(yīng)速率或宏觀反應(yīng)速率，對(duì)應(yīng)建立的動(dòng)力學(xué)方程稱為有效動(dòng)力學(xué)方程或宏觀動(dòng)力學(xué)方程。該方程同時(shí)考慮了反應(yīng)和傳遞兩個(gè)方面。,2 內(nèi)外擴(kuò)散限制效應(yīng),引入內(nèi)外擴(kuò)散有效因子來(lái)表示內(nèi)外擴(kuò)散限制作用對(duì)固定化酶反應(yīng)過(guò)程的影響。 外擴(kuò)散有效因子：,內(nèi)擴(kuò)散有效因子：,內(nèi)外擴(kuò)散同時(shí)存在時(shí)的有效因子：,內(nèi)外擴(kuò)散有效因子的求取參見教材P64-113相關(guān)內(nèi)容。 外擴(kuò)散的消除：增加宏觀主體流體的流動(dòng)速度，直至反應(yīng)速率不變
24、時(shí)，可以認(rèn)為外擴(kuò)散限制作用已消除。 內(nèi)擴(kuò)散的消除：減小顆粒的當(dāng)量直徑，直至反應(yīng)速率不變時(shí)，可以認(rèn)為內(nèi)擴(kuò)散限制作用已消除。 內(nèi)外擴(kuò)散限制作用的大小與反應(yīng)本質(zhì)、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)、主體流體的性質(zhì)和流動(dòng)狀況等因素有關(guān)。,第四節(jié) 兩相酶反應(yīng)過(guò)程中的液-液傳質(zhì),第五節(jié) 生物反應(yīng)過(guò)程中的傳熱,生物反應(yīng)過(guò)程中的熱量主要由以下幾部分組成: 培養(yǎng)基中的能源除了用于維持細(xì)胞的生命活動(dòng)并進(jìn)行生物合成反應(yīng)外, 其余部分則以熱的形式放出而使培養(yǎng)基溫度上升. 機(jī)械攪拌所消耗的能量最終轉(zhuǎn)化為熱而使培養(yǎng)基溫度上升. 需氧微生物培養(yǎng)時(shí)的通氣操作在帶走部分顯熱的同時(shí)會(huì)使水分蒸發(fā)而 帶走蒸發(fā)熱. 生物反應(yīng)器與周圍環(huán)境
25、之間的熱量交換. 對(duì)于生物反應(yīng)器,上面幾項(xiàng)熱量中有加入到反應(yīng)器內(nèi)的,有從反應(yīng)器中移 走的,因此要使生物反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)維持在一定的溫度下進(jìn)行,就要根據(jù)熱量 的產(chǎn)生和損失情況,除去或補(bǔ)充熱量.,1 生物反應(yīng)器的傳熱過(guò)程,對(duì)一生物反應(yīng)過(guò)程，如果保持反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度不變，則可以寫出下述熱量平衡方程：,其中：QE- 單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率，J/(m3.s)； QB- 單位體積培養(yǎng)基中因生物反應(yīng)的放熱速率， J/(m3.s)； QA- 單位體積培養(yǎng)基中因攪拌造成的放熱速率， J/(m3.s)； QS ，QV- 分別為單位體積培養(yǎng)液因通氣帶走的顯熱和蒸發(fā)熱速 率， J/(m
26、3.s)； QR- 單位體積培養(yǎng)液向周圍環(huán)境的散失熱量速率， J/(m3.s)。 通過(guò)上式，可以求得一定裝填系數(shù)的生物反應(yīng)器單位時(shí)間內(nèi)所需要移走的熱量（QE.V)，從而可以求出不同形式(夾套加熱、蛇管加熱、擋板加熱）的反應(yīng)器所需要的換熱面積(A)，見教材P334-337。這樣才能保證該反應(yīng)器在該反應(yīng)溫度下有效進(jìn)行生物反應(yīng)。 QB，QA，QS，QV，QR的求取見教材P333-334。,生物反應(yīng)器換熱面積的計(jì)算,2 滅菌過(guò)程中的傳熱,生物反應(yīng)過(guò)程，特別是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程，常要求在沒有雜菌污染的情況下進(jìn)行，因此要進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。 常用的滅菌方法：化學(xué)藥劑滅菌、射線滅菌、加熱滅菌及過(guò)濾滅菌等。
27、 工業(yè)上對(duì)培養(yǎng)基滅菌，主要是加熱滅菌，特別是利用蒸汽進(jìn)行濕熱滅菌。工業(yè)上對(duì)空氣的滅菌主要采用過(guò)濾滅菌，又稱空氣除菌。 培養(yǎng)基分批滅菌過(guò)程中的傳熱 分批滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基加入到反應(yīng)器或其它設(shè)備中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅菌的操作過(guò)程。蒸汽壓力一般在（34）X105Pa，溫度在120 0C左右。 分批滅菌加熱的三個(gè)階段：加熱升溫、保溫和冷卻。滅菌主要是在保溫階段實(shí)現(xiàn)的，總的滅菌結(jié)果是三者的總和：, 滅菌度,一般情況下：,滅菌度的計(jì)算（P338),根據(jù)細(xì)胞死亡動(dòng)力學(xué)可知:,對(duì)于保溫階段,由于溫度不變，如時(shí)間恒定，那么其滅菌度值為常數(shù)。 但是對(duì)加熱和冷卻則是非定態(tài)過(guò)程，其溫度隨
28、時(shí)間而變，因此死亡速率常數(shù)是時(shí)間的函數(shù)，即有：,因此要求出加熱和冷卻階段的滅菌度，就必須把上面兩式表示的函數(shù)關(guān)系式代入上面的積分式中。,加熱升溫和冷卻時(shí)間的計(jì)算（P338340) 加熱升溫階段： 夾套間接蒸汽加熱，蒸汽溫度保持不變，有： 蒸汽直接加熱，蒸汽溫度保持不變，有： 冷卻階段：采用夾套或蛇管間接冷卻，有： 其中有關(guān)參數(shù)的定義見教材。,為使生物反應(yīng)順利進(jìn)行，總是要達(dá)到一定的滅菌度。為保證有一定的滅菌度，就必須保證有一定滅菌溫度和滅菌時(shí)間。滅菌溫度和滅菌時(shí)間是相互關(guān)聯(lián)的?？傮w上，滅菌溫度高，滅菌時(shí)間短；滅菌溫度低，滅菌時(shí)間長(zhǎng)。 在這里要考慮兩個(gè)過(guò)程：細(xì)胞的死亡過(guò)程和培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解。滅菌溫度高，滅菌時(shí)間短，但營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解可能也多。 在滅菌過(guò)程中，還得注意培養(yǎng)液的體積變化。對(duì)于蒸汽直接加熱滅菌過(guò)程，在溫度低于1000C時(shí)，蒸汽大部分冷凝為水，培養(yǎng)液體積變大；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，培養(yǎng)液中的水會(huì)蒸發(fā)，培養(yǎng)液體積變小。對(duì)于蒸汽間接加熱滅菌過(guò)程，溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使培養(yǎng)液體積變小。 總之，滅菌過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在理論指導(dǎo)下，還得參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。,滅菌過(guò)程注意事項(xiàng)：,連續(xù)滅菌過(guò)程得傳熱 自學(xué)教材P340342上得內(nèi)容。,
生物反應(yīng)器中的傳遞與傳熱.ppt
