1、第三節 生物傳感器的研究開發與應用一、生物傳感器在微生物發酵過程檢測上的應用二、動植物細胞培養過程的參數檢測三、生物傳感器的類型及結構原理1.酶電極2.微生物電極3.免疫電極4.生物換能器件第四節 生化過程控制概論生物反應系統放大： 是指以實驗室或中試反應設備取得的實驗數據為依據，設計制造大規模的反應系統，以進行工業規模生產。 生物工程產品的研究開發周期必須經過3各階段：實驗室階段:13L搖瓶或反應器中試階段:550L發酵罐1. 工廠化規模:m3生物反應器的放大目的： 應用理論分析和實驗研究相結合的方法，總結生物反應系統的內在規律及影響因素，重點研究解決有關的質量傳遞、動量傳遞和熱量傳遞問題，

2、 以便在反應器的放大過程中盡可能維持生物細胞的生長速率、代謝產物的生成速率。1.生物反應器的傳遞現象與過程受兩個機理控制：對流和擴散p對流 tf=L/v L：反應器特征尺寸 v：反應溶液對流運動速度p擴散 td=L2/K k：擴散系數 對于小型生物反應器： 反應速度控制：tctf(td)傳遞對反應傳遞對反應器發大有重器發大有重要影響要影響rcSScrd高基質濃度 rdrc =max=rc低濃度時 rd104N降低 P/V低 幾何參數D、H、dp物理化學參數過程變量N、P0 、VL常數g、R 當今最常用的放大法，目前生物發酵工廠所用的好氧生物發酵反應器應用的經驗放大比例：放大準則所占比例維持Po

3、/V30%維持kLa30%維持攪拌葉尖線速度20%維持培養液.營養濃度20%1.生物工程產品的研究開發周期必須經過3各階段2.生物反應過程的放大3.生物反應器的放大目的4.理論上，生物反應過程和生物反應器的開發和設計過程應由下述三個步驟構成5.放大方法理論放大方法半理論放大方法因次分析法經驗放大規則 比擬放大不是簡單的按比例放大，而是建比擬放大不是簡單的按比例放大，而是建立在幾何相似、培養條件相同和微生物在立在幾何相似、培養條件相同和微生物在反應器中充分分散等基本假設之上的。反應器中充分分散等基本假設之上的。 放大與通氣、攪拌等技術構成了生化工程放大與通氣、攪拌等技術構成了生化工程的核心部分。

4、的核心部分。 應用在微生物的放大方面，則需要由小試應用在微生物的放大方面，則需要由小試放大到中試進行討論，這是生化工程的一放大到中試進行討論，這是生化工程的一個基本特征。個基本特征。 化學工業中，每級放大在 50 倍以下，而且每級放大時需對前級參數進行修正。 生物工業中，放大的倍數有的高達200倍，如外國某公司用于單細胞蛋白生產的 300m3反應器是從 1.5m3 反應器直接放大得到的。一般生物反應器的放大倍數為 10 。（一）比擬放大的方法（一）比擬放大的方法 1. 幾何尺寸的放大幾何尺寸的放大 根據幾何相似的原則 D2 /D1 =Di2 /Di1 =(V2 /V1) 1/3 D- 反應器直

5、徑Di - 攪拌器直徑 V- 反應器的裝料容積 2. 通風量的放大通風量的放大 按單位體積液體通風量 Q/V 相等 大型反應器液柱高，空氣在液體中所走的路程和氣液接觸時間均長于小型反應器。因此大型反應器的有較高的空氣利用率，放大時大型反應器的 Q/V 比小型設備的 Q/V 小。通氣強度： Q1/V1=Q2/V2 Q按通風截面空氣線速度 Vs相等放大 Q2= 1/4D2Vs2按體積溶氧系數相等放大按體積溶氧系數相等放大 經過實驗和有關準數的整理，可得通風量 Q 與溶氧系數kLa (Q/V)HL 2/3 kLa- 體積溶氧系數（1/h） Q- 通風量 (m3 /min);V- 發酵液體積 (m3

6、) HL - 發酵液深度 (m) 體積溶氧系數kLa=k(Pg/V1)vs或kd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7N0.710-93. 攪拌功率放大攪拌功率放大 PO2n Di Di?n比例放大確定P n 3 D i 5按雷諾準數按雷諾準數Re相等放大相等放大 Re=nDi2L/根據Re1Re2n2 /n1 =(Di1 /Di2 )2 =(D1 /D2 )2 在某些情況下可作為放大的依據 按單位體積液體消耗功率按單位體積液體消耗功率 P/V 相等放大相等放大 P n 3 D i 5 P/V n3 Di2 根據（P/V ）1 （P/V ）2(n3 Di2 )1 = (n3

7、Di2 ) 2 n2 /n1 =(Di1 /Di2 ) 2/3 =(D1 /D2 ) 2/3上述功率 P 是不通氣時的攪拌功率，它與通氣情況下的功率消耗是成比例的。 按體積溶氧系數相等放大按體積溶氧系數相等放大 溶氧系數是所有好氣性發酵的主要指標，任何通氣發酵在一定條件下都有一個達到最大產率的溶氧系數，故維持大、小罐的溶氧系數相等進行放大是合理的。 KLa=k(Pg/VL) Vs（此為經驗公式）按攪拌器末端線速度按攪拌器末端線速度 nDi 相等放大相等放大 如果在小型設備中攪拌器所產生的最大剪切力已接近微生物的剪應極限，這時就必須按攪拌器末端線速度相等來進行放大。n1Di1 =n2Di2n2/

8、n1=Di1/Di2按單位體積攪拌循環量按單位體積攪拌循環量 F/V 相等放大相等放大 對于連續發酵和在發酵過程中需要補料的分批發酵，要求整個反應器的液體快速均勻混合，使液體中產物和底物的濃度均勻一致，這時就必須按 F/V 相等的原則進行放大。 （F/V）1 （F/V）2（二）機械攪拌發酵罐的比擬放大（二）機械攪拌發酵罐的比擬放大 及實例及實例1. 放大依據準則的選擇放大依據準則的選擇 p溶氧系數相等（KLa）p單位體積發酵液消耗功率相等 （P/V）p/v或或kla目目的的產產物物濃濃度度有效放大區有效放大區（1）以體積溶氧系數相等為基準的比擬放大方法體積溶氧系數（亞硫酸鹽氧化值） kd 主要

9、步驟 1 ）確定試驗設備的主要參數，并試算）確定試驗設備的主要參數，并試算 kd 值值2 ）按幾何相似原則確定放大設備的）按幾何相似原則確定放大設備的主要尺寸主要尺寸 3 ）決定生產罐）決定生產罐通風量通風量4 ）按溶氧系數相等的原則確定生產罐）按溶氧系數相等的原則確定生產罐攪拌功攪拌功率及轉速率及轉速 （2）以單位體積發酵液消耗功率相等為基準的比擬放大方法主要步驟 （P/V）1 （P/V）21 ）確定試驗設備的主要參數，并試算）確定試驗設備的主要參數，并試算 kd 值值2 ）按幾何相似原則確定放大設備的）按幾何相似原則確定放大設備的主要尺寸主要尺寸 3 ）決定）決定通風量通風量4 ）按）按P

10、/V相等的原則確定相等的原則確定攪拌功率及轉速攪拌功率及轉速 通氣攪拌發酵罐的主要參數及計算公式（1）不通氣的攪拌功率P0=NpN3Di5式中，功率系數Np視攪拌強度及葉輪形式而定，當發酵系統為湍流時即Re104時對圓盤六直葉輪，Np=6.0；圓盤六彎葉輪，Np=4.7；圓盤六劍葉輪，Np=3.7；（2）通氣的攪拌功率Pg=2.2510-3（P0NDi3/Q0.08）0.39（3）體積溶氧系數kLa=k(Pg/V1)vs或kd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7N0.710-9實際的生物反應器的放大過程，是應用亞硫酸鈉氧化法的kla值相等的原則 某廠在某廠在100L機械攪拌

11、發酵罐中進行淀粉酶生產試機械攪拌發酵罐中進行淀粉酶生產試驗，菌種為枯草桿菌，獲得良好的發酵效果，擬放驗，菌種為枯草桿菌，獲得良好的發酵效果，擬放大至大至20m3生產罐。生產罐。 此發酵液為牛頓型流體此發酵液為牛頓型流體 =2.2510-3pa.s =1020kg/m3 用于計算用于計算Re 試驗罐的尺寸：試驗罐的尺寸：D=375mm Di=125mm H/D=2.4,液深液深HL=1.5D,4塊擋板塊擋板W/D=0.1 裝液量裝液量60L 通氣速率通氣速率1.0vvm 使用兩黨圓盤六直葉渦輪攪拌器，使用兩黨圓盤六直葉渦輪攪拌器，=350r/min 通過實驗證明，此為高耗氧的生物反應，故可按通過

12、實驗證明，此為高耗氧的生物反應，故可按體積溶氧系數相等體積溶氧系數相等之原則放大。之原則放大。大罐尺寸大罐尺寸放大比例放大比例通氣量通氣量求求Np求求Pg N一解：（1）計算試驗罐（小罐）（小罐）的kd值先求雷諾準數Re= Di2/=4.13104故發酵系統為充分湍流，功率準數Np=6.0故不通氣時的攪拌功率P0=Np3Di5=0.0741kw通氣的攪拌功率Pg=2.2510-3（P0NDi3/Q0.08）0.39=0.0395kwkd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7N0.710-9=7.0110-6其中空截面氣速為：Q=VL1vvm=601000cm3/min vs=

13、601000/(D2/4)(2)按幾何相似原則確定20m3生產罐的尺寸100L試驗罐的尺寸：D=375mm Di=125mmH/D=2.4,液深HL=1.5D,4塊擋板W/D=0.1裝液量60L20m3生產罐的尺寸：D=?mmDi=?mmH/D=2.4,液深HL=1.5D,4塊擋板W/D=0.1裝液量12 m3幾何相似：裝料系數幾何相似：裝料系數60%，H/D=2.4 D/Di=3，HL/D=1.5V= (D2/4)1.5D2060%=12= (D2/4)1.5DD=2.17m(3)決定大罐的通氣量Q：若維持通氣強度不變：通氣強度：小罐Q1/VL1=1vvmQ2=VL2=12m3/min=1.

14、2107cm3/min相應的空截面氣速為：Vs=Q2/(D2/4)=324cm/min太高，可折衷取vs=150cm/min 則：Q2= vs(D2/4)=5.55(m3/min) 通氣強度=5.55/12=0.462通氣強度降低，體積溶氧系數就會減小，若保持其不變，需要改變攪拌功率(4)計算放大罐的攪拌轉速和攪拌軸功率（1）不通氣的攪拌功率P0=NpN3Di5（2）通氣的攪拌功率Pg=2.2510-3（P0NDi3/Q0.08）0.39（3）體積溶氧系數 kd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7N0.710-9聯立求解：N=123(r/min)P0=10.2(kw)Pg=

15、8.19(kw)二解：試驗罐和放大罐的條件相同，試用P0/VL相等的原則進行放大設計對試驗罐：min/10972. 0125. 0min,/3501)(22221211223523220135131103/2rnmDmDrnDDnnDDnNpVPDDnNpVPiiiiiiLiiL代入，按幾何相似，已知二者相等：）對放大罐，（）對試驗罐，（然后求得P0,Pg,kd （1）不通氣的攪拌功率P0=NpN3Di5=14.2kw （2）通氣的攪拌功率Pg=2.2510-3（P0NDi3/Q0.08）0.39=10.02kw （3）體積溶氧系數 kd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7

16、N0.710-9 =7.28molO2/mLmin atm(Po2)通氣強度仍取通氣強度仍取0.462 在發酵生產的放大實踐中也證明， 高耗氧的生物發酵，應用溶氧系數相等的原則放大是最好的方法。 對黏度較高的非牛頓型流體或高密度細胞培養，應用P0/VL相等的原則進行放大效果較好。 如青霉素發酵。大渦輪標準渦輪小渦輪P0/VL新生霉素產率DiN測定實驗罐的Q、N、發酵速率及幾何尺寸檢測發酵液的特性：、（s）計算實驗罐的VVm、（Q/NDi3）、NDi及Re等預期Np、P0/Pg、Pg/VL、KLa進行放大計算根據生產量和產率選擇發酵罐的體積和個數確定放大準則,通常對高好氧生物反應用KLa相等準則按幾何相似原則計算放大罐的尺寸計算Q和N 根據vvm相等原則 Q/NDi3相等準則 Vs相等準則利用攪拌器葉尖線速度相等準則計算N方法1方法2根據Pg與KLa關系計算N根據Pg與KLa關系計算Q估算攪拌功率（一）空氣壓縮機的能量消耗及溶氧傳質p反應器的能耗：輸入壓縮空氣的壓強、流量及空氣壓縮機的型號。p空氣壓縮機的型號： 旋轉式壓縮機的效率為80%90% 活塞式壓縮機的效率為73%90% 葉輪式壓縮機的效率為70%80% 鼓泡塔公式1：KLa=0.0023（vs/ds）1.58成立