生物工程，生物反应器和食品技术

生物工程领域整合了自然科学和工程科学，利用生物、细胞和分子类似物来改善产品和服务。生物系统与化学工程原理相结合，以生产所需的产品。

它也指应用技术知识和科学原理来设计和实施材料、结构、机器、设备、系统和过程，以实现预期的目标。

在生物化学工程中，好氧发酵过程的充氧仍然是一个挑战。高密度培养的需氧量远远超过常规培养的氧气传递能力生物反应器．

生物工程与生物反应器“，

• 生物反应器是一种专门为高浓度微生物生长而设计的容器，并为其生长提供最佳条件。
• 生物反应器通常是一个顶部和底部呈半球形的圆柱形容器，由不锈钢或玻璃制成，容量从几升到几立方米不等。
• 生物反应器的大小可以不同。微生物细胞(几mm3)，摇瓶(100-1000 ml)，实验室发酵罐(1 - 50 L)，中试规模(0.3 - 10m)^3.)，以工厂规模(2 - 500米)为标准^3.)都是生物反应器的例子。
• 大批量和低价值的产品，如酒精饮料，需要简单的发酵罐，不需要无菌条件。
• 高价值和低产量的产品需要更精细的操作系统和无菌条件。
• 生物工程可以根据每种微生物的工艺要求，为其建立最佳的发酵系统。
• 不锈钢发酵罐容量从30到50,000升，由生物工程公司设计和建造，用于微生物培养(细菌，古生菌，酵母和极端微生物)。
• 反应速率通常表示为单位时间内消耗的反应物浓度或生成的产物浓度。
• 单位是摩尔每升每单位时间，写为M/s, M/min，或M/h。

蔗糖发酵生成乙醇和二氧化碳的反应速率计算:

速率=Δ [B]/Δt =−Δ [A]/Δt

C₁₂H₂₂O₁₁(aq)蔗糖+ H₂O (l)→4C₂H₅OH (aq) + 4CO₂(g)

根据平衡化学方程中的系数，乙醇形成的反应速率比蔗糖消耗的反应速率快4倍:

Δ[C₂H₅OH]/Δt =−4Δ[蔗糖]/Δt

• 反应物的浓度，在这种情况下，蔗糖，随着时间的下降，所以Δ[蔗糖]的值是负的。
• 因此，式中Δ[蔗糖]前加负号，蔗糖浓度的变化率表示为正值。
• 相反，乙醇浓度随着时间的增加而增加，因此其变化率自动表示为正值。
• 反应速率通常用平衡化学方程中系数最小的反应物或生成物来表示。

蔗糖发酵反应中系数最小的对应蔗糖，故反应速率一般定义如下:

速率=−Δ[蔗糖]/Δt =1/4(Δ [C₂H₅哦/Δt)

平衡

化学反应可以双向进行，用公式中使用的双箭头表示。

当反应在两个方向上的速率相同时，就称反应处于平衡状态。

1. 温度影响

• 当温度升高时，分子的动能增大，分子之间的碰撞增加，活化能增加，反应进行得更快。
• 高温会加速发酵，因为其中涉及化学反应。

2. 对平衡的影响。

• 酶是一种作为催化剂的蛋白质，在葡萄酒中的例子包括:导致果汁变色的酶是多酚氧化酶，如乳糖酶或酪氨酸酶。
• 酿酒师在果汁中加入酶来分解果汁中的果胶，以促进沉淀和澄清。
• 乳糖酶分解牛奶中的乳糖，缺乏乳糖酶的人有乳糖不耐症。
• 酒石酸在水中分解(失去质子)对发酵温度的影响温度越低，发酵速度越慢(白葡萄酒的理想速率约为每天1°B，红葡萄酒的发酵高峰为3-4°B)。
• 如果温度过低，速度就会减慢到几乎为零。
• 如果温度太高(95到100华氏度)，酵母就会被杀死，发酵就会停止。

3. 氧的作用

• 微生物从发酵罐中需要氧气，而发酵罐则提供氧气。在发酵过程中，溶解氧浓度不能低于临界溶解氧浓度。
• 因此，发酵罐的氧气转移速率与培养物的氧气摄取速率相匹配，同时保持溶解细胞浓度。
• 发酵罐有一个实际的最大KL，这是由发酵的操作条件决定的;从而达到供需平衡。可通过以下方法实现:

1. 控制生物量浓度。
2. 控制比摄氧量。
3. (1)和(2)的组合。

• 细胞的生长范围和质量由葡萄糖水平决定;生长速度受溶解氧和溶解氧水平的影响。氧气从气泡向细胞的转移受到气泡周围液膜的氧气转移的限制;

没有₂= kLa (C *−CL)

没有₂以mgO为单位的氧转移速率(OTR)是多少₂h·l−1−1;

•kL:氧气转移系数(cm·h⁻¹）

•a:气液界面面积(cm²·厘米⁻³）

•kLa:体积O₂传递系数(h)⁻¹）

•C *:饱和溶解氧(mg·l⁻¹）

•CL:实际溶解氧(mg·l)⁻¹）

4. 对发酵的影响

• 作为副产品，发酵也会产生热量;如果没有热量流失，温度每下降1°B就上升2.3°F。
• 因此，冷却套被用在坦克上。
• 每上升10°F，酵母的生长速度就会翻一番。
• 酵母和细菌(包括腐败微生物)在pH值5.5左右生长最好。
• 为了防止变质，必须在2.9 - 3.6 ph保存。酵母在ph值较低时生长较慢。
• 所以₂减缓所有微生物的生长并杀死一些。
• 为了抑制非葡萄酒酵母和乳酸菌，添加30至50 PPM的必须

5. 发酵过程中的传热

• 生物反应器运行中的两种典型传热应用。
• 液体介质就地批量灭菌。在此过程中，使用蒸汽加热含有介质的发酵罐，并在灭菌温度下保持一段时间;然后用冷却水将温度恢复到正常运行状态
• 反应堆运行时的温度控制。细胞的代谢活动产生热量。
• 一些微生物需要极端的温度条件(如嗜冷、嗜热微生物)生物反应器的传热配置:夹套容器、外部盘管、内部螺旋盘管、内部折流板式盘管和外部换热器。
• 外部护套和线圈提供低传热面积。因此，它们很少用于工业规模。
• 内线圈常用于生产容器;该盘管可以与液体速度操作，并提供一个相对较大的传热面积。
• 但是线圈会干扰容器内的混合，使反应堆的清洁变得困难。
• 另一个问题是传热表面细胞的薄膜生长。
• 外部热交换器单元独立于反应器，易于放大，并提供最佳的传热能力。
• 然而，必须满足无菌条件，细胞必须能够承受泵送和好氧发酵过程中施加的剪切力，并且在热交换器中的停留时间必须足够小，以确保介质不会耗尽氧气。

1. 双管换热器。
2. 管壳式换热器
3. 板式换热器
4. 螺旋换热器

在生物过程中，温差相对较小。因此，板式换热器很少被使用。

6. 发酵过程中的传质

• 传质发生在含有局部浓度变化的混合物中。
• 例如，当染料滴入一杯水中时，传质过程负责染料分子在水中的运动，直到建立平衡和浓度均匀为止。
• 质量在系统中的浓度差或浓度梯度下从一个地方转移到另一个地方。
• 气液传质在生物处理中极为重要，因为许多过程都是好氧的。氧气必须首先从气体体通过一系列步骤转移到细胞表面，然后才能被利用。
• 氧在肉汤中的溶解度很差。因此，在好氧培养和发酵过程中加强气液传质一直是研究的重点。

生物工程的应用

不同的细菌有不同的工艺要求-生物工程为每一种微生物构建最佳的发酵系统。

• 生物工程设计和建造定制的不锈钢发酵罐用于微生物培养(细菌，古生菌，酵母和极端微生物)，容量从30到50,000升。
• 氧气供应，搅拌器尺寸，加热和冷却电路。这些是挑战微生物培养的关键因素。通常，高的材料转换系数(kLa值)必须通过高功率输入来实现。生物工程可以通过专业知识和CFD模拟为您提供支持。
• 凭借超过40年的经验，生物工程开发曝气策略，确保为您的微生物和工艺提供最佳的氧气供应。
• 厌氧或高需氧量，高泡沫发展，生物安全要求，高代谢热，连续发酵，GMP生产，高细胞密度-你能说出的问题;生物工程将提出解决方案。
• 纠正剂的剂量容器，如酸，碱，和防泡沫是标准系统的特点，并完全集成到发酵系统。
• 短的加热和冷却周期是我们的优先考虑，以避免对培养基和工艺持续时间产生负面影响。

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