页数：72页文件大小：919.5 KB来源： 生物反应工程ppt课件
本课件先说明生物反应器的自催化特点与设计基础、混合与传热计算，继而推导 CPFR 与 CSTR 型酶反应器的操作方程并比较停留时间、酶需求量与稳定性，最后系统介绍通风发酵设备、嫌气设备与动植物细胞培养反应器及放大方法。
第七章生物反应器
主要内容
生物反应器的操作特性
| 反应器类型 | pH 控制 | 温度控制 | 工业重要特性 | 主要应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| 批式（通用罐） | 如需 | 如需 | 人事费用高 | 大多数工业生产 |
| 连续搅拌罐式 | 如需 | 如需 | 流速受冲出限制 | 污水处理、SCP 生产等 |
| 气升式反应器 | 如需 | 如需 | 空压机出口压力要高 | 有机酸，如柠檬酸生产等 |
| 鼓泡式反应器 | 如需 | 如需 | 可采用鼓风机 | 面包酵母等生产 |
| 自吸式反应器 | 如需 | 如需 | 需转子高速旋转 | 乙酸、酵母等生产 |
| 通风制曲设备 | 难控 | 如需 | 人事费用高 | 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 |
| 嫌气反应器 | 如需 | 如需 | 无需通风设备 | 酒精、啤酒等生产 |
| 动植物细胞用反应器 | 如需 | 如需 | 剪切应力小 | 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞培养等 |
| 光合反应器 | 如需 | 如需 | 需光源 | 微藻等生产 |
生物反应器的生物学基础生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率，其相应的动力学模型是细胞：（7-1）基质：（7-2）产物：（7-3）反应液体积：（7-4）
式中F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]；下标i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物,下标表示基质的流加流量。当采用分批式操作时,F=F=0；采用流加式操作时，FF=0；采用连续式操作时,F=F0
生物反应器选型与设计的要点
混合过程的分类
| 类型 | 说明 | 应用实例 |
|---|---|---|
| 气—液 | 液体流动、气液接触混合 | 液相好氧发酵，如味精、抗生素等发酵 |
| 液—固 | 固相颗粒在液相中悬浮 | 固定化生物催化剂的应用、絮凝酵母生产酒精等 |
| 固—固 | 固相间混合 | 固态发酵生产前的拌料 |
| 液—液（互溶） | 互溶液体 | 发酵或提取操作 |
| 液—液（不互溶） | 不互溶液体 | 双液相发酵与萃取过程 |
| 传热 | 液相 | 反应器中的换热器 |
根据经验，每 m3 发酵液每小时传给冷却器的最大热量为：
实际生物反应过程中的热量计算方法
生物反应器中的换热装置的设计，首先是传热面积的计算。换热装置的传热面积可由下式确定。（7-8）式中F为换热装置的传热面积m2；Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量kJ/h；K为换热装置的传热系数kJ/(m2
酶反应器根据其形式和操作方式分类
| 系统 | 名称 | 操作方式 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 单相系统 | 搅拌罐（stirred tank） | 分批、流加 | 靠机械搅拌混合 |
| 单相系统 | 超滤膜反应器（ultrafiltration） | 分批、流加或连续 | 适用于高分子底物 |
| 多相系统 | 搅拌罐 | 分批、流加或连续 | 靠机械搅拌混合 |
| 多相系统 | 固定床（fixed bed）填充床（packed bed） | 连续 | 适用于固定化酶或微生物的反应 |
| 多相系统 | 流化床（fluidized bed） | 分批、连续 | 靠溶液的流动而混合 |
| 多相系统 | 膜式（film）反应器 | 连续 | 膜状或片状的固定化酶，适于气体为底物 |
| 多相系统 | 悬浊气泡塔 | 分批、连续 | — |
注：悬浊气泡塔的说明文字在原表中与膜式反应器共用，未提取到独立描述，建议对照原课件图片核对。
决定酶反应器设计和操作性能的参数有停留时间 τ、转化率、反应器的产率 Pr、酶的用量、反应器温度、pH 值和底物浓度等；当副反应不可忽视时，选择性 Sp 也是重要参数。
二、转化率转化率（也称转化分数conversionorfractionalconversion）是表明供给反应的底物发生转变的分量。分批式操作中，底物的初始浓度为S0，反应时间t时的底物浓度为St，此时，底物S的转化率为：（7-10）连续式操作中，流入反应器内的底物浓度为Sin，流出液中底物的浓度为Sout，此时转化率:（7-11）
三、生产能力Pr反应器生产能力Pr（productivity）的定义是单位时间、单位反应器体积内生产的产物量。分批式操作中，（7-12）式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。连续式操作中，（7-13）式中Pout为单位体积流出液中的产物量。
四、选择性Sp选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为目的产物的比率。由底物S生成目的产物P的选择性Sp为：（7-14）Sp表明了整个反应的平均选择性。式中asp是指从1mol底物S中所得到产物P的摩尔数，是由反应的量论关系而决定。由于在反应的各阶段或反应器内不同位置的选择性并非一致，因此，瞬时（或局部）选择性为：（7-15）式中rp为主反应速率；rs为副反应速率。
酶反应器的选择游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2）一般生物反应器的选择要求来进行。对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进行选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤维、膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止杂菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶）的表面／反应器体积的比值等。
7.2.2 理想的酶反应器一、CPFR型酶反应器也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
对CPFR进行物料衡算图7-1 活塞流式反应器物料恒算示意图
沿反应器轴向任意切出长度为dl的一个微元管段作为反应器微元，该微元的体积记为dV=A
由于dF＝0，F0＝F＝Ff，所以（7-17）以边界条件进行积分，得（7-18）式中：S为底物浓度mol／m3；F为以体积计的物料进料流率m3／s；A为反应器横截面积m2；L为反应器长度m；τ为停留时间s；k为一级反应速率常数。
所以，反应器的停留时间为（7-19）对于其它各级反应可得到一般的关系式，（7-20）把酶促反应的典型动力学方程——米氏方程代入上式，得操作方程为（7-21）也可整理为（7-22）上式中，为流出液中底物的转化率。
二、CSTR型酶反应器
稳定状态下，CSTR型反应器内各处的浓度和温度均不随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率相等。所以可对整个反应器（图7-2）作物料衡算，一级反应条件下，对组分S（单位时间内）有:流入量＝流出量＋反应量＋积累量（7-23）（7-24）（7-25）上式变为一般化的关系式为：（7-26）将米氏方程代入上式，得操作方程，即（7-27）也可写为（7-28）
7.2.3 CSTR型与CPFR型反应器性能的比较图7-3 CSTR与CPFR型反应器性能的比较
一、停留时间的比较将（7-22）式和（7-28）式的结果标绘于图7-3，图中横座标为着眼组分S的转化率，纵坐标为反应速率的倒数。由图可知，在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，两者所需的停留时间不同，CSTR型的比CPFR型反应器的要长，也就是前者所需的反应器体积比后者大。图上向右倾斜的线所围面积相当于CSTR型反应器达到预定转化率所需的时间，向左倾斜的线所为面积为CPFR型反应器达到相同转化率所需的时间。最终转化率越高，两者的差距越大。另外，以对两反应器的体积比作图可知，随反应级数的增加，反应器的体积比急剧增加。
二、酶需求量的比较当Km>>S0时，反应速率可用一级动力学来描述，于是，（7-28）式和（7-22）式可简化成如下式子。（7-29）（7-30）式中，常数(k+2E0)/Km可认为是拟一级速率常数Kf。CSTR中所需酶的量ECSTR与CPFR中所需的量ECPFR之比，可从上式求得。
图7-4 ECSTR/ECPFR与转化率及进口底物浓度之间的关系
三、酶的稳定性酶的稳定性是选择酶反应器的重要因素。酶活力的丧失可近似用一级动力学关系来描述，即（7-32）式中：E为反应器中的有效酶浓度；Kd为酶的衰退常数；t为操作时间。
若把（7-32）式与（7-22）式和（7-28）式结合起来，可得描绘酶衰变时的操作方程。CSTR:（7-33）CPFR：（7-34）式中，与分别是t=0和t=t时的转化率。
由（7-33）式和（7-34）式可知，0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。但是，如上所述，在某些场合，操作条件相同，要得到同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。
四、反应器中的浓度分布图7-5标绘了CSTR与CPFR中的底物浓度分布。由图可知，在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物浓度较高；CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。图7-5
7.3 通风发酵设备7.3.1机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐，是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐（见图7-9），目前最大的通用式发酵罐容积约为480m3。一、机械搅拌式发酵罐的结构通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件如表7-6和图7-10所示。
表 7-6 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件
涉及的参数包括 H/D、Di/D、W/D、B/Di、搅拌转速 N、单位醪液体积的冷却面积、搅拌器层数、通风量、空气线速度、单位体积功耗、装料系数与电机功率，并给出奥地利、美国、日本及国内味精厂等罐例。
注：原表各罐例的具体数值在源文件中数字粘连严重，无法与参数行安全对应，未强行还原，建议对照原课件图片核对后填入。
二、机械搅拌通风发酵罐的混合与搅拌机械搅拌罐的混合主要是通过机械搅拌来实现。机械搅拌不仅可促使培养基混合均匀，而且有利于增加气液接触面积，提高溶氧速率。对于双液相反应体系可提高液-液接触面积，另外还可促进传热与固形物料的悬浮。
1、搅拌器的型式与搅拌流型生物反应器中常使的搅拌器型式有：螺旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式搅拌桨和栅状搅拌桨等。另外，翼型桨也已开始广泛应用于发酵生产，并取得较好效果。
2、搅拌功率的计算机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因素有关：搅拌器直径Di（m）、搅拌转速N（r/min）、液体密度ρ（kg/m3）、液体粘度μ（Pa
对于牛顿型流体，通过因次分析可得如下关联式: (7-38)(7-39)式中：NP为功率准数，其物理意义为机械搅拌力与惯性力之比；ReM为搅拌雷诺准数,其物理意义为惯性力与粘滞力之比；FrM为搅拌弗鲁特准数，其物理意义是搅拌加速度与重力；K为与搅拌器形式、反应器几何尺寸有关的常数
实验表明，在全档板条件下，液面不产生中心下降的旋涡，此时y=0，NP仅是ReM的函数(图7-11)图7-11 各种搅拌器的ReM对应于NP的关系1~4螺旋桨，1~2螺距=Di，3~4螺距=2DI；5平桨；6平叶涡轮桨（无档板）；7平叶涡轮桨（有档板）；8弯叶涡轮桨；9箭叶涡轮桨当Rem<10，X=-1，液体处于滞流状态，(7-40)当Rem>104，液体处于湍流状态，(7-41)
表 7-7 不同搅拌器的 K 值：这些 K 值均为在 HL/D＝1、D/Di＝3、D/W＝10 的条件下测定的。
| 搅拌器的形式 | K（滞流） | K（湍流） |
|---|---|---|
| 三叶螺旋桨，螺距＝d | 41.0 | 0.32 |
| 三叶螺旋桨，螺距＝2d | 43.5 | 1.0 |
| 四平叶涡轮搅拌器 | 70.0 | 4.50 |
| 六平叶涡轮搅拌器 | 71.0 | 6.10 |
| 六弯叶涡轮搅拌器 | 71.0 | 4.80 |
| 六箭叶涡轮搅拌器 | 70.0 | 4.0 |
| 六弯叶封闭式涡轮搅拌器 | 97.5 | 1.08 |
当不符合此条件时，搅拌功率可用下式校正：(7-42)(7-43)如果已知(D/Di)=3，(HL/Di)=3，则(7-44)式中，f为校正系数，式中带*号的为代表实际搅拌设备情况。
对于大型发酵罐,同一轴上往往安装多层搅拌器，对于多层搅拌器的功率可用下式计算。(7-45)式中m为搅拌器层数。以上是不通风时搅拌功率的计算。
通风时搅拌器的轴功率消耗降低，其降低程度与通风量Qg[m3(工作状态)/min]及液体翻动量Q1(m3/min)(Q1∝N
通风时的搅拌功率也可利用下式计算。(7-47)(7-48)式中Na为通风准数，其代表发酵罐内空气的表观流速与搅拌器叶端速度之比，可表示为：(7-49)
7.3.2 气升式和鼓泡式反应器气升式和鼓泡式反应器与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌。这类反应器的特点是结构简单，氧传递效率高，耗能低，安装维修方便等。
一、气升式反应器气升式反应器有多种形式，比较典型的两种形式如图7-12。图7-12 气升式反应器示意图
二、鼓泡式反应器图7-13 高位筛板式反应器示意图
鼓泡式反应器的功率消耗可由下式计算（7-50）式中为液体密度；g为重力加速度；Qg为气体体积流速；HL为反应液柱高；P1为罐底压力；P2为罐顶压力；为效率因子；V0为通过小孔的气体流速。一般上式中右边第二项可以忽略不计，所以上式可变为（7-51）
7.3.3 自吸式反应器自吸式反应器是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的反应器。该反应器最关键部件是带有中央吸气口的搅拌器。搅拌器叶轮旋转时，叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气，吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经档板折流涌向液面，均匀分布。由于空气靠反应液高速流动形成的真空自行吸入，气液接触良好，气泡分散较细，因而溶氧系数较高。自吸式反应器的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会。
7.3.4 通风固态发酵设备根据固态发酵中通风方式与物料所处状态的不同，通风固态发酵设备可分为静置培养用发酵设备、通风培养用固态发酵设备和流化床式固态发酵设备。根据操作方式的不同，通风固态发酵设备又可分为分批式和连续式两类。
一、分批式通风固态发酵设备厚层通风制曲装置是目前国内使用较多的分批式通风固态发酵设备。制盒曲的曲盒，制帘子曲的帘子等是最简单，且古老实用的固态发酵设备。另外，一些现代化的固态发酵设备，如自动化制曲装置和流化床式固态发酵设备早已工业化应用。图7-15 厚层通风制曲装置示意图
二、连续式通风固态发酵设备连续式发酵设备有塔式，转鼓式和回转式等多种形式。塔式通风固态发酵设备外形为塔式，内有两至六层塔板，培养物料从上而下分级传输，在每一层塔板上发酵一定时间后传输至下一层，传送方法有多种。转鼓式通风固态发酵设备外形为放倒的园柱体。圆柱体慢慢地连续转动，使内部物料随之翻动，起到通风搅拌的作用。若将圆柱形壳体略做顷斜放置，可使物料连续慢慢地向较低一端移动，通过在较高一端不断补料，形成固态连续发酵。回转式固态发酵设备为一圆环形装置，外径37m，装料量为400m3，圆环形发酵装置旋转一周46h，发酵时间42h，其余为辅助时间。
7.4 嫌气发酵设备7.4.1酒精发酵设备酒精、啤酒和丙酮丁醇溶剂等类同，属嫌气发酵产品。酒精发酵罐一般为圆柱形的筒体，底盖和顶盖为碟形或锥形。发酵罐宜采用密闭式。罐顶装有人孔，视镜及二氧化碳回收管，进料管，接种管，压力表和测量仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口，罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，靠近罐底处也装有人孔。对于冷却装置，中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或采用罐内安装蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置的方法，也有采用罐外列罐式喷淋冷却或者通过循环冷却的方法。为回收冷却水，在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。酒精发酵罐的洗涤，过去均由人工操作，如今，已逐步采用水力喷射洗涤装置。
7.4.2 啤酒发酵设备传统的啤酒前发酵设备大多为方形或长方形(个别也有立式圆桶形)的槽子。发酵池大部分为开口式，容积为10-100m3 (相当于1-3次冷却麦汁容积的1.2倍)，槽高1.5~3m，槽充满系数为80%(冷却麦汁高度加上0.35m泡沫高度)。后发酵槽又称储酒罐，是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种，一般采用卧式。如今啤酒行业中广泛采用的啤酒发酵设备是圆筒体锥底发酵罐(常称锥形罐)。其优点是发酵速度快，易于沉淀收集酵母(下面酵母)，减少啤酒及其苦味物质的损失，泡沫稳定性得到改善，对啤酒工业的发展极为有利。
7.4.3 嫌气连续发酵设备生物工业中的嫌气连续发酵设备主要指啤酒连续发酵设备和酒精连续发酵设备。啤酒连续发酵设备主要有塔式和多罐式两类。酒精连续发酵采用的设备有：单罐连续搅拌发酵罐；酵母回用连续搅拌发酵罐；透析发酵罐；固定化酵母发酵罐；萃取发酵系统；膜回收酒精发酵系统，连续真空发酵系统；中空纤维发酵系统；多只发酵罐连接的连续发酵系统等。
7.5 植物和动物细胞培养反应器随着生物工程技术的发展，动植物细胞的培养已可在工业规模生化反应器中进行。动植物细胞培养是指动物或植物细胞在体外条件下进行繁殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。动植物细胞与微生物细胞有明显的区别，首先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感。培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢。所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染。
7.5.1 植物细胞培养反应器用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器。此类反应器与微生物发酵用反应器有许多相同之处，亦采用通用式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反应器等。植物细胞培养反应器已从实验室规模的1-30L放大到工业性试验规模130-20000L。植物细胞培养反应器的设计，可采用通风发酵设备的放大方法来进行。
7.5.2 动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器有多种形式，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制造。
一、动物细胞悬浮培养反应器由于动物细胞无细胞壁保护，采用一般发酵罐的搅拌桨叶搅拌液体时液体间的剪切力往往过大而破坏细胞，因此，实验室规模的悬浮培养反应器时依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌(如20~50r/min)，搅拌桨有用尼龙丝编织带制成船帆形，或通过插入溶液中的硅胶管使氧气扩散到培养液内。目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器最大规模10m3，是用来生产杂交瘤单克隆抗体。采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十转，kLa值可达10h-1。另外，用扩散渗透通气装置取代传统的通风装置。
二、动物细胞贴壁培养反应器多数动物细胞需附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一单层，所以贴壁培养又称单层培养。传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢转动，使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖。20世纪70年代开发出的中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密度可达109cells/ml数量级。中空纤维培养装置的主要组成是中空纤维管，中空纤维管内径为200μm，壁厚为50~75μm，只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维膜双向扩散，而中大分子有机物不能透过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧。
三、动物细胞微载体培养反应器动物细胞微载体培养是细胞附着和生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借助于温和搅拌，使细胞均匀分布的一种培养方法。贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体。搅拌系统是微载体培养反应器中的重要组成部分。
7.5.3 海藻培养光合生物反应器海洋生物包括海洋动物(如鱼、虾、贝等)、海洋植物(如大藻和微藻)和海洋微生物。典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开式跑道池。封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史。封闭式光合反应器按其接收光的方式可分为两大类：一类是外部光源，另一类是内部光源。
7.6 生物反应器的比拟放大7.6.1生物反应器放大的目的及方法一、生物反应器放大的目的在生物反应器的设计与操作中，至少有两点必须明确：1.目的反应是如何进行的，即所期望的生化反应是通过何种渠道完成的。2.生物化学反应中哪些反应的反应速度快、哪些反应的反应速度慢。
表 7-10 小型和大型生物反应器设计的不同点
| 项目 | 实验用小型反应器 | 生产用反应器 |
|---|---|---|
| 功率消耗 | 不必考虑 | 需认真对待 |
| 反应器内空间 | 因大量的控制、检测装置占去一定空间 | 无此影响 |
| 混合特性 | 可不必考虑 | 需认真对待 |
| 换热系统 | 较易解决 | 较难解决 |
生物反应器的放大方法可分为
7.6.2 通风发酵罐的放大例题：有一5m3生物反应器，罐径为1.4m，装液量4m3，液深2.7m，采用六弯叶涡轮搅拌器，叶径为0.45m，搅拌转速N=190r/min，通风比1:0.2，发酵液密度为1040kg/m3，发酵液粘度为1.06厘泊，现需放大至50m3罐进行生产，试求大罐尺寸和主要工艺条件。
谢谢大家
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}