生物反应工程 第7章 生物反应器研究报告
生物反应工程,本章重点：生物反应器的定义与分类 反应器设计原则； CSTR与CFTR反应器的特点与应用 本章难点： 酶CSTR与CPFR反应器性能的比较； 动物细胞微载体反应器,第7章 生物反应器 (Bioreactor),7.1 生物反应器设计基础 7.1.1 生化反应器的分类 生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。 可从多个角度对其进行分类。 对生化反应器进行这种分类有利于对反应器进行模拟与放大。,间歇操作（分批操作） 操作方式 连续 半间歇操作 反应器的结构特征釜式、管式、塔式、膜 式等 反应器所需的能量的输入方式： 机械搅拌式机械搅拌输人能量 气升式气体喷射动能 液体循环式利用泵对液体的喷射作用,生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。 固相催化剂的运动状态来分类 填充床 流化床 生物转盘等多种型式反应器。 按反应体系的相态来分类 均相可溶的酶催化反应 非均相,反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor， CSTR ),返混：具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混。 活塞流：当反应器内完全不存在物料粒子之间的返混时，这种流动称为活塞流，该反应器称为活塞流反应器； 全混流：当反应器内不同粒子之间存在着最大返混时，流体的流动称为，该反应器称为全混流反应器。,流动模型： 理想反应器活塞流和全混流反应器 非理想反应器； 其它 另外一些特殊用途的生化反应器也得到了较快的开发和应用，例如用于动植物细胞培养的有悬浮培养用的气升式、贴壁培养用的陶质矩形通道蜂窝状反应器等。还有用于固态发酵的转鼓式反应器以及反应和分离相耦合的反应装置等。,分离耦合反应器,生物反应器的分类,生物反应器,间歇操作,半间歇半连续操作,连续操作,生物团块反应器,生物膜反应器,全混流型,活塞流型,全混流型,活塞流型,搅拌釜式反应器 循环反应器 环流反应器,管式反应器 鼓泡塔 多级串联式反应器,流化床反应器 循环管反应器 完全混合膜反应器,固定床 生物转盘 渗滤器 膜反应器,7.1.2.生化反应器的基本设计方法,生化反应器的设计主要目的：最大限度地降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率。 A 生化反应器设计的最基本内容有： 选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等； 确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、物料流量等； 计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。 反应体积的确定是反应器设计的核心内容,B反应器设计的基本方程 ： 描述浓度变化的物料衡算式质量守恒定 描述温度变化的能量衡算式,或称为能量方程能量守恒定律 描述压力变化的动量衡算式动量守恒定律 首先需要确定变量，其次是确定控制体积。 原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。 重点研究的是微元体内大量的分子和大量细胞的反应行为以及微元体间的物质、能量传递的宏观规律，而不是研究个别分子和个别细胞的行为。,物料衡算式 对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体积内，对某组分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下： 对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算称为微分物料衡算。,在定常态下，所有状态参数均不随时间变化，上述衡算式中累积项为零。 能量衡算式 对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。在一定的时间和控制体积内，可以表示为：,如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。,7.2生物反应器的设计与分析,机械搅拌式生化反应器 它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般24kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。,7.2生物反应器的设计与分析,（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影响。 （2）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传递、气体交换能有效地进行。 （3）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通气时所消耗的动力. （4）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使发酵在最适温度下进行； （5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置，以提高装料系数； （6）附有必要的可靠检测及控制仪表。,设备的要求,通用式发酵罐,a 小型,b 大型,7.2.1机械搅拌通用式发酵罐设计与分析,原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。 基本要求： 1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为1.74，罐身越长，氧气的利用率越高。 2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。,基本要求：,3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。 4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便,结构,主要部件包括罐体、搅拌桨、轴封、打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气喷射管），挡板、冷却装置、人孔等。 公称容积Vo=VC+Vb,V0= /4D2（H+hb+D/6),表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件,1 将列管并列焊接在一起，组成挡板; 2 直接利用列管当挡板,H筒身高度 D罐径 W挡板宽度 HL液位高度 Di搅拌器直径 S两搅拌器间距 B下搅拌器距底间距,1.罐体,结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。 材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用不锈钢或复合不锈钢制成。小大型发酵罐可用不锈钢或玻璃钢制成。 刚度和强度：受压容器，空消或实消，通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。,接管,罐顶：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表管。 罐身：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。,2.机械搅拌系统,目的：有利于液体本身的混合及气液、气固之间的混合，质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要的意义（加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间） 组成：电机、变电箱、搅拌桨、轴封和挡板,搅拌桨,搅拌桨可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。 发酵罐中以径向液流为主。 生物反应器中常使的搅拌桨型式有：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。,搅拌桨,用涡轮式搅拌桨时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。 常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。相同搅拌功率下，粉碎气泡能力由大到小：平叶式、弯叶式、箭叶式。 叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。,挡板,阻止液面中央部分产生下凹的旋涡， 46块挡板可满足全挡板条件,宽度为0.1-0.12D。 全挡板条件：能达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，与挡板宽度W与罐径D之比有关。,轴封：防止泄漏和染菌，分填料函和端面轴封。,3.通气系统,无菌空气制备装置、空气分布装置和出口气体除菌装置。 无菌空气导入罐内的装置 最简单的通气装置：单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。 管口与罐底的距离约为40mm。 开口朝下的多孔环形管： 环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。 小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积。,4.温度控制系统： 电极、热交换装置和及其控制,排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热平衡方程式： Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射,Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射,Q发酵发酵过程中释放的净热量 Q生物生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热 Q搅拌机械搅拌转化热 Q蒸发排出空气带走水分所需的潜热 Q显排出空气带出的显热 Q辐射因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大气辐射的热量,发酵换热装置的形式,多用于容积较小的发酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高度比静止液面高度较高即可，约高50100mm。夹套的宽度对于不同直径的发酵有不同的尺寸，一般为50200mm，夹套上设有水蒸汽，冷却水或其他介质的进出口。 当加热用水蒸气，进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；如果冷却介质是液体，则进口管应安在底部，是液体从底部进入上部流出。 结构简单；加工容易；罐内无冷却设备，死角少，容易进行灭菌工作，有利于发酵。缺点是传热慢，传热系数100250。,夹套式换热装置,竖式蛇管换热装置,竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组。5m3以上的发酵罐多采用。 优点：冷却水在管内的流速较快，传热系数高。约为300450（有时可达8001000）。 缺点：容易被腐蚀，增加培养液中金属离子的浓度，腐蚀而形成穿孔，引起污染。,5.消泡系统,原因：发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的通气搅拌下产生大量的泡沫。导致发酵液的外溢和增加染菌机会。须用加消沫剂的方法去除， 消泡剂和消泡桨。 泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时，采用机械消沫装置也有一定作用。其作用是将泡沫打碎。,发酵罐的几何计算,1.几何尺寸： H/D=1.7-3.5; H:罐身高，D：罐径 Di/D=1/21/3， Di：搅拌叶轮直径 B/D=1/81/12， B：挡板宽 C/Di=0.81.0，C：下搅拌叶轮与罐底距 S/Di=25， S：相邻搅拌叶轮间距,2.容积计算,椭圆形风封头体积计算,公称容积,V0= /4D2（H+hb+D/6),3、 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（kg/m3）、液体粘度（Pas）、重力加速度g（m/s2）、搅拌罐直径D（m）、液柱高度HL（m）以及档板条件(数量、宽度和位置)等。由于搅拌罐直径和液柱高度与搅拌器直径之间有一定比例关系，可不作独立变量，于是: P = f(Di，N，g) (8-37),对于牛顿型流体，通过因次分析可得如下关联式: (8-38),(8-39) 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8-11 各种搅拌器的ReM对应于NP的关系 1. 2.螺距螺旋桨，螺距=Di，有挡板；3. 螺旋桨，螺距=2Di，无挡板；4. 3. 螺旋桨，螺距=2Di，有挡板；5.平桨，有挡板；6.六平叶涡轮桨，无档板； 7.平叶涡轮桨（有档板）；8.六弯叶涡轮桨，有挡板；9.六箭叶涡轮，有挡板；桨,当Rem104，液体处于湍流状态， (8-41),不同搅拌器的K值如表8-7所示,这些K值均为在HL/D=
