生物反应工程 第7章 生物反应器研究报告
83页1、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
2、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
3、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。
4、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
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