微生物工程工艺与设备：生物反应器设计基础

1、生物制药工程设备,生物反应器设计基础,生物反应器(Bioreactor),生物反应器(Bioreactor),生物反应器设计基础,生物反应器的设计必须以生物体为中心，除了考虑反应器的传热、传质等性能外，还需要了解生物体的生长特性和要求，如选择适宜的生物催化剂(产物在生物反应的哪一阶段大量生成、pH、温度、溶氧、染菌、剪切力、凝聚等)。 要求设计者：既有化学工程的知识，又有生物学的基础。,生物反应的目的,生产细胞； 收集细胞的代谢产物； 直接用酶催化得到所需产物。,提纲,第一节 生物反应器的基本工程概念 第二节 理想反应器 第三节 生物反应器的计算基础 第四节 生物反应器的化学计量基础 第五节

2、生物反应器的生物学基础 第六节 生物反应器的质量传递 第七节 生物反应器的热量传递 第八节 生物反应器的剪切力问题,第一节 生物反应器的基本工程概念,一 生物反应器的类型,生物反应器的定义： 1、利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器。 2、生物反应器是生物化学反应得以进行的场所。,分类,生物反应器的型式和操作方式,二、生物反应器设计与开发,该怎么设计呢？,管式？ 罐式？,连续？ 半连续？,。,酶？ 细胞？,工业反应器,膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor）,美国Envirogen公司,工业反应器,100 m3 不锈钢分批式啤酒发酵罐 (美国Paul Mu

3、eller公司),工业反应器,印度浦那的发酵工厂 (Shri Samarth Engineering Pvt公司),工业反应器,动物细胞生物反应器 (美国Sartorius公司),工业反应器,工业反应器,(一) 设计内容,(一) 设计内容,在设计生物反应器时，除了与一般的化学反应器相同的地方之外，还要考虑一些特殊需要。如微生物和动植物细胞都容易受到杂菌的污染，因此，防止染菌是生物反应器设计必须考虑的一个重要因素；应尽量少用法兰连接，多采用焊接连接反应器内要保持一定的正压，避免大气漏入等。,(二) 设计目标,（三）设计和操作的限制因素,生物反应器生产能力的限制因素,（四） 开发趋势和方向,（四）

4、 开发趋势和方向,如何解决传质和传热的问题 建立描述生物反应器过程的各种数学模型，以生物反应为研究对象，将其中的生物反应分解为生化反应、传质过程、流体流动及混合等分过程，分别进行研究，然后联立求解动力学方程、物料及热量衡算式，从而得到所研究的生物反应过程规律的解析表达式，获得较精确的反映过程本质的数学模型，以便于过程的自动化控制、优化反应器的设计与放大。 大型化：生产成本降低，但还存在一定的技术问题需要解决。,第二节 理想反应器,第二节 理想反应器,生物反应器型式多样，但从结构和操作来分析，有间歇、连续、管式等基本型式。这几种反应器内物料的流动状况具有典型性。 间歇式反应器：一次投入，一次放出

5、。细胞在罐内完成其生长周期。底物浓度和反应速度随时间变化。发酵周期长，设备利用率低。 连续式反应器：不断流加，不断排出。细胞维持在优化状态，底物浓度和反应速度不随时间变化。缩短发酵周期，提高设备利用率。 管式反应器：一端加入，另一端排出。反应物沿流动方向前进，反应时间是管长的函数，底物浓度和反应速度沿流动方向逐渐降低。而在管内的任一点浓度和速度不随时间改变。,一 返混与停留时间分布,-连续操作反应器的有效容积VA与通过反应器的体积流量F的比值，即VA /F。 -连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出，有的经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分布，称为停留时

6、间分布。（年龄分布、寿命分布） -反应器中停留时间不同的料液之间的混和。,停留时间分布,平均停留时间,返混,(一) 年龄分布与返混,停留时间分布有两种：一种是对反应器内的物料而言的，称为器内年龄分布；另一种是对反应器出口的物料而言的，称为出口年龄分布，也称为寿命分布。 (1) 年龄分布：从物料进入反应器的瞬间开始计算，到所考虑的瞬间为止。不同物料的粒子有不同的年龄，它们混合在一起，其年龄形成一定的分布，即年龄分布。,(一) 年龄分布与返混,返混是不同年龄的物料粒子混合的现象，是时间概念上的混合，与一般意义的物料混合含义不同。 有返混必然存在停留时间分布；反之没有停留时间分布，就不存在返混。 在

7、间歇操作中，反应器内在强烈的搅拌作用下使其中各处物料混合均匀，由于物料使一次性加入和一次性放出，所以不存在返混现象。 在连续管式反应器中，虽然在层流流动时粒子之间互不干扰，但因管中心粒子流速最大，停留时间最短，靠近管壁的粒子流速小，停留时间长，造成流速不均，就会产生停留时间分布，引起返混。 返混是连续操作反应器中特有的现象。,(一) 年龄分布与返混,(2) 寿命分布：从进入反应器的瞬间开始计算年龄，到考虑的时间为止，在反应器出口的物料粒子所形成的分布，称为寿命分布。 年龄分布和寿命分布之间存在一定的关系，已知其中一种分布，即可求出另一种分布。由于反应器内的物料容积大，取样难以代表整个反应器的情

8、况，所以一般都是通过实验测定寿命分布。,(二) 返混产生的原因,返混的影响,由于返混，物料粒子的停留时间长短不一，停留时间短，则粒子过早离开反应器，而停留时间长的粒子可能进一步称为副产物。所以总的来说，返混会造成产品收率和质量降低。,二 停留时间分布的测定,设备中的返混现象可以通过简单的实验来观察。 在处于正常流动下的反应器进口处瞬间加入少量某种示踪剂(输入信号)，与此同时，在反应器出口处连续或间断测定该示踪剂的浓度(输出信号)。这种方法称为脉冲示踪法。实验测定的结果是 分布,寿命,二 停留时间分布的测定,示踪剂：有色物质、电解质、放射性物质等。要求不能对流动状态产生任何影响，不参与反应、不挥

9、发、不沉淀、物料容易守恒，还要容易测定。 示踪剂的输入方法： 脉冲输入 阶跃输入 周期输入 随机输入,二 停留时间分布的测定,示踪剂输入方法：,二 停留时间分布的测定,流动反应器返混性能测定装置,二 停留时间分布的测定,停留时间分布函数F(t)：在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的N个流体粒子中，其停留时间小于t的那部分粒子占总粒子数N的分率。 F(t) = C(t)/C* 停留时间分布密度函数E(t)：在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的N个流体粒子中，其停留时间为tt+dt的那部分粒子占总粒子数N的分率为E(t)dt。其中E(t)称为停留时间分布密度函数。 E(t) = dF(t)/d

10、t,二 停留时间分布的测定,停留时间分布函数曲线,二 停留时间分布的测定,停留时间分布密度函数曲线,二 停留时间分布的测定,停留时间分布密度函数。,二 停留时间分布的测定,停留时间分布密度函数。 部分示踪剂在平均停留时间之前已经排出反应器。,无返混,二 停留时间分布的测定,测定停留时间分布可描述返混程度的大小。反应器的结构形式和大小都导致不同的停留时间分布。根据停留时间分布的曲线，可以推断反应器内的流动情况，分析设备的结构形式与操作条件是否合适，以便制定改进措施。所以，停留时间分布是连续反应器设计和放大中必须考虑的因素之一。,二 停留时间分布的测定,非理想流动的停留时间分布曲线,二 停留时间分

11、布的测定,脉冲法实验数据。,三、理想反应器模型,根据停留时间分布曲线，用数学方程来描述物料在实际反应器中的流动情况，并对反应器进行计算，从理论上来说是完全可行的。但其数学方程十分复杂，求解十分困难，不实用。 从工程实际应用出发，通常对反应器内的流动状况进行合理的简化。假定反应器内物料是按某种模式流动的，这种模式既能基本反映物料的实际流动状况，又要能比较简便地进行数学计算，这种合理的简化模式称为流动模型。 在分析和计算实际反应器时，用对模型的分析和计算去代替实际反应器的分析和计算的处理方法叫做数学模型法。,三、理想反应器模型,物料在实际反应器内的流动状况。,三、理想反应器模型,平推流模型： 流体

12、通过细长管道时，在于流动方向垂直截面上，各粒子流速完全相同，就像活塞推过去一样，故称为平推流，也称为活塞流。 流体粒子在流动方向上没有混合与扩散，所以，同时进入反应器的粒子将同时离开反应器，即物料粒子的停留时间都是相同的，即返混为零。微生物或酶浓度和培养基组成是所处位置的函数。,三、理想反应器模型,平推流模型： 流型为平推流的反应器称为平推流反应器或活塞流反应器(plug flow reactor, PFR)。 均匀细长的管式反应器，当雷诺数很大时，流型接近平推流； 长径比大且流速高的固定床反应器一般也可以用这个理想模型来近似模拟。,三、理想反应器模型,平推流模型的停留时间分布,三、理想反应器

13、模型,全混流模型。 新鲜物料一进入反应器就立即均匀分散到整个反应器内，与反应器内原有物料能在瞬间达到完全混合，且能在出口同时检测到新加入的粒子。 反应器中所有料液都达到充分混合，即返混无穷大，微生物或酶浓度和培养基组成各点相同，也与出口同，在稳态下不随时间变化。 相应的反应器为连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor, CSTR)，又称为全混流反应器(简称全混釜)。,三、理想反应器模型,全混流模型的停留时间分布,三、理想反应器模型,完全不返混和完全返混的两种极端流动称为理想流动，相应的反应器称为理想反应器。 在实际反应器中的流动往往或多或少偏离理想流动

14、，称为非理想流动。 非理想流动的主要特征：反应器内流体的停留时间分布介于理想流动的二者之间。,实际的反应器模型和理想反应器模型,非理想流动的停留时间分布,非理想流动的停留时间分布,非理想流动的停留时间分布,存在沟流,非理想反应器模型,轴向扩散模型：当实际与平推流偏离不大，即有返混但返混程度不大时，对平推流模型做较小的修正而得到的模型。这种模型认为流体之所以偏离平推流而出现返混是由于分子扩散作用而引起的，相当于在平推流的主体上叠加一个反方向扩散。扩散可用费克定律描述： 负号表示扩散与主流方向相反，D越大，返混越大。,非理想反应器模型,多釜串联模型：对于偏离全混流模型较小的实际流型，常用多釜串联模

15、型来描述。该模型假设一个实际设备中的返混情况等于若干个等容积全混釜串联时的返混。模型中串联的釜数N是虚拟的，不一定是整数。N个釜的总容积等于实际反应器的总容积，所以每个虚拟釜中的停留时间为实际反应器停留时间的1/N。,第三节 生物反应器的计算基础,一 反应器设计与操作参数,（一）反应器的 时空()。 分批反应器中和活塞流反应器中所有物料的停留时间相同，且等于反应时间，且容易求出；全混反应器的情况不同，常用平均停留时间(时空)来表示。定义：,一 反应器设计与操作参数,时空的倒数称为空速(space velocity, SV)： SV表示单位时间内能够处理相当于几倍反应器容积的物料。 越小，SV越

16、大，表明反应器效率越高。,一 反应器设计与操作参数,（二）转化率(x)：反应器内供给底物发生转化的分率。 对间歇操作： 对连续操作：,一 反应器设计与操作参数,反应器生产率(Pr)：也称为生产能力，是单位反应器容积单位时间内所产的产物量。单位是kmol/(m3 s)。 对间歇操作： 对连续操作：,一 反应器设计与操作参数,反应能力(CR)：对酶促反应来说，其反应能力的单位为kmol/s。,一 反应器设计与操作参数,选择性(Sp)： 实际转化成目的产物量与全部底物的理论量之比。当反应过程中有副反应发生，产生副产物时，通常使用这个概念。,二 间歇反应器的计算,物料衡算式是反应器计算的基本方程式。通

17、常是对物料中的某一组分进行物料衡算。 无论对连续系统还是间歇系统，物料衡算均可用下式表示： 对间歇反应器来说，反应过程无物料加入与排出：,二 间歇反应器的计算,即： 对液体反应VR=常数，故： 上式也可以写成： 上式是间歇反应器设计的基本方程式。对于间歇反应器的生产周期，还应考虑辅助时间(包括进料、出料、清洗、灭菌等)。,三 平推流反应器的计算,平推流反应器在流动方向上没有返混，所有物料的停留时间相同，在同一截面上物料组成不随时间变化，但随物料流动方向而改变。由于底物浓度在反应器轴向长度上是变化的，因此须取反应器中某一微元容积dV来作物料衡算。,三 平推流反应器的计算,即： 对整个反应器而言：

18、 上式为平推流反应器的设计方程式。,比较间歇反应器和平推流反应器,比较两种反应器的设计方程式可知，对恒容过程而言，平推流反应器的设计方程与间歇反应器完全一样。即在对同一反应达到相同的反应程度时，底物在管式反应器内停留于间歇反应器的反应时间是相同的。所以，可以用间歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。 二者结构型式不同，物料流动情况也有根本的区别，但基础设计方程却有相同的形式。这是因为物料在这两种反应器中都没有返混。,比较间歇反应器和平推流反应器,在间歇反应器中，底物浓度随时间而变化；在管式反应器中，底物浓度随空间而变化。 就反应本身而言，间歇反应器与平推流反应器所需要的有效容积相同。

19、 间歇反应器存在辅助时间和装料系数，所以需要的总容积比管式反应器要大。因此，对反应时间短、辅助时间相对较长的反应来说，选用管式反应器比较合适；而在生化反应中，反应时间一般都比较长，且通常反应存在气-液-固三相，常采用间歇反应器。,四 全混流反应器的计算,全混流反应器也称为恒化器。稳态下的全混流反应器物料衡算如下： 即： 上式为全混流反应器的基础计算式。,生物反应器的计算,从三中理想反应器设计的基本计算式可以看出：要想求出反应时间t(或)，就必须知道有关的反应速率r方程。生化反应的r大多是很难知道的，因此多数生化反应的反应时间还需要通过小试、中试来求得。 对于酶催化反应，可用米氏方程或其衍生的酶

20、动力学模型，通过实验测定相应的动力学参数解出r。,第四节 生物反应器的化学计量基础,化学计量是反应器设计的关键之一，它为过程中使用的介质的合理设计提供基本数据。 结合质量衡算，它可用于判断过程运行好坏和计算难以直接测量的简介参数。 化学计量的基础是质量守恒定律。,进行化学计算之前，先列出生化反应的方程式。,碳平衡：,氮平衡：,氧平衡：,氢平衡：,如果知道得率，所需的氨量、氧量、CO2和水都可以由这些方程算出。同样地，通过进气、排气和氮消耗量的测量有助于确定得率。,维持：保持细胞处于有序状态、补偿系统中熵的产生、避免造成细胞死亡的平衡状态中花费的能量。 假设生成能量的基质部分与生长相关，部分与生

21、长无关，而是取决于当前系统中生物量的大小，则有：,YXS随比生长速率的增加而增加，如果忽略等式右边第二项，得率将为最大值。,对于方程：,如果方程两边都乘以，可以得到基质消耗的线性方程：,也称为基质消耗的比速率:, = ,如果把产物形成时的生物量合成也考虑进来，则有：,基质消耗用于两个甚至三个独立反应，因此把发酵过程作为黑箱的生化反应方程式所列的简单组合不能完全表达整个生物反应过程。 在不同生长阶段，细胞内的基因表达和代谢途径发生改变，因此化学计量也发生改变，相同的化学计量关系在整个生长和产物形成过程中不能保持一致。 即便如此，生化反应的化学计量学在工业操作范围内仍表现得相当准确，对于反应器的设计是非常有用的。,第五节 生物反应器的生物学基础,生物量、基质、产物浓度等关键生物参数的动力学模型，对于生物反应器的设计和优化是必须的。 环境参数(如pH、温度、化学成分等)如何影响系统的动力学。 在某些情况下，利用简单的模型(非结构模型)就足以进行系统设计，但在其它情况下，采用结构模型或隔离模型更有优势，如在通过诱导和抑制描述酶合成。 详细的代谢模型可以克服代谢的瓶颈：重组细胞模型解释质粒稳定性；哺乳动物细胞模型区分细胞总数中的活细胞数；细胞分布