第二章生物反应器

1、第二章第二章 生物反应器生物反应器n生物反应器生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。n生物反应器：生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应环境的核心设备。n生物反应器的作用生物反应器的作用：就是为生物体代谢提供一个优化的物理、化学环境，使生物体能更快更好地生长，以获到更多需要地生物量或代谢产物。生物反应器的特点生物反应器的特点生物（酶除外）反应都以自催化（autocatalysis）方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自力要生长繁

2、殖。生物反应速率较快，生物反应器的体积反应速率不高与其他相关生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高产物浓度低高效生物反应器的特点：高效生物反应器的特点：设备简单，结构严密良好的液体混合性能，较高的三传速率易于放大具有配套而又可靠的检测及控制仪表等判断生物反应器好坏的标准：判断生物反应器好坏的标准：该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。生物反应器的分类生物反应器的分类n按有机体种类：细胞反应器（微生物反应器、植物细胞反应器、动物细胞反应器）酶反应器。n根据操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器和半间歇操作反应器。n根据流体宏观混合状态：理想流动和

3、非理想流动。n根据反应器形态和结构：槽式、塔式、管式和膜式等反应器n根据反应物系的相态：均相和多相反应器。n根据能量提供方式：机械搅拌和流体搅拌反应器。生物反应器选型与设计的要点生物反应器选型与设计的要点n选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的ph和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。n确定适宜的反应器形式。n确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。n传热面积的计算。n通风与搅拌装置的设计计算。n材料的选择与确保无菌操作的设计。n检验与控制装置。n安全性。n经济性。生物反应器的操作模型生物反应器的操作模型间歇操作n对酶反应，培养液一次性全部加入，接种培养一段时间后

4、，将培养液一次性全部放出；对细胞反应，接种后反应到规定要求。连续操作n反应物加入与产物排出是连续进行的半间歇操作n介于两者之间操作模型操作模型n用一组包括底物、产物和生物量的动力学在内的质量衡算方程，来描述在不同操作方式反应器内状态变量随时间变化的规律。n对细胞生长：累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量n对底物消耗：累积量=进入量-流出量-反应消耗量n对产物生成：累积量=进入量-流出量+反应生成量反应器设计和操作参数反应器设计和操作参数n停留时间n反应器体积vrn 转化率=(s0-s)/s0n生产能力(生产强度)px: 单位时间单位体积的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。间歇操作搅拌

5、反应器间歇操作搅拌反应器操作特征：操作特征：n反应过程中与外界无物料交换n反应器中各组分浓度仅随反应时间变化，是非稳态反应过程n物料具有相同停留时间n反应器内物料混合充分，不存在浓度和温度梯度推导推导n对底物s的衡算式：n累积速率=-反应消耗速率n反应速率：对于均相酶促催化反应对于均相酶促催化反应单底物酶促反应单底物酶促反应bstr的反应器的反应器对于细胞反应对于细胞反应减速生长减速生长期期 指数生长期指数生长期 分批培养细胞生长的分批培养细胞生长的六个阶段六个阶段 停滞期停滞期 加速生长期加速生长期 平衡生长期平衡生长期 负生长负生长期期 n对数生长期细胞生长时间的计算n对数生长期，比生长速

6、率达到最大n代入积分式后积分得到n对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。n产率是优化的目标函数n若以产物浓度最高为目标总产率；若以最大产物生成速率时为反应终止时间最大产率。连续操作搅拌反应器连续操作搅拌反应器操作特点：n进出料速率相同，且保持恒定n反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作n反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成相同。稳态条件下：物料在反应器中的平均停留时间稀释率表示单位体积在单位时间所处理物料的体积n保留酶的方法n动力学：n恒化法与恨浊法带有细胞循环的cstr红色表示带循环的cstrcstr黑色表示不带循环的cstrc

7、strn稳态操作n各个反应器内为全混流n反应器之间无返混n各反应器操作条件相同，得率为常数连续活塞流反应器连续活塞流反应器n平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器中的停留时间都是相同的。n返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混合”。ncstr反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全混流反应器；cpfr是另一个极端，在反应器中不存在返混，是活塞流反应器。n主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。n优点：较高的产率，易优化控制带循环的带循环的cpfrn部分细胞连续从出口返回n选择最佳的物料循环速度cstrcstr型与型与cpfrcpfr型

8、反应器性能的比较型反应器性能的比较n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。n转化率越高，cstr中所需酶的相对量也就越大。另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，0级反应时其比值最小。n0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，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cpf

9、r所需的量。n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。cstrcstr型与型与cpfrcpfr型反应器的组合型反应器的组合 以反应器最小体积为目标，当cxcx opt时，采用二者串联有利。半间歇式操作的反应器半间歇式操作的反应器n底物连续或分批加入，产物一次性或分批排除。n优点是反应物浓度可调控n适用于多种生物反应类型半间歇操作过程：半间歇操作过程：n补料分批培养：开始培养时，培养液没有一次性加足，在培养一定时间后，根据培养液营

10、养成分的消耗情况将部分营养成分连续加入反应器内（称之为补料），培养结束后一次性全部放出。 半间歇操作过程：半间歇操作过程：n反复补料分批培养：又称为半连续发酵，指在补料分批培养中进行一段时间、反应器内培养液体积达到最大无法再继续补料时，将培养液放出一部分，再继续补料，隔一段时间后再放出同样体积，如此反复操作，直到最后将培养液一次性全部放出。n反复分批培养：在简单分批培养即将结束时，放出大部分的培养液，余下少量作为种子液，补充新鲜培养液后再重新培养，如此反复直至培养不能再延续时，再将发酵液全部放出。 底物恒速流加模型底物恒速流加模型n假设条件：完全混合、单底物限制平衡生长、产率系数恒定。n进入拟

11、稳态时：d=。细胞的生长进入基质限制生长状态，v随加料而增加，d下降，也下降，细胞生长比速率随时间严重下降。n总的细胞质量随时间呈线性增加。n在s很大而f很小时，即以很小的流率以很浓的基质作为补料液时，则d,细胞的生长速率受流加速率控制，这在实际操作中是经常用到的。底物指数流加模型底物指数流加模型n加入基质速率随时间呈指数变化n控制策略是控制基质浓度在反应过程中保持恒定浓度不变时的底物衡算式：f(t)与t成指数关系反应反应-分离偶合操作的反应器分离偶合操作的反应器n解决产物抑制问题。n两种类型：加入分离剂；外部分离器。n反应-膜分离偶合n反应-萃取偶合n选择分离介质的偶合过程n气提和减压分离的

12、偶合过程机械搅拌槽式反应器机械搅拌槽式反应器反应器内的三类主要装置：n混合装置物料混合；破碎和分散气泡；悬浮固相物料。n通气装置导入氧气n传热装置冷却或加热搅拌装置搅拌装置n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。n轴流式搅拌器叶面与轴成一定角度n径向流搅拌器叶面平行于搅拌轴 反应器内挡板有利于次生流的产生，最佳的挡板设计数目可根据以下公式：反应器的传递特性反应器的传递特性n反应液的流变与剪切特性n搅拌功率n氧的传递特性n热量的传递特性描述？反应器的混合特性反应器的混合特性n单一液相混合、液-液混

13、合等不同相态混合。n依据混合发生的空间尺度，有宏观混合与微观混合之分。n如果物料体系中微团之间不发生物质交换，可称为宏观流体；如果混合达到分子水平，即达到最大限度的微观混合，则可称为微观流体。宏观混合的定量描述宏观混合的定量描述n用物料微元体的停留时间分布函数表示n示踪应答法n两个重要参数：t，2 01停留时间分布窄平推流停留时间分布宽全混流n槽列模型n扩散模型n组合模型微观混合的定量描述微观混合的定量描述n微观混合通常用混合程度m和混合时间tm两个参数表示。ntm为达到m时的值，一般采用0.95或0.99。机械搅拌反应器的混合模型机械搅拌反应器的混合模型n分室模型n再循环模型气体搅拌塔式反应

14、器气体搅拌塔式反应器n与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌n特点是结构简单；氧传递效率高；耗能低；减少了剪切作用对细胞的损害；排除了轴封易染菌的困难；安装维修方便等。n适于单细胞蛋白生产和废水生物处理。鼓泡式反应器鼓泡式反应器n鼓泡塔式发酵罐由塔体、筛板、空气分布器、降液管组成n压缩空气由罐底导入，经空气分布器后，穿过筛板气孔，逐板上升。发酵液充满塔体。在空气泡上升的过程中，密度小的含气发酵液也随之上升，上升后的发酵液释放空气泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，从而形成循环。空气泡的上升和发酵液的循环流动，产生气液混合效果，促进了氧气的溶解。气升式反应器气升式反应器n由罐体、

15、导流筒、循环管、空气喷嘴等部件组成。在气升式发酵罐中没有机械搅拌器及相关装置，采用高速气流和密度差带动发酵液流动、混合。n分为内循环及外循环两种。n（内循环）工作原理： 在罐内装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷口，空气自喷口喷出后，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，其它液体下降而进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量，使发酵正常进行。 流动特性流动特性n升、降液管中气含率不同导致的流体密度差是流体循环的主要动力，通气率大小是影响流体速度的重要因素。n升、降液管的横切面积相对大小对循环速度也产生影响。n升液管内氧含量丰富，细胞生长旺盛；降液管氧含量下降，易产生缺氧。n液体微元体在反应器内循环一周所需时间为一个循环周期，循环速度？升液管内液体上升速度：循环周期：vl反应液总体积vlr升液管内液体循环流量传递参数传递参数n气含率大小与通气速率、反应器结构和液体性质等因素有关。n传质系数，主要取决于气体表观