生物反应器和比拟放大

1、微生物反应器微生物反应器:是生产中最基本也是最主要的设备是生产中最基本也是最主要的设备,其作用就是按照发酵过程的工艺要求其作用就是按照发酵过程的工艺要求,保证和控制各保证和控制各种生化反应条件种生化反应条件,如温度、压力、供氧量、密封防漏如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等防止染菌等,促进微生物的新陈代谢促进微生物的新陈代谢,使之能在低消使之能在低消耗下获得较高的产量。耗下获得较高的产量。厌氧生物反应器厌氧生物反应器:其反应器不需供氧其反应器不需供氧,设备结构一设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。好氧生物反应器好氧生物反

2、应器:生产过程中需不断通入无菌空气生产过程中需不断通入无菌空气,因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等等的生产。的生产。根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类:机械机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。二二. .生化反应器的特点生化反应器的特点生化反应器的特点生化反应器的特点生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂应皆由生物催化

3、剂- -酶来催化的。决定了酶反应酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行必须在比较温和的条件下进行, ,也就是在接近中也就是在接近中性的性的pHpH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。生物的酶系是非常复杂的生物的酶系是非常复杂的, ,在活细胞中它们是在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态相互协调而处于最优化的状态, ,故活细胞常被用故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变应的环境会随着时间的进程而改变, ,就产生了一就产生了一个如何控制反应过程使其最优化

4、的问题。个如何控制反应过程使其最优化的问题。对生长细胞来说对生长细胞来说, ,要考虑到如何维持发酵的最要考虑到如何维持发酵的最佳条件佳条件, ,主要包括细胞营养、代谢的调控以及主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。反应产物的干扰。由于酶作用对底物的高度特异性由于酶作用对底物的高度特异性, ,它可以定向它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品的产品大多数生化反应都在水相中进行大多数生化反应都在水相中进行, ,相对来说产相对来说产物浓度较低物浓度较低, ,这就产生了一个产物回收工艺及这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。成本的问题

5、。三三. 生化反应器的种类及选择与操作生化反应器的种类及选择与操作按生化反应是在一个相或是在多个相内进行按生化反应是在一个相或是在多个相内进行,可可分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。绝大多数都属于非均相反应器。（一）机械搅拌式生化反应器（一）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功率。这种反应器的适应性最强,从牛顿型流体从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液直到非牛顿型的丝状菌发酵液,都能根据实际情都能根据实际情况和需要况和

6、需要,为之提供较高的传质速率和必要的混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合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高,一一般般24kw/m3,这对大型的反应器来说是个巨大负这对大型的反应器来说是个巨大负担。担。2021/3/2362021/3/237机械搅拌发酵罐的基本条件机械搅拌发酵罐的基本条件发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为2.54。发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒和正常工作时和正常工作时,罐内有一定的压力和温度罐内有一定的压力和温度,因此因此罐体各部件要有一定的强度罐

7、体各部件要有一定的强度,能承受一定的压能承受一定的压力。力。发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎,气液充分混合气液充分混合,保证发酵液必须的溶解氧保证发酵液必须的溶解氧,提高提高氧的利用率。氧的利用率。发酵罐应具有足够的冷却面积。发酵罐应具有足够的冷却面积。发酵灌内应抛光发酵灌内应抛光,尽量减少死角尽量减少死角,避免藏垢积污避免藏垢积污,使灭菌彻底使灭菌彻底,避免染菌。避免染菌。搅拌器的轴封严密搅拌器的轴封严密,尽量减少泄漏。尽量减少泄漏。机械搅拌罐结构机械搅拌罐结构设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器中间

8、轴承中间轴承,空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成,材材料为碳钢或不锈钢。为满足工艺要求料为碳钢或不锈钢。为满足工艺要求,罐需承受罐需承受一定压力一定压力,通常灭菌压力通常灭菌压力0.25MPa(绝对大气压绝对大气压)搅拌器和挡板搅拌器和挡板涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种三种,其主要是打碎气泡其主要是打碎气泡,加速和提高溶氧。平加速和提高溶氧。平叶式功率消耗较大叶式功率消耗较大,弯叶式较小弯叶式较小,箭叶式又次之。箭叶式又次之。挡板的作用

9、是防止液面中央产生旋涡挡板的作用是防止液面中央产生旋涡,促使液体促使液体激烈翻动激烈翻动,提高溶氧。挡板宽度约为（提高溶氧。挡板宽度约为（0.10.12）D。装设。装设64块挡板块挡板,可满足全挡板条件。可满足全挡板条件。2021/3/2310全挡板条件全挡板条件是指在一定转速下是指在一定转速下,再增加罐内附件再增加罐内附件,轴功率仍轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求:(W/D)Z=0.5D-罐的直径罐的直径Z-挡板数挡板数W-挡板宽度挡板宽度2021/3/2311轴封轴封轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用的轴轴封的作用是防止泄漏和染菌。

10、常用的轴封有填料函和端面轴封。封有填料函和端面轴封。填料函由填料箱体、底衬套、压盖和压紧填料函由填料箱体、底衬套、压盖和压紧螺栓等零件组成。螺栓等零件组成。端面轴封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴端面轴封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合,并作并作相对运动而达到密封。相对运动而达到密封。2021/3/23122021/3/2314 优点优点:节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备油水分离器、空气贮罐等设备, ,减少了厂房占减少了厂房占地面积地面积, ,节

11、省投资节省投资; ;通气质量是最好的通气质量是最好的, ,通入发通入发酵液中的酵液中的2315m2315m2 2气液接触面积气液接触面积/m/m3 3空气空气; ;动力消动力消耗低耗低; ;设备便于自动化、连续化、降低了劳动设备便于自动化、连续化、降低了劳动强度强度, ,减少劳动力。减少劳动力。缺点缺点: : 空气靠负压吸入到罐内空气靠负压吸入到罐内, ,所以要求使用低阻力、所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统高除菌效率的空气净化系统; ;由于结构上的特由于结构上的特点点, ,大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在线速度在30m/s30m/s左

12、右左右, ,在叶轮周围形成强烈的剪在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深切区域。充气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深度增大而减少度增大而减少, ,因此比拟放大有一最适范围。因此比拟放大有一最适范围。罐压较低罐压较低, ,对某些产品生产容易造成染菌。对某些产品生产容易造成染菌。（三）气升式生化反应器（三）气升式生化反应器工作机理工作机理:是在罐外装设上升管是在罐外装设上升管,上升管两端与罐底及罐上上升管两端与罐底及罐上部相连接部相连接,构成一个循环系统。在上升管的下部构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷嘴装设空气喷嘴,空气喷嘴以空气喷嘴以250300（m/s）的）的高速

13、度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割细碎细碎,与上升管的发酵液密切接触。由于上升管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内的发酵液轻。加上压缩空气的喷流动能,因此因此使上升管的液体上升使上升管的液体上升,罐内的液体下降而进入上罐内的液体下降而进入上升管升管,形成反复的循环形成反复的循环,供给发酵液所耗的溶解供给发酵液所耗的溶解气量气量,使发酵正常进行。分内循环和外循环两种。使发酵正常进行。分内循环和外循环两种。2021/3/23172021/3/2318优点优点:结构简单结构简单,冷却面积小冷却面积小;无搅拌传动设备

14、节省动无搅拌传动设备节省动力约力约50%,节省钢材节省钢材;操作时无噪音操作时无噪音;料液可充料液可充满满80%90%,而不需加消泡剂而不需加消泡剂;维修、操作及维修、操作及清洗简单清洗简单,减少杂菌污染。减少杂菌污染。缺点缺点:对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。（四）新型啤酒发酵设备（四）新型啤酒发酵设备圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能缩短发酵时间缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性。故能而且具有生产上的灵活性。故能适合于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一

15、般适合于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一般置于室外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进置于室外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进入罐内入罐内,发酵最旺盛时发酵最旺盛时,使用全部冷却夹套使用全部冷却夹套,维持适维持适宜的发酵温度。宜的发酵温度。2021/3/2320锥底内角为锥底内角为60度度,内有涂料的钢罐的锥底内角为内有涂料的钢罐的锥底内角为75度度,使排污的时候使排污的时候,酵母可强制排出。罐的容酵母可强制排出。罐的容量系数为量系数为80%85%。视罐体高度视罐体高度,冷却夹套分为冷却夹套分为24段段,锥体夹套可锥体夹套可设一段或不设。发酵罐应保温设一段或不设。发酵罐应保温,以尽量减少冷、

16、以尽量减少冷、热消耗。多数是采用夹层聚胺酯发泡保温。外壳热消耗。多数是采用夹层聚胺酯发泡保温。外壳多数是采用塑料、铝或不锈钢。罐体的材料为不多数是采用塑料、铝或不锈钢。罐体的材料为不锈钢或碳钢加涂料。锈钢或碳钢加涂料。四）新型啤酒发酵设备四）新型啤酒发酵设备圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能缩短发酵时间缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性。故而且具有生产上的灵活性。故能适合于生产各种类型啤酒的要求。这种设备能适合于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一般置于室外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由一般置于

17、室外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进入罐内底部进入罐内,发酵最旺盛时发酵最旺盛时,使用全部冷却夹使用全部冷却夹套套,维持适宜的发酵温度。维持适宜的发酵温度。立体为圆柱形立体为圆柱形,底盖和顶盖为圆形封头或锥形的底盖和顶盖为圆形封头或锥形的立式金属容器。罐顶装有废气回收管立式金属容器。罐顶装有废气回收管,进料管、进料管、接种管、压力表和各种测量仪器接口。罐底装有接种管、压力表和各种测量仪器接口。罐底装有排料口和排污口。还有人孔。发酵罐的冷却装排料口和排污口。还有人孔。发酵罐的冷却装置置,对于中小型发酵罐对于中小型发酵罐,多采用罐顶喷水淋于罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面外壁表面,进行膜状冷却。对

18、于大型发酵罐进行膜状冷却。对于大型发酵罐,由由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求,所以罐内所以罐内装有冷却蛇管。装有冷却蛇管。2021/3/2323（六）动物细胞生物反应器（六）动物细胞生物反应器气升式生物反应器气升式生物反应器只能培养悬浮生长的细胞只能培养悬浮生长的细胞中空纤维管生物反应器中空纤维管生物反应器即可培养悬浮生长的细胞即可培养悬浮生长的细胞,也可培养贴壁依赖性细胞也可培养贴壁依赖性细胞主要用来培养杂交瘤细胞主要用来培养杂交瘤细胞,生产单克隆抗体生产单克隆抗体通气搅拌反应器通气搅拌反应器动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞,

19、生长缓慢生长缓慢,对培对培养环境十分敏感。动物细胞十分脆弱养环境十分敏感。动物细胞十分脆弱,对剪切应力敏对剪切应力敏感。一种安全有效的方法是通过改变通入培养罐内气体感。一种安全有效的方法是通过改变通入培养罐内气体的氧气和氮气来实现控制的氧气和氮气来实现控制DO。采用二氧化碳和碳酸氢钠。采用二氧化碳和碳酸氢钠缓冲液来控制体系的缓冲液来控制体系的pH值值,它主要是预先加入适量的碳它主要是预先加入适量的碳酸氢钠和通过改变进入反应器内气体流量中的二氧化碳酸氢钠和通过改变进入反应器内气体流量中的二氧化碳的含量来实现。的含量来实现。2021/3/23252021/3/2326（七）植物细胞培养反应器（七）

20、植物细胞培养反应器同上同上 植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一样样,产生一系列问题比如混合和传质问题。另产生一系列问题比如混合和传质问题。另一个问题是植物细胞很少是以单一细胞悬浮生一个问题是植物细胞很少是以单一细胞悬浮生长长,通常是一团细胞非均相集合体通常是一团细胞非均相集合体,当细胞密度当细胞密度高高,粘性大的时候粘性大的时候,容易产生混合和循环不良。容易产生混合和循环不良。高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都是好氧的是好氧的,需要连续不断供氧需要连续不断供氧,与微生物细胞相与微生物细胞相反反,它不需要

21、高的气液传质速率它不需要高的气液传质速率,而是要控制供而是要控制供氧量氧量,以保持较低的水平。植物细胞对溶氧的以保持较低的水平。植物细胞对溶氧的变化非常敏感变化非常敏感,太高或太低都有不良影响。太高或太低都有不良影响。生物反应器设计基本原则生物反应器设计基本原则在反应系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不在反应系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通。应直接连通。尽量较少法兰连接。尽量较少法兰连接。尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切实磨光实磨光,消除蓄积菌体的场所。消除蓄积菌体的场所。防止死角、裂缝。发酵系统的某些部分能单独防止死角、裂缝。发酵系统

22、的某些部分能单独灭菌。与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封灭菌。与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封,如采样口的阀门在不使用时如采样口的阀门在不使用时,其出口处应有流动其出口处应有流动蒸汽通过。蒸汽通过。所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。 发酵罐应始终保持在正压以排除渗漏。发酵罐应始终保持在正压以排除渗漏。几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。玻几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。玻璃只限用在小于璃只限用在小于2030L的发酵罐。的发酵罐。2021/3/2329四四. 比拟放大比拟放大为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在

23、大生产中再现生产中再现,就要掌握和运用放大技术。一般采就要掌握和运用放大技术。一般采用相似原理进行比拟放大。用相似原理进行比拟放大。比拟放大的基本方法比拟放大的基本方法:首先必须找出表征此系统首先必须找出表征此系统的各种参数的各种参数,将它们组成几个具有一定物理含义将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数的无因次数,并建立它们之间的函数式并建立它们之间的函数式,然后用然后用实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含的的 常数和指数常数和指数,则此关系式便可用作与此试验则此关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设计。设备几何相似的大型设备的设计。

24、比拟放大不是简单的按比例放大比拟放大不是简单的按比例放大,而是建而是建立在几何相似、培养条件相同和微生物在立在几何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上的。放反应器中充分分散等基本假设之上的。放大与通气、搅拌等技术构成了生化工程的大与通气、搅拌等技术构成了生化工程的核心部分。应用在微生物的放大方面核心部分。应用在微生物的放大方面,则则需要由小试放大到中试进行讨论需要由小试放大到中试进行讨论,这是生这是生化工程的一个基本特征。化工程的一个基本特征。2021/3/2331 化学工业中化学工业中,每级放大在每级放大在50倍以下倍以下,而且每而且每级放大时需对前级参数进行修正。生物

25、级放大时需对前级参数进行修正。生物工业中工业中,放大的倍数有的高达放大的倍数有的高达200倍倍,如外如外国某公司用于单细胞蛋白生产的国某公司用于单细胞蛋白生产的300m3反应器是从反应器是从1.5m3反应器直接放大得到的。反应器直接放大得到的。一般生物反应器的放大倍数为一般生物反应器的放大倍数为10。2021/3/2332（一）比拟放大的方法（一）比拟放大的方法1. 几何尺寸的放大几何尺寸的放大根据几何相似的原则根据几何相似的原则D2/D1=Di2/Di1=(V2/V1)1/3D-反应器直径反应器直径Di-搅拌器直径搅拌器直径V-反应器的装料容积反应器的装料容积2021/3/23332.通风量

26、的放大通风量的放大按单位体积液体通风量按单位体积液体通风量Q/V相等相等大型反应器液柱高大型反应器液柱高,空气在液体中所走的路程和空气在液体中所走的路程和气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应器的有较高的空气利用率器的有较高的空气利用率,放大时大型反应器的放大时大型反应器的Q/V比小型设备的比小型设备的Q/V小。小。按通风截面空气线速度按通风截面空气线速度VS相等放大相等放大反应器空截面的空气线速度反应器空截面的空气线速度Vs的大小表征了液体的大小表征了液体的通风强度。对于空气利用率较好的反应器的通风强度。对于空气利用率较好的反应器,大大罐的罐的V

27、S应适当大于小罐的。应适当大于小罐的。按通风准数相等放大按通风准数相等放大2021/3/2334按体积溶氧系数相等放大按体积溶氧系数相等放大经过实验和有关准数的整理经过实验和有关准数的整理,可得通风量可得通风量Q与溶与溶氧系数氧系数kLa(Q/V)HL2/3kLa-体积溶氧系数（体积溶氧系数（1/h）Q-通风量通风量(m3/min);V-发酵液体积发酵液体积(m3)HL-发酵液深度发酵液深度(m)(kLa)2/(kLa)1=(Q/V)2/(Q/V)1.(HL2/HL1)2/3(Q/V)2/(Q/V)1=(HL1/HL2)2/3=(D1/D2)2/3(VVM)2/(VVM)1=(D1/D2)2/

28、3大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。2021/3/23352021/3/23363. 搅拌功率放大搅拌功率放大搅拌功率是影响溶氧最主要的因素搅拌功率是影响溶氧最主要的因素,因而在机械因而在机械搅拌生化反应器中搅拌生化反应器中,搅拌功率的放大是整个放大搅拌功率的放大是整个放大中最主要的内容。对于一定性质的液体中最主要的内容。对于一定性质的液体,由于搅由于搅拌功率的大小取决于搅拌转速拌功率的大小取决于搅拌转速n和搅拌器直径和搅拌器直径Di,因此搅拌功率的放大实际上是因此搅拌功率的放大实际上是n和和Di的放大。若的放大。若集合相似集合相似,则则Di一定一定,放大问题就只是选择搅拌放大问题就只是选择搅拌转速转速n的问题。的问题。2021/3/2337按雷诺准数按雷诺准数Re相等放大相等放大n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2在某些情况下可作为放大的依据在某些情况下可作为放大的依据按单位体积液体消耗功率按单位体积液体消耗功率P/V相等