生物反应器设计

1、9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 反应器的分类和结构特点反应器的分类和结构特点9.3 9.3 发酵罐设计与分析发酵罐设计与分析9.4 9.4 其他反应器其他反应器第九章第九章 反应器设计反应器设计9.1 9.1 概述概述生物反应器生物反应器 生物反应器设计的主要内容生物反应器设计的主要内容 生物反应器设计的基本要求生物反应器设计的基本要求 反应器的设计以及工程放大的基本方法反应器的设计以及工程放大的基本方法 9.29.2反应器的分类和结构特点反应器的分类和结构特点9.2.1根据反应器的操作方式分类根据反应器的操作方式分类9.2.2根据催化剂分类根据催化剂分类9.2.3根据流体流动或混合状

2、况分类根据流体流动或混合状况分类9.2.4根据反应器结构特征及动力输入方式分类根据反应器结构特征及动力输入方式分类9.2.1根据反应器的操作方式分类 间歇式生物反应器间歇式生物反应器 连续式生物反应器连续式生物反应器 半连续式（流加）生物反应器半连续式（流加）生物反应器按操作方式分按操作方式分分类和结构特点分类和结构特点9.2.2 根据催化剂分类 酶反应器酶反应器 细胞反应器细胞反应器按催化剂分按催化剂分 分类和结构特点分类和结构特点9.2.3 根据流体流动或混合状况分类根据流体流动或混合状况分类对于连续反应器，有两种理想的流动模型：对于连续反应器，有两种理想的流动模型：按混和状况分按混和状况

3、分 分类和结构特点分类和结构特点全混流（全混流（CSTR） 平推流、活塞流或柱塞流（平推流、活塞流或柱塞流（PFR） 9.2.4 根据反应器结构特征及动力根据反应器结构特征及动力输入方式分类输入方式分类 釜（罐）式釜（罐）式反应器反应器按结构特征分按结构特征分 分类和结构特点分类和结构特点管式管式反应器反应器塔式塔式反应器反应器膜式反应器膜式反应器9.3 9.3 发酵罐设计与分析发酵罐设计与分析9.3.1 9.3.1 通气搅拌罐的结构特征通气搅拌罐的结构特征 9.3.2 9.3.2 机械搅拌系统机械搅拌系统9.3.3 9.3.3 反应器的搅拌功率反应器的搅拌功率 9.3.4 9.3.4 通气系

4、统通气系统9.3.5 9.3.5 温度控制系统温度控制系统 9.3.6 pH9.3.6 pH值和溶氧测量与控制系统值和溶氧测量与控制系统 9.3.7 9.3.7 消泡系统消泡系统 9.3.1 通气搅拌罐的结构特征是好氧生物反应器的典型代表是好氧生物反应器的典型代表其主要组成部分有：其主要组成部分有：壳体壳体控温部分控温部分搅拌部分搅拌部分通气部分通气部分进出料口进出料口测量系统测量系统附属系统等附属系统等 结构特征结构特征发酵罐发酵罐图图9-4 9-4 通气搅拌罐的典型结构及尺寸通气搅拌罐的典型结构及尺寸 表表9-19-1通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围相对

5、尺寸相对尺寸符符号号范围范围典型值典型值罐体的高径比罐体的高径比H/D1 13 3 搅拌桨直径与罐体直径之搅拌桨直径与罐体直径之比比Di/D1/31/31/21/21/3(Rushton桨桨) )挡板宽度与罐体直径之比挡板宽度与罐体直径之比Wb/D1/81/81/121/12（4 4块挡板）块挡板）1/101/10最下层搅拌桨高度与罐体最下层搅拌桨高度与罐体直径之比直径之比 0.80.81.01.0 相邻两层搅拌桨距离与搅相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比拌桨直径之比 1 12.52.5 9.3.2 机械搅拌系统机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、

6、热量传递、混合和悬浮物均匀分布传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。的基本保证。 由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成挡板组成 。机械搅拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐电机和变速箱对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，而大型反应器所用的一般均为三相电机。而大型反应器所用的一般均为三相电机。对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，必须通过变速箱降低转速。拌转速，必须通过变速箱降低转速。 机械搅拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐搅拌轴搅拌轴既可以从顶部伸入罐

7、体，也可以从底搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。于下搅拌。机械搅拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐轴封主要作用：防止环境中的微生物侵入反应器以主要作用：防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。及培养液等发生泄漏。搅拌轴的密封为动密封，发酵罐中使用最普遍搅拌轴的密封为动密封，发酵罐中使用最普遍的动密封有：填料函密封和机械密封。的动密封有：填料函密封和机械密封。机械搅拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐挡板为防止搅拌时液面

8、上产生大的旋涡，并促进罐内为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。罐体上还安装有挡板。 挡板的设计要满足挡板的设计要满足“全挡板条件全挡板条件” ” ，即，即 式中式中 W W 挡板宽度，挡板宽度， m m； D D 罐内径，罐内径， m m； Z Z 挡板数。挡板数。机械搅拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐5040.)ZDW(搅拌桨根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。机械搅

9、拌系统机械搅拌系统发酵罐发酵罐A A 径向流径向流 B B 轴向流轴向流 9.3.3 反应器的搅拌功率 搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐1不通气条件下的搅拌功率计算不通气条件下的搅拌功率计算2通气条件下的搅拌功率计算通气条件下的搅拌功率计算 3非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响不通气条件下的搅拌功率计算不通气条件下的搅拌功率计算搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐在机械搅拌发酵罐中，搅拌器的输出功率在机械搅拌发酵罐中，搅拌器的输出功率P0(W)与下列因素与下列因素有关：发酵罐直径有关：发酵罐直径D（m）、搅拌器直径）、搅拌器直径d（m）、液面高度）、液面高度HL（m）、搅

10、拌器的转速）、搅拌器的转速N（r/s）、液体黏度）、液体黏度（Pas）、）、流体密度流体密度(kg/m3)、重力加速度、重力加速度g（m/s2）以及搅拌器形式）以及搅拌器形式和结构等。和结构等。 对于牛顿型流体而言，可以得到下列准数关联式：对于牛顿型流体而言，可以得到下列准数关联式： yxgdNNdKdNP)()(23053 不通气条件下的搅拌功率计算不通气条件下的搅拌功率计算搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐pNdNP530MNdRe3MFrgdN2yMxMpFrKN)()(Re式中式中 功率准数；功率准数；搅拌情况下的雷诺数；搅拌情况下的雷诺数；搅拌下的弗鲁特数；搅拌下的弗鲁特数； 从而上式又可

11、改写为从而上式又可改写为 K 与搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数。与搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数。实验证实，在全挡板条件下，液面未出现实验证实，在全挡板条件下，液面未出现漩涡，此时指数漩涡，此时指数y0，上式可简化为，上式可简化为，即搅拌准数即搅拌准数Np是搅拌雷诺数是搅拌雷诺数ReM的函数。的函数。 发酵罐发酵罐搅拌功率搅拌功率 不通气条件下的搅拌功率计算不通气条件下的搅拌功率计算xMpKN)(Re搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐通气条件下的搅拌功率计算通气条件下的搅拌功率计算 引入通气准数引入通气准数Na ：表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶：表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶 顶

12、端流速之比顶端流速之比 ，即，即3NdQNagNaPPg6 .1210NaPPg85. 162. 00用用Pg表示通气条件下的搅拌功率，表示通气条件下的搅拌功率，P0为不通气时的搅拌功率，则为不通气时的搅拌功率，则当当Na a 0.0350.035时，时，当当Na 0.035时，时， 搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响拟塑性流体拟塑性流体 其剪应力与剪切率的关系满足：其剪应力与剪切率的关系满足：ndrdwk)(k 均匀性系数，也称稠度指数；均匀性系数，也称稠度指数；n 流动性指数，流动性指数，n1。大多数发酵液都属于这种类型。特点是

13、随着大多数发酵液都属于这种类型。特点是随着k增大，流体增大，流体就越黏，就越黏，n值越小，流体的非牛顿性越明显。值越小，流体的非牛顿性越明显。 搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响彬汉塑性流体彬汉塑性流体 其特点是剪应力与剪切率的关系是其特点是剪应力与剪切率的关系是不通过原点的直线。不通过原点的直线。 )(drdwpyyp式中式中 屈服剪应力；屈服剪应力； 刚性系数刚性系数搅拌功率搅拌功率发酵罐发酵罐非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响 涨塑性流体涨塑性流体ndrdwk)(k 均匀性系数均匀性系数 n

14、流动性指数，流动性指数，n1。式中式中9.3.5 温度控制系统通气系统通气系统发酵罐发酵罐温度控制系统由温度测量电极、热交换装置及相应的温度控制系统由温度测量电极、热交换装置及相应的控制装置组成。控制装置组成。为了保证为细胞生长和代谢提供合适的温度，温度控为了保证为细胞生长和代谢提供合适的温度，温度控制系统也是通气搅拌罐所必备的。制系统也是通气搅拌罐所必备的。温控系统温控系统发酵罐发酵罐多数生物反应体系在运行期间需要冷却，就地灭菌后的多数生物反应体系在运行期间需要冷却，就地灭菌后的培养基更要求快速泠却。培养基更要求快速泠却。对大型通气搅拌罐，通常采用罐内安装的冷却盘管或采对大型通气搅拌罐，通常

15、采用罐内安装的冷却盘管或采用夹套式发酵罐进行温度控制；而对用夹套式发酵罐进行温度控制；而对5m3以下的小型通以下的小型通气搅拌罐，热交换器多采用夹套作为换热装置。气搅拌罐，热交换器多采用夹套作为换热装置。培养基的就地灭菌需要加热装置。有时细胞培养的开始培养基的就地灭菌需要加热装置。有时细胞培养的开始阶段和结束阶段由于细胞产生的代谢热不足以维持生物阶段和结束阶段由于细胞产生的代谢热不足以维持生物反应器内的最适温度，需要通过热交换器加热。反应器内的最适温度，需要通过热交换器加热。 大型反应器培养基的就地灭菌一般采用直接向反应器中大型反应器培养基的就地灭菌一般采用直接向反应器中通入高压水蒸汽的方法实

16、现快速加热。小型反应器则通通入高压水蒸汽的方法实现快速加热。小型反应器则通常采用夹套加热或电加热。常采用夹套加热或电加热。 9.3.6 pH值和溶氧测量与控制系统pHpH控制系统包括控制系统包括pHpH电极、酸及碱储罐、耐酸电极、酸及碱储罐、耐酸或碱的管道和泵及相应的控制系统。或碱的管道和泵及相应的控制系统。溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。采用可灭菌的溶氧电极，使溶解氧浓度也可采用可灭菌的溶氧电极，使溶解氧浓度也可以实现在线检测和控制，为及时了解发酵以实现在线检测和控制，为及时了解发酵过程的进程及提高产物产量创造条件。过程的进程及提高产物产量创造条件。 pH值和溶氧值和溶氧发酵罐发酵罐9.3.7