生物反应工程原理五六七章

第五章生化反应器第一节概述一、生化反应器的定义1、生化反应器又可称生物反应器，是为适应生化反应特点而设计的反应设备。生化反应器在生化反应过程中处于极为重要的中心地位，它是影响整个生产过程经济效益的重要方面。生化反应器包括微生物反应器（发酵罐）、酶反应器、动植物细胞培养用反应器等。2、生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一由图可见，生物反应器在生物过程中，具中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。二、生化反应器的基本要求如：发酵罐，要有能控制温度、压力，通氧量、密封防漏、防止杂菌污染的设施，并根据发酵特点和要求，选择合适的发酵罐结构和型式。第二节生化反应器的特点与设计目标与原则一、生化反应器的特点生化反应器的特点，是与生化反应的特点相伴随的。1.生化反应器提供的反应条件都是在低温、近中性pH等接近细胞生理的条件。2.生化反应的酶系都是复杂的，要求生化反应器能很好的控制反应进程并使其最优化。尤其是传质和传热。3.生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调，考虑辅酶的添加以及能量的供应，同时还要注意底物及产物浓度的控制。4.利用生化反应器5.由于回收设备提高了生化产品的成本，生化反应器需要更关注产品的分离纯化。可以定向的生产一些用一般化学方法难以甚至不能获得的产品。二、生化反应器的设计目标与原则（一）一个优良的生物反应器应具备的条件：生物反应器的作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。一个优良的生物反应器应具备：（1）严密的结构（2）良好的液体混合性能（3）高的传质和传热速率（4）灵敏的检测和控制仪表（二）判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。（三）生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计的一个重要因素。生物反应器设计的重要方面包括：1）改善生物催化剂；2）好的过程控制；3）好的无菌条件；4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。（四）生化反应器的设计原则1、获得高的体积产率Qp：即每小时每升反应体积，能生产的产品质量，g/L.h2、获得高的产物得率：指由原料到产品的得率，即每克底物能得到的产品克数。Yp/s3、获得高的产物浓度：获得高的产物浓度有利于产品的分离纯化，计应重视。降低反应成本，故生化反应器的设在连续工艺中，产物浓度与操作条件的关系如下：P=SaVX/F=SaX/DP：产物浓度V：反应器体积X：催化剂浓度F：通过反应器的流速D：稀释率，D=F/V从上式知：降低流速，增加催化剂浓度和比活力，可以提高产物浓度。4、其他：提高产品质量，使工艺的重现性高，副产品少。重视能耗、混合、温度控制及蒸汽消毒等问题。与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：（1）在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通；（2）尽量减少法兰连接，（3）在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；（4）防止死角、裂缝等情况；因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接外移位，从而导致污染；（5）某些部分应能单独灭菌；（6）易于维修；（7）反应器可保持小的正压。第三节生化反应器的种类一、生化反应器的种类1.按相分（1）均相反应器：反应在一个相中进行，通常为液相。反应物、催化剂及产物间在搅拌作用下能达到分子水平的混合，不存在传质问题，是较简单的一种反应器。如:前述的葡萄糖异构化反应，葡萄糖及异构酶均溶解于水，反应在均一的液相内进行。反应物、催化剂及产物之间通过搅拌等作用，能达到分子水平的均匀混合，不存在传质问题，因而这种反应器一般比较简单。（2）非均相反应器：反应物不在同一相中，传质问题即如何使不在同一相中的基质充分接触，是非均相反应器要解决的基本问题。其结构较复杂。发酵工业中大多数反应器属于此类。如：在以正烷烃为基质的酵母发酵器中，正烷烃不溶于水，空气难溶于水，酵母也不溶于水。但酵母必须将基质用酶催化水解，然后才能获得能量，并将小分子基质摄入细胞，合成新的细胞物质。这一系列生物化学反应能否进行，取决于反应器能否把烃、氧和水及酵母菌体充分乳化，使这些不在同一相内的基质充分接触．这就是传质问题。非均相反应器在结构上较均相反应器远为复杂。发酵工业中的绝大多数反应器属于非均作为基质的正烷相反应器。2.按输入功率（1）机械搅拌式生化反应器：利用搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需功率部都是使用这类生化反应器。分。利用丝状菌进行的抗生素发酵生产，几乎全通气搅拌罐有下列优点：①pH和温度容易控制②尺寸放大的方法大致已确定③适用于连续搅拌罐反应器（CSTR）等。通气搅拌罐的缺点：①搅拌功率消耗大：机械搅拌器的驱动功率一只大型的反应器是个巨大的负担，因而其容积受到限制，很少有机械搅拌式反应器。较高，一般每立方米液体为2—4kw。这对单只容积超过400m3的②罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，在轴承处还会发生杂菌污染。③培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。搅拌的作用：①液体通风后空数气量增加，实际上是增加了传质量。②通过搅拌，大量气泡被搅拌器打碎，增加比表面积。进入的气泡在搅拌中随着液体旋转使之所走路程延长，使发酵液中保持的③搅拌速度越快，搅拌雷诺准数增加，增加传氧速率。发酵罐的基本条件①发酵罐应具适宜高径比（一般高径比为1.7～4倍）②发酵罐能承受一定压力：③发酵罐搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧。④发酵罐应具足够冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量热量必须通过冷却来调节不同发酵阶段所需温度。⑤发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌彻底。⑥搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。发酵罐的部分部件①搅拌器和挡板搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种，国外多用平叶，我国多用弯叶。其作用是打碎气泡，使气空与溶液均匀接触，使氧溶解于醪液中。挡板的作用：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变，消除因搅拌而产生的漩涡。②消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约10～20mm。③气空分布装置单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的气空分散效果较好。环形管的分布装置：以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为φ5～8mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。气空流速取：20m/sec（1）自吸式充气发酵罐是近年发展起来的一种新型机械搅拌式生化反应器。它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的搅拌、充气的。该发酵罐不需气空压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。工作原理：构件主要是自吸搅拌器和导轮，即转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，转子转动时空气由导气管吸入。转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力作用下，被甩向叶轮外缘，流体获得能量，转子转速愈快，旋转线速度也愈大，流体动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出风量也越大。当转子空膛内流体从中心被甩向外缘时，在中心处形成负压，转速愈大，所成负压也愈大，由于转子空膛用管子与大气相通，因此大气气空不断被吸入，甩向叶轮外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈混合流（湍流），刚离开叶轮的气空立即在循环发酵液中分裂成细微气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌同时完成了充气作用。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。搅拌器由从罐底向上伸入的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，于是将罐外气空通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸入的气空与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。优点：①不用气空压缩机或鼓风机，节省投资；②在所有机械搅拌通气发酵罐形式中，自吸式充气发酵罐的充气质量是最好的．通入发酵液中的每立方米空气可形成2315m2的气液接触界面面积；③动力消耗低。缺点：①由于空气靠负压吸入罐内，所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统；②由于结构上的特点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。而各种微生物中以酵母和杆菌耐受剪切应力的能力最强，因此该反应器只适用于这类微生物的发酵生产。③充气搅拌叶轮的通气量随发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围，目前最大容积为250m3。应用：自吸式发酵罐最初应用于醋酸发酵，如今已应用于抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等生产。（2）鼓泡式生化反应器以从反应器底部鼓入空气提供混合和传质所需的功率。又称为空气搅拌高位反应器。其最初形式是从简单的圆筒状的器底吹入空气，空气以分散相在连续的液相中上升通过。（3）环流式生化反应器这是一类塔式反应器，高径比较大。其中相际的混合与传质是借各种方式诱导的环流来实现的。根据诱导方式分为气升环流式和喷射环流式。（4）文氏管发酵罐工作原理：用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。缺点：气体吸入量与液体循环量之比降低，对于耗氧量较大的微生物发酵不适宜。（5）塔式发酵罐特点：罐子高，高：径=6左右，罐内装有导流筒。由于液位高，空气利用率高，节省空气约50％，节省动力约30％，不用搅拌器，设备简单，但底部有沉淀物；温度高时降温较难。3.按反应器运行方式（1）间歇式生化反应器一次投料后，待反应器内的反应物反应完毕并卸料后，再投入新的反应物进行下一批的生产。反应器内成分随反应时间而变，属于非稳态系统（2）连续式生化反应器反应器的进料与出料连续不断的进行，反应物的体积不能保持恒定。但整个反应体系是处于稳态系统。分为连续流搅拌反应器(简写为CSTR)及活塞流反应器(简写为PFR)。它们是两种完全对立的理想化模型，实际的反应器只能接近这两种模型。①连续流搅拌反应器基本假定是器内的混合作用足够强烈，因此器内各种成分的浓度处处相等而不随时间变化，反应速率是个常数。但连续流搅拌反应器中各个物料微团的停留时间是不相等的，因为反应物料一经连续流入反应器便立即被分散，有的微团可能一经分散就从连续出料口排出，有的则可能逗留相当长的时间，这叫做“返混”。返混是一个随机过程，它造成反应物在器内停留时间的分布，导致不同微团中的反应物经历不同的反应时间。4.按催化剂类型分为：微生物反应器和反酶应器按生物催化剂在反应器中的分布方式分：生物团块反应器、生物膜反应器（1）生物膜反应器（MBR）：利用膜的分离功能，同时完成反应和分离过程的反应器。这是一类仅适合于生化反应的反应器。（2）生物团块反应器按催化剂运动状态划分又可分填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器填充床型反应器(PBR)：把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器叫做固定床型反应器。这是使用最广泛的固定化酶反应器，单位体积催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高。流化床型反应器(FBR)：装有较小颗粒的垂直塔式反应器。底物以一定流速从下向上流过，使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态进行反应。固定化颗粒和流体可看作均匀混合的流体。具传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压降较小等优点，也很适于需排气供气的反应。二、微生物反应器（发酵罐）根据反应是否需要氧气为基准微生物反应器可分为:1、需氧微生物反应器（通气发酵罐）2、厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）（1）微生物在嫌气发醉过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。（2）微生物的生物合成热是由维持微生物生命活动的呼吸热、促进微生物增殖的繁殖热以及微生物形成代谢产物的发酵热所组成（3）由于各种微生物的生理特性和代谢途径不同，故对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。（4）对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵的发酵热，一船按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常以消耗1kg麦芽糖发酵放出的热量约为418－600J为计算基准。（5）如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高10℃。（6）此外，对于小型试验罐，也可在发酵最旺盛时，测定其冷却水的进出口温度和单位时间内的耗水量，从而得出小罐的放热量Q1ˊ。第四节生化反应器的发展（1）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术（2）改进生物反应器的传质、传热的方法（3）生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反应器在最佳条件下操作成为可能（4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视（5）降低设备投资方面，对连续过程更加重视。连续生物反应器的主要问题是产物浓度低。随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高产品浓度的方法。我国化工近况：1.研制成功了2.5L、5L、10L等自控发酵罐，具备批量生产的能力。2.自行研制100m3双环流气升式反应器，使谷氨酸生产效率提高13.6%左右。3.耐消毒pH传感器用于维生素C生产过程控制，可使产量提高3%。4.电子计算机在线控制用于青霉素生产过程，每毫升青霉素发酵液的效价提高7000单位。第六章传氧与通气搅拌一.概述1.生化反应器通气与搅拌有两个目的:①使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从菌体内向发酵液的传递。②供给微生物和代谢所需的氧气。好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反应过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积所累需要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，微生物只能利用溶解于液1）搅拌把通入的气体打碎，强化湍流程度，使接触，增加了溶氧速率，使2）作用：1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与液且小气泡的上升速度要比大气泡慢，相应地氧与液接触时间也就增长；2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，运动路线，增加了气液的3）搅拌使菌体分散，避免结团，有同时也减少了菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传需求：因此，体中的氧气。空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地物悬浮混合均匀，促进代谢产物的传质速率。体的接触面积，微生而体的延长了气泡的接触时间；利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一，递。发酵过程中氧的好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分气存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必物。而需氧微生物只能利用溶解于液中溶解氧般以溶解氧系数表示。由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类和数量不同，在不同环境条件下，种需氧吸氧量或呼吸程度是不同的。须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖，积所累需要的代谢产微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，体中的氧。发酵液的多少，一各微生物的摄氧量：指单位体积培养液在单位时间内的消以r表示，单位为[molO2/m3·s]。呼吸强度（比耗氧速率）：单位质量的菌体(以干重计)在单位时间内消耗氧的量molO2/（kg干细胞·s）。用Qo2表示。耗氧的量，摄氧量与呼吸强度之间的关系r=Qo2·X式中：r---摄氧量[molO2/（m3·s）]；Qo2---菌体呼吸强度（比耗氧速率），molO2/（kg干细胞·s）；---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；3）溶解氧控制的意义X在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧（最近有报道在气-液界处的微生物25℃、100MPa下，空气中的氧在水0.25mmol/L。由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微也能直接利用气相中的氧）。氧是很难溶解的气体，在中的溶解度生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的溶解度比在水中更小。就必须采用强化供氧。2.微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度”。不同的微生物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物的耗氧量也往往不同。呼吸临界氧浓度：在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值，后呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化时的溶解氧浓度。用C临界表示。影响微生物需氧量的因素很多，归纳起来主要有菌种的生理特性、培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等。3、在发酵过程中引起溶氧异常下降可能有下列原因?①污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，使溶氧在较短时间内下杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显；②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。又如消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多，也会引起溶氧迅速下降。其他影响供氧的工艺操作，如停搅拌、闷罐（关闭降到零附近，如果加，率消耗排气阀）等．都会使溶氧发生异常变化。4、在发酵过程中引起溶氧异常升高可能有下列原因?在供氧条件没有发生1、菌体代谢出现异常，耗氧能2、污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧就显上升，菌体破裂后完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。变化的情况下，耗氧量的显著减少将导致溶氧异常升高。如：力下降，使溶氧上升。明二、溶氧浓度的控制1.氧的传递途径及传质阻力供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。供氧方面的阻力：①气膜阻力，主流气流与气膜间的气膜阻力②气液界面阻力，与空气情况相关③液膜阻力，气液界面至液体主流间的液膜阻力④液流阻力耗氧方面的阻力：①细胞周围液膜阻力，与发酵液成分和浓度相关②菌丝丛或团内的扩散阻力③细胞膜阻力，与微生物的生理特性相关④细胞内反应阻力。由于氧是很难溶于水中的气体，所以在供氧方面液膜阻力比较显著，是控制因素。提高饱和溶氧浓度C*的方法采用提高氧分压的方法，一是提高发酵罐压力，二是向发酵液中通入纯氧气。提高罐压会减小气泡体积，减少了气一液接触面积，影响氧的传递速率，降低氧的溶解度，影响菌体的呼吸强度，同时增加设备负担。通入纯氧能显著提高CL，但此种方法既不经济又不安全，同时易出现微生物的氧中毒现象。要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多种，其中最简单的方法是增加罐压。但是要注意的是增加罐压虽然提高了氧的分压，从而增加了氧的溶解度，但其他气体成分（如CO2）分压也相应增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以增加罐压是有一定限度的。另一种方法是增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。即通过深冷分离法、吸附分离法及膜分离法制得富氧空气，然后通入培养液。目前由于这三种分离方法的成本都较高，富氧通气还处于研究阶段。双膜理论及溶氧系数测定第七章比拟放大比拟放大:是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。比拟放大的基本方法：首先必须找出表征着此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的依据。比拟放大是化工过程研究和生产中常用的基本方法之一。发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速地测量，有些则尚未被认识。只研究了少数参数不可能都是不变的。因此发酵生产过程设备比似放大理论与技术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了解。现在对此过程的关系，而假定其它参数是不变的，实际上发酵工程中所用的比拟放大方法有：等KLa,等πDN,等Pg/V,等Re或动量因子,相似的混合时间等。以kLa为基准的比拟放大法：有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快，因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为生产的限制性因素。耗氧速率可以用实验法测定。在小型试验发酵罐里进行发酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的溶氧浓度。以Po/V相等为准则的比拟放大：对于溶氧速率控制的非牛顿发酵液系统，把Po/V相等作为比拟放大的准则就非常方便，同时也避免了微生物参与所带来的计算kLa的困难。值得注意的是，Po/V与传质系数之间的确存在着重要的关系，但Po/V相等并不意味着kLa相等。二者之间没有必然的联系。其他的比拟放大方法（一）恒周线速度丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端线速度的影响保持kLa相等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在Po/V相等的条件下，D/T比越小