生物反應(yīng)器設(shè)計

1、9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 反應(yīng)器的分類和結(jié)構(gòu)特點反應(yīng)器的分類和結(jié)構(gòu)特點9.3 9.3 發(fā)酵罐設(shè)計與分析發(fā)酵罐設(shè)計與分析9.4 9.4 其他反應(yīng)器其他反應(yīng)器第九章第九章 反應(yīng)器設(shè)計反應(yīng)器設(shè)計9.1 9.1 概述概述生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器 生物反應(yīng)器設(shè)計的主要內(nèi)容生物反應(yīng)器設(shè)計的主要內(nèi)容 生物反應(yīng)器設(shè)計的基本要求生物反應(yīng)器設(shè)計的基本要求 反應(yīng)器的設(shè)計以及工程放大的基本方法反應(yīng)器的設(shè)計以及工程放大的基本方法 9.29.2反應(yīng)器的分類和結(jié)構(gòu)特點反應(yīng)器的分類和結(jié)構(gòu)特點9.2.1根據(jù)反應(yīng)器的操作方式分類根據(jù)反應(yīng)器的操作方式分類9.2.2根據(jù)催化劑分類根據(jù)催化劑分類9.2.3根據(jù)流體流動或混合狀

2、況分類根據(jù)流體流動或混合狀況分類9.2.4根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征及動力輸入方式分類根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征及動力輸入方式分類9.2.1根據(jù)反應(yīng)器的操作方式分類 間歇式生物反應(yīng)器間歇式生物反應(yīng)器 連續(xù)式生物反應(yīng)器連續(xù)式生物反應(yīng)器 半連續(xù)式（流加）生物反應(yīng)器半連續(xù)式（流加）生物反應(yīng)器按操作方式分按操作方式分分類和結(jié)構(gòu)特點分類和結(jié)構(gòu)特點9.2.2 根據(jù)催化劑分類 酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器 細胞反應(yīng)器細胞反應(yīng)器按催化劑分按催化劑分 分類和結(jié)構(gòu)特點分類和結(jié)構(gòu)特點9.2.3 根據(jù)流體流動或混合狀況分類根據(jù)流體流動或混合狀況分類對于連續(xù)反應(yīng)器，有兩種理想的流動模型：對于連續(xù)反應(yīng)器，有兩種理想的流動模型：按混和狀況分按混和狀況

3、分 分類和結(jié)構(gòu)特點分類和結(jié)構(gòu)特點全混流（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 根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征及動力根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征及動力輸入方式分類輸入方式分類 釜（罐）式釜（罐）式反應(yīng)器反應(yīng)器按結(jié)構(gòu)特征分按結(jié)構(gòu)特征分 分類和結(jié)構(gòu)特點分類和結(jié)構(gòu)特點管式管式反應(yīng)器反應(yīng)器塔式塔式反應(yīng)器反應(yīng)器膜式反應(yīng)器膜式反應(yīng)器9.3 9.3 發(fā)酵罐設(shè)計與分析發(fā)酵罐設(shè)計與分析9.3.1 9.3.1 通氣攪拌罐的結(jié)構(gòu)特征通氣攪拌罐的結(jié)構(gòu)特征 9.3.2 9.3.2 機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)9.3.3 9.3.3 反應(yīng)器的攪拌功率反應(yīng)器的攪拌功率 9.3.4 9.3.4 通氣系

4、統(tǒng)通氣系統(tǒng)9.3.5 9.3.5 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng) 9.3.6 pH9.3.6 pH值和溶氧測量與控制系統(tǒng)值和溶氧測量與控制系統(tǒng) 9.3.7 9.3.7 消泡系統(tǒng)消泡系統(tǒng) 9.3.1 通氣攪拌罐的結(jié)構(gòu)特征是好氧生物反應(yīng)器的典型代表是好氧生物反應(yīng)器的典型代表其主要組成部分有：其主要組成部分有：殼體殼體控溫部分控溫部分攪拌部分攪拌部分通氣部分通氣部分進出料口進出料口測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)附屬系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)等 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征發(fā)酵罐發(fā)酵罐圖圖9-4 9-4 通氣攪拌罐的典型結(jié)構(gòu)及尺寸通氣攪拌罐的典型結(jié)構(gòu)及尺寸 表表9-19-1通氣攪拌罐的一些主要相對尺寸的范圍通氣攪拌罐的一些主要相對尺寸的范圍相對

5、尺寸相對尺寸符符號號范圍范圍典型值典型值罐體的高徑比罐體的高徑比H/D1 13 3 攪拌槳直徑與罐體直徑之攪拌槳直徑與罐體直徑之比比Di/D1/31/31/21/21/3(Rushton槳槳) )擋板寬度與罐體直徑之比擋板寬度與罐體直徑之比Wb/D1/81/81/121/12（4 4塊擋板）塊擋板）1/101/10最下層攪拌槳高度與罐體最下層攪拌槳高度與罐體直徑之比直徑之比 0.80.81.01.0 相鄰兩層攪拌槳距離與攪相鄰兩層攪拌槳距離與攪拌槳直徑之比拌槳直徑之比 1 12.52.5 9.3.2 機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)提供的動力是機械攪拌罐質(zhì)量機械攪拌系統(tǒng)提供的動力是機械攪拌罐質(zhì)量傳遞、

6、熱量傳遞、混合和懸浮物均勻分布傳遞、熱量傳遞、混合和懸浮物均勻分布的基本保證。的基本保證。 由電機、變速箱、攪拌軸、攪拌槳、軸封和由電機、變速箱、攪拌軸、攪拌槳、軸封和擋板組成擋板組成 。機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐電機和變速箱對小型反應(yīng)器，可以采用單相電驅(qū)動的電機，對小型反應(yīng)器，可以采用單相電驅(qū)動的電機，而大型反應(yīng)器所用的一般均為三相電機。而大型反應(yīng)器所用的一般均為三相電機。對大型反應(yīng)器，由于電機的轉(zhuǎn)速一般遠高于攪對大型反應(yīng)器，由于電機的轉(zhuǎn)速一般遠高于攪拌轉(zhuǎn)速，必須通過變速箱降低轉(zhuǎn)速。拌轉(zhuǎn)速，必須通過變速箱降低轉(zhuǎn)速。 機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐攪拌軸攪拌軸既可以從頂部伸入罐

7、體，也可以從底攪拌軸既可以從頂部伸入罐體，也可以從底部伸入罐體，前者稱為上攪拌，后者稱為部伸入罐體，前者稱為上攪拌，后者稱為下攪拌。下攪拌。一般而言，上攪拌的制造和安裝成本要略高一般而言，上攪拌的制造和安裝成本要略高于下攪拌。于下攪拌。機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐軸封主要作用：防止環(huán)境中的微生物侵入反應(yīng)器以主要作用：防止環(huán)境中的微生物侵入反應(yīng)器以及培養(yǎng)液等發(fā)生泄漏。及培養(yǎng)液等發(fā)生泄漏。攪拌軸的密封為動密封，發(fā)酵罐中使用最普遍攪拌軸的密封為動密封，發(fā)酵罐中使用最普遍的動密封有：填料函密封和機械密封。的動密封有：填料函密封和機械密封。機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐擋板為防止攪拌時液面

8、上產(chǎn)生大的旋渦，并促進罐內(nèi)為防止攪拌時液面上產(chǎn)生大的旋渦，并促進罐內(nèi)流體在各個方向的混合，與攪拌槳相對應(yīng)，在流體在各個方向的混合，與攪拌槳相對應(yīng)，在罐體上還安裝有擋板。罐體上還安裝有擋板。 擋板的設(shè)計要滿足擋板的設(shè)計要滿足“全擋板條件全擋板條件” ” ，即，即 式中式中 W W 擋板寬度，擋板寬度， m m； D D 罐內(nèi)徑，罐內(nèi)徑， m m； Z Z 擋板數(shù)。擋板數(shù)。機械攪拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐5040.)ZDW(攪拌槳根據(jù)攪拌所產(chǎn)生的流體運動的初始方向，可以將根據(jù)攪拌所產(chǎn)生的流體運動的初始方向，可以將攪拌槳分為徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳。攪拌槳分為徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳。機械攪

9、拌系統(tǒng)機械攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐A A 徑向流徑向流 B B 軸向流軸向流 9.3.3 反應(yīng)器的攪拌功率 攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐1不通氣條件下的攪拌功率計算不通氣條件下的攪拌功率計算2通氣條件下的攪拌功率計算通氣條件下的攪拌功率計算 3非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響不通氣條件下的攪拌功率計算不通氣條件下的攪拌功率計算攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐在機械攪拌發(fā)酵罐中，攪拌器的輸出功率在機械攪拌發(fā)酵罐中，攪拌器的輸出功率P0(W)與下列因素與下列因素有關(guān)：發(fā)酵罐直徑有關(guān)：發(fā)酵罐直徑D（m）、攪拌器直徑）、攪拌器直徑d（m）、液面高度）、液面高度HL（m）、攪

10、拌器的轉(zhuǎn)速）、攪拌器的轉(zhuǎn)速N（r/s）、液體黏度）、液體黏度（Pas）、）、流體密度流體密度(kg/m3)、重力加速度、重力加速度g（m/s2）以及攪拌器形式）以及攪拌器形式和結(jié)構(gòu)等。和結(jié)構(gòu)等。 對于牛頓型流體而言，可以得到下列準數(shù)關(guān)聯(lián)式：對于牛頓型流體而言，可以得到下列準數(shù)關(guān)聯(lián)式： yxgdNNdKdNP)()(23053 不通氣條件下的攪拌功率計算不通氣條件下的攪拌功率計算攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐pNdNP530MNdRe3MFrgdN2yMxMpFrKN)()(Re式中式中 功率準數(shù)；功率準數(shù)；攪拌情況下的雷諾數(shù)；攪拌情況下的雷諾數(shù)；攪拌下的弗魯特數(shù)；攪拌下的弗魯特數(shù)； 從而上式又可

11、改寫為從而上式又可改寫為 K 與攪拌器類型、發(fā)酵罐幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)。與攪拌器類型、發(fā)酵罐幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)。實驗證實，在全擋板條件下，液面未出現(xiàn)實驗證實，在全擋板條件下，液面未出現(xiàn)漩渦，此時指數(shù)漩渦，此時指數(shù)y0，上式可簡化為，上式可簡化為，即攪拌準數(shù)即攪拌準數(shù)Np是攪拌雷諾數(shù)是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)。的函數(shù)。 發(fā)酵罐發(fā)酵罐攪拌功率攪拌功率 不通氣條件下的攪拌功率計算不通氣條件下的攪拌功率計算xMpKN)(Re攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐通氣條件下的攪拌功率計算通氣條件下的攪拌功率計算 引入通氣準數(shù)引入通氣準數(shù)Na ：表示發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌葉：表示發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌葉 頂

12、端流速之比頂端流速之比 ，即，即3NdQNagNaPPg6 .1210NaPPg85. 162. 00用用Pg表示通氣條件下的攪拌功率，表示通氣條件下的攪拌功率，P0為不通氣時的攪拌功率，則為不通氣時的攪拌功率，則當當Na a 0.0350.035時，時，當當Na 0.035時，時， 攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響擬塑性流體擬塑性流體 其剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系滿足：其剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系滿足：ndrdwk)(k 均勻性系數(shù)，也稱稠度指數(shù)；均勻性系數(shù)，也稱稠度指數(shù)；n 流動性指數(shù)，流動性指數(shù)，n1。大多數(shù)發(fā)酵液都屬于這種類型。特點是

13、隨著大多數(shù)發(fā)酵液都屬于這種類型。特點是隨著k增大，流體增大，流體就越黏，就越黏，n值越小，流體的非牛頓性越明顯。值越小，流體的非牛頓性越明顯。 攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響彬漢塑性流體彬漢塑性流體 其特點是剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系是其特點是剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系是不通過原點的直線。不通過原點的直線。 )(drdwpyyp式中式中 屈服剪應(yīng)力；屈服剪應(yīng)力； 剛性系數(shù)剛性系數(shù)攪拌功率攪拌功率發(fā)酵罐發(fā)酵罐非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響 漲塑性流體漲塑性流體ndrdwk)(k 均勻性系數(shù)均勻性系數(shù) n

14、流動性指數(shù)，流動性指數(shù)，n1。式中式中9.3.5 溫度控制系統(tǒng)通氣系統(tǒng)通氣系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)由溫度測量電極、熱交換裝置及相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)由溫度測量電極、熱交換裝置及相應(yīng)的控制裝置組成。控制裝置組成。為了保證為細胞生長和代謝提供合適的溫度，溫度控為了保證為細胞生長和代謝提供合適的溫度，溫度控制系統(tǒng)也是通氣攪拌罐所必備的。制系統(tǒng)也是通氣攪拌罐所必備的。溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐多數(shù)生物反應(yīng)體系在運行期間需要冷卻，就地滅菌后的多數(shù)生物反應(yīng)體系在運行期間需要冷卻，就地滅菌后的培養(yǎng)基更要求快速泠卻。培養(yǎng)基更要求快速泠卻。對大型通氣攪拌罐，通常采用罐內(nèi)安裝的冷卻盤管或采對大型通氣攪拌罐，通常

15、采用罐內(nèi)安裝的冷卻盤管或采用夾套式發(fā)酵罐進行溫度控制；而對用夾套式發(fā)酵罐進行溫度控制；而對5m3以下的小型通以下的小型通氣攪拌罐，熱交換器多采用夾套作為換熱裝置。氣攪拌罐，熱交換器多采用夾套作為換熱裝置。培養(yǎng)基的就地滅菌需要加熱裝置。有時細胞培養(yǎng)的開始培養(yǎng)基的就地滅菌需要加熱裝置。有時細胞培養(yǎng)的開始階段和結(jié)束階段由于細胞產(chǎn)生的代謝熱不足以維持生物階段和結(jié)束階段由于細胞產(chǎn)生的代謝熱不足以維持生物反應(yīng)器內(nèi)的最適溫度，需要通過熱交換器加熱。反應(yīng)器內(nèi)的最適溫度，需要通過熱交換器加熱。 大型反應(yīng)器培養(yǎng)基的就地滅菌一般采用直接向反應(yīng)器中大型反應(yīng)器培養(yǎng)基的就地滅菌一般采用直接向反應(yīng)器中通入高壓水蒸汽的方法實

16、現(xiàn)快速加熱。小型反應(yīng)器則通通入高壓水蒸汽的方法實現(xiàn)快速加熱。小型反應(yīng)器則通常采用夾套加熱或電加熱。常采用夾套加熱或電加熱。 9.3.6 pH值和溶氧測量與控制系統(tǒng)pHpH控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)包括pHpH電極、酸及堿儲罐、耐酸電極、酸及堿儲罐、耐酸或堿的管道和泵及相應(yīng)的控制系統(tǒng)?；驂A的管道和泵及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。溶氧是好氧發(fā)酵體系最重要的參數(shù)之一。溶氧是好氧發(fā)酵體系最重要的參數(shù)之一。采用可滅菌的溶氧電極，使溶解氧濃度也可采用可滅菌的溶氧電極，使溶解氧濃度也可以實現(xiàn)在線檢測和控制，為及時了解發(fā)酵以實現(xiàn)在線檢測和控制，為及時了解發(fā)酵過程的進程及提高產(chǎn)物產(chǎn)量創(chuàng)造條件。過程的進程及提高產(chǎn)物產(chǎn)量創(chuàng)造條件。 pH值和溶氧值和溶氧發(fā)酵罐發(fā)酵罐9.3.7