生物反應(yīng)工程 生物反應(yīng)器

1、7.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)7.1.1 生化反應(yīng)器的分類 生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。 可從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類?？蓮亩鄠€(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類。 對(duì)生化反應(yīng)器進(jìn)行這種分類有利于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行模擬與放大。對(duì)生化反應(yīng)器進(jìn)行這種分類有利于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行模擬與放大。 酶反應(yīng)器所使用的生物催化劑 細(xì)胞反應(yīng)器酶反應(yīng)器相對(duì)比較簡(jiǎn)單，酶促反應(yīng)與一般的化學(xué)催化反應(yīng)相同，在反應(yīng)的過(guò)程中酶本身無(wú)變化；細(xì)胞生化反應(yīng)器相對(duì)比較復(fù)雜，因涉及到避免外界各種雜菌污染、有適應(yīng)細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖以及維持其活性的要求。 間歇操作（分批操作） 操作方式 連續(xù) 半間歇操作 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特

2、征釜式、管式、塔式、膜 式等 反應(yīng)器所需的能量的輸入方式： 機(jī)械攪拌式機(jī)械攪拌輸人能量 氣升式氣體噴射動(dòng)能 液體循環(huán)式利用泵對(duì)液體的噴射作用 生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式 生物團(tuán)塊(包括細(xì)胞、絮凝物、菌絲體)反應(yīng) 生物膜反應(yīng)器兩大類。 固相催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分類 填充床流化床生物轉(zhuǎn)盤等多種型式反應(yīng)器。 按反應(yīng)體系的相態(tài)來(lái)分類 均相可溶的酶催化反應(yīng)非均相 反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)與混合狀態(tài) （反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)類型） 活塞流反應(yīng)器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反應(yīng)器( continuous stirred-tank reactor， CST

3、R ) 返混：具有不同停留時(shí)間的物料之間的混合稱之為返混。 活塞流：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)完全不存在物料粒子之間的返混時(shí)，這種流動(dòng)稱為活塞流，該反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器； 全混流：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)不同粒子之間存在著最大返混時(shí)，流體的流動(dòng)稱為，該反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器。 流動(dòng)模型： 理想反應(yīng)器活塞流和全混流反應(yīng)器 非理想反應(yīng)器； 其它 另外一些特殊用途的生化反應(yīng)器也得到了較快的開發(fā)和應(yīng)用，例如用于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的有懸浮培養(yǎng)用的氣升式懸浮培養(yǎng)用的氣升式、貼壁培養(yǎng)用的陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器等。還有用于固態(tài)固態(tài)發(fā)酵的轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器發(fā)酵的轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器以及反應(yīng)和分離相耦合的反應(yīng)裝置反應(yīng)和分離相耦合的反

4、應(yīng)裝置等。 生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器間歇操作間歇操作半間歇半連續(xù)操作半間歇半連續(xù)操作連續(xù)操作連續(xù)操作生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器全混流型全混流型活塞流型活塞流型全混流型全混流型活塞流型活塞流型攪拌釜式反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器環(huán)流反應(yīng)器環(huán)流反應(yīng)器管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器鼓泡塔鼓泡塔多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)器器流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器循環(huán)管反應(yīng)器循環(huán)管反應(yīng)器完全混合膜反應(yīng)器完全混合膜反應(yīng)器固定床固定床生物轉(zhuǎn)盤生物轉(zhuǎn)盤滲濾器滲濾器膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器7.1.2.生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方法 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要目的：最大限度地降低成本，用最

5、少的投資來(lái)最大限度地增加單位體積產(chǎn)率。A 生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的最基本內(nèi)容有：選擇合適的反應(yīng)器型式，根據(jù)反應(yīng)及物料的特性和生產(chǎn)工藝特征，確選擇合適的反應(yīng)器型式，根據(jù)反應(yīng)及物料的特性和生產(chǎn)工藝特征，確定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型、傳遞和流動(dòng)方式等；定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型、傳遞和流動(dòng)方式等；確定最佳操作條件及其控制方式，如溫度、壓力、確定最佳操作條件及其控制方式，如溫度、壓力、pHpH、通氣量、物料、通氣量、物料流量等；流量等；計(jì)算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等。計(jì)算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等。 反應(yīng)體積的確定是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容反應(yīng)體積的確定是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容B反應(yīng)器設(shè)計(jì)的

6、基本方程 ：描述濃度變化的物料衡算式質(zhì)量守恒定描述溫度變化的能量衡算式,或稱為能量方程能量守恒定律描述壓力變化的動(dòng)量衡算式動(dòng)量守恒定律 首先需要確定變量，其次是確定控制體積首先需要確定變量，其次是確定控制體積。 原則是以能把反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制原則是以能把反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。體積。 重點(diǎn)研究的是微元體內(nèi)大量的分子和大量細(xì)胞的反應(yīng)行為以重點(diǎn)研究的是微元體內(nèi)大量的分子和大量細(xì)胞的反應(yīng)行為以及微元體間的物質(zhì)、能量傳遞的宏觀規(guī)律，而不是研究個(gè)別及微元體間的物質(zhì)、能量傳遞的宏觀規(guī)律，而不是研究個(gè)別分子和個(gè)別細(xì)胞的行為。分子和個(gè)別細(xì)胞的行為。 物料衡算式物料衡算式

7、 對(duì)于一封閉體系，在某一段時(shí)間（或微分時(shí)間）和其控制體積內(nèi)，對(duì)某組分（底物或產(chǎn)物）進(jìn)行物料對(duì)于一封閉體系，在某一段時(shí)間（或微分時(shí)間）和其控制體積內(nèi)，對(duì)某組分（底物或產(chǎn)物）進(jìn)行物料衡算，其方程如下：衡算，其方程如下： 對(duì)應(yīng)一段時(shí)間的物料衡算稱為總物料衡算；對(duì)應(yīng)一段微分時(shí)間的物料衡算稱為微分物料衡算。對(duì)應(yīng)一段時(shí)間的物料衡算稱為總物料衡算；對(duì)應(yīng)一段微分時(shí)間的物料衡算稱為微分物料衡算。組分累積量體積單元內(nèi)組分轉(zhuǎn)化的量體積單元內(nèi)體積單元的量組分流出該體積單元的量組分進(jìn)入該對(duì)反應(yīng)物：組分累積量體積單元內(nèi)組分生成的量體積單元內(nèi)體積單元的量組分流出該體積單元的量組分進(jìn)入該對(duì)產(chǎn)物：細(xì)胞累積量體積單元內(nèi)細(xì)胞死亡的

8、量體積單元內(nèi)細(xì)胞生成的量體積單元內(nèi)體積單元的量細(xì)胞流出該體積單元的量細(xì)胞進(jìn)入該對(duì)細(xì)胞： 在定常態(tài)下，所有狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間變化，上述衡算式中累積項(xiàng)為零。在定常態(tài)下，所有狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間變化，上述衡算式中累積項(xiàng)為零。 能量衡算式能量衡算式 對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)器，一般對(duì)能量衡算式只作熱量衡算，此時(shí)稱為熱量衡算式。在一定的時(shí)間和控制體積對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)器，一般對(duì)能量衡算式只作熱量衡算，此時(shí)稱為熱量衡算式。在一定的時(shí)間和控制體積內(nèi)，可以表示為：內(nèi)，可以表示為：熱量累積的的熱量反應(yīng)生成輸出的熱量該體積單元單元的熱量輸入該體積 如果反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則等號(hào)右邊第二項(xiàng)為負(fù)，如果為吸熱反應(yīng)，則為正。如果反應(yīng)為放熱反

9、應(yīng)，則等號(hào)右邊第二項(xiàng)為負(fù)，如果為吸熱反應(yīng)，則為正。7.2生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析機(jī)械攪拌式生化反應(yīng)器它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的功率。這種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體直到非牛頓型的絲狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混合速度。缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動(dòng)功率較高，一般24kw/m3，這對(duì)大型的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大負(fù)擔(dān)。7.2生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析（1）結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，經(jīng)得起蒸汽的反復(fù)滅菌，內(nèi)壁光滑，耐腐蝕性能好，內(nèi)部附件盡量減少，以利于滅菌徹底和減少金屬離子對(duì)發(fā)酵的影響。（2）有良好的氣液接觸和液固混合性能，使物質(zhì)傳遞、氣體交換能有效地進(jìn)行。（3）在保證發(fā)酵要

10、求的前提下，盡量減少攪拌和通氣時(shí)所消耗的動(dòng)力.（4）有良好的熱量交換性能，以適應(yīng)滅菌操作和使發(fā)酵在最適溫度下進(jìn)行；（5）盡量減少泡沫的產(chǎn)生或附設(shè)有效的消沫裝置，以提高裝料系數(shù)；（6）附有必要的可靠檢測(cè)及控制儀表。設(shè)備的要求通用式發(fā)酵罐a小型b大型7.2.1機(jī)械攪拌通用式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)與分析 原理：利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖，發(fā)酵所需要的氧氣。 基本要求：1.結(jié)構(gòu)上具有適宜的徑高比。發(fā)酵罐的高度與徑高比一般為1.74，罐身越長(zhǎng)，氧氣的利用率越高。2.有一定的剛度與強(qiáng)度，由于發(fā)酵罐在滅菌過(guò)程和工作時(shí)，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度。因此需要一定的強(qiáng)

11、度。基本要求：3.攪拌通風(fēng)裝置使之氣液充分混合，保證發(fā)酵液一定的溶解氧。4.足夠的冷卻面積。5.盡量減少死角。6.軸封嚴(yán)密。7.維修操作檢測(cè)方便結(jié)構(gòu) 主要部件包括罐體、攪拌槳、軸封、打泡器、中間軸承、空氣吹管（或空氣噴射管），擋板、冷卻裝置、人孔等。 公稱容積Vo=VC+VblV0= /4D2（H+hb+D/6)幾何尺寸與操作條件范圍 典型數(shù)值典型數(shù)值 奧地利某公司 200m3200m3 美國(guó)某公司130m3130m3日本某公司50m350m3中國(guó)某味精廠100m3100m3H/D=14 3 1 83 1.8 2.94Di/D=1/21/4 1/3 0.338 0.34 0.286W/D=1/

12、81/12 1/10 1 1 0.10 2B/ Di =0.81.0 1.0 1.0 攪拌轉(zhuǎn)速N=30N=301000 (r/min)1000 (r/min) 90130 70130 145 150單位醪液體積的冷卻面積0.60.61.5 (m2/m3)1.5 (m2/m3) 1.5 1.14攪拌器層數(shù) 4層 4層 2層 3層通風(fēng)量0.10.14 m3/(m34 m3/(m3min)min) 0.5 0.31.0 0.6 0.5 0.2空氣線速度0.020.022 (m/min)2 (m/min) 1.76 單位體積功耗1 14 (kw/m3)4 (kw/m3) 22.53 45.4 3 1.

13、3裝料系數(shù) =70=708080 77 75 88 75電機(jī)功率(kw)(kw) 300 1300 150 130表表 通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸與操作條件通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸與操作條件 1 1 將列管并列焊接在一起，組成擋板將列管并列焊接在一起，組成擋板; 2 ; 2 直接利用列管當(dāng)擋板直接利用列管當(dāng)擋板H H筒身高度 D D罐徑 W W擋板寬度 H HL L液位高度DiDi攪拌器直徑 S S兩攪拌器間距 B B下攪拌器距底間距 1.罐體 結(jié)構(gòu)：圓柱體和橢圓封頭或碟形封頭焊接而成。小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接。頂部設(shè)有清洗用的手孔。 材料為碳鋼或不銹鋼。大型發(fā)酵罐可用不銹鋼或復(fù)合不銹鋼制成

14、。小大型發(fā)酵罐可用不銹鋼或玻璃鋼制成。 剛度和強(qiáng)度：受壓容器，空消或?qū)嵪?，通常滅菌的壓力?.5Kg/m3。 接管 罐頂：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表管。 罐身：冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。排氣管應(yīng)盡量靠近封頭的軸封位置。2.機(jī)械攪拌系統(tǒng) 目的：有利于液體本身的混合及氣液、氣固之間的混合，質(zhì)量和熱量的傳遞，特別是對(duì)氧的溶解具有重要的意義（加強(qiáng)氣液之間的湍動(dòng)，增加氣液接觸面積及延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間） 組成：電機(jī)、變電箱、攪拌槳、軸封和擋板 攪拌槳 攪拌槳可以使被攪拌液體形成軸向或徑向的液流。 發(fā)酵罐中以徑向液流為主。 生物反應(yīng)器中常使的攪拌槳型式有：螺旋槳、平槳、渦輪槳

15、、自吸式攪拌槳和柵狀攪拌槳等。另外，翼型槳也已開始廣泛應(yīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)，并取得較好效果。攪拌槳 用渦輪式攪拌槳時(shí)為避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿著攪拌軸上升，在攪拌器中央常帶有圓盤。 常用的渦輪式攪拌器有平葉式、彎葉式和箭葉式三種。相同攪拌功率下，粉碎氣泡能力由大到?。浩饺~式、彎葉式、箭葉式。 葉片數(shù)一般為六個(gè)，也有少至四個(gè)或多至八個(gè)的。dd1dd1d1dbbbhrha-六 平 葉 b-六 彎 葉 c-六 箭 葉 圖 6-1 通 用 的 渦 輪 式 攪 拌 器h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20e :

16、 h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20a=380 r彎 =(1/2)d- r箭 =(1/4)d1a擋板 阻止液面中央部分產(chǎn)生下凹的旋渦， 46塊擋板可滿足全擋板條件,寬度為0.1-0.12D。 全擋板條件：能達(dá)到消除液面旋渦的最低條件。在一定的轉(zhuǎn)速下面增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變。此條件與擋板數(shù)Z，與擋板寬度W與罐徑D之比有關(guān)。軸封：防止泄漏和染菌，分填料函和端面軸封。3.通氣系統(tǒng) 無(wú)菌空氣制備裝置、空氣分布裝置和出口氣體除菌裝置。 無(wú)菌空氣導(dǎo)入罐內(nèi)的裝置 最簡(jiǎn)單的通氣裝置：?jiǎn)慰坠?，單孔管的出口位于最下面的攪拌器的正下方，開口往下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開口處堆積和罐

17、底固形物質(zhì)沉淀。 管口與罐底的距離約為40mm。 開口朝下的多孔環(huán)形管： 環(huán)的直徑約為攪拌器直徑的0.8倍。 小孔直徑5-8mm孔的總面積約等于通風(fēng)管的截面積。4.溫度控制系統(tǒng)： 電極、熱交換裝置和及其控制 排除發(fā)酵過(guò)程中由于生物氧化作用及機(jī)械攪拌產(chǎn)生的熱量的裝置 在發(fā)酵過(guò)程中，放出的熱量可用如下的熱平衡方程式： Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射 Q發(fā)酵發(fā)酵過(guò)程中釋放的凈熱量 Q生物生物合成熱，包括生物細(xì)胞呼吸放熱和發(fā)酵熱 Q攪拌機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)化熱 Q蒸發(fā)排出空氣帶走水分所需的潛熱 Q顯排出空氣帶出的顯熱 Q輻射因罐外壁與大氣間的溫度差使罐壁

18、向大氣輻射的熱量發(fā)酵換熱裝置的形式 多用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐。一般小于5m3，夾套的高度比靜止液面高度較高即可，約高50100mm。夾套的寬 度 對(duì) 于 不 同 直 徑 的 發(fā) 酵 有 不 同 的 尺 寸 ， 一 般 為50200mm，夾套上設(shè)有水蒸汽，冷卻水或其他介質(zhì)的進(jìn)出口。 當(dāng)加熱用水蒸氣，進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；如果冷卻介質(zhì)是液體，則進(jìn)口管應(yīng)安在底部，是液體從底部進(jìn)入上部流出。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工容易；罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點(diǎn)是傳熱慢，傳熱系數(shù)100250。夾套式換熱裝置豎式蛇管換熱裝置 豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八

19、組。5m3以上的發(fā)酵罐多采用。 優(yōu)點(diǎn)：冷卻水在管內(nèi)的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為300450（有時(shí)可達(dá)8001000）。 缺點(diǎn)：容易被腐蝕，增加培養(yǎng)液中金屬離子的濃度，腐蝕而形成穿孔，引起污染。5.消泡系統(tǒng) 原因：發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，在強(qiáng)烈的通氣攪拌下產(chǎn)生大量的泡沫。導(dǎo)致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機(jī)會(huì)。須用加消沫劑的方法去除， 消泡劑和消泡槳。 泡沫的機(jī)械強(qiáng)度較差和泡沫量較少時(shí)，采用機(jī)械消沫裝置也有一定作用。其作用是將泡沫打碎。發(fā)酵罐的幾何計(jì)算1.幾何尺寸： H/D=1.7-3.5; H:罐身高，D：罐徑 Di/D=1/21/3， Di：攪拌葉輪直徑 B/D=1/81/12， B：擋板寬 C/

20、Di=0.81.0，C：下攪拌葉輪與罐底距 S/Di=25， S：相鄰攪拌葉輪間距2.容積計(jì)算 橢圓形風(fēng)封頭體積計(jì)算公稱容積lV0= /4D2（H+hb+D/6)3 3、 攪拌功率的計(jì)算 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中的攪拌器軸功率與下列因素有關(guān)：攪拌器直徑D Di i（m m）、攪拌轉(zhuǎn)速N N（r/minr/min）、液體密度（kg/mkg/m3 3）、液體粘度（PaPas s）、重力加速度g g（m/sm/s2 2）、攪拌罐直徑D D（m m）、液柱高度H HL L（m m）以及檔板條件( (數(shù)量、寬度和位置) )等。由于攪拌罐直徑和液柱高度與攪拌器直徑之間有一定比例關(guān)系，可不作獨(dú)立變量，于是: : P

21、 = f(D P = f(Di i，N N，g) (8-37) g) (8-37) 對(duì)于牛頓型流體，通過(guò)因次分析可得如下關(guān)聯(lián)式: (8-38)(8-38) (8-39)(8-39) 式中：N NP P為功率準(zhǔn)數(shù)，其物理意義為機(jī)械攪拌力與慣性力之比； R ReMeM為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù), ,其物理意義為慣性力與粘滯力之比； F FrMrM為攪拌弗魯特準(zhǔn)數(shù)，其物理意義是攪拌加速度與重力； K K為與攪拌器形式、反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)的常數(shù) yrMxeMPFKRNyixiigDNNDKDNP2253 實(shí)驗(yàn)表明，在全檔板條件下，液面不產(chǎn)生中心下降的旋渦，此時(shí) y=0y=0，N NP P僅是R ReMeM的函數(shù)(

22、 (圖7-11)7-11) 圖8-11 8-11 各種攪拌器的R ReMeM對(duì)應(yīng)于N NP P的關(guān)系1. 2.螺距螺旋槳，螺距=Di，有擋板；3. 螺旋槳，螺距=2Di，無(wú)擋板；4. 3. 螺旋槳，螺距=2Di，有擋板；5.平槳，有擋板；6.六平葉渦輪槳，無(wú)檔板； 7.平葉渦輪槳（有檔板）；8.六彎葉渦輪槳，有擋板；9.六箭葉渦輪，有擋板；槳 當(dāng)Rem104，液體處于湍流狀態(tài)， (8-41)1eMPKRN53iDKNP 不同攪拌器的K K值如表8-78-7所示 這些K K值均為在H HL L/D=1/D=1，D/DD/Di i=3=3，D/W=10D/W=10的條件下測(cè)定的。 攪拌器的形式K(

23、滯流)K(湍流)三葉螺旋槳，螺距=d41.00.32三葉螺旋槳，螺距=2d43.51.0四平葉渦輪攪拌器70.04.50六平葉渦輪攪拌器71.06.10六彎葉渦輪攪拌器71.04.80六箭葉渦輪攪拌器70.04.0六彎葉封閉式渦輪攪拌器97.51.08表 8-7 不同攪拌器的K值 當(dāng)不符合此條件時(shí)，攪拌功率可用下式校正： (8-42) (8-43) 如果已知(D/Di)=3，(HL/Di)=3，則 (8-44) 式中，f為校正系數(shù)，式中帶*號(hào)的為代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況。PfPiLiiLiDHDDDHDDf PDHDDPiLi31 對(duì)于大型發(fā)酵罐, ,同一軸上往往安裝多層攪拌器，對(duì)于多層攪拌器的功

24、率可用下式計(jì)算。 (8-45)(8-45) 式中m m為攪拌器層數(shù)。 以上是不通風(fēng)時(shí)攪拌功率的計(jì)算。)6 .04 .0()1(6 .01 mPmPPm 通風(fēng)時(shí)攪拌器的軸功率消耗降低，其降低程度與通風(fēng)量QgmQgm3 3( (工作狀態(tài))/min)/min及液體翻動(dòng)量Q Q1 1(m(m3 3/min)(Q/min)(Q1 1NNd d3 3) )等因素有關(guān)。MichelMichel等人提出了應(yīng)用較廣泛的通風(fēng)時(shí)的攪拌功率PgPg與工作變量間的經(jīng)驗(yàn)公式： (8-46) (8-46) 式中，D Di i/D=1/3/D=1/3時(shí)，K=0.157K=0.157；Di/D=2/3Di/D=2/3時(shí)，K=0

25、.113K=0.113；Di/D=1/2Di/D=1/2時(shí)，K=0.101K=0.101。 45.056.032gigQNDPKP 通風(fēng)時(shí)的攪拌功率也可利用下式計(jì)算。 (8-47)(8-47) (8-48) (8-48) 式中NaNa為通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)，其代表發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌器葉端速度之比，可表示為： (8-49)(8-49)NaPPNag6 .121,035. 0NaPPNag85.162.0,035.032igiigNDQNDDQNa7.2.2氣升式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)和分析 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要攪拌；不易污染，氧傳質(zhì)效率高，能耗低，節(jié)省動(dòng)力約50%；裝料系數(shù)達(dá)8090%；安裝維修方便，冷卻面

26、積小剪切力小。 較適于單細(xì)胞蛋白等的生產(chǎn)。 分為外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐。圖 6-5 內(nèi) 循 環(huán) 氣 升 式 發(fā) 酵 罐 結(jié) 構(gòu) 布 置 示 意 圖1-發(fā) 酵 罐 罐 體 2-通 氣 管 3-拉 力 筒 4-導(dǎo) 向 筒 5-夾 套 冷 卻 器 6-多 孔 板 7-檢 測(cè) 器 接 口降管降管升管升管空 氣排 氣5432167工作機(jī)理 罐內(nèi)外裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底上部相連接，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。 在上升管的下部裝設(shè)空氣噴嘴口，空氣以250300m/s的高速度噴入上升管，使空氣分割細(xì)碎，使上升管的發(fā)酵液比重較小，加上壓縮空氣的動(dòng)能，使液體上升，罐內(nèi)液體下降，進(jìn)入上升罐，形成反復(fù)的循環(huán) 。結(jié)構(gòu)參

27、數(shù) 高徑比H/D=5 9 導(dǎo)流筒徑與管徑比DE/D=0.6 0.8 循環(huán)周期時(shí)間的確定 tm=VL/VC=VL/(/4)DE2vm VL罐內(nèi)培養(yǎng)液體積； VC培養(yǎng)液循環(huán)量 DE導(dǎo)流管（上升管）直徑； vm導(dǎo)流管中液體平均流速 氣液比R= VC /V G 環(huán)流速度取1.2 1.8 m/s，多段導(dǎo)流管或有篩網(wǎng)時(shí)可降低。 氣液傳質(zhì)速率：h=Kvsn K,n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，鼓泡塔式發(fā)酵罐低通氣速率時(shí)，n=0.7 1.2，高通氣速率時(shí)，n=0.4 0.77.2.3鼓泡塔生物反應(yīng)器 鼓泡塔反應(yīng)器是氣液兩相反應(yīng)器，是指氣體鼓泡通過(guò)含有反應(yīng)物或催化劑的液層以實(shí)現(xiàn)氣液相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。 鼓泡反應(yīng)器結(jié)構(gòu)筒單，易于操

28、作，操作成本低，混合和傳質(zhì)傳熱性能較好，因此廣泛應(yīng)用于生物工程行業(yè)中，例如乙醇發(fā)酵、單細(xì)胞蛋白發(fā)酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。鼓泡反應(yīng)器內(nèi)無(wú)傳動(dòng)部件，容易密封，對(duì)保持無(wú)菌條件有利。 最簡(jiǎn)單的鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)部是一空塔，塔的底部用篩板或氣體分布器來(lái)分布?xì)怏w。其工作原理是利用通入培養(yǎng)基中的氣泡在上升時(shí)帶動(dòng)液體而產(chǎn)生混合，并將氣泡中的氧供培養(yǎng)基中的菌體使用。 圖 6-7a 高 位 篩 板 式 反 應(yīng) 器 示 意 圖人 孔排 氣 口降 液 管篩 板空 氣排 料 管人 孔7.2.4 固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器 現(xiàn)代生物制品固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)率比液體深層發(fā)酵高得多，這是因?yàn)?，液體深層發(fā)酵產(chǎn)生的大

29、量發(fā)酵廢水、通氣與機(jī)械攪拌的高動(dòng)力能耗，成為液體深層發(fā)酵進(jìn)一步發(fā)展的障礙，迫使其向高濃度、高粘度方向發(fā)展，然而高濃度、高粘度的極限就是固態(tài)發(fā)酵。再?gòu)纳鷳B(tài)學(xué)與仿生學(xué)角度看，經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年生物進(jìn)化洗禮的自然界生物體，無(wú)論是最低等的單細(xì)胞生物，還是高等動(dòng)植物及其單個(gè)活體細(xì)胞，都不是選擇在流體流動(dòng)環(huán)境下生活。 生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 生物反應(yīng)器是發(fā)酵過(guò)程的中心，在反應(yīng)器里生物原材料在合適的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰漠a(chǎn)品。產(chǎn)品的產(chǎn)量和形成速率的最大化是優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵部分。固體發(fā)酵生物反應(yīng)器的理想特征如下所述：（1）用于建造生物反應(yīng)器的材料必須堅(jiān)固、耐腐蝕以及必須發(fā)酵過(guò)程的微生物無(wú)毒。此外須有一個(gè)可以承受的合理的價(jià)格

30、。（2）防止發(fā)酵過(guò)程污染物的進(jìn)入同時(shí)控制發(fā)酵過(guò)程的有機(jī)體釋放到環(huán)境。前者特別難以控制，這是因?yàn)楣腆w的處理不能象深層液體發(fā)酵的液體那樣用泵輸送，因此產(chǎn)生污染物自由封閉體系。而后者同樣是一個(gè)非常重要的必備條件，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程含有真菌孢子，它可能是致病的，會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生危害。要達(dá)到這種要求，可以通過(guò)在空氣出口安裝過(guò)濾器，周詳?shù)拿芊庠O(shè)計(jì)以及對(duì)進(jìn)口空氣進(jìn)行過(guò)濾。但同時(shí)，這也增加了設(shè)備的費(fèi)用。（3）有效的通風(fēng)調(diào)節(jié)、混合和熱的移除來(lái)控制溫度、水活度、氣體的氧濃度等操作參數(shù)。通常，固體培養(yǎng)基的發(fā)酵會(huì)遭受無(wú)效的熱移除或者培養(yǎng)基床水蒸發(fā)的損失等問(wèn)題，影響所需產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。（4）維持基質(zhì)床層內(nèi)部的

31、均勻性這通常由有效的混合獲得。它同樣對(duì)使熱量梯度的最小化非常關(guān)鍵，是固態(tài)發(fā)酵過(guò)程非常重要的一個(gè)因素。（5）總的固態(tài)發(fā)酵過(guò)程包括培養(yǎng)基的制備、培養(yǎng)基的滅菌、產(chǎn)品回收之前生物量的滅菌、接種體的準(zhǔn)備、生物反應(yīng)器的安裝和拆卸。一個(gè)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該使以上的操作非常方便，令人滿意。7.3 酶反應(yīng)器7.3.1分類:酶反應(yīng)器大致可分為罐型、管型和膜型類 型式名稱操作方式說(shuō)明單項(xiàng)系統(tǒng)酶反應(yīng)器攪拌罐分批、流加靠機(jī)械攪拌混合超濾膜反應(yīng)器分批、流加或連續(xù)適用于高分子底物多項(xiàng)系統(tǒng)酶反應(yīng)器攪拌罐分批、流加或連續(xù)靠機(jī)械攪拌混合固定床或填充床連續(xù)適用于固定化酶或微生物的反應(yīng)器流化床分批、連續(xù)靠溶液的流動(dòng)而混合膜式反應(yīng)器懸

32、濁氣泡塔連續(xù)分批、連續(xù)膜狀或片狀的固定化酶適于氣體為底物7.3.2酶反應(yīng)器的選擇 游離酶反應(yīng)器的選擇，完全可以按照般生物反應(yīng)器的選擇要求來(lái)進(jìn)行。 對(duì)固定化酶反應(yīng)器的選擇，除根據(jù)使用的目的、反應(yīng)形式、底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞速率和反應(yīng)器制造和運(yùn)轉(zhuǎn)的成本及難易等因素進(jìn)行選擇外，還應(yīng)考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜等）、大小、機(jī)械強(qiáng)度、密度和再生或更新的難易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止雜菌污染等，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)形式和物質(zhì)傳遞特性、內(nèi)外擴(kuò)散的影響，底物的性質(zhì)，催化劑（固定化酶）的表面反應(yīng)器體積的比值等。 固定化酶的形式有顆粒狀（particle pellet）、膜狀（membrane，f

33、ilm，plate）、管狀（tubing）和纖維狀等幾種類型。其中以顆粒狀為主，這是由于其比表面積大。 由催化劑的形狀，可以決定反應(yīng)器的大致型式，例如，小顆粒的固定化酶，可選用流化床反應(yīng)器，以增大有效催化表面積。一般總是期望固定化酶的機(jī)械強(qiáng)度大些，但是，有些固定化酶顆粒（如用凝膠包埋法或膠囊法制備的固定化酶）的機(jī)械強(qiáng)度仍較差，在攪拌罐中，由于攪拌翼的剪切作用，這種固定化酶易遭破壞。對(duì)凝膠包埋法的固定化酶顆粒，當(dāng)采用固定床反應(yīng)器時(shí)，隨床身增高，由于凝膠顆粒自身的質(zhì)量，會(huì)使凝膠發(fā)生壓縮（compaction）和變形，壓強(qiáng)增大，為防止這種現(xiàn)象，有必要在床內(nèi)安裝篩板，將凝膠適當(dāng)間隔開。 由于酶失活是不

34、可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必須進(jìn)行催化劑的再生、新催化劑的補(bǔ)充或更換，這就要求反應(yīng)器應(yīng)具備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。 底物的性質(zhì)是選擇反應(yīng)器的另一重要因素。般來(lái)講，細(xì)粒狀和膠狀底物有可能阻塞填充柱或發(fā)生分層，這時(shí)可使用循環(huán)式反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器。 罐型反應(yīng)器內(nèi)一般裝配有攪拌裝置，故稱其為“機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器”，適用于上述各種操作。管型反應(yīng)器和膜型反應(yīng)器一般用于連續(xù)操作，對(duì)相對(duì)直徑較大、縱向較短的管型反應(yīng)器也稱為塔式反應(yīng)器。目前，發(fā)酵工業(yè)上廣泛使用的糖化罐、液化罐等都是典型的酶反應(yīng)器。7.3.2設(shè)計(jì)和操作的參數(shù) 停留時(shí)間空時(shí) 反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起至離開反應(yīng)器時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。分批式:停留時(shí)間

35、等于反應(yīng)時(shí)間；連續(xù)式: 空時(shí) 1/空速 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化分?jǐn)?shù)分批： 連續(xù)：D1FV0t0SSSinoutinSSS 生產(chǎn)能力Pr單位時(shí)間、單位反應(yīng)器體積內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物量。分批： 連續(xù)： 選擇性SP表明了整個(gè)反應(yīng)的平均選擇性。 在具有副反應(yīng)發(fā)生的復(fù)合反應(yīng)中，能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的底物變化量中，實(shí)際轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的比率。 tStPP0trinoutrSPP）（SSPS0SPP7.3.2 理想的酶反應(yīng)器 A A. CPFR型（1）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：活塞流流動(dòng)模型平穩(wěn)、等速、不返混 通過(guò)反應(yīng)器的微元體沿同一方向以相同的速度向前移動(dòng)；在微元體的流動(dòng)方向上不存在返混現(xiàn)象；所有混元體在反應(yīng)器中停留時(shí)間相同；與流體流動(dòng)方向垂

36、直截面上物料的組成均一且不隨時(shí)間變化。缺點(diǎn)：對(duì)于細(xì)小或膠狀的底物或酶顆粒易發(fā)生堵塞。B方程： FS=（F+dF)(S+dV)-rSdV dF=0， F0=F=Ff - F dS=- rSdV= k S d V= k SAdl 邊界條件l=0 , S= S0 kFALkln0SS 停留時(shí)間 一般關(guān)系式kSSln0srSdmax00rKrSS)SSln()FVAFLmaxm（02outmout0Ek)1ln(KSBCSTR型（1）特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：以恒定的流速加入物質(zhì)，理想CSTR反 應(yīng)器中，反應(yīng)液混合良好。各部分組 成相同（V、定態(tài)操作、返混最大） 缺點(diǎn)：攪拌槳產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力、易使酶失 活。（菌絲

37、斷裂、動(dòng)植物細(xì)胞破損） 改良CSTR（對(duì)酶）： 將載有酶的聚合物園片固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)用有底物抑制的場(chǎng)合。 方程： FS0=FSt-rSdV F(S0 - St)= -rSdV一般關(guān)系式SkSS0S0rSSSr)SK(SSFVmax0m0）（02m0Ek1KS7.3.3 CSTR型與CPFR反應(yīng)器性能的比較 相同的轉(zhuǎn)化率 A A A. 分布以 1/rS- 作圖可知 CSTR CPFR ， 且隨著 ，差異越顯著。B B反應(yīng)體積 V CSTR V CPFR C C酶的用量在CSTR中所需的酶量比SPFR的多；且X越高，差異越顯著；同時(shí)也與反應(yīng)的級(jí)數(shù)有關(guān)，一級(jí)反應(yīng)時(shí)

38、最大，零級(jí)反應(yīng)時(shí)最小。 )1ln()1(CPFRCSTREE D D 穩(wěn)定性 在SPFR反應(yīng)器中，酶比較敏感，即酶易失活。在CSTR反應(yīng)器中，基質(zhì)的濃度均勻一致，因此酶的失活動(dòng)力學(xué)較簡(jiǎn)單，而在SPFR中，基質(zhì)的濃度沿著反應(yīng)器軸向變化，故在反應(yīng)器的不同區(qū)段里，酶的失活速率不一樣，其酶的失活動(dòng)力學(xué)就較復(fù)雜。 E E 底物抑制在SPFR反應(yīng)器中，底物的抑制作用比 CSTR反應(yīng)器中的更加強(qiáng)烈；在CSTR反應(yīng)器中，產(chǎn)物的抑制作用比SPFR 反應(yīng)器中的更加強(qiáng)烈。 F F 濃度的分布7.47.4生物反應(yīng)器的比擬放大7.4.1 7.4.1 目的7.4.27.4.2分類 經(jīng)驗(yàn)放大法 因次分析法 時(shí)間常數(shù)法 數(shù)學(xué)

39、模型法基 礎(chǔ) 實(shí) 驗(yàn)測(cè)定值過(guò)程的模型用電子計(jì)算機(jī)作方案研究模型的放大計(jì)算機(jī)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較基礎(chǔ)模型的修正用電子計(jì)算機(jī)作設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的基本設(shè)計(jì)小試中試圖7-1 數(shù)學(xué)模擬放大方法示意圖經(jīng)驗(yàn)放大法機(jī)械攪拌反應(yīng)器 幾何相似放大放大倍數(shù)m 體積 徑高比 恒定等體積功率放大 以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的放大原則進(jìn)行放大。VVM（標(biāo)準(zhǔn)）單位時(shí)間培養(yǎng)液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣流量m3/(m3 min).標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣線速度Ug來(lái)表示（m/h） 以空氣線速度相同的原則放大 以kLa相同的原則放大4678154/73由于細(xì)胞的組成是復(fù)雜的，當(dāng)微生物細(xì)胞內(nèi)部所含有的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸、維生素

40、等的含量隨環(huán)境條件的變化而變化時(shí)，建立起的動(dòng)力學(xué)模型稱為結(jié)構(gòu)模型。1012/50分配系數(shù)KP 的定義是載體內(nèi)外底物濃度之比。（1） KP 1，表明載體顆粒內(nèi)底物濃度高于反應(yīng)液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應(yīng)液之間的固液界面處，底物濃度由反應(yīng)液中的濃度逐漸增大至載體顆粒內(nèi)部濃度。（2） KP = 1，表明載體顆粒內(nèi)底物濃度等于反應(yīng)液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應(yīng)液之間的固液界面處，底物濃度等于反應(yīng)液中底物濃度。（3） KP 1，表明載體顆粒內(nèi)底物濃度低于反應(yīng)液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應(yīng)液之間的固液界面處，底物濃度由反應(yīng)液中的濃度逐漸降低至載體顆粒內(nèi)部濃度。7/50（1）酶的穩(wěn)定性受溫度和

41、時(shí)間的雙重影響。在同一溫度下，不同的保溫時(shí)間殘存酶活力有極大差異。圖（a）中不同溫度下保溫10min 后殘余酶活力曲線只表明，在保溫時(shí)間為10min時(shí)，酶在50C 以下是穩(wěn)定的，而并不能得出“酶在0C 以下是穩(wěn)定的”這一結(jié)論。因?yàn)椴煌谋貢r(shí)間必將對(duì)酶的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。（2）一定的酶促反應(yīng)都是由正向的酶促反應(yīng)與酶的失活反應(yīng)的復(fù)合。當(dāng)時(shí)間一定，隨溫度的升高，反應(yīng)速率增大，轉(zhuǎn)化率提高，但當(dāng)溫度高于某一值時(shí)，由于酶的熱失活速率加快，當(dāng)快于酶促反應(yīng)速率上升的速度時(shí)，酶的總反應(yīng)速率下降，最終降為零。對(duì)某一反應(yīng)時(shí)間，就有一與最高轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)的溫度，該溫度稱為最適溫度。不同的反應(yīng)時(shí)間，有不同的最適溫度。最適溫

42、度是溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率和酶失活速率雙重作用的結(jié)果。圖（b）只表明反應(yīng)時(shí)間為10min 時(shí)，酶的最適反應(yīng)溫度為35C。但并不能籠統(tǒng)地說(shuō)酶的最適反應(yīng)溫度為35C。因?yàn)槿绻磻?yīng)時(shí)間變化，酶的最適反應(yīng)溫度將發(fā)生變化。8/50最適溫度是溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率和酶失活速率雙重作用的結(jié)果，酶的失活又受溫度和時(shí)間的雙重影響。因此不同的反應(yīng)時(shí)間，有不同的最適溫度。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在較低的溫度下即可達(dá)到短時(shí)反應(yīng)較高溫下所能達(dá)到的同樣的失活速率，從而引起酶最適溫度的降低。通常連續(xù)式操作比分批式操作時(shí)間長(zhǎng)，因此，其最適反應(yīng)溫度比分批實(shí)驗(yàn)的要低。在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長(zhǎng)，在進(jìn)行間歇培養(yǎng)得到結(jié)果如圖：試求max , YX/S， td, KS.以下是動(dòng)態(tài)法測(cè)定發(fā)酵體系氧傳遞系數(shù)實(shí)驗(yàn)中獲得的一組數(shù)據(jù)。已知實(shí)驗(yàn)條件的飽和溶氧濃度為7.3mg/L，試根據(jù)下圖數(shù)據(jù)估算反應(yīng)體系的氧吸收速率和kLa。-QO2XC(mg/L)t(min)7.1.2.生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方法 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要目的：最大限度地降低成本，用最少的投資來(lái)最大限度地增加單位體積產(chǎn)率。A 生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的最基本內(nèi)