生物反應工程 生物反應器

1、7.1 生物反應器設計基礎7.1.1 生化反應器的分類 生化反應器是利用生物催化劑進行生化反應的設備。生化反應器是利用生物催化劑進行生化反應的設備。 可從多個角度對其進行分類?？蓮亩鄠€角度對其進行分類。 對生化反應器進行這種分類有利于對反應器進行模擬與放大。對生化反應器進行這種分類有利于對反應器進行模擬與放大。 酶反應器所使用的生物催化劑 細胞反應器酶反應器相對比較簡單，酶促反應與一般的化學催化反應相同，在反應的過程中酶本身無變化；細胞生化反應器相對比較復雜，因涉及到避免外界各種雜菌污染、有適應細胞生長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 反應器的結構特

2、征釜式、管式、塔式、膜 式等 反應器所需的能量的輸入方式： 機械攪拌式機械攪拌輸人能量 氣升式氣體噴射動能 液體循環(huán)式利用泵對液體的噴射作用 生物催化劑在反應器中的分布方式 生物團塊(包括細胞、絮凝物、菌絲體)反應 生物膜反應器兩大類。 固相催化劑的運動狀態(tài)來分類 填充床流化床生物轉盤等多種型式反應器。 按反應體系的相態(tài)來分類 均相可溶的酶催化反應非均相 反應物系在反應器內的流動與混合狀態(tài) （反應器內流體的流動類型） 活塞流反應器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反應器( continuous stirred-tank reactor， CST

3、R ) 返混：具有不同停留時間的物料之間的混合稱之為返混。 活塞流：當反應器內完全不存在物料粒子之間的返混時，這種流動稱為活塞流，該反應器稱為活塞流反應器； 全混流：當反應器內不同粒子之間存在著最大返混時，流體的流動稱為，該反應器稱為全混流反應器。 流動模型： 理想反應器活塞流和全混流反應器 非理想反應器； 其它 另外一些特殊用途的生化反應器也得到了較快的開發(fā)和應用，例如用于動植物細胞培養(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)用的陶質矩形通道蜂窩狀反應器陶質矩形通道蜂窩狀反應器等。還有用于固態(tài)固態(tài)發(fā)酵的轉鼓式反應器發(fā)酵的轉鼓式反應器以及反應和分離相耦合的反應裝置反應和分離相耦合的反

4、應裝置等。 生物反應器的分類生物反應器的分類生物反應器生物反應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)操作生物團塊反應器生物團塊反應器生物膜反應器生物膜反應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器攪拌釜式反應器循環(huán)反應器循環(huán)反應器環(huán)流反應器環(huán)流反應器管式反應器管式反應器鼓泡塔鼓泡塔多級串聯(lián)式反應多級串聯(lián)式反應器器流化床反應器流化床反應器循環(huán)管反應器循環(huán)管反應器完全混合膜反應器完全混合膜反應器固定床固定床生物轉盤生物轉盤滲濾器滲濾器膜反應器膜反應器7.1.2.生化反應器的基本設計方法 生化反應器的設計主要目的：最大限度地降低成本，用最

5、少的投資來最大限度地增加單位體積產率。A 生化反應器設計的最基本內容有：選擇合適的反應器型式，根據(jù)反應及物料的特性和生產工藝特征，確選擇合適的反應器型式，根據(jù)反應及物料的特性和生產工藝特征，確定反應器的操作方式、結構類型、傳遞和流動方式等；定反應器的操作方式、結構類型、傳遞和流動方式等；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；計算出所需反應器體積，設計各種結構參數(shù)等。計算出所需反應器體積，設計各種結構參數(shù)等。 反應體積的確定是反應器設計的核心內容反應體積的確定是反應器設計的核心內容B反應器設計的

6、基本方程 ：描述濃度變化的物料衡算式質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量衡算式動量守恒定律 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速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。體積。 重點研究的是微元體內大量的分子和大量細胞的反應行為以重點研究的是微元體內大量的分子和大量細胞的反應行為以及微元體間的物質、能量傳遞的宏觀規(guī)律，而不是研究個別及微元體間的物質、能量傳遞的宏觀規(guī)律，而不是研究個別分子和個別細胞的行為。分子和個別細胞的行為。 物料衡算式物料衡算式

7、 對于一封閉體系，在某一段時間（或微分時間）和其控制體積內，對某組分（底物或產物）進行物料對于一封閉體系，在某一段時間（或微分時間）和其控制體積內，對某組分（底物或產物）進行物料衡算，其方程如下：衡算，其方程如下： 對應一段時間的物料衡算稱為總物料衡算；對應一段微分時間的物料衡算稱為微分物料衡算。對應一段時間的物料衡算稱為總物料衡算；對應一段微分時間的物料衡算稱為微分物料衡算。組分累積量體積單元內組分轉化的量體積單元內體積單元的量組分流出該體積單元的量組分進入該對反應物：組分累積量體積單元內組分生成的量體積單元內體積單元的量組分流出該體積單元的量組分進入該對產物：細胞累積量體積單元內細胞死亡的

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

9、應，則等號右邊第二項為負，如果為吸熱反應，則為正。7.2生物反應器的設計與分析機械攪拌式生化反應器它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質所需要的功率。這種反應器的適應性最強，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)實際情況和需要，為之提供較高的傳質速率和必要的混合速度。缺點是機械攪拌器的驅動功率較高，一般24kw/m3，這對大型的反應器來說是個巨大負擔。7.2生物反應器的設計與分析（1）結構嚴密，經得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐蝕性能好，內部附件盡量減少，以利于滅菌徹底和減少金屬離子對發(fā)酵的影響。（2）有良好的氣液接觸和液固混合性能，使物質傳遞、氣體交換能有效地進行。（3）在保證發(fā)酵要

10、求的前提下，盡量減少攪拌和通氣時所消耗的動力.（4）有良好的熱量交換性能，以適應滅菌操作和使發(fā)酵在最適溫度下進行；（5）盡量減少泡沫的產生或附設有效的消沫裝置，以提高裝料系數(shù)；（6）附有必要的可靠檢測及控制儀表。設備的要求通用式發(fā)酵罐a小型b大型7.2.1機械攪拌通用式發(fā)酵罐設計與分析 原理：利用機械攪拌器的作用，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繁殖，發(fā)酵所需要的氧氣。 基本要求：1.結構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，氧氣的利用率越高。2.有一定的剛度與強度，由于發(fā)酵罐在滅菌過程和工作時，罐內有一定的壓力和溫度。因此需要一定的強

11、度。基本要求：3.攪拌通風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.軸封嚴密。7.維修操作檢測方便結構 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 美國某公司130m3130m3日本某公司50m350m3中國某味精廠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 直接利用列管當擋板直接利用列管當擋板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 結構：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。 剛度和強度：受壓容器，空消或實消，通常滅菌的壓力為2.5Kg/m3。 接管 罐頂：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表管。 罐身：冷卻水進出管、進空氣管、溫度計管和測控儀表接口。排氣管應盡量靠近封頭的軸封位置。2.機械攪拌系統(tǒng) 目的：有利于液體本身的混合及氣液、氣固之間的混合，質量和熱量的傳遞，特別是對氧的溶解具有重要的意義（加強氣液之間的湍動，增加氣液接觸面積及延長氣液接觸時間） 組成：電機、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用于發(fā)酵生產，并取得較好效果。攪拌槳 用渦輪式攪拌槳時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，也有少至四個或多至八個的。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：能達到消除液面旋渦的最低條件。在一定的轉速下面增加罐內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。軸封：防止泄漏和染菌，分填料函和端面軸封。3.通氣系統(tǒng) 無菌空氣制備裝置、空氣分布裝置和出口氣體除菌裝置。 無菌空氣導入罐內的裝置 最簡單的通氣裝置：單孔管，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)液中固體物質在開口處堆積和罐

17、底固形物質沉淀。 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)酵過程中由于生物氧化作用及機械攪拌產生的熱量的裝置 在發(fā)酵過程中，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)酵過程中釋放的凈熱量 Q生物生物合成熱，包括生物細胞呼吸放熱和發(fā)酵熱 Q攪拌機械攪拌轉化熱 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 于 不 同 直 徑 的 發(fā) 酵 有 不 同 的 尺 寸 ， 一 般 為50200mm，夾套上設有水蒸汽，冷卻水或其他介質的進出口。 當加熱用水蒸氣，進口管應靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；如果冷卻介質是液體，則進口管應安在底部，是液體從底部進入上部流出。 結構簡單；加工容易；罐內無冷卻設備，死角少，容易進行滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點是傳熱慢，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，有四組、六組或八

19、組。5m3以上的發(fā)酵罐多采用。 優(yōu)點：冷卻水在管內的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為300450（有時可達8001000）。 缺點：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，在強烈的通氣攪拌下產生大量的泡沫。導致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機會。須用加消沫劑的方法去除， 消泡劑和消泡槳。 泡沫的機械強度較差和泡沫量較少時，采用機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.容積計算 橢圓形風封頭體積計算公稱容積lV0= /4D2（H+hb+D/6)3 3、 攪拌功率的計算 機械攪拌發(fā)酵罐中的攪拌器軸功率與下列因素有關：攪拌器直徑D Di i（m m）、攪拌轉速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系，可不作獨立變量，于是: : P

21、 = f(D P = f(Di i，N N，g) (8-37) g) (8-37) 對于牛頓型流體，通過因次分析可得如下關聯(lián)式: (8-38)(8-38) (8-39)(8-39) 式中：N NP P為功率準數(shù)，其物理意義為機械攪拌力與慣性力之比； R ReMeM為攪拌雷諾準數(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、反應器幾何尺寸有關的常數(shù) yrMxeMPFKRNyixiigDNNDKDNP2253 實驗表明，在全檔板條件下，液面不產生中心下降的旋渦，此時 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對應于N NP P的關系1. 2.螺距螺旋槳，螺距=Di，有擋板；3. 螺旋槳，螺距=2Di，無擋板；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 當不符合此條件時，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*號的為代表實際攪拌設備情況。PfPiLiiLiDHDDDHDDf PDHDDPiLi31 對于大型發(fā)酵罐, ,同一軸上往往安裝多層攪拌器，對于多層攪拌器的功

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

25、.113K=0.113；Di/D=1/2Di/D=1/2時，K=0.101K=0.101。 45.056.032gigQNDPKP 通風時的攪拌功率也可利用下式計算。 (8-47)(8-47) (8-48) (8-48) 式中NaNa為通風準數(shù)，其代表發(fā)酵罐內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)酵罐設計和分析 特點是結構簡單，不需要攪拌；不易污染，氧傳質效率高，能耗低，節(jié)省動力約50%；裝料系數(shù)達8090%；安裝維修方便，冷卻面

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

27、數(shù) 高徑比H/D=5 9 導流筒徑與管徑比DE/D=0.6 0.8 循環(huán)周期時間的確定 tm=VL/VC=VL/(/4)DE2vm VL罐內培養(yǎng)液體積； VC培養(yǎng)液循環(huán)量 DE導流管（上升管）直徑； vm導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，多段導流管或有篩網時可降低。 氣液傳質速率：h=Kvsn K,n為經驗指數(shù)，鼓泡塔式發(fā)酵罐低通氣速率時，n=0.7 1.2，高通氣速率時，n=0.4 0.77.2.3鼓泡塔生物反應器 鼓泡塔反應器是氣液兩相反應器，是指氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現(xiàn)氣液相反應過程的反應器。 鼓泡反應器結構筒單，易于操

28、作，操作成本低，混合和傳質傳熱性能較好，因此廣泛應用于生物工程行業(yè)中，例如乙醇發(fā)酵、單細胞蛋白發(fā)酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。鼓泡反應器內無傳動部件，容易密封，對保持無菌條件有利。 最簡單的鼓泡式反應器內部是一空塔，塔的底部用篩板或氣體分布器來分布氣體。其工作原理是利用通入培養(yǎng)基中的氣泡在上升時帶動液體而產生混合，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 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)酵生物反應器 現(xiàn)代生物制品固態(tài)發(fā)酵的產率比液體深層發(fā)酵高得多，這是因為，液體深層發(fā)酵產生的大

29、量發(fā)酵廢水、通氣與機械攪拌的高動力能耗，成為液體深層發(fā)酵進一步發(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。再從生態(tài)學與仿生學角度看，經過千百萬年生物進化洗禮的自然界生物體，無論是最低等的單細胞生物，還是高等動植物及其單個活體細胞，都不是選擇在流體流動環(huán)境下生活。 生物反應器的設計 生物反應器是發(fā)酵過程的中心，在反應器里生物原材料在合適的條件下轉變?yōu)樾枰漠a品。產品的產量和形成速率的最大化是優(yōu)化生產過程的關鍵部分。固體發(fā)酵生物反應器的理想特征如下所述：（1）用于建造生物反應器的材料必須堅固、耐腐蝕以及必須發(fā)酵過程的微生物無毒。此外須有一個可以承受的合理的價格

30、。（2）防止發(fā)酵過程污染物的進入同時控制發(fā)酵過程的有機體釋放到環(huán)境。前者特別難以控制，這是因為固體的處理不能象深層液體發(fā)酵的液體那樣用泵輸送，因此產生污染物自由封閉體系。而后者同樣是一個非常重要的必備條件，因為大多數(shù)的固態(tài)發(fā)酵過程含有真菌孢子，它可能是致病的，會對周圍的環(huán)境產生危害。要達到這種要求，可以通過在空氣出口安裝過濾器，周詳?shù)拿芊庠O計以及對進口空氣進行過濾。但同時，這也增加了設備的費用。（3）有效的通風調節(jié)、混合和熱的移除來控制溫度、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)酵會遭受無效的熱移除或者培養(yǎng)基床水蒸發(fā)的損失等問題，影響所需產品的產量和質量。（4）維持基質床層內部的

31、均勻性這通常由有效的混合獲得。它同樣對使熱量梯度的最小化非常關鍵，是固態(tài)發(fā)酵過程非常重要的一個因素。（5）總的固態(tài)發(fā)酵過程包括培養(yǎng)基的制備、培養(yǎng)基的滅菌、產品回收之前生物量的滅菌、接種體的準備、生物反應器的安裝和拆卸。一個生物反應器的設計應該使以上的操作非常方便，令人滿意。7.3 酶反應器7.3.1分類:酶反應器大致可分為罐型、管型和膜型類 型式名稱操作方式說明單項系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加靠機械攪拌混合超濾膜反應器分批、流加或連續(xù)適用于高分子底物多項系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加或連續(xù)靠機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器流化床分批、連續(xù)靠溶液的流動而混合膜式反應器懸

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酶反應器的選擇 游離酶反應器的選擇，完全可以按照般生物反應器的選擇要求來進行。 對固定化酶反應器的選擇，除根據(jù)使用的目的、反應形式、底物濃度、反應速率、物質傳遞速率和反應器制造和運轉的成本及難易等因素進行選擇外，還應考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜等）、大小、機械強度、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，反應動力學形式和物質傳遞特性、內外擴散的影響，底物的性質，催化劑（固定化酶）的表面反應器體積的比值等。 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，可以決定反應器的大致型式，例如，小顆粒的固定化酶，可選用流化床反應器，以增大有效催化表面積。一般總是期望固定化酶的機械強度大些，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）的機械強度仍較差，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。對凝膠包埋法的固定化酶顆粒，當采用固定床反應器時，隨床身增高，由于凝膠顆粒自身的質量，會使凝膠發(fā)生壓縮（compaction）和變形，壓強增大，為防止這種現(xiàn)象，有必要在床內安裝篩板，將凝膠適當間隔開。 由于酶失活是不

34、可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必須進行催化劑的再生、新催化劑的補充或更換，這就要求反應器應具備相應的結構。 底物的性質是選擇反應器的另一重要因素。般來講，細粒狀和膠狀底物有可能阻塞填充柱或發(fā)生分層，這時可使用循環(huán)式反應器或流化床反應器。 罐型反應器內一般裝配有攪拌裝置，故稱其為“機械攪拌式生物反應器”，適用于上述各種操作。管型反應器和膜型反應器一般用于連續(xù)操作，對相對直徑較大、縱向較短的管型反應器也稱為塔式反應器。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器。7.3.2設計和操作的參數(shù) 停留時間空時 反應物料進入反應器時算起至離開反應器時為止所經歷的時間。分批式:停留時間

35、等于反應時間；連續(xù)式: 空時 1/空速 轉化率轉化分數(shù)分批： 連續(xù)：D1FV0t0SSSinoutinSSS 生產能力Pr單位時間、單位反應器體積內生產的產物量。分批： 連續(xù)： 選擇性SP表明了整個反應的平均選擇性。 在具有副反應發(fā)生的復合反應中，能夠轉變?yōu)槟康漠a物的底物變化量中，實際轉變?yōu)槟康漠a物的比率。 tStPP0trinoutrSPP）（SSPS0SPP7.3.2 理想的酶反應器 A A. CPFR型（1）特點：優(yōu)點：活塞流流動模型平穩(wěn)、等速、不返混 通過反應器的微元體沿同一方向以相同的速度向前移動；在微元體的流動方向上不存在返混現(xiàn)象；所有混元體在反應器中停留時間相同；與流體流動方向垂

36、直截面上物料的組成均一且不隨時間變化。缺點：對于細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 停留時間 一般關系式kSSln0srSdmax00rKrSS)SSln()FVAFLmaxm（02outmout0Ek)1ln(KSBCSTR型（1）特點： 優(yōu)點：以恒定的流速加入物質，理想CSTR反 應器中，反應液混合良好。各部分組 成相同（V、定態(tài)操作、返混最大） 缺點：攪拌槳產生強大的剪切力、易使酶失 活。（菌絲

37、斷裂、動植物細胞破損） 改良CSTR（對酶）： 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動的金屬網筐內用有底物抑制的場合。 方程： FS0=FSt-rSdV F(S0 - St)= -rSdV一般關系式SkSS0S0rSSSr)SK(SSFVmax0m0）（02m0Ek1KS7.3.3 CSTR型與CPFR反應器性能的比較 相同的轉化率 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；同時也與反應的級數(shù)有關，一級反應時

38、最大，零級反應時最小。 )1ln()1(CPFRCSTREE D D 穩(wěn)定性 在SPFR反應器中，酶比較敏感，即酶易失活。在CSTR反應器中，基質的濃度均勻一致，因此酶的失活動力學較簡單，而在SPFR中，基質的濃度沿著反應器軸向變化，故在反應器的不同區(qū)段里，酶的失活速率不一樣，其酶的失活動力學就較復雜。 E E 底物抑制在SPFR反應器中，底物的抑制作用比 CSTR反應器中的更加強烈；在CSTR反應器中，產物的抑制作用比SPFR 反應器中的更加強烈。 F F 濃度的分布7.47.4生物反應器的比擬放大7.4.1 7.4.1 目的7.4.27.4.2分類 經驗放大法 因次分析法 時間常數(shù)法 數(shù)學

39、模型法基 礎 實 驗測定值過程的模型用電子計算機作方案研究模型的放大計算機的結果與實驗結果的比較基礎模型的修正用電子計算機作設計計算過程的基本設計小試中試圖7-1 數(shù)學模擬放大方法示意圖經驗放大法機械攪拌反應器 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行放大。VVM（標準）單位時間培養(yǎng)液體積在單位時間內通入的空氣流量m3/(m3 min).標準狀態(tài)下空氣線速度Ug來表示（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由于細胞的組成是復雜的，當微生物細胞內部所含有的蛋白質、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，建立起的動力學模型稱為結構模型。1012/50分配系數(shù)KP 的定義是載體內外底物濃度之比。（1） KP 1，表明載體顆粒內底物濃度高于反應液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應液之間的固液界面處，底物濃度由反應液中的濃度逐漸增大至載體顆粒內部濃度。（2） KP = 1，表明載體顆粒內底物濃度等于反應液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應液之間的固液界面處，底物濃度等于反應液中底物濃度。（3） KP 1，表明載體顆粒內底物濃度低于反應液中底物濃度，因此在載體顆粒與反應液之間的固液界面處，底物濃度由反應液中的濃度逐漸降低至載體顆粒內部濃度。7/50（1）酶的穩(wěn)定性受溫度和

41、時間的雙重影響。在同一溫度下，不同的保溫時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，在保溫時間為10min時，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”這一結論。因為不同的保溫時間必將對酶的穩(wěn)定性產生影響。（2）一定的酶促反應都是由正向的酶促反應與酶的失活反應的復合。當時間一定，隨溫度的升高，反應速率增大，轉化率提高，但當溫度高于某一值時，由于酶的熱失活速率加快，當快于酶促反應速率上升的速度時，酶的總反應速率下降，最終降為零。對某一反應時間，就有一與最高轉化率對應的溫度，該溫度稱為最適溫度。不同的反應時間，有不同的最適溫度。最適溫

42、度是溫度對酶促反應速率和酶失活速率雙重作用的結果。圖（b）只表明反應時間為10min 時，酶的最適反應溫度為35C。但并不能籠統(tǒng)地說酶的最適反應溫度為35C。因為如果反應時間變化，酶的最適反應溫度將發(fā)生變化。8/50最適溫度是溫度對酶促反應速率和酶失活速率雙重作用的結果，酶的失活又受溫度和時間的雙重影響。因此不同的反應時間，有不同的最適溫度。當反應時間較長時，在較低的溫度下即可達到短時反應較高溫下所能達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間長，因此，其最適反應溫度比分批實驗的要低。在有氧條件下，桿菌在甲醇上生長，在進行間歇培養(yǎng)得到結果如圖：試求max , YX/S， td, KS.以下是動態(tài)法測定發(fā)酵體系氧傳遞系數(shù)實驗中獲得的一組數(shù)據(jù)。已知實驗條件的飽和溶氧濃度為7.3mg/L，試根據(jù)下圖數(shù)據(jù)估算反應體系的氧吸收速率和kLa。-QO2XC(mg/L)t(min)7.1.2.生化反應器的基本設計方法 生化反應器的設計主要目的：最大限度地降低成本，用最少的投資來最大限度地增加單位體積產率。A 生化反應器設計的最基本內