生物反應(yīng)工程第七章生物反應(yīng)器

1、生物反應(yīng)工程第七章生物反應(yīng)器第7章 生物反應(yīng)器(Bioreactor)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?？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。 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

2、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， CSTR )返混：具有不同停留時(shí)間的物料之間的混合稱之為返混?；钊鳎寒?dāng)反應(yīng)

3、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(kāi)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、貼壁培養(yǎng)用的陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器等。還有用于固態(tài)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)裝置等。 分離耦合反應(yīng)器生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器間歇操作半間歇半連續(xù)操作連續(xù)操作生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器全混流型活塞流型全混流型活塞流型攪拌釜式反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器環(huán)流

4、反應(yīng)器管式反應(yīng)器鼓泡塔多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)器流化床反應(yīng)器循環(huán)管反應(yīng)器完全混合膜反應(yīng)器固定床生物轉(zhuǎn)盤滲濾器膜反應(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、pH、通氣量、物料流量等；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。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

5、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。 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。 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)別分子和個(gè)別細(xì)胞的行為。 物料衡算式 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： 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。 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 對(duì)于大多數(shù)反應(yīng)器，一般

6、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： 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。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)

7、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?；疽螅?.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

8、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)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+VbV0= /4D2（H+hb+D/6)幾何尺寸與操作條件范圍 典型數(shù)值 奧地利某公司 200m3 美國(guó)某公司130m3日本某公司50m3中國(guó)某味精廠100m3H/D=14 3 183 1.8 2.94Di/D=1/21/4 1/3

9、0.338 0.34 0.286W/D=1/81/12 1/10 1 1 0.10 2B/ Di =0.81.0 1.0 1.0 攪拌轉(zhuǎn)速N=301000 (r/min) 90130 70130 145 150單位醪液體積的冷卻面積0.61.5 (m2/m3) 1.5 1.14攪拌器層數(shù) 4層 4層 2層 3層通風(fēng)量0.14 m3/(m3min) 0.5 0.31.0 0.6 0.5 0.2空氣線速度0.022 (m/min) 1.76單位體積功耗14 (kw/m3) 22.53 45.4 3 1.3裝料系數(shù)=7080 77 75 88 75電機(jī)功率(kw) 300 1300 150 130表

10、 通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸與操作條件 1 將列管并列焊接在一起，組成擋板; 2 直接利用列管當(dāng)擋板H筒身高度 D罐徑 W擋板寬度 HL液位高度Di攪拌器直徑 S兩攪拌器間距 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。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。

11、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、自吸式攪拌槳和柵狀攪拌槳等。另外，翼型槳也已開(kāi)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

12、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。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(kāi)口往下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開(kāi)口處堆積和罐底固形物質(zhì)沉淀。管口與罐底的距離約為40mm。開(kāi)口朝下的多孔

13、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5m

14、3，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

15、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/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V0= /4D2（H+h

16、b+D/6)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Di（m）、攪拌轉(zhuǎn)速N（r/min）、液體密度（kg/m3）、液體粘度（Pas）、重力加速度g（m/s2）、攪拌罐直徑D（m）、液柱高度HL（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 = f(Di，N，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) (8-39) 式中：NP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； ReM為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù),其物理意義為慣性力與粘滯力之比； FrM為攪拌弗魯

17、特準(zhǔn)數(shù)，其物理意義是攪拌加速度與重力； K為與攪拌器形式、反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)的常數(shù) 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=0，NP僅是ReM的函數(shù)(圖7-11) 圖8-11 各種攪拌器的ReM對(duì)應(yīng)于NP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)不同攪拌器的K值如表8-7所示 這些K值均為在HL/D=1，D/Di=3，

18、D/W=10的條件下測(cè)定的。 攪拌器的形式K(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。 對(duì)于大型發(fā)酵罐,同一軸上往往安裝多層攪拌器，對(duì)于多層攪拌器的功率可用下式計(jì)算。

19、(8-45) 式中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。 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Qgm3(工作狀態(tài))/min及液體翻動(dòng)量Q1(m3/min)(Q1Nd3)等因素有關(guān)。Michel等人提出了應(yīng)用較廣泛的通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Pg與工作變量間的經(jīng)驗(yàn)公式： (8-46) 式中，Di/D=1/3時(shí)，K=0.157；Di/D=2/3時(shí)，K=0.113；Di/D=1/2時(shí)，K=0.101。 通風(fēng)時(shí)的攪拌功率也可利用下式計(jì)算。 (8-47) (8-48) 式中Na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)7.2.2氣升式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)和分

20、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。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

21、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

22、。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。 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)椋后w深層發(fā)酵產(chǎn)生的大量發(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

23、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。（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)

24、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，

25、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)

26、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，film，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（

27、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(kāi)。由于酶失活是不可避免的，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

28、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(kāi)反應(yīng)器時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。分批式:停留時(shí)間等于反應(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)：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。7.3.2 理想的酶

29、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 停留時(shí)間一般關(guān)系式BCSTR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

30、（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7.3.3 CSTR型與CPFR反應(yīng)器性能的比較 相同的轉(zhuǎn)化率 A A. 分布以 1/rS- 作圖可知 CSTR CPFR ， 且隨著 ，差異越顯著。B反應(yīng)體積 V CSTR V CPFR 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)最大，零級(jí)反

31、應(yīng)時(shí)最小。 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 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 濃度的分布7.4生物反應(yīng)器的比擬放大7.4.1 目的7.4.2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)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467