化學(xué)工藝學(xué)：生物反應(yīng)器

第五節(jié)生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器：為酶反應(yīng)、微生物發(fā)酵或動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)提供良好的反應(yīng)條件以完成生化反應(yīng)的核心設(shè)備，常稱(chēng)為酶反應(yīng)器（enzymereactor）或發(fā)酵罐（fermenter）。與一般的化學(xué)反應(yīng)器相似之處需維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括溶解氧）濃度；具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能不同之處在運(yùn)行中要杜絕外界各種微生物的進(jìn)入，避免雜菌污染造成的損失。返回1生物反應(yīng)器的分類(lèi)根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征釜式、管式、塔式、膜式等類(lèi)型的生物反應(yīng)器。它們之間的主要差別反映在外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式（1）機(jī)械攪拌式：通過(guò)機(jī)械攪拌輸入能量。（2）外部液體循環(huán)式：利用泵對(duì)液體的噴射作用而使液體循環(huán)。（3）氣升式：利用氣體噴射動(dòng)能使液體上升。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器1生物反應(yīng)器的分類(lèi)根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式（1）生物團(tuán)塊反應(yīng)器填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤(pán)等（2）生物膜反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài)分類(lèi)

(1)活塞流反應(yīng)器

(2)全混流反應(yīng)器生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器2微生物細(xì)胞反應(yīng)器由于氧在培養(yǎng)基中的溶解度很小，生物反應(yīng)器必須不斷進(jìn)行通氣和攪拌來(lái)增加氧的溶解，滿足需氧微生物新陳代謝的需要。好氧液體生物反應(yīng)器有機(jī)械攪拌式、自吸式、鼓泡式、氣升式等多種類(lèi)型發(fā)酵罐。目前，工業(yè)規(guī)模的微生物細(xì)胞反應(yīng)器多為攪拌通氣型生物反應(yīng)器。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌通氣式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1機(jī)械攪拌通氣式生物反應(yīng)器

H——圓柱筒體高度；

D——罐內(nèi)徑；

W——擋板寬度；

HL——液位高度；

d——攪拌器直徑；

S——兩攪拌器間距；

B——下攪拌器距底間距；

通用式機(jī)械攪拌反應(yīng)器的幾何尺寸比例機(jī)械攪拌式反應(yīng)器的幾何尺寸及體積生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器通用型發(fā)酵罐的幾何尺寸大致如下

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器通用式發(fā)酵罐主要部件有：罐體、控溫裝置、攪拌裝置、通氣裝置、進(jìn)出料口、測(cè)量系統(tǒng)、消泡裝置以及附屬系統(tǒng)。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器

材料為碳鋼或不銹鋼，對(duì)于大型反應(yīng)器可用不銹鋼或復(fù)合不銹鋼制成。

要求罐體設(shè)計(jì)的使用壓力達(dá)到0.3MPa以上。罐體生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器在發(fā)酵罐上裝有測(cè)溫的傳感器及冷卻和加熱用的夾套或盤(pán)管。容積在5m3以下的發(fā)酵罐采用外夾套作為傳熱裝置。容積大于5m3的發(fā)酵罐一般采用立式蛇管作為傳熱裝置?？販匮b置生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器作用:使罐內(nèi)物料混合良好，使液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)，從而使菌體與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，并有利于打碎氣泡，增加氣液接觸界面，提高氣液間的傳質(zhì)速率，強(qiáng)化傳氧及消泡。攪拌器的設(shè)計(jì)與選型原則使流體有足夠的徑向流動(dòng)和適度的軸向流動(dòng)。攪拌裝置生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器攪拌裝置常用的渦輪式攪拌器(a)六平葉（b）六彎葉（c）六箭葉

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器作用：防止由攪拌引起的中心大旋渦。寬度：約為(1/8~1/12)D。間隙：與罐壁的間隙為(1/5~1/8)D。全擋板條件：是指在一定的轉(zhuǎn)速下，在攪拌反應(yīng)器中增加擋板或其他附件，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失。要達(dá)到全擋板必須滿足下式要求：式中W—擋板直徑，m；D—發(fā)酵罐的直徑，m；mb—擋板塊數(shù)。

擋板生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器

從罐的底部通入無(wú)菌空氣，罐頂部有空氣出口，一般入口空氣壓力為0.1~0.2MPa（表壓）。

單孔管式：安裝在攪拌器下面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管口正對(duì)罐底中央，與罐底距離40~50mm；

多孔環(huán)形管式：環(huán)的直徑為攪拌器直徑的3/4，安裝在攪拌器之下，噴孔向下，孔徑取2~5mm。通氣裝置生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器傳感器系統(tǒng)，以測(cè)pH、溶解氧等，傳感器要求能承受滅菌溫度及保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。測(cè)量系統(tǒng)消泡裝置耙式消泡器、半封閉式渦輪消泡器、離心式消泡器和碟片式離心消泡器等。通氣發(fā)酵生產(chǎn)中通常將化學(xué)消泡劑和機(jī)械消泡裝置兩種方法聯(lián)合使用。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器2.2機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐的攪拌功率不通氣體系的攪拌功率牛頓流體中的攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌器大小、液體的密度、黏度有關(guān)，通過(guò)量綱分析，得出如下關(guān)聯(lián)式：P—攪拌功率，W；N—攪拌轉(zhuǎn)速，s-1；Di—攪拌器直徑，m；

—液體的密度，kg·m-3；g—重力加速度；NP—功率數(shù)；Re

—雷諾數(shù)；Fr

—弗勞德數(shù)。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器幾種攪拌器的功率數(shù)NP與雷諾數(shù)Re的關(guān)系生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器層流區(qū)（Re<10）：湍流區(qū)（Re>104）：過(guò)渡區(qū)（10<Re

<104）：液體處于過(guò)渡流狀態(tài)，K與x均隨Re變化，攪拌功率計(jì)算較為復(fù)雜，目前尚無(wú)較好的關(guān)聯(lián)式。若攪拌軸上裝有多個(gè)攪拌器，攪拌功率可用下式計(jì)算：Pm=P(0.4+0.6m) 式中Pm—攪拌器的功率（m為槳層數(shù)）。

不通氣體系的攪拌功率生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器在通氣培養(yǎng)條件下，攪拌的功率會(huì)顯著下降，這主要是因?yàn)榭諝膺M(jìn)入液體后使液體的密度下降，通氣量的大小與攪拌功率的消耗有明顯的關(guān)系。在定量研究時(shí)，常用通氣數(shù)來(lái)描述通氣的影響通氣條件下的攪拌功率生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器通氣條件下的攪拌功率通氣攪拌功率與通氣準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系1八平葉渦輪；2八葉翼碟；3六葉翼碟；4十六葉翼碟；5四葉翼碟；6平槳生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器通氣條件下的攪拌功率

Michael和Miller在3.5~13.5L的通氣攪拌罐中，使用密度800~1650kg·m-3、黏度9×10-3~0.1Pa

s、表面張力為0.027~0.072N·m-1多種液體研究了通氣攪拌功率的規(guī)律，得出了如下公式：式中，Pg、P—通氣和不通氣時(shí)的攪拌功率；K—與反應(yīng)器形狀有關(guān)的參數(shù)

。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器非牛頓流體中的攪拌功率

不服從牛頓黏性定律的流體稱(chēng)為非牛頓流體。常見(jiàn)的非牛頓流體有賓厄姆塑性（Binghamplastic）流體、擬塑性（Pseudoplastic）流體、脹塑性（Dilatant）流體和凱松（Casson）流體等。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器非牛頓流體中的攪拌功率牛頓流體與一些非牛頓流體剪切應(yīng)力與剪切率的關(guān)系1―牛頓流體；2―賓厄姆塑性流體；3―擬塑性流體；4―脹塑性流體；5―凱松流體生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器非牛頓流體中的攪拌功率①賓厄姆塑性流體

為屈服應(yīng)力，Pa；為剛度系數(shù)，Pa·s

擬塑性流體

0＜n＜1

K為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流動(dòng)特性指數(shù)。②脹塑性流體

n＞1

③④凱松流體

Kc為凱松黏度，(Pa·s)1/2。

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器非牛頓流體中功率數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系當(dāng)Re

＜10時(shí)，液體處于滯流狀態(tài)，NP與Re成為斜率為-1的直線；當(dāng)Re

＞500時(shí)，液體處于湍流狀態(tài)，NP保持恒定；而10＜Re

＜500時(shí)，液體為過(guò)渡流狀態(tài)，此時(shí)NP與Re之間的關(guān)系比較復(fù)雜。

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵熱發(fā)酵熱是指發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液產(chǎn)生的凈熱量。

發(fā)酵熱的平衡式如下：Q發(fā)酵熱＝Q生物熱＋Q攪拌熱－Q空氣熱－Q輻射熱

Q發(fā)酵熱

—發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的凈熱量，kJ/(m3

h)Q生物熱

—微生物生長(zhǎng)和代謝熱，kJ/(m3

h)Q攪拌熱

—攪拌器攪拌產(chǎn)生的熱量，kJ/(m3

h)Q空氣熱

—發(fā)酵液水蒸氣蒸發(fā)和空氣升溫帶走的熱量，kJ/(m3

h)Q輻射熱

—發(fā)酵液與外界環(huán)境的溫差引起的熱量傳遞，kJ/(m3

h)

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器典型生物產(chǎn)品發(fā)酵的最大發(fā)酵熱

發(fā)酵液發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）/[kJ/(m3

h)]發(fā)酵液發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）/[kJ/(m3

h)]青霉素27000~36000酶制劑12500~21000慶大霉素10500~16000谷氨酸26500~31500鏈霉素16000~21000賴(lài)氨酸31500~36500四環(huán)素21000~26500檸檬酸10500~12500紅霉素21000~26500核苷酸（鳥(niǎo)苷）21000~26000金霉素16000~21000多糖、生物肥料芽孢桿菌5200~10500灰黃霉素12500~18500基因工程畢赤酵母表達(dá)植酸酶75000~105000泰洛菌素21000~26000基因工程畢赤酵母表達(dá)瘧疾疫苗100000~140000機(jī)械攪拌自吸式生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐是一種不需空氣壓縮機(jī)，而在攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生抽吸力自吸入空氣的發(fā)酵罐。工作原理攪拌器是一個(gè)空心葉輪，葉輪快速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，葉輪中形成負(fù)壓，從而將罐外的空氣吸到罐內(nèi)，并與高速流動(dòng)的液體密切接觸形成細(xì)小的氣泡分散在液體之中，氣液混合流體通過(guò)導(dǎo)輪流到發(fā)酵液主體。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌自吸式生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：①不需要空氣壓縮設(shè)備；②易于自動(dòng)化和連續(xù)化操作；③溶氧系數(shù)高，應(yīng)用范圍廣。缺點(diǎn)：①裝料量低（約40％左右）；②進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加了染菌機(jī)會(huì)；③攪拌轉(zhuǎn)速快，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長(zhǎng)受到影響；④吸程一般不高。

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器高位塔式生物反應(yīng)器高位塔式發(fā)酵罐又稱(chēng)空氣攪拌高位發(fā)酵罐，特點(diǎn)是罐身高，不設(shè)置機(jī)械攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升時(shí)帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生混合效果，適用于培養(yǎng)液黏度低、含固量少、需氧量較低的培養(yǎng)過(guò)程。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器高位塔式生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備簡(jiǎn)單，省去了軸封，從根本上排除了因軸封不嚴(yán)而造成的染菌②減少了剪切作用對(duì)細(xì)胞的損害③造價(jià)較低，動(dòng)力消耗少，操作成本低，而且噪聲也小。缺點(diǎn)：反應(yīng)器很高，要在室外安裝，而且壓縮空氣要有較高壓力以克服反應(yīng)器內(nèi)液體的靜壓力。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器高位塔式生物反應(yīng)器塔式反應(yīng)器示意圖

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器鼓泡式生物反應(yīng)器鼓泡式生物反應(yīng)器又稱(chēng)空氣攪拌高位反應(yīng)器。其工作原理是壓縮空氣從發(fā)酵罐的底部進(jìn)入，通風(fēng)管或噴嘴使空氣破碎成小氣泡并與發(fā)酵液混合，之后氣泡由于自身的浮力和噴射時(shí)產(chǎn)生的壓力繼續(xù)向發(fā)酵液上部擴(kuò)散。生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器鼓泡式生物反應(yīng)器鼓泡式生物反應(yīng)器

生物化工反應(yīng)單元操作

——生物反應(yīng)器氣升式發(fā)酵罐優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，溶氧系數(shù)高，避