第七章 生物反應器

1、7.1 生化反應器的設計基礎生物反應器設計的主要目標是使產(chǎn)品的質量高，成本低。生物反應器處于生物過程的中心，它常是影響整個過程的經(jīng)濟效益的一個重要方面。生物反應器歷史簡介n生物反應器這一術語出現(xiàn)的時間不長，但人們利用生物反應器進行有用物質生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時使用的容器就是最初的生物反應器。n20世紀40年代是生物反應器的開發(fā)、研制和應用獲得迅速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應器稱為“發(fā)酵罐”（fermenter）n20世紀70年代，Atkinson提出了生化反應器（biochemical reactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應器、處理廢

2、水用反應器等。n同一時期，Ollis提出了另一術語生物反應器（biological reactor） 。 n20世紀80年代，生物反應器（bioreactor)一詞在專業(yè)期刊與書籍中大量出現(xiàn)。生物反應器的定義n生物反應器，bioreactor是bio與reactor的組合詞，是指有效利用生物反應機能的系統(tǒng)（或場所）。n生物反應器不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反應器，還包括采用固定化技術后的固定化酶或細胞反應器、動植物細胞培養(yǎng)用反應器和光合生物反應器等。生物反應器中的傳遞過程n生物工業(yè)中的不同生產(chǎn)工段，都包含有物質傳遞過程，如上游操作中的原料預處理，生化反應器的操作與控制，下游操作中的產(chǎn)品回收。n生物

3、反應系統(tǒng)中，反應物（基質）從反應液主體到生物催化劑（微生物細胞、固定化酶或細胞等）表面的傳遞過程對生物反應過程影響很大，特別是基質的傳遞速率低于生物催化劑的反應速率時，生物催化劑的催化效率將受到基質傳遞速率的限制。在一些發(fā)酵過程，如SCP和多糖發(fā)酵中，產(chǎn)物的生成速率可通過提高限制性基質的傳遞速率來加以改善。生物反應過程的主要參數(shù)n由于生物反應過程中涉及的質量傳遞過程問題十分復雜，下面通過對生物反應過程中主要相關參數(shù)的舉例，來研究生物反應器的傳遞過程研究。根據(jù)參數(shù)的性質特點，可以分為三大類：物理參數(shù)、化學參數(shù)及間接參數(shù)。1.物理參數(shù)主要有溫度、壓力、攪拌轉速、通氣流量、泡沫水平以及基質、培養(yǎng)液的

4、性質等。2.化學參數(shù)主要有pH值、溶解氧濃度、氧 化還原電位、溶解CO2濃度、排氣O2分壓、排氣CO2分壓等。3.間接參數(shù)主要有攝氧率(OUR)、二氧化碳生成率（CER）、呼吸商（RQ）、體積氧傳遞系數(shù)、氧利用率、生物熱等。這些參數(shù)可以通過傳感器或其他檢測系統(tǒng)以各種方式把非電量轉化成電量變化，就能很方便地通過二次儀表顯示，記錄或送電子計算機處理或控制?，F(xiàn)在應用計算機來更好的控制生物反應過程是生物反應器設計的重要方面之一。生物反應過程的最優(yōu)控制n隨著生化工程技術的迅速發(fā)展，人們對生物反應器的控制系統(tǒng)也就提出了越來越高的要求，例如考慮怎樣控制溫度、pH、通氣速率等微生物培養(yǎng)的環(huán)境條件而獲得最好的效

5、果，產(chǎn)量最高、利潤最高和能耗最低而相對應的最佳操作等一系列優(yōu)化問題。1.對受控的實際系統(tǒng)定義一個目標函數(shù)。2.了解過去、現(xiàn)在和將來對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的全部環(huán)境因素，建立數(shù)學模型。3.了解相應于這個目標函數(shù)的現(xiàn)時刻的系統(tǒng)狀態(tài)。4.按上述目標函數(shù)的定義，數(shù)學模型，現(xiàn)時狀態(tài)的知識確定最優(yōu)控制策略。生物反應器開發(fā)的趨勢與未來方向1.開發(fā)比活力和選擇性高的生物催化劑占據(jù)重要地位，利用基因工程技術改變酶的初級結構，實現(xiàn)生物細胞的定向改造是主要途徑。2.生物反應器的性能常極大地受到熱質傳遞能力的限制，必須改進生物反應器中熱質傳遞的方法和設備。3.生物反應器正向大型化和自動化方向發(fā)展，反應器的自動檢測和控制系統(tǒng)使

6、反應器在最佳條件下操作成為可能，隨著生物工程的日漸成熟和迅速發(fā)展，自動檢測與控制系統(tǒng)將會發(fā)揮越來越重要作用。一機械攪拌式發(fā)酵罐 罐 體: H/D=23;d/D=1/31/2 B/D=1/81/12;B/d=0.81攪拌器:渦輪式(六平葉、六彎葉或六箭葉)、螺旋槳式、平漿式;粉碎氣體,攪拌流體 擋板：防止產(chǎn)生漩渦,四片空氣分布器:單孔或環(huán)狀管換熱器：夾套，蛇管軸：大型底部伸入二自吸式發(fā)酵罐 利用攪拌器旋轉吸入空氣，攪拌器為空心葉輪，葉輪旋轉時液體被甩出，葉輪中形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內。空心葉輪與吸氣管間用雙端面密封裝置，液體深度和罐壓有所限制，采用大面積低阻力的高效空氣過濾器。三鼓泡式

7、發(fā)酵罐 無攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升時帶動液體，產(chǎn)生混合效果,H/D=7 空氣進入后停留時間長，設有多層篩板，對上升氣泡阻擋，延長停留時間，并分散氣泡，降液管有助于液體循環(huán) 特點：結構簡單，造價較低，動力消耗少，操作成本低，噪聲小。室外安裝，空氣有較高壓力克服罐內液體的靜壓力。適合于培養(yǎng)液粘度低，含固量少、需氧量較低的發(fā)酵過程 四氣升式發(fā)酵罐 無攪拌裝置，罐外設液體循環(huán)管，或在罐內設拉力筒或垂直隔板。通入空氣的一側，液體的密度下降而上升，不通氣的液體密度較大而下降 特點：能耗低，液體的剪切力小，結構簡單，無需機械密封，避免了雜菌污染 7.2 酶反應器7.2.1 酶反應器及其操作參數(shù)n

8、酶反應器的分類n操作參數(shù)1.酶反應器的選擇1酶反應器分類(1)活塞流CPFR (Continuous Plug Flow Reactor)全混式生物反應器(2)全混式CSTR (Continuous-Flow Stirred Tank Reactor)2.操作參數(shù)(1) 停留時間物料進入反應器至離開反應器的時間。a.分批式攪拌罐：停留時間=反應時間b.CPFR：停留時間=反應時間c.CSTR：平均停留時間=V/F(2) 轉化率x底物發(fā)生轉化的分數(shù)：x=(S0-St)/S0(3) 生產(chǎn)能力Pr單位時間、單位反應器生產(chǎn)的產(chǎn)物量。a.分批式攪拌罐：Pr=Pt/tPt：單位體積反應液t時刻產(chǎn)物的量b.

9、連續(xù)操作： Pr=Pout/Pout：單位體積流出液中產(chǎn)物的量(4) 選擇性Sp能夠轉變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的底物變化總量中，能夠轉化為目的產(chǎn)物的比率。7.2.2 理想的酶反應器n活塞流式-CPFRn攪拌式-CSTRn比較1.CPFR(1)特點反應器的各截面上，物料時間不隨時間變化；反應器軸向各處濃度不同；徑向沒有濃度梯度。(2)物料衡算流入量流入量=流出量流出量+反應量反應量+積累量積累量 FS=F(S+dS)-rsdV+0- FdS=-rsdVFVFdVrSdskFVkSSFVSSkSkSdrSdslnln100FVFdVrSds對于一級反應對于一級反應max00maxmax00maxmax00ma

10、xmaxlnlnlnrSSSSrkFVrSSSSrkFVrSSSSrkSkSrSdrSdmmmmsFVFdVrSds對于一般反應對于一般反應2.CSTR全混式生物反應器(2)物料衡算流入量流入量=流出量流出量+反應量反應量+積累量積累量 FS0=FSt-rsV+0F(S0-St)=-rsV=(S0-St)/-rsmax0max00SrSSSkSkSrSSrSSFVtmmtst3.比較n停留時間n酶的需求量n酶的穩(wěn)定性n酶濃度分布srSdFV7.3 通風發(fā)酵設備7.3.1 機械攪拌式發(fā)酵罐n通用式發(fā)酵罐（圖7-9）1.幾何尺寸及操作條件642DhDVbb封頭容積VbHDVc24圓筒容積Vc642

11、DhHDVVVbcbo公稱容積Von機械攪拌通風發(fā)酵罐的混合與攪拌（1）攪拌器的型式與攪拌流型）攪拌器的型式與攪拌流型（2）攪拌功率的計算）攪拌功率的計算影響因素： 攪拌器的直徑Di，攪拌轉速N，液體密度，液體粘度重力加速度g，攪拌罐直徑D，液柱高度HL，擋板條件（寬度、數(shù)量）P=f(Di，N ， ， ， g)對牛頓型流體， 功率準數(shù)Np=KRxemFyrm其中，Rem-攪拌雷諾準數(shù) Frm-攪拌弗魯特準數(shù) K-與攪拌器型式、反應器幾何尺寸有關的常數(shù)yixiigDNNDKDNP2253在全擋板條件下，液面不產(chǎn)生中心下降的漩渦，此時y=0，Np僅是攪拌雷諾準數(shù)的函數(shù)。當攪拌雷諾準數(shù)小于10，x=-1，液體處于滯流狀態(tài)，Np=KR-1em當攪拌雷諾準數(shù)大于104，液體處于湍流狀態(tài)，Np=K，即53iDKNP 條件下測定的。在10, 1, 3, 3BDDCDHDDiiLi當不滿足以上條件時，需做出修正：P*=fP*313*3iLiiLiiLiiLiDHDD