第三章-生物反應器設計和操作基礎課件

第三章生物反應器設計和操作基礎第三章生物反應器設計和操作基礎1第一節(jié)生物反應器生物反應器:構造一個適宜生物體生長和形成產(chǎn)物的環(huán)境，并能促進生物體的新陳代謝，使其能在低消耗下獲得較高產(chǎn)量設備。第一節(jié)生物反應器生物反應器:2生物反應器在生物工程過程地位生物反應器在生物工程過程地位3一、生物反應器設計和操作的目標生物反應器設計和操作的主要目標是使產(chǎn)品的質量高，成本低。在生物工程過程中生產(chǎn)成本主要決定于原料成本、操作成本，投資成本。如：一、生物反應器設計和操作的目標4根據(jù)生物轉化過程中生產(chǎn)成本的主要方面，可以生物轉化過程分為三類：（1)轉化成本和原料成本為主，如面包酵母、酒精等的生產(chǎn)；（2)回收成本為主，如氨基酸，抗生素的生產(chǎn)；（3)以底物的轉化成本為主，如廢水處理。根據(jù)生物轉化過程中生產(chǎn)成本的主要方面，可以生物轉化過程分為三5二、生物反應器設計和操作的限制因素在生物催化劑的濃度和比活力都很高時，傳質和傳熱將成為提高反應器生產(chǎn)能力的限制因素。二、生物反應器設計和操作的限制因素在生物催化6圖3—2生物反應器生產(chǎn)能力的限制因素圖3—2生物反應器生產(chǎn)能力的限制因素7三、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來發(fā)展方向1、3、開發(fā)和應用特殊用途的和具有特殊性改進生物反應器中熱量、質量傳遞的方法和裝置就成為生物反應器開發(fā)的趨勢。2、生物反應器正向大型化和自動化方向發(fā)展。能的生物反應器。4、連續(xù)生物反應器開發(fā)。5、把生物反應器和后面的產(chǎn)物回收過程聯(lián)系起來將行合理開發(fā)。三、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來發(fā)展方向1、3、開發(fā)和應用特8四、生物反應器的類型(1)厭氣生物反應器：發(fā)酵過程不需要通人氧氣或空氣，有時可能通入二氧化碳或氮氣等惰性氣體以保持罐內正壓，防止染菌，以及提高厭氧控制水平。此類反應器有酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐、沼氣發(fā)酵罐(池)、雙歧桿菌厭氧反應器等。(2)通氣生物反應器：又可分為攪拌式、氣升式、自吸式等；前兩者需要在反應過程中通人氧氣或空氣，后者則可自行吸人空氣滿足反應要求。攪拌式反應器靠攪拌器提供動力使物料循環(huán)、混合，氣升式則以通入的空氣上升產(chǎn)生動力，自吸式反應器是利用特殊攪拌葉輪在攪拌過程中產(chǎn)生真空而將空氣吸人反應器內，毋須另外供氣動力。四、生物反應器的類型(1)厭氣生物反應器：發(fā)酵過程不需要通人9(3)光照生物反應器：反應器殼體部分或全部采用透明材料，以便光可照射到反應物料，進行光合作用反應。一般配有照射光源，白天可直接利用太陽光。(4)膜生物反應器：反應器內安裝適當?shù)牟考鳛樯锬さ母街w，或者用超濾膜(如中空纖維等)將細胞控制在某一區(qū)域內進行反應。(3)光照生物反應器：反應器殼體部分或全部采用透明材料，以便10第二節(jié)生物反應動力學基礎生物反應動力學是研究生物反應速度的規(guī)律。在研究動力學特性時一般是要研究細胞生長速率、基質利用速率和產(chǎn)物生產(chǎn)速率的變化規(guī)律，以便對培養(yǎng)過程作有效的控制，從而提高產(chǎn)品（細胞或其代謝物）的產(chǎn)率以降低生產(chǎn)成本。第二節(jié)生物反應動力學基礎生物反應動力學是研究生物反應速11一、分批培養(yǎng)中細胞的生長圖3－3分批培養(yǎng)中細胞濃度的變化1－延遲期；2－指數(shù)生長期；3－減速期；4－靜止期；5－衰亡期細胞濃度的變化率與細胞濃度成正比：

X——細胞濃度，kg（干重）/m3；t——時間，s；μ——比生長速率，1/s一、分批培養(yǎng)中細胞的生長圖3－3分批培養(yǎng)中細胞濃度的變化12二、分批培養(yǎng)中基質的消耗1．得率系數(shù)細胞對于消耗掉的基質的得率系數(shù)可用下式表示：

產(chǎn)物對于消耗基質的得率系數(shù)

二、分批培養(yǎng)中基質的消耗132．基質消耗速率2．基質消耗速率14三、產(chǎn)物的生成產(chǎn)物的生成與細胞的生成相關

產(chǎn)物的生成與細胞的生成與細胞的生長部分相關三、產(chǎn)物的生成15第三節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質氧是一種難溶氣體，在常壓和25℃時，空氣中的氧在純水中的溶解度只有0.25mol/m3，在培養(yǎng)基中的溶解度則更小。據(jù)研究結果，工業(yè)發(fā)酵常用的微生物的比呼吸速率約為0.1～0.4kg（O2）/[h·kg(干細胞)]，而由糖等底物轉化成細胞，則需氧量為1kg（O2）/[h·kg(增殖細胞)]左右。由此可見，培養(yǎng)液中需要的氧量遠大于氧的溶解量。第三節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質氧是16機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質1、氣—液相間的溶氧傳質理論氧由空氣泡傳遞到生物細胞可分成幾步進行：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞到氣—液界面上。(2)氧分子由氣相側通過擴散穿過界面．(3)在界面液相側通過液相滯流層傳遞到液相主體。(4)在液相主體中進行傳遞．(5)擴散通過生物細胞表面的液相滯流層傳遞進入生物細胞內．

機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質1、氣—液相間的溶氧傳質理17氣—液相間的溶氧傳質過程和阻力圖3—7氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖1、從氣相主體到氣液界面的氣膜傳遞阻力；2、氣液界面的傳遞阻力3、從氣液界面通過液膜的傳遞阻力；4、液相主體的傳遞阻力；6．細胞或細胞團表面的液膜阻力；6、固液界面的傳遞阻力；7，細胞團內的傳遞阻力：8．細胞壁的阻力；9．反應阻力氣—液相間的溶氧傳質過程和阻力圖3—7氧從氣泡到細胞的傳18據(jù)傳質理論分析和實驗研究結果證明溶氧傳質的總推動力就是氣相與細胞內的氧濃度之差，在大多數(shù)的通氣發(fā)酵場合，氧由氣泡傳遞到液相中是生物通氣發(fā)酵過程中的限速步驟。在實際的生物反應系統(tǒng)，溶氧濃度是細胞的耗氧速率(OUR)和氧傳遞溶氧速率(OTR)的函數(shù)。據(jù)傳質理論分析和實驗研究結果證明溶氧傳質的總19OTROUR溶氧濃度OTROUR溶氧濃度20單位體積培養(yǎng)液溶氧速率為：

單位體積培養(yǎng)液溶氧速率為：212．機械攪拌通風發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)

體積溶氧系數(shù)的主要因素有：(1)操作條件，如攪拌轉速。通氣量等．(2)發(fā)酵罐的結構及幾何參數(shù)，如體積。通氣方法、攪拌葉輪結構和尺寸等．(3)物料的物化性能，如擴散系敷、表面張力，密度、粘度、培養(yǎng)基成分及特性等

2．機械攪拌通風發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)221．操作條件的影響

式中：Pg為通氣時的攪拌功率，V為培養(yǎng)液的體積，ws為通氣的表觀線速度（ws=空氣流量/反應器橫截面積），K為常數(shù)，它的因次與α、β的具體數(shù)值有關，Cooper等在小型通氣攪拌罐（液量3～65L）中，采用亞硫酸氧化法測定KLa，研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.671．操作條件的影響23研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.67，這說明增大攪拌功率的效果更為明顯。在通氣攪拌操作中，并非通氣量越大KLa就一定越大，實際上通氣量的影響有一定的限度，如果超過這一限度，攪拌器就不能有效地將空氣泡分散到液體中，而在大量氣泡中空轉，發(fā)生所謂“過載”的現(xiàn)象。這時，攪拌功率會大大下降，KLa也不能提高（圖3－8）。當然攪拌功率也不是越大越好，因為過于激烈的攪拌，產(chǎn)生很大的剪切作用，可能對所培養(yǎng)的細胞造成傷害。動植物細胞對剪切極為敏感，對這一點在設計培養(yǎng)裝置時更應注意。另外，激烈的攪拌還會產(chǎn)生大量攪拌熱，加重傳熱的負擔。研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.624第三章-生物反應器設計和操作基礎課件25α、β的值受培養(yǎng)裝置的規(guī)模、攪拌器的形式α、β的值受培養(yǎng)裝置的規(guī)模、攪拌器的形式262．液體性質的影響兩個攪拌葉輪的小型玻璃發(fā)酵罐、牛頓流體

Di——攪拌器直徑，m；N——攪拌器轉速，1/s；ρ——液體密度，kg/m3。σ——界面張力，N/mWS——表觀氣速，m/s2．液體性質的影響273、其他因素的影響（1）表面活性劑（2）離子強度（3）細胞3、其他因素的影響28（1）表面活性劑培養(yǎng)液中，消沫用的油脂等是具有親水端和疏水端的表面活性物質，它們分布在氣液界面，增大傳遞阻力，使KL下降。圖3－9表明在水中加入表面活性劑月桂基磺酸鈉后對KLa，KL和dB（氣泡直徑）的影響。（1）表面活性劑培養(yǎng)液中，消沫用的油脂等是具有親29氣泡直徑圖3－9表面活性劑月桂基磺酸濃度對KLa、KL和dB的影響加入消沫劑消沫會改變氧分壓與kLa關系氣圖3－9表面活性劑月桂基磺酸濃度對KLa、KL和dB的30（2）離子強度在電解質溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。Zlokarnik指出，在同一氣－液接觸反應器中，在同樣的操作條件下，電解質溶液的KLa比水大，而且隨電解質濃度的增加，KLa也有較大的增加。（2）離子強度31圖3－10電解質溶液濃度對KLa的影響圖3－10電解質溶液濃度對KLa的影響32（3）細胞培養(yǎng)液中細胞濃度的增加，會使KLa變小，圖3－11是黑曲霉?jié)舛扰cKLa的關系。細胞的形態(tài)對KLa的影響也很顯著。（3）細胞33體積溶氧系數(shù)的計算公式是多用相似理論導出的，常用有：

體積溶氧系數(shù)的計算公式是多用相似理論導出的，常用34第三章生物反應器設計和操作基礎第三章生物反應器設計和操作基礎35第一節(jié)生物反應器生物反應器:構造一個適宜生物體生長和形成產(chǎn)物的環(huán)境，并能促進生物體的新陳代謝，使其能在低消耗下獲得較高產(chǎn)量設備。第一節(jié)生物反應器生物反應器:36生物反應器在生物工程過程地位生物反應器在生物工程過程地位37一、生物反應器設計和操作的目標生物反應器設計和操作的主要目標是使產(chǎn)品的質量高，成本低。在生物工程過程中生產(chǎn)成本主要決定于原料成本、操作成本，投資成本。如：一、生物反應器設計和操作的目標38根據(jù)生物轉化過程中生產(chǎn)成本的主要方面，可以生物轉化過程分為三類：（1)轉化成本和原料成本為主，如面包酵母、酒精等的生產(chǎn)；（2)回收成本為主，如氨基酸，抗生素的生產(chǎn)；（3)以底物的轉化成本為主，如廢水處理。根據(jù)生物轉化過程中生產(chǎn)成本的主要方面，可以生物轉化過程分為三39二、生物反應器設計和操作的限制因素在生物催化劑的濃度和比活力都很高時，傳質和傳熱將成為提高反應器生產(chǎn)能力的限制因素。二、生物反應器設計和操作的限制因素在生物催化40圖3—2生物反應器生產(chǎn)能力的限制因素圖3—2生物反應器生產(chǎn)能力的限制因素41三、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來發(fā)展方向1、3、開發(fā)和應用特殊用途的和具有特殊性改進生物反應器中熱量、質量傳遞的方法和裝置就成為生物反應器開發(fā)的趨勢。2、生物反應器正向大型化和自動化方向發(fā)展。能的生物反應器。4、連續(xù)生物反應器開發(fā)。5、把生物反應器和后面的產(chǎn)物回收過程聯(lián)系起來將行合理開發(fā)。三、生物反應器開發(fā)的趨勢和未來發(fā)展方向1、3、開發(fā)和應用特42四、生物反應器的類型(1)厭氣生物反應器：發(fā)酵過程不需要通人氧氣或空氣，有時可能通入二氧化碳或氮氣等惰性氣體以保持罐內正壓，防止染菌，以及提高厭氧控制水平。此類反應器有酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐、沼氣發(fā)酵罐(池)、雙歧桿菌厭氧反應器等。(2)通氣生物反應器：又可分為攪拌式、氣升式、自吸式等；前兩者需要在反應過程中通人氧氣或空氣，后者則可自行吸人空氣滿足反應要求。攪拌式反應器靠攪拌器提供動力使物料循環(huán)、混合，氣升式則以通入的空氣上升產(chǎn)生動力，自吸式反應器是利用特殊攪拌葉輪在攪拌過程中產(chǎn)生真空而將空氣吸人反應器內，毋須另外供氣動力。四、生物反應器的類型(1)厭氣生物反應器：發(fā)酵過程不需要通人43(3)光照生物反應器：反應器殼體部分或全部采用透明材料，以便光可照射到反應物料，進行光合作用反應。一般配有照射光源，白天可直接利用太陽光。(4)膜生物反應器：反應器內安裝適當?shù)牟考鳛樯锬さ母街w，或者用超濾膜(如中空纖維等)將細胞控制在某一區(qū)域內進行反應。(3)光照生物反應器：反應器殼體部分或全部采用透明材料，以便44第二節(jié)生物反應動力學基礎生物反應動力學是研究生物反應速度的規(guī)律。在研究動力學特性時一般是要研究細胞生長速率、基質利用速率和產(chǎn)物生產(chǎn)速率的變化規(guī)律，以便對培養(yǎng)過程作有效的控制，從而提高產(chǎn)品（細胞或其代謝物）的產(chǎn)率以降低生產(chǎn)成本。第二節(jié)生物反應動力學基礎生物反應動力學是研究生物反應速45一、分批培養(yǎng)中細胞的生長圖3－3分批培養(yǎng)中細胞濃度的變化1－延遲期；2－指數(shù)生長期；3－減速期；4－靜止期；5－衰亡期細胞濃度的變化率與細胞濃度成正比：

X——細胞濃度，kg（干重）/m3；t——時間，s；μ——比生長速率，1/s一、分批培養(yǎng)中細胞的生長圖3－3分批培養(yǎng)中細胞濃度的變化46二、分批培養(yǎng)中基質的消耗1．得率系數(shù)細胞對于消耗掉的基質的得率系數(shù)可用下式表示：

產(chǎn)物對于消耗基質的得率系數(shù)

二、分批培養(yǎng)中基質的消耗472．基質消耗速率2．基質消耗速率48三、產(chǎn)物的生成產(chǎn)物的生成與細胞的生成相關

產(chǎn)物的生成與細胞的生成與細胞的生長部分相關三、產(chǎn)物的生成49第三節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質氧是一種難溶氣體，在常壓和25℃時，空氣中的氧在純水中的溶解度只有0.25mol/m3，在培養(yǎng)基中的溶解度則更小。據(jù)研究結果，工業(yè)發(fā)酵常用的微生物的比呼吸速率約為0.1～0.4kg（O2）/[h·kg(干細胞)]，而由糖等底物轉化成細胞，則需氧量為1kg（O2）/[h·kg(增殖細胞)]左右。由此可見，培養(yǎng)液中需要的氧量遠大于氧的溶解量。第三節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質氧是50機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質1、氣—液相間的溶氧傳質理論氧由空氣泡傳遞到生物細胞可分成幾步進行：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞到氣—液界面上。(2)氧分子由氣相側通過擴散穿過界面．(3)在界面液相側通過液相滯流層傳遞到液相主體。(4)在液相主體中進行傳遞．(5)擴散通過生物細胞表面的液相滯流層傳遞進入生物細胞內．

機械攪拌通風發(fā)酵罐的通風與溶氧傳質1、氣—液相間的溶氧傳質理51氣—液相間的溶氧傳質過程和阻力圖3—7氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖1、從氣相主體到氣液界面的氣膜傳遞阻力；2、氣液界面的傳遞阻力3、從氣液界面通過液膜的傳遞阻力；4、液相主體的傳遞阻力；6．細胞或細胞團表面的液膜阻力；6、固液界面的傳遞阻力；7，細胞團內的傳遞阻力：8．細胞壁的阻力；9．反應阻力氣—液相間的溶氧傳質過程和阻力圖3—7氧從氣泡到細胞的傳52據(jù)傳質理論分析和實驗研究結果證明溶氧傳質的總推動力就是氣相與細胞內的氧濃度之差，在大多數(shù)的通氣發(fā)酵場合，氧由氣泡傳遞到液相中是生物通氣發(fā)酵過程中的限速步驟。在實際的生物反應系統(tǒng)，溶氧濃度是細胞的耗氧速率(OUR)和氧傳遞溶氧速率(OTR)的函數(shù)。據(jù)傳質理論分析和實驗研究結果證明溶氧傳質的總53OTROUR溶氧濃度OTROUR溶氧濃度54單位體積培養(yǎng)液溶氧速率為：

單位體積培養(yǎng)液溶氧速率為：552．機械攪拌通風發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)

體積溶氧系數(shù)的主要因素有：(1)操作條件，如攪拌轉速。通氣量等．(2)發(fā)酵罐的結構及幾何參數(shù)，如體積。通氣方法、攪拌葉輪結構和尺寸等．(3)物料的物化性能，如擴散系敷、表面張力，密度、粘度、培養(yǎng)基成分及特性等

2．機械攪拌通風發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)561．操作條件的影響

式中：Pg為通氣時的攪拌功率，V為培養(yǎng)液的體積，ws為通氣的表觀線速度（ws=空氣流量/反應器橫截面積），K為常數(shù)，它的因次與α、β的具體數(shù)值有關，Cooper等在小型通氣攪拌罐（液量3～65L）中，采用亞硫酸氧化法測定KLa，研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.671．操作條件的影響57研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.67，這說明增大攪拌功率的效果更為明顯。在通氣攪拌操作中，并非通氣量越大KLa就一定越大，實際上通氣量的影響有一定的限度，如果超過這一限度，攪拌器就不能有效地將空氣泡分散到液體中，而在大量氣泡中空轉，發(fā)生所謂“過載”的現(xiàn)象。這時，攪拌功率會大大下降，KLa也不能提高（圖3－8）。當然攪拌功率也不是越大越好，因為過于激烈的攪拌，產(chǎn)生很大的剪切作用，可能對所培養(yǎng)的細胞造成傷害。動植物細胞對剪切極為敏感，對這一點在設計培養(yǎng)裝置時更應注意。另外，激烈的攪拌還會產(chǎn)生大量攪拌熱，加重傳熱的負擔。研究通氣和攪拌的影響，得出α＝0.95，β＝0.658第三章-生物反應器設計和操作基礎課件59α