生物反應(yīng)器的學(xué)習(xí)教案

生物反應(yīng)器的學(xué)習(xí)教案第1頁/共55頁生物反應(yīng)器：是指有效利用生物反應(yīng)機(jī)能的系統(tǒng)（或場所），不僅包括傳統(tǒng)得發(fā)酵罐（fermenter）、酶反應(yīng)器，還包括采用固定化技術(shù)后的固定化酶或細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器和光合生物反應(yīng)器等。生物反應(yīng)器：為生物催化劑進(jìn)行反應(yīng)而提供良好反應(yīng)環(huán)境的核心設(shè)備。生物反應(yīng)器的作用：就是為生物體代謝提供一個(gè)優(yōu)化的物理、化學(xué)環(huán)境，使生物體能更快更好地生長，以獲到更多需要地生物量或代謝產(chǎn)物。第2頁/共55頁生物反應(yīng)器的特點(diǎn)生物（酶除外）反應(yīng)都以自催化（autocatalysis）方式進(jìn)行，即在目的產(chǎn)物生成的過程中生物自力要生長繁殖。生物反應(yīng)速率較快，生物反應(yīng)器的體積反應(yīng)速率不高與其他相關(guān)生產(chǎn)規(guī)模的加工過程相比，所需反應(yīng)器體積大對好氧反應(yīng)，因通風(fēng)與混合等，動(dòng)力消耗高產(chǎn)物濃度低第3頁/共55頁高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：設(shè)備簡單，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密良好的液體混合性能，較高的三傳速率易于放大具有配套而又可靠的檢測及控制儀表等判斷生物反應(yīng)器好壞的標(biāo)準(zhǔn)：該裝置能否適合工藝要求，以獲得最大的生產(chǎn)效率。第4頁/共55頁生物反應(yīng)器的分類按有機(jī)體種類：細(xì)胞反應(yīng)器（微生物反應(yīng)器、植物細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器）酶反應(yīng)器。根據(jù)操作方式：間歇操作反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)器和半間歇操作反應(yīng)器。根據(jù)流體宏觀混合狀態(tài)：理想流動(dòng)和非理想流動(dòng)。根據(jù)反應(yīng)器形態(tài)和結(jié)構(gòu)：槽式、塔式、管式和膜式等反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)物系的相態(tài)：均相和多相反應(yīng)器。根據(jù)能量提供方式：機(jī)械攪拌和流體攪拌反應(yīng)器。第5頁/共55頁生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)的要點(diǎn)選擇適宜的生物催化劑。這包括要了解產(chǎn)物在生物反應(yīng)的哪一階段大量生成、適宜的pH和溫度，是否好氧和易受雜菌污染等。確定適宜的反應(yīng)器形式。確定反應(yīng)器規(guī)模、幾何尺寸、操作變量等。傳熱面積的計(jì)算。通風(fēng)與攪拌裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。材料的選擇與確保無菌操作的設(shè)計(jì)。檢驗(yàn)與控制裝置。安全性。經(jīng)濟(jì)性。第6頁/共55頁生物反應(yīng)器的操作模型間歇操作對酶反應(yīng)，培養(yǎng)液一次性全部加入，接種培養(yǎng)一段時(shí)間后，將培養(yǎng)液一次性全部放出；對細(xì)胞反應(yīng)，接種后反應(yīng)到規(guī)定要求。連續(xù)操作反應(yīng)物加入與產(chǎn)物排出是連續(xù)進(jìn)行的半間歇操作介于兩者之間第7頁/共55頁第8頁/共55頁操作模型用一組包括底物、產(chǎn)物和生物量的動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的質(zhì)量衡算方程，來描述在不同操作方式反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)變量隨時(shí)間變化的規(guī)律。對細(xì)胞生長：累積量=進(jìn)入量-流出量+生長量-死亡量對底物消耗：累積量=進(jìn)入量-流出量-反應(yīng)消耗量對產(chǎn)物生成：累積量=進(jìn)入量-流出量+反應(yīng)生成量第9頁/共55頁反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作參數(shù)停留時(shí)間τ反應(yīng)器體積VR

轉(zhuǎn)化率φ=(S0-S)/S0生產(chǎn)能力(生產(chǎn)強(qiáng)度)PX:單位時(shí)間單位體積的細(xì)胞的生產(chǎn)量(kg*m-3*h-1)。第10頁/共55頁間歇操作攪拌反應(yīng)器操作特征：①反應(yīng)過程中與外界無物料交換②反應(yīng)器中各組分濃度僅隨反應(yīng)時(shí)間變化，是非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)過程③物料具有相同停留時(shí)間④反應(yīng)器內(nèi)物料混合充分，不存在濃度和溫度梯度第11頁/共55頁推導(dǎo)對底物S的衡算式：累積速率=-反應(yīng)消耗速率反應(yīng)速率：第12頁/共55頁對于均相酶促催化反應(yīng)第13頁/共55頁單底物酶促反應(yīng)BSTR的反應(yīng)器第14頁/共55頁對于細(xì)胞反應(yīng)減速生長期指數(shù)生長期

分批培養(yǎng)細(xì)胞生長的六個(gè)階段停滯期

加速生長期平衡生長期負(fù)生長期

第15頁/共55頁對數(shù)生長期細(xì)胞生長時(shí)間的計(jì)算對數(shù)生長期，比生長速率達(dá)到最大代入積分式后積分得到第16頁/共55頁對于間歇操作的反應(yīng)器，反應(yīng)物要達(dá)到一定的反應(yīng)程度，僅與過程的速率有關(guān)，而與反應(yīng)器的大小無關(guān)。第17頁/共55頁產(chǎn)率是優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)若以產(chǎn)物濃度最高為目標(biāo)——總產(chǎn)率；若以最大產(chǎn)物生成速率時(shí)為反應(yīng)終止時(shí)間——最大產(chǎn)率。第18頁/共55頁連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器操作特點(diǎn)：進(jìn)出料速率相同，且保持恒定反應(yīng)器內(nèi)變量不隨時(shí)間變化，處于穩(wěn)態(tài)操作反應(yīng)器內(nèi)物料在空間上達(dá)到完全混合，各處物系組成相同。第19頁/共55頁穩(wěn)態(tài)條件下：物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間稀釋率表示單位體積在單位時(shí)間所處理物料的體積第20頁/共55頁保留酶的方法動(dòng)力學(xué)：恒化法與恨濁法第21頁/共55頁帶有細(xì)胞循環(huán)的CSTR第22頁/共55頁紅色表示帶循環(huán)的CSTR黑色表示不帶循環(huán)的CSTR第23頁/共55頁穩(wěn)態(tài)操作各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)為全混流反應(yīng)器之間無返混各反應(yīng)器操作條件相同，得率為常數(shù)第24頁/共55頁連續(xù)活塞流反應(yīng)器平穩(wěn)，等速流動(dòng)，不存在返混，所有微元體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的。返混：反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的微元流體之間的“混合”。CSTR反應(yīng)器可使這種返混的程度達(dá)到最大，常稱為全混流反應(yīng)器；CPFR是另一個(gè)極端，在反應(yīng)器中不存在返混，是活塞流反應(yīng)器。主要用途：對剪切敏感的組織培養(yǎng)過程，廢水處理過程，固定化酶和固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程。優(yōu)點(diǎn)：較高的產(chǎn)率，易優(yōu)化控制第25頁/共55頁第26頁/共55頁帶循環(huán)的CPFR部分細(xì)胞連續(xù)從出口返回選擇最佳的物料循環(huán)速度第27頁/共55頁CSTR型與CPFR型反應(yīng)器性能的比較在相同的工藝條件下進(jìn)行同一反應(yīng)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，兩者所需的停留時(shí)間不同，CSTR型的比CPFR型反應(yīng)器的要長，也就是前者所需的反應(yīng)器體積比后者大。轉(zhuǎn)化率越高，CSTR中所需酶的相對量也就越大。另外，比值還依賴于反應(yīng)級(jí)數(shù)，一級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最大，0級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最小。第28頁/共55頁0級(jí)反應(yīng)時(shí)，CSTR與CPFR內(nèi)酶活力的衰退沒有什么區(qū)別。但如果反應(yīng)從0級(jí)增至一級(jí)，那么，兩種反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得明顯。CPFR產(chǎn)量的下降要比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更為敏感。但是，在某些場合，操作條件相同，要得到同樣的轉(zhuǎn)化率，CSTR所需酶的數(shù)量遠(yuǎn)大于CPFR所需的量。在CPFR中，雖然出口端濃度較低，但在進(jìn)口端，底物濃度較高；CSTR中底物總處于低濃度范圍。如果酶促反應(yīng)速率與底物的濃度成正比，那么對于CSTR而言，由于整個(gè)反應(yīng)器處于低反應(yīng)速率條件下，所以其生產(chǎn)能力也低。第29頁/共55頁CSTR型與CPFR型反應(yīng)器的組合

以反應(yīng)器最小體積為目標(biāo)，當(dāng)Cx<Cxopt時(shí)，采用CSTR有利，當(dāng)Cx>Cxopt時(shí)，采用二者串聯(lián)有利。第30頁/共55頁半間歇式操作的反應(yīng)器底物連續(xù)或分批加入，產(chǎn)物一次性或分批排除。優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)物濃度可調(diào)控適用于多種生物反應(yīng)類型半間歇操作過程：補(bǔ)料分批培養(yǎng)：開始培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)液沒有一次性加足，在培養(yǎng)一定時(shí)間后，根據(jù)培養(yǎng)液營養(yǎng)成分的消耗情況將部分營養(yǎng)成分連續(xù)加入反應(yīng)器內(nèi)（稱之為補(bǔ)料），培養(yǎng)結(jié)束后一次性全部放出。

第31頁/共55頁半間歇操作過程：反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)：又稱為半連續(xù)發(fā)酵，指在補(bǔ)料分批培養(yǎng)中進(jìn)行一段時(shí)間、反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液體積達(dá)到最大無法再繼續(xù)補(bǔ)料時(shí)，將培養(yǎng)液放出一部分，再繼續(xù)補(bǔ)料，隔一段時(shí)間后再放出同樣體積，如此反復(fù)操作，直到最后將培養(yǎng)液一次性全部放出。反復(fù)分批培養(yǎng)：在簡單分批培養(yǎng)即將結(jié)束時(shí)，放出大部分的培養(yǎng)液，余下少量作為種子液，補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)液后再重新培養(yǎng)，如此反復(fù)直至培養(yǎng)不能再延續(xù)時(shí)，再將發(fā)酵液全部放出。

第32頁/共55頁底物恒速流加模型假設(shè)條件：完全混合、單底物限制平衡生長、產(chǎn)率系數(shù)恒定。進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)時(shí)：D=μ。細(xì)胞的生長進(jìn)入基質(zhì)限制生長狀態(tài)，V隨加料而增加，D下降，μ也下降，細(xì)胞生長比速率隨時(shí)間嚴(yán)重下降。總的細(xì)胞質(zhì)量隨時(shí)間呈線性增加。在S很大而F很小時(shí)，即以很小的流率以很濃的基質(zhì)作為補(bǔ)料液時(shí)，則μ>D,細(xì)胞的生長速率受流加速率控制，這在實(shí)際操作中是經(jīng)常用到的。第33頁/共55頁底物指數(shù)流加模型加入基質(zhì)速率隨時(shí)間呈指數(shù)變化控制策略是控制基質(zhì)濃度在反應(yīng)過程中保持恒定濃度不變時(shí)的底物衡算式：F(t)與t成指數(shù)關(guān)系第34頁/共55頁反應(yīng)-分離偶合操作的反應(yīng)器解決產(chǎn)物抑制問題。兩種類型：加入分離劑；外部分離器。反應(yīng)-膜分離偶合反應(yīng)-萃取偶合選擇分離介質(zhì)的偶合過程氣提和減壓分離的偶合過程第35頁/共55頁機(jī)械攪拌槽式反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)的三類主要裝置：混合裝置——物料混合；破碎和分散氣泡；懸浮固相物料。通氣裝置——導(dǎo)入氧氣傳熱裝置——冷卻或加熱第36頁/共55頁攪拌裝置生物反應(yīng)器中常使的攪拌器型式有：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式攪拌槳和柵狀攪拌槳等。另外，翼型槳也已開始廣泛應(yīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)，并取得較好效果。軸流式攪拌器——葉面與軸成一定角度徑向流攪拌器——葉面平行于攪拌軸第37頁/共55頁

反應(yīng)器內(nèi)擋板有利于次生流的產(chǎn)生，最佳的擋板設(shè)計(jì)數(shù)目可根據(jù)以下公式：第38頁/共55頁反應(yīng)器的傳遞特性反應(yīng)液的流變與剪切特性攪拌功率氧的傳遞特性熱量的傳遞特性描述？第39頁/共55頁反應(yīng)器的混合特性單一液相混合、液-液混合等不同相態(tài)混合。依據(jù)混合發(fā)生的空間尺度，有宏觀混合與微觀混合之分。如果物料體系中微團(tuán)之間不發(fā)生物質(zhì)交換，可稱為宏觀流體；如果混合達(dá)到分子水平，即達(dá)到最大限度的微觀混合，則可稱為微觀流體。第40頁/共55頁宏觀混合的定量描述用物料微元體的停留時(shí)間分布函數(shù)表示示蹤應(yīng)答法兩個(gè)重要參數(shù)：t，σ2

01停留時(shí)間分布窄平推流停留時(shí)間分布寬全混流第41頁/共55頁槽列模型擴(kuò)散模型組合模型第42頁/共55頁微觀混合的定量描述微觀混合通常用混合程度m和混合時(shí)間tm兩個(gè)參數(shù)表示。tm為達(dá)到m時(shí)的值，一般采用0.95或0.99。第43頁/共55頁機(jī)械攪拌反應(yīng)器的混合模型分室模型再循環(huán)模型第44頁/共55頁氣體攪拌塔式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器的不同在于無機(jī)械攪拌特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單；氧傳遞效率高；耗能低；減少了剪切作用對細(xì)胞的損害；排除了軸封易染菌的困難；安裝維修方便等。適于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)和廢水生物處理。第45頁/共55頁鼓泡式反應(yīng)器鼓泡塔式發(fā)酵罐由塔體、篩板、空氣分布器、降液管組成壓縮空氣由罐底導(dǎo)入，經(jīng)空氣分布器后，穿過篩板氣孔，逐板上升。發(fā)酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過程中，密度小的含氣發(fā)酵液也隨之上升，上升后的發(fā)酵液釋放空氣泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，從而形成循環(huán)。空氣泡的上升和發(fā)酵液的循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生氣液混合效果，促進(jìn)了氧氣的溶解。第46頁/共55頁第47頁/共55頁氣升式反應(yīng)器由罐體、導(dǎo)流筒、循環(huán)管、空氣噴嘴等部件組成。在氣升式發(fā)酵罐中沒有機(jī)械攪拌器及相關(guān)裝置，采用高速氣流和密度差帶動(dòng)發(fā)酵液流動(dòng)、混合。分為內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)兩種。（內(nèi)循環(huán)）工作原理：在罐內(nèi)裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底及罐上部相連接，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設(shè)空氣噴口，空氣自噴口噴出后，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液輕，加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能，使上升管的液體上升，其它液體下降而進(jìn)入上升管，形成反復(fù)的循環(huán)，供給發(fā)酵液所耗的溶解氣量，使發(fā)酵正常進(jìn)行。

第48頁/共55頁流動(dòng)特性升、降液管中氣含率不同導(dǎo)致的流體密度差是流體循環(huán)的主要?jiǎng)恿?，通氣率大小是影響流體速度的重要因素。升、降液管的橫切面積相對大小對循環(huán)速度也產(chǎn)生影響。升液管內(nèi)氧含量豐富，細(xì)胞生長旺盛；降液管氧含量下降，易產(chǎn)生缺氧。液體微元體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)一周所需時(shí)間為一個(gè)循環(huán)周期，循環(huán)速度？第49頁/共55頁升液管內(nèi)液體上升速度：循環(huán)周期：VL——反應(yīng)液總體積VLR——升液管內(nèi)液體循環(huán)流量第50頁/共55頁傳遞參數(shù)氣含率大小與通氣速率、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和液體性質(zhì)等因素有關(guān)。傳質(zhì)系數(shù)，主要取決于氣體表觀線速度氣升式反應(yīng)器不同部位的剪切力：導(dǎo)流筒下部剪切力最大，升液管中次