反应器设计.doc

第九章 反应器设计9.1 概述19.2反应器的分类和结构特点39.3 发酵罐设计与分析69.5 其他反应器139.1 概述 生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，确定各种结构参数，即确定反应器的内部结构及几何尺寸、搅拌器形式、大小及转速、换热方式及换热面积等；（3）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。生物反应器设计的基本要求：（1）避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连；（2）法兰应尽量少；（3）尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光；（4）避免产生凹陷和裂缝；（5）设备各部件能分别进行灭菌；（6）反应器的接口处用蒸汽封口；（7）阀门要易清洗，易使用，易灭菌；（8）反应器内易保持一定正压；（9）为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。9.2反应器的分类和结构特点由于生物催化剂种类和生产目的的多样性，生物反应器种类繁多。不同的生物反应器在结构和操作方式上具有不同的特点。根据生物反应器的结构和操作方式的某些特征，可以从不同角度对其进行分类。9.2.1根据反应器的操作方式分类根据反应器的操作方式不同，可将生物反应器分为间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半连续式（流加）生物反应器。间歇式反应器，其基本特征是：反应物料一次性加入、一次性卸出，反应器内物系的组成仅随时间而变化，属于一种非稳态过程。间歇式反应器适用于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程，可以经常进行灭菌操作。在实际应用中，由于间歇培养不会产生严重的染菌问题、因周期短而较适合于遗传变异性大的细胞、对过程控制的要求较低、能适应培养细胞株和产物经常变化的需要，因此是应用最广泛的操作模式。采用连续操作的反应器被称为连续式反应器，这一操作方式的特点是原料连续流入反应器，反应产物则连续从反应器流出。反应器内任何部位的物系组成均不随时间变化，故属于稳态操作。连续操作反应器一般具有产品质量稳定、生产效率高等优点，因而适合于大批量生产。半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中一种为连续输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半连续式反应器或流加式反应器。半连续操作同时兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作。9.2.2根据催化剂分类生物催化剂包括酶和细胞两大类，相应地，生物反应器也可以分为酶反应器和细胞反应器。酶催化反应与一般的化学反应并无本质的区别，催化剂本身不会因为反应而增加，但是酶催化反应的条件更加温和。酶催化反应器的结构往往与化学反应器类似，且通常不需要太高的温度和压力。游离酶催化常采用搅拌罐反应器，固定化酶催化除了搅拌罐反应器外，常选择固定床反应器，近年来，酶膜反应器的应用正在日益增多。细胞培养过程是典型的自催化过程，细胞本身既是催化剂，同时又是反应的主要产物之一。因此，催化剂的量是随反应的进行而不断增大的。对于这种活的催化剂，在反应过程中保持细胞的生长和代谢活性是对反应器设计的最基本要求。根据细胞类型的不同，细胞反应器又可分为微生物细胞反应器（通常称为发酵罐）、动物细胞反应器和植物细胞反应器。根据不同类型细胞的生理特点，对反应器也有不同的要求。例如，动植物细胞是好氧的，同时对剪切力又非常敏感，在设计反应器时如何在氧传递和剪切力之间的矛盾找到一个平衡点就成为要考虑的首要问题；植物细胞培养可能需要可见光，就要采用光生物反应器。9.2.3根据流体流动或混合状况分类对于连续反应器，有两种理想的流动模型：一种是反应器内的流体在各个方向完全混合均匀，称为全混流（CSTR），其主要特征是反应物加入到反应器中，同时反应产物也离开反应器，并保持反应体积不变，其过程是一物系中组成不随时间改变的定态过程；另一种则是通过反应器的所有物料以相同的方向、速度向前推进，在流体流动方向上完全不混合，而在垂直于流动方向的截面上则完全混合，所有微元体在反应器中所停留的时间都是相同的，这种流动模型称为平推流、活塞流或柱塞流（PFR）。实际反应器内流体的流动方式则往往介于上述两种理想流动模型之间，称为非理想流动（混合）模型。非理想生物反应器需要考虑流动和混合的非理想性，如：流体在连续操作反应器中的停留时间分布、微混合问题、反应器轴向或径向扩（弥）散及反应器操作的震荡问题等。间歇操作的非理想生物反应器则需要考虑混合时间、剪切力分布、各组分浓度及温度分布等复杂问题。9.2.4根据反应器结构特征及动力输入方式分类根据反应器的主要结构特征（如外形和内部结构）的不同，可以将其分为釜（罐）式、管式、塔式、膜式反应器等，它们之间的差别主要反映在其外形（长径比）和内部结构上的不同。釜式生物反应器能用于间歇、流加和连续所有三种操作模式，而管式、塔式和生物膜反应器等则一般适用于连续操作的细胞反应工程。根据动力输入方式的不同，生物反应器可以分为机械搅拌反应器、气流搅拌反应器和液体环流反应器。机械搅拌反应器采用机械搅拌实现反应体系的混合（图9-1）。气流搅拌反应器以压缩空气作为动力来源（图9-2）。而液体环流反应器则通过外部的液体循环泵实现动力输入（图9-3）。图9-1机械搅拌反应器（G 气体；L 液体；M 电机）图9-2气流搅拌反应器 （G 气体；L 液体）图9-3液体环流反应器9.3 发酵罐设计与分析 9.3.1 通气搅拌罐的结构特征通气搅拌罐是好氧生物反应器的典型代表，其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴，通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液浓度均匀。反应器的装料系数一般为7080。系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。典型通气搅拌罐的一些基本特征可以参考通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：pH值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤，等等。 经过半个多世纪的发展，现在通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，表9.1列举了通气搅拌罐一些主要相对尺寸的范围。表9-1通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围相对尺寸符号范围典型值罐体的高径比H/D13搅拌桨直径与罐体直径之比Di/D1/31/21/3(Rushton桨)挡板宽度与罐体直径之比Wb/D1/81/12（4块挡板）1/10最下层搅拌桨高度与罐体直径之比0.81.0相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比12.59.3.2 机械搅拌系统作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。机械搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。下面做简要的介绍。1电机和变速箱电机和变速箱置于罐体之外。对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，而大型反应器所用的一般均为三相电机。对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，必须通过变速箱降低转速。实验室小型反应器可以采用无级变速，不需要变速箱。在间歇培养时，细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求，为了降低功耗，最好采用可调速电机。2搅拌轴搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。不同尺寸的通气搅拌罐，其搅拌桨层数也不同，小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有24层搅拌桨以改善混合和传质。3轴封轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。4挡板为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为46块，其宽度为0.10.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，挡板宽度W和罐径D有关，必须满足下面的关系式 （9-1）式中 W 挡板宽度， m； D 罐内径， m； Z 挡板数。5搅拌桨根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨（图9-5）。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流（图9-6a）。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动（图9-6b）。一般而言，带轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今。 六直叶圆盘涡轮搅拌器(Rushton桨) 六弯叶圆盘涡轮搅拌器 三叶后掠式搅拌器径向流搅拌浆 推进式搅拌器 四折叶开启涡轮搅拌器 六折叶圆盘涡轮搅拌器轴向流搅拌浆图9-5 径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨示例 a轴向流b径向流图9-6 轴向流和径向流示意图9.3.3 反应器的搅拌功率搅拌功率的大小对流体的混合、气液固三相间的质量传递一级反应器的热量传递都有很多的影响。因此，生物反应器搅拌功率的确定对于反应器的设计是相当重要的。1不通气条件下的搅拌功率计算在机械搅拌发酵罐中，搅拌器的输出功率P0(W)与下列因素有关：发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（m）、液面高度HL（m）、搅拌器的转速N（r/s）、液体黏度（Pas）、流体密度(kg/m3)、重力加速度g（m/s2）以及搅拌器形式和结构等。通过量纲分析及实验证实，对于牛顿型流体而言，可以得到下列准数关联式： （9-2）式中 功率准数；搅拌情况下的雷诺数；搅拌下的弗鲁特数；K与搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数。从而上式又可改写为 （9-3）实验证实，在全挡板条件下，液面未出现漩涡，此时指数y0，上式可简化为 ，即搅拌准数Np式搅拌雷诺数ReM的函数。2通气条件下的搅拌功率计算当发酵罐通入压缩空气后，搅拌器的轴功率与不通气时相比会有所下降，减小的程度与通气量相关。可能的原因有：通气使得液体密度下降；通气使得液体发生翻动。为了计算通气条件下的搅拌功率，必须引入通气准数Na，它表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶顶端流速之比，即 （9-4）式中Qg 工况通气量，m3/s；d 搅拌桨直径，m；N 搅拌转速，r/s用Pg表示通气条件下的搅拌功率，P0为不通气时的搅拌功率，则当Na 0.035时， （9-5）当Na 0.035时， （9-6）3非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响通常将不服从牛顿黏性定律的流体称为非牛顿流体，非牛顿流体的剪应力与切变率不成正比关系，因而非牛顿流体没有确定的粘度值。常见的非牛顿流体可分为三类。拟塑性流体 其剪应力与剪切率的关系满足 （9-7）式中k 均匀性系数，也称稠度指数；n 流动性指数，n1。大多数发酵液都属于这种类型。特点是随着k增大，流体就越黏，n值越小，流体的非牛顿性越明显。彬汉塑性流体 其特点是剪应力与剪切率的关系是不通过原点的直线。 （9-8）式中 屈服剪应力； 刚性系数 涨塑性流体 （9-9）式中k 均匀性系数n 流动性指数，n1。对于非牛顿型流体搅拌功率的计算与牛顿型流体搅拌功率的计算方法一样，可用 的关系式进行计算。但这类流体的黏度是随搅拌速度甚至发酵时间而变化的，因而必须事先知道发酵液黏度与它们的关系，然后才能计算不同条件下的ReM。但从大量的实验数据中可以看出，牛顿型流体和非牛顿型流体的NpReM曲线基本吻合，仅在ReM =10300区间之内存在较大的差别，因此，在计算当中可直接按照牛顿型流体进行搅拌功率的计算。9.3.4 通气系统通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除菌系统组成。无菌空气制备系统是一套相对独立的复杂系统，这里不做介绍。细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中。空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方。为保证气泡的分散，多采用带小孔的环状空气分布管，环的直径一般等于搅拌桨的直径。在大型通气搅拌罐中，搅拌桨尖附近的剪切力非常大，一般足以达到充分打碎气泡的目的，为防止培养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管，对某些特殊的发酵体系有时采用向下开口的单孔管。在一些简单的反应器中，气体的排出只是通过一个简单的阀门控制的。为避免染菌，必须调节空气的排出阀以保证反应器内始终处于高于大气压的正压状态。一些精密的反应器则配备了出口气体冷凝装置和过滤装置9.3.5 温度控制系统为了保证为细胞生长和代谢提供合适的温度，温度控制系统也是通气搅拌罐所必备的。温度控制系统由温度测量电极、热交换装置及相应的控制装置组成。由于生物反应和机械搅拌都是放热过程，多数生物反应体系在运行期间需要冷却，就地灭菌后的培养基更要求快速泠却。对大型通气搅拌罐，通常采用罐内安装的冷却盘管或采用夹套式发酵罐进行温度控制；而对5m3以下的小型通气搅拌罐，热交换器多采用夹套作为换热装置。对大型反应器，盘管的冷却效率要远高于夹套，而且传热面积可以根据需要设计，但它要占用反应器空间，并使反应器清洗和灭菌更加困难。为了强化传热，夹套可以设计成蜂窝状以增加冷却介质的流速，这样可以弥补传热面积不足的限制。培养基的就地灭菌需要加热装置。有时细胞培养的开始阶段和结束阶段由于细胞产生的代谢热不足以维持生物反应器内的最适温度，需要通过热交换器加热。大型反应器培养基的就地灭菌一般采用直接向反应器中通入高压水蒸汽的方法实现快速加热。小型反应器则通常采用夹套加热或电加热。9.3.6 pH值和溶氧测量与控制系统细胞生长都有最适pH值，因此需要对培养介质的pH进行检测和控制。pH控制系统包括pH电极、酸及碱储罐、耐酸或碱的管道和泵及相应的控制系统组成。根据不同生物反应体系的实际需要，可以只加酸或加碱系统，也可以两者都具备。在流加培养时，通过碳源或/和氮源的补料也能起到调节pH的作用。溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。传统的工业发酵罐只是简单地通过人工调节空气流量来实现溶氧控制，可灭菌的溶氧电极改变了这种情况，使溶解氧浓度也可以实现在线检测和控制，为及时了解发酵过程的进程及提高产物产量创造了条件。有些先进的发酵罐还配备了发酵罐尾气分析装置，可在线分析尾气中的氧及二氧化碳浓度，以协助判断发酵的过程的正常与否，对发酵动力学及代谢流分析等都很有帮助。有些发酵过程是微好氧过程，要求反应体系保持很低的溶氧值；还有一些高好氧过程的氧消耗速率很快，造成发酵液中的溶解氧浓度很低，这些过低的溶氧值都可能是溶氧电极无法精确测量的。这种情况就需要安装氧化还原电极以检测细胞培养的正常与否。9.3.7 消泡系统消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的。通气搅拌罐的装液量一般不能超过容器容积的7080，一方面，这是由于通气后液面会有所上升；更重要的原因是，预留部分空间可以避免泡沫马上冲出罐体，为消除泡沫提供一段缓冲的时间。一般对越容易产生泡沫的体系，装液量要越少。图9-4中，通气搅拌罐顶部有一个额外的搅拌桨，称为消泡桨，其作用就是通过机械作用消除泡沫。在多数情况下，仅凭消泡桨还不足以及时破坏所有的泡沫，因此通常还须进一步采用添加化学消泡剂的方法消泡。植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化学消泡，它们可以直接在配制在培养基中，也可以在发酵过程中根据需要加入，或者两种策略同时使用。为了及时检测泡沫是否达到预警高度，通常在反应器上方装有液位电极，一旦泡沫达到相应的高度，就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加消泡剂。9.5 其他反应器9.5.1鼓泡塔生物反应器鼓泡塔生物反应器（Bubble tower bioreactor），又称鼓泡柱生物反应器（Bubble column bioreactor），是最简单的气流搅拌生物反应器。鼓泡塔生物反应器的罐体为一个较高的柱形容器，气体作为分散相由反应器底部的气体分布器进入，以气流的动力实现反应体系的混合（图9-7）。图9-7鼓泡塔生物反应器与机械搅拌式反应器相比，鼓泡塔生物反应器的主要优点是：反应器结构简单，易于操作，操作成本低；内无转动设备，能耗较低，反应器中的剪切力也较小；由于避免了轴封，对保持无菌条件有利。因此，鼓泡塔生物反应器比较适合于那些对剪切力敏感、而且容易染菌的细胞培养体系，如某些微生物发酵、动物细胞培养和植物细胞培养等。但是，由于鼓泡塔生物反应器缺乏控制流体运动的措施，其混合和氧传递效率较低，为达到一定的混合和氧传递效果，鼓泡塔生物反应器通常采用高于通气搅拌罐的通气量，且其高径比也较大。多数鼓泡塔反应器的高径比在8:1到20:1之间。较高的高径比使鼓泡塔反应器具有较高的气含率和较长的气体停留时间，也使其底部的空气分布装置处具有较高的静水压，这些都在一定程度上有利于提高氧传递效率。目前，鼓泡塔反应器被广泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、废气处理等。9.5.2气升式生物反应器气升式生物反应器（Airlift loop bioreactor）是应用最为广泛的生物反应器之一。它是在鼓泡塔的基础上发展起来的，它利用气体的喷射功能和流体密度差造成反应液循环流动，并通过安装导流筒（Draft tube）来增强反应器内的传递效果和强化流体的循环流动。气升式反应器的导流筒有多种类型，按其采取的液体循环方式不同可以将其分为内循环气升式环流反应器（图9-8a）和外循环气升式环流反应器（图9-8b）两类。其中以内循环气升式环流反应器最为常见，其优点是结构简单、设备制造比较容易。气体既可以从内置导流筒内部通入，也可以从其外侧通入，两种情况下上行区和下行区刚好相反（图9-9）。反应器顶部是气体脱离反应体系的区域，因而称为脱离区。有些气升式反应器顶部脱离区的直径要大于主罐体的直径，目的是降低该区域的流体运动速率，给气泡脱离以充分的时间，避免或减少富含二氧化碳的气泡通过下行区循环回反应器；另外，这也有助于减少因形成气雾而损失培养基，并可减少泡沫的产生。a. 内循环气升式生物环流反应器b.外循环气升式生物环流反应器图9-8气升式生物反应器（G为气体分布器）气升式生物反应器的气体分布装置也可采用喷嘴（图9-10）。为了提高氧传递效率，可利用喷嘴口及其附近高速运动的流体产生强剪切力来减小气泡尺寸，该类反应器称为气升式喷射环流生物反应器。喷嘴的设计方式多种多样，但其基本原理均一致，图9-11给出了不同样式的喷嘴设计形式。气升式生物反应器除具有鼓泡塔生物反应器的优点外，还具有反应溶液分布均匀、高的溶氧速率和溶氧效率、剪切应力小、传热良好等优点。同时，它要求的通气量和通气压力较高，使空气净化工段的负荷增加，对于黏度较大的培养液，溶解氧系数较低。另外，操作弹性小，低气速在高密度培养时，其混合效果较差。通气量提高会导致泡沫产生。图9-9 上行区、下行区和脱离区（G为气体，L为液体，F表示流量）图9-10采用喷嘴的气升式生物反应器（G为气体，F为循环流体）图9-11气升式生物反应器的几种喷嘴设计方案影响气升式生物反应器的主要结构和操作参数有：气含率、气液比、循环周期与循环速度、通气功率等。（1）气含率 气含率是气升式生物反应器的一个主要参数。在含有导流筒的内循环气升式生物反应器中，气含率定义为平均体积气含率 （9.12）导流筒内（上升区域）气含率 （9.13）环隙内（下降区域）气含率 （9.14）局部气含率 （9.15）（2）循环周期与循环速度循环周期指液体微元在反应器内循环一周所需要的平均时间，即平均循环时间。循环周期一般在2.54min之间。循环周期 可用下式进行计算： （9.16）式中循环周期，s；发酵液体积，m3；发酵液环流量，m3/s；w 发酵液在环流管内流速，m/s；d 环流罐内径，m。（3）气液比气液比是指发酵液的环流量QC与通风量Q之比： （9.17）式中Q通风量，m3/s。（4）通气功率 PG气升式生物反应器的通气功率可用下式进行计算： （9.18）式中发酵液密度，kg/m3；g 重力加速度，m/s2；H 气体分布器距液面高度，m；Q通风量，m3/s。一般来说，在相同条件下，通气功率越大，供氧速率越大，供氧功率因数越小。9.5.3固定床生物反应器固定床生物反应器（Fixed bed bioreactor）是由连续流动的液体底物和静止不动的固定化生物催化剂组成，另外，也可以由连续不动的气体和静止不动的固体底物和微生物组成。根据反应器中液相流动方式的差别，可以将常见的固定床生物反应器分为两种：一为填充床生物反应器，一为涓流床生物反应器。填充床生物反应器（Packed bed bioreactor）可以是垂直的，也可以是水平的（图9-12）。垂直的填充床生物反应器比较常见，反应器中流体通常从底部进入反应器，从顶部流出，细胞固定于支持物表面或内部,支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。填充床中单位体积细胞较多，由于混合效果不好常使床内氧的传递、气体的派出、温度和pH的控制困难；另外一个困难就是床层容易被小颗粒或以破碎的颗粒堵塞，流体流动困难，床层阻力增大。图9-12 填充床生物反应器填充床生物反应器在固定化酶催化反应体系中比较常见，下面的讨论中将忽略反应器轴向弥散的影响，液体流动方式假设可以用理想的平推流来描述。由于固定化反应器的一部分空间被生物催化剂的固体颗粒占据，在分析动力学行为前必须先引入空隙率的概念。空隙率定义为： (9-19)式中VS 反应器中空隙体积，m3；VT 反应器中固体的真实体积，m3；VR 反应器总体积，m3。若反应器总体积为V，长度为L，流体的流量为F，则反应器中液体的实际流速为：(9-20)由此可以求出流体在反应器中的停留时间，(9-21)在选择固定化细胞反应器时，传质是重要的考虑因素。填充床生物反应器的传质状况较差，一般只适合于固定化非生长细胞或厌氧的固定化生长细胞。对固定化非生长细胞，因为不需要供应氧，一般也不需要移去气态CO2，操作相对比较方便。对厌氧的生长细胞，虽然不需要通空气，但反应过程中必须及时地将代谢产生的CO2移出反应器，为此可以考虑采用水平放置的填充床，在反应器上方给发酵产生的CO2留出适当的空间，以便在不夹带液体的情况下将气体排出。9.5.4流化床生物反应器流化床生物反应器（Fluidized bed bioreactor）是通过流态化（Fluidization）来强化固体颗粒与流体相之间混合、传质和传热的反应装置。实现流态化的能量是输入反应器的流体所携带的动能，这种流体既可以是液体，也可以是气体，或者两者皆是。与固定床生物反应器相比，流化床生物反应器能提供更好的混合、传质及传热效果和最小的反应器压降。另外，流化床生物反应器还具有以下优点：1） 由于流体混合更加均匀，反应器中的pH、溶氧、温度等参数的检测和控制更加容易；2） 固相组成在轴向的差异性较小，便于取样和分析；3） 不易发生阻塞，因而可以采用尺寸更小、比表面积更大的固定化载体颗粒，从而为细胞的固定化提供更大的表面积。从应用角度看，上述这些特性对反应器的可操作性是至关重要的。在生物反应体系中，常见的流化床生物反应器为又可分为液固两相流化床生物反应器和气液固三相流化床生物反应器（图9-13），前者用于厌氧生物反应体系（由于厌氧发酵会回产生气体，实际上也是一个三相体系），而后者多用于好氧过程。图9-13 流化床生物反应器要使固体粒子处于流化