第七章-生物反应器VIP

7.1生化反应器的设计基础,生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器处于生物过程的中心，它常是影响整个过程的经济效益的一个重要方面。,生物反应器历史简介,生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初的生物反应器。20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和应用获得迅速发展的阶段。传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐”（fermenter）20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemicalreactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。同一时期，Ollis提出了另一术语生物反应器（biologicalreactor）。20世纪80年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。,生物反应器的定义,生物反应器，bioreactor是bio与reactor的组合词，是指有效利用生物反应机能的系统（或场所）。生物反应器不仅包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。,生物反应器中的传递过程,生物工业中的不同生产工段，都包含有物质传递过程，如上游操作中的原料预处理，生化反应器的操作与控制，下游操作中的产品回收。生物反应系统中，反应物（基质）从反应液主体到生物催化剂（微生物细胞、固定化酶或细胞等）表面的传递过程对生物反应过程影响很大，特别是基质的传递速率低于生物催化剂的反应速率时，生物催化剂的催化效率将受到基质传递速率的限制。在一些发酵过程，如SCP和多糖发酵中，产物的生成速率可通过提高限制性基质的传递速率来加以改善。,生物反应过程的主要参数,由于生物反应过程中涉及的质量传递过程问题十分复杂，下面通过对生物反应过程中主要相关参数的举例，来研究生物反应器的传递过程研究。根据参数的性质特点，可以分为三大类：物理参数、化学参数及间接参数。1.物理参数主要有温度、压力、搅拌转速、通气流量、泡沫水平以及基质、培养液的性质等。2.化学参数主要有pH值、溶解氧浓度、氧化还原电位、溶解CO2浓度、排气O2分压、排气CO2分压等。3.间接参数主要有摄氧率(OUR)、二氧化碳生成率（CER）、呼吸商（RQ）、体积氧传递系数、氧利用率、生物热等。这些参数可以通过传感器或其他检测系统以各种方式把非电量转化成电量变化，就能很方便地通过二次仪表显示，记录或送电子计算机处理或控制。现在应用计算机来更好的控制生物反应过程是生物反应器设计的重要方面之一。,生物反应过程的最优控制,随着生化工程技术的迅速发展，人们对生物反应器的控制系统也就提出了越来越高的要求，例如考虑怎样控制温度、pH、通气速率等微生物培养的环境条件而获得最好的效果，产量最高、利润最高和能耗最低而相对应的最佳操作等一系列优化问题。1.对受控的实际系统定义一个目标函数。2.了解过去、现在和将来对系统产生影响的全部环境因素，建立数学模型。3.了解相应于这个目标函数的现时刻的系统状态。4.按上述目标函数的定义，数学模型，现时状态的知识确定最优控制策略。,生物反应器开发的趋势与未来方向,1.开发比活力和选择性高的生物催化剂占据重要地位，利用基因工程技术改变酶的初级结构，实现生物细胞的定向改造是主要途径。2.生物反应器的性能常极大地受到热质传递能力的限制，必须改进生物反应器中热质传递的方法和设备。3.生物反应器正向大型化和自动化方向发展，反应器的自动检测和控制系统使反应器在最佳条件下操作成为可能，随着生物工程的日渐成熟和迅速发展，自动检测与控制系统将会发挥越来越重要作用。,一机械搅拌式发酵罐罐体:H/D=23;d/D=1/31/2B/D=1/81/12;B/d=0.81搅拌器:涡轮式(六平叶、六弯叶或六箭叶)、螺旋桨式、平浆式;粉碎气体,搅拌流体挡板：防止产生漩涡,四片空气分布器:单孔或环状管换热器：夹套，蛇管轴：大型底部伸入,二自吸式发酵罐利用搅拌器旋转吸入空气，搅拌器为空心叶轮，叶轮旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内。空心叶轮与吸气管间用双端面密封装置，液体深度和罐压有所限制，采用大面积低阻力的高效空气过滤器。,三鼓泡式发酵罐无搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动液体，产生混合效果,H/D=7空气进入后停留时间长，设有多层筛板，对上升气泡阻挡，延长停留时间，并分散气泡，降液管有助于液体循环特点：结构简单，造价较低，动力消耗少，操作成本低，噪声小。室外安装，空气有较高压力克服罐内液体的静压力。适合于培养液粘度低，含固量少、需氧量较低的发酵过程,四气升式发酵罐无搅拌装置，罐外设液体循环管，或在罐内设拉力筒或垂直隔板。通入空气的一侧，液体的密度下降而上升，不通气的液体密度较大而下降特点：能耗低，液体的剪切力小，结构简单，无需机械密封，避免了杂菌污染,7.2酶反应器,7.2.1酶反应器及其操作参数酶反应器的分类操作参数酶反应器的选择,1酶反应器分类,(1)活塞流CPFR(ContinuousPlugFlowReactor),全混式生物反应器,(2)全混式CSTR(Continuous-FlowStirredTankReactor),2.操作参数,(1)停留时间物料进入反应器至离开反应器的时间。a.分批式搅拌罐：停留时间=反应时间b.CPFR：停留时间=反应时间c.CSTR：平均停留时间=V/F(2)转化率x底物发生转化的分数：x=(S0-St)/S0,(3)生产能力Pr单位时间、单位反应器生产的产物量。a.分批式搅拌罐：Pr=Pt/tPt：单位体积反应液t时刻产物的量b.连续操作：Pr=Pout/Pout：单位体积流出液中产物的量(4)选择性Sp能够转变为目的产物的底物变化总量中，能够转化为目的产物的比率。,7.2.2理想的酶反应器活塞流式-CPFR搅拌式-CSTR比较,1.CPFR,(1)特点反应器的各截面上，物料时间不随时间变化；反应器轴向各处浓度不同；径向没有浓度梯度。,F，S,F，S+dS,dl,dV=Adl,F，S,F，S+dS,dl,dV=Adl,(2)物料衡算流入量=流出量+反应量+积累量FS=F(S+dS)-rsdV+0-FdS=-rsdV,对于一级反应,对于一般反应,2.CSTR,全混式生物反应器,F，S0,F，St,(2)物料衡算流入量=流出量+反应量+积累量FS0=FSt-rsV+0F(S0-St)=-rsV=(S0-St)/-rs,3.比较,停留时间酶的需求量酶的稳定性酶浓度分布,7.3通风发酵设备,7.3.1机械搅拌式发酵罐通用式发酵罐（图7-9）几何尺寸及操作条件,封头容积Vb,圆筒容积Vc,公称容积Vo,机械搅拌通风发酵罐的混合与搅拌,（1）搅拌器的型式与搅拌流型（2）搅拌功率的计算影响因素：搅拌器的直径Di，搅拌转速N，液体密度，液体粘度重力加速度g，搅拌罐直径D，液柱高度HL，挡板条件（宽度、数量）P=f(Di，N，g)对牛顿型流体，功率准数Np=KRxemFyrm其中，Rem-搅拌雷诺准数Frm-搅拌弗鲁特准数K-与搅拌器型式、反应器几何尺寸有关的常数,在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时y=0，Np仅是搅拌雷诺准数的函数。当搅拌雷诺准数小于10，x=-1，液体处于滞流状态，Np=KR-1em