第六章 生物反应器的比拟放大

1、第六章 生物反应器的比拟放大 相同，细胞生长与代谢产物生成的速率也有差别。生物反应器的放大就是在生物反应器放大过程中，维持细胞生长和生物反应速率相似，也就是以中试反应设备的实验数据为依据，设计制造大规模反应系统，进行工业规模生产。 主要内容主要内容 概述 生化反应器的特点 生化反应器的种类及选择与操作 反应器比拟放大一一. . 概述概述生化反应器生化反应器( (生物反应器生物反应器) )就是为适应生化就是为适应生化反应反应( (生物反应生物反应) )的特点而设计的反应设备。的特点而设计的反应设备。生化反应器的实质也就是酶反应器。包括生化反应器的实质也就是酶反应器。包括酶反应器、微生物反应器（发

2、酵罐）和动酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器。植物细胞培养用反应器。 其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种参数。微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式

3、、自吸式和通风搅拌式。二.生化反应器的特点生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品大多

4、数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。 目的：应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决质量传递、动量传递和热量传递问题，使在反应器放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。 方法 传递现象受两个机理控制：对流和扩散。 对流时间常数：tf =L / L-反应器特征尺寸， -反应溶液对流速度 扩散时间常数：tD = L2/K K-扩散系数 放大后传递时间tf 和tD明显增大，搅拌剪切、混合、溶氧传质、热量传递和表观动力学会变化。 而转化常数tc大致维持不变。 对于小型反应器， tc t

5、f（ tD），对于大型反应器tc tf（ tD），所以生物反应器比普通化学反应器更复杂，其发大过程难度更高。 生物发酵过程和生物反应器的开发设计由3个步骤构成： 1、在较宽的培养条件（培养基的营养物质及浓度、PH、溶氧速率和溶氧浓度、搅拌剪切强度等）下对所使用的生物细胞种进行试验，以掌握细胞生长动力学及产物生长动力学的特征。 2、根据上述试验，确定生物发酵的最优培养基配方和培养条件。 3、对质量传递、热量传递和动量传递等微观衡算方程进行求解，导出能表达反应器内 的环境条件和主要操作变量（搅拌转速、通风量、搅拌功率、基质流加速率等）之间的关系模型。应用此数学模型，计算优化条件下主要操作变量的取值 。例如机械搅拌式和气升环流式等发酵反应器。 一、机械搅拌通气发酵罐的经验放大法 以体积溶氧系数kLa相等为基准放大法 以Po/VL相等的准则进行反应器的放大 以搅拌叶尖线速度相等的准则进行放大 以搅拌液流速度压头H、搅拌液流循环速率QL及QL / H比值对发酵反应器放大设计的影响 根据生产量和产率选择发酵罐的体积