lecture 8反应器设计

1、Lecture 8生物反应器生物反应器 概述概述 生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备，常称发酵罐或酶反应器。生物反应器程中的关键设备，常称发酵罐或酶反应器。生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。生物反应器质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。生物反应器的设计、放大是生化反应工的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化程的中

2、心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。学工程的重要组成部分。 是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌条件，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。得较高的产量。微生物反应器微生物反应器厌氧生物反应器：厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生

3、产。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：好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其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、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酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCPSCP等的生产。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、自吸式和气升式。搅拌通风式、自吸式和气升式。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生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由

4、生物催化剂- -酶来酶来催化的。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性的pHpH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。生化反应器的特点生化反应器的特点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，就产生了一个如何等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，

5、就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。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，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。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。些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较大多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。低，这就产生了一

6、个产物回收工艺及成本的问题。生化反应器的种类生化反应器的种类（1 1）机械搅拌式生化反应器）机械搅拌式生化反应器它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般搅拌器的驱动功率较高，一般2-4kw/m3，这对大型的，这对大型的反应器来说是个巨大负担。

7、反应器来说是个巨大负担。机械搅拌发酵罐的基本条件机械搅拌发酵罐的基本条件发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为2.54。发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒和正常工作时，罐内有一定的压力和温度，因和正常工作时，罐内有一定的压力和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。压力。发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎，发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率。利用率。发

8、酵罐应具有足够的冷却面积。发酵罐应具有足够的冷却面积。发酵灌内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，发酵灌内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，使灭菌彻底，避免染菌。使灭菌彻底，避免染菌。搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。231轴封轴封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4联轴；联轴；5中间轴承；中间轴承； 6温度计接口；温度计接口；7搅拌叶轮；搅拌叶轮； 8进风管；进风管；9放料口；放料口； 10底轴承；底轴承；11热电偶接口；热电偶接口；12冷却管；冷却管；13搅拌轴；搅拌轴； 14取样管；取样管；15轴承座；轴承座； 16传动皮带；传动皮带；17电机；电机

9、； 18压力表；压力表；19取样口；取样口； 21进料口；进料口；22补料口；补料口； 23排气口；排气口；24回流口；回流口； 25视镜；视镜；机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐的结构设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、中间轴承，空气喷射器、封、消泡器、中间轴承，空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔挡板、冷却装置、人孔由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成，材由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成，材料为碳钢或不锈钢。为满足工艺要求，罐需承受料为碳钢或不锈钢。为满足工艺要求，罐需承受一定压力，通常灭菌压力一定压力，通常灭菌压力0.25MPa(绝对大气压绝对大气压)。罐

10、体罐体搅拌器搅拌器粉碎气泡的能力：平叶 弯叶 箭叶式翻动流体的能力：箭叶式 弯叶 平叶平叶式平叶式箭叶式箭叶式弯叶式弯叶式挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体激烈翻挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体激烈翻动，提高溶氧。挡板宽度约为（动，提高溶氧。挡板宽度约为（0.10.12）D。装设。装设64块挡板，可满足全挡板条件。块挡板，可满足全挡板条件。挡板挡板全挡板条件全挡板条件是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：(W/D)Z=0.5D-罐的直径罐的直径

11、Z-挡板数挡板数W-挡板宽度挡板宽度 轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用的轴轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用的轴封有填料函和端面轴封。填料函由填料箱体、封有填料函和端面轴封。填料函由填料箱体、底衬套、压盖和压紧螺栓等零件组成。端面轴底衬套、压盖和压紧螺栓等零件组成。端面轴封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对运动而达到密封。对运动而达到密封。轴封轴封 消泡装置消泡装置 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或

12、安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。目的。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。旋风离心式叶轮离心式耙式消泡器 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器及轴

13、承联轴器及轴承 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。联轴器法兰 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承； 大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。 轴轴 承承底轴承中间轴承传热装置传热装置 夹套,传热系数为400-630kJ/(m2h C),5m3以下采用 蛇管,传热系数为1200-1890kJ/(m2

14、h C),5m3以上采用 冷却装置冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容易，结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清罐内死角少，容易清洗灭菌洗灭菌流速大，传热系数大，流速大，传热系数大，降温效果较好。降温效果较好。加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差。差。缺点传热壁较厚，冷却水传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差。流速低，降温效果差。冷却水较高时，降温困冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐蚀。难，弯曲位置易腐蚀。用水

15、量较大。用水量较大。 在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。进行循环冷却。 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸5.37.1DH3121DDi0.18.0iDC12181DB52iDS320DHDiDB机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 体积 尺寸DhDhDhDVbab614642221 椭圆形封头体积： 发酵罐的总体积：DhHDVb612420近似为：22015. 04DHDV气升式发酵罐(ALR)气升式环流反应器原理图气升式环流反应器原理图1、升液管是主混合区，该区可以根据产品要求

16、进行各种变形处理，或者加入静态混合元件，或者加多级喷射器2、发酵液整体循环，不存在静止区，宏观混合良好工作原理o 类型气升环流式、塔式、空气喷射式等。气升环流式、塔式、空气喷射式等。o 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。合与溶氧传质。G泵LG气液双喷射气升环

17、流反应器1 1）反应溶液分布均匀）反应溶液分布均匀2 2）较高的溶氧速率和溶氧效率）较高的溶氧速率和溶氧效率3 3）剪切力小）剪切力小4 4）传热良好）传热良好5 5）结构简单）结构简单6 6）能耗小）能耗小7 7）不易染菌）不易染菌8 8）操作和维修方便）操作和维修方便 特点及应用特点及应用 酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂和有机酸酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理。等发酵生产、废水生化处理。主要结构及操作系数主要结构及操作系数o主要结构参数1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE /D3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/Do 操作特征

18、1）平均循环时间tm2）气液比R3）溶氧传质 空气喷射装置漩涡式空气喷射器G泵LGGFG气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流式反应器ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979冷却水GG培养基AAB注射入口ICI压力循环气升发酵罐123456711891012具有外循环冷却的气升环流式发酵罐自吸式发酵罐自吸式发酵罐 它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的搅拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自的搅拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器和导轮，

19、简称为转子及定子。转子由罐吸搅拌器和导轮，简称为转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。导气管吸入。自吸式发酵罐原理自吸式发酵罐原理在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩到叶轮外缘，在这个过程中，离心力的作用下，被甩到叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，在转子中心处形成了负压，转子流体便获得能量，在转子中心处形成了负压，转子转速愈快，所造成的负压也愈大，由于转

20、子的空膛转速愈快，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布。甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布。 优点：优点：节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备，减少了厂房占地面水分离器、空气贮罐等设备，减少了厂房占地面积，节省投资；通气质量是最好的，通入发酵液积，节省投资；通气质量是最好的，通入发酵液中的中的2315m2气液接触面积气液接触面积/m3空气；动力消耗低；空气；动力消耗低；设备便于自动

21、化、连续化、降低了劳动强度，减设备便于自动化、连续化、降低了劳动强度，减少劳动力。少劳动力。缺点：缺点： 空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、高除菌空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统；由于结构上的特点，大型自吸式效率的空气净化系统；由于结构上的特点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右，在叶左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充气搅拌叶轮的充气量随轮周围形成强烈的剪切区域。充气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围。发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围。罐压较低

22、，对某些产品生产容易造成染菌。罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。自吸式发酵罐自吸式发酵罐 优点：优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；房面积； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高生产效率高、经济效率高 (4)设备便于自动化、连续化。设备便于自动化、连续化。 缺点：缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为，罐压较低，装料系数约为40。机械搅拌

23、自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐 自吸式发酵罐的结构自吸式发酵罐的结构机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐 工作原理：工作原理： 机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点：机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点： (1)发酵罐的高径比发酵罐的高径比(2)转子与定子的确定转子与定子的确定(3)吸气量计算吸气量计算喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐：喷射自吸式发酵罐： 利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。混合和溶氧传质。 文氏管自吸式发酵罐 液体喷射自吸式发酵罐 溢流喷射自吸式发酵罐12

24、34567文氏管自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐文氏吸气管1234567液体喷射吸气装置喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐12693547出水冷却水8冷却水排气排水喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ单层溢流喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ双层溢流喷射自吸式发酵罐 植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一样，产植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一样，产生一系列问题比如混合和传质问题。另一个问题是植物细生一系列问题比如混合和传质问题。另一个问题是植物细胞很少是以单一细胞悬浮生长，通常是一团细胞非均相集胞很少是以单一细胞悬浮生长，通常是一团细胞非均相集合体，当细胞密度高，粘性大的时候，容易产

25、生混合和循合体，当细胞密度高，粘性大的时候，容易产生混合和循环不良。环不良。植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器气升式生物反应器只能培养悬浮生长的细胞气升式生物反应器只能培养悬浮生长的细胞中空纤维管生物反应器即可培养悬浮生长的细胞，也中空纤维管生物反应器即可培养悬浮生长的细胞，也可培养贴壁依赖性细胞主要用来培养杂交瘤细胞，可培养贴壁依赖性细胞主要用来培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体生产单克隆抗体动物细胞生物反应器动物细胞生物反应器通气搅拌反应器通气搅拌反应器动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞，生长缓慢，对培养环动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞，生长缓慢，对培养环境十分敏感。动物细胞十分脆弱，对剪切

26、应力敏感。一种安境十分敏感。动物细胞十分脆弱，对剪切应力敏感。一种安全有效的方法是通过改变通入培养罐内气体的氧气和氮气来全有效的方法是通过改变通入培养罐内气体的氧气和氮气来实现控制实现控制DO。采用二氧化碳和碳酸氢钠缓冲液来控制体系。采用二氧化碳和碳酸氢钠缓冲液来控制体系的的pH值，它主要是预先加入适量的碳酸氢钠和通过改变进值，它主要是预先加入适量的碳酸氢钠和通过改变进入反应器内气体流量中的二氧化碳的含量来实现。入反应器内气体流量中的二氧化碳的含量来实现。高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都是好氧的，需高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都是好氧的，需要连续不断供氧，与微生物细胞相反，它不需要高的气液传要连续不断供氧，与微生物细胞相反，它不需要高的气液传质速率，而是要控制供氧量，以保持较低的水平。植物细胞质速率，而是要控制供氧量，以保持较低的水平。植物细胞对溶氧的变化非常敏感，