第八章生物反应器

1、第八章 生物反应器教学目标：掌握返混的概念；了解理想反应器模型；了解发酵罐的基本结构。教学重点：返混的概念；发酵罐的基本结构。教学难点：发酵罐的基本结构。课时：6学时生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置。（古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化为乳酪。牛胃便是生物反应器，活性物质是凝乳酶）第一节 生物反应器基本知识一、生物反应器类型1、按操作方式分：间歇、连续、半连续； 2、按照反应器内流体流动及物料混合程度：理想、非理想；3、按照几何构型和结构特征：罐式、管式、塔式、膜式；4、按照相态：非均相、均相；5、按照流体与固体催化剂的接触方式：固定床、流化床；6、按照所

2、使用的催化剂：酶催化反应期、微生物反应器。例如：葡萄糖被葡萄糖异构酶所催化是单一的酶催化反应，所需的反应器为酶反应器。葡萄糖发酵成乙醇是由微生物酵母生产的一系列酶在无氧条件下催化而成的产品，所用酶反应器为发酵罐。随着生物工程技术的发展，动植物细胞逐渐从实验室规模过渡到生产规模。动植物细胞培养是指动物或植物在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生长增多，但不再形成组织。动植物培养与微生物培养有较大区别，首先是动物细胞没有细胞壁，而且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体表面才能生长，并对培养基的营养要求苛刻等原因，所以强烈的机械搅拌与通气鼓泡产生较大的剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。植物细胞具有细

3、胞壁，可以像微生物一样在液体中悬浮培养，但对流体的剪切力的耐受性比微生物低，再加上动物细胞的生长比微生物缓慢，并且动物细胞培养条件又非常适合杂菌生长。所以反应器在结构上有特殊要求。二、生物反应器设计内容与开发趋势1、设计内容：生物反应器在生物工程中处于极为重要的中心地位，它通常影响整个过程经济效益的重要方面。反应器设计的基本准则是操作状态最佳化。（1）反应器类型：根据生产工艺特征、反应及物料特性等因素确定反应器的操作方式、结构类型、传动和流动方式等。（2）设计反应器的结构，确定各种结构参数即确定反应器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）确定工艺参数及控制方式

4、，如：温度、压力、通气量、进料浓度、流量等。另外，考虑一些特殊需要，例如微生物和动植物细胞容易受到杂菌的污染，应尽量少用法兰，多采用焊接连接，反应器内保持一定正压，避免大气漏入等。2、开发趋势：（1）建立描述生物反应过程的各种数学模型，以反应器为研究对象，将其中的生物反应过程分解为生化反应、传递过程、流体流动及混合等分过程，分别进行研究，然后联立求解动力学方程、物料及热量衡算式，从而得到所研究的生物反应过程规律的解析表达式，获得较精确的反应过程本质的数学模型，以便用于过程的自控、优化及反应器的设计与放大。（2）大型化生物反应器的研究。生物反应器正向大型方向发展，例如：抗生素的发酵罐容积已达40

5、0m3,氨基酸的生产达到500m3,生产单细胞蛋白的气升式发酵罐达到2600 m3，处理废水的生物反应器超过27000 m3，国内生物反应器容积多在200 m3以下。反应器的放大降低了生产成本，但大型反应器的设计还需要一定的技术问题。（3）特殊要求的新型生物反应器的研制开发。例如：基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器、固体发酵反应器、边发酵边分离的反应器等的开发研制以获得广泛的重视。第二节 理想反应器间歇操作发酵罐的特点：物料一次加入，反应结束后一次放出，在良好的搅拌下，罐内各点温度、底物浓度可接近均匀，罐内底物浓度随时间变化，所以反应速度也随时间变化。单罐间歇发酵是微生物或细

6、胞在一个罐内完成延迟期、对数生长期、稳定期、衰退期等阶段。微生物或细胞在其前后两个非旺盛的生长期的时间相当长，因此，导致发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。连续操作发酵罐的特点：发酵管内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排出发酵液，是发酵罐中的微生物或细胞一直维持在优化状态下生长和产物形成。这样缩短了发酵周期，提高了设备利用率。反应器内反应温度、底物浓度都不随时间变化，各点反应速度也不随时间变化。一、返混与停留时间分布连续操作反应器的有效容积为VR，通过反应器的体积流量为VS，则平均停留时间为：VR/VS ,间歇操作反应器，全部物料粒子经过相同的反应时间，没有停留时间分布。停留时间分布：

7、在连续操作中，有的粒子很快从出口流出，有的则很慢，所以停留时间有快有慢，形成一定的停留时间分布。1、年龄分布与返混：停留时间分布有两种：一是指反应器内的物料，称年龄分布；二是指反应器出口物料，称出口年龄分布（寿命分布）（1）年龄分布：从进入反应器的瞬间开始算年龄，到考虑的瞬间为止，反应器内的物料粒子有的已经停留了1S，有的已经停留了10S，不同年龄的物料粒子混合在一起形成一定的分布，称年龄分布。（2）返混：不同年龄的物料粒子混合在一起的现象称为返混。 返混是时间概念上的混合，是反应器内不同停留时间的粒子之间的混合，有返混，必然存在停留时间分布，而间歇操作不存在。例如：在连续管式反应器中，由于管

8、中心与管壁粒子速度不同，停留时间有长有短，就会产生停留时间分布，形成返混。所以，返混是连续操作反应器中特有的现象。（3）寿命分布：从进入反应器的瞬间开始算年龄，到考虑的瞬间为止，反应器内的物料粒子有的已经停留了5S，有的已经离开反应器。他们的年龄也就是寿命。在出口物料中，不同寿命的粒子混在一起，形成寿命分布。 年龄分布与寿命分布之间存在一定的关系，已知其中一种分布，可以求出另一种分布，一般由实验测定寿命分布。2、返混产生的原因：（1）涡流与扰动：管式反应器进出口的涡流与扰动，引起物料粒子间的轴向混合，形成返混。（2）速度分布：管式反应器中沿径向各点速度不同，因而停留时间不同，引起返混。（3）沟

9、流：填充床中由于沟流造成物料粒子以不同速度流过反应器，引起返混。（4）倒流：由于搅拌作用引起物料倒流，造成返混。（5）短路与死角：连续反应器中由于短路与死角使物料粒子在反应器内的停留时间不同造成返混。二、停留时间分布的测定在正常流动的反应器进口处，在极短时间内迅速加入某种示踪剂（输入信号），与此同时，在反应器出口处连续或间断测定该示踪剂的浓度（输出信号），以浓度为纵坐标，时间为横坐标标绘结果，这种方法称为脉冲示踪法。图：示踪剂：有色物质、电解质、放射性物质等。RTD：停留时间分布曲线。停留时间分布已成为连续反应器设计和放大中必须考虑的因素之一。三、理想反应器模型根据RTD曲线用数字描述物料在实

10、际反应器内的流动情况并进行计算，较困难，所以假定模型，用对模型的分析和计算代替实际反应器的分析和计算，这种处理问题的方法叫数字模型法。1、平推流模型（活塞流，基本无返混） 流体通过细长管道时，在与流动方向垂直的截面上，各粒子流速完全相同，像活塞推过去一样，称为平推流反应器或活塞流反应器。（Plug Flow Reactor 简写为PFR）。对于细长的反应器，当RE很大时，流动情况近似平推流；当长径比大且流速高的固定床反应器也可以近似用此模型。2、全混流模型： 新鲜物料一进入反应器立即均匀分散在整个反应器内，与反应器原有物料能在瞬间达到完全混合，且在出口可检测出新加入的物料粒子，反应器内物料温度

11、、浓度完全均匀，并与出口物料的温度、浓度相同。在反应器内的，达到最大返混，相应的反应器称为全混流反应器（Continuous Stirred Tank Reactor 简称CSTR）连续搅拌釜内的物料流动情况接近全混流。上述完全不返混与完全返混的两种极端状态的流动称为理想流动，相应反应器为理想反应器。在实际反应器中流体的流动往往偏离理想流动，称为非理想流动。3、扩散模型：当实际与平推流偏差不大时，对平推流模型作修正即可。4、多釜串联模型：对偏离全混流模型较小的实际流型，用多釜串联模型描述。假定一个实际设备中的返混情况等于若干个等容积全混釜串联时的返混。釜数N是虚拟的。第三节 发酵罐发酵罐是一种

12、最重要的生物反应器，20世纪四十年代解决了纯种培养好气微生物的发酵罐的设计问题，使青霉素生产工业化，带动了微生物发酵工业的发展。多年来，许多微生物学家和化学工程学家致力于深层液体通气发酵设备的研究中心课题：弄清通气发酵设备中溶氧速率与设备的主要参数、操作变数与流体性质之间的关系作为合理设计发酵罐的理论依据。目前普遍采用通用发酵罐，并在实验基础上建立了放大设计的基本依据。实验室：1升-50升；中试工厂：50升-5000升；工业：5000升以上；现工业：10-20M3。形状：（有利于溶氧）长筒形密闭容器，有椭圆形或碟形的盖和底材质：不锈钢、复合不锈钢、低碳钢要求：罐内应光滑无死角，保证焊接质量，能

13、耐受0.45MPA（表）的水压。一、通用发酵罐既有搅拌又有压缩空气分布装置，最大容积480M3。（一）通用发酵罐的几何尺寸 H/D =1.7-3.0; d/D =1/2-1/3 ; W/D =1/8-1/12 ; B/d =0.8-1.0; (s/d)2 =1.5-2.5; (s/d)3=1-2H：发酵罐筒身高， D：发酵罐内径， d：搅拌器直径， W：挡板宽度，B：下搅拌距底间距离，S：两搅拌期间距离，HL：液位高度，以上均用米表示。H/D：高径比，是特性尺寸。在抗生素工业中，我国种子罐H/D.；发酵罐H/D.；多用H/D.；青霉素H/D.；放射菌H/D；细菌H/DH/D的取值非常重要，H/

14、D越大，细长罐可增加空气气泡在发酵液中的停留时间，有利于空气中的氧被利用，但对厂房车间高度要求提高，对于发酵罐本身的制造加工而言，增加了搅拌轴长和轴的支撑部件，安装困难。（二）发酵罐装料容积V0=Vc+Vb V0：设备的公称容积；Vc：圆筒部分容积；Vb：封头容积。公式：在实际生产中，罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升，产生气泡，所以实际装料量不能过大，一般装料系数为：在设计中，已知年产量求出料液量V0，取其整数（，.，），根据有关公式可求出，即可求出其他尺寸。（三）发酵罐的结构通用发酵罐为密闭受压设备，主要部件有：罐体，搅拌装置，通气装置，传热装置，出料管，进料管，取样管等。罐体：小型发

15、酵罐：直径以下（公称容积.），上封头可用设备法兰与筒身连接。为了便于清洗，罐顶设有清洗用的手孔。大型发酵罐：上封头直接焊在筒身上，顶上开有人孔，便于进入罐内维修。罐顶还设有视孔及灯孔，并在其内面装有压缩空气或蒸汽的吹管，用以冲洗玻璃。罐顶上的接管有进料管，补料管，排气管，接种管，压力表接管等。罐身的接管有冷却水进出管，空气进管，温度计管，测控仪表接口等。排气管尽量靠近罐顶上的中心轴位置，取样管可装在罐侧和罐顶，罐体上的接管尽量少，最好能合并使用。例如进料口，补料口和接种口可合为一个接口。放料可利用通气管压出。罐体内要求无死角，焊接面光滑无砂眼。搅拌装置：（）搅拌的作用：搅拌器旋转时使罐内液体产

16、生一定途径的循环流动，称为总体流动。在总体流动过程中，混合液中的液体被分散成一定尺寸的液团，并被带到罐内各处，造成设备尺度上的宏观均匀。总体流动处于湍流状态，其中充满了大小不同的漩涡。这些漩涡随着湍动程度的加剧，旋涡的尺寸越小，强度越高，数量越多，破碎作用越大，能达到更小尺度上的混合。总之，搅拌的作用概括为两点：一是产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，达到宏观均匀；二是产生强烈的湍动，使液体微团尺寸减少，这两种作用有利于传热和传质，特别有利于氧的溶解。（）搅拌器的型式：常用的有五种：旋桨式，桨式，涡轮式，框式，锚式。工作原理分为两大类：一是以涡轮式为代表，工作原理与离心泵叶轮相似，液

17、体在搅拌器内作径向和切线运动，称径向流型，具有流量较小，压头较高的特点；二是以旋桨式为代表，工作原理与轴流泵叶轮相同，具有流量大，压头低的特点。液体在搅拌器内作轴向和切线运动，称轴向流型。发酵罐中搅拌为了更好溶氧，使气体分散属于小尺度的混合，因此广泛采用涡轮式搅拌器。为了避免气泡沿轴上升，在搅拌器中央设有圆盘。通常带圆盘搅拌器有三种叶片形式：平叶式，弯叶式，箭叶式，叶片数量一般为六个，至少三个，多至八个。对于通用发酵罐，当体积（公称容积）大于时采用三层搅拌为宜。根据工艺需要，也可在同一搅拌轴上安装不同叶形的涡轮搅拌器，达到最佳搅拌效果。（）搅拌功率与混合效果：为了达到一定的混合效果，搅拌必须提

18、供足够大的流量和压头，实际安装搅拌的目的就是通过搅拌器将能量输入到被搅拌的液体中，不消耗足够的搅拌功率就达不到所需的混合效果。所以单位体积液体的功率消耗就成为判断搅拌过程进行好坏的重要依据。公式：由表可以看出：若搅拌器的功率不变，增大搅拌直径，则搅拌转速降低，引起翻动量的增加和压头的下降；反之。增加翻动量有利于相间的混合，增加动压头有利于气泡地粉碎，若要同时增加二者，必须相应增加功率。3、挡板：再搅拌过程中会产生切向液体流动，由于切向分速度的作用，液体在罐内作圆周运动，产生的离心力使液体产生下凹陷象，使液面上升。挡板的存在阻止了罐内液体的圆周运动，减少漩涡。挡板的作用：改变被搅拌液体的流动方向

19、，使之产生纵向运动，从而消除液面中央的凹陷。挡板的宽度：（.），块，与罐体间隙（.），为挡板宽度。若罐内有蛇管或通气管，也可起挡板的作用。4、通气装置：将无菌空气导入罐内的装置。最简单的是单孔管。单孔管的出口位于最下层搅拌器的正下方，开口朝下并距罐底约，空气由通气管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡与培养液充分混合，为防止吹如空气对罐的冲击，在罐底中央焊直径为的保护板。通气管也可采用多孔分布器，但对氧的传递效果并没有明显提高，还会造成不必要的阻力和孔的堵塞而造成灭菌不当。5、传热装置：在发酵过程中，由生物氧化作用及机械搅拌产生的热量必须及时除去，才能保证发酵在恒温下进行。容积5M3以下的发酵罐（包