生物反应器和比拟放大

1、2022-5-101第五章第五章 生物反应器和比拟放大生物反应器和比拟放大2022-5-102教学时数：教学时数：4 4学时学时教学目的与要求：教学目的与要求：能够说出生物反应器有哪些种类，各能够说出生物反应器有哪些种类，各种生物反应器有什么优缺点及适用范围，掌握反应器的种生物反应器有什么优缺点及适用范围，掌握反应器的比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；教学重点：教学重点：生化反应器的比拟放大原则及各种影响放大生化反应器的比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；效果的因素；教学难点：教学难点：生化反应器的比拟放大原则及各种影响放大生化反应器的比拟放大原则及

2、各种影响放大效果的因素；效果的因素；2022-5-103主要内容主要内容一、概述一、概述二、生化反应器的特点二、生化反应器的特点三、生化反应器的种类及选择与操作三、生化反应器的种类及选择与操作四、反应器比拟放大四、反应器比拟放大一一. . 概述概述 生物反应器生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞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

3、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。微生物反应器：微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，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条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏种生化反应条件，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，使之能在低消防止染菌等，促进

4、微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。耗下获得较高的产量。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、丁醇的生产。般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。2022-5-106二、生化反应器的特点二、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皆由生物催化剂- -酶来催化的。决定了酶反应必须在酶来催化的。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比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pHpH、较低的温度及近似细

5、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。2022-5-108生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是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。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

6、反应条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。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产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。品。大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物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浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。的问题。三三. . 生化反应器的种类及选择与操作生化反应器的种类及选择与操作1 1、生化反应器的种类、生化反应器的种类2022-5-10112022-5-10122022-5-1

7、013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2.542.54。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，2022-5-1015机械搅拌罐结构机械搅拌罐结构设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器设备主要部件包括罐身、搅拌器

8、、轴封、消泡器中间轴承，空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔中间轴承，空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成，材罐体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(0.25MPa(绝对大气压绝对大气压) )。2022-5-10172022-5-1018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

9、：(W/D)Z=0.5(W/D)Z=0.5D-D-罐的直径罐的直径Z-Z-挡板数挡板数W-W-挡板宽度挡板宽度2022-5-1019轴封轴封 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。2022-5-1020(2)(

10、2)自吸式发酵罐自吸式发酵罐原理：原理：它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的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吸搅拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器和导轮，简称为转子及定子。转子由罐底搅拌器和导轮，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导向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。气管吸入。2022-5-1022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

11、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。2022-5-1023 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

12、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2315m2315m2 2气液接触面积气液接触面积/m/m3 3空气；动力消耗低；空气；动力消耗低；设备便于自动化、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。2022-5-1025(3)(3)气升式生化反应器气升式生化反应器工作机理：工作机理：是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部

13、装设空气喷嘴，空气喷嘴以装设空气喷嘴，空气喷嘴以250300250300（m/sm/s）2022-5-10272022-5-10282022-5-1029优点：优点： 结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备节省结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备节省动力约动力约50%50%，节省钢材；操作时无噪音；料液可，节省钢材；操作时无噪音；料液可充满充满80%90%80%90%，而不需加消泡剂；维修、操作及，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简单，减少杂菌污染。清洗简单，减少杂菌污染。缺点：缺点：对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。(4)(4)新型啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备

14、圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能缩广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性。故能适合短发酵时间，而且具有生产上的灵活性。故能适合于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一般置于室于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一般置于室外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进入罐内，外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进入罐内，发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。酵温度。2022-5-1031锥底内角为锥底内角为6060度，内有涂料的钢罐的锥底内角为度，内有涂料

15、的钢罐的锥底内角为7575度，使排污的时候，酵母可强制排出。罐的容度，使排污的时候，酵母可强制排出。罐的容量系数为量系数为80%85%80%85%。视罐体高度，冷却夹套分为视罐体高度，冷却夹套分为2424段，锥体夹套可段，锥体夹套可设一段或不设。发酵罐应保温，以尽量减少冷、设一段或不设。发酵罐应保温，以尽量减少冷、热消耗。多数是采用夹层聚胺酯发泡保温。外壳热消耗。多数是采用夹层聚胺酯发泡保温。外壳多数是采用塑料、铝或不锈钢。罐体的材料为不多数是采用塑料、铝或不锈钢。罐体的材料为不锈钢或碳钢加涂料。锈钢或碳钢加涂料。2022-5-1033(5)(5)动物细胞生物反应器动物细胞生物反应器气升式生物

16、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胞，也可培养贴壁依赖性细胞主要用来培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体杂交瘤细胞，生产单克隆抗体2022-5-10352022-5-1036(6)(6)植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 同上同上 植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一样，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胞很少是以单一细胞悬浮生长，通常题是植物

17、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合体，当细胞密度高，粘性是一团细胞非均相集合体，当细胞密度高，粘性大的时候，容易产生混合和循环不良。大的时候，容易产生混合和循环不良。2022-5-10382 2、生物反应器设计基本原则、生物反应器设计基本原则在反应系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不在反应系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通。应直接连通。尽量较少法兰连接。尽量较少法兰连接。尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切实磨光，消除蓄积菌体的场所。实磨光，消除蓄积菌体的场所。2022-5-10402022-5-1041四四. . 比拟放

18、大比拟放大为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大生产中再现，就要掌握和运用放大技术。生产中再现，就要掌握和运用放大技术。放大一般有两个基本手段放大一般有两个基本手段：（1 1）用相似原理进行比拟放大，常用的方法；用相似原理进行比拟放大，常用的方法；（2 2）对全部机理做数学分析，太复杂。）对全部机理做数学分析，太复杂。2022-5-1042 比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上的。放大与通气、搅拌等技

19、分散等基本假设之上的。放大与通气、搅拌等技术构成了生化工程的核心部分。应用在微生物的术构成了生化工程的核心部分。应用在微生物的放大方面，则需要由小试放大到中试进行讨论，放大方面，则需要由小试放大到中试进行讨论，这是生化工程的一个基本特征，生化工程不同于这是生化工程的一个基本特征，生化工程不同于一般的化学过程。一般的化学过程。2022-5-1044 化学工业中，每级放大在化学工业中，每级放大在5050倍以下，而且每级放倍以下，而且每级放大时需对前级参数进行修正。生物工业中，放大大时需对前级参数进行修正。生物工业中，放大的倍数有的高达的倍数有的高达200200倍，如外国某公司用于单细胞倍，如外国某

20、公司用于单细胞蛋白生产的蛋白生产的300m300m3 3反应器是从反应器是从1.5m1.5m3 3反应器直接放反应器直接放大得到的。一般生物反应器的放大倍数为大得到的。一般生物反应器的放大倍数为1010。2022-5-1045 发酵是一复杂的过程，比拟放大不是简单发酵是一复杂的过程，比拟放大不是简单的比例放大。发酵设备的几何尺寸相似只不过的比例放大。发酵设备的几何尺寸相似只不过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态相似及传质、传热等，且与微生物的体的流态相似及传质、传热等，且与微生物的新陈代谢反应有关系。新陈代谢反应有关系。2022-5-104

21、6一般放大依据有以下几项：一般放大依据有以下几项：（1 1）氧传递速度相等；）氧传递速度相等；（）比较搅拌浆叶顶端速度；（）比较搅拌浆叶顶端速度；（）在通气培养时，比较单位液量所需要的的（）在通气培养时，比较单位液量所需要的的搅拌功率；搅拌功率；（）混合时间相同；（）混合时间相同；（）雷诺准数相等；（）雷诺准数相等；（）通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。（）通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。2022-5-1047 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法，前五项都是以化学工程学为基础的物理方法，第六项是以控制环境条件调节所培养的微生物的第六项是以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化（

22、细胞内代谢活性变化），以达到重复生理变化（细胞内代谢活性变化），以达到重复所需产物生成过程的方法。掌握环境因子与细胞所需产物生成过程的方法。掌握环境因子与细胞内生理活性的相互关系是一个困难的课题；内生理活性的相互关系是一个困难的课题；2022-5-1048 同时环境因子如何测定，使用什么反馈控制同时环境因子如何测定，使用什么反馈控制系统等诸如此类有待解决的培养技术问题还很多。系统等诸如此类有待解决的培养技术问题还很多。这里仅把化学工程中沿用的放大方法作一介绍，这里仅把化学工程中沿用的放大方法作一介绍，但即使从工程观点上放大问题得到了解决，也不但即使从工程观点上放大问题得到了解决，也不能认为大小

23、发酵罐中微生物状态完全相同。能认为大小发酵罐中微生物状态完全相同。2022-5-1049（一）比拟放大的方法（一）比拟放大的方法1 1、几何尺寸的放大、几何尺寸的放大根据几何相似的原则根据几何相似的原则D D2 2/D/D1 1=D=Di2i2/D/Di1i1=(V=(V2 2/V/V1 1) )1/31/3D-D-反应器直径反应器直径D Di i-搅拌器直径搅拌器直径V-V-反应器的装料容积反应器的装料容积2022-5-10502 2、通风量的放大、通风量的放大按单位体积液体通风量按单位体积液体通风量Q/VQ/V相等相等大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和大型反应器液柱高，空气在液体中

24、所走的路程和气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应器的有较高的空气利用率，放大时大型反应器的器的有较高的空气利用率，放大时大型反应器的Q/VQ/V比小型设备的比小型设备的Q/VQ/V小。小。2022-5-10512022-5-1052按体积溶氧系数相等放大按体积溶氧系数相等放大经过实验和有关准数的整理，可得通风量经过实验和有关准数的整理，可得通风量Q Q与溶与溶氧系数氧系数k kL La(Q/V)Ha(Q/V)HL L2/32/3k kL La a-体积溶氧系数（体积溶氧系数（1/h1/h）Q-Q-通风量通风量(m(m3 3/min);/min);

25、V-V-发酵液体积发酵液体积(m(m3 3) )H HL L-发酵液深度发酵液深度(m)(m)(k(kL La)a)2 2/(k/(kL La)a)1 1=(Q/V)=(Q/V)2 2/(Q/V)/(Q/V)1 1.(H.(HL2L2/H/HL1L1) )2/32/3(Q/V)(Q/V)2 2/(Q/V)/(Q/V)1 1=(H=(HL1L1/H/HL2L2) )2/32/3=(D=(D1 1/D/D2 2) )2/32/3(VVM)(VVM)2 2/(VVM)/(VVM)1 1=(D=(D1 1/D/D2 2) )2/32/3大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。大罐单位体积需要的通风量

26、要比小罐的小得多。2022-5-10532022-5-10543 3、搅拌功率放大、搅拌功率放大搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而在机械搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而在机械搅拌生化反应器中，搅拌功率的放大是整个放大搅拌生化反应器中，搅拌功率的放大是整个放大中最主要的内容。对于一定性质的液体，由于搅中最主要的内容。对于一定性质的液体，由于搅拌功率的大小取决于搅拌转速拌功率的大小取决于搅拌转速n n和搅拌器直径和搅拌器直径D Di i，因此搅拌功率的放大实际上是因此搅拌功率的放大实际上是n n和和D Di i的放大。的放大。若集合相似，则若集合相似，则D Di i一定，放大问题就只是选择一

27、定，放大问题就只是选择搅拌转速搅拌转速n n的问题。的问题。2022-5-1055按雷诺准数按雷诺准数ReRe相等放大相等放大n n2 2/n/n1 1=(D=(Di1i1/D/Di2i2) )2 2=(D=(D1 1/D/D2 2) )2 2在某些情况下可作为放大的依据在某些情况下可作为放大的依据按单位体积液体消耗功率按单位体积液体消耗功率P/VP/V相等放大相等放大PnPn3 3D Di i5 5 P/V nP/V n3 3D Di i2 2若若P/VP/V相等，即相等，即 (n(n3 3D Di i2 2) )1 1 = (n= (n3 3D Di i2 2) )2 2n n2 2/n/n1 1=(D=(Di1i1/D/Di2i2) )2/32/3=(D=(D1 1/D/D2 2) )2/32/32022-5-10562022-5-1057按搅拌器末端线速度按搅拌器末端线速度nDnDi i相等放大相等放大如果在小型设