《生物反應(yīng)器》PPT課件

第七章 生物反應(yīng)器 主要內(nèi)容 1、生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2、酶反應(yīng)器 3、通風(fēng)式發(fā)酵設(shè)備 4、厭氧發(fā)酵設(shè)備 5、動(dòng)植物反應(yīng)器 6、生物反應(yīng)器放大的 目的與方法 7.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 7.1.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與生物學(xué)基礎(chǔ) 生物反應(yīng)器與化學(xué)反應(yīng)器在使用中的主要不同點(diǎn) 是 生 物 （ 酶除外 ） 反 應(yīng) 都 以 “ 自催化 ” （ Autocalalysis)方式進(jìn)行 ， 即在目的產(chǎn)物生成的過(guò) 程中生物自身要生長(zhǎng)繁殖 。 生物反應(yīng)器的作用就是為生物體代謝提供一個(gè)優(yōu) 化的物理及化學(xué)環(huán)境 ， 使生物體能更快更好地生長(zhǎng) ， 得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物 。 生物反應(yīng)器的操作特性 反應(yīng)器類型 pH 控制 溫度 控制 工業(yè)重要特性 主要應(yīng)用領(lǐng)域 批式 (通用罐 ) 連續(xù)攪拌罐式 氣升式反應(yīng)器 鼓泡式反應(yīng)器 自吸式反應(yīng)器 通風(fēng)制曲設(shè)備 嫌氣反應(yīng)器 動(dòng)植物細(xì)胞用 反應(yīng)器 光合反應(yīng)器 如需 如需 如需 如需 如需 難控 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 如需 人事費(fèi)用高 流速受沖出限制 空壓機(jī)出口壓力 要高 可采用鼓風(fēng)機(jī) 需轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn) 人事費(fèi)用高 無(wú)需通風(fēng)設(shè)備 剪切應(yīng)力小 需光源 大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn) 污水處理 、 SCP生產(chǎn)等 有機(jī)酸 ,如檸檬酸生產(chǎn)等 面包酵母等生產(chǎn) 乙酸 、 酵母等生產(chǎn) 麩曲 、 酶制劑和麥芽生產(chǎn)等 酒精 、 啤酒等生產(chǎn) 雜交瘤單克隆抗體 、 煙草細(xì)胞 培養(yǎng)等 微藻等生產(chǎn) 生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ) 生物反應(yīng)速率主要指細(xì)胞生長(zhǎng)速率 、 基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物 生成速率 ， 其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型是 細(xì)胞： （ 7-1） 基質(zhì)： （ 7-2） 產(chǎn)物： （ 7-3） 反應(yīng)液體積： （ 7-4） ),. .2,1( niFXXFVXdtdV X iiffiii ), . . . . . .2,1( 1 njFSSFVXdtd VS jjffi n j ji j ),.2,1( 1 nkFPVXdtdV P ki n k ki k FFdtdV f 式中 F為流入與流出生物反應(yīng)器的基質(zhì)流量 L/h； 下標(biāo) i、 j和 k分別表示相應(yīng)的細(xì)胞 、 基質(zhì)和產(chǎn) 物 ,下標(biāo) 表示基質(zhì)的流加流量 。 當(dāng)采用分批式操作時(shí) ,F=F=0；采用流加式操 作時(shí)， FF=0；采用連續(xù)式操作時(shí) ,F=F0 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理 生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)的要點(diǎn) 1、 選擇適宜的生物催化劑 。 這包括要了解產(chǎn)物在生物反 應(yīng)的哪一階段大量生成 、 適宜的 pH和溫度 ， 是否好氧和 易受雜菌污染等 。 2、 確定適宜的反應(yīng)器形式 。 3、 確定反應(yīng)器規(guī)模 、 幾何尺寸 、 操作變量等 。 4、 傳熱面積的計(jì)算 。 5、 通風(fēng)與攪拌裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 。 6、 材料的選擇與確保無(wú)菌操作的設(shè)計(jì) 。 7、 檢驗(yàn)與控制裝置 。 8、 安全性 。 9、 經(jīng)濟(jì)性 。 7.1.2 生物反應(yīng)器中的混合 混合過(guò)程的分類 類 型 說(shuō) 明 應(yīng) 用 實(shí) 例 氣 液 液 固 固 固 液 液 液 液 液體流動(dòng) 氣 、 液接觸混合 固相顆粒在液相 中懸浮 固相間混合 互溶液體 不互溶液體 傳熱 液相好氧發(fā)酵 ， 如味精 、 抗生素等 發(fā)酵 固定化生物催化劑的應(yīng)用 、 絮凝酵 母生產(chǎn)酒精等 固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)前的拌料 發(fā)酵或提取操作 雙液相發(fā)酵與萃取過(guò)程 反應(yīng)器中的換熱器 7.1.3 生物反應(yīng)器中的傳熱 生物反應(yīng)器中的能量平衡可表示為： （ 7-5） 式中 Qmet為微生物代謝或酶活力造成的單位體積產(chǎn)熱速率； Qag為攪拌造成的單位體積產(chǎn)熱速率； Qgas為通風(fēng)造成的單位體積產(chǎn)熱速率； Qacc為體系中單位體積的積累產(chǎn)熱速率； Qexch為單位體積反應(yīng)液向周圍環(huán)境或冷卻器轉(zhuǎn)移熱的速率； Qevap為蒸發(fā)造成的單位體積熱損失速率； Qsen為熱流（流出流入）造成的單位體積敏感焓上升的速 率 。 s e ne v apexchac cgasagm e t QQQQQQQ 實(shí)際生物反應(yīng)過(guò)程中的熱量計(jì)算， 可采用如下方法： 、 通過(guò)反應(yīng)中冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算 。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) ， 每 m3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器最大 的熱量為： 青霉素發(fā)酵約為 25000kJ/(m3h); 鏈霉素發(fā)酵約為 19000kJ/(m3h); 四環(huán)素發(fā)酵約為 20000kJ/(m3h); 肌苷發(fā)酵約為 18000kJ/(m3h); 谷氨酸發(fā)酵約為 31000kJ/(m3h)。 2、 通過(guò)反應(yīng)液的溫升進(jìn)行計(jì)算 。 即根據(jù)反應(yīng)液 在單位時(shí)間內(nèi) (如半小時(shí) )上升的溫度而求出單位 體積反應(yīng)液放出熱量的近似值 。 例如某味精生產(chǎn) 廠 ， 在夏天不開(kāi)冷卻水時(shí) ， 25m3發(fā)酵罐每小時(shí)內(nèi)最 大升溫約為 12 。 3、 通過(guò)生物合成進(jìn)行計(jì)算 。 當(dāng) Qsen 、 Qacc和 Qgas 可忽略不計(jì) ， 由式 7-5可知 ， （ 7-6） 即反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量均為冷卻裝置帶走。 4、 通過(guò)燃燒熱進(jìn)行計(jì)算 （ 7-7） 式中 Q基質(zhì)燃燒 為基質(zhì)的燃燒熱， Q產(chǎn)物燃燒 為產(chǎn)物的燃燒熱。 e v apagm e texchal l QQQQQ 產(chǎn)物燃燒基質(zhì)燃燒 QQQ a l l 生物反應(yīng)器中的換熱裝置的設(shè)計(jì) ， 首先是傳 熱面積的計(jì)算 。 換熱裝置的傳熱面積可由下式確定 。 （ 7-8） 式中 F為換熱裝置的傳熱面積 m2； Qall為由上述方法獲得的反應(yīng)熱或反應(yīng)中 每小時(shí)放出的最大熱量 kJ/h； K為換熱裝置的傳熱系數(shù) kJ/(m2h )； tm為對(duì)數(shù)溫度差 ( )， 由冷卻水進(jìn)出口 溫度與醪液溫度而確定 。 m a l l tK QF 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)： 夾套的 K值為 400 700kJ/（ m2h ），蛇管 的 K值為 1200 1900kJ/（ m2h ），如管壁較薄， 對(duì)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時(shí)， K值為 3300 4200kJ/ （ m2h ）。氣溫高的地區(qū)，冷卻水溫高，傳熱 效果差，冷卻面積較大， 1m3發(fā)酵液的冷卻面積超 過(guò) 2m2。但在氣溫較底的地區(qū)，采用地下水冷卻， 冷卻面積較小， 1m3發(fā)酵液的冷卻面積為 1m2。發(fā)酵 產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。 7.2 酶反應(yīng)器 7.2.1酶反應(yīng)器及其操作參數(shù) 形式名稱 操作方式 說(shuō)明 單相 系統(tǒng) 酶反 應(yīng)器 攪拌罐 （ stirred tank） 分批 、 流加 靠機(jī)械攪拌混合 超 濾 膜 反 應(yīng) 器 （ ultrafiltration） 分批 、 流加 或連續(xù) 適用于高分子底 物 多相 系統(tǒng) 酶反 應(yīng)器 攪拌罐 分批 、 流加 或連續(xù) 靠機(jī)械攪拌混合 固定床 （ fixed bed） 填充床 (packed bed） 連續(xù) 適用于固定化酶或 微生物的反應(yīng)中 流 化 床 （ fluidized bed） 分批 、 連續(xù) 靠溶液的流動(dòng)而 混合 膜式 （ film） 反應(yīng) 器 ;懸濁氣泡塔 連續(xù) 分批 、 連續(xù) 膜狀或片狀的固定 化酶 ,適于氣體為 底物 根 據(jù) 其 形 式 和 操 作 方 式 分 類: 酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的參數(shù) 決定酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作性能的 參數(shù)有停留時(shí)間 、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器 的產(chǎn)率 Pr、酶的用量、反應(yīng)器溫度、 pH值和底物濃度等。當(dāng)副反應(yīng)不可忽 視時(shí)，選擇性 Sp也是很重要的參數(shù)。 一、停留時(shí)間 停留時(shí)間 是指反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起 ， 至離開(kāi)反應(yīng)器時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間 。 分批式攪拌 罐 （ Batch stirred tank reactor， BSTR） 中 ， 所有物料的停留時(shí)間是相同的 ， 且等于反應(yīng)時(shí)間； CPFR中兩者也是一致的 。 對(duì)于 CSTR， 常使用 “ 平 均停留時(shí)間 ” 來(lái)表達(dá) 。 如果反應(yīng)器的容積為 V， 物 料流入反應(yīng)器中的體積流量為 F， 平均停留時(shí)間 的定義式為： （ 7-9） 又稱空時(shí)（空間時(shí)間 space time），其倒 數(shù) 1 稱為空速（空間速度 space velocity）。 FV 二、轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化率 （ 也 稱 轉(zhuǎn) 化 分 數(shù) conversion or fractional conversion） 是表明供給反應(yīng)的 底物發(fā)生轉(zhuǎn)變的分量 。 分批式操作中 ， 底物的 初始濃度為 S0， 反應(yīng)時(shí)間 t時(shí)的底物濃度為 St， 此時(shí) ， 底物 S的轉(zhuǎn)化率為： （ 7-10） 連續(xù)式操作中 ， 流入反應(yīng)器內(nèi)的底物濃度為 Sin， 流出液中底物的濃度為 Sout， 此時(shí)轉(zhuǎn)化率 : （ 7-11） 0 0 S SS t in o u tin S SS 三、生產(chǎn)能力 Pr 反應(yīng)器生產(chǎn)能力 Pr（ productivity） 的定義是單 位時(shí)間 、 單位反應(yīng)器體積內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物量 。 分批式操作中 ， （ 7-12） 式中 Pt為時(shí)間 t時(shí)單位反應(yīng)液體積中產(chǎn)物的生成量 。 連續(xù)式操作中 ， （ 7-13） 式中 Pout為單位體積流出液中的產(chǎn)物量 。 t S t PP t r 0 inoutr SPP 四、選擇性 Sp 選擇性 Sp（ selectivity） 是在有副反應(yīng)發(fā)生的復(fù)合 反應(yīng)中 ， 能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的底物變化總量中 ， 實(shí)際 上轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的比率 。 由底物 S生成目的產(chǎn)物 P的選 擇性 Sp為： （ 7-14） Sp表明了整個(gè)反應(yīng)的平均選擇性 。 式中 asp是指從 1mol底物 S中所得到產(chǎn)物 P的摩爾數(shù) ， 是由反應(yīng)的量論關(guān) 系而決定 。 由于在反應(yīng)的各階段或反應(yīng)器內(nèi)不同位置的 選擇性并非一致 ， 因此 ， 瞬時(shí) （ 或局部 ） 選擇性為： （ 7-15） 式中 rp為主反應(yīng)速率； rs為副反應(yīng)速率 。 SSa PS sp p 0 sp p P rr rS 酶反應(yīng)器的選擇 游離酶反應(yīng)器的選擇 ， 完全可以采用表 （ 7-2） 一般生物反應(yīng)器的選擇要求來(lái)進(jìn)行 。 對(duì)于固定化酶反應(yīng)器的選擇 ， 除同樣根據(jù)使用 的目的 、 反應(yīng)形式 、 底物濃度 、 反應(yīng)速率 、 物質(zhì) 傳遞速率和反應(yīng)器制造和運(yùn)轉(zhuǎn)的成本及難易等因 素進(jìn)行選擇外 ， 還應(yīng)考慮固定化酶的的形狀 (顆粒 、 纖維 、 膜等 )、 大小 、 機(jī)械強(qiáng)度 、 比重和再生或更 新的難易；操作上的要求 ， 如 pH的控制 、 供氧和 防止雜菌污染等；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)形式和物質(zhì)傳遞特 性 、 內(nèi)外擴(kuò)散的影響；底物的性質(zhì)；催化劑 （ 固 定化酶 ） 的表面反應(yīng)器體積的比值等 。 7.2.2 理想的酶反應(yīng)器 一、 CPFR型酶反應(yīng)器 也稱為活塞流式反應(yīng)器或平推流式反應(yīng)器 。 CPFR具備以下特點(diǎn)：在正常的連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作 情況下，在反應(yīng)器的各個(gè)截面上，物料濃度不隨 時(shí)間而變化；反應(yīng)器內(nèi)軸向各處的濃度彼此不相 等，反應(yīng)速率隨空間位置而變化；由于徑向有嚴(yán) 格均勻的速度分布，即徑向不存在濃度分布，故 反應(yīng)速率隨空間位置的變化只限于軸向。 對(duì) CPFR進(jìn)行物料衡算 圖 7-1 活塞流式反應(yīng)器物料恒算示意圖 沿反應(yīng)器軸向任意切出長(zhǎng)度為 dl的一個(gè)微元 管段作為反應(yīng)器微元，該微元的體積記為 dV=Adl， 如圖 7-1所示，在該微元內(nèi)的反應(yīng)速率不隨時(shí)間而 變。穩(wěn)定狀態(tài)下，以一級(jí)反應(yīng)為例，取底物 S作為 著眼組分進(jìn)行物料衡算得（單位時(shí)間內(nèi)）： 流入量 流出量 反應(yīng)量 積累量 FS (F+dF)(S+dS) -rsdV 0 由于 dF 0， F0 F Ff， 所以 （ 7-17） 以邊界條件進(jìn)行積分 ， 得 （ 7-18） 式中： S為底物濃度 mol m3； F為以體積計(jì)的物料進(jìn)料流率 m3 s； A為反應(yīng)器橫截面積 m2； L為反應(yīng)器長(zhǎng)度 m； 為停留時(shí)間 s； k為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù) 。 A dlSkSdVkdVrdSF s kF LAkSS /ln 0 所以 ， 反應(yīng)器的停留時(shí)間為 （ 7-19） 對(duì)于其它各級(jí)反應(yīng)可得到一般的關(guān)系式 ， （ 7-20） 把酶促反應(yīng)的典型動(dòng)力學(xué)方程 米氏方程代 入上式 ， 得操作方程為 （ 7-21） 也可整理為 （ 7-22） 上式中 ， 為流出液中底物的轉(zhuǎn)化率 。 k SS )/ln ( 0 srds m a x 00 m a x ln r SSSSrKFVAF L m 020 )1l n( EkXKS outmout out 二、 CSTR型酶反應(yīng)器 穩(wěn)定狀態(tài)下 ， CSTR型反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度和溫度均不隨 空間位置和時(shí)間而變化 ， 因而反應(yīng)器內(nèi)各處的反應(yīng)速率 相等 。 所以可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器 （ 圖 7-2） 作物料衡算 ， 一級(jí) 反應(yīng)條件下 ， 對(duì)組分 S（ 單位時(shí)間內(nèi) ） 有 : 流入量流出量 反 應(yīng) 量 積累量 （ 7-23） （ 7-24） （ 7-25） 上式變?yōu)橐话慊年P(guān)系式為： （ 7-26） 將米氏方程代入上式 ， 得操作方程 ， 即 （ 7-27） 也可寫為 （ 7-28） 0)(0 VrfSfS st VrSSf st )()( 0 Sk SS t )( 0 s t r SS )( 0 Sr SKSS r SS F V m s m a x 00 )( 020 )1/( EkKS m 7.2.3 CSTR型與 CPFR型反應(yīng)器性能的比較 圖 7-3 CSTR與 CPFR型反應(yīng)器性能的比較 一、停留時(shí)間的比較 將 （ 7-22） 式和 （ 7-28） 式的結(jié)果標(biāo)繪于圖 7-3， 圖 中橫座標(biāo)為著眼組分 S的轉(zhuǎn)化率 ， 縱坐標(biāo)為反應(yīng)速率的倒 數(shù) 。 由圖可知 ， 在相同的工藝條件下進(jìn)行同一反應(yīng) ， 達(dá) 到相同轉(zhuǎn)化率時(shí) ， 兩者所需的停留時(shí)間不同 ， CSTR型的 比 CPFR型反應(yīng)器的要長(zhǎng) ， 也就是前者所需的反應(yīng)器體積 比后者大 。 圖上向右傾斜的線所圍面積相當(dāng)于 CSTR型反 應(yīng)器達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間 ， 向左傾斜的線所為面 積為 CPFR型反應(yīng)器達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間 。 最終轉(zhuǎn) 化率越高 ， 兩者的差距越大 。 另外，以對(duì)兩反應(yīng)器的體積比作圖可知，隨反應(yīng)級(jí) 數(shù)的增加，反應(yīng)器的體積比急劇增加。 二、酶需求量的比較 當(dāng) KmS0時(shí) ， 反應(yīng)速率可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)來(lái)描 述 ， 于是 ， （ 7-28） 式和 （ 7-22） 式可簡(jiǎn)化成 如下式子 。 （ 7-29） （ 7-30） 式中 ， 常數(shù) (k+2E0)/ Km可認(rèn)為是擬一級(jí)速率 常數(shù) Kf。 CSTR中所需酶的量 ECSTR與 CPFR中所需的量 ECPFR之比 ， 可從上式求得 。 02)1/( EkK m 02)1l n ( EkK m 對(duì)一級(jí)動(dòng)力學(xué)： （ 7-31） 上式表明 ， 轉(zhuǎn)化率越高 ， CSTR中所需酶的相 對(duì)量也就越大 。 另外 ， 比值還依賴于反應(yīng)級(jí)數(shù) ， 一級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最大 ， 0級(jí)反應(yīng)時(shí)其比值最 小 。 如果反應(yīng)遵循米氏定律 ， 則酶需求量的相 對(duì)比值與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系可由圖 7-4表 示 。 所以 ， 可根據(jù)所需轉(zhuǎn)化率來(lái)選擇反應(yīng)器的 類型 ， 或確定它們所需酶的相對(duì)量 。 )1l n ()1( C P F R C S T R E E 圖 7-4 ECSTR/ECPFR與轉(zhuǎn)化率及進(jìn)口底物濃度之間的關(guān)系 三、酶的穩(wěn)定性 酶的穩(wěn)定性是選擇酶反應(yīng)器的重要因素 。 酶 活力的喪失可近似用一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系來(lái)描述 ， 即 （ 7-32） 式中： E為反應(yīng)器中的有效酶濃度； Kd為酶的衰退常數(shù)； t為操作時(shí)間 。 EKdtdE d 若把 （ 7-32） 式與 （ 7-22） 式和 （ 7-28） 式結(jié)合起來(lái) ， 可得描繪酶衰變時(shí)的操作方程 。 CSTR: （ 7-33） CPFR： （ 7-34） 式中，與分別是 t=0和 t=t時(shí)的轉(zhuǎn)化率。 tKKS KS d tmt m )1/( )1/(ln 00 0000 tKKS KS d ttmtt m )1l n ( )1l n (ln 0 000 由（ 7-33）式和（ 7-34）式可知， 0級(jí) 反應(yīng)時(shí)， CSTR與 CPFR內(nèi)酶活力的衰退沒(méi)有 什么區(qū)別。但如果反應(yīng)從 0級(jí)增至一級(jí)，那 么，兩種反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得 明顯。 CPFR產(chǎn)量的下降要比 CSTR快得多， 因而 CPFR中酶的失活比 CSTR中更為敏感。 但是，如上所述，在某些場(chǎng)合，操作條件 相同，要得到同樣的轉(zhuǎn)化率， CSTR所需酶 的數(shù)量遠(yuǎn)大于 CPFR所需的量。 四、反應(yīng)器中的濃度分布 圖 7-5標(biāo)繪了 CSTR與 CPFR中的底物濃度分布 。 由圖 可知 ， 在 CPFR中 ， 雖然出口端濃度較低 ， 但在進(jìn)口端 ， 底物濃度較高； CSTR中底物總處于低濃度范圍 。 如果 酶促反應(yīng)速率與底物的濃度成正比 ， 那么對(duì)于 CSTR而 言 ， 由于整個(gè)反應(yīng)器處于低反應(yīng)速率條件下 ， 所以其 生產(chǎn)能力也低 。 圖 7-5 7.3 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備 7.3.1 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 ， 是指既具有機(jī) 械攪拌又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐 （ 見(jiàn)圖 7-9） ， 目前最大的通用式發(fā)酵罐 容積約為 480m3。 一 、 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸與操作條 件如表 7-6和圖 7-10所示。 幾何尺寸與操 作條件范圍 典型數(shù)值 奧地利某公司 200m3 美國(guó)某公司 130m3 日本某公司 50m3 中國(guó)某味精廠 100m3 H/D=1 4 3 183 1.8 2.94 Di/D=1/2 1/4 1/3 0.338 0.34 0.286 W/D=1/8 1/12 1/10 1 1 0.10 2 B/ Di =0.8 1.0 1.0 1.0 攪拌 轉(zhuǎn)速 N=30 1000 (r/min) 90 130 70 130 145 150 單位醪液體積的冷卻面 積 0.6 1.5 (m2/m3) 1.5 1.14 攪拌器層數(shù) 4層 4層 2層 3層 通 風(fēng) 量 0.1 4 m3/(m3min) 0.5 0.3 1.0 0.6 0.5 0.2 空氣線速度 0.02 2 (m/min) 1.76 單 位 體 積 功 耗 1 4 (kw/m3) 2 2.5 3 4 5.4 3 1.3 裝料系數(shù) =70 80 77 75 88 75 電機(jī)功率 (kw) 300 1300 150 130 表 7-6 通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸與操作條件 1 將列管并列焊接在一起 ， 組成擋板 ; 2 直接利用列管當(dāng)擋板 H 筒身高度 D 罐徑 W 擋板寬度 HL 液位高度 Di 攪拌器直徑 S 兩攪拌器間距 B 下攪拌器距底間距 二、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的混合與攪拌 機(jī)械攪拌罐的混合主要是通過(guò)機(jī)械 攪拌來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械攪拌不僅可促使培養(yǎng) 基混合均勻，而且有利于增加氣液接觸 面積，提高溶氧速率。對(duì)于雙液相反應(yīng) 體系可提高液 -液接觸面積，另外還可促 進(jìn)傳熱與固形物料的懸浮。 1、攪拌器的型式與攪拌流型 生物反應(yīng)器中常使的攪拌器型式有： 螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式攪拌槳 和柵狀攪拌槳等。另外，翼型槳也已開(kāi) 始廣泛應(yīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)，并取得較好效 果。 2、 攪拌功率的計(jì)算 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中的攪拌器軸功率與下列因 素有關(guān)：攪拌器直徑 Di（ m） 、 攪拌轉(zhuǎn)速 N （ r/min） 、 液體密度 （ kg/m3） 、 液體粘度 （ Pas） 、 重力加速度 g（ m/s2） 、 攪拌罐直徑 D （ m） 、 液柱高度 HL（ m） 以及檔板條件 (數(shù)量 、 寬度和位置 )等 。 由于攪拌罐直徑和液柱高度與 攪拌器直徑之間有一定比例關(guān)系 ， 可不作獨(dú)立 變量 ， 于是 : P = f(Di， N， ， ， g) (7-37) 對(duì)于牛頓型流體，通過(guò)因次分析可得 如下關(guān)聯(lián)式 : (7-38) (7-39) 式中： NP為功率準(zhǔn)數(shù) ， 其物理意義為機(jī)械 攪拌力與慣性力之比； ReM為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù) ,其物理意義為慣性力 與粘滯力之比； FrM為攪拌弗魯特準(zhǔn)數(shù) ， 其物理意義是攪拌 加速度與重力； K為與攪拌器形式、反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān) 的常數(shù) yrMxeMP FKRN y i x i i g DNNDK DN P 22 53 實(shí)驗(yàn)表明，在全檔板條件下，液面不產(chǎn)生中心下降 的旋渦，此時(shí) y=0， NP僅是 ReM的函數(shù) (圖 7-11) 圖 7-11 各種攪拌器的 ReM對(duì)應(yīng)于 NP的關(guān)系 14螺旋槳， 12螺距 =Di， 34螺距 =2DI； 5平槳； 6平葉渦輪槳（無(wú)檔板）； 7平葉渦輪槳（有檔板）； 8彎葉渦輪槳； 9箭葉渦輪槳 當(dāng) Rem104， 液體處于湍流狀態(tài) ， (7-41) 1 eMP KRN 53 iDKNP 不同攪拌器的 K值如表 7-7所示 表 7-7 不同攪拌器的 K值 這些 K值均為在 HL/D=1， D/Di=3， D/W=10的 條件下測(cè)定的。 攪拌器的形式 K(滯流 ) K(湍流 ) 三葉螺旋槳 ， 螺距 =d 41.0 0.32 三葉螺旋槳 ， 螺距 =2d 43.5 1.0 四平葉渦輪攪拌器 70.0 4.50 六平葉渦輪攪拌器 71.0 6.10 六彎葉渦輪攪拌器 71.0 4.80 六箭葉渦輪攪拌器 70.0 4.0 六彎葉封閉式渦輪攪拌器 97.5 1.08 當(dāng)不符合此條件時(shí) ， 攪拌功率可用下 式校正： (7-42) (7-43) 如果已知 (D/Di)=3， (HL/Di)=3， 則 (7-44) 式中 ， f為校正系數(shù) ， 式中帶 *號(hào)的 為代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況 。 PfP iLi iLi DHDD DHDDf PDHDDP iLi 31 對(duì)于大型發(fā)酵罐 ,同一軸上往往安裝多層攪 拌器，對(duì)于多層攪拌器的功率可用下式計(jì)算。 (7-45) 式中 m為攪拌器層數(shù)。 以上是不通風(fēng)時(shí)攪拌功率的計(jì)算。 )6.04.0()1(6.01 mPmPP m 通風(fēng)時(shí)攪拌器的軸功率消耗降低 ， 其降低程 度與通風(fēng)量 Qgm3(工作狀態(tài) )/min及液體翻動(dòng) 量 Q1(m3/min)(Q1N d3)等因素有關(guān) 。 Michel等 人提出了應(yīng)用較廣泛的通風(fēng)時(shí)的攪拌功率 Pg與 工作變量間的經(jīng)驗(yàn)公式： (7-46) 式中， Di/D=1/3時(shí)， K=0.157； Di/D=2/3時(shí)， K=0.113； Di/D=1/2時(shí)， K=0.101。 45.0 56.0 32 g i g Q NDP KP 通風(fēng)時(shí)的攪拌功率也可利用下式計(jì)算 。 (7-47) (7-48) 式中 Na為通風(fēng)準(zhǔn)數(shù) ， 其代表發(fā)酵罐內(nèi) 空氣的表觀流速與攪拌器葉端速度之比 ， 可表示為： (7-49) NaPPNa g 6.121,0 3 5.0 NaPPNa g 85.162.0,0 3 5.0 3 2 i g i ig ND Q ND DQ Na 7.3.2 氣升式和鼓泡式反應(yīng)器 氣升式和鼓泡式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌 通風(fēng)反應(yīng)器的不同在于無(wú)機(jī)械攪拌。這 類反應(yīng)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氧傳遞效 率高，耗能低，安裝維修方便等。 一、氣升式反應(yīng)器 氣升式反應(yīng)器有多種形式，比較典型的兩 種形式如圖 7-12。 圖 7-12 氣升式反應(yīng)器示意圖 二、鼓泡式反應(yīng)器 圖 7-13 高位篩板式反應(yīng)器示意圖 鼓泡式反應(yīng)器的功率消耗可由下式計(jì)算 （ 7-50） 式中 為液體密度； g為重力加速度； Qg為氣體體積流速； HL為反應(yīng)液柱高； P1為罐底壓力； P2為罐頂壓力； 為效率因子； V0為通過(guò)小孔的氣體流速 。 一般上式中右邊第二項(xiàng)可以忽略不計(jì) ， 所以上式 可變?yōu)?（ 7-51） 2ln)( 2 0 2 1 21 2 V P P PP PHgQP Lgg Lgg HgQP 7.3.3 自吸式反應(yīng)器 自吸式反應(yīng)器是一種不需要空氣壓縮機(jī) ， 而在攪拌過(guò) 程中自吸入空氣的反應(yīng)器 。 該反應(yīng)器最關(guān)鍵部件是帶有 中央吸氣口的攪拌器 。 攪拌器葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí) ， 葉片不斷排 開(kāi)周圍的液體使其背側(cè)形成真空 ， 由導(dǎo)氣管吸入罐外空 氣 ， 吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出 ， 并立即通過(guò)導(dǎo)輪向罐壁分散 ， 經(jīng)檔板折流涌向液面 ， 均 勻分布 。 由于空氣靠反應(yīng)液高速流動(dòng)形成的真空自行吸入， 氣液接觸良好，氣泡分散較細(xì)，因而溶氧系數(shù)較高。自 吸式反應(yīng)器的缺點(diǎn)是進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，因而增加了染 菌機(jī)會(huì)。 7.3.4 通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備 根據(jù)固態(tài)發(fā)酵中通風(fēng)方式與物料所 處狀態(tài)的不同，通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備可分 為靜置培養(yǎng)用發(fā)酵設(shè)備、通風(fēng)培養(yǎng)用固 態(tài)發(fā)酵設(shè)備和流化床式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。 根據(jù)操作方式的不同，通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè) 備又可分為分批式和連續(xù)式兩類。 一、分批式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備 厚層通風(fēng)制曲裝置是目前國(guó)內(nèi)使用較多的分批式通風(fēng)固態(tài)發(fā) 酵設(shè)備。制盒曲的曲盒，制簾子曲的簾子等是最簡(jiǎn)單，且古老實(shí) 用的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。另外，一些現(xiàn)代化的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，如自動(dòng) 化制曲裝置和流化床式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備早已工業(yè)化應(yīng)用。 圖 7-15 厚層通風(fēng)制曲裝置示意圖 二、連續(xù)式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備 連續(xù)式發(fā)酵設(shè)備有塔式 ， 轉(zhuǎn)鼓式和回轉(zhuǎn)式等多種形式 。 塔式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備外形為塔式 ， 內(nèi)有兩至六層塔 板 ， 培養(yǎng)物料從上而下分級(jí)傳輸 ， 在每一層塔板上發(fā)酵一 定時(shí)間后傳輸至下一層 ， 傳送方法有多種 。 轉(zhuǎn)鼓式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備外形為放倒的園柱體 。 圓柱 體慢慢地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) ， 使內(nèi)部物料隨之翻動(dòng) ， 起到通風(fēng)攪拌 的作用 。 若將圓柱形殼體略做頃斜放置 ， 可使物料連續(xù)慢 慢地向較低一端移動(dòng) ， 通過(guò)在較高一端不斷補(bǔ)料 ， 形成固 態(tài)連續(xù)發(fā)酵 。 回轉(zhuǎn)式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備為一圓環(huán)形裝置，外徑 37m，裝料 量為 400m3，圓環(huán)形發(fā)酵裝置旋轉(zhuǎn)一周 46h，發(fā)酵時(shí)間 42h， 其余為輔助時(shí)間。 7.4 嫌氣發(fā)酵設(shè)備 7.4.1 酒精發(fā)酵設(shè)備 酒精 、 啤酒和丙酮丁醇溶劑等類同 ， 屬嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品 。 酒精 發(fā)酵罐一般為圓柱形的筒體 ， 底蓋和頂蓋為碟形或錐形 。 發(fā)酵 罐宜采用密閉式 。 罐頂裝有人孔 ， 視鏡及二氧化碳回收管 ， 進(jìn) 料管 ， 接種管 ， 壓力表和測(cè)量?jī)x表接口管等 。 罐底裝有排料口 和排污口 ， 罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口 ， 對(duì)于大型發(fā) 酵罐 ， 為了便于維修和清洗 ， 靠近罐底處也裝有人孔 。 對(duì)于冷卻裝置 ， 中小型發(fā)酵罐多采用罐頂噴水淋于罐外壁表 面進(jìn)行膜狀冷卻；對(duì)于大型發(fā)酵罐 ， 罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或采用 罐內(nèi)安裝蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置的方法 ， 也有采用罐 外列罐式噴淋冷卻或者通過(guò)循環(huán)冷卻的方法 。 為回收冷卻水 ， 在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽 。 酒精發(fā)酵罐的洗滌，過(guò)去均由人工操作，如今，已逐步采 用水力噴射洗滌裝置。 7.4.2 啤酒發(fā)酵設(shè)備 傳統(tǒng)的啤酒前發(fā)酵設(shè)備大多為方形或長(zhǎng)方形 (個(gè) 別也有立式圓桶形 )的槽子。發(fā)酵池大部分為開(kāi)口式， 容積為 10-100m3 (相當(dāng)于 1-3次冷卻麥汁容積的 1.2 倍 )，槽高 1.53m，槽充滿系數(shù)為 80%(冷卻麥汁高度 加上 0.35m泡沫高度 )。 后發(fā)酵槽又稱儲(chǔ)酒罐，是金屬的圓筒形密閉容 器，有臥式和立式兩種，一般采用臥式。 如今啤酒行業(yè)中廣泛采用的啤酒發(fā)酵設(shè)備是圓 筒體錐底發(fā)酵罐 (常稱錐形罐 )。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵速度 快，易于沉淀收集酵母 (下面酵母 )，減少啤酒及其 苦味物質(zhì)的損失，泡沫穩(wěn)定性得到改善，對(duì)啤酒工 業(yè)的發(fā)展極為有利。 7.4.3 嫌氣連續(xù)發(fā)酵設(shè)備 生物工業(yè)中的嫌氣連續(xù)發(fā)酵設(shè)備主要指啤酒連 續(xù)發(fā)酵設(shè)備和酒精連續(xù)發(fā)酵設(shè)備 。 啤酒連續(xù)發(fā)酵設(shè)備主要有塔式和多罐式兩類。 酒精連續(xù)發(fā)酵采用的設(shè)備有：?jiǎn)喂捱B續(xù)攪拌發(fā) 酵罐；酵母回用連續(xù)攪拌發(fā)酵罐；透析發(fā)酵罐；固 定化酵母發(fā)酵罐；萃取發(fā)酵系統(tǒng)；膜回收酒精發(fā)酵 系統(tǒng)，連續(xù)真空發(fā)酵系統(tǒng)；中空纖維發(fā)酵系統(tǒng)；多 只發(fā)酵罐連接的連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)等。 7.5 植物和動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器 隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展 ， 動(dòng)植物細(xì)胞的培 養(yǎng)已可在工業(yè)規(guī)模生化反應(yīng)器中進(jìn)行 。 動(dòng)植物細(xì) 胞培養(yǎng)是指動(dòng)物或植物細(xì)胞在體外條件下進(jìn)行繁 殖 ， 此時(shí)細(xì)胞雖然生長(zhǎng)與增多 ， 但不再形成組織 。 動(dòng)植物細(xì)胞與微生物細(xì)胞有明顯的區(qū)別，首 先動(dòng)物細(xì)胞無(wú)細(xì)胞壁，動(dòng)植物細(xì)胞對(duì)環(huán)境影響十 分敏感。培養(yǎng)中動(dòng)植物細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)要求 相當(dāng)苛刻，并且生長(zhǎng)緩慢。所以動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng) 體系需要嚴(yán)格防止雜菌污染。 7.5.1 植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器 用于植物細(xì)胞培養(yǎng)的核心設(shè)備稱為植物細(xì) 胞培養(yǎng)反應(yīng)器。此類反應(yīng)器與微生物發(fā)酵用反 應(yīng)器有許多相同之處，亦采用通用式發(fā)酵罐、 鼓泡式發(fā)酵罐、氣升式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng) 器、固定床式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器及振動(dòng)混合反 應(yīng)器等。植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器已從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模 的 1-30L放大到工業(yè)性試驗(yàn)規(guī)模 130-20000L。 植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，可采用通風(fēng) 發(fā)酵設(shè)備的放大方法來(lái)進(jìn)行。 7.5.2 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器有多種形式， 這些反應(yīng)器都是針對(duì)動(dòng)物細(xì)胞無(wú)細(xì)胞壁， 不能耐受強(qiáng)烈攪拌與通風(fēng)的剪切力而設(shè) 計(jì)制造。 一、動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器 由于動(dòng)物細(xì)胞無(wú)細(xì)胞壁保護(hù) ， 采用一般發(fā)酵 罐的攪拌槳葉攪拌液體時(shí)液體間的剪切力往往過(guò) 大而破壞細(xì)胞 ， 因此 ， 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的懸浮培養(yǎng)反 應(yīng)器時(shí)依靠磁力驅(qū)動(dòng)的攪拌器低轉(zhuǎn)速攪拌 (如 2050r/min)， 攪拌槳有用尼龍絲編織帶制成船帆 形 ， 或通過(guò)插入溶液中的硅膠管使氧氣擴(kuò)散到培 養(yǎng)液內(nèi) 。 目前，工業(yè)規(guī)模的動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器 最大規(guī)模 10m3 ，是用來(lái)生產(chǎn)雜交瘤單克隆抗體。 采用螺旋槳攪拌器，攪拌轉(zhuǎn)速控制在每分鐘幾十 轉(zhuǎn)， kLa值可達(dá) 10h-1。另外，用擴(kuò)散滲透通氣裝置 取代傳統(tǒng)的通風(fēng)裝置。 二、動(dòng)物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器 多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞需附著在固體或半固體表面才能生長(zhǎng) ， 細(xì) 胞在載體表面上生長(zhǎng)并擴(kuò)展成一單層 ， 所以貼壁培養(yǎng)又稱 單層培養(yǎng) 。 傳統(tǒng)的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器是滾瓶，利用滾瓶的緩慢 轉(zhuǎn)動(dòng)，使動(dòng)物細(xì)胞在滾瓶?jī)?nèi)壁貼壁生長(zhǎng)繁殖。 20世紀(jì) 70年 代開(kāi)發(fā)出的中空纖維培養(yǎng)裝置進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞密 度可達(dá) 109 cells/ml數(shù)量級(jí)。中空纖維培養(yǎng)裝置的主要組 成是中空纖維管，中空纖維管內(nèi)徑為 200m ，壁厚為 5075m ，只能讓氧與二氧化碳等小分子自由地透過(guò)纖維 膜雙向擴(kuò)散，而中大分子有機(jī)物不能透過(guò)。動(dòng)物細(xì)胞貼附 在中空纖維管外壁生長(zhǎng)，可很方便地獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶氧。 三、動(dòng)物細(xì)胞微載體培養(yǎng)反應(yīng)器 動(dòng)物細(xì)胞微載體培養(yǎng)是細(xì)胞附著和 生長(zhǎng)在懸浮于培養(yǎng)液中的微珠表面，借 助于溫和攪拌，使細(xì)胞均勻分布的一種 培養(yǎng)方法。 貼壁培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的載體微珠稱為微 載體。 攪拌系統(tǒng)是微載體培養(yǎng)反應(yīng)器中的重 要組成部分。 7.5.3 海藻培養(yǎng)光合生物反應(yīng)器 海洋生物包括海洋動(dòng)物 (如魚、蝦、貝等 )、 海洋植物 (如大藻和微藻 )和海洋微生物。 典型且常用的微藻培養(yǎng)光合反應(yīng)器是敞開(kāi) 式跑道池。 封閉式光合反應(yīng)器的研制開(kāi)發(fā)已有幾十年 歷史。封閉式光合反應(yīng)器按其接收光的方式可 分為兩大類：一類是外部光源，另一類是內(nèi)部 光源。 7.6 生物反應(yīng)器的比擬放大 7.6.1 生物反應(yīng)器放大的目的及方法 一、生物反應(yīng)器放大的目的 在生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作中 ， 至少有 兩點(diǎn)必須明確： 1.目的反應(yīng)是如何進(jìn)行的 ， 即所期望 的生化反應(yīng)是通過(guò)何種渠道完成的 。 2.生物化學(xué)反應(yīng)中哪些反應(yīng)的反應(yīng)速 度快、哪些反應(yīng)的反應(yīng)速度慢。 表 7-10 小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn) 項(xiàng)目 實(shí)驗(yàn)用小型反應(yīng)器 生產(chǎn)用反應(yīng)器 功率消耗 不必考慮 需認(rèn)真對(duì)待 反應(yīng)器內(nèi) 空間因大量的控制、 無(wú)此影響 檢測(cè)裝置占去一定空間 混合特性 可不必考慮 需認(rèn)真對(duì)待 換熱系統(tǒng) 較易解決 較難解決 二、生物反應(yīng)器的放大方法 生物反應(yīng)器的放大方法可分為 : （ 1）數(shù)學(xué)模擬放大； （ 2）因次分析法放大； （ 3）經(jīng)驗(yàn)法則放大 (包括反復(fù)實(shí)驗(yàn)法、 部分解析法放大等 )。 7.6.2 通風(fēng)發(fā)酵罐的放大 例題：有一 5m3 生物反應(yīng)器，罐徑為 1.4m，裝液量 4m3 ，液深 2.7m，采用六彎葉渦 輪攪拌器，葉徑為 0.45m，攪拌轉(zhuǎn)速 N=190r/min，通風(fēng)比 1:0.2，發(fā)酵液密度為 1040kg/m3 ，發(fā)酵液粘度為 1.06厘泊，現(xiàn)需放 大至 50m3 罐進(jìn)行生產(chǎn)，試求大罐尺寸和主要 工藝條件。 謝 謝 大 家