1、7.1 生物反应器设计基础7.1.1 生化反应器的分类生化反应器的分类l生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。l可从多个角度对其进行分类。可从多个角度对其进行分类。 对生化反应器进行这种分类有利于对反应器进行模对生化反应器进行这种分类有利于对反应器进行模拟与放大。拟与放大。 酶反应器酶反应器所使用的生物催化剂 细胞细胞反应器反应器酶反应器相对比较简单，酶促反应与一般的化学催化反应相同，在反应的过程中酶本身无变化；细胞生化反应器相对比较复杂，因涉及到避免外界各种杂菌污染、有适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要求。 间歇操作（分批操作）l操作方式
2、操作方式 连续 半间歇操作l反应器的结构特征反应器的结构特征釜式、管式、塔式、膜 式等 l反应器所需的能量的输入方式：反应器所需的能量的输入方式： 机械搅拌式机械搅拌输人能量 气升式气体喷射动能 液体循环式利用泵对液体的喷射作用l生物催化剂在反应器中的分布方式生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。l固相催化剂的运动状态来分类固相催化剂的运动状态来分类 填充床流化床生物转盘等多种型式反应器。l按反应体系的相态来分类按反应体系的相态来分类 均相可溶的酶催化反应非均相 反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器
3、活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器全混流反应器( continuous stirred-tank reactor， CSTR )l返混返混：具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混。l活塞流：活塞流：当反应器内完全不存在物料粒子之间的返混时，这种流动称为活塞流，该反应器称为活塞流反应器；l全混流全混流：当反应器内不同粒子之间存在着最大返混时，流体的流动称为，该反应器称为全混流反应器。l流动模型：流动模型： 理想反应器活塞流和全混流反应器 非理想反应器；l其它其它 另外一些特殊用途的生化反应器也得到了较快的开发和应用，例如用于
4、动植物细胞培养的有悬悬浮培养用的气升式浮培养用的气升式、贴壁培养用的陶质矩形通道陶质矩形通道蜂窝状反应器蜂窝状反应器等。还有用于固态发酵的转鼓式反固态发酵的转鼓式反应器应器以及反应和分离相耦合的反应装置反应和分离相耦合的反应装置等。 生物反应器的分类生物反应器的分类生物反应器生物反应器间歇操作间歇操作半间歇半连续操作半间歇半连续操作连续操作连续操作生物团块反应器生物团块反应器生物膜反应器生物膜反应器全混流型全混流型活塞流型活塞流型全混流型全混流型活塞流型活塞流型搅拌釜式反搅拌釜式反应器应器循环反应器循环反应器环流反应器环流反应器管式反应器管式反应器鼓泡塔鼓泡塔多级串联式多级串联式反应器反应器流
5、化床反应器流化床反应器循环管反应器循环管反应器完全混合膜反完全混合膜反应器应器固定床固定床生物转盘生物转盘渗滤器渗滤器膜反应器膜反应器7.1.2.生化反应器的基本设计方法l生化反应器的设计主要目的：最大限度地生化反应器的设计主要目的：最大限度地降低成本，用最少的投资来最大限度地增降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率。加单位体积产率。A 生化反应器设计的最基本内容有：生化反应器设计的最基本内容有：选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流
6、动方式等；传递和流动方式等；确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、pHpH、通气量、物料流量等；、通气量、物料流量等；计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。l反应体积的确定是反应器设计的核心内容反应体积的确定是反应器设计的核心内容B反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 ：描述浓度变化的物料衡算式描述浓度变化的物料衡算式质量守恒定质量守恒定描述温度变化的能量衡算式描述温度变化的能量衡算式,或称为能量方程或称为能量方程能量守恒定律能量守恒定律描述压力变化的动量衡算式描述压力变化的动量衡算式动量守恒定
7、律动量守恒定律 首先需要确定变量，其次是确定控制体积首先需要确定变量，其次是确定控制体积。 原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。为控制体积。 l重点研究的是微元体内大量的分子和大量细胞的重点研究的是微元体内大量的分子和大量细胞的反应行为以及微元体间的物质、能量传递的宏观反应行为以及微元体间的物质、能量传递的宏观规律，而不是研究个别分子和个别细胞的行为。规律，而不是研究个别分子和个别细胞的行为。 物料衡算式物料衡算式 对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体积内，对某组对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体
8、积内，对某组分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下：分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下： 对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算称为微分物料衡算。称为微分物料衡算。组分累积量体积单元内组分转化的量体积单元内体积单元的量组分流出该体积单元的量组分进入该对反应物：组分累积量体积单元内组分生成的量体积单元内体积单元的量组分流出该体积单元的量组分进入该对产物：细胞累积量体积单元内细胞死亡的量体积单元内细胞生成的量体积单元内体积单元的量细胞流出该体积单元的量细胞进入该对细胞： 在定常态下，所有状态参数均不随
9、时间变化，上述衡算式中累积项为零。在定常态下，所有状态参数均不随时间变化，上述衡算式中累积项为零。 能量衡算式能量衡算式 对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。在一定的时间和控制体积内，可以表示为：在一定的时间和控制体积内，可以表示为：热量累积的的热量反应生成输出的热量该体积单元单元的热量输入该体积 如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。7.2生物反应器的设计与分析机械搅拌式生化反应器它是借搅拌涡轮输入混
10、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。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般24kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。7.2生物反应器的设计与分析（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影响。彻底和减少金属离子对发酵的影响。（2）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传递
11、、气体交换能有效地进行。递、气体交换能有效地进行。（3）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通气时所消耗的动力气时所消耗的动力.（4）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使发酵在最适温度下进行；发酵在最适温度下进行；（5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置，）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置，以提高装料系数；以提高装料系数；（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。）附有必要的可靠检测及控制仪表。设备的要求设备的要求通通用用式式发发酵酵罐罐a大型b小型7.2.1机械搅拌通用式发酵罐设计与分析l原理：原理
12、：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。l基本要求：基本要求：1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为1.74，罐身越长，氧气的利用率越高。2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。基本要求：3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。4.足够的冷却面积。5.尽量减少死角。6.轴封严密。7.维修操作检测方便结构结构l主要部件包括罐体、搅拌桨、轴封、打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气喷射管），挡板、冷却装置、人孔等。l公称容积Vo=VC+Vbl
13、V0= /4D2（H+hb+D/6)几何尺 寸 与 操几何尺 寸 与 操作条件范围作条件范围 典型数值典型数值 奥地利某公司奥地利某公司 200m3200m3 美国某公司美国某公司130m3130m3日本某公司日本某公司50m350m3中国某味精厂中国某味精厂100m3100m3H/D=14 3 1 83 1.8 2.94Di/D=1/21/4 1/3 0.338 0.34 0.286W/D=1/81/12 1/10 1 1 0.10 2B/ Di =0.81.0 1.0 1.0 搅拌转速搅拌转速N=30N=301000 1000 (r/min)(r/min) 90130 70130 145
14、150单位醪液体积的冷却面单位醪液体积的冷却面积积0.60.61.5 (m2/m3)1.5 (m2/m3) 1.5 1.14搅拌器层数搅拌器层数 4层层 4层层 2层层 3层层通 风 量通 风 量 0 . 10 . 1 4 4 m3/(m3m3/(m3min)min) 0.5 0.31.0 0.6 0.5 0.2空 气 线速度空 气 线速度 0.0 20.0 2 2 2 (m/min)(m/min) 1.76 单 位 体 积 功 耗单 位 体 积 功 耗 1 1 4 4 (kw/m3)(kw/m3) 22.53 45.4 3 1.3装料系数装料系数 =70=708080 77 75 88 75
15、电机功率电机功率(kw(kw) ) 300 1300 150 130表表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件 1 1 将列管并列焊接在一起，组成挡板将列管并列焊接在一起，组成挡板; 2 ; 2 直接利用列管当挡板直接利用列管当挡板H筒身高度 D罐径 W挡板宽度 HL液位高度Di搅拌器直径 S两搅拌器间距 B下搅拌器距底间距 1.罐体罐体l结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。l材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用不锈钢或复合不锈钢制成。小大型发酵罐可用不锈钢或玻璃钢制成。l刚度和强度：受压容器，空消或实消，
16、通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。 接管接管l罐顶：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表管。l罐身：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。2.机械搅拌系统机械搅拌系统l目的：有利于液体本身的混合及气液、气固之间的混合，质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要的意义（加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间）l组成：电机、变电箱、搅拌桨、轴封和挡板 搅拌桨搅拌桨l搅拌桨可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。l发酵罐中以径向液流为主。l生物反应器中常使的搅拌桨型式有：螺旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式搅拌桨和栅状搅拌桨等。另外，翼型桨也已开始广
17、泛应用于发酵生产，并取得较好效果。搅拌桨l用涡轮式搅拌桨时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。l常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。相同搅拌功率下，粉碎气泡能力由大到小：平叶式、弯叶式、箭叶式。l叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。dd1dd1d1dbbbhrha-六平叶 b-六弯叶 c-六箭叶 图6-1 通用的涡轮式搅拌器h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20e : h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20a=380 r弯=
18、(1/2)d- r箭=(1/4)d1a径向流径向流轴向流轴向流挡板挡板l阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，l46块挡板可满足全挡板条件,宽度为0.1-0.12D。l全挡板条件：能达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，与挡板宽度W与罐径D之比有关。轴封轴封：防止泄漏和染菌，分填料函和端面轴封。防止泄漏和染菌，分填料函和端面轴封。3.通气系统通气系统l无菌空气制备装置、空气分布装置和出口气体除菌装置。l无菌空气导入罐内的装置l最简单的通气装置：单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质
19、沉淀。l管口与罐底的距离约为40mm。l开口朝下的多孔环形管：l环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。l小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积。4.温度控制系统：温度控制系统： 电极、热交换装置和及其控制电极、热交换装置和及其控制l排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械搅拌产生的热量的装置l在发酵过程中，放出的热量可用如下的热平衡方程式： Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌-Q蒸发蒸发-Q显显-Q辐射辐射Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射lQ发酵发酵过程中释放的净热量lQ生物生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热lQ搅拌机械搅拌转化热l Q蒸发排出空气带走水分所需的潜热 lQ显
20、排出空气带出的显热 lQ辐射因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大气辐射的热量发酵换热装置的形式发酵换热装置的形式l多用于容积较小的发酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高度比静止液面高度较高即可，约高50100mm。夹套的宽度对于不同直径的发酵有不同的尺寸，一般为50200mm，夹套上设有水蒸汽，冷却水或其他介质的进出口。l当加热用水蒸气，进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；如果冷却介质是液体，则进口管应安在底部，是液体从底部进入上部流出。l结构简单；加工容易；罐内无冷却设备，死角少，容易进行灭菌工作，有利于发酵。缺点是传热慢，传热系数100250。夹套式换热装置夹套式换热装置竖式蛇管换热装
21、置竖式蛇管换热装置l竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组。5m3以上的发酵罐多采用。l优点：冷却水在管内的流速较快，传热系数高。约为300450（有时可达8001000）。l缺点：容易被腐蚀，增加培养液中金属离子的浓度，腐蚀而形成穿孔，引起污染。5.消泡系统消泡系统l原因：发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的通气搅拌下产生大量的泡沫。导致发酵液的外溢和增加染菌机会。须用加消沫剂的方法去除，l消泡剂和消泡桨。消泡剂和消泡桨。l泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时，采用机械消沫装置也有一定作用。其作用是将泡沫打碎。发酵罐的几何计算发酵罐的几何计算1.几何尺寸：lH/D=1.7-3.5; H:
22、罐身高，D：罐径lDi/D=1/21/3， Di：搅拌叶轮直径lB/D=1/81/12， B：挡板宽lC/Di=0.81.0，C：下搅拌叶轮与罐底距lS/Di=25， S：相邻搅拌叶轮间距2.容积计算容积计算l椭圆形风封头体积计算公称容积公称容积lV0= /4D2（H+hb+D/6)3、 搅拌功率的计算 机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因素有关：搅拌器直径列因素有关：搅拌器直径D Di i（m m）、搅拌转速）、搅拌转速N N（r/minr/min）、液体密度）、液体密度（kg/mkg/m3 3）、液体粘）、液体粘度度（PaPas s）、重力加速度）、重力
23、加速度g g（m/sm/s2 2）、搅拌）、搅拌罐直径罐直径D D（m m）、液柱高度）、液柱高度H HL L（m m）以及档板条）以及档板条件件( (数量、宽度和位置数量、宽度和位置) )等。由于搅拌罐直径等。由于搅拌罐直径和液柱高度与搅拌器直径之间有一定比例关和液柱高度与搅拌器直径之间有一定比例关系，可不作独立变量，于是系，可不作独立变量，于是: : P = f(D P = f(Di i，N N，g) (8-37) g) (8-37) 对于牛顿型流体，通过因次分析可得如下关联式: (8-38) (8-39)(8-39) 式中：式中：N NP P为功率准数，其物理意义为机械搅拌为功率准数，其
24、物理意义为机械搅拌力与惯性力之比；力与惯性力之比； R ReMeM为搅拌雷诺准数为搅拌雷诺准数, ,其物理意义为惯性力与粘其物理意义为惯性力与粘滞力之比；滞力之比； F FrMrM为搅拌弗鲁特准数，其物理意义是搅拌加为搅拌弗鲁特准数，其物理意义是搅拌加速度与重力加速度之比；速度与重力加速度之比； K K为与搅拌器形式、反应器几何尺寸有关的常为与搅拌器形式、反应器几何尺寸有关的常数数 yrMxeMPFKRNyixiigDNNDKDNP2253 实验表明，在全档板条件（是指能达到消除液面旋涡的最低条件,即在一定转速下再增加罐内挡板或附件数也不会改善搅拌效果。）下，液面不产生中心下降的旋涡，此时 y
25、=0，NP仅是ReM的函数(图8-11) 图图8-11 8-11 各种搅拌器的各种搅拌器的R ReMeM对应于对应于N NP P的关系的关系1. 2.螺距螺旋桨，螺距=Di，有挡板；3. 螺旋桨，螺距=2Di，无挡板；4. 3. 螺旋桨，螺距=2Di，有挡板；5.平桨，有挡板；6.六平叶涡轮桨，无档板； 7.平叶涡轮桨（有档板）；8.六弯叶涡轮桨，有挡板；9.六箭叶涡轮，有挡板；桨 当Rem104，液体处于湍流状态， (8-41)1eMPKRN53iDKNP 不同搅拌器的不同搅拌器的K K值如表值如表8-78-7所示所示 这些这些K K值均为在值均为在H HL L/D=1/D=1，D/DD/D
26、i i=3=3，D/W=10D/W=10的条件下测定的。的条件下测定的。 搅拌器的形式K(滞流)K(湍流)三叶螺旋桨，螺距=d41.00.32三叶螺旋桨，螺距=2d43.51.0四平叶涡轮搅拌器70.04.50六平叶涡轮搅拌器71.06.10六弯叶涡轮搅拌器71.04.80六箭叶涡轮搅拌器70.04.0六弯叶封闭式涡轮搅拌器97.51.08表表 8-7 不同搅拌器的不同搅拌器的K值值 当不符合此条件时，搅拌功率可用下式校正： (8-42) (8-43) 如果已知(D/Di)=3，(HL/Di)=3，则 (8-44) 式中，f为校正系数，式中带*号的为代表实际搅拌设备情况。PfP iLiiLiD
27、HDDDHDDf PDHDDPiLi31 对于大型发酵罐,同一轴上往往安装多层搅拌器，对于多层搅拌器的功率可用下式计算。 (8-45)(8-45) 式中式中m m为搅拌器层数。为搅拌器层数。 以上是不通风时搅拌功率的计算。以上是不通风时搅拌功率的计算。)6 . 04 . 0 ()1( 6 . 01 mPmPPm 通风时搅拌器的轴功率消耗降低，其降低通风时搅拌器的轴功率消耗降低，其降低程度与通风量程度与通风量QgmQgm3 3( (工作状态工作状态)/min)/min及液体及液体翻动量翻动量Q Q1 1(m(m3 3/min)(Q/min)(Q1 1NNd d3 3) )等因素有关。等因素有关。
28、MichelMichel等人提出了应用较广泛的通风时的搅等人提出了应用较广泛的通风时的搅拌功率拌功率PgPg与工作变量间的经验公式：与工作变量间的经验公式： (8-46) (8-46) 式中，式中，D Di i/D=1/3/D=1/3时，时，K=0.157K=0.157；Di/D=2/3Di/D=2/3时，时，K=0.113K=0.113；Di/D=1/2Di/D=1/2时，时，K=0.101K=0.101。 45. 056. 032gigQNDPKP 通风时的搅拌功率也可利用下式计算。通风时的搅拌功率也可利用下式计算。 (8-47)(8-47) (8-48) (8-48) 式中式中NaNa为
29、通风准数，其代表发酵罐内空气为通风准数，其代表发酵罐内空气的表观流速与搅拌器叶端速度之比，可表示的表观流速与搅拌器叶端速度之比，可表示为：为： (8-49)(8-49)NaPPNag6 .121,035. 0NaPPNag85. 162. 0,035. 032igiigNDQNDDQNa7.2.2气升式发酵罐设计和分析气升式发酵罐设计和分析l特点是结构简单，不需要搅拌；不易污染，氧传质效率高，能耗低，节省动力约50%；装料系数达8090%；安装维修方便，冷却面积小剪切力小。l较适于单细胞蛋白等的生产。l分为外循环与内循环气升式发酵罐。图6-5 内循环气升式发酵罐结构布置示意图1-发酵罐罐体 2
30、-通气管 3-拉力筒 4-导向筒 5-夹套冷却器 6-多孔板 7-检测器接口降管降管升管升管空气排气5432167工作机理工作机理l罐内外装设上升管，上升管两端与罐底上部相连接，构成一个循环系统。l在上升管的下部装设空气喷嘴口，空气以250300m/s的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，使上升管的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降，进入上升管，形成反复的循环 。结构参数结构参数l高径比H/D=5 9l导流筒径与管径比DE/D=0.6 0.8l循环周期时间的确定 tm=VL/VC=VL/(/4)DE2vm VL罐内培养液体积； VC培养液循环量 DE导流管（上升管）直径
31、； vm导流管中液体平均流速l气液比R= VC /V Gl环流速度取1.2 1.8 m/s，多段导流管或有筛网时可降低。l气液传质速率：h=Kvsn K,n为经验指数，鼓泡塔式发酵罐低通气速率时，n=0.7 1.2，高通气速率时，n=0.4 0.77.2.3鼓泡塔生物反应器l鼓泡塔反应器是气液两相反应器，是指气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。 l鼓泡反应器结构筒单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能较好，因此广泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器内无传动部件，容易密封，对保持无
32、菌条件有利。l最简单的鼓泡式反应器内部是一空塔，塔的底部用筛板或气体分布器来分布气体。其工作原理是利用通入培养基中的气泡在上升时带动液体而产生混合，并将气泡中的氧供培养基中的菌体使用。 图6-7a 高位筛板式反应器示意图人孔排气口降液管筛板空气排料管人孔7.2.4 固态发酵生物反应器 l现代生物制品固态发酵的产率比液体深层发酵高得多，这是因为，液体深层发酵产生的大量发酵废水、通气与机械搅拌的高动力能耗，成为液体深层发酵进一步发展的障碍，迫使其向高浓度、高粘度方向发展，然而高浓度、高粘度的极限就是固态发酵。再从生态学与仿生学角度看，经过千百万年生物进化洗礼的自然界生物体，无论是最低等的单细胞生物
33、，还是高等动植物及其单个活体细胞，都不是选择在流体流动环境下生活。 生物反应器的设计生物反应器的设计l生物反应器是发酵过程的中心，在反应器里生物原材料在合适的条件下转变为需要的产品。产品的产量和形成速率的最大化是优化生产过程的关键部分。固体发酵生物反应器的理想特征如下所述：（1）用于建造生物反应器的材料必须坚固、耐腐蚀以及必须发酵过程的微生物无毒。此外须有一个可以承受的合理的价格。（2）防止发酵过程污染物的进入同时控制发酵过程的有机体释防止发酵过程污染物的进入同时控制发酵过程的有机体释放到环境。前者特别难以控制，这是因为固体的处理不能象深放到环境。前者特别难以控制，这是因为固体的处理不能象深层
34、液体发酵的液体那样用泵输送，因此产生污染物自由封闭体层液体发酵的液体那样用泵输送，因此产生污染物自由封闭体系。而后者同样是一个非常重要的必备条件，因为大多数的固系。而后者同样是一个非常重要的必备条件，因为大多数的固态发酵过程含有真菌孢子，它可能是致病的，会对周围的环境态发酵过程含有真菌孢子，它可能是致病的，会对周围的环境产生危害。要达到这种要求，可以通过在空气出口安装过滤器，产生危害。要达到这种要求，可以通过在空气出口安装过滤器，周详的密封设计以及对进口空气进行过滤。但同时，这也增加周详的密封设计以及对进口空气进行过滤。但同时，这也增加了设备的费用。了设备的费用。（3）有效的通风调节、混合和热
35、的移除来控制温度、水活度、气体的氧浓度等操作参数。通常，固体培养基的发酵会遭受无效的热移除或者培养基床水蒸发的损失等问题，影响所需产品的产量和质量。（4）维持基质床层内部的均匀性这通常由有效的混合获得。它同样对使热量梯度的最小化非常关键，是固态发酵过程非常重要的一个因素。（5）总的固态发酵过程包括培养基的制备、培养基的灭菌、产品回收之前生物量的灭菌、接种体的准备、生物反应器的安装和拆卸。一个生物反应器的设计应该使以上的操作非常方便，令人满意。7.3 酶反应器7.3.1分类:酶反应器大致可分为罐型、管型和膜型类 型式名称操作方式说明单项系统酶反应器搅拌罐分批、流加靠机械搅拌混合超滤膜反应器分批、
36、流加或连续适用于高分子底物多项系统酶反应器搅拌罐分批、流加或连续靠机械搅拌混合固定床或填充床连续适用于固定化酶或微生物的反应器流化床分批、连续靠溶液的流动而混合膜式反应器悬浊气泡塔连续分批、连续膜状或片状的固定化酶适于气体为底物7.3.2酶反应器的选择l游离酶反应器的选择，完全可以按照般生物反应器的选择要求来进行。l对固定化酶反应器的选择，除根据使用的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进行选择外，还应考虑固定化酶的形状（颗粒、纤维、膜等）、大小、机械强度、密度和再生或更新的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止杂菌污染等，反应动力学形式和
37、物质传递特性、内外扩散的影响，底物的性质，催化剂（固定化酶）的表面反应器体积的比值等。l固定化酶的形式有颗粒状（particle pellet）、膜状（membrane，film，plate）、管状（tubing）和纤维状等几种类型。其中以颗粒状为主，这是由于其比表面积大。l由催化剂的形状，可以决定反应器的大致型式，例如，小颗粒的固定化酶，可选用流化床反应器，以增大有效催化表面积。一般总是期望固定化酶的机械强度大些，但是，有些固定化酶颗粒（如用凝胶包埋法或胶囊法制备的固定化酶）的机械强度仍较差，在搅拌罐中，由于搅拌翼的剪切作用，这种固定化酶易遭破坏。对凝胶包埋法的固定化酶颗粒，当采用固定床反应
38、器时，随床身增高，由于凝胶颗粒自身的质量，会使凝胶发生压缩（compaction）和变形，压强增大，为防止这种现象，有必要在床内安装筛板，将凝胶适当间隔开。l由于酶失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂的再生、新催化剂的补充或更换，这就要求反应器应具备相应的结构。l底物的性质是选择反应器的另一重要因素。般来讲，细粒状和胶状底物有可能阻塞填充柱或发生分层，这时可使用循环式反应器或流化床反应器。l罐型反应器内一般装配有搅拌装置，故称其为“机械搅拌式生物反应器”，适用于上述各种操作。管型反应器和膜型反应器一般用于连续操作，对相对直径较大、纵向较短的管型反应器也称为塔式反应器。目前
39、，发酵工业上广泛使用的糖化罐、液化罐等都是典型的酶反应器。7.3.2设计和操作的参数l 停留时间停留时间空时空时 反应物料进入反应器时算起至离开反应器时为止所经历的时间。分批式:停留时间等于反应时间；连续式: 空时 1/空速 l转化率转化率转化分数转化分数分批：分批： 连续：连续：D1FV0t0SSSinoutinSSSl生产能力生产能力Pr单位时间、单位反应器体积内生产的产物量。分批：分批： 连续：连续： l选择性选择性SP表明了整个反应的平均选择性表明了整个反应的平均选择性。 在具有副反应发生的复合反应中，能够转变为目的产物的底物变化量中，实际转变为目的产物的比率。 tStPP0trino
40、utrSPP）（SSPS0SPP7.3.2 理想的酶反应器 A A. CPFR型型（1）特点：）特点：优点优点：活塞流流动模型平稳、等速、不返混 通过反应器的微元体沿同一方向以相同的速度向前移动；在微元体的流动方向上不存在返混现象；所有微元体在反应器中停留时间相同；与流体流动方向垂直截面上物料的组成均一且不随时间变化。缺点：缺点：对于细小或胶状的底物或酶颗粒易发生堵塞。B方程： lFS=（F+dF)(S+dS)-rSdV dF=0， F0=F=Ff - F dS=-rSdV= k S d V= k SAdl 边界条件l=0 , S= S0 kFALkfSS0lnl停留时间l一般关系式kSSfl
41、n0srSdmax0)ln()0maxrSSSSFVAFLfmfrK（ekKSoutmout20)1ln(BCSTR型（1）特点：l优点：以恒定的流速加入物质，理想CSTR反 应器中，反应液混合良好。各部分组 成相同（V、定态操作、返混最大）l缺点：搅拌桨产生强大的剪切力、易使酶失 活。（菌丝断裂、动植物细胞破损）l 改良CSTR（对酶）： 将载有酶的聚合物园片固定在搅拌轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内用有底物抑制的场合。l方程： FS=（F+dF)(S+dS)-rSdV - FdS=-rSdV= k S d V一般关系式SkSdSrSd)(maxSrSKSdFVmekKSm2011
42、ln7.3.3 CSTR型与CPFR反应器性能的比较 相同的转化率相同的转化率 A. 分布分布以 1/rS- 作图可知 CSTR CPFR ， 且随着 ，差异越显著。B B反应体积反应体积 V CSTR V CPFR C C酶的用量酶的用量在CSTR中所需的酶量比CPFR的多；且X越高，差异越显著；同时也与反应的级数有关，一级反应时最大，零级反应时最小。)1ln()1 (CPFRCSTREE D D 稳定性稳定性 在C CPFR反应器中，酶比较敏感，即酶易失活。在CSTR反应器中，基质的浓度均匀一致，因此酶的失活动力学较简单，而在CPFR中，基质的浓度沿着反应器轴向变化，故在反应器的不同区段里
43、，酶的失活速率不一样，其酶的失活动力学就较复杂。 E E 底物抑制底物抑制在CPFR反应器中，底物的抑制作用比 CSTR反应器中的更加强烈；在CSTR反应器中，产物的抑制作用比CPFR 反应器中的更加强烈。 F F 浓度的分布浓度的分布7.4生物反应器的比拟放大7.4.1 7.4.1 目的目的7.4.27.4.2分类分类 经验放大法 因次分析法 时间常数法 数学模型法反应器的放大反应器的放大为什么生化反应器的放大比较困难为什么生化反应器的放大比较困难?u单位体积的表面积减少单位体积的表面积减少发酵罐的高径比一般为发酵罐的高径比一般为2:13:1, 如果保持这个比例不变如果保持这个比例不变, 那
44、么在放大过程中，那么在放大过程中，表面积与体积之比表面积与体积之比会会急剧下降急剧下降.而这个变化会使而这个变化会使氧气的传递氧气的传递趋于困难。趋于困难。u物理条件发生改变物理条件发生改变放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理环境会有所差异环境会有所差异. 放大规模的改变会导致生化反应器中放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境物理环境的改变，这的改变，这种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程。种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程。当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对
45、细胞造成损伤或破坏，细胞对在伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同放大规模下不同培养环境的不同培养环境的代谢响代谢响应应会有所差异。会有所差异。l单位体积的输入功率恒定单位体积的输入功率恒定 (P/V, also OTR)生化反应器放大的方法生化反应器放大的方法?lkLa恒定恒定 (oxygen supply)lRe恒定恒定 (geometrically similar flow patterns)l混合时间恒定混合时间恒定 (mixing time)l搅拌器末端速度恒定搅拌器末端速度恒定 (shear)每一种方法都有成功的例子，但不是普适的，各有优缺点每一种方法都有成功的例子，但不是普适的，各
46、有优缺点.一般的放大方法多是经验性的，定性的方法一般的放大方法多是经验性的，定性的方法. 研究流体的研究流体的停留时间分布停留时间分布，混合时间混合时间，气体分散气体分散等过程的机理及等过程的机理及其其数学模型数学模型有助于实现反应器传递特性的定量化，在此基础上建有助于实现反应器传递特性的定量化，在此基础上建立的过程动力学模型，使其成为反应器设计与放大的基础。立的过程动力学模型，使其成为反应器设计与放大的基础。筒身高度筒身高度H罐径罐径D档板宽度档板宽度W液位高度液位高度HL搅拌器直径搅拌器直径d两搅拌器间距两搅拌器间距s下搅拌器距底部的间距下搅拌器距底部的间距B7.6.1机械搅拌罐经验放大法
47、机械搅拌罐经验放大法l例:某厂在100L机械搅拌罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆菌，获得良好的发酵效果，拟放大至20 m3 生产罐，粘度 =2.2510-3PaS，密度L=1020kg/m3。试验罐的尺寸为:直径D=375mm，搅拌叶轮d=125mm (D/d=3.0)，高径比H/D2.4，液深HL=1.5D，4块档板的W/D=0.1，装液量为60L，通气比(每分钟通每分钟通气量与罐体实际料液体积的比值气量与罐体实际料液体积的比值.) 1.0vvm，使用2档圆盘六直角叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验，证明此发酵为高耗氧的生物反应，故可按体积溶氧系数相等之原则进行放大。
48、以体积溶氧系数相等为基准以体积溶氧系数相等为基准(1)计算试验罐的计算试验罐的kLa先求搅拌雷诺准数先求搅拌雷诺准数ReM432210134102521020125060350.).)(/(ReMLnd由功率系数由功率系数53dnPPNNP视搅拌强度及叶轮形式而定视搅拌强度及叶轮形式而定. 当发酵系统充分湍流时当发酵系统充分湍流时, 即即ReM=104时时, 对圆盘六对圆盘六直叶涡轮直叶涡轮, NP=6.0;对圆盘六弯叶涡轮对圆盘六弯叶涡轮, NP=4.7;而对圆盘六箭叶涡轮而对圆盘六箭叶涡轮, NP=3.7由于此处由于此处ReM104,为圆盘六直叶涡轮，因此为圆盘六直叶涡轮，因此NP取为取为
49、6.0所以所以2档叶轮的不通气时的搅拌功率为档叶轮的不通气时的搅拌功率为 ：kW 0.059W28.59125. 01020)60350(0 . 66 . 1)6 . 04 . 0(P5353dnNmLP相应地，通气搅拌功率为相应地，通气搅拌功率为 ： (下式中下式中Qg的单位是的单位是ml/min)kW 0.033)600005 .12350059. 0(1025. 2)(1025. 2P39. 008. 032339. 008. 0323ggQndP从而可以算出体积溶氧系数从而可以算出体积溶氧系数 ：6-97 . 07 . 00.5697 . 07 . 056. 0L107.01 1035
50、03 .54)0.060.0332)(3.3(2.36 10)(3 . 336. 2(aknuVPmsLg其中空截面气速为其中空截面气速为 ：cm/min .)./(u35453741000602s(2)按几何相似原则确定按几何相似原则确定20m3生产罐的尺寸：生产罐的尺寸：DDDHDLL416)41(4%6020V22据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有H/D2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5,而有效装料体积仍取而有效装料体积仍取60%，由此可得：，由此可得：可得可得D=2.17m, H=2.4D=5.20m, d=D/3=0.72m
