第七章 生物反應(yīng)器

1、7.1 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。生物反應(yīng)器處于生物過(guò)程的中心，它常是影響整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要方面。生物反應(yīng)器歷史簡(jiǎn)介n生物反應(yīng)器這一術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，但人們利用生物反應(yīng)器進(jìn)行有用物質(zhì)生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時(shí)使用的容器就是最初的生物反應(yīng)器。n20世紀(jì)40年代是生物反應(yīng)器的開發(fā)、研制和應(yīng)用獲得迅速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱為“發(fā)酵罐”（fermenter）n20世紀(jì)70年代，Atkinson提出了生化反應(yīng)器（biochemical reactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器、處理廢

2、水用反應(yīng)器等。n同一時(shí)期，Ollis提出了另一術(shù)語(yǔ)生物反應(yīng)器（biological reactor） 。 n20世紀(jì)80年代，生物反應(yīng)器（bioreactor)一詞在專業(yè)期刊與書籍中大量出現(xiàn)。生物反應(yīng)器的定義n生物反應(yīng)器，bioreactor是bio與reactor的組合詞，是指有效利用生物反應(yīng)機(jī)能的系統(tǒng)（或場(chǎng)所）。n生物反應(yīng)器不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器，還包括采用固定化技術(shù)后的固定化酶或細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器和光合生物反應(yīng)器等。生物反應(yīng)器中的傳遞過(guò)程n生物工業(yè)中的不同生產(chǎn)工段，都包含有物質(zhì)傳遞過(guò)程，如上游操作中的原料預(yù)處理，生化反應(yīng)器的操作與控制，下游操作中的產(chǎn)品回收。n生物

3、反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)物（基質(zhì)）從反應(yīng)液主體到生物催化劑（微生物細(xì)胞、固定化酶或細(xì)胞等）表面的傳遞過(guò)程對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程影響很大，特別是基質(zhì)的傳遞速率低于生物催化劑的反應(yīng)速率時(shí)，生物催化劑的催化效率將受到基質(zhì)傳遞速率的限制。在一些發(fā)酵過(guò)程，如SCP和多糖發(fā)酵中，產(chǎn)物的生成速率可通過(guò)提高限制性基質(zhì)的傳遞速率來(lái)加以改善。生物反應(yīng)過(guò)程的主要參數(shù)n由于生物反應(yīng)過(guò)程中涉及的質(zhì)量傳遞過(guò)程問(wèn)題十分復(fù)雜，下面通過(guò)對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程中主要相關(guān)參數(shù)的舉例，來(lái)研究生物反應(yīng)器的傳遞過(guò)程研究。根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點(diǎn)，可以分為三大類：物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)及間接參數(shù)。1.物理參數(shù)主要有溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、泡沫水平以及基質(zhì)、培養(yǎng)液的

4、性質(zhì)等。2.化學(xué)參數(shù)主要有pH值、溶解氧濃度、氧 化還原電位、溶解CO2濃度、排氣O2分壓、排氣CO2分壓等。3.間接參數(shù)主要有攝氧率(OUR)、二氧化碳生成率（CER）、呼吸商（RQ）、體積氧傳遞系數(shù)、氧利用率、生物熱等。這些參數(shù)可以通過(guò)傳感器或其他檢測(cè)系統(tǒng)以各種方式把非電量轉(zhuǎn)化成電量變化，就能很方便地通過(guò)二次儀表顯示，記錄或送電子計(jì)算機(jī)處理或控制?，F(xiàn)在應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)更好的控制生物反應(yīng)過(guò)程是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要方面之一。生物反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)控制n隨著生化工程技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生物反應(yīng)器的控制系統(tǒng)也就提出了越來(lái)越高的要求，例如考慮怎樣控制溫度、pH、通氣速率等微生物培養(yǎng)的環(huán)境條件而獲得最好的效

5、果，產(chǎn)量最高、利潤(rùn)最高和能耗最低而相對(duì)應(yīng)的最佳操作等一系列優(yōu)化問(wèn)題。1.對(duì)受控的實(shí)際系統(tǒng)定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。2.了解過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的全部環(huán)境因素，建立數(shù)學(xué)模型。3.了解相應(yīng)于這個(gè)目標(biāo)函數(shù)的現(xiàn)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)。4.按上述目標(biāo)函數(shù)的定義，數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)時(shí)狀態(tài)的知識(shí)確定最優(yōu)控制策略。生物反應(yīng)器開發(fā)的趨勢(shì)與未來(lái)方向1.開發(fā)比活力和選擇性高的生物催化劑占據(jù)重要地位，利用基因工程技術(shù)改變酶的初級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞的定向改造是主要途徑。2.生物反應(yīng)器的性能常極大地受到熱質(zhì)傳遞能力的限制，必須改進(jìn)生物反應(yīng)器中熱質(zhì)傳遞的方法和設(shè)備。3.生物反應(yīng)器正向大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展，反應(yīng)器的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)使

6、反應(yīng)器在最佳條件下操作成為可能，隨著生物工程的日漸成熟和迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要作用。一機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 罐 體: H/D=23;d/D=1/31/2 B/D=1/81/12;B/d=0.81攪拌器:渦輪式(六平葉、六彎葉或六箭葉)、螺旋槳式、平漿式;粉碎氣體,攪拌流體 擋板：防止產(chǎn)生漩渦,四片空氣分布器:單孔或環(huán)狀管換熱器：夾套，蛇管軸：大型底部伸入二自吸式發(fā)酵罐 利用攪拌器旋轉(zhuǎn)吸入空氣，攪拌器為空心葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，葉輪中形成負(fù)壓，從而將罐外的空氣吸到罐內(nèi)?？招娜~輪與吸氣管間用雙端面密封裝置，液體深度和罐壓有所限制，采用大面積低阻力的高效空氣過(guò)濾器。三鼓泡式

7、發(fā)酵罐 無(wú)攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升時(shí)帶動(dòng)液體，產(chǎn)生混合效果,H/D=7 空氣進(jìn)入后停留時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)有多層篩板，對(duì)上升氣泡阻擋，延長(zhǎng)停留時(shí)間，并分散氣泡，降液管有助于液體循環(huán) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，動(dòng)力消耗少，操作成本低，噪聲小。室外安裝，空氣有較高壓力克服罐內(nèi)液體的靜壓力。適合于培養(yǎng)液粘度低，含固量少、需氧量較低的發(fā)酵過(guò)程 四氣升式發(fā)酵罐 無(wú)攪拌裝置，罐外設(shè)液體循環(huán)管，或在罐內(nèi)設(shè)拉力筒或垂直隔板。通入空氣的一側(cè)，液體的密度下降而上升，不通氣的液體密度較大而下降 特點(diǎn)：能耗低，液體的剪切力小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需機(jī)械密封，避免了雜菌污染 7.2 酶反應(yīng)器7.2.1 酶反應(yīng)器及其操作參數(shù)n

8、酶反應(yīng)器的分類n操作參數(shù)1.酶反應(yīng)器的選擇1酶反應(yīng)器分類(1)活塞流CPFR (Continuous Plug Flow Reactor)全混式生物反應(yīng)器(2)全混式CSTR (Continuous-Flow Stirred Tank Reactor)2.操作參數(shù)(1) 停留時(shí)間物料進(jìn)入反應(yīng)器至離開反應(yīng)器的時(shí)間。a.分批式攪拌罐：停留時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間b.CPFR：停留時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間c.CSTR：平均停留時(shí)間=V/F(2) 轉(zhuǎn)化率x底物發(fā)生轉(zhuǎn)化的分?jǐn)?shù)：x=(S0-St)/S0(3) 生產(chǎn)能力Pr單位時(shí)間、單位反應(yīng)器生產(chǎn)的產(chǎn)物量。a.分批式攪拌罐：Pr=Pt/tPt：?jiǎn)挝惑w積反應(yīng)液t時(shí)刻產(chǎn)物的量b.

9、連續(xù)操作： Pr=Pout/Pout：?jiǎn)挝惑w積流出液中產(chǎn)物的量(4) 選擇性Sp能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的底物變化總量中，能夠轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的比率。7.2.2 理想的酶反應(yīng)器n活塞流式-CPFRn攪拌式-CSTRn比較1.CPFR(1)特點(diǎn)反應(yīng)器的各截面上，物料時(shí)間不隨時(shí)間變化；反應(yīng)器軸向各處濃度不同；徑向沒(méi)有濃度梯度。(2)物料衡算流入量流入量=流出量流出量+反應(yīng)量反應(yīng)量+積累量積累量 FS=F(S+dS)-rsdV+0- FdS=-rsdVFVFdVrSdskFVkSSFVSSkSkSdrSdslnln100FVFdVrSds對(duì)于一級(jí)反應(yīng)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)max00maxmax00maxmax00ma

10、xmaxlnlnlnrSSSSrkFVrSSSSrkFVrSSSSrkSkSrSdrSdmmmmsFVFdVrSds對(duì)于一般反應(yīng)對(duì)于一般反應(yīng)2.CSTR全混式生物反應(yīng)器(2)物料衡算流入量流入量=流出量流出量+反應(yīng)量反應(yīng)量+積累量積累量 FS0=FSt-rsV+0F(S0-St)=-rsV=(S0-St)/-rsmax0max00SrSSSkSkSrSSrSSFVtmmtst3.比較n停留時(shí)間n酶的需求量n酶的穩(wěn)定性n酶濃度分布srSdFV7.3 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備7.3.1 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐n通用式發(fā)酵罐（圖7-9）1.幾何尺寸及操作條件642DhDVbb封頭容積VbHDVc24圓筒容積Vc642

11、DhHDVVVbcbo公稱容積Von機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的混合與攪拌（1）攪拌器的型式與攪拌流型）攪拌器的型式與攪拌流型（2）攪拌功率的計(jì)算）攪拌功率的計(jì)算影響因素： 攪拌器的直徑Di，攪拌轉(zhuǎn)速N，液體密度，液體粘度重力加速度g，攪拌罐直徑D，液柱高度HL，擋板條件（寬度、數(shù)量）P=f(Di，N ， ， ， g)對(duì)牛頓型流體， 功率準(zhǔn)數(shù)Np=KRxemFyrm其中，Rem-攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù) Frm-攪拌弗魯特準(zhǔn)數(shù) K-與攪拌器型式、反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)yixiigDNNDKDNP2253在全擋板條件下，液面不產(chǎn)生中心下降的漩渦，此時(shí)y=0，Np僅是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)。當(dāng)攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)小于10，x=-1，液體處于滯流狀態(tài)，Np=KR-1em當(dāng)攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)大于104，液體處于湍流狀態(tài)，Np=K，即53iDKNP 條件下測(cè)定的。在10, 1, 3, 3BDDCDHDDiiLi當(dāng)不滿足以上條件時(shí)，需做出修正：P*=fP*313*3iLiiLiiLiiLiDHDD