第八章生物反应器结构与设计计算
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。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、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：
①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000
第8章反应设备 §8-1 概述 一、反应设备的应用及基本要求 1
第8章 反应设备
§8-1 概述
一、反应设备的应用及基本要求 1、反应设备应满足化学反应过程的要求
物料的性质（粘度、密度、腐蚀性等）； 相态；
反应条件（温度、压力等）；
反应过程的特点（气相的生成、固相的沉积等）；
2、反应设备应满足传质、传热和流体动力过程的要求 二、反应设备设计的几个问题
（1） 反应物的混合 （2） 适宜温度的维持 （3） 停留时间的控制
三、反应设备的分类 （1） 化学反应器分类
（2） 生物反应器分类
按结构特征：机械搅拌式、气升式、流化床、固定床等
⎪⎪
⎪
⎪
⎪⎪⎩
⎪
⎪⎪
⎪
⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪
⎨⎧⎪⎩⎪
⎨⎧固相反应器—液—气固相反应器—液固相反应器
—气液相反应器—液液相反应器—气非均相反应器固相反应器液相反应器
气相反应器均相反应器、按物料相态分1⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪
⎨⎧其它形式
流化床反应器固定床反应器
管式反应器搅拌反应器
、按设备结构形式分2
四、常见反应器的特点
(1) 机械搅拌式反应器
(2) 管式反应器
管式反应器可用于连续生产，也可用于间隙操作，反应物不返混，也可在高温、高压下操作。
(3) 固定床反应器
气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置称为固定床反应器。它主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和生物反应中应用很广泛的反应器
固定床反应器有三种基本形式：轴向绝热式、径向绝热式和列管式。
(4) 流化床反应器
流体（气体或液体）以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置称为流化床反应器。
生物反应器设计及优化
生物反应器设计及优化
生物反应器在生物工程学中起着重要作用。它是一种用于培养
或生产生物制品的设备，可以在其中充填细胞或微生物。该设备
是由基本组成部分所组成的装置，包括控制系统、养料输送系统、温度控制器、搅拌器、发酵罐和搅拌罐等，可以生产领域包括食
品加工、药物生产、环境治理等。因此，生物反应器的设计和优
化对于产品质量、生产效率和成本控制都至关重要。本文将从生
物反应器设计和优化两个方面进行论述。
一、生物反应器的设计
1. 设计指标的选择
首先，在设计生物反应器时，需要明确反应器的具体用途和要求，以确定适当的设计指标。例如，制药行业需要更高的生物安
全性和更高的产品纯度，因此反应器需要具备更高的温度和压力
控制功能，以及更高的过滤器和分离设备。另一个例子是在环境
工程领域，反应器主要用于处理废水或污染物，因此需要具有更
高的反应速率和更有效的氧化过程。
2. 反应器类型的选择
针对不同的生产应用，在设计时可以采用不同类型的生物反应器。其中，最常见的反应器包括：
- 批处理反应器：批处理反应器是工业生产中使用最为广泛的
反应器之一。其主要优点是灵活性和成本效益，可以在不同的批
次中生产不同的产品。而主要的缺点是生产周期较长，常常需要
更多的劳动力和设备成本。
- 连续流式反应器（CFR）：CFR能够维持稳定的反应条件，
并且可以大大减少批处理反应器下的过程波动。但这种反应器也
需要更高的成本和技术要求，用于制药等高附加值产品的生产。
- 搅拌式反应器：搅拌式反应器要比其他反应器更实用并且更
易建立生产线，主要用于生产食品和燃料等一些低附加值的产品。不能适应生产高级药物或者提高高级药物的产量。
第八章 生物反应器(简)
全部底物可生成产物的理论量之比。 P [ S ]P aSP ([ S ]0 [ S ])
aSP代表1摩尔底物能生成目的产物P的理论值；
三、酶反应器的选择
游离酶反应器的选择参考表8-2;
固定化酶反应器的选择：
形状（颗粒、纤维、膜等）、大小、机械强 度、密度、再生等 操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止 杂菌污染； 反应动力学形式和物质传递特性、内外扩散 的影响； 底物的性质；
[S ] f
[ S ]0
即：
[ S ]0
[S ] f
d [ S ] 间歇：t [ S ] ( d [ S ] ) [ S ] r ( rS )
0
2. 连续搅拌罐反应器(CSTR)
连续搅拌罐反应器的结构基本上与间歇操作的搅
拌罐反应器相同。两者的根本的差别在于连续搅 拌反应器内部达到充分混合，反应器中的微生物 (或酶)浓度和培养基组成在各点上都相同，反应 器出口料液组成等于反应器内料液组成，在定常 态下不随时间而变化。
生物团块反应器
生物膜反应器
全混流型
搅拌槽式反 应器 循环反应器 环流反应器
活塞流型
管式反应器
全混流型
流化床反应器
活塞流型
固定床生物 转盘 渗滤器 膜反应器
生物反应器的设计及其性能评价
生物反应器的设计及其性能评价
生物反应器是生物工程领域中极为重要的一种设备，其主要功能为利用微生物
或生物体对有机物和无机物进行生化反应，从而实现生产、处理、分离、提纯等一系列工业、环境、食品等方面的需求。随着微生物学、生物化学、化学工程等学科的发展，生物反应器技术也得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍生物反应器的设计及其性能评价。
一、生物反应器的设计
生物反应器的设计主要包括反应器类型、反应器结构、内部构造、操作条件等
方面。以下是生物反应器设计的关键要素：
1.反应器类型
目前，生物反应器主要可分为动态和静态两类，其中静态反应器又可分为批式、连续式、挤压式等。批式反应器适用于一些小批量的生产。连续式反应器能够实现持续生产，其结构复杂，通常应用于中大规模的生产。挤压式反应器是一种特殊的生物反应器，其优点在于其高的密度和高效的质量传递。
2.反应器结构
生物反应器的结构分为圆柱形和矩形两种，圆柱形和球形反应器内部流体混合
均匀，在高温高压下具有较好的机械强度和稳定性，但是其制造结构复杂，生产成本高。矩形反应器的生产成本较低，安装和操作方便，但在极端条件下，由于压力不均可破裂。
3.内部构造
生物反应器的内部构造包括搅拌系统、气体导入系统、温度控制系统、PH调
节系统、报警系统等，都是反应器能否正常工作的关键因素。
4.操作条件
生物反应器的操作条件对其性能具有直接影响。比如反应器的温度、压力、通
气量等因素均应进行调整，以期达到最佳的反应效果。
二、生物反应器的性能评价
生物反应器的性能评价主要涉及以下几个方面：
1.反应器出口产量
机械搅拌生物反应器课程设计说明书
2
生物工程设备课程设计
2.设备结构部件设计
2.1 罐体的设计 2.1.1 罐体几何尺寸计算 （1）筒体内径 罐体的长径比 H/D1 选择为 2.5，装料系数 η 取 0.75。公称容积 V 为 70m³ 。 根据发酵罐全体积近似计算式（忽略封头体积） ：V 则筒体内径 D1：
4
D12 H 0.15D13 m 3
2.2 搅拌装置设计 搅拌器的钢材选用 Q235-B。其力学性能如下： 屈服强度 Reh N/mm2 厚度≤16mm 225 375～500 抗拉强度ζ MPa
b
伸长率 A/% 厚度≤40mm 26
许用应力 MPa 厚度≤16mm 温度≤150℃ 113
2.2.1 搅拌器的结构形式及安装 根据任务要求，搅拌器为后弯叶圆盘涡轮搅拌器。 图 2 发酵罐图 后弯叶角度 β=45°； 桨叶数 Z=6； 总直径 Dj=1/3D1=1066.7m，取 Dj=1m； 桨叶宽度 b=0.2Dj=0.2m； 桨叶长度 l=0.25Dj=0.25m； 桨叶厚度δ =0.02Dj=20mm； 圆盘直径 rd=0.65Dj=0.65m； 圆盘厚度δ d=0.02Dj=20mm； 转速 n=130/rmp。 考虑到液体高度超过最佳装液高度（Hf=D1） ，因此采用多层搅拌器。 第一层搅拌桨距离发酵罐底 C=0.85Dj=0.85m； 第二层搅拌桨距离第一层搅拌桨 S1=2.4Dj=2.4m； 第三层搅拌桨距离第二层搅拌桨 S2=2.4Dj=2.4m 2.2.2 搅拌器的设计功率及强度计算 搅拌器的钢材选用 Q235-B。其力学性能如下： （1）设计功率计算 第 i 层搅拌器设计功率计算式 Pqi
生物反应器ppt课件
表面处理：不锈钢内外镜面抛光，抛光精度
Ra0.4
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2、灭菌方式：高压灭菌锅灭菌 3、搅拌系统：直联机械搅拌；0.1KW直流电机；
两层六平叶发酵专用标准桨； 控制范围：50~1000rpm，控制精度：±1%
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4、温度控制：冷却水温度+5 ~ 65℃；精度±0.1℃；
程的数学描述。
对于相当多的微生物过程分析，特别是过程控制 来说，均衡生长模型是可以满足要求的。
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二、细胞浓度及其测量
➢ 细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数。
➢ 在定量研究生物反应之前，首Βιβλιοθήκη Baidu需要说明微生 物的浓度即菌体浓度的表示方法。 （g/l, kg/m3)
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21
14是否考虑细胞之间的差别154种模型最理想情况把细胞群体处理为一种溶质非结构模型非离散模型细胞之间无差异细胞内有多个组分结构结构模型均衡生长假设细胞之间不均一细胞内部多组分实际情况平均细胞近似不考虑细胞结构但各种细胞不均一平均细胞近似离散模型均衡生长假设16文献上简称结构模型
第一章 生物反应器
Bioreactor
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
生物反应器设计
1.1 生物反应器化学计量基础学
大量的证据显示，相对基质的得率与生长速率相关， 这种关系与蛋白的变换、保持最佳的胞内pH、抗衡通过细 胞膜的泄露的主动运输、无用的循环及运动所需要的能量 相关。一般来说生成能量的基质部分一些与生长相关，一 些与生长无关，其主要是取决于当前系统中存在的生物量 大小。其始终处于一种平衡的状态。
1.2 生物反应器的生物学基础
二、生长动力学方程
1. 无抑制的细胞生长动力学——Monod方程
早在1942年Monod就指出，在培养基中无抑制剂存在时，如果 生长速率由于基质的耗尽而出现下降，则细胞的比生长速率与限 制性基质浓度的关系为：
maxs（/ Ks S）
此方程被广泛的应用与大量的场合，但是此方程至使用与单一 基质限制。也就是说除了一种生长限制基质外，其他的营养物质 都是过量，都不会对微生物的生长造成伤害。
Chapter1 生物反应器设计基础
生物反应器是环保工程设备中重要的设备之一，它主 要是用于微生物细胞的增殖或为生化反应提供适宜的生 长环境的一类设备。生物反应器中的物质、能量和热量 转换与反应器的结构和内部装置密切相关，换句话说， 生物反应器的结构对生物反应的产品质量、收率(转化率) 和能耗起到关键作用。在进行设计时需要考虑到反应器 中的传质、传热、pH和温度等一系列因素，同时还需要 考虑好氧、缺氧或者厌氧等条件。生物体时活体细菌， 整个过程受到剪切力的影响，也可能发生凝聚成为颗粒， 或者受到气体的影响。总之，在设计生物反应器的时候 要以生物活性控制在最佳条件，降低总费用。
生物反应器
第八章 生物反应器
概念
基本 反应过程的 特征 状态？
间歇 式生 物反 应器
连续 式生 物反 应器
第八章 生物反应器
半间歇式生物反应器
采用将原料与部分产物连续输人或输出，其 余则分批加人或输出的半连续操作的反应器称为 半连续生物反应器。
优点：
经固定化后的生物催化剂既具有酶的催化性质，又具有一般化学催化剂能回 收、反复使用的优点，并在生产工艺上可以实现连续化和自动化。
如上表格说细菌蛋白酶类用于污渍去除，可以直接液体使用或用胶囊包埋后 使用。
生物反应过程主要设备：
生物反应器
第八章 生物反应器
5、生物反应过程与化学反应器异同点：
生物反应与一般的化学反应器相似，对生物反应器 也要求能维持一定的温度、pH、反应物（营养物质， 包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合 性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利 进行。而与一般的化学反应明显不同的是，细胞生物 反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免 杂菌污染造成的损失。
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
用于治疗癌症，剥夺癌细胞生长所需的 营养 治疗消化不良 许多酶在医疗中还可作为诊断试剂
第八章 生物反应器 4、固定化酶
生物反应器设计及工艺参数优化方法改进
生物反应器设计及工艺参数优化方法改进概述
生物反应器是利用生物学原理进行生物转化反应的设备，广泛应用于生物工程、环境工程以及食品工业等领域。生物反应器的设计和工艺参数优化是确保反应器能够高效运行和实现预期产出的关键因素。本文旨在探讨生物反应器设计的基本原理以及工艺参数优化方法，并提出改进措施，以期提高反应器的性能和效率。
一、生物反应器设计原理
生物反应器的设计需要考虑多个因素，包括反应器类型、材料选择、反应器配置和控制系统等。
1. 反应器类型
常见的生物反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和固定床反应器。批式反应器适合小规模生产和研究实验，但由于无法实现连续稳定的反应过程，生产效率较低。连续流动反应器通过不断输入新的底物和废物来实现连续稳定的反应过程，适用于大规模生产。固定床反应器则通过固定床填料来增加底物与酶或微生物的接触面积，提高反应效率。
2. 材料选择
生物反应器的材料选择需要考虑反应过程中的温度、压力和化学反应性等因素。通常情况下，反应器的材料是不可溶于反应物的，以保证反应物的纯度。常见的反应器材料包括玻璃、不锈钢和陶瓷等。
3. 反应器配置
反应器的配置包括反应器体积、形状和内部结构等。反应器体积的选择需要考虑底物浓度、反应速率和产品产量等因素。反应器形状的选择一般根据具体应用需求，例如圆柱形反应器适用于连续流动反应过程，球形反应器适用于批式反应过程。内部结构则影响着反应物和酶或微生物的接触效率，常见的结构包括搅拌器、气体分配器和热交换器等。
4. 控制系统
生物反应器的控制系统用于调节反应过程中的温度、压力和反应速率等
生物反应器课程设计报告
.
生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）
XX：高金利
班级：生工2072
学号：3072106245
时间：2010年11月20日
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点
1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；
2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；
4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；
5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；
生物反应器的设计与操作
生物反应器的设计与操作
生物反应器作为生化工程领域的重要组成部分，在制药、食品和生物制品等行业中发挥着不可替代的作用。生物反应器的设计和操作是影响其性能和效率的关键因素。本文旨在介绍生物反应器的设计原理和操作技术，以便更好地理解和掌握这一领域的知识。
一、生物反应器的设计原理
生物反应器是一种可以维持生物物质生长和代谢的设备，其原理是通过提供合适的营养物质和生长环境，使微生物或其他生物物质在一定的温度、pH值、氧气气体、搅拌强度等条件下进行生长和代谢反应。其主要构成部分有反应釜、控制系统、传感器和数据监测系统等。在反应器的设计中，需要考虑以下几个方面：
1. 反应釜的选材和结构设计
反应釜的选材和结构设计是影响反应器性能和使用寿命的关键因素。一般来说，反应釜的材质应该具有耐腐蚀性、耐高温、强
度高等特点。常见的反应釜材料有玻璃钢、不锈钢、陶瓷等。反
应釜的结构设计也应注意到避免盲区、防止污染等因素。
2. 生物体系的选取
生物体系的选取是根据反应器的实际应用需求而进行的。比如，烟酰胺生产线中使用的Pseudomonas fluorescens ATCC 13525就是
通过筛选获得并通过后续的培养优化而得到的。又比如，垃圾处
理时常用的是团藻类等微生物等进行处理，其在反应器中的栽培
需求是苛刻的，比如对氧气和二氧化碳的摄取、对温度、搅拌和
水平等因素的适应性要求都较高。
3. 控制系统的设计
反应器的控制系统用于实时监测和调整反应器中的各项参数，
如温度、酸碱度、氧气气体、搅拌强度等。一般来说，反应器控
制系统的设计应遵守以下原则：稳定性、速度、准确度和可靠性。否则，会有较大的影响到成品或应用。
《生物反应器》课件
生物反应器在未来的应用前景
生物医药领域
随着人类对个性化医疗和精准医疗的需求不断增加，生物反应器在药物研发、细胞治疗和疫苗生产等 领域的应用前景广阔。通过优化生物反应器工艺，可以提高细胞培养效率，降低生产成本，为患者提 供更加安全、有效的治疗手段。
工业生产领域
生物反应器在工业生产领域的应用也日益广泛，如生物燃料、化学品、材料等。通过高效的生物反应 器技术，可以实现可持续、环保的生产方式，降低生产成本，满足市场需求。
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
PART 03
生物反应器通常由反应器主体、搅拌装置、加热/冷却系统、进出料口等部分组 成，其设计需根据具体的生物反应过程和工艺要求而定。
生物反应器的分类
01
02
03
根据用途
可分为细胞培养反应器、 酶反应器、微生物反应器 等。
根据操作方式
可分为分批式反应器、流 加式反应器、连续式反应 器等。
根据结构
可分为机械搅拌式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定 床式反应器等。
生物反应器的应用领域
生物反应器与生产工艺
生物反应器与生产工艺
在现代化工生产中，生物工艺逐渐成为了备受关注的热门领域。其中，生物反应器作为生物制药、化学品和食品工业中的重要设
备之一，被广泛应用于细胞培养、发酵和微生物代谢工艺研究。
本文将着重阐述生物反应器的应用、结构及其影响生产工艺的因素。
一、生物反应器的应用
生物反应器是一种用于生物过程的反应器设备，可分为批次、
连续和半连续三种反应方式。批次生产方式主要用于生产小规模
的产品，连续和半连续则适用于大规模的生产。生物反应器广泛
应用于以下领域：
1. 生物制药
生物制药是指利用生物技术生产药物，生产过程中需要细胞培
养发酵。在制药行业中，生物反应器是细胞培养发酵的关键设备。
2. 食品工业
在发酵食品的制造过程中，生物反应器也扮演着重要角色。例如酵母、乳酸菌和葡萄糖酸菌都需要通过生物反应器进行培养和发酵。
3. 化学工业
在化学工业中，采用微生物发酵生产有机酸、氨基酸和多糖等高附加值化学品。生物反应器的应用能够提高产品质量和产量。
二、生物反应器的结构
生物反应器通常由罐体、搅拌器、传感器、加热和冷却系统、通气系统等组成。其中，通气系统是保证微生物生长和代谢的重要组成部分，气体可以通过搅拌和曝气调节溶氧量，控制微生物代谢速率和细胞生长情况。
三、影响生产工艺的因素
1. 碳源与氮源
微生物的生长和代谢需要碳源和氮源。选择合适的碳源和氮源对生产工艺的影响非常重要。例如，在生产葡萄糖酸过程中，葡萄糖作为碳源，而氮源可以是尿素或硫酸铵。
2. 温度与pH值
微生物的生长和代谢都受到温度和pH值的影响。不同类型的微生物对温度和pH值的适应性不同。因此，在生产过程中，需要对温度和pH值做出适当的调节。
生物反应器的设计
6
连续反应器
特点： 原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。 反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变。 因而属于稳态操作。
优点：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。 缺点：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。
7
半连续反应器
特点： 原料与产物只有其中一种是连续输入或输出， 而其余则是分批加入或输出。
对整个反应器而言：
V F
dcS v
(平推流反应器的设计方程)
v：反应速度，mol/(L . min)； cs：底物浓度, mol/L； V：反应器有效体积，L； F：物料流量, L/min；
τ：物料在反应器中的停留时间，min.
22
23
(四) 全混流罐式反应器的计算 1. 全混流模型的特征：
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
3
4
间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
26
发酵过程中的几个特殊问题： 要为系统供应充足的氧气； 剪应力的敏感性； 发酵液的流变特性； 絮凝作用； 杂菌污染； 发酵过程的参数检测与控制，与其他化学过程相比， 要困难得多。
生物反应器设计原则及其在工业生产中地位
生物反应器设计原则及其在工业生产中地位
生物反应器是一种用来控制生物体代谢产物生产的设备，广泛应用于医药、食品、化工等工业领域。生物反应器的设计是保证生产效率和产物质量的关键因素，本文将介绍生物反应器设计的原则，以及在工业生产中的重要地位。
1. 生物反应器设计原则
1.1 反应器类型选择
根据反应物种类和反应过程的要求，可以选择不同类型的生物反应器。常见的
生物反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和固定床反应器等。选择合适的反应器类型是保证反应条件稳定和产量高效的前提。
1.2 传质效应考虑
生物反应过程中的气体、液体和固体之间存在传质过程，传质效应对反应速率
和产物分布有重要影响。因此，生物反应器设计中需要考虑传质效应，保证物质在反应器内均匀分布，并提高传质速率，以提高反应效率。
1.3 反应控制策略
应根据反应物种类，选择适当的控制策略。常见的控制方式包括温度控制、pH 值控制、氧气供应控制等。合理的反应控制策略可以提高产物纯度和产量，并保证反应的稳定性和可控性。
1.4 反应器结构设计
反应器的结构设计包括反应器尺寸、材料选择、加热、冷却等方面，需要根据
反应过程的需求和工艺参数进行优化。例如，反应器尺寸应根据反应物质量和传质效应来确定，材料选择要考虑到反应物对材料的腐蚀性，以及耐压和耐高温的性能。
2. 生物反应器在工业生产中的地位
生物反应器在工业生产中起着至关重要的作用，其地位主要体现在以下几个方面：
2.1 生物工艺的生产优势
相比传统化学合成工艺，生物工艺具有生产过程绿色环保、产物选择性高、废
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(6) 轴封严密。
机械搅拌发酵罐的结构
• 大型发酵罐结构
1－轴封 ； 2、20－人孔； 3－梯； 4－联轴； 5－中间轴承； 6－温度计接口； 7－搅拌叶轮； 8－进风管； 9－放料口； 10－底轴承； 11－热电偶接口；12－冷却管； 13－搅拌轴； 14－取样管； 15－轴承座； 16－传动皮带； 17－电机； 18－压力表； 19－取样口； 21－进料口； 22－补料口； 23－排气口； 24－回流口； 25－视镜；
根据反应是否需要氧气为基准
微生物反应器可分为: 需氧微生物反应器（通气发酵罐） 厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
酒精发酵罐
酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间
(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热
酒精发酵罐的结构要求
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.2 D W z 0 .5 z D D D－罐直径（mm）
z－挡板数 W－挡板宽度（mm）
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
• 轴 封 • 作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，
防止泄露和污染杂菌。 • 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 • 填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和
厌氧微生物反应器（嫌气发酵Fra Baidu bibliotek） 啤酒发酵设备
一、通风发酵罐
• 高效生物反应器的特点：
(1) 传质和传热性能好； (2) 结构密封、防杂菌污染；
(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低；
(6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
• 应用：
生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、 抗生素、维生素等
2 3
图2.1 大型发酵罐结构图 动画演示
机械搅拌发酵罐的结构
• 小型发酵罐结构
图2.2 小型发酵罐结构图
图2.3 自动玻璃发酵罐
图2.5 不锈钢搅拌发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发酵罐
• 罐体
由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳 钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度 下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃ 和0.25MPa(绝对压力)。 受内压的壁厚：
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
•
端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹
齿轮箱
簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相 互贴合，并作相对转动而达到密封。
转轴 填料压盖 压紧螺栓 O形环 转轴 动环 堆焊硬质 静环 铜环 填料 搅拌轴 密封环 罐体 传动齿轮箱
填料箱体
图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图 1-六直叶涡轮式；2-推进式3Lightnin A-315式
图2.7 不同搅拌器的流型
• 挡板：
改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液
体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.1～ 0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。
• 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内 附件而轴功率仍保持不变。
第八章 生物反应器的 结构与设计计算
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料仓库 原料制备 和预处理 空气
过程控制
能量
能量 产品回收
消毒
生物反应器
产物
压缩
热量
废物
大型发酵罐 搅拌装置
动物细胞反应器
一个优良的培养装置应具有的条件：
• • • •
严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
• 满足工艺要求，有利于发酵的排出 • 从结构上有利于发酵液的排出 • 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
酒精发酵罐筒体结构
• 圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 • 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其 所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 • 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、 接种管、压力表和测量仪表接口管等。 • 罐底装有排料口和排污口； • 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型 发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也 装有人孔。
通风固相发酵罐
• 气升环流式发酵罐
• 典型的气升式发酵罐
机械搅拌发酵罐(TRC)
• 工作原理：
利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分 混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物 生长繁殖、发酵所需要的氧气。
• 发酵罐的基本条件：
(1) 具有适宜的径高比； (2) 能够承担一定压力； (3) 保证必需的溶解氧； (4) 具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；
• 类型：
机械搅拌发酵罐 气升环流发酵罐 常用通风发酵罐 自吸式发酵罐 通风固相发酵设备
通风发酵罐
机械搅拌发酵罐
• 工作原理
自吸式发酵罐
• • • 机械搅拌自吸式 喷射自吸式 溢流喷射自吸式
• • •
结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递
气升式发酵罐
• 工作原理
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
• 空气分布器
• 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀 分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分 布装置有单管式。 • 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 • 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分 布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。 • 通常通风管的空气流速取20m/s。 • 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐 底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补 强。可延长罐底寿命
1
230 p pD C (m m)
2
pDy C (m m) 200
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (m m) 2400 p D H
•
搅拌器和挡板
• 搅拌器：
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是 打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡 轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆 装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。