生物反应器和比拟放大

06.03.2021
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机械搅拌发酵罐的基本条件
①发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为 2.5~4。
②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 此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的 压力。
③发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎， 气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提 高氧的利用率。
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（二）自吸式发酵罐 原理：
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 气则由导气管吸入。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，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液 均匀分布。
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①优点：
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，减少了厂房占 地面积，节省投资；通气质量是最好的，通入 发酵液中的2315m2气液接触面积/m3空气；动力 消耗低；设备便于自动化、连续化、降低了劳 动强度，减少劳动力。 ②缺点：
空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、 高除菌效率的空气净化系统；由于结构上的特 点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的 线速度在30m/s左右，在叶轮周围形成强烈的 剪切区域。充气搅拌叶轮的充气量随发酵液的 深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围。 罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。
D。装设6~4块挡板，可满足全增加罐内附件，轴功率仍 保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：
(W/D)Z=0.5 D------------罐的直径 Z------------挡板数 W-----------挡板宽度
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③轴封 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、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。
（三）气升式生化反应器 工作机理： 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 装设空气喷嘴，空气喷嘴以250~300（m/s）的 高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割 细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管 内的发酵液轻。加上压缩空气的喷流动能，因此 使上升管的液体上升，罐内的液体下降而进入上 升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解 气量，使发酵正常进行。分内循环和外循环两种。
④发酵罐应具有足够的冷却面积。
⑤发酵灌内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积 污，使灭菌彻底，避免染菌。
⑥搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。
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 中间轴承，空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔 ①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 一定压力，通常灭菌压力0.25MPa(绝对大气压) ②搅拌器和挡板 涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式 三种，其主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平 叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。 挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体 激烈翻动，提高溶氧。挡板宽度约为（0.1~0.12）
二.生化反应器的特点 ㈠生化反应器的特点 ①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-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pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
②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 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 个如何控制反应过程使其最优化的问题。
③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 反应产物的干扰。
④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 的产品
⑤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 成本的问题。
三. 生化反应器的种类及选择与操作
一. 概述 生化反应器(生物反应器)就是为适应 生化反应(生物反应)的特点而设计的 反应设备。生化反应器的实质也就是 酶反应器。包括酶反应器、微生物反 应器（发酵罐）和动植物细胞培养用 反应器。
微生物反应器：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 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 耗下获得较高的产量。 ①厌氧生物反应器：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。 ②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气， 因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨 基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等 的生产。 根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械 搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。
按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可 分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的 绝大多数都属于非均相反应器。
（一）机械搅拌式生化反应器
它是借搅拌涡轮输入混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2~4kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大 负担。