第七章生物反应器-PPT课件

气、液接触混合
7.1.3 生物反应器中的传热
生物反应器中的能量平衡可表示为： Q Q Q Q Q Q Q （ 7-5 ） met ag gas acc exch evap sen 式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率； Qag为搅拌造成的单位体积产热速率； Qgas为通风造成的单位体积产热速率； Qacc为体系中单位体积的积累产热速率； Qexch 为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率； Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率； Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速 率。
7.1.2 生物反应器中的混合
混合过程的分类
百度文库类 型
气 —液
说
明
应 用 实 例
液相好氧发酵，如味精、抗生素等 发酵 液—固 固 相 颗 粒 在 液 相 固定化生物催化剂的应用、絮凝酵 中悬浮 母生产酒精等 固 —固 固相间混合 固态发酵生产前的拌料 液 —液 互溶液体 发酵或提取操作 液—液 不互溶液体 双液相发酵与萃取过程 液体流动 传热 反应器中的换热器
第七章
生物反应器
主要内容
1、生物反应器设计基础 2、酶反应器 3、通风式发酵设备 4、厌氧发酵设备 5、动植物反应器 6、生物反应器放大的 目的与方法
7.1 生物反应器设计基础
7.1.1 生物反应器设计的特点与生物学基础
生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点 是生物（酶除外）反应都以“自催化” （Autocalalysis)方式进行，即在目的产物生成的过程 中生物自身要生长繁殖。
实际生物反应过程中的热量计算， 可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每 m3 发酵液每小时传给冷却器最 大的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
n dVP k VX FP ( k 1 , 2 ,...... n ) ） k i i k （7-3 dt k 1
反应液体积：
dV Ff F dt
（7-4）
式中 F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； 下标i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物, 下标表示基质的流加流量。
生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优 化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长， 得到更多需要的生物量或代谢产物。
生物反应器的操作特性
反应器类型
批式(通用罐) 连续搅拌罐式 气升式反应器 pH 控制 如需 如需 如需 温度 控制 如需 如需 如需
工业重要特性
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小 需光源
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器 动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
如需
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
根据经验： 夹套的K值为400～700kJ/（m2· h· ℃），蛇管 的K值为1200～1900kJ/（m2· h· ℃），如管壁 较薄，对冷却水进行强制循环时，K值为3300～ 4200kJ/（m2· h· ℃）。气温高的地区，冷却水温 高，传热效果差，冷却面积较大，1m3发酵液的 冷却面积超过2m2。但在气温较底的地区，采用 地下水冷却，冷却面积较小，1m3发酵液的冷却 面积为1m2。发酵产品不同，冷却面积也有差异。
式中Q基质燃烧为基质的燃烧热，Q产物燃烧为产物的燃烧热。
生物反应器中的换热装置的设计，首先是传 热面积的计算。 换热装置的传热面积可由下式确定。
Q all F （ 7-8） K tm
式中 F为换热装置的传热面积m2； Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小 时放出的最大热量kJ/h； K为换热装置的传热系数kJ/(m2· h· ℃)； tm为对数温度差(℃)，由冷却水进出口温度 与醪液温度而确定。
生物反应器的生物学基础
生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物 生成速率，其相应的动力学模型是
细胞：
基质： 产物：
dVX i VX F FX ( i 1 , 2 ,...... ) （ 7-1 ）n i i fX if i dt n dVS j （7-2 ） VX F FS ( j 1 , 2 ,...... n ) j i i fS jf j dt j 1
2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液 在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体 积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂， 在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大 升温约为12℃。 3、通过生物合成进行计算。当Qsen 、Qacc和Qgas 可忽略不计，由式7-5可知， Q Q Q Q Q （ 7-6 ） all exch met ag evap 即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。 4、通过燃烧热进行计算 （ 7-7） Q Q Q all 基质燃烧 产物燃烧

当采用分批式操作时,F=F=0；采用流加式操 作时，FF=0；采用连续式操作时,F=F0
生物反应器设计的基本原理
生物反应器选型与设计的要点
1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和 易受杂菌污染等。 2、确定适宜的反应器形式。 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 4、传热面积的计算。 5、通风与搅拌装置的设计计算。 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。 7、检验与控制装置。 8、安全性。 9、经济性。