第三章生物反应器设计基础

如需 如需
如需
如需 如需
如需
无需通风设备 剪切力应小
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 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
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成 细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s （Cell yield或Growth yield）。
生成细胞的质量 X Yx / s 消耗基质的质量 S
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
反应器类型
通用罐 连续搅拌罐 气升式反应器 鼓泡式反应器 自吸式反应器 固体发酵设备
pH控 温度 工业重要特性 制 控制 如需 如需 人事费用高 如需 如需 流速受冲出限制 如需 如需 空压机出口压力要高 如需 如需 可采用鼓风机 如需 如需 需转子高速旋转 如需 如需 人事费用高
嫌气反应器
动植物细胞用反 应器 光合反应器
第二篇 生物反应设备
第三章 生物反应器设计基础
内容
概述 第一节 生物反应过程的剪切力 第二节 生物反应器的传质问题 第三节 生物反应器的混合
概述
生物反应器（bioreactor ）是一个人们对生物 有机体进行有效控制和培养以生产某种产品， 或进行特定反应的容器。
发酵罐（fermentator）：厌氧发酵罐 1970’s :生化反应器（biochemical reactor）和
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
生物反应器的作用
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
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分 子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和 灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的 计量关系是可行的。
生物反应器设计的主要目的和设计原理
目的：最大限度地降低成本，用最少的投资来 最大限度地增加单位体积产率
原理：基于强化传质、传热等操作，将生物体 活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
C :1 c d f
H : m 3b xc ud 2e O : n 2a yc vd e 2 f N : b zc wd
(3-2)
方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未 知数，需六个方程才能解。
微生物反应过程的得率系数 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的
式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所 保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干
细胞的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产
物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培
养时的YKJ值为0.028g细胞/Байду номын сангаасJ，在厌氧培养时YKJ
的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物， 如藻类的YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
生物学反应器（biological reactor） 1980’s :生物反应器（biorector）成为一个标
准的名称 现在：发酵罐、酶反应器、固定化酶和细胞反
应器、动植物细胞培养反应器
生物反应器与化学反应器的比较
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。
Y ATP
X [ g cell ATP
m ol ATP] Y X S M S Y ATP S
式中 YATP为相对于基质的ATP生成得率（mol ATP/mol基质），Ms为基质的分子量。
微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情 况，
YkJ
X E
X (细胞生产量) Ea (细胞储存的自由能 ) Eb (分解代谢所释放的自由 能)
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YX
S
dX dS
rX rS
dX dS
dt dt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳 源的一部分被同化（assimilate or anabolism）为 细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源 到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc 可由下式表示
YC
细胞生产量 基质消耗量
细胞含碳量 基质含碳量
YX
S
XC SC
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传 递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可 通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳 源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该 基质的有效电子数。
CH mOn aO2 bNH3 cCH xOy N z dCHuOv Nw eH2O fCO2
式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞 的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标 m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相 对应的氢、氧、氮的原子数。
对各元素做元素平衡，得到如下方程：