生物反应工程—反应器的设计与放大
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W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 s:两搅拌器间距, W:挡板宽度 d:搅拌器直径, H:发酵罐筒身高 HL:液位高度, B:下搅拌器距底间距, D:发酵罐内径
12
反应器设计基本方程
物料衡算式 基质 产物 细胞 能量衡算式
13
发酵罐应满足的要求
(1)结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内 壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减 少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发 酵的影响
生物反应工程
第七章 生物反应器的设计与放大
1
第一节 反应器概论
利用生物催化剂进行生物技术产品的反应装置 称为生物反应器，生物产品须经历从实验室到规 模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开 发过程包含了实验室的小试，适当规模的中试和 产业规模化生产等几个阶段。生产规模的扩大的 关键是生物反应器的合理、等效的放大，以保证 过程结果的重现性和稳定性。
固定化酶
游离酶：常用的为搅拌槽式反应器，可分批操作或
半分批操作。此内反应器结构简单，适于小规模生
产，但不能进行酶的回收和使用。亦可采用带有膜
组件的超滤膜反应器，由于膜具有选择透过性，只
允许小分子产物透过，而酶则被回收利用，它特别
适于产物对酶有抑制作用的反应体系。
5
固定化酶 采用较多的是固定床和流化床反应器。
15
第二节 搅拌槽式生物反应器
16
机械搅拌槽式反应器是生物反应过程中应 用最多的一类反应器，其中适用于需氧细 胞反应过程的通气机械搅拌槽式反应器已 形成标准化的通用设别备。
该类反应器的特征：既有机械搅拌装置又 有通入空气的装置。
主要优点：操作弹性大、适应性强、pH和 温度易于控制、放大容易。
搅拌器分为径向流搅拌器和轴向流搅拌器。
径向流搅拌器中最典型的是涡轮式搅拌器，该类 反应器的特点：对流体的剪切作用强烈，有利于 气泡破碎以增大氧的传递速率。
轴向流搅拌器中最典型的是螺旋桨搅拌器，反应 器的特点：转数高、产生的循环最大、混合效果 好。
对大型生物反应器，常将涡轮式搅拌器和螺旋 桨式反应器组合使用。
10
2.生物反应器设计的内容
根据发酵体系确定反应器型式 由小试结果确定操作条件（温度、pH、通
气量、搅拌转速等） 确定反应器的体积、结构参数（传热面积、
搅拌桨、电机、接管尺寸） 反应器体积的确定是反应器设计的核心内
容
11
机械搅拌通风发酵罐的结构及几何尺寸
通用式发酵罐的几何尺寸比例 H/D=1.7~3 d/D=1/2~1/3
P = f(Di，N，ρ，μ，g)
24
牛顿型流体，通过因次分析可得如下关联式对于:
N p KRe X FrY
P
N 3Di5
K
NDi2
x
N 2Di g
y
式中：Np为功率准数，其物理意义为机械搅拌力与惯性 力之比；
Re为搅拌雷诺准数,其物理意义为惯性力与粘滞力之 比；
(2)有良好的气—液接触和液—固混和性能， 使物质传递、气体交换能有效地进行；
(3)在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅 拌及通气所消耗的动力；
14
(4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行；
(5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数；
(6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
6
• 酶反应器及其操作方式
7
2.细胞反应器
细胞反应器的分类：
细胞类型
微生物细胞反应器 动物细胞反应器 植物细胞反应器
反应是否需氧
厌氧反应器 好氧反应器
反应时底物相态
液态发酵 固态发酵
8
• 几种细胞反应器示意图
9
二、生物反应器的设计要求
1.设计要求 生物因素 化学因素 传质因素 安全因素 操作因素
主要缺点：内部结构复杂、制造费用高、 运行能耗高、易造成杂菌污染、机械剪切 力大，易造成细胞损伤。
Leabharlann Baidu17
1.1搅拌系统 搅拌器的作用 挡板的作用
1.2通气系统 1.3温控系统 1.4消泡系统 1.5pH控制系统
18
19
2.搅拌器的类型 根据搅拌器所产生流体运动的初始方向，将
固定床：是一种单位体积催化剂负载量多， 反应效率高的反应器。它的特点是床层压力 降较大、传质和传热效率较低，不适于含有 颗粒或黏度很大的底物溶液。
流化床：是一种装有较小固定化酶颗粒的塔 式反应器，底物以足够大的流速使颗粒处于 流化状态，它的特点是具有良好的传质传热 性能，适于处理黏度高的底物，但它易使固 定化酶颗粒破损，操作成本较高。
P 1 3
D Di H L
Di P (8-44)
式中，f为校正系数，式中带*号的为代表
实际搅拌设备情况。
26
对于大型发酵罐,同一轴上往往安装多 层搅拌器，对于多层搅拌器的功率可用下 式计算。
Pm P[1 0.6(m 1)] P(0.4 0.6m) (8-45)
2
一、生化反应器的分类
按生物催化剂分 按操作方式分
3
酶反应器 细胞反应器
间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
槽式
根据反应器的结构特征分
管式 塔式
膜式
物料混合方式分
机械搅拌式 气体搅拌式 液体环流式
反应物系的相态分
均相 非均相
4
1.酶反应器
游离酶
酶反应器
20
搅拌流型
21
搅拌器的类型
22
23
3、 搅拌功率的计算
机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因 素有关：搅拌器直径Di（m）、搅拌转速N （r/min）、液体密度ρ（kg/m3）、液体粘度μ （Pa·s）、重力加速度g（m/s2）、搅拌罐直径D （m）、液柱高度HL（m）以及档板条件(数量、宽 度和位置)等。由于搅拌罐直径和液柱高度与搅拌 器直径之间有一定比例关系，可不作独立变量， 于是:
Fr为搅拌弗鲁特准数，其物理意义是搅拌加速度与 重力；
K为与搅拌器形式、反应器几何尺寸有关的常数 25
当不符合此条件时，搅拌功率可用下式校正：
P f P (8-42)
(8-43) f
D Di H L Di D Di H L Di
如果已知(D/Di)=3，(HL/Di)=3，则
式中m为搅拌器层数。 以上是不通风时搅拌功率的计算。
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反应器设计基本方程
物料衡算式 基质 产物 细胞 能量衡算式
13
发酵罐应满足的要求
(1)结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内 壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减 少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发 酵的影响
生物反应工程
第七章 生物反应器的设计与放大
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第一节 反应器概论
利用生物催化剂进行生物技术产品的反应装置 称为生物反应器，生物产品须经历从实验室到规 模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开 发过程包含了实验室的小试，适当规模的中试和 产业规模化生产等几个阶段。生产规模的扩大的 关键是生物反应器的合理、等效的放大，以保证 过程结果的重现性和稳定性。
固定化酶
游离酶：常用的为搅拌槽式反应器，可分批操作或
半分批操作。此内反应器结构简单，适于小规模生
产，但不能进行酶的回收和使用。亦可采用带有膜
组件的超滤膜反应器，由于膜具有选择透过性，只
允许小分子产物透过，而酶则被回收利用，它特别
适于产物对酶有抑制作用的反应体系。
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固定化酶 采用较多的是固定床和流化床反应器。
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第二节 搅拌槽式生物反应器
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机械搅拌槽式反应器是生物反应过程中应 用最多的一类反应器，其中适用于需氧细 胞反应过程的通气机械搅拌槽式反应器已 形成标准化的通用设别备。
该类反应器的特征：既有机械搅拌装置又 有通入空气的装置。
主要优点：操作弹性大、适应性强、pH和 温度易于控制、放大容易。
搅拌器分为径向流搅拌器和轴向流搅拌器。
径向流搅拌器中最典型的是涡轮式搅拌器，该类 反应器的特点：对流体的剪切作用强烈，有利于 气泡破碎以增大氧的传递速率。
轴向流搅拌器中最典型的是螺旋桨搅拌器，反应 器的特点：转数高、产生的循环最大、混合效果 好。
对大型生物反应器，常将涡轮式搅拌器和螺旋 桨式反应器组合使用。
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2.生物反应器设计的内容
根据发酵体系确定反应器型式 由小试结果确定操作条件（温度、pH、通
气量、搅拌转速等） 确定反应器的体积、结构参数（传热面积、
搅拌桨、电机、接管尺寸） 反应器体积的确定是反应器设计的核心内
容
11
机械搅拌通风发酵罐的结构及几何尺寸
通用式发酵罐的几何尺寸比例 H/D=1.7~3 d/D=1/2~1/3
P = f(Di，N，ρ，μ，g)
24
牛顿型流体，通过因次分析可得如下关联式对于:
N p KRe X FrY
P
N 3Di5
K
NDi2
x
N 2Di g
y
式中：Np为功率准数，其物理意义为机械搅拌力与惯性 力之比；
Re为搅拌雷诺准数,其物理意义为惯性力与粘滞力之 比；
(2)有良好的气—液接触和液—固混和性能， 使物质传递、气体交换能有效地进行；
(3)在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅 拌及通气所消耗的动力；
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(4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行；
(5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数；
(6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
6
• 酶反应器及其操作方式
7
2.细胞反应器
细胞反应器的分类：
细胞类型
微生物细胞反应器 动物细胞反应器 植物细胞反应器
反应是否需氧
厌氧反应器 好氧反应器
反应时底物相态
液态发酵 固态发酵
8
• 几种细胞反应器示意图
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二、生物反应器的设计要求
1.设计要求 生物因素 化学因素 传质因素 安全因素 操作因素
主要缺点：内部结构复杂、制造费用高、 运行能耗高、易造成杂菌污染、机械剪切 力大，易造成细胞损伤。
Leabharlann Baidu17
1.1搅拌系统 搅拌器的作用 挡板的作用
1.2通气系统 1.3温控系统 1.4消泡系统 1.5pH控制系统
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2.搅拌器的类型 根据搅拌器所产生流体运动的初始方向，将
固定床：是一种单位体积催化剂负载量多， 反应效率高的反应器。它的特点是床层压力 降较大、传质和传热效率较低，不适于含有 颗粒或黏度很大的底物溶液。
流化床：是一种装有较小固定化酶颗粒的塔 式反应器，底物以足够大的流速使颗粒处于 流化状态，它的特点是具有良好的传质传热 性能，适于处理黏度高的底物，但它易使固 定化酶颗粒破损，操作成本较高。
P 1 3
D Di H L
Di P (8-44)
式中，f为校正系数，式中带*号的为代表
实际搅拌设备情况。
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对于大型发酵罐,同一轴上往往安装多 层搅拌器，对于多层搅拌器的功率可用下 式计算。
Pm P[1 0.6(m 1)] P(0.4 0.6m) (8-45)
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一、生化反应器的分类
按生物催化剂分 按操作方式分
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酶反应器 细胞反应器
间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
槽式
根据反应器的结构特征分
管式 塔式
膜式
物料混合方式分
机械搅拌式 气体搅拌式 液体环流式
反应物系的相态分
均相 非均相
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1.酶反应器
游离酶
酶反应器
20
搅拌流型
21
搅拌器的类型
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3、 搅拌功率的计算
机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因 素有关：搅拌器直径Di（m）、搅拌转速N （r/min）、液体密度ρ（kg/m3）、液体粘度μ （Pa·s）、重力加速度g（m/s2）、搅拌罐直径D （m）、液柱高度HL（m）以及档板条件(数量、宽 度和位置)等。由于搅拌罐直径和液柱高度与搅拌 器直径之间有一定比例关系，可不作独立变量， 于是:
Fr为搅拌弗鲁特准数，其物理意义是搅拌加速度与 重力；
K为与搅拌器形式、反应器几何尺寸有关的常数 25
当不符合此条件时，搅拌功率可用下式校正：
P f P (8-42)
(8-43) f
D Di H L Di D Di H L Di
如果已知(D/Di)=3，(HL/Di)=3，则
式中m为搅拌器层数。 以上是不通风时搅拌功率的计算。