生物反应器的设计

控制体积：
是指建立衡算式的空间范围，其选择原则是以能把 反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。 可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体 作为控制体积。 微元体： 指一微分体积，它可以反映出可能发生的全部过程和 现象。它的体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。
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1. 物料衡算式 衡算的组分：可选底物，产物，或细胞做衡算；
。
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●
类型： 夹套换热器：一般小型发酵罐多采用（容积为5 m3以下）； 蛇管换热器：大中型发酵罐多采用（容积为5 m3以上 ）。
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4. 消沫装臵
●
主要功能：将发酵过程中产生的泡沫破碎。
类型： 耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。 也可加消泡剂。
●
机械搅拌通气式发酵罐的优点： ◎ 操作弹性大，pH值和温度易于控制；
2. 计算： 对稳态下的全混流反应器作物料衡算： 进入量 — 排出量 = 反应量 + 积累量 Fcs0 —Fcs = vV+0 即：
V c S0 c S F v （全混流反应器的基础设计方程式）
●
对于酶催化反应：将米氏方程代入
对微生物反应器：将Monod方程代入
●
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三. 微生物细胞反应器
（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）
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(二) 生物反应器设计内容 反应器设计的基本准则： 操作状态最佳化。 反应器设计的主要内容：
1. 反应器选型：
操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。
2. 设计反应器的结构，计算所需反应器体积，确定各种结构
参数：反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、 大小及转速，换热方式及换热面积等。 3. 确定最佳操作条件及其控制方式： 温度，压力，pH值，通气量，底物浓度，物料流量等。
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与一般化学反应器的不同之处： 1. 防止反应器的堵塞 2. 控制搅拌器的转速
3. 避免染菌
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(三) 生物反应器的开发趋势 1. 开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂； 2. 建立描述生化反应过程的各种数学模型；
3. 大型化生物反应器的开发研究；
4. 特殊要求的新型生物反应器的研制开发。

所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同，不存
在返混。

在同一截面上物料组成不随时间变化，但随物料流动 方向而改变。
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2. 计算：
取反应器中某一微元体积dV作物料衡算： 进入量 — 排出量 = 反应量 + 积累量
F cs－F (cs +dcs) = v dV + 0
即： -F dcs = v dV
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(四) 研究生物反应器的目的 1. 确定该生物产品达到一定的产量需要多大的生物反应器，
什么结构更好。
2. 结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化， 为生物加工过程提供最佳环境条件，并解决放大技术。
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二. 生物反应器设计的计算基础 (一)生物反应器的基本设计方程 反应物系的组成及操作参数→反应组分的转化速率 →反应器体积

对细胞做物料衡算： [细胞进入该体积单元的量]
=[细胞流出该体积单元的量]+[体积单元内细胞生长量]
+[体积单元内细胞死亡量]+[体积单元内细胞累积量]
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2. 能量衡算式 一般只作热量衡算，在一定的时间范围内：
[单位时间内输入的热量]=[单位时间内输出的热量] +[单位时间内的反应热]
+[单位时间内累积的热量]
介于无返混和全返混之间。
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(三) 平推流管式反应器的计算 1. 基本概念： 平推流：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直的截 面上，各粒子的流速和流向完全相同。 平推流反应器：反应器内流体的流动形式为平推流，如 均相管式反应器，长径比大且流速高的 固定床反应器。Plug Flow Reactor, 简写为PFR) 特征：
后有较长的停留时间。 多孔筛板的作用：阻截气泡，既延长气体的停留时间，又 使空气在反应器内经多次聚并与分散。
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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。
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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。
优点：

可减缓底物对细胞生长的抑制作用； 实现细胞的高密度培养； 既可以提高反应器的生产能力，也有利于下游加工过程。
●
类型：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。 大多采用涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。 在相同是搅拌功率
下粉碎气泡的能力：
平叶式>弯叶式> 箭叶式
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●
尺寸：
搅拌器直径与罐径之比可在1/3-1/2之间。
可根据发酵罐的容积，在同一个搅拌轴上配臵多 个搅拌器。
●
叶片数目：4叶，6叶，8叶，以6叶居多。
◎ ◎ ◎ ◎
反应器设计的基本方程有三类：
物料衡算式：描述浓度变化（依据质量守恒定律） 能量衡算式：描述温度变化（依据能量守恒定律） 动量衡算式：描述压力变化（依据动量守恒定律）
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变量：

因变量： 反应组分的浓度或转化率；反应物系的压力或温度。
自变量：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自

变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。
微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
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间歇操作
特征：
来自百度文库
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。
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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。

若为放热反应，则等号右边的第二项取负号； 若为吸热反应则取正号。
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3. 动量衡算式 生物反应器一般可做恒压处理，因此动量衡算式可略去。 总之，上述基本衡算式均符合下列模式： 输入 = 输出 + 消耗 + 累积 在定态下，即所有状态参数均不随时间变化上时，累 积项均为零。
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(二) 生物反应器内流体的流动与混合
形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。
类型： 最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
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(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装臵，利用通入培养液的空气泡上升
时的动力带动液体运动，达到混合效果。
特点：高径比较大，一般在6:1-10:1之间，空气进入培养液
◎
搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正 常生长。
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塔 式 反 应 器
（一种高径比较大的非机械式的生物反应器） 主要优点：
●
省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌； 反应器结构简单；
●
●
功率消耗小；
减少了剪切作用对细胞的损害； 溶氧速率高。
●
●
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结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集， 一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断
气流搅拌式
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罐 式 发 酵 器
(一) 机械搅拌通气式发酵罐 工业上最常用的一种微生物反应器，既有机械搅拌 又有压缩空气分布装臵。
1. 搅拌器
●
主要功能：
◎
打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的 传质速率； 使发酵液充分混合；
◎
◎
◎
使液体中的固形物料保持悬浮状态；
促进发酵热的散失。
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进入反应器的新物料与反应器内原有物料能够在瞬间 达到完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓 度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。 与之相对应的反应器称为全混流反应器： 连续罐式反应器。 (Continuous Stirred Tank Reactor, 简写为 CSTR)
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在H/D不大时，搅拌器通常使用单浆； 若H/D较大，需采用多浆装臵。 各浆间距为(1-2.5)d（d:浆叶外径）， 最底部浆与罐底间距为(0.8-1)D（D: 罐内径）。
●
位臵： 上伸轴，下伸轴
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2. 挡板
●
主要功能： 使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。
●
尺寸：
挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。
微生物细胞反应器：
为微生物提供一个适宜的生长环境，使之快速繁殖并 且产生有用的物质或对某种物质进行转化，以达到提供某
种产品或为社会服务的目的。
微生物反应器应具备的必要条件：

尽量避免杂菌污染； 反应器内尽量减少死角； 所有的阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌；


反应器结构简单，容易清扫；
罐体各部件要有一定的强度，以承受一定的压力。
旋转时产生的抽吸力吸入空气。
搅拌器：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中
心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。
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优点： 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内，达
到既通风又搅拌的目的，从而省去了压缩机。
缺点：
◎
进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要 求较高的发酵生产是不适宜的；
生物反应器的设计
资源与环境工程学院
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第一章
生物反应器的结构和类型
一. 生物反应器的基本工程概念 (一) 生物反应器类型


生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产 的反应装臵。 分类方法：
1. 按操作方式：间歇式（分批式），连续式，半连续式 2. 按几何构型及结构特征： 罐式(高径比1~3)， 管式(长径比>30) ， 塔式(竖立高径比>10)， 膜式（内有膜件）. 3. 按反应器所需能量的输入方式： 机械搅拌式，气升式，环流式。
◎ ◎
有较规范的工业放大方法； 适合连续培养。 对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特性的培养液发
酵过程更为适用。
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缺点：
◎
◎
驱动功率大；
内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染；
◎
在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，
细胞易受损伤。
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(二) 自吸式发酵罐 特点：不需要空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器
对整个反应器而言： dcS V F 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.
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(四) 全混流罐式反应器的计算
1. 全混流模型的特征：
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4. 按生物催化剂在反应器中的分布方式： 生物团块反应器，生物膜反应器。 5. 按固相催化剂的运动状态：
填充床，流化床，生物转盘等
6. 按反应体系的相态： 均相，非均相(固定床, 流化床) 7. 按流体流动状态： 理想反应器，非理想反应器 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：
衡算的时间基准：可取某一段时间或取某一瞬时的微分时间；
衡算的空间范围：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。

对反应物做物料衡算： [组分进入该体积单元的量]
=[组分流出该体积单元的量]
+[体积单元内组分转化的量] +[体积单元内组分累积量]
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对产物做物料衡算： [组分进入该体积单元的量] =[组分流出该体积单元的量] –[体积单元内组分生成量] +[体积单元内组分累积量]
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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。
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发酵设备的分类：
按对氧的要求分类： 好氧发酵罐， 厌氧发酵罐
按产生搅拌的动力分类： 机械搅拌式，
●
位臵：
在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
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3. 换热装臵
●
主要功能： 将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生
的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。 Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 – Q空气 - Q辐射
Q生物：生物氧化产生的热量；
Q搅拌 ：搅拌器搅动液体时产生的热量； Q空气：通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气 温升所带走的热量； Q辐射：由于罐外壁壁温与大气温差而引起的热量传递
1. 基本概念：
粒子的年龄： 物料粒子(分子或其凝聚体)进入反应器后所经历的时间。 停留时间：粒子离开反应器时的年龄。 返混：反应器内不同年龄的粒子间的混合(对连续流而言)。

产生返混的原因： 反应器内的死角区， 沟流或短路， 流体在管内速度分布不均（管式反应器）， 剧烈搅动（釜式反应器）等。
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2. 流动状况： 理想流动模型：平推流模型——无返混 全混流模型——全返混 非理想流动模型： 轴向扩散模型和多釜串联模型等，