生物反应工程 第七章

7.2 酶反应器
7.2.1酶反应器及其操作参数
根
形式名称
操作方式 说明
据 其
单相 系统
搅 拌 罐 （ stirred 分批、流加 tank）
靠机械搅拌混合
形
酶反 超 滤 膜 反 应 器 分 批 、 流 加 适用于高分子底
式
应器 （ultrafiltration）
或连续
物
和
搅拌罐
操
分 批 、 流 加 靠机械搅拌混合 或连续
流入量＝流出量 ＋ 反 应 量 ＋ 积累量 （7-23）
fS 0
fS t
(rs ) V
0
f (S0 St ) (rs ) V
（7-24） （7-(2S50k） SS t )
上将式米变氏为方一程般代化入的 上关式系，式得为操（：作7方-2(程S6，）0即rsSt )
V S0 S (S0 （S7)(-K2m7）S)
7.1.2 生物反应器中的混合
混合过程的分类
类型 说 明
应用实例
气—液
液—固
固—固 液—液 液—液 液体流动
气、液接触混合
固相颗粒在液相 中悬浮 固相间混合 互溶液体 不互溶液体 传热
液相好氧发酵，如味精、抗生素等 发酵 固定化生物催化剂的应用、絮凝酵 母生产酒精等 固态发酵生产前的拌料 发酵或提取操作 双液相发酵与萃取过程 反应器中的换热器
Qall Qexch Qmet （ Q7a-g6）Qevap 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
Qall Q基质燃烧 Q（产物7燃烧 -7）
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。
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。
FS (F+dF)(S+dS) -rsdV 0
由于dF＝0，F0＝F＝Ff，所以 F dS rsdV k （SdV7-1k 7S） Adl 以边界条件进行积分，得 lnS 0 / S k A（7L-18k） 式中：S为底物浓F度mol／m3；
F为以体积计的物料进料流率m3／s； A为反应器横截面积m2；
F
Qall
K （tm7-8）
式中 F为换热装置的传热面积m2；
时放Qa出ll为的由最上大述热方量法kJ获/h得；的反应热或反应中每小
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。
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。
7.2.2 理想的酶反应器
一、CPFR型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。 CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作
情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随 时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相 等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严 格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故 反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
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。
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：
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
如需
工业重要特性 主要应用领域
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
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
也可整理为
S0 out Km ln(1 X（ou7t)-2k22） E0
上式中， 为ou流t 出液中底物的转化率。
二、CSTR型酶反应器
稳定状态下，CSTR型反应器内各处的浓度和温度均不 随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率 相等。所以可对整个反应器（图7-2）作物料衡算，一级 反应条件下，对组分S（单位时间内）有:
择性Sp为：
Sp
P
asp S0（7S-14）
Sp 表 明 了 整 个 反 应 的 平 均 选 择 性 。 式 中 asp 是 指 从
1mol底物S中所得到产物P的摩尔数，是由反应的量论
关系而决定。由于在反应的各阶段或反应器内不同位置
的选择性并非一致，因此，瞬时（或局部）选择性为： 式中rp为主反应SP速' 率r；p rrps为r（s副7反-1应5）速率。
7.1.3 生物反应器中的传热
生物反应器中的能量பைடு நூலகம்衡可表示为：
Qmet Qag Qgas Qacc （ Q7e-xc5h） Qevap Qsen
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；
酶反应器的选择
游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2） 一般生物反应器的选择要求来进行。
对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用的 目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传递 速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进行 选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤维、 膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新的难 易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止杂 菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内外 扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶）的 表面／反应器体积的比值等。
L为反应器长度m；
τ为停留时间s；
k为一级反应速率常数。
所以，反应器的停留时间为
ln(S（07/ -S1)9） 对于其它各级反应可得k 到一般的关系式，
把
酶促
反应
的典
型动（力d7rs-学s20方）程——
米氏
方程
代
入
上式，得操作方程为
L FA
V F
rKmmax（ ln7 -SS20 1）Sr0maxS
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：
dVXi dt
iVXi
Ff X if
FXi
（(i 71-,21,.）....n. )
基质： 产物：
dVSj dt
n
j 1
jiVXi
Ff S jf
FSj（7-(2j ）1,2,.....n. )
对CPFR进行物料衡算
图7-1 活塞流式反应器物料恒算示意图
沿反应器轴向任意切出长度为dl的一个微元 管段作为反应器微元，该微元的体积记为 dV=A·dl，如图7-1所示，在该微元内的反应速 率不随时间而变。稳定状态下，以一级反应为例， 取底物S作为着眼组分进行物料衡算得（单位时间 内）：
流入量＝ 流出量 ＋ 反应量 ＋ 积累量
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)。
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，
S0
（t7-12）
式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。 连续式操作中，
（7-13） 式中Pout为Pr单位Po体ut 积 流 出Sin液中的产物量。
四、选择性Sp
选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合 反应中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际
上转变为目的产物的比率。由底物S生成目的产物P的选
V（F7-9）
τ又称空时（空间时间space time），其倒数1 ／τ称为空速（空间速度 space velocity）。
二、转化率
转 化 率 （ 也 称 转 化 分 数 conversion or
fractional conversion）是表明供给反应的 底物发生转变的分量。分批式操作中，底物的 初始浓度为S0，反应时间t时的底物浓度为St， 此时，底物S的转化率为：
也可写为
F rs
rmax S
S0 Km /(1 （)7-k282 ） E0
7.2.3 CSTR型与CPFR型反应器性能的比 较
图7-3 CSTR与CPFR型反应器性能的比 较
一、停留时间的比较
将（7-22）式和（7-28）式的结果标绘于图7-3， 图中横座标为着眼组分S的转化率，纵坐标为反应速率的 倒数。由图可知，在相同的工艺条件下进行同一反应， 达到相同转化率时，两者所需的停留时间不同，CSTR型 的比CPFR型反应器的要长，也就是前者所需的反应器体 积比后者大。图上向右倾斜的线所围面积相当于CSTR型 反应器达到预定转化率所需的时间，向左倾斜的线所为 面积为CPFR型反应器达到相同转化率所需的时间。最终 转化率越高，两者的差距越大。
dVPk
dt
n
kiVX i FPk
k 1
（7(-k3）1,2,...... n)
反应液体积：
dV dt
Ff
F
（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。
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
酶反应器设计和操作的参数
决定酶反应器设计和操作性能的 参数有停留时间τ、转化率、反应器 的产率Pr、酶的用量、反应器温度、 pH值和底物浓度等。当副反应不可 忽视时，选择性Sp也是很重要的参数。
一、停留时间τ
停留时间τ是指反应物料进入反应器时算起，至 离开反应器时为止所经历的时间。分批式搅拌罐 （Batch stirred tank reactor，BSTR）中，所 有物料的停留时间是相同的，且等于反应时间； CPFR 中 两 者 也 是 一 致 的 。 对 于 CSTR ， 常 使 用 “平均停留时间”来表达。如果反应器的容积为 V，物料流入反应器中的体积流量为F，平均停留 时间τ的定义式为：
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。
S0 S（t 7-10） 连续式操作中，流S0入反应器内的底物浓度为Sin， 流出液中底物的浓度为Sout，此时转化率:
Sin （S7o-u1t1）
S in
三、生产能力Pr
位时反间应、器单生位产反能应力器P体r（积p内rod生u产cti的vit产y）物的量定。义是单 分批式操作中，
Pr
Pt t
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
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
:
作 方 式 分 类
多相 系统 酶反 应器
固 定 床 （ fixed 填充床(packed
bed ） bed）
连续
流 化 床 （ fluidized 分批、连续 bed）
膜 式 （ film ） 反 应 连续
器;悬浊气泡塔
分批、连续
适用于固定化酶或 微生物的反应中
靠溶液的流动而 混合
膜状或片状的固定 化酶,适于气体为 底物