生物工程设备第三章 生物反应器总论

3.1
生物反应器概述
表3-1 生物反应器的分类
柱塞流反应器 全混流反应器
按照反应器内流型
理想反应器 非理想反应器 间歇反应器
按照操作方式
连续式反应器 半连续式反应器 罐式反应器
按照结构特征
管式反应器 塔式反应器 膜反应器
3.1
生物反应器概述
表3-1(续) 生物反应器的分类
均相反应器
按照反应器内相态
生物体在生长过程中产生的二氧化碳以及其他气体从空气出 口经过滤后排出。搅拌和罐体之间有机械密封，使整个生物 反应器处在密封无菌环境下。 返回
3.2
生物反应动力学基础
3.2.1
分批培养中细胞的生长
1．分批培养中细胞的生长过程 生物的分批培养是将大部分或全部生物所需营养物 料一次性投入生物反应器，调节反应器内温度、pH值、 氧化还原电位处于最有利于生物生长的状态，然后，接
器内取出细胞，则细胞在指数增长期的生长速度随时间的
变化符合上述公式3-1或公式3-2所表达的数量关系。
3.2
生物反应动力学基础
3．莫诺德方程（Monod equation）
在分批生物培养中，当其他营养物质的浓度足以支持微
生物以最大的生长速度生长，只有一种营养物质的浓度不足 从而限制生物的生长，则生物生长速率和这种营养物质浓度 的关系可以用莫诺德方程表示：
3.1
生物反应器概述
图3-3 一般生物反应器的结构
3.1
生物反应器概述
它的主要组成部分包括罐体，搅拌装置，换热器，除沫
装置，气体和物料进出口以及检测和调节装置。生物体生长
所需要的温度、酸度分别由罐内温度计和酸度计检测，并由 夹套换热器和滴入酸碱进行调节和维持。搅拌器的上部有消
沫装置，加上滴入的化学消沫剂，控制着罐内泡沫的产生。
3.2
生物反应动力学基础
2．比生长速率 μ （specific growth rate） 微生物细胞的生长是一个自催化（autocatalytic）过程， 也就是说，细胞量增长的速度与细胞浓度成正比。在细胞的 指数增长期内，细胞增长的变化符合这一规律。即每隔一个 固定的时间间隔，细胞的量就要翻一番。设这一固定时间间 隔为td, 如果细胞的初始浓度为X0（克干物质/升），经过时 间t 后，细胞浓度为X（克干物质/升），则有下列关系式：
3.1
生物反应器概述
图3-1 生物工业一般过程
3.1
生物反应器概述
3.1.2 生物反应器的类型
生物反应器有很多种，按照不同的分类角度可以分为 各种类型，如表3-1所示。 柱塞流反应器（plug flow）指流体在反应器内从进口 流到出口，中间没有返混，一些固定化细胞培养反应器、 膜反应器及管式反应器等属于这种情况。 全混流反应器（backmix）指流体在反应器内经过了充 分混合，搅拌罐式反应器是一种典型的全混流反应器。
3.1
生物反应器概述
2．生物反应器在生产中的地位和作用 如图3-1所示，在一般的生物工业中，生物有机体在生 物反应器中生长、繁殖， 其所需的营养成分, 如葡萄糖(碳 源)、蛋白质（氮源）、空气（氧）及其它必要的添加剂 （前体）等，经适当处理和严格消毒后根据需要加入生物反 应器中。生物有机体的生长环境，如温度，氧含量，PH值， 经热交换、氧气含量控制、酸碱滴入等手段维持，以使生物 体始终处在良好的生长状态。生物有机体在生物反应器中合 成产品和其他代谢产物，经过一系列的分离过程后，得到最 终产品。
3.1
生物反应器概述
对于需氧生物培养来说，空气和培养液如何混合接触是
一个非常重要的因素。目前常用的混合方式有四种，如图32 所示。机械搅拌混合是靠搅拌器的作用将通入培养液内的
空气分成大量小气泡，使其与液体充分混合接触。泵循环反
应器依靠一个外置液体循环泵，将液体从反应器出口打回到 入口，实现液体的循环并与空气进行充分接触。直接通气混
合是将空气通过罐底气体分布器直接通入，实现气液混合接
触。
3.1
生物反应器概述
1—搅拌混合； 2—泵循环混合；
3—直接通气混合；
4—连续气相接触
图3-2 生物反应器中4种不同的 气液接触方式，图中的箭头表示 气体流向
3.1
生物反应器概述
Байду номын сангаас
3.1.3 生物反应器的发展趋势
生物反应器的研究、开发和设计是生物技术的一个重要 内容，一种好的生物反应器出现往往能够大规模降低生产成 本，成为生物制品成功商业化的关键。因此，生物反应器的 开发一直很活跃，尤其是最近的细胞生物反应器开发更是如 此。生物反应器的发展趋势可归纳为以下几个方面。
入生物体使其生长，直至一些关键的营养物质耗尽或者
由于毒素积累或pH值发生变化等因素导致生长环境恶化。
3.2
生物反应动力学基础
如果以每升培养液中生物细胞干物质的克数X（克/升） 代表生物体的生长情况，在分批培养情况下X随时间变化的 曲线大致如图3-4所示。根据这个曲线，细胞生长大体上可 分为六个阶段。图3-4 分批培养中细胞生长的几个阶段 ① 迟滞期（The lag phase）。 当生物种子被接入新 鲜培养液时，细胞需要一定的时间适应新环境，因而出现 一段相对静止的阶段（图中1），在这一阶段，细胞的总量 和浓度保持不变。这一阶段的长短取决于细胞的个体遗传 特性、种龄、接种量和环境等，一般为几个小时。
生物工程设备
第三章
生物反应器总论
生物反应器总论
3.1
生物反应器概述
3.2
3.3 3.4
生物反应动力学基础
生物反应器的通风和溶氧传质 一般生物反应器的操作和注意事项
3.1
生物反应器概述
3.1.1 生物反应器在生产中的地位和作用
1．生物技术和生物反应器 生物技术是对生物物质有控制的应用。因此，生物技术 不仅仅包括基因工程或者细胞融合技术，实际上，它的应用 范围非常广泛，涵盖化工领域，如乙醇、微生物和有机酸类、 聚合物的生产，制药领域，如抗生素、疫苗的生产，能源领 域，如燃料乙醇，食品领域，如奶制品、蛋白质的生产，以 及农业，如动物饲料、废物处理、微生物杀虫剂、植物移植 配方的生产和应用。
模型应用于反应器的设计和自动控制中，从而优化反应器 的结构和操作。
3.1
生物反应器概述
3.1.4
一般生物反应器的结构原理
这里的一般生物反应器指机械搅拌罐式反应器
（Stirred-tank bioreactor），这种反应器作为一般反应器 是因为：首先，这是一类工业上最重要，应用最广泛的生物 反应器，它具有双重优势，较低的制造成本和操作成本。 其 次，这类反应器是较为普遍接受的标准生物反应器，除了因 为它比较经济和容易放大外，大部分生物有机体都可以使用 这种反应器进行培养，它们的生长环境在这种反应器内也比 较容易得到满足和调节。图3-3是这种反应器的结构。
3.1
生物反应器概述
2．动植物细胞培养反应器得到较大发展。由于动植物 细胞培养可以得到很多高附加值生物制品，如干扰物，单 克隆抗体等，细胞培养反应器的开发越来越受到重视。 3．大量使用现代计算机技术进行生物反应器的设计和 开发。首先，对反应器内的生物反应过程建立数学模型，
获得能够反应生物过程规律的较精确的表达式，然后将该
3.2
生物反应动力学基础
公式3-3中, μ —比生长速率(1/h)， μ m—最大比生长 速率(1/h) S—营养物质浓度(g/L) Ks—营养物质饱和常熟 或者莫诺德常数（g/L）。 最大比生长速率μ m实际上是当营养物质十分充足不再限 制生物生长时的比生长速度，即当S>>Ks时的情况。 当 S>>Ks时， Ks可以忽略不计，莫诺德公式变为：
X X0 2
t / td
3.2
生物反应动力学基础
式X X 0 2t / td 两边取对数得 In(X/X 0 ) ( In 2)t / t d 或者 InX-InX 0 两边取导数得 令 则有 0.693 t td 0.693 t td (3-1)
1 dX 0.693 X dt td
非均相反应器
微生物反应器 植物细胞反应器 动物细胞反应器
按照生物反应器 内有机体种类
酶反应器
机械搅拌混合反应器 按照反应器内 气液混合方式 泵循环混合反应器 直接通气混合反应器
连续气相反应器
按照是否通氧 通风发酵设备 嫌气发酵设备
3.1
生物反应器概述
罐式反应器高径比在1：3之间，管式反应器高径比一般 大于30， 塔式反应器高径比通常大于10。膜式反应器使用 各种膜作为反应器内部关键组件，有时膜起分离作用，有时 膜起固定化细胞和酶的作用。 均相反应器指反应器内只有一相，如均相酶反应器，酶 作为催化剂溶解在反应液中，形成单一的液相。非均相反应 器内反应物质有两相以上，比如，一般的生物反应器内有固 相（生物体）、液相（培养液）、气相（空气），固定床和 流化床也属于典型的非均相反应器。
3.2
生物反应动力学基础
3.2
生物反应动力学基础
图3-4 分批培养中细胞生长的几个阶段
3.2
生物反应动力学基础
② 加速生长期（acceleration phase）。如图中2， 在 这一时期内，一部分细胞已经适应新的环境，开始生长和繁殖。 由于细胞个体的差异，这种适应有快有慢，表现为细胞量的逐 步增加。 ③ 指数生长期（logarithmic or experimental phase）。 又称对数生长期。在这一生长期内细胞的各成分以恒定的速度 合成，表现在细胞含量的对数值与时间成直线关系，如图中3。 在这一时期内，细胞的生命力最强。 ④ 减速生长期（deceleration phase）。由于细胞的生 长，营养物质越来越少，培养液中积累的有毒代谢物也越来越 多，细胞的继续生长受到限制，细胞浓度的增加逐渐减慢进入 减速生长期，如图中4。
1 dX X dt 0.693 td
(3-2)
3.2
生物反应动力学基础
在上述公式中，μ 即比生长速率，单位为h-1 ，实际上
是细胞浓度的增加速度除以细胞浓度，或者每单位细胞浓 度，细胞浓度的增加速度。td为细胞的倍增时间，即细胞重
量增加一倍所需要的时间，近似等于细胞完成一个分裂周
期所需要的平均时间。 如果忽略细胞死亡速率，且在反应过程中没有从反应
3.2
生物反应动力学基础
⑤ 平衡生长期（stationary phase）。在减速生长期 内，细胞的生长速度逐渐减慢，死亡的速度逐渐增加，当 二者达到相等时便进入平衡生长期。 ⑥ 负生长期（decline or death phase）。 由于营 养物质的进一步下降和有毒代谢产物的进一步积累，细胞 的死亡速度开始超过生长速度，细胞的浓度呈增速下降趋 势。在抗生素工业中，这一时期抗生素产物继续大量合成， 但合成速度开始降低，直至细胞大量死亡和自溶，细胞浓 度呈指数下降，抗生素的合成速度迅速降低直至停止。
当Ks=S时， 莫诺德公式变为：
3.2
生物反应动力学基础
因此，莫诺德常数数值上等于比生长速率达到最大比生
长速率一半时的营养物质浓度，它的大小表示了生物对营养
物质的偏爱程度（affinity for the substrate）, 数值越 大，生物对这种营养物质越不偏爱，反之亦然。最大比生长
速率μ m和莫诺德常数是两个重要的动力学常数，表征了某种
3.1
生物反应器概述
1．微生物反应器朝着大型化发展。由于微生物可以悬浮
培养，对搅拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有条件在
大型甚至超大型反应器内生长。目前，生产抗生素的发酵罐 容积已达到400立方米，氨基酸的达到300立方米，单细胞蛋 白（SCP）的达到2600立方米，用微生物处理废水的生物反应 器甚至高达27000立方米。显然，反应器的增大有利于降低生 产成本。我国生物反应器的容积在200立方米以下。
生物的生长受某种营养物质影响的规律。莫诺德方程所表达 的比生长速率和营养物质浓度关系如图3-5所示。
3.2
生物反应动力学基础
图3-5 比生长速率和营养物质浓度关系
3.2
生物反应动力学基础
在分批培养中，在指数生长期，S>>Ks , 因此μ =μ m， 在减速生长期，μ 不再是常数，它随营养物质浓度的变化而 改变。减速生长期一般非常短，有时甚至不存在。Ks的值越 低，减速期越短。表3-2列出了几种生物对某些营养物质的饱 和常数。 莫诺德方程是一个经验公式，表示了当某一种营养物质 限制某种生物生长时，生物的生长与该营养物浓度的关系， 当多种物质限制性因素出现，或更复杂情况时，莫诺德方程 不一定适用。