生物反应器的设计

1生物反应器的设计资源与环境工程学院2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置。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。34.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：微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器45间歇操作特征：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。67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。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。8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。（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）9(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。10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11(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。12(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。13二.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）14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。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。151.物料衡算式衡算的组分：可选底物，产物，或细胞做衡算；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]16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]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]172.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]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。183.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。19(二)生物反应器内流体的流动与混合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。202.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，介于无返混和全返混之间。21(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。PlugFlowReactor,简写为PFR)特征：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。222.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Fcs－F(cs+dcs)=vdV+0即：-Fdcs=vdV对整个反应器而言：(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.vdcFVS2324(四)全混流罐式反应器的计算1.全混流模型的特征：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。(ContinuousStirredTankReactor,简写为CSTR)252.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：（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vccFVSS026三.微生物细胞反应器微生物细胞反应器：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。27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。28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，气流搅拌式29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置。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。30●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31●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置多个搅拌器。●叶片数目：4叶，6叶，8叶，以6叶居多。◎在H/D不大时，搅拌器通常使用单浆；◎若H/D较大，需采用多浆装置。◎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）。●位置：上伸轴，下伸轴3233342.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。●位置：在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。35363.换热装置●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。37●类型：夹套换热器：一般小型发酵罐多采用（容积为5m3以下）；蛇管换热器：大中型发酵罐多采用（容积为5m3以上）。384.消沫装置●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；◎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。39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。40(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。41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；◎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。4243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。44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。45(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：无须机械搅拌装置，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。4647优点：发酵罐结构简单，造价较低，动力消耗少，操作成本低且噪声小，避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染。缺点：塔体高度大，需要在室外安装；需要压力较高的压缩空气以克服罐内液体静压力。较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低的发酵过程。48(四)环流式发酵罐1.气升环流式发酵罐结构特点：不设机械搅拌装置，但在罐外设体外循环管，或在罐内设导流筒或垂直隔板。原理：通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升，不通气的一侧则因液体密度较大而下降，因而在反应器内形成液体的环流，大大强化了氧的传递。优点：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，避免了机械搅拌反应器中轴封不严所带来的杂菌污染问题。不适用于：高黏度或含大量固体的培养液。49502.喷射环流式发酵罐原理：用机械泵喷嘴