第五章--生物反应器

第五章生物反应器•在生物反应过程中，生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥梁。•生化工程中几乎所有的内容都是围绕生物反应进行的。•生物反应器的设计和操作，是生物工程中的一个极其重要的问题，它对产品的质量和成本有很大的影响。•据统计，生化工业有几百个产品（每年的产值上千亿美元），产品主要涉及到医药工业，化学工业，农产品加工工业。生物反应器要适应这众多的生产过程，在形状，大小和操作方式上多种多样。但生物反应器设计的目标是一个，既保证产品质量的前提下，使产品成本最小。•原料成本、操作成本、投资成本•酒精生产62%、26%、12%；•青霉素生产35%、38%、22%；•产品的成本包括：不变成本（工资、折旧、修理、管理等）；可变成本（水、电、气、消耗的原料等）；•原料成本在总的成本中占的比例较大，和反应器有关的是操作成本和投资成本。在操作成本中，动力消耗占主要方面。•因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节能是一个重要问题。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。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。一、生物反应器概述生物反应器的操作特性反应器类型pH控制温度控制工业重要特性主要应用领域批式(通用罐)连续搅拌罐式气升式反应器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如需如需如需如需如需难控如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需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生物反应器设计和操作的限制因素•反应器生产能力（g/L·h）主要取决于两方面的因素：•1．生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力；•2．反应器的传质和传热能力；•当生物催化剂浓度较低但比活力也较低时，生物催化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；•但是生物催化剂的浓度较高且比活力较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。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。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生物反应器发展的趋势和未来方向•1、开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。•主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性回收，更长的使用寿命。•2、改进生物反应器热量、质量传递的方法•随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和设施。•3、生物反应器正向大型化和自动化方向发展•西德SCP生产反应器最大体积达2300m3（高60m，直径7m），England废水处理反应器最大体积达到27000m3。国内Bioreactor最大体积在200~300m3之间。反应器体积的放大降低了操作成本，但大型反应器的设计还存在一定的技术问题。•4、一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发。•例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展。•由于生化反应就是各种类型的酶反应，故生化反应器实质上也就是酶反应器。•广义说来，生化反应器是酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器的统称（当然包括采用固定化生物催化剂的反应器）。微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。二.生化反应器的特点①生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。三.生化反应器的种类及选择与操作按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。（一）机械搅拌式生化反应器从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般2~4kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。流体单位面积上所承受的剪切应力τ,与单元的剪切速率dy/du成正比,称为牛顿粘性定律,服从这一定律的流体称为牛顿型流体。空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体。•通用式发酵罐的结构包括有筒体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、电动机与变速装置、空气分布装置等，并在适当部位设置排气、取样、放料、接种、酸等管接口以及人孔、视镜等部件。通用发酵罐内设置机械搅拌的目的首先是打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液相间的传质速率；其次是为了使发酵液充分混合，也使液体中的固形物料能保持悬浮状态。•通气搅拌罐主要组成：壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。•反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴，通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。•搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液浓度均匀。231－轴封；2、20－人孔；3－梯；4－联轴；5－中间轴承；6－温度计接口；7－搅拌叶轮；8－进风管；9－放料口；10－底轴承；11－热电偶接口；12－冷却管；13－搅拌轴；14－取样管；15－轴承座；16－传动皮带；17－电机；18－压力表；19－取样口；21－进料口；22－补料口；23－排气口；24－回流口；25－视镜；反应器的装料系数一般为70～80％。系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。典型通气搅拌罐的一些基本特征可以参考图机械搅拌发酵罐(TRC)•工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。之机械搅拌发酵罐•发酵罐的基本条件：之机械搅拌发酵罐图2.3自动玻璃发酵罐图2.4玻璃搅拌发酵罐图2.5不锈钢搅拌发酵罐•通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：pH值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤。•通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(绝对压力)。之机械搅拌发酵罐•罐体•作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。•搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有2～4层搅拌桨以改善混合和传质。之机械搅拌发酵罐•搅拌器和挡板•搅拌器：有平叶式、弯叶式、箭叶式、涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。图2.6发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；2-推进式3-LightninA-315式图2.7不同搅拌器的流型•搅拌器可以使被搅拌的流体产生圆周运动，称为原生流。原生流在受到挡板的作用后又产生了轴向运动，这称为次生流。显然，原生流的圆周运动无助于流体的混合，流体混合的好坏主要取决于次生流。原生流速与搅拌转速成正比，而次生流速则近似与搅拌转数的平方成正比，因此当转速提高时，主要是由于次生流速的加快而使流体的混合、传热以及传质速率提高•常用的搅拌桨有涡轮式、螺旋式和平桨式。•目前采用较多的是涡轮式。为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央安装有圆盘。常用的圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。叶片数量一般为六个。常用圆盘涡轮式斜叶式平直叶式弯叶式半圆弧圆盘涡轮式箭叶圆盘涡轮式•根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。•一般而言，轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。•因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今。挡板•为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。在一定的转速下面