生物反应器-生物反应工程课件-07-共8讲

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。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：（7-1）基质：（7-2）产物：（7-3）反应液体积：（7-4）),......2,1(niFXXFVXdtdVXiiffiii),......2,1(1njFSSFVXdtdVSjjffinjjij),......2,1(1nkFPVXdtdVPkinkkikFFdtdVf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，FF=0；采用连续式操作时,F=F0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。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7.1.3生物反应器中的传热生物反应器中的能量平衡可表示为：（7-5）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；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。senevapexchaccgasagmetQQQQQQQ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：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，（7-6）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（7-7）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。evapagmetexchallQQQQQ产物燃烧基质燃烧QQQall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。（7-8）式中F为换热装置的传热面积m2；Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量kJ/h；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。malltKQF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酶反应器7.2.1酶反应器及其操作参数形式名称操作方式说明单相系统酶反应器搅拌罐（stirredtank）分批、流加靠机械搅拌混合超滤膜反应器（ultrafiltration）分批、流加或连续适用于高分子底物多相系统酶反应器搅拌罐分批、流加或连续靠机械搅拌混合固定床（fixedbed）填充床(packedbed）连续适用于固定化酶或微生物的反应中流化床（fluidizedbed）分批、连续靠溶液的流动而混合膜式（film）反应器;悬浊气泡塔连续分批、连续膜状或片状的固定化酶,适于气体为底物根据其形式和操作方式分类: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（Batchstirredtankreactor，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：（7-9）τ又称空时（空间时间spacetime），其倒数1／τ称为空速（空间速度spacevelocity）。FV二、转化率转化率（也称转化分数conversionorfractionalconversion）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：（7-10）连续式操作中，流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:（7-11）00SSStinoutinSSS三、生产能力Pr反应器生产能力Pr（productivity）的定义是单位时间、单位反应器体积内生产的产物量。分批式操作中，（7-12）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为单位体积流出液中的产物量。tStPPtr0inoutrSPP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的选择性Sp为：（7-14）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：（7-15）式中rp为主反应速率；rs为副反应速率。SSaPSspp0sppPrrrS'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。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。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FS(F+dF)(S+dS)-rsdV0由于dF＝0，F0＝F＝Ff，所以（7-17）以边界条件进行积分，得（7-18）式中：S为底物浓度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；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。AdlSkSdVkdVrdSFskFLAkSS/ln0所以，反应器的停留时间为（7-19）对于其它各级反应可得到一般的关系式，（7-20）把酶促反应的典型动力学方程——米氏方程代入上式，得操作方程为（7-21）也可整理为（7-22）上式中，为流出液中底物的转化率。kSS)/ln(0srdsmax00maxlnrSSSSrKFVAFLm020)1ln(EkXKSoutmoutout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:流入量＝流出量＋反应量＋积累量（7-23）（7-24）（7-25）上式变为一般化的关系式为：（7-26）将米氏方程代入上式，得操作方程，即（7-27）也可写为（7-28）0)(0VrfSfSstVrSSfst)()(0SkSSt)(0strSS)(0SrSKSSrSSFVmsmax00))((020)1/(EkKSm7.2.3CSTR型与CPFR型反应器性能的比较图7-3CSTR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。另外，以对两反应器的体积比作图可知，随反应级数的增加，反应器的体积比急剧增加。二、酶需求量的比较当KmS0时，反应速率可用一级动力学来描述，于是，（7-28）式和（7-22）式可简化成如下式子。（7-29）（7-30