生物反应器

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。
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， ds （7-20） rs 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 L V K m S0 S0 S ln （7-21） F A F rmax S rmax 也可整理为 S0 out Km ln(1 Xout ) k 2 E0 （7-22） 上式中， out 为流出液中底物的转化率。
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、通风与搅拌装臵的设计计算。 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。 7、检验与控制装臵。 8、安全性。 9、经济性。
S 0 K m /(1 ) k 2 E0
（7-28）
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。 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。
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臵的设计，首先是传 热面积的计算。 换热装臵的传热面积可由下式确定。
Q all F K t m
（7-8）
式中 F为换热装臵的传热面积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为换热装臵的传热系数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。
二、转化率
（ 也 称 转 化 分 数 conversion or 转化率 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： S S （7-10） 0 S0 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: Sin S out （7-11）
t
Sin
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，
Pr P S0 t t t
（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）
Pr P out
式中Pout为单位体积流出液中的产物量。
7.2 酶反应器

7.2.1酶反应器及其操作参数
形式名称
单相 系统 酶反 应器 搅 拌 罐 （ stirred tank）
超 滤 膜 反 应 器 （ultrafiltration）
根 据 其 形 式 和 操 作 方 式 分 类
操作方式
分批、流加 分批、流加 或连续
说明
靠机械搅拌混合 适用于高分子底 物 靠机械搅拌混合
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 必需 必需 必需 温度 控制 必需 必需 必需
工业重要特性
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
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) -rsdV 0
由于dF＝0，F0＝F＝Ff，所以 F dS rs dV k SdV k S Adl （7-17） 以边界条件进行积分，得 A L lnS 0 / S k k （7-18） F 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。
＋ 积累量
0
（7-23） （7-24） （7-25） （7-26） （7-27）
(S 0 S t ) kS 上式变为一般化的关系式为： ( S S ) 0 t rs
f (S 0 S t ) (rs ) V
将米氏方程代入上式，得操作方程，即

也可写为
S S ( S S )( K m S ) V 0 0 F rs rmax S
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，反应速率随空间位臵而变化；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 反应速率随空间位臵的变化只限于轴向。
适用于固定化酶或 微生物的反应中
搅拌罐
分批、流加 或连续 连续
分批、连续 连续 分批、连续
多相 系统 酶反 应器
固定床（ fixed bed） 填充床(packed bed） 流 化 床 （ fluidized bed）
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
:
膜 式 （ film ）反 应 器;悬浊气泡塔
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
液相好氧发酵，如味精、抗生素等 发酵 液—固 固 相 颗 粒 在 液 相 固定化生物催化剂的应用、絮凝酵 中悬浮 母生产酒精等 固—固 固相间混合 固态发酵生产前的拌料 液—液 互溶液体 发酵或提取操作 液—液 不互溶液体 双液相发酵与萃取过程 液体流动 传热 反应器中的换热器
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： V F （7-9） 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）。


Sin
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： P Sp （7-14） a sp S 0 S 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臵的 选择性并非一致，因此，瞬时（或局部）选择性为： rp ' SP （7-15） rp rs 式中rp为主反应速率；rs为副反应速率。
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， Qall Qexch Qmet Qag Qevap （7-6） 即反应过程中产生的总热量均为冷却装臵带走。 4、通过燃烧热进行计算 （7-7） Qall Q基质燃烧 Q产物燃烧
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/ （ m 2· 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。