生物反应器

如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。
7.2生物反应器的设计与分析
机械搅拌式生化反应器 它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的 功率。这种反应器的适应性最强，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。

•反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor，
CSTR )


返混：具有不同停留时间的物料之间的混合称之 为返混。 活塞流：当反应器内完全不存在物料粒子之间的 返混时，这种流动称为活塞流，该反应器称为活 塞流反应器； 全混流：当反应器内不同粒子之间存在着最大返 混时，流体的流动称为，该反应器称为全混流反 应器。
生物反应器
间歇操作
半间歇半连续操作
连续操作
生物团块反应器 全混流型
•搅拌釜式反 应器 •循环反应器 •环流反应器
生物膜反应器 全混流型
•流化床反应器
活塞流型
•管式反应器
活塞流型
•固定床
•鼓泡塔
•多级串联式 反应器•循环 Nhomakorabea反应器•完全混合膜反 应器
•生物转盘
•渗滤器 •膜反应器
7.1.2.生化反应器的基本设计方法

流动模型：
理想反应器——活塞流和全混流反应器 非理想反应器； 其它 另外一些特殊用途的生化反应器也得到了较快 的开发和应用，例如用于动植物细胞培养的有悬 浮培养用的气升式、贴壁培养用的陶质矩形通道 蜂窝状反应器等。还有用于固态发酵的转鼓式反 应器以及反应和分离相耦合的反应装置等。

生物反应器的分类
搅拌桨


搅拌桨可以使被搅拌液体形成轴向或径 向的液流。 发酵罐中以径向液流为主。 生物反应器中常使的搅拌桨型式有：螺 旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式搅拌桨和 栅状搅拌桨等。另外，翼型桨也已开始 广泛应用于发酵生产，并取得较好效果。
搅拌桨



用涡轮式搅拌桨时为避免气泡在阻力较小的搅 拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央 常带有圆盘。 常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶 式三种。相同搅拌功率下，粉碎气泡能力由大 到小：平叶式、弯叶式、箭叶式。 叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个 的。
7.2生物反应器的设计与分析
设备的要求
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑， 耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌 彻底和减少金属离子对发酵的影响。 （2）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传 递、气体交换能有效地进行。 （3）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通 气时所消耗的动力. （4）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使 发酵在最适温度下进行； （5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置， 以提高装料系数； （6）附有必要的可靠检测及控制仪表。
B反应器设计的基本方程 ：
①描述浓度变化的物料衡算式——质量守恒定 ②描述温度变化的能量衡算式 ,或称为能量方程 —— 能量守恒定律 ③描述压力变化的动量衡算式——动量守恒定律 首先需要确定变量，其次是确定控制体积。 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。 重点研究的是微元体内大量的分子和大量细胞的 反应行为以及微元体间的物质、能量传递的宏观 规律，而不是研究个别分子和个别细胞的行为。
d1 d
d1 d
a
b
b
b
d1 d
h
h
r a-六平叶 b-六弯叶 图6-1 通用的涡轮式搅拌器 h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20 h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20 e : h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20 r弯=(1/2)dr箭=(1/4)d1 a=380 c-六箭叶
4.温度控制系统：
电极、热交换装置和及其控制


排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械搅 拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热平 衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射



Q发酵——发酵过程中释放的净热量 Q生物—生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和 发酵热 Q搅拌—机械搅拌转化热 Q蒸发—排出空气带走水分所需的潜热 Q显—排出空气带出的显热 Q辐射—因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大 气辐射的热量
美国某公司 130m3
日本某公司 50m3
中国某味精厂 100m3
3 1/3 1/10 0.338 [1] 1.0 90～130 1.5 4层 0.5 0.3～1.0
183 — [1] —
70～130
1.8 0.34 0.10 <1.0 145
2.94 0.286 [2] — 150 1.14
搅拌器层数
组分进入该 组分流出该 体积单元内 体积单元内 对产物： 体积单元的量 体积单元的量 组分生成的量 组分累积量
细胞进入该 细胞流出该 体积单元内 体积单元内 体积单元内 对细胞： 体积单元的量 体积单元的量 细胞生成的量 细胞死亡的量 细胞累积量
通 风 量 0.1 ～ 4 [m3/(m3· min)] 空 气 线 速 度 0.02 ～ 2 (m/min) 单位体积功耗1～4 (kw/m3)
4层 0.6
2层 0.5 1.76
3层 0.2
2
2.5～3
4～5.4
3
1.3
装料系数=70～80
77
300
75
1300
88
150
75
130
电机功率(kw) [1]

基本要求：
3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液 一定的溶解氧。 4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便
结构


主要部件包括罐体、搅拌桨、轴封、打泡器、 中间轴承、空气吹管（或空气喷射管），挡板、 冷却装置、人孔等。 公称容积Vo=VC+Vb
V0= /4D2（H+hb+D/6)
在定常态下，所有状态参数均不随时间变化，上述衡算式中累积项为零。
• 能量衡算式
对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。 在一定的时间和控制体积内，可以表示为：
输入该体积 该体积单元 反应生成 累积的 的热量 单元的热量 输出的热量 热量

操作方式
间歇操作（分批操作） 连续 半间歇操作


反应器的结构特征——釜式、管式、塔式、膜 式等 反应器所需的能量的输入方式： 机械搅拌式——机械搅拌输人能量 气升式——气体喷射动能 液体循环式——利用泵对液体的喷射作用
生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。 固相催化剂的运动状态来分类 填充床 流化床 生物转盘等多种型式反应器。 按反应体系的相态来分类 均相——可溶的酶催化反应 非均相
• 物料衡算式 对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体积内，对某组 分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下： 对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算 称为微分物料衡算。
组分进入该 组分流出该 体积单元内 体积单元内 对反应物： 体积单元的量 体积单元的量 组分转化的量 组分累积量
表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件
几何尺寸与操 作条件范围 H/D=1～4
Di/D=1/2～1/4 W/D=1/8～1/12 B/ Di =0.8～1.0
搅 拌 转 速 N=30 ～ 1000 (r/min) 单位醪液体积的冷却面 积0.6～1.5 (m2/m3)
典型数值
奥地利某公司 200m3
生化反应器的设计主要目的：最大限度地 降低成本，用最少的投资来最大限度地增 加单位体积产率。 A 生化反应器设计的最基本内容有：

①选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和 生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、 传递和流动方式等； ②确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、 pH、通气量、物料流量等； ③计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。 反应体积的确定是反应器设计的核心内容
a
通 用 式 发 酵 罐
大 型 b
小 型
7.2.1机械搅拌通用式发酵罐设计与分析
原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪 液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证 供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。 基本要求： 1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与 径高比一般为 1.7~4，罐身越长，氧气的利 用率越高。 2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过 程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因 此需要一定的强度。
接管


罐顶：进料管、补料管、排气管、接种管和压 力表管。 罐身：冷却水进出管、进空气管、温度计管和 测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封 位置。
2.机械搅拌系统


目的：有利于液体本身的混合及气液、气固之 间的混合，质量和热量的传递，特别是对氧的 溶解具有重要的意义（加强气液之间的湍动， 增加气液接触面积及延长气液接触时间） 组成：电机、变电箱、搅拌桨、轴封和挡板
将列管并列焊接在一起，组成挡板; [2]