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第九章 生物化工反应单元工艺
9.1 微生物基础
9.2 酶学与酶工程
9.3 培养基与淀粉制糖工艺
9.4 培养基的灭菌和空气除菌
9.5 生物反应器
9.6 生物物质分离纯化
9.7 生化生产工艺实例简介
9.5 生物反应器
生物反应器：为酶反应、微生物发酵或动、植物细胞培养提供良好的反应条件以完成生化反应的核心设备，常称为酶反应器（enzyme reactor）或发酵罐
（fermenter）。
与一般的化学反应器相似之处
需维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度；具有良好的传质、传热和混合性能
不同之处
在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。
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1 生物反应器的分类
根据反应器的结构特征
釜式、管式、塔式、膜式等类型的生物反应器。它们之间的主要差别反映在外形和内部结构上的不同。
根据反应器所需的能量的输入方式
（1）机械搅拌式：通过机械搅拌输入能量。
（2）外部液体循环式：利用泵对液体的喷射
作用而使液体循环。
（3）气升式：利用气体喷射动能使液体上升。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
1 生物反应器的分类
根据生物催化剂在反应器中的分布方式
（1）生物团块反应器
填充床、流化床、生物转盘等
（2）生物膜反应器
根据反应物系在反应器内的流动和混合状态分类
(1) 活塞流反应器
(2) 全混流反应器
生物化工反应单元操作
——生物反应器
2 微生物细胞反应器
由于氧在培养基中的溶解度很小，生物反应器必须不断进行通气和搅拌来增加氧的溶解，满足需氧微生物新陈代谢的需要。
好氧液体生物反应器有机械搅拌式、自吸式、鼓泡式、气升式等多种类型发酵罐。目前，工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌通气型生物反应器。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
机械搅拌通气式生物反应器结构简图
2.1 机械搅拌通气式生物反应器
H——圆柱筒体高度；
D——罐内径；
W——挡板宽度；
HL——液位高度；
d——搅拌器直径；
S——两搅拌器间距；
B——下搅拌器距底间距；
通用式机械搅拌反应器的几何尺寸比例
机械搅拌式反应器的几何尺寸及体积
生物化工反应单元操作
——生物反应器
通用型发酵罐的几何尺寸大致如下
生物化工反应单元操作
——生物反应器
通用式发酵罐主要部件有：罐体、控温装置、搅拌装置、通气装置、进出料口、测量系统、消泡装置以及附属系统。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
材料为碳钢或不锈钢，对于大型反应器可用不锈钢或复合不锈钢制成。
要求罐体设计的使用压力达到0.3 MPa以上。
罐 体
生物化工反应单元操作
——生物反应器
在发酵罐上装有测温的传感器及冷却和加热用的夹套或盘管。
容积在5 m3以下的发酵罐采用外夹套作为传热装置。
容积大于5 m3的发酵罐一般采用立式蛇管作为传热装置。
控温装置
生物化工反应单元操作
——生物反应器
作用:使罐内物料混合良好，使液体中的固形物料保持悬浮状态，从而使菌体与营养物质充分接触，并有利于打碎气泡，增加气液接触界面，提高气液间的传质速率，强化传氧及消泡。
搅拌器的设计与选型原则
使流体有足够的径向流动和适度的轴向流动。
搅拌装置
生物化工反应单元操作
——生物反应器
搅拌装置
常用的涡轮式搅拌器
(a) 六平叶 （b）六弯叶 （c）六箭叶
生物化工反应单元操作
——生物反应器
作用：防止由搅拌引起的中心大旋涡。
宽度：约为(1/8~1/12)D。
间隙：与罐壁的间隙为(1/5~1/8)D。
全挡板条件：是指在一定的转速下，在搅拌反应器中增加挡板或其他附件，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。
要达到全挡板必须满足下式要求：
式中 W—挡板直径，m；D—发酵罐的直径，m；mb—挡板块数。
挡板
生物化工反应单元操作
——生物反应器
从罐的底部通入无菌空气，罐顶部有空气出口，一般入口空气压力为0.1~0.2MPa（表压）。
单孔管式：安装在搅拌器下面，结构简单、管口正对罐底中央，与罐底距离40~50mm；
多孔环形管式：环的直径为搅拌器直径的3/4，安装在搅拌器之下，喷孔向下，孔径取2~5mm。
通气装置
生物化工反应单元操作
——生物反应器
传感器系统，以测pH、溶解氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。
测量系统
消泡装置
耙式消泡器、半封闭式涡轮消泡器、离心式消泡器和碟片式离心消泡器等。
通气发酵生产中通常将化学消泡剂和机械消泡装置两种方法联合使用。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
2.2 机械搅拌通气式发酵罐的搅拌功率
不通气体系的搅拌功率
牛顿流体中的搅拌功率与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度、黏度有关，通过量纲分析，得出如下关联式：
P—搅拌功率， W ；
N—搅拌转速 ，s-1；
Di—搅拌器直径， m；
—液体的密度， kg·m-3；
g—重力加速度；
NP —功率数；
Re —雷诺数；
Fr —弗劳德数。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
几种搅拌器的功率数NP与雷诺数Re的关系
生物化工反应单元操作
——生物反应器
层流区（Re < 10）：
湍流区（Re > 104）：
过渡区（10 < Re < 104）：液体处于过渡流状态，K与x均随Re变化，搅拌功率计算较为复杂，目前尚无较好的关联式。
若搅拌轴上装有多个搅拌器，搅拌功率可用下式计算：
Pm = P ( 0.4 + 0.6 m )
式中Pm—搅拌器的功率（m为桨层数）。
不通气体系的搅拌功率
生物化工反应单元操作
——生物反应器
在通气培养条件下，搅拌的功率会显著下降，这主要是因为空气进入液体后使液体的密度下降，通气量的大小与搅拌功率的消耗有明显的关系。
在定量研究时，常用通气数来描述通气的影响
通气条件下的搅拌功率
生物化工反应单元操作
——生物反应器
通气条件下的搅拌功率
通气搅拌功率与通气准数的关系
1 八平叶涡轮；2 八叶翼碟；3 六叶翼碟；
4 十六叶翼碟；5 四叶翼碟；6 平桨
生物化工反应单元操作
——生物反应器
通气条件下的搅拌功率
Michael和Miller在3.5~13.5 L的通气搅拌罐中，使用密度800~1650 kg·m-3、黏度9×10-3~0.1 Pa s、表面张力为0.027~0.072 N·m-1多种液体研究了通气搅拌功率的规律，得出了如下公式：
式中，Pg、P—通气和不通气时的搅拌功率；
K—与反应器形状有关的参数 。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
非牛顿流体中的搅拌功率
不服从牛顿黏性定律的流体称为非牛顿流体。常见的非牛顿流体有宾厄姆塑性（Bingham plastic）流体、拟塑性（Pseudoplastic）流体、胀塑性（Dilatant）流体和凯松（Casson）流体等。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
非牛顿流体中的搅拌功率
牛顿流体与一些非牛顿流体剪切应力与剪切率的关系
1―牛顿流体；2―宾厄姆塑性流体；3―拟塑性流体；
4―胀塑性流体；5―凯松流体
生物化工反应单元操作
——生物反应器
非牛顿流体中的搅拌功率
①宾厄姆塑性流体
为屈服应力，Pa； 为刚度系数，Pa·s
拟塑性流体
0＜n＜1
K为稠度系数，Pa·sn；n为流动特性指数。
②
胀塑性流体
n＞1
③
④
凯松流体
Kc为凯松黏度，(Pa·s)1/2。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
非牛顿流体中功率数与雷诺数之间的关系
当Re ＜10时，液体处于滞流状态，NP与Re成为斜率为-1的直线；当Re ＞500时，液体处于湍流状态，NP保持恒定；而10＜ Re ＜500时，液体为过渡流状态，此时NP与Re之间的关系比较复杂。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
发酵过程中的发酵热
发酵热是指发酵过程中发酵液产生的净热量。
发酵热的平衡式如下：
Q发酵热＝Q生物热＋Q搅拌热－Q空气热－Q辐射热
Q发酵热 — 发酵过程中产生的净热量，kJ/(m3 h)
Q生物热 — 微生物生长和代谢热，kJ/(m3 h)
Q搅拌热 — 搅拌器搅拌产生的热量，kJ/(m3 h)
Q空气热 — 发酵液水蒸气蒸发和空气升温带走的热量，kJ/(m3 h)
Q辐射热 — 发酵液与外界环境的温差引起的热量传递，kJ/(m3 h)
生物化工反应单元操作
——生物反应器
典型生物产品发酵的最大发酵热
发酵液 发酵热（Q发酵）
/[kJ/(m3 h)] 发酵液 发酵热（Q发酵）
/[kJ/(m3 h)]
青霉素 27 000~36 000 酶制剂 12 500~21 000
庆大霉素 10 500~16 000 谷氨酸 26 500~31 500
链霉素 16 000~21 000 赖氨酸 31 500~36 500
四环素 21 000~26 500 柠檬酸 10 500~12 500
红霉素 21 000~26 500 核苷酸（鸟苷） 21 000~26 000
金霉素 16 000~21 000 多糖、生物肥料芽孢杆菌 5 200~10 500
灰黄霉素 12 500~18 500 基因工程毕赤酵母表达植酸酶 75 000~105 000
泰洛菌素 21 000~26 000 基因工程毕赤酵母表达疟疾疫苗 100 000~140 000
机械搅拌自吸式生物反应器
机械搅拌自吸式发酵罐是一种不需空气压缩机，而
在搅拌器旋转时产生抽吸力自吸入空气的发酵罐。
工作原理
搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
机械搅拌自吸式生物反应器
优点：①不需要空气压缩设备；
②易于自动化和连续化操作；
③溶氧系数高，应用范围广。
缺点：①装料量低（约40％左右）；
②进罐空气处于负压，增加了染菌机会；
③搅拌转速快，有可能使菌丝被切断，使正常
的生长受到影响；
④吸程一般不高。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
机械搅拌自吸式发酵罐
生物化工反应单元操作
——生物反应器
高位塔式生物反应器
高位塔式发酵罐又称空气搅拌高位发酵罐，特点是罐身高，
不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带
动液体运动，产生混合效果，适用于培养液黏度低、含固
量少、需氧量较低的培养过程。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
高位塔式生物反应器
优点：①设备简单，省去了轴封，从根本上排除了
因轴封不严而造成的染菌
②减少了剪切作用对细胞的损害
③造价较低，动力消耗少，操作成本低，而且噪
声也小。
缺点：反应器很高，要在室外安装，而且压缩空气要
有较高压力以克服反应器内液体的静压力。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
高位塔式生物反应器
塔式反应器示意图
生物化工反应单元操作
——生物反应器
鼓泡式生物反应器
鼓泡式生物反应器又称空气搅拌高位反应器。其工作原理是压缩空气从发酵罐的底部进入，通风管或喷嘴使空气破碎成小气泡并与发酵液混合，之后气泡由于自身的浮力和喷射时产生的压力继续向发酵液上部扩散。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
鼓泡式生物反应器
鼓泡式生物反应器
生物化工反应单元操作
——生物反应器
气升式发酵罐
优点：设备简单，能耗低，溶氧系数高，避免了因机械密封不良造成的杂菌污染和机械搅拌剪切力引起的细胞损伤。
缺点：反应器很高，不适用于高黏度、含大量固体以及需氧高的微生物发酵过程。
鼓泡式生物反应器
生物化工反应单元操作
——生物反应器
气升式发酵罐
气升式发酵罐与鼓泡式反应器相似，不需要机械搅拌装置。气升式发酵罐在上升管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以250~300 m s-1的高速喷入环流管。由于喷射作用，气泡被分散于液体中，借助与环流管内气-液混合物的密度与发酵罐主体中液体密度之间的差，使管内气—液混合物连续循环流动，分内循环和外循环两种。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
气升式发酵罐
气升式发酵罐
生物化工反应单元操作
——生物反应器
气升式发酵罐
优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了因机械密封不良造成的杂菌污染。
缺点：不适用于高黏度或含大量固体的培养液。
生物化工反应单元操作
——生物反应器
基因工程菌生物反应器
基因工程菌的生物反应器同一般的生物反应器的区别：
① 基因工程菌反应器的排气须经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放到大气中去。
② 可采用双端面密封，而且作为润滑剂的无菌水压 力应高于反应器内压力。
生物化工反应单元操作
——生物反应器

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