生化工程第五章生化反应器

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1、生生 化化 工工 程程 第五章第五章 生化反应器生化反应器 第五章第五章 生化反应器生化反应器 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 生化反应器的特点与设计生化反应器的特点与设计原则原则 第三节第三节 生化反应器的生化反应器的种类种类 第四节第四节 生化反应器的生化反应器的发展发展 第一节第一节 概述概述 一一 生化反应器的 生化反应器的定义定义 二 生化反应器的基本二 生化反应器的基本要求要求 一一 生化反应器的定义 生化反应器的定义 生化反应器又可称生物反应器 是为适应生化反应特生化反应器又可称生物反应器 是为适应生化反应特 点而设计的反应设备 点而设计的反应设备 生化反应器在生化反应过程

2、中处于极为重要的中心地生化反应器在生化反应过程中处于极为重要的中心地 位 它是影响整个生产过程经济效益的重要方面 位 它是影响整个生产过程经济效益的重要方面 生化反应器包括微生物反应器 发酵罐 酶反应器生化反应器包括微生物反应器 发酵罐 酶反应器 动植物细胞培养用反应器等 动植物细胞培养用反应器等 二 生化反应器的基本要求 按照生化反应过程的规律和生产工艺的要求按照生化反应过程的规律和生产工艺的要求 保证和控制各种生化反应条件 保证和控制各种生化反应条件 如 如 发酵罐 要有能控制温度 压力 通氧发酵罐 要有能控制温度 压力 通氧 量 密封防漏 防止杂菌污染的设施 并根据发量 密封防漏 防止杂

3、菌污染的设施 并根据发 酵特点和要求 选择合适的发酵罐结构和型式 酵特点和要求 选择合适的发酵罐结构和型式 见下表 见下表 菌种菌种发酵产品发酵产品发酵罐发酵罐 反应器 反应器 要求要求 发酵罐型式发酵罐型式 嫌气菌嫌气菌乙醇 啤乙醇 啤 酒 丙酮酒 丙酮 丁醇 丁醇 不需供氧不需供氧设备结构一般较为简单设备结构一般较为简单 好气菌好气菌 酶制剂酶制剂 抗生素 抗生素 和单细胞和单细胞 蛋白蛋白 SCP SCP 等等 大部分发大部分发 酵产品酵产品 不断通入无菌不断通入无菌 空气空气 机械搅拌通风式发酵罐 机械搅拌通风式发酵罐 自吸式发酵罐 自吸式发酵罐 通风搅拌式发酵罐通风搅拌式发酵罐 第二

4、节第二节 生化反应器的特点与设计原则生化反应器的特点与设计原则 一 生化反应器的一 生化反应器的特点特点 二 生化反应器的设计二 生化反应器的设计原则原则 一 生化反应器的特点 生化反应器的特点 是与生化反应的特点相伴随的 生化反应器的特点 是与生化反应的特点相伴随的 1 1 生化反应器提供的反应条件都是在低温 近中性生化反应器提供的反应条件都是在低温 近中性pHpH等接等接 近细胞生理的条件 近细胞生理的条件 2 2 生化反应的酶系都是复杂的 要求生化反应器能很好的生化反应的酶系都是复杂的 要求生化反应器能很好的 控制反应进程并使其最优化 尤其是传质和传热 控制反应进程并使其最优化 尤其是传

5、质和传热 3 3 生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调 考虑生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调 考虑 辅酶的添加以及能量的供应 同时还要注意底物及产辅酶的添加以及能量的供应 同时还要注意底物及产 物浓度的控制 物浓度的控制 4 4 利用生化反应器可以定向的生产一些用一般化学方利用生化反应器可以定向的生产一些用一般化学方 法难以甚至不能获得的产品 法难以甚至不能获得的产品 5 5 由于回收设备提高了生化产品的成本 生化反应器由于回收设备提高了生化产品的成本 生化反应器 需要更关注产品的分离纯化 需要更关注产品的分离纯化 二 生化反应器的设计原则 1 获得高的体积产率 2 获得高的产物得

6、率 3 获得高的产物浓度 4 其他 1 1 获得高的体积产率 获得高的体积产率 体积产率体积产率QpQp 即每小时每升反应体积 即每小时每升反应体积 能生产的产品质量 能生产的产品质量 g L hg L h 最大生产能力最大生产能力 最大浓度最大浓度 催化剂浓度催化剂浓度 反 应 器 生 产 能 力 Qp 催化剂催化剂 比活力比活力 2 2 获得高的产物得率 获得高的产物得率 Rp xRp x 1 1 转化率的提高 转化率的提高 转化率是指由原料到产品的得率 即每克底物能得到转化率是指由原料到产品的得率 即每克底物能得到 的产品克数 的产品克数 Yp sYp s 2 2 控制副产品的产生 控制

7、副产品的产生 产物得率可用下式计算 产物得率可用下式计算 Rp xRp x Yp sYp s Sa t dtSa t dt te 0 Sa tSa t 比活力 单位时间每克细胞或酶 比活力 单位时间每克细胞或酶 能作用的底物质量 能作用的底物质量 g g tete 催化剂的有效时间 一般以 催化剂的有效时间 一般以 半衰期表示半衰期表示 生化反应器设计要求达到最大的生化反应器设计要求达到最大的Rp xRp x 从上式中可以知道 提高酶的比活力从上式中可以知道 提高酶的比活力Sa tSa t 和稳定性 即延长半衰期和稳定性 即延长半衰期tete 可以增加 可以增加Rp xRp x 在微生物发酵中

8、 提高 在微生物发酵中 提高Yp sYp s 也可以增加 也可以增加 Rp xRp x 3 获得高的产物浓度 获得高的产物浓度有利于产品的分离纯化 降低获得高的产物浓度有利于产品的分离纯化 降低 反应成本 故生化反应器的设计应重视 反应成本 故生化反应器的设计应重视 在连续工艺中 产物浓度与操作条件的关系如下在连续工艺中 产物浓度与操作条件的关系如下 P P SaVXSaVX F F SaXSaX D D P 产物浓度 V 反应器体积 X 催化剂浓度 F 通过反应器的流速 D 稀释率 D F V 从上式知 降低流速 增加催化从上式知 降低流速 增加催化 剂浓度和比活力 可以提高产物浓度剂浓度和

9、比活力 可以提高产物浓度 4 其他 提高产品质量 使工艺的重现性高 副产品少 提高产品质量 使工艺的重现性高 副产品少 重视能耗 混合 温度控制及蒸汽消毒等问题 重视能耗 混合 温度控制及蒸汽消毒等问题 第三节第三节 生化反应器的种类生化反应器的种类 一 生化反应器的一 生化反应器的种类种类 二 微生物反应器二 微生物反应器 发酵罐 发酵罐 三 酶三 酶反应器反应器 一 生化反应器的种类 按不同的分类方式 分成不同的类型按不同的分类方式 分成不同的类型 按操作方式按操作方式 间歇式 连续间歇式 连续 式 半连续式式 半连续式 按流体流动按流体流动 理想反应器 理想反应器 非理想反应器非理想反应

10、器 按几何构型及结购特征按几何构型及结购特征 罐式 高径比罐式 高径比1 31 3 管式 高径比 管式 高径比 3030 塔式 竖立 高径比 塔式 竖立 高径比 1010 膜式 内有膜件 膜式 内有膜件 按相态按相态 均相均相 非均相非均相 按催化剂类型按催化剂类型 微生物反应器 发酵罐 微生物反应器 发酵罐 酶反应器酶反应器 按输入机械功率来源按输入机械功率来源 机械搅拌式机械搅拌式 鼓泡式鼓泡式 环流式环流式 1 1 按相分按相分 1 1 均相反应器 均相反应器 反应在一个相中进行 通常为液相 反反应在一个相中进行 通常为液相 反 应物 催化剂及产物间在搅拌作用下能达到应物 催化剂及产物间

11、在搅拌作用下能达到 分子水平的混合 不存在传质问题 是较简分子水平的混合 不存在传质问题 是较简 单的一种反应器 单的一种反应器 如如 前述的葡萄糖异构化反应 葡萄糖及异构前述的葡萄糖异构化反应 葡萄糖及异构 酶均溶解于水 反应在均一的液相内进行 反应酶均溶解于水 反应在均一的液相内进行 反应 物 催化剂及产物之间通过搅拌等作用 能达到物 催化剂及产物之间通过搅拌等作用 能达到 分子水平的均匀混合 不存在传质问题 因而这分子水平的均匀混合 不存在传质问题 因而这 种反应器一般比较简单 种反应器一般比较简单 2 2 非均相反应器 非均相反应器 反应物不在同一相中 传质问题即如反应物不在同一相中

12、传质问题即如 何使不在同一相中的基质充分接触 是非何使不在同一相中的基质充分接触 是非 均相反应器要解决的基本问题 其结构较均相反应器要解决的基本问题 其结构较 复杂 发酵工业中大多数反应器属于此类复杂 发酵工业中大多数反应器属于此类 如 如 在以正烷烃为基质的酵母发酵器中 正烷烃在以正烷烃为基质的酵母发酵器中 正烷烃 不溶于水 空气难溶于水 酵母也不溶于水 但酵母不溶于水 空气难溶于水 酵母也不溶于水 但酵母 必须将基质用酶催化水解 然后才能获得能量 并将必须将基质用酶催化水解 然后才能获得能量 并将 小分子基质摄入细胞 合成新的细胞物质 这一系列小分子基质摄入细胞 合成新的细胞物质 这一系

13、列 生物化学反应能否进行 取决于反应器能否把作为基生物化学反应能否进行 取决于反应器能否把作为基 质的正烷烃 氧和水及酵母菌体充分乳化 使这些不质的正烷烃 氧和水及酵母菌体充分乳化 使这些不 在同一相内的基质充分接触 这就是传质问题 在同一相内的基质充分接触 这就是传质问题 非均相反应器在结构上较均相反应器远为复杂 非均相反应器在结构上较均相反应器远为复杂 发酵工业中的绝大多数反应器属于非均相反应器 发酵工业中的绝大多数反应器属于非均相反应器 2 2 按输入功率分按输入功率分 1 1 机械搅拌式生化反应器 机械搅拌式生化反应器 利用搅拌涡轮输入混合以及 相际传质所需功率 利用丝状菌进行的抗生素

14、发酵利用丝状菌进行的抗生素发酵 生产 几乎全部都是使用这类生化生产 几乎全部都是使用这类生化 反应器 反应器 缺点 缺点 机械搅拌器的驱动功率较高 一般每机械搅拌器的驱动功率较高 一般每 立方米液体为立方米液体为2 2 4kw4kw 这对一只大型的反应器是 这对一只大型的反应器是 个巨大的负担 因而其容积受到限制 很少有单个巨大的负担 因而其容积受到限制 很少有单 只容积超过只容积超过400m400m 3 3 的机械搅拌式反应器 的机械搅拌式反应器 机械搅拌式生化反应器机械搅拌式生化反应器 自吸式充气发酵罐自吸式充气发酵罐是近年发展起来的一种新是近年发展起来的一种新 型机械搅拌式生化反应器 型

15、机械搅拌式生化反应器 它是由充气搅拌叶轮它是由充气搅拌叶轮 或循环泵来完成对发酵液的搅拌 充气的 该发或循环泵来完成对发酵液的搅拌 充气的 该发 酵罐不需空气压缩机供应压缩空气 而是利用搅酵罐不需空气压缩机供应压缩空气 而是利用搅 拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气 拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气 机械搅拌式生化反应器机械搅拌式生化反应器 自吸式充气发酵罐自吸式充气发酵罐 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 自吸式发酵罐使用的是自吸式发酵罐使用的是 带中央吸气口的搅拌器 搅带中央吸气口的搅拌器 搅 拌器由从罐底向上伸入的主拌器由从罐底向上伸入的主 轴带动 叶轮旋转时叶片不轴带动 叶轮旋转时叶片不 断排开周围

16、的液体使其背侧断排开周围的液体使其背侧 形成真空 于是将罐外空气形成真空 于是将罐外空气 通过搅拌器中心的吸气管而通过搅拌器中心的吸气管而 吸人罐内 吸入的空气与发吸人罐内 吸入的空气与发 酵液充分混合后在叶轮末端酵液充分混合后在叶轮末端 排出 并立即通过导轮向罐排出 并立即通过导轮向罐 壁分散 经挡板折流涌向液壁分散 经挡板折流涌向液 面 均匀分布 面 均匀分布 电机电机 优点 优点 不用空气压缩机或鼓风机 节省投资 不用空气压缩机或鼓风机 节省投资 在所有机械搅拌通气发酵罐形式中 自吸式充气发在所有机械搅拌通气发酵罐形式中 自吸式充气发 酵罐的充气质量是最好的 通入发酵液中的每立方米酵罐的充气质量是最好的 通入发酵液中的每立方米 空气可形成空气可形成2315m2315m 2 2 的气液接触界面面积 的气液接触界面面积 动力消耗低 如 以糖蜜为基质培养酵母时 自动力消耗低 如 以糖蜜为基质培养酵母时 自 吸式充气发酵罐生产吸式充气发酵罐生产lkglkg干酵母的电耗为干酵母的电耗为o 5kwo 5kw h h左右左右 缺点 缺点 由于空气靠负压吸入罐内 所以要求使用低阻力 高由于空气靠