生物反应工程 第7章 生物反应器.ppt
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1、生物反应工程 本章重点:生物反应器的定义与分类 反应器设计原则; CSTR与CFTR反应器的特点与应用 本章难点: 酶CSTR与CPFR反应器性能的比较; 动物细胞微载体反应器 第第7 7章章 生物反应器生物反应器 (Bioreactor)(Bioreactor) 7.1 生物反应器设计基础 7.1.1 生化反应器的分类 n生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应 的设备。 n可从多个角度对其进行分类。 对生化反应器进行这种分类有利于对反应器 进行模拟与放大。 酶反应器 所使用的生物催化剂 细胞反应器 酶反应器相对比较简单,酶促反应与一般的 化学催化反应相同,在反应的过程中酶本身 无变化; 细胞
2、生化反应器相对比较复杂,因涉及到避 免外界各种杂菌污染、有适应细胞生长繁殖 以及维持其活性的要求。 间歇操作(分批操作) n操作方式 连续 半间歇操作 n反应器的结构特征釜式、管式、塔式、 膜 式等 n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 n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。 n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。 n按反应体系的相态来分类 均相可溶的酶催化反应 非均相 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
3、型) 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor, CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor, CSTR ) n返混:具有不同停留时间的物料之间的混合 称之为返混。 n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; n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。 n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; n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
4、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。 分离耦合反应器分离耦合反应器 生物反应器的分类 生物反应器 间歇操作半间歇半连续操作连续操作 生物团块反应器生物膜反应器 全混流型活塞流型全混流型活塞流型 搅拌釜式反 应器 循环反应器 环流反应器 管式反应器 鼓泡塔 多级串联式 反应器 流化床反应器 循环管反应器 完全混合膜反 应器 固定床 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 n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
5、反应器设计的最基本内容有: 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; 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; 计算出所需反应器体积,设计各种结构参数等。 n反应体积的确定是反应器设计的核心内容 B反应器设计的基本方程 : 描述浓度变化的物料衡算式质量守恒定 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 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。 n重点研究的是微元体内大量的分子和大量
6、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。 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。 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: 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
7、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24kw/m3,这对大型 的反应器来说是个巨大负担。 7.2生物反应器的设计与分析 (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)
8、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。 设备的要求 通 用 式 发 酵 罐 a 小 型 b 大 型 7.2.1机械搅拌通用式发酵罐设计与分析 n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。 n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1.74,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
9、的强度。 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 n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。 n公称容积Vo=VC+Vb lV0= /4D2(H+hb+D/6) 几何尺寸与操作 条件范围 典型数值 奥地利某公司 200m3 美国某公司 130m3 日本某公司 50m3 中国某味精厂 100m3 H/D=14 3 183 1.8 2.94 Di/D=1/21/4 1/3 0.338 0.34 0.286 W/D=1
10、/81/12 1/10 1 1 0.10 2 B/ Di =0.81.0 1.0 104,液体处于湍流状态, (8-41) 不同搅拌器的K值如表8-7所示 这些K值均为在HL/D=1,D/Di=3,D/W=10的条件 下测定的。 搅拌器的形式K(滞流)K(湍流) 三叶螺旋桨,螺距=d41.00.32 三叶螺旋桨,螺距=2d43.51.0 四平叶涡轮搅拌器70.04.50 六平叶涡轮搅拌器71.06.10 六弯叶涡轮搅拌器71.04.80 六箭叶涡轮搅拌器70.04.0 六弯叶封闭式涡轮搅拌器97.51.08 表 8-7 不同搅拌器的K值 当不符合此条件时,搅拌功率可用下 式校正: (8-42)
11、 (8-43) 如果已知(D/Di)=3,(HL/Di)=3,则 (8-44) 式中,f为校正系数,式中带*号的 为代表实际搅拌设备情况。 对于大型发酵罐,同一轴上往往安装多层搅 拌器,对于多层搅拌器的功率可用下式计算。 (8-45) 式中m为搅拌器层数。 以上是不通风时搅拌功率的计算。 通风时搅拌器的轴功率消耗降低,其降低程 度与通风量Qgm3(工作状态)/min及液体翻动 量Q1(m3/min)(Q1Nd3)等因素有关。Michel 等人提出了应用较广泛的通风时的搅拌功率Pg 与工作变量间的经验公式: (8-46) 式中,Di/D=1/3时,K=0.157;Di/D=2/3 时,K=0.1
12、13;Di/D=1/2时,K=0.101。 通风时的搅拌功率也可利用下式计算 。 (8-47) (8-48) 式中Na为通风准数,其代表发酵罐内 空气的表观流速与搅拌器叶端速度之比 ,可表示为: (8-49) 7.2.2气升式发酵罐设计和分析 n特点是结构简单,不需要搅拌;不易污 染,氧传质效率高,能耗低,节省动力 约50%;装料系数达8090%;安装维 修方便,冷却面积小剪切力小。 n较适于单细胞蛋白等的生产。 n分为外循环与内循环气升式发酵罐。 工作机理 n罐内外装设上升管,上升管两端与罐底 上部相连接,构成一个循环系统。 n在上升管的下部装设空气喷嘴口,空气 以250300m/s的高速度
13、喷入上升管, 使空气分割细碎,使上升管的发酵液比 重较小,加上压缩空气的动能,使液体 上升,罐内液体下降,进入上升罐,形 成反复的循环 。 结构参数 n高径比H/D=5 9 n导流筒径与管径比DE/D=0.6 0.8 n循环周期时间的确定 tm=VL/VC=VL/(/4)DE2vm VL罐内培养液体积; VC培养液循环量 DE导流管(上升管)直径; vm导流管中液体平均流速 n气液比R= VC /V G n环流速度取1.2 1.8 m/s,多段导流管或有筛网时可 降低。 n气液传质速率:h=Kvsn K,n为经验指数,鼓泡塔式发酵罐 低通气速率时,n=0.7 1.2,高通气速率时,n=0.4
14、0.7 7.2.3鼓泡塔生物反应器 n鼓泡塔反应器是气液两相反应器,是指气体 鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现 气液相反应过程的反应器。 n鼓泡反应器结构筒单,易于操作,操作成本 低,混合和传质传热性能较好,因此广泛应 用于生物工程行业中,例如乙醇发酵、单细 胞蛋白发酵、废水处理、废气处理(例如用 微生物处理气相中的苯)等。鼓泡反应器内 无传动部件,容易密封,对保持无菌条件有 利。 n最简单的鼓泡式反应器内部是一空塔,塔的 底部用筛板或气体分布器来分布气体。其工 作原理是利用通入培养基中的气泡在上升时 带动液体而产生混合,并将气泡中的氧供培 养基中的菌体使用。 7.2.4 固态发酵生物反
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