1、生 化 工 程,第五章 生化反应器,第五章 生化反应器,第一节 概述 第二节 生化反应器的特点与设计原则 第三节 生化反应器的种类 第四节 生化反应器的发展,第一节 概述,一 、生化反应器的定义二、生化反应器的基本要求,一 、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点而设计的反应设备。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。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。,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，保证和控制各种生化反应条件。如：发酵罐，要有能控制温度、压
2、力，通氧量、密封防漏、防止杂菌污染的设施，并根据发酵特点和要求，选择合适的发酵罐结构和型式。（见下表）,第二节 生化反应器的特点与设计原则,一、生化反应器的特点二、生化反应器的设计原则,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。1. 生化反应器提供的反应条件都是在低温、近中性pH等接近细胞生理的条件。2. 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。,3.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物浓度的控制。4. 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
3、能获得的产品。5. 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。,二、生化反应器的设计原则,1、获得高的体积产率 2、获得高的产物得率 3、获得高的产物浓度 4、其他,1、获得高的体积产率,体积产率Qp：即每小时每升反应体积，能生产的产品质量，g/L.h,最大生产能力,最大浓度,催化剂浓度,反应器生产能力Qp,催化剂比活力,2、获得高的产物得率(Rp/x),（1）转化率的提高转化率是指由原料到产品的得率，即每克底物能得到的产品克数。Yp/s （2）控制副产品的产生产物得率可用下式计算：,Rp/x= Yp/sSa(t)dt,Sa(t)：比活力，单位时间每克细胞或酶能作用
4、的底物质量（g）,te：催化剂的有效时间，一般以半衰期表示,生化反应器设计要求达到最大的Rp/x从上式中可以知道：提高酶的比活力Sa(t)和稳定性（即延长半衰期te），可以增加Rp/x。在微生物发酵中，提高Yp/s，也可以增加Rp/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：P=SaVX/F=SaX/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，增加催化剂浓度和比活力，可以提高产物浓度。,4、其他,提高产品质量，使工艺的重
5、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。,第三节 生化反应器的种类,一、生化反应器的种类 二、微生物反应器（发酵罐） 三、酶反应器,一、生化反应器的种类,按不同的分类方式，分成不同的类型,按操作方式,间歇式、连续式、半连续式,按流体流动,理想反应器、非理想反应器,按几何构型及结购特征,罐式（高径比1-3） 管式（高径比30） 塔式（竖立，高径比10） 膜式（内有膜件）,按相态,均相 非均相,按催化剂类型,微生物反应器（发酵罐） 酶反应器,按输入机械功率来源,机械搅拌式 鼓泡式 环流式,1. 按相分（1）均相反应器：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
6、作用下能达到分子水平的混合，不存在传质问题，是较简单的一种反应器。,如: 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，因而这种反应器一般比较简单。 ,（2）非均相反应器：反应物不在同一相中，传质问题即如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。其结构较复杂。发酵工业中大多数反应器属于此类。,如： 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。
7、这一系列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。发酵工业中的绝大多数反应器属于非均相反应器。,2.按输入功率分 （1）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发酵生产，几乎全部都是使用这类生化反应器。,缺点：机械搅拌器的驱动功率较高，一般每立方米液体为24kw。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，很少有单只容积超过400m3的机械搅拌式反应器。,机械搅拌式生化反应器,自吸式充气发酵罐是近年发展起
8、来的一种新型机械搅拌式生化反应器。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。,机械搅拌式生化反应器,自吸式充气发酵罐,自吸式发酵罐,自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。搅拌器由从罐底向上伸入的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。,电机,优点： 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，自吸式充气发酵罐的
9、充气质量是最好的通入发酵液中的每立方米空气可形成2315m2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，自吸式充气发酵罐生产lkg干酵母的电耗为o.5kwh左右),缺点： 由于空气靠负压吸入罐内，所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统； 由于结构上的特点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。而各种微生物中以酵母和杆菌耐受剪切应力的能力最强，因此该反应器只适用于这类微生物的发酵生产。 充气搅拌叶轮的通气量随发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围，目前最大容积为250m3。,自吸式发酵罐最初应用于醋酸发酵，如
10、今已应用于抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等生产。,我国华南理工大学(1990年)研制成功的200m3溢流脉冲喷射自吸式反应器，具有结构简单、能耗极低、效率极高的特点。该反应器用于生产药用酵母以及利用味精厂、酒精厂或其他食品厂的废液生产饲料酵母和废水处理效果突出。每耗1度电吸入空气量最高可达200m3(传统的罗茨风机约为40m3)，节能约80而且没有噪音，氧利用率高，目前正准备进一步放大，直至1000m3,应用,自吸式发酵罐,（2）鼓泡式生化反应器以从反应器底部鼓入空气提供混合和传质所需的功率。又称为空气搅拌高位反应器。其最初形式是从简单的圆筒状的器底吹入空气，空气以分散相在连续的液相中上
11、升通过。,鼓泡式发酵罐示意图,鼓泡式发酵罐示意图,（3）环流式生化反应器这是一类塔式反应器，高径比较大。其中相际的混合与传质是借各种方式诱导的环流来实现的。根据诱导方式分为气升环流式和喷射环流式。,气升环流式反应器借在中央拉力管中用压缩空气射流，诱导液体自拉力管内上升。然后自拉力管外的环隙下降，形成环流。,气升环流反应器,气升环流反应器示意图,喷射环流式反应器用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强的剪切力场，将射入的空气在液相分散为小气泡。再在反引器内重新聚集起来形成大气泡，通过环流得以再度分散，从而加快传质速率。,液体喷射环流式反应器示意图,3.按反应器运行方式（1）间歇式生化反应器一
12、次投料后，待反应器内的反应物反应完毕并卸料后，再投入新的反应物进行下一批的生产。反应器内成分随反应时间而变，属于非稳态系统（2）连续式生化反应器反应器的进料与出料连续不断的进行，反应物的体积不能保持恒定。但整个反应体系是处于稳态系统。,分为连续流搅拌反应器(简写为CSTR)及活塞流反应器(简写为PFR)。它们是两种完全对立的理想化模型，实际的反应器只能接近这两种模型。,连续反应器的种类, 连续流搅拌反应器 基本假定是器内的混合作用足够强烈，因此器内各种成分的浓度处处相等而不随时间变化，反应速率是个常数。但连续流搅拌反应器中各个物料微团的停留时间是不相等的，因为反应物料一经连续流入反应器便立即被
13、分散，有的微团可能一经分散就从连续出料口排出，有的则可能逗留相当长的时间，这叫做“返混”。返混是一个随机过程，它造成反应物在器内停留时间的分布，导致不同微团中的反应物经历不同的反应时间。, 活塞流反应器 基本假定是反应流体以活塞状向前推进的方式连续流过反应器，因此物料微团沿流动方向没有返混，流过反应器的每一物料微团的反应时间相等，在反应器的各个流通截面上物料浓度不随时间而变化，但反应物沿流动方向浓度逐步降低，反应速度也相应降低。,4. 按催化剂类型分为：微生物反应器和酶反应器（详见后）,二、微生物反应器（发酵罐）,见生物化学工程课件,三、酶反应器,见生物化学工程课件,第四节 生化反应器的发展,一、生化反应器的发展取趋势二、我国生化工程近况,一、生化反应器的发展取趋势,总的发展趋势：从机械搅拌过渡到气流搅拌，并向大型化、自动化方向发展。改进的核心是提高传氧系数和节能。,二、我国生化工程近况,1.研制成功了2.5L、5L、10L等自控发酵罐，具备批量生产的能力。2. 自行研制100m3双环流气升式反应器，使谷氨酸生产效率提高13.6%左右。,3.耐消毒pH传感器用于维生素C生产过程控制，可使产量提高3%。4.电子计算机在线控制用于青霉素生产过程，每毫升青霉素发酵液的效价提高7000单位。,
