第7章生物反应器及其工程放大课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,生物反应工程原理,第七章生物反应器及其工程放大,7,生物反应器及其工程放大,生物反应器设计基础,酶反应器分类及其操作参数,理想的酶反应器,通风发酵设备,嫌气发酵设备,生物反应器的比拟放大,学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握常用几类生物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进行相应生物反应器的设计与操作。,内容提纲,生物反应器的特点与生物学基础,生物反应器中的混合,生物反应器的分类和结构特点,1,2,3,生物反应器传热,4,7,-1,生物反应器设计基础,7,-1,生物反应器设计基础,生物反应器,（,Bioreactor,）是指任何提供生物活性环境的制造或工程设备,，是有效利用生物反应机能的系统或场所。,生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行业中也可能采用不同型式的生物反应器。,传统生物工业中使用的生物反应器称为,“,发酵罐,”,(,fermenter,),。生物反应器不仅包括,传统的发酵罐、酶反应器,，还包括采用固定化技术后的,固定化酶,或,细胞反应器,、,动植物细胞培养用反应器,和,光合生化反应器,等。,生物反应器定义:,生物工程中的生物反应器是在体外模拟生物体的功能，设计出来用于生产或检测化学品的反应装置。,7,-1,生物反应器设计基础,生物反应器听起来有些陌生，基本原理却很简单。,胃就是人体内部加工食物的一个复杂的生物反应器。,食物在胃里经过各种酶的消化，变成我们能吸收的营养成分。,7,-1,生物反应器设计基础,生物反应器这一术语虽出现时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质的生产却有着悠久的历史。我们祖先,酿制传统发酵食品,时使用的容器就是最初的生物反应器。,随后，一些著名生化工程学者的出色工作，极大地推动了生物反应器技术的发展，并建立了常规生物反应器的比拟放大理论。,7,-1,生物反应器设计基础,7,-1,生物反应器设计基础,生物反应器的设计除与,化工传递过程因素,有关外，还与生物的,生化反应机制,、,生理特性,等因素有关。,生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点,:,生物（酶除外）反应都以“自催化”,(,autocalalysis,),方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身也要生长繁殖。,-,生物反应速率较慢，因此生物反应器的体积反应速率不高；,-,与其它相当生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大；,-,对好氧反应来说，通风与混合等原因导致 动力消耗较高；,-,产物浓度低。,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,1）生物反应器操作特性,生物反应器的作用:,为生物体生长、繁殖与代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。,不同类型的工业用生物反应器中，基质、产物和生物体浓度会随时间和生物反应器内的位置而变化。这些生物反应器的操作特性及其应用领域如表1。,反应器类型,pH,控制,温度控制,工业重要特性,主要应用领域,批式,(,通用罐,),连续搅拌罐式,气升式反应器,鼓泡式反应器,自吸式反应器,通风制曲设备,嫌气反应器,动植物细胞用反应器,光合反应器,如需,如需,如需,如需,如需,难控,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,如需,人事费用高,流速受冲出限制,空压机出口压力要高,可采用鼓风机,需转子高速旋转,人事费用高,无需通风设备,剪切应力小,需光源,大多数工业生产,污水处理、,SCP,生产等,有机酸,如柠檬酸生产等,面包酵母等生产,乙酸、酵母等生产,麸曲、酶制剂和麦芽生产等,酒精、啤酒等生产,杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞培养等,微藻等生产,表1 生物反应器的操作特性,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,高效生物反应器特点:,- 设备简单，结构严密，方便灭菌,- 良好的液体混合性能，较高的传递速率,- 能耗低，易于放大,具有配套而又可靠的检测及控制仪表和供料、排料系统、通风系统等,判断生物反应器好坏的标准:,该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,2）生物反应器的生物学基础,生物反应器的选型、设计与操作均离不开生物反应动力学。生物反应动力学的研究目的是要定量的描述反应过程速率及其影响因素。,生物工业过程中的影响因素：,（,1,）,生物体自身各反应组分的浓度、温度及溶液性质,；,（2）,反应器的结构与形式、操作方式、物料的流动与混合、传质和传热等,。,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率，其相应的动力学模型是,细胞： （,1,）,基质： （,2,）,产物： （,3,）,反应液体积：,（,4,）,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,式中,:,F,为流入与流出生物反应器的基质流量,L/h,；,i,、,j,和,k,相应的细胞、基质和产物,；,下标,表示基质的流加流量。,当采用分批式操作时,F,=F=0,；采用流加式操作时，,F,F=0,；采用连续式操作时,F,=F,0,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,3,）,生物反应器设计的基本原理,生物反应器的主要目的：,最大程度地降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率。,生物反应器的设计原理,：强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低操作费用。,实际上，在生物反应器中发生的生物反应是包含有,分子基因,、,细胞代谢和反应器工程水平,上多尺度的系统反应，虽然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上述目的存在一定的挑战。,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,4,）,生物反应器选型与设计的要点,（,1,）选择适宜的生物催化剂。,包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、 适宜的,pH,和温度，是否好氧和易受杂菌污染等,;,（,2,）确定适宜的反应器形式,;,（,3,）确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等,;,（,4,）传热面积的计算,;,（,5,）通风与搅拌装置的设计计算,;,（,6,）材料的选择与确保无菌操作,;,（,7,）检验与控制装置,;,（,8,）安全性,;,（,9,）经济性。,7,-1,-1,生物反应器设计特点与生物学基础,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,生物反应器是生物技术产业化的核心。,根据生物反应器的结构和操作方式的某些特征，可以从多个角度对其进行分类：,根据,生物催化剂,酶反应器 微生物细胞反应器,细胞反应器：根据细胞类型 动物细胞反应器,植物细胞反应器,根据,底物加入方式,：,分批式、连续式、半连续式（流加）反应器,根据,流体流动,或,混合状况,：,全混流、活塞流,根据,反应器结构特征及动力输入方式,：,结构特征：釜（罐）式、管式、塔式和生物膜反应器,动力输入方式：机械搅拌、气流搅拌和液体环流反应器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,生物反应器分为酶反应器和细胞反应器。,（,1,）,酶反应器,结构与化学反应器类似，区别是不需太高的温度和压力,水溶酶：,搅拌罐反应器,固定化酶：,搅拌罐反应器,固定床反应器,1,）,根据生物催化剂分类,- 根据细胞类型不同：,微生物细胞反应器（通常称为发酵罐）,动物细胞反应器,植物细胞反应器,- 动植物细胞：,好氧,剪切力敏感,氧传递和剪切力之间找到一个平衡点,- 植物细胞培养：,若需要可见光，则需采用光生物反应器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,（2）,细胞反应器,2,）,根据底物加入方式分类,-,分批式反应器,-,连续式反应器,-,半连续式（流加）反应器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,3,）,根据流体流动或混合状况分类,-,连续反应器分为全混流（CSTR）和活塞流（,C,PFR）。,-,实际反应器内流体的流动方式则往往介于上述两种理想流动模型之间，称为非理想流动（混合）模型。,-,非理想生物反应器需要考虑流动和混合的非理想性。,4,）,根据反应器结构特征及动力输入方式分类,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,根据反应器的主要,结构特征,可以将其分为釜（罐）式、管式、塔式和生物膜反应器等。,釜式生物反应器：,能用于,分批、流加和连续所有三种操作模式,；,管式、塔式和生物膜反应器等则一般适用于连续操作的细胞反应工程。,根据,动力输入方式,生物反应器可以分为机械搅拌反应器、气流搅拌反应器和液体环流反应器。,-,机械搅拌反应器采用机械搅拌实现反应体系的混合；,-,气流搅拌反应器以压缩空气为动力来源；,-,液体环流反应器则通过外部的液体循环泵实现动力输入。,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,机械搅拌反应器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,气流搅拌反应器（,G,气体；,L,液体）,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,液体环流反应器（,G,气体；,L,液体）,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,7L,搅拌釜反应器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,气,升,式,环,流,反,应,器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,鼓,泡,塔,水,处,理,生,物,反,应,器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,5L,水,处,理,生,物,反,应,器,7,-1,-2 生物反应器的分类和结构特点,混合过程的分类,类 型,说 明,应 用 实 例,气,液,液,固,固,固,液,液,液,液,液体流动,气、液接触混合,固相颗粒在液相中悬浮,固相间混合,互溶液体,不互溶液体,传热,液相好氧发酵，如味精、抗生素等发酵,固定化生物催化剂的应用、絮凝酵母生产酒精等,固态发酵生产前的拌料,发酵或提取操作,双液相发酵与萃取过程,反应器中的换热器,7,-1,-3,生物反应器中的混合,机械搅拌式反应器：,-,混合过程是在主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散的综合作用下完成的。,- 主体对流扩散是指搅拌轮把动量传递给它周围的液体，产生一股高速液流，这股液流又推动周围的液体，使全部液体在反应器内流动起来。,- 涡流扩散是指由于主体对流扩散作用使反应器内高速流体与低速流体间产生的旋涡运动。,- 分子扩散是指由于物料分子的热运动和分子间的作用力使不同分子相互混合的过程。,7,-1,-3,生物反应器中的混合,实际混合过程中，主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散的作用范围依次减小，前者只能将不同物料进行粗略的混合，呈宏观流动；,涡流扩散使物料的不均匀性降至漩涡本身大小，呈微观流动；,最终通过分子扩散才能达,到完全的混合，呈微观混和。,7,-1,-3,生物反应器中的混合,7,-1,-4,生物反应器中的传热,生物反应器中的能量平衡可表示为：,（,5,）,式中：,Q,met,：,微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率；,Q,ag,：,搅拌造成的单位体积产热速率；,Q,gas,：,通风造成的单位体积产热速率；,Q,acc,：,体系中单位体积的积累产热速率；,Q,exch,：,单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率；,Q,evap,：,蒸发造成的单位体积热损失速率；,Q,sen,：,热流（流出,/,流入）造成的单位体积敏感焓上升的速率。,实际生物反应过程中的热量计算方法,）,通过反应中冷却水带走的热量进行计算。,根据经验，每,m,3,发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：,青霉素发酵约为,25000,kJ/(m,3,h);,链霉素发酵约为,19000,kJ/(m,3,h);,四环素发酵约为,20000,kJ/(m,3,h);,肌苷发酵约为,18000,kJ/(m,3,h);,谷氨酸发酵约为,31000,kJ/(m,3,h),。,7,-1,-4,生物反应器中的传热,2,）通过反应液的温升进行计算,根据反应液在单位时间内上升的温度，求出单位体积反应液放出热量的近似值,。,3,）,通过生物合成进行计算。当Q,sen,、,Q,acc,和,Q,gas,可忽略不计，由式,5,可知，,（,6,）,即反应过程中产生的总热量均被冷却装置带走。,4,）通过燃烧热进行计算,（,7,）,式中,Q,基质燃烧,为基质的燃烧热，,Q,产物燃烧,为产物的燃烧热。,7,-1,-4,生物反应器中的传热,生物反应器中换热装置的设计,换热装置的传热面积可由下式确定。,（,8,）,式中,A,为换热装置的传热面积,m,2,；,Q,all,为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量,kJ/h,；,K,为换热装置的传热系数,kJ/(m,2,h,),；,t,m,为对数温度差,(),，由冷却水进出口温度与醪液温度确定。,7,-1,-4,生物反应器中的传热,维生素制造中的古龙酸制备过程的单塔式反应器的容量为,2,00 m,3，,装料系数为70%,发酵热为16700 kJ/(m,3,h),发酵温度为30,冷却水的进出口温度分别是15和,23,设总传热系数为560 W/m,2,试计算反应器的总传热面积,。,例题,解,:,反应器有效体积,:V,R,=70%,200=140(m,3,),反应器热负荷,:Q=Q,E,V,R,=,发酵温度T,b,=30,冷却水的进,/,出口温度分别为T,i,=15 T,0,=23 ,则平均温差:,已知总传热系数,K=560,W/m,2,故总传热面积A为:,例题,小结,1）生物反应器为生物体生长、繁殖与代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长,繁殖,，得到更多人们所需要的生物量或代谢产物,。,2）基于生物反应器的设计与选型基本原理，有助于掌握不同反应器的设计要点与操作要求。,思考题,1） 生物反应器的设计要点是什么？,2） 生物反应器可以分为几类？,3） 分别采用通用式发酵罐与气升式生化反应器进行微生物反应，试从多角度比较两者的长处与不足。,生物反应工程原理,第七章生物反应器及其工程放大,7,生物反应器及其工程放大,生物反应器设计基础,酶反应器分类及其操作参数,理想的酶反应器,通风发酵设备,嫌气发酵设备,生物反应器的比拟放大,学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握几类,常用的,生物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进行相应生物反应器的设计与操作。,7,-2,酶反应器分类及其操作参数,酶反应器设计和操作的参数,酶反应器的分类,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,1,2,4,内容提纲,酶反应器的选择与操作,3,根据酶催化剂类别不同,水溶酶反应器,固定化酶反应器,固定化单一酶,复合酶,细胞器和细胞,（微生物、动物和植物）等,1,）酶反应器的分类：,7-2-1,酶反应器的分类,以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶,反应器,(,Enzyme reactor,),。,从几何形状或结构来划分，酶反应器大致可分为罐型、管型和膜型三类。, 罐型反应器内一般装配有搅拌装置，也称“搅拌罐”或通用式发酵罐，适用于多种操作方式。发酵工业上使用的糖化罐、液化罐是典型的酶反应器，多为搅拌罐。, 管型反应器和膜型反应器一般用于连续操作。相对直径较大、纵向较短的管型反应器也称为塔式反应器。,一般，每一类反应器又分多种类型，并且有些反应器可互相组合成具有不同性能的酶反应器系统。,7-2-1,酶反应器的分类,7-2-1,酶反应器的分类,根据其形式和操作方式分类,形式,操作方式,说明,单相系统酶反应器,通用式发酵罐,分批、流加,机械搅拌混合,超滤膜反应器,分批、流加或连续,适用于高分子底物,多相系统酶反应器,通用式发酵罐,分批、流加或连续,机械搅拌混合,固定床或填充床,连续,适用于固定化酶,或微生物反应,流化床,分批、连续,因溶液的流动而混合,膜式反应器,悬浊气泡塔,连续,分批、连续,膜状或片状的固定化酶,适于气体为底物,7-2-1,酶反应器的分类,流动状态,反应器,实用反应器,理,想,型,活塞式（,plug flow,）,连续操作活塞式反应器（,Continuous Plug Flow Reactor, CPFR,）,填充床（,packed bed,）、膜反应器（,membrane reactors,）,全混式（,back mix,）,连续操作搅拌式反应器（,Continuous-flow Stirred Tank Reactors, CSTR,）,通用式发酵罐（俗称搅拌罐,stirred tank,）,非理想型,具有返混的管型反应器（,tubular reactors,）等,连续式反应器的流动状态,7-2-1,酶反应器的分类, 活塞式流动，反应速度仅随轴向空间位置不同而变化。, 全混式流动是指反应器内浓度分布均匀，不随反应时间变化。,实际酶反应器中不存在理想化的流动形式，因为流动状态和温度、浓度等参数是随空间位置或时间而变化的。,7-2-1,酶反应器的分类,分批搅拌罐式反应器（,BSTR,）,产物出口,固定化酶,底物入口,连续流搅拌罐式反应器（,CSTR,）,产物出口,固定化酶,底物入口,填充床式反应器（,PBR,）,如果固定化酶颗粒较小，随产物流出，要采取哪些措施？,流动床式反应器（,FBR,）,产物出口,底物入口,固定化酶,底物入口,产物出口,酶循环,超滤,连续搅拌罐,+,超滤式反应器（,CSTR/UF,）,循环流式反应器（,RCR,）,产物出口,底物入口,底物循环,多孔转盘式反应器（,PRDR,）,底物入口,空气,固定化细胞,空气出口,产物出口,空气入口,反应液,7-2-1,酶反应器的分类,分批搅拌罐式反应器（,BSTR),示意图,特点：由反应罐、搅拌器和保温装置组成的一种罐式反应器。,分类：,BSTR,和,CSTR,操作方式：分批式、流加分批式和连续式,优点：结构简单，混合均匀，传质阻力小，易控制，能处理胶,体状底物、不溶性底物,缺点：效率低，载体易被破坏，动力消耗大，酶回收易损失,搅拌罐式反应器（,stirred tank reactor, STR,）,7-2-1,酶反应器的分类,连续搅拌罐式反应器示意图,反应液出口,底物溶液进口,特点：,把固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。,适用于：,固定化酶,反应产物出口,固定化酶,底物溶液进口,填充床式反应器（,packed column reactor, PCR,）,7-2-1,酶反应器的分类,优点：,单位面积的催化剂负荷高，高效，易操作，结构简单，易放大，剪切力小等,适用于各种形状的固定化酶和不含颗粒、粘度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应，应用范围广,缺点：,柱内压降大，底物需加压后才能进入，由于反应器底层的固定化酶受到的压力大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎,传质和传热系数相对较低，不适合固体颗粒和黏度大的底物,温度,pH,难控制，更换部分催化剂麻烦,7-2-1,酶反应器的分类,反应产物出口,固定化酶,底物溶液进口,特点：底物以一定速度由下向上流过，使垂直塔式反应器,(,形状可为柱形、锥形等,),内固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于,CSTR,和,PFR,之间。,适用于,：,固定化酶,流化床式反应器（,fluidized bed reactor, FBR,）,7-2-1,酶反应器的分类,优点：可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液和固液气三相酶促反应,缺点：由于混合均匀，所以不适用于有产物抑制酶的反应；固定化酶易破坏和动力成本高,特点：气体从反应器底部通入，产生的大量气泡在上升过程中起到反应底物及物料混和的作用。常用于有气体参与的酶催化反应中。,适用于：,水溶酶、固定化酶,（此时,称为三相流化床反应器）,优点：结构简单、操作容易、,剪切力小，物质与热量的传递,效率高,排气口,反应液出口,空气分布器,进气口,底物溶液入口,鼓泡式反应器（,bubble column reactor, BCR,）,7-2-1,酶反应器的分类,水溶酶膜反应器示意图,中空纤维,底物溶液出口,反应产物出口,中空纤维反应器示意图,特点：将酶促反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。,适用于：,水溶酶、固定化酶（,如脂肪酶催化水解油脂，分解生成脂肪酸、单、双甘油酸和甘油，或者合成脂类）,膜反应器（,membrane reactor, MR,）,7-2-1,酶反应器的分类,特点：利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应的一种反应器,适用于：,水溶酶的连续催化反应,优点：结构简单、,体积小、混合均匀，,催化反应效率高,缺点：目前，只适用,于某些耐高温酶,高压蒸汽进口,底物溶液进口,至维持罐,反应液,喷射式反应器（,projectional reactor, PR,）,7-2-1,酶反应器的分类,7-2-,2,酶反应器设计和操作的参数,酶反应器设计和操作的参数,停留时间,；,转化率,；,生产能力,P,r,； 选择性,S,p,；,温度,T,；,pH,值；,酶的用量； 底物浓度等。,理想的分批搅拌罐（,BSTR,）中，物料的停留时间等于反应时间；而在连续活塞式反应器（,CPFR,）中常使用“平均停留时间”来表达。,反应器的容积为,V,，物料流入反应器中的体积流量为,F,，平均停留时间,为：,（,9,）,1,）停留时间,7-2-,2,酶反应器设计和操作的参数,式中,又称空时（空间时间,space time,）,其倒数,1,称为空速（空间速度,space velocity,）。,2,）转化率,也称转化分数（,conversion or fractional conversion,），是表明供给反应的底物发生转变的分量。,分批式操作中，底物的初始浓度为,S,0,，反应时间,t,时的底物浓度为,S,t,，此时，底物的转化率为：,（,10,）,连续式操作中，流入反应器内的底物浓度为,S,in,，流出液中底物的浓度为,S,out,，此时转化率,:,（,11,）,7-2-,2,酶反应器设计和操作的参数,3,）生产能力,P,r,单位时间、单位反应器体积生产的产物量。,分批式操作中：,（,12,）,连续式操作中：,（,13,）,式中,P,out,为单位体积流出液中的产物量。,7-2-,2,酶反应器设计和操作的参数,由底物,S,生成目的产物,P,的平均选择性,S,p,为：,（,14,）,式中,a,sp,是指从,1 mol,底物,S,中所得到产物,P,的摩尔数。,反应各阶段或反应器内不同位置的选择性并非一致，此为瞬时（或局部）选择性：,（,15,）,式中,r,p,为主反应速率；,r,s,为副反应速率。,4),选择性,S,p,有副反应发生时，转变为目的产物的量占能,够转变为目的产物的底物总量的比率。,7-2-,2,酶反应器设计和操作的参数,（,1,）选择适宜的生物催化剂 包括了解产物在反应的哪一阶段生成、适宜的,pH,和温度，是否好氧和易受杂菌污染等,;,（,2,）确定适宜的反应器形式,;,（,3,）确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等,;,（,4,）传热面积的计算,;,（,5,）通风与搅拌装置的设计计算,;,（,6,）材料的选择与确保无菌操作的设计,;,（,7,）检验与控制装置,;,（,8,）安全性,;,（,9,）经济性。,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,水溶酶反应器的选择可参照上节所讲的一般生物反应器的选择要求,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,固定化酶反应器的选择,（,1,）满足一般生物反应器的选择要求；,（,2,）固定化酶的形状,(,颗粒、纤维、膜等,),、大小、机械强,度、比重和再生或更新的难易；,（,3,）操作上的要求，如,pH,的控制、供氧和防止杂菌污染等；,（,4,）反应动力学形式和物质传递特性、内外扩散的影响；,（,5,）底物的性质；,（,6,）催化剂（固定化酶）的表面反应器体积的比值；,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,应强调的几点问题,（,1,）其形式有颗粒状、膜状、管状和纤维状等类型。由于颗粒,状的比表面积大，故多采用颗粒状。由催化剂的形状，可,以决定反应器的大致形式，例如小颗粒的固定化酶，可选,用流化床反应器，以增大有效催化表面积。,（,2,）机械强度尽可能大些。,（,3,）便于酶催化剂的再生、新催化剂的补充或更换。,（,4,）底物的性质是选择反应器的另一重要因素。一般来讲，细,粒状和胶状底物有可能阻塞填充柱或发生分层。,（,5,）考虑反应器价格时，不要忽略固定化酶的价格。,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,酶反应器操作条件的确定及其调控,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,酶反应器操作的注意事项,操作稳定性,搅拌速度；物料流动方式和流动状态；温度、,pH,值等,防止酶的变性失活,通常在等于或者低于酶催化最适温度条件下进行,应当严格控制在酶催化反应的适宜,pH,范围内,要避免重金属离子进入，必要时可添加金属螯合剂等，以防其与酶分子结合，引起酶的不可逆变性,防止过高的搅拌速度，控制流体的流速,为了防止酶的变性失活，可添加某些保护剂,7-2-,3,酶反应器的选择与操作,防止微生物的污染：,保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件,;,反应器在使用前后，都要进行清洗和适当的消毒处理,;,在反应器的操作过程中，要严格管理、经常检测、避免微生物污染,;,必要时，在反应液中添加对反应不影响的物质，以抑制微生物的生长，防止微生物的污染。,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,氨基酰化酶催化反应：,1,）氨基酰化酶的各种固定化方法与载体的比较,固定化方法和载体,氨基酰化酶用量,/u,固定化氨基酰化酶,活力,/u,得率,/%,物理吸附,活性炭,1210,0,0,酸性氧化铝,1210,13,1.0,离子交换吸附,TEAE,纤维素,1210,623,51.5,DEAE,纤维素,1210,668,55.2,DEAE-,葡聚糖凝胶,A-25,1210,713,58.9,DEAE-,葡聚糖凝胶,A-50,1210,680,56.2,CM-,葡聚糖凝胶,C-50,1210,0,0,离子交换树脂,IR-4B,1210,0,0,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,续上表,固定化方法和载体,氨基酰化酶用量,/u,固定化氨基酰化酶,活力,/u,得率,/%,共价偶联,重氮化芳香氨基玻璃,1210,525,43.4,溴代乙酰纤维素,1210,339,28.0,碘代乙酰纤维素,1210,472,39.0,交联,戊二醛,1440,211,14.7,环己羰亚胺,1440,17,1.2,包埋,聚丙烯酰胺胶格,1000,526,56.6,尼龙微囊,1000,360,26.0,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,性质,溶液酶,固定化氨基酰化酶,DEAE-,葡聚糖凝胶,离子交换吸附,碘代乙酰纤维素,共价偶联,聚丙烯酰胺,胶格包埋,最适,pH,7.58.0,7.0,7.58.0,7.5,最适温度,/,60,72,55,65,活化能,/,（,kJ/mol,）,28.9,29.3,16.3,22.2,K,m,/,（,mmol/L,）,5.7,8.7,6.7,5.0,r/,（,g,分子,/h,）,1.52,3.33,4.65,2.33,热稳定性，残存活性,/%,60,，,10 min,62.5,100,77.5,78.5,70,，,10 min,12.5,87.5,62.5,34.5,操作稳定性（半衰期）,/d,-,50,，,65 d,-,37,，,48 d,2,）固定化氨基酰化酶的某些性质,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,评估内容,固定化氨基酰化酶,评估内容,固定化氨基酰化酶,DEAE-,葡聚糖凝胶,离子交换吸附,碘代乙酰纤维素共价偶联,聚丙烯酰胺胶格包埋,DEAE-,葡聚糖凝胶,离子交换吸附,碘代乙酰纤维素共价偶联,聚丙烯酰胺胶格包埋,制备,容易,难,中等,结合力,中,强,强,酶活性,高,高,高,操作稳定性,高,-,中等,成本,低,高,中等,再生,可能,不可能,不可能,各种固定化氨基酰化酶的评价,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,4,）,DEAE-,葡聚糖凝胶氨基酰化酶的制备,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,0.1 mol/L,磷酸缓冲液,pH 7.0,平衡,DEAE-,葡聚糖凝胶,A-25,1000 L,1100-1200L,酶液,（总单位数约,330 000 000 u,）,35,搅拌约,10 h,得,160000-200000 u/L,的固定化酶，得率,50%-60%,吸附固定,5,）氨基酰化酶反应器（通常应用填充床式反应器）,上升或下行方式对反应速度无明显影响，故采用下行,流柱方式,。,通过对相同体积、不同柱长的酶柱进行比较实验：除少数情况之外，,柱面积,对反应速度没有大的影响。,在特定温度条件下，,柱的压降,和流速与柱长有关,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,6,）底物溶液的流速,为确保乙酰,DL-,氨基酸完全的不对称水解，控制底物溶液流速十分重要，一般在,50,反应条件下，床体每小时的流速可以获得较高的转化。,7,）固定化氨基酰化酶的再生,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,操作时间,/d,DEAE-,葡聚糖凝胶氨基酰化酶操作稳定性及再生,再生,再生,8,）,L-,氨基酸的连续生产,以,L-,甲硫氨酸生产为例（理论产率值,94%,）,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,2000 L/h,50,1000 L,酶柱,2000 L,蒸发浓缩,结晶分出,L-,甲硫氨酸,60, 醋酸酐消旋,调节,pH 1.8,乙酰,-DL-,甲硫氨酸,残留母液,0.2 mol/L,乙酰,-DL-,甲硫氨酸,+ 510,-4,mol/L Co,2+,pH 7.0,7-2-4,应用填充床式反应器生产,L-,氨基酸,生产成本对比,9）成本核算,固定化酶时，消耗酶的总成本由原来大于25%降至约1%；,可自动控制，,劳动力成本,由,20%,降到,7-8%,；,产率提高、产品分离简化，底物能被充分利用，使,成本,节省,10%,以上。,一般认为，固定化酶用于氨基酸,生产成本,可比原来的溶液酶工艺减低,40%,左右。,小结,酶反应器是酶催化反应获得目的产物的场所，因使用目的的不同有多种形式。,在酶反应器的设计与操作过程中不仅要考虑酶与底物的理化性质，以及反应特点，还要考虑到其安全性问题。,固定化酶反应器可有效提高生产效率，实际操作中除应严格按照规程操作外，还应特别注意严防杂菌污染。,思考题,1.简述酶反应器的主要类型和特点。,2.,如何选择酶反应器？（根据选定的酶反应器说明其操作特点）,3.,在酶反应器的实际应用中要注意哪些问题？,生物反应工程原理,第七章生物反应器及其工程放大,7,生物反应器及其工程放大,生物反应器设计基础,酶反应器分类及其操作参数,理想的酶反应器,通风发酵设备,嫌气发酵设备,生物反应器的比拟放大,学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握常用几类生物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进行相应生物反应器的设计与操作。,7-,3,理想的酶反应器,1.CPFR,型酶反应器,也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。,CPFR,具备以下特点：在正常的连续稳态操作情况下，在反应器的任意一个径向截面上，物料浓度不随时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相等，反应速率随空间位置而变化；由于径向不存在浓度分布，故反应速率随空间位置的变化只限于轴向。,7-,3,理想的酶反应器,活塞流式反应器物料恒算示意图,7-,3,理想的酶反应器,由于,dF,0,，,F,0,F,F,f,，所以,-FdS=-,r,s,dV=,k,SdV=,k,SAd,l,以边界条件,l,=0,S=S,0,进行积分，得,式中：,S,为底物浓度,mol,m,3,；,F,为以体积计的物料进料流率,m,3,s,；,A,为反应器横截面积,m,2,；,L,为反应器长度,m,；,为停留时间,s,；,k,为一级反应速率常数。,稳定状态下，以一级反应为例，取底物,S,作为着眼组分进行物料衡算得（单位时间内）：,流入量 流出量 反应量 积累量,FS (F+dF)(S+dS) -,r,s,dV 0,7-,3,理想的酶反应器,所以，反应器的停留时间为,对于其它各级反应可得到一般的关系式，,把酶促反应的典型动力学方程,米氏方程代入上式，得操作方程为,7-,3,理想的酶反应器,也可整理为,上式中， 为流出液中底物的转化率。,7-,3,理想的酶反应器,CSTR,固定化酶反应器,7-,3,理想的酶反应器,稳定状态下，,CSTR,型反应器内各处的浓度和温度均不随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率相等。所以可对整个反应器作物料衡算，一级反应条件下，对组分,S,（单位时间内）有,:,流入量流出量 反 应 量 积累量,F,S,0,F,St,（,-r,s,)V 0,上式变为一般化的关系式为：,7-,3,理想的酶反应器,将米氏方程代入上式，得操作方程，即,也可写为,7-,3,理想的酶反应器,3 CSTR,型与,CPFR,型反应器性能的比较,(1),停留时间的比较,将 式和,式的结果标绘于图,7-3,，图中横座标为组分,S,的转化率，纵坐标为反应速率的倒数。,7-,3,理想的酶反应器,3 CSTR,型与,CPFR,型反应器性能的比较,(2),酶需求量的比较,当,K,m,S,0,时，反应速率可用一级动力学来描述，于是，,和 可简化成如下式子。,式中，常数,(k,+2,E,0,)/ K,m,可认为是拟一级速率常数,K,f,。,CSTR,中所需酶的量,E,CSTR,与,CPFR,中所需的量,E,CPFR,之比，可从上式求得。,7-,3,理想的酶反应器,对一级动力学：,上式表明，转化率越高，,CSTR,中所需酶的相对量也就越大。另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，,0,级反应时其比值最小。如果反应遵循米氏定律，则酶需求量的相对比值与转化率之间的函数关系可由图,7-4,表示。因此，可根据所需转化率来选择反应器的类型，或确定它们所需酶的相对量。,7-,3,理想的酶反应器,反应器体积达到,一定,相同转化率时,E,CSTR,/E,CPFR,与转化率的关系,7-,3,理想的酶反应器,(3),酶的稳定性,酶的稳定性是选择酶反应器的重要因素。酶活力的丧失可近似用一级动力学关系来描述，即,式中：,E,为反应器中的有效酶浓度；,K,d,为酶的衰退常数；,t,为操作时间,7-,3,理想的酶反应器,(3),酶的稳定性,若把,与,和,结合起来，可得描绘酶衰变时的操作方程。,CSTR:,CPFR:,X,0,与,X,t,分别是,t=0,和,t=t,时的转化率。,7-,3,理想的酶反应器,0,级反应时，,CSTR,与,CPFR,内酶活力的衰退没有什么区别。但如果反应从,0,级增至一级，那么，两种反应器转化率下降程度的差别就变得明显。,CPFR,产量的下降速率要比,CSTR,快得多，因而,CPFR,中酶的活力比,CSTR,中更为敏感。但是，在某些情况下，操作条件相同，要得到同样的转化率，,CSTR,所需酶的数量远大于,CPFR,所需酶的量。,7-,3,理想的酶反应器,(4),反应器中的浓度分布,图标绘了,CSTR,与,CPFR,中的底物浓度分布。由图可知，在,CPFR,中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物浓度较高；,CSTR,中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，对于,CSTR,而言，由于其整个反应器处于低反应速率条件，所以其生产能力也相应较低。,7-,3,理想的酶反应器,【,例题,】,采用,CPFR,连续操作进行酶促反应，反应符合米氏方程规律。已知底物的,90,转化为产物，,r,max,=0.01mol/,（,m,3,s,），,K,m,=0.5mol/m,3,，底物流量,F=1,10,-3,m,3,/s,，入口底物浓度,S,0,=0.01mol/m,3,。由于,K,m,S,0,，所以酶促反应式为,。其与一级反应相似。图中给出一级反应,条件下反应器内的混合与反应器体积比的关系。由图可求出实际所需反应器体积。,求：（,1,）活塞流条件下该酶促反应所需反应器体积,;,（,2,）混合准数,（,3,）反应器内充分混合条件下所需反应器体积。,时所需反应器体积,;,7-,3,理想的酶反应器,V/Vp,一级反应条件下实际反应器体积与活塞流反应器体积之比和混合状态的关系,7-,3,理想的酶反应器,【,解,】,（,1,）反应器出口端底物浓度为,由 式可知,0.116,（,m,3,）,；,，,由图,8-6,可知,（,2,）当,所以，,V=2.2V,P,=2.2,0.116=0.255,（,m,3,）,7-,3,理想的酶反应器,（,3,）由式 ，全混时反应器体积为,体积,V,可由图,7-3,中,CSTF,所示面积乘以,FS,0,可获得。,CSTF,所示面积,所以，反应器体积,V,由图,7-6,，,，且全混状态下，有,V/V,P,=3.9,，所以,V=3.9,0.116=0.452,（,m,3,）,这与作图求出的,V=0.45m,3,相一致。,思考题,1.,试从多角度比较,CTSR,和,CPFR,酶反应器两者的长处与不足。,2.,采用固定化蔗糖酶进行蔗糖 葡萄糖,+,果糖连续反应，,反应符合米式方程规律，已知,，,固定化酶颗粒表面处的底物浓度与反应液主体中底物浓度一致（忽略外扩阻力影响），反应器直径,D=2m,，固定化酶颗粒直径,d,p,=5.0,10,-3,m,，空隙率,=0.5,，底物流量,F=1,10,-5,m,3,/s,，底物浓度,S,in,=1,10,-3,mol/m,3,，扩散系数,D,e,=1.0,10,-10,m,3,/s,。求转化率,（,1,）,CSTR,固定化酶反应器；（,2,）,CPFR,固定化酶反应器。,时，以下两种情况所需反应器体积。,生物反应工程原理,第七章生物反应器及其工程放大,7,生物反应器及其工程放大,生物反应器设计基础,酶反应器分类及其操作参数,理想的酶反应器,通风发酵设备,嫌气发酵设备,生物反应器的比拟放大,学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握常用几类生物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进行相应生物反应器的设计与操作。,7-4,通风发酵设备,1.,通用式发酵罐,通用式发酵罐（也称为机械搅拌式发酵罐），是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的通用式发酵罐容积约为,1000m,3,。,7-,4,通风发酵设备,来源于,google,7-,4,通风发酵设备,H,0,筒身高度,H,L,液位高度,h,封头高度,h,a,封头曲面高度,h,b,封头直边高度,D,罐径,Di,搅拌器直径,S,两搅拌器间距,C,下搅拌器距底间距,B,挡板宽度,7-,4,通风发酵设备,发酵罐的公称容积,Vo,一般是指反应器的圆筒部分容积,V,C,与底封头的容积,V,b,之和。,若采用标准椭圆形封头（由化工容器设计手册可查到封头的形状，直径及壁厚），则,h,b,：椭圆封头直边高度，,m,h,a,:,椭圆封头短半轴长度，标准椭圆,7-,4,通风发酵设备,通用式发酵罐主要部件：包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、联轴器、中间轴承、空气分布器（或空气喷射器）、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。,罐体：罐体由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接而成，材料以,304,或,316L,等不锈钢为好。罐体必须能耐受一定温度和压力，通常要求耐受,135,和,0.3MPa,。,罐径在,1m,（公称容积,1.7m,3,）以下的反应器，封头可用法兰与筒身联接，罐径大于,1 m,的反应器，封头直接焊在筒身，但封头上应开人孔，以便进罐检修。,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。,7-,4,通风发酵设备,7-,4,通风发酵设备,档板,:,作用是防止液面中央产生旋涡，并且使液体在搅拌时产生次生流，有助于流体的混合。通常发酵罐液体在被搅拌时，应达到,“,全档板条件,”,。所谓全档板条件是指在一定转速下，再增加档板或其它附件，轴功率仍保持不变，而旋涡基本消失。,挡板宽度：（0.10.12）,D，,装设46块即可满足全挡板条件。,7-,4,通风发酵设备,挡板与罐壁之间的距离：挡板宽度的(1/51/8)，避,免形成死角，防止物料与菌体堆积,。,7-,4,通风发酵设备,消泡器,:,消泡器的作用是将泡沫打碎。,最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。,消泡器的长度约为罐径的0.65倍。,7-,4,通风发酵设备,空气分布装置,作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。,(a),单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约,40mm,，这样的空气分散效果较好。,(b),环形管分布装置：以环径为搅拌器直径的,0.8,倍较有效，喷孔直径为,2,5mm,，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气流速,20m/s,左右。,7-,4,通风发酵设备,发酵罐的传热装置有夹套和蛇管两种，一般容积为,5m,3,以下的发酵罐采用外夹套作为传热装置，大于,5m,3,以上的发酵罐由于外夹套传热面受到限制而采用立式蛇管作为传热装置。,7-,4,通风发酵设备,7-,4,通风发酵设备,轴封,轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。,填料函式轴封,由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。填料室的宽度可根据轴的直径决定，,其宽度为：,其高度为：,7-,4,通风发酵设备,优点：,结构简单 。,缺点：,死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和染菌,轴的磨损较严重,填料压紧后摩擦功率消耗大,寿命短,7-,4,通风发酵设备,端面式轴封（机械轴封）,优点,清洁,密封可靠。,无死角。,使用寿命长。,摩擦功率耗损小。,轴或轴套不受磨损。,对轴的精度和光洁度没有填 料函要求严格，对轴的震动敏感性小。,缺点,结构比填料函复杂，装拆不便，对动环和静环的表面光洁度及平直度要求高，否则易泄漏。,7-,4,通风发酵设备,联轴器及轴承：,用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。,形式：鼓形及夹壳形两种。夹壳形结构简单，装拆方便，适用于低速（最高圆周线速度为），无冲击，振动载荷平稳的场合，宜用于搅拌器等立轴的联接。,为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。,思考题,通风搅拌式发酵罐主要部件有哪些？各自作用是什么,?,生物反应工程原理,第七章生物反应器及其工程放大,7,生物反应器及其工程放大,生物反应器设计基础,酶反应器分类及其操作参数,理想的酶反应器,通风发酵设备,嫌气发酵设备,生物反应器的比拟放大,学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握常用几类生物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进行相应生物反应器的设计与操作。,7-5-1,通风发酵罐的混合与搅拌,机械,搅拌罐的,混合,主要是通过机械搅拌来实现。机械搅拌不仅可促使培养基混合均匀，还有利于增加气液接触面积，提高溶氧速率。对于双液相反应体系可提高液,-,液接触面积，还可促进传热与固形物料的悬浮。,7-5-1,通风发酵罐的混合与搅拌,1.,搅拌器的型式与搅拌流型,(1),生物反应器中常使的搅拌器型式：, 涡轮桨,螺旋桨,平桨,自吸式搅拌桨, 栅状搅拌桨,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。,7-5-1,通风发酵罐的混合与搅拌,螺旋桨搅拌器是一种以产生轴流动为主的搅拌器，将反应器内液体从轴向流入叶轮，再从轴向流出叶轮，以形成轴向的螺旋状运动。螺旋桨的特点是直径小，转速高，产生的循环量大，混合效果较好。但对气泡的分散效果较差。,涡轮式搅拌器是一种典型的径向流搅拌器。由于涡轮的叶片对液体旋以径向离心力，因而液体在离心力作用下从轴向流入后再从径向流出，使之