天津科技大学：《生物反应工程》课程教学资源（PPT课件）第七章 生物反应器

第七章 生物反应器

第七章 生物反应器

主要内容 1、生物反应器设计基础 2、酶反应器 3、通风式发酵设备 4、厌氧发酵设备 5、动植物反应器 6、生物反应器放大的 目的与方法

主要内容 1、生物反应器设计基础 2、酶反应器 3、通风式发酵设备 4、厌氧发酵设备 5、动植物反应器 6、生物反应器放大的 目的与方法

7.1 生物反应器设计基础 7.1.1 生物反应器设计的特点与生物学基础 生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点 是 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 中生物自身要生长繁殖。 生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优 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

7.1 生物反应器设计基础 7.1.1 生物反应器设计的特点与生物学基础 生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点 是 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 中生物自身要生长繁殖。 生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优 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

生物反应器的操作特性 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

生物反应器的操作特性 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

生物反应器的生物学基础 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： （7-1） 基质： （7-2） 产物： （7-3） 反应液体积： （7-4） VX F X FX (i 1,2,.n) dt dVX i i f i f i i =  + − = ( 1,2,. ) 1 VX F S FS j n dt dVS i f j f j n j j i j = − + − = =  ( 1,2,. ) 1 VX FP k n dt dVP i k n k ki k = − − = =  F F dt dV = f −

生物反应器的生物学基础 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： （7-1） 基质： （7-2） 产物： （7-3） 反应液体积： （7-4） VX F X FX (i 1,2,.n) dt dVX i i f i f i i =  + − = ( 1,2,. ) 1 VX F S FS j n dt dVS i f j f j n j j i j = − + − = =  ( 1,2,. ) 1 VX FP k n dt dVP i k n k ki k = − − = =  F F dt dV = f −

式中 ◼ F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； ◼ 下标i、j和k分别表示相应的细胞、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

式中 ◼ F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； ◼ 下标i、j和k分别表示相应的细胞、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

生物反应器设计的基本原理 生物反应器选型与设计的要点 1、选择适宜的生物催化剂。这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的设计。 7、检验与控制装置。 8、安全性。 9、经济性

生物反应器设计的基本原理 生物反应器选型与设计的要点 1、选择适宜的生物催化剂。这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的设计。 7、检验与控制装置。 8、安全性。 9、经济性

7.1.2 生物反应器中的混合 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

7.1.2 生物反应器中的混合 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 生物反应器中的传热 生物反应器中的能量平衡可表示为： （7-5） ◼ 式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率； ◼ Qag为搅拌造成的单位体积产热速率； ◼ Qgas为通风造成的单位体积产热速率； ◼ Qacc为体系中单位体积的积累产热速率； ◼ Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率； ◼ Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率； ◼ Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速 率。 Qmet + Qag + Qgas = Qacc + Qexch + Qevap + Qsen

7.1.3 生物反应器中的传热 生物反应器中的能量平衡可表示为： （7-5） ◼ 式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率； ◼ Qag为搅拌造成的单位体积产热速率； ◼ Qgas为通风造成的单位体积产热速率； ◼ Qacc为体系中单位体积的积累产热速率； ◼ Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率； ◼ Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率； ◼ Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速 率。 Qmet + Qag + Qgas = Qacc + Qexch + Qevap + Qsen

实际生物反应过程中的热量计算， 可采用如下方法： １、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最 大的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)

实际生物反应过程中的热量计算， 可采用如下方法： １、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最 大的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)