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1、第五章 间歇式操作反应器,5.1 生物反应器设计概论5.1.1 分类与特征按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶反应器；细胞生物反应器根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器根据生物催化剂在反应器的分布方式：生物团块反应器；生物膜反应器,根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型即全混流和平推流。根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、膜式等。根据反应器所需能量的输入方式不同来分，则有机械搅拌、气流搅拌和利用泵使液体强制循环的反应器。(几种常见的酶反应器和细胞反应器，见教材),5.1.2 基本设计方程生物反应
2、器设计的主要目标是寻求反应目的产物的高生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。生物反应器设计的基本内容包括：选择合适的反应器型式与操作方式。即根据生物催化剂和生物反应动力学特征，以及物料的特性和生产工艺特点，选择合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件；确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通气量、物料流量等工艺参数；计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。,反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积！,反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。,5.2 间歇式操作反应器的设计5.2.1 间歇式操作的特点非稳态过程所有物料具
3、有相同的停留时间和反应时间随着反应的进行，反应器的效率将降低,优点,较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应装置，可进行多品种的生产。较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用具有间歇操作特征的大容量生物反应器。分批进行的过程染菌率较低。,缺点,间歇操作反应器的缺点是：这种操作需要一定的辅助操作时间，生产效率较低；细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成速率与反应时间有关；下游产物分离必须分批进行等。,5.2.2 反应时间的计算,对液相反应如反应器有效体积不随时间发生变化，则有,反应组分的转化率=-反应组分的累积速率,
4、5.2.2.1 均相酶反应过程,当cs0Km时，即反应呈一级反应特征时:,当cs0Km时，即反应呈零级反应特征时:,5.2.2.3 细胞反应过程,5.2.2.4 最优化反应时间的计算,例如对均相酶反应，假定其动力学符合MM方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：,5.2.3 有效体积的计算,举例5-2,t=tr+tb,VR=V0(tr+tb),一牛顿型流体,式中:F/A流体剪切应力，N/m2/流体的粘度,Pas du/dy 流体速度梯度,s-1切变率气体、低分子液体常为牛顿型流体,表观黏度,5.3 反应过程的流体力学5.3.1 反应介质的流变特性,二非牛顿型流体,1 拟塑性流体（假
5、塑性流体）流动特性表达式：K n(0n1)式中：K稠度系数；n流动特性指数特点：K越大，流体越粘稠；n值越小，流体的非牛顿特性越明显。,2 涨塑性流体(膨胀型)流动特性表达式：K n(n1)；n值越大，流体的非牛顿特性越明显。,3 宾汉(Bingham)塑型流体流动特性表达式:0 式中:0屈服应力；刚度系数特点：当 0 时，流体不发生流动。,4 凯松(Casson)流体流动特性表达式：0.5 00.5Kc 0.5 Kc凯松粘度,总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给工艺过程控制与设备放大带来困难。在微生物反应过程中，随着细胞浓度和形态的变化、发
6、酵液里营养物质的消耗和代谢产物的积累，以及补料操作等等，都会使发酵液流动模型中的参数发生明显的变化，表现出明显的时变性。,下图是金色链霉菌发酵液的稠度系数K和流动特性指数n随发酵时间的变化情况。,5.3.2 影响流变性质的因素,当发酵液中的颗粒呈球形或接近球形，且其浓度较低时，悬浮液一般为牛顿流体，其粘度可根据Einstein公式计算：s=L(1+2.5)式中：s悬浮液粘度；L悬浮液中纯液相粘度；颗粒的体积分率。当颗粒所占的体积分率较大时，可按下式计算。s=L(1+2.5+7.352),5.3.3 流体的剪切作用,5.3.3.1 机械搅拌的剪切力,（1）积分剪切因子,图5-12 浆叶附近的速度
7、分布与切变速率估计,叶尖,壁面,对于处于较高雷诺数(ReM625)的反应器系统这时可得dfd0.625,（2）时均切变率,（3）Kolmogoroff(柯尔莫戈罗夫)漩涡长度,5.3.3.2 气流搅拌的剪切力,图5-16 气泡在鼓泡反应器中的经历,5.4 生物反应器中的氧传递,氧的特性：氧是一种难溶气体，25和1大气压时，空气中的氧在纯水中的平衡浓度仅8.5g/m3，由于盐析作用，8g/m3，仅是葡萄糖的1/6000。氧是构成细胞及其代谢产物的组分,通过体内糖、脂肪等生物氧化获得生命活动所需的能量。,5.4.1 气相间氧的传递与反应,一几个基本概念 溶解氧浓度CL 单位体积液体中可溶解氧的量
8、比耗氧速率(呼吸强度)QO2：单位质量的细胞(干重)在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/kgs)摄氧率r：单位体积培养液在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/m3s)r=QO2X 其中：X细胞浓度二影响细胞耗氧速率的因素 营养物质的种类和浓度、培养温度、pH、有害代谢物的积累、挥发性中间代谢物的损失等等。,三.氧的传递过程,(1)气相扩散到气-液界面阻力R1;,(2)通过气液界面的阻力R2;,(3)通过滞流区的阻力R3;,(4)液相传递阻力R4;,(5)细胞团外液膜阻力R5;,(6)液体与细胞团界面阻力R6;,(7)细胞之间的扩散阻力R7;,(8)进入细胞的阻力R8,在克服各阻力进行氧传
9、递时，要损失推动力。氧传递过程的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各步单位面积上氧的传递速率相等,四氧传递速率方程 当气液界面不存在表面活性物质时，界面阻力(R2)可忽略，主要传递阻力存在于气膜和液膜。氧传递达到稳态时：,式中：ci气液界面氧浓度(mol/m3)；c液相主体氧浓度；c*为与p平衡的氧浓度；kL、kG 分别为液膜与气膜传递系数；H 亨利常数；KL 以液膜为基准的总传质系数。,对于易溶气体，如氨气溶于水中时，液膜的传质阻力相对于气膜可忽略对于难溶气体，如氧气溶于水中时，气膜的传质阻力相对于液膜可忽略,两别同时乘以a(单位体积反应液中气液比表面积),kLa-体积传质系数,
10、五氧传递对细胞生长的影响,氧的传递速率与氧的消耗速率的关系,六最低溶氧浓度,5.4.2 影响氧传递的因素,(1)饱和溶解氧浓度,(2)液膜传质系数,(3)气液比表面积,一、亚硫酸氧化法 为非培养状态下测定kLa的方法 O2+2Na2SO3 2Na2SO4,5.4.3 体积传质系数的测定,二、动态法,当停止通风时，有：,下降到一定程度，恢复通风：,当气泡直径小于2.5mm时：,其中：液体与气体密度差；、液体的粘度、密度,5.4.4 体积传质系数kLa的计算,当气泡直径大于2.5mm时：,例5-4,5.5 机械搅拌反应器的结构与计算,5.5.1 反应器结构与操作参数（1）基本结构与尺寸,全挡板（即
11、在搅拌罐中再增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，基本不形成涡流）条件：,（2）搅拌器的类型与特征,（3）通气速率与搅拌速度,转速增加,通气速率增加,涡流可以通过挡板的安置消除，但挡板会增加功率消耗。经实验证实：在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数y为零，(Fr)y1。,5.5.2 搅拌功率的计算,Np搅拌功率特征数；ReM搅拌雷诺数；Fr-搅拌弗鲁特数；K-与搅拌器的形式和反应器几何尺寸相关的常数。,在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时y=0，Np仅是搅拌雷诺准数的函数。当搅拌雷诺准数小于10，x=-1，液体处于滞流状态，Np=KR-1em当搅拌雷诺准数大于104，液体处于湍流
12、状态，Np=K，即,当不满足以上条件时，需做出修正：P*=fP,带*号表示实际搅拌设备情况。当有多层搅拌器，功率为：Pm=P1+0.6(m-1)=P(0.4+0.6m)其中，m为搅拌器的层数。,通风状态下，搅拌功率将发生变化，此时引入通风准数Na.,其中，Qg为通风量m3/min。,5.6 反应过程的传热特性5.6.1 反应过程的传热,5.6.1.1 过程的热量衡算QE=QB+QA-QS-QV-QR其中：QB-生物反应热，J/(m3s)；QA-搅拌造成的放热速率，J/(m3s)；QS-通气带出的显热，J/(m3s)；QV-蒸发热，J/(m3s)；QR-反应液对环境的辐射热，J/(m3s)；,例5-5,5.6.1.2 过程的热量衡算,
