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1、第四章 生物反应器的操作模型,4.1 操作模型概论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力式：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）。实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种分类有利于对反应器进行模拟与放大。,根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、膜式等。若根据反应器所需能量的输入方式不同来分，则有通过机械搅拌输
2、入能量的机械搅拌反应器、利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。,几种酶反应器,几种细胞反应器,生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式,生物反应器分析（优化和放大）与设计,反应器体积,反应器型式,反应器操作方式,反应器结构,传递特性、流动与混合特性,生物反应动力学,生物反应器设计、优化与放大,本征动力学（微观动力学）,宏观动力学（总包动力学）,生物反应速度,2 基本设计方程生物反应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
3、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。,4.2 间歇式操作反应器的设计 间歇式操作的特点非稳态过程所有物料具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
4、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。,4.2.2 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,反应组分的转化速率一反应组分的累积速率,若设反应组分s的转化率为Xs，即,表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小,1 均相酶反应过程,如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关
5、系符合M-M方程,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:,对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模型则有：,举例5-1,假定反应过程发生在固定化酶颗粒内，反应速率不受外扩散限制，但受内扩散限制。设反应器中的空隙串(液相体积反应器有效体积)为L，则固定化酶颗粒所占的体积分数为(1-L)。在单位时间内、反应器中底物的消耗量为(1-L)VRrS，累积项则为反应器内液相中底物随时间的变化率为 LVRdcS/dt,2 固定化酶反应过程,通常当酶反应为一级反应，即cSK m时内扩散有效因子与转化率Xs的大小无关，等于常数。此时有：,如反应速本以单位催化剂的质量来
6、定义，并表示为rSW，则有,当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时，有效因子 1，则反应时间可由下式计算，即,3 细胞反应过程,4 最优反应时间的确定,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：,4.2.3 有效体积的计算,举例5-2,一牛顿型流体,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,4.3 反应过程的流体力学4.3.1 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
7、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
8、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。,4.3.2 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),4.3.3 流体的剪切作用,4.3.3.1 机械搅拌的剪切力,对于处于较高雷诺数(ReM625)的反应器系统这时可得dfd0.625,（3）最小湍流漩涡长度,4.3.3.2 气
9、流搅拌的剪切力,4.4 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。,汽液相间氧的传递与反应,一几个基本概念 溶解氧浓度COL：单位体积液体中可溶解氧的量 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=qO2CX 其中：CX 细胞浓度二影响细胞耗氧速率的因素 营养物
10、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：,
11、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,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,影响氧传递的因素,（1）饱和溶氧溶度c*OL,(2)液膜传质系数kL,双膜理论,(3)汽液比表面积a,(4)反应体系的流变特性,4.4.4 体积传质系数的测定
12、,一、亚硫酸氧化法 为非培养状态下测定kLa的方法 O2+2Na2SO3 2Na2SO4,二、动态法,当停止通风时，有：,下降到一定程度，恢复通风：,下降到一定程度，恢复通风：,三.物料平衡法,顺磁氧分析仪,4.5 机械搅拌反应器的结构与计算,筒体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、电动机与变速装置和空气分布器等，并在壳体的适当部位设置排气、取样、放料、接种、加酸或碱等管道接口以及人孔或视镜等部件。,4.5.1 反应器结构与操作参数,基本结构与尺寸,H筒高度；D罐径；W挡板宽度；HL液位高度；d搅拌器直径；s两搅拌器间距；B下搅拌器距底边距；,2)搅拌器的类型与特性,全挡板条件：,(3)通气速
13、率与搅拌速度,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。,4.5.2 搅拌功率的计算,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=KRem-1当搅拌雷诺准数大于104，液体处于湍流状态，x=0,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，Vg为通风量m3/min。,当气泡直径小于2.5mm时：,4.5.3 体积传质系数kLa的计算,当气泡直径小于2.5mm时：,例5-4,生物反应器操作时对温度控制要求比较严格，并且反应器设计时传热系统配置也是重要内容因此必须分析过程的热量平衡相反应器的传热速率。,4.6 反应过程的传热,QE=QB十QA-QS-QV-QR,4.6.1.1 过程的热量衡算,例5-5,反应器的换热计算,
