生物反应器的设计省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物反应器设计生物反应器设计资源与环境工程学院资源与环境工程学院1第1页第一章第一章 生物反应器结构和类型生物反应器结构和类型一一.生物反应器基本工程概念生物反应器基本工程概念(一一)生物反应器类型生物反应器类型 生物反应器生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产：利用生物催化剂进行生物技术产品生产 反应装置。反应装置。分类方法分类方法：1.按按操作方式操作方式：间歇式（分批式），连续式，半连续式：间歇式（分批式），连续式，半连续式 2.按几何构型及按几何构型及结构特征结构特征：罐式罐式(高径比高径比13)，管式管式(长径比长径比30)，塔式塔式(竖立高径比竖立高径比10)，膜式（内有膜件）膜式（内有膜件）.3.按反应器所需按反应器所需能量输入方式能量输入方式：机械搅拌式，气升式，环流式。机械搅拌式，气升式，环流式。2第2页 4.按生物催化剂在反应器中按生物催化剂在反应器中分布方式分布方式：生物团块反应器，生物膜反应器。生物团块反应器，生物膜反应器。5.按固相催化剂按固相催化剂运动状态运动状态：填充床，流化床，生物转盘等填充床，流化床，生物转盘等 6.按反应体系按反应体系相态相态：均相，非均相均相，非均相(固定床固定床,流化床流化床)7.按流体按流体流动状态流动状态：理想反应器，非理想反应器理想反应器，非理想反应器 8.按按催化剂类型催化剂类型：微生物反应器（发酵罐），酶反应器微生物反应器（发酵罐），酶反应器 9.按按培养对象培养对象：微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器3第3页4第4页间歇操作间歇操作 特征特征：反应物料一次加入一次卸出；反应物料一次加入一次卸出；反应器物系组成仅随时间而改变，即底物浓度和产反应器物系组成仅随时间而改变，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而改变。物浓度及细胞浓度只随反应时间而改变。所以它是一个所以它是一个非稳态过程非稳态过程。适合于适合于：多品种，小批量，反应速率较慢反应过程。：多品种，小批量，反应速率较慢反应过程。5第5页6第6页连续反应器连续反应器 特点特点：原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。反应器内任何部位物系组成均不随时间而变。反应器内任何部位物系组成均不随时间而变。因而属于因而属于稳态操作稳态操作。优点优点：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。缺点缺点：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。7第7页半连续反应器半连续反应器 特点特点：原料与产物只有其中一个是连续输入或输出，原料与产物只有其中一个是连续输入或输出，而其余则是分批加入或输出。而其余则是分批加入或输出。优点优点：可减缓底物对细胞生长抑制作用；可减缓底物对细胞生长抑制作用；实现细胞高密度培养；实现细胞高密度培养；既能够提升反应器生产能力，也有利于下游加工过程。既能够提升反应器生产能力，也有利于下游加工过程。（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）8第8页(二)生物反应器设计内容生物反应器设计内容 反应器设计基本准则反应器设计基本准则：操作状态最正确化操作状态最正确化。反应器设计主要内容反应器设计主要内容：1.反应器选型反应器选型：操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。2.设计反应器结构，计算所需反应器体积，确定各种结构设计反应器结构，计算所需反应器体积，确定各种结构 参数：反应器内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、参数：反应器内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、大小及转速，换热方式及换热面积等。大小及转速，换热方式及换热面积等。3.确定最正确操作条件及其控制方式确定最正确操作条件及其控制方式：温度，压力，温度，压力，pH值，通气量，底物浓度，物料流量等。值，通气量，底物浓度，物料流量等。9第9页 与普通化学反应器不一样之处与普通化学反应器不一样之处：1.预防反应器堵塞预防反应器堵塞 2.控制搅拌器转速控制搅拌器转速 3.防止染菌防止染菌 10第10页(三三)生物反应器开发趋势生物反应器开发趋势 1.开发活性高、选择性好及寿命长生物催化剂；开发活性高、选择性好及寿命长生物催化剂；2.建立描述生化反应过程各种数学模型；建立描述生化反应过程各种数学模型；3.大型化生物反应器开发研究；大型化生物反应器开发研究；4.特殊要求新型生物反应器研制开发。特殊要求新型生物反应器研制开发。11第11页(四四)硕士物反应器目标硕士物反应器目标 1.确定该生物产品到达一定产量需要多大生物反应器，确定该生物产品到达一定产量需要多大生物反应器，什么结构更加好。什么结构更加好。2.结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化，结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化，为生物加工过程提供最正确环境条件，并处理放大技术。为生物加工过程提供最正确环境条件，并处理放大技术。12第12页 二二.生物反应器设计计算基础生物反应器设计计算基础(一一)生物反应器基本设计方程生物反应器基本设计方程 反应物系组成及操作参数反应物系组成及操作参数反应组分转化速率反应组分转化速率 反应器体积反应器体积 反应器设计基本方程有三类反应器设计基本方程有三类：物料衡算式物料衡算式：描述浓度改变（依据：描述浓度改变（依据质量守恒定质量守恒定律）律）能量衡算式能量衡算式：描述温度改变（依据：描述温度改变（依据能量守恒定律能量守恒定律）动量衡算式动量衡算式：描述压力改变（依据：描述压力改变（依据动量守恒定律动量守恒定律）13第13页变量变量：因变量因变量：反应组分浓度或转化率；反应物系压力或温度。反应组分浓度或转化率；反应物系压力或温度。自变量自变量：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自 变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。控制体积控制体积：是指建立衡算式空间范围，其选择标准是以能把是指建立衡算式空间范围，其选择标准是以能把 反应速率视作定值最大空间范围作为控制体积。反应速率视作定值最大空间范围作为控制体积。可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体 作为控制体积。作为控制体积。微元体微元体：指一微分体积，它能够反应出可能发生全部过程和指一微分体积，它能够反应出可能发生全部过程和 现象。它体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。现象。它体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。14第14页 1.物料衡算式物料衡算式 衡算组分衡算组分：可选底物，产物，或细胞做衡算；：可选底物，产物，或细胞做衡算；衡算时间基准衡算时间基准：可取某一段时间或取某一瞬时微分时间；：可取某一段时间或取某一瞬时微分时间；衡算空间范围衡算空间范围：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。对反应物做物料衡算对反应物做物料衡算：组分进入该体积单元量组分进入该体积单元量 =组分流出该体积单元量组分流出该体积单元量 +体积单元内组分转化量体积单元内组分转化量 +体积单元内组分累积量体积单元内组分累积量 15第15页 对产物做物料衡算对产物做物料衡算：组分进入该体积单元量组分进入该体积单元量 =组分流出该体积单元量组分流出该体积单元量 体积单元内组分体积单元内组分生成量生成量 +体积单元内组分累积量体积单元内组分累积量 对细胞做物料衡算对细胞做物料衡算：细胞进入该体积单元量细胞进入该体积单元量 =细胞流出该体积单元量细胞流出该体积单元量+体积单元内细胞生长量体积单元内细胞生长量 +体积单元内细胞死亡量体积单元内细胞死亡量+体积单元内细胞累积量体积单元内细胞累积量 16第16页 2.能量衡算式能量衡算式 普通只作热量衡算，在一定时间范围内：普通只作热量衡算，在一定时间范围内：单位时间内输入热量单位时间内输入热量=单位时间内输出热量单位时间内输出热量 +单位时间内反应热单位时间内反应热 +单位时间内累积热量单位时间内累积热量 若为放热反应，则等号右边第二项取负号；若为放热反应，则等号右边第二项取负号；若为吸热反应则取正号。若为吸热反应则取正号。17第17页3.动量衡算式动量衡算式 生物反应器普通可做恒压处理，所以动量衡算式可略去。生物反应器普通可做恒压处理，所以动量衡算式可略去。总之，上述基本衡算式均符合以下模式：总之，上述基本衡算式均符合以下模式：输入输入=输出输出+消耗消耗+累积累积 在定态下，即全部状态参数均不随时间改变上时，累在定态下，即全部状态参数均不随时间改变上时，累 积项均为零。积项均为零。18第18页(二二)生物反应器内流体流动与混合生物反应器内流体流动与混合 1.基本概念：基本概念：粒子年纪粒子年纪：物料粒子物料粒子(分子或其凝聚体分子或其凝聚体)进入反应器后所经历时间。进入反应器后所经历时间。停留时间停留时间：粒子离开反应器时年纪。：粒子离开反应器时年纪。返混返混：反应器内不一样年纪粒子间混合：反应器内不一样年纪粒子间混合(对对连续流连续流而言而言)。产生返混原因产生返混原因：反应器内死角区，反应器内死角区，沟流或短路，沟流或短路，流体在管内速度分布不均（管式反应器），流体在管内速度分布不均（管式反应器），猛烈搅动（釜式反应器）等。猛烈搅动（釜式反应器）等。19第19页 2.流动情况：流动情况：理想流动模型理想流动模型：平推流模型平推流模型无返混无返混 全混流模型全混流模型全返混全返混 非理想流动模型非理想流动模型：轴向扩散模型和多釜串联模型等，轴向扩散模型和多釜串联模型等，介于无返混和全返混之间。介于无返混和全返混之间。20第20页 (三三)平推流管式反应器计算平推流管式反应器计算 1.基本概念：基本概念：平推流平推流：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直截：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直截 面上，各粒子流速和流向完全相同。面上，各粒子流速和流向完全相同。平推流反应器平推流反应器：反应器内流体流动形式为平推流，如：反应器内流体流动形式为平推流，如 均相管式反应器，长径比大且流速高均相管式反应器，长径比大且流速高 固定床反应器。固定床反应器。Plug Flow Reactor,简写为简写为PFR)特征特征：全部物料粒子在反应器中停留时间完全相同，不存全部物料粒子在反应器中停留时间完全相同，不存 在返混。在返混。在同一截面上物料组成不随时间改变，但随物料流动在同一截面上物料组成不随时间改变，但随物料流动 方向而改变。方向而改变。21第21页 2.计算：计算：取反应器中某一微元体积取反应器中某一微元体积dVdV作物料衡算：作物料衡算：进入量进入量 排出量排出量=反应量反应量+积累量积累量 F csF(cs+dcs)=v dV+0 即即：-F dcs=v dV 对整个反应器而言对整个反应器而言：(平推流反应器设计方程平推流反应器设计方程)v：反应速度反应速度，mol/(L.min)；cs：底物浓度底物浓度,mol/L；V：反应器有效体积，反应器有效体积，L；F：物料流量物料流量,L/min；：物料在反应器中停留时间物料在反应器中停留时间，min.22第22页23第23页 (四四)全混流罐式反应器计算全混流罐式反应器计算 1.全混流模型特征全混流模型特征：进入反应器新物料与反应器内原有物料能够在瞬间进入反应器新物料与反应器内原有物料能够在瞬间 到达完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓到达完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓 度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。与之相对应反应器称为全混流反应器：与之相对应反应器称为全混流反应器：连续罐式反应器连续罐式反应器。(Continuous Stirred Tank Reactor,简写为简写为 CSTR)24第24页 2.计算：计算：对稳态下全混流反应器作物料衡算：对稳态下全混流反应器作物料衡算：进入量进入量 排出量排出量=反应量反应量+积累量积累量 Fcs0 Fcs=vV+0 即：即：（全混流反应器基础设计方程式）（全混流反应器基础设计方程式）对于酶催化反应：将米氏方程代入对于酶催化反应：将米氏方程代入 对微生物反应器：将对微生物反应器：将Monod方程代入方程代入 25第25页三三.微生物细胞反应器微生物细胞反应器 微生物细胞反应器微生物细胞反应器：为微生物提供一个适宜生长环境，使之快速繁殖并为微生物提供一个适宜生长环境，使之快速繁殖并 且产生有用物质或对某种物质进行转化，以到达提供某且产生有用物质或对某种物质进行转化，以到达提供某 种产品或为社会服务目标。种产品或为社会服务目标。微生物反应器应具备必要条件微生物反应器应具备必要条件：尽可能防止杂菌污染；尽可能防止杂菌污染；反应器内尽可能降低死角；反应器内尽可能降低死角；全部阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌；全部阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌；反应器结构简单，轻易清扫；反应器结构简单，轻易清扫；罐体各部件要有一定强度，以承受一定压力。罐体各部件要有一定强度，以承受一定压力。26第26页 发酵过程中几个特殊问题发酵过程中几个特殊问题：要为系统供给充分氧气；要为系统供给充分氧气；剪应力敏感性；剪应力敏感性；发酵液流变特征；发酵液流变特征；絮凝作用；絮凝作用；杂菌污染；杂菌污染；发酵过程参数检测与控制，与其它化学过程相比，发酵过程参数检测与控制，与其它化学过程相比，要困难得多。要困难得多。27第27页发酵设备分类发酵设备分类：按对氧要求按对氧要求分类：分类：好氧发酵罐，好氧发酵罐，厌氧发酵罐厌氧发酵罐 按按产生搅拌动力产生搅拌动力分类：分类：机械搅拌式，机械搅拌式，气流搅拌式气流搅拌式28第28页罐罐 式式 发发 酵酵 器器(一一)机械搅拌通气式发酵罐机械搅拌通气式发酵罐 工业上最惯用一个微生物反应器，现有机械搅拌工业上最惯用一个微生物反应器，现有机械搅拌 又有压缩空气分布装置。又有压缩空气分布装置。1.搅拌器搅拌器 主要功效主要功效：打坏空气气泡，增加气液接触面积，以提升气液间打坏空气气泡，增加气液接触面积，以提升气液间 传质速率；传质速率；使发酵液充分混合；使发酵液充分混合；使液体中固形物料保持悬浮状态；使液体中固形物料保持悬浮状态；促进发酵热散失。促进发酵热散失。29第29页 类型类型：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。大多采取涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。大多采取涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。在相同是搅拌功率在相同是搅拌功率 下粉碎气泡能力：下粉碎气泡能力：平叶式平叶式弯叶式弯叶式 箭叶式箭叶式30第30页 尺寸尺寸：搅拌器直径与罐径之比可在搅拌器直径与罐径之比可在1/3-1/2之间。之间。可依据发酵罐容积，在同一个搅拌轴上配置多可依据发酵罐容积，在同一个搅拌轴上配置多 个搅拌器。个搅拌器。叶片数目叶片数目：4叶，叶，6叶，叶，8叶，以叶，以6叶叶居多。居多。在在H/D不大时，搅拌器通常使用单浆；不大时，搅拌器通常使用单浆；若若H/D较大，需采取多浆装置。较大，需采取多浆装置。各浆间距为各浆间距为(1-2.5)d（d:浆叶外径），浆叶外径），最底部浆与罐底间距为最底部浆与罐底间距为(0.8-1)D（D:D:罐内径）。罐内径）。位置位置：上伸轴，下伸轴上伸轴，下伸轴31第31页32第32页33第33页 2.挡板挡板 主要功效主要功效：使沿壁旋转流动液体折向轴心，使沿壁旋转流动液体折向轴心，消除搅拌时形成旋涡。消除搅拌时形成旋涡。尺寸尺寸：挡板宽度通常为罐内径挡板宽度通常为罐内径1/8-1/12。位置位置：在器壁设有几块垂直挡板。普通安装在器壁设有几块垂直挡板。普通安装4-6块块。34第34页35第35页 3.换热装置换热装置 主要功效主要功效：将发酵过程中生物氧化产生热量和机械搅拌产生将发酵过程中生物氧化产生热量和机械搅拌产生 热量及时移去，以确保发酵正常进行。热量及时移去，以确保发酵正常进行。Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌 Q空气空气-Q辐射辐射 Q生物生物：生物氧化产生热量；：生物氧化产生热量；Q搅拌搅拌 ：搅拌器搅动液体时产生热量；：搅拌器搅动液体时产生热量；Q空气空气：通入发酵罐内空气因为发酵液中水分蒸发及空气：通入发酵罐内空气因为发酵液中水分蒸发及空气 温升所带走热量；温升所带走热量；Q辐射辐射：因为罐外壁壁温与大气温差而引发热量传递：因为罐外壁壁温与大气温差而引发热量传递 。36第36页 类型类型：夹套换热器夹套换热器：普通小型发酵罐多采取（容积为：普通小型发酵罐多采取（容积为5 m3以下）；以下）；蛇管换热器蛇管换热器：大中型发酵罐多采取（容积为：大中型发酵罐多采取（容积为5 m3以上以上 ）。）。37第37页 4.消沫装置消沫装置 主要功效主要功效：将发酵过程中产生泡沫破碎。：将发酵过程中产生泡沫破碎。类型类型：耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。也可加消泡剂。也可加消泡剂。机械搅拌通气式发酵罐优点：机械搅拌通气式发酵罐优点：操作弹性大，操作弹性大，pHpH值和温度易于控制；值和温度易于控制；有较规范工业放大方法；有较规范工业放大方法；适合连续培养。适合连续培养。对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特征培养液发对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特征培养液发 酵过程更为适用。酵过程更为适用。38第38页 缺点：缺点：驱动功率大；驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染；内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染；在丝状菌培养中因为搅拌器剪切作用，在丝状菌培养中因为搅拌器剪切作用，细胞易受损伤。细胞易受损伤。39第39页(二二)自吸式发酵罐自吸式发酵罐 特点特点：不需要空气压缩机供给压缩空气，而是利用搅拌器：不需要空气压缩机供给压缩空气，而是利用搅拌器 旋转时产生抽吸力吸入空气。旋转时产生抽吸力吸入空气。搅拌器搅拌器：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中 心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。40第40页优点优点：利用机械搅拌抽吸作用将空气自吸入反应器内，达利用机械搅拌抽吸作用将空气自吸入反应器内，达 到到既通风又搅拌既通风又搅拌目标，从而省去了压缩机。目标，从而省去了压缩机。缺点缺点：进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要 求较高发酵生产是不宜；求较高发酵生产是不宜；搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正 常生长。常生长。41第41页42第42页塔塔 式式 反反 应应 器器 （一个高径比较大非机械式生物反应器）（一个高径比较大非机械式生物反应器）主要优点主要优点：省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成染菌；省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成染菌；反应器结构简单；反应器结构简单；功率消耗小；功率消耗小；降低了剪切作用对细胞损害；降低了剪切作用对细胞损害；溶氧速率高。溶氧速率高。43第43页 结构原理：塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，一方面延长了空气与培养液接触时间，其次不停 形成新气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。类型：最有代表性是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。44第44页(三三)鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板多层筛板。原理原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液空气泡上升：无须机械搅拌装置，利用通入培养液空气泡上升 时动力带动液体运动，到达混合效果。时动力带动液体运动，到达混合效果。特点特点：高径比较大，普通在：高径比较大，普通在6:1-10:1之间，空气进入培养液之间，空气进入培养液 后有较长停留时间。后有较长停留时间。多孔筛板作用多孔筛板作用：阻截气泡，既延长气体停留时间，又：阻截气泡，既延长气体停留时间，又 使空气在反应器内经屡次聚并与分散。使空气在反应器内经屡次聚并与分散。45第45页46第46页 优点优点：发酵罐结构简单，发酵罐结构简单，造价较低，造价较低，动力消耗少，动力消耗少，操作成本低且噪声小，操作成本低且噪声小，防止了机械搅拌反应器中轴封不严密造成杂菌污染。防止了机械搅拌反应器中轴封不严密造成杂菌污染。缺点缺点：塔体高度大，需要在室外安装；塔体高度大，需要在室外安装；需要压力较高压缩空气以克服罐内液体静压力。需要压力较高压缩空气以克服罐内液体静压力。较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低发酵较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低发酵 过程。过程。47第47页(四四)环流式发酵罐环流式发酵罐 1.气升环流式发酵罐气升环流式发酵罐 结构特点结构特点：不设机械搅拌装置，但在罐外设：不设机械搅拌装置，但在罐外设体外循环管体外循环管，或在罐内设或在罐内设导流筒导流筒或或垂直隔板垂直隔板。原理原理：通入空气一侧，液体因其平均密度下降而上升，：通入空气一侧，液体因其平均密度下降而上升，不通气一侧则因液体密度较大而下降，因而在不通气一侧则因液体密度较大而下降，因而在 反应器内形成液体环流，大大强化了氧传递。反应器内形成液体环流，大大强化了氧传递。优点优点：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，防止了机：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，防止了机 械搅拌反应器中轴封不严所带来杂菌污染问题。械搅拌反应器中轴封不严所带来杂菌污染问题。不适合用于不适合用于：高黏度或含大量固体培养液。：高黏度或含大量固体培养液。48第48页49第49页 2.喷射环流式发酵罐喷射环流式发酵罐 原理原理：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强 剪切力场，将射入空气在液相中分散为小气泡。剪切力场，将射入空气在液相中分散为小气泡。在反应器内重新聚并起来大气泡，经过环流得以在反应器内重新聚并起来大气泡，经过环流得以 再度分散，从而加紧传质速率。再度分散，从而加紧传质速率。优点优点：与机械搅拌式发酵罐相比，在一样能耗下，喷射：与机械搅拌式发酵罐相比，在一样能耗下，喷射 环流式发酵罐氧传递速率要高得多。环流式发酵罐氧传递速率要高得多。(五五)连续管道发酵器连续管道发酵器 所用管道能够是直管也能够是蛇管。所用管道能够是直管也能够是蛇管。主要用于厌氧发酵。主要用于厌氧发酵。50第50页51第51页(六六)基因工程菌发酵罐基因工程菌发酵罐 1.基因工程菌：经过基因操作得到基因工程菌：经过基因操作得到DNA重组微生物。重组微生物。2.需尤其注意问题需尤其注意问题：发酵罐内微生物泄漏。：发酵罐内微生物泄漏。3.造成泄漏原因造成泄漏原因：排气排气：需经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放。：需经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放。轴封泄漏轴封泄漏：90升以下发酵罐，可采取磁力搅拌；较大升以下发酵罐，可采取磁力搅拌；较大 发酵罐应采取双端面密封。发酵罐应采取双端面密封。取样取样：取样后用蒸汽将相关管道灭菌，冲出污物经专：取样后用蒸汽将相关管道灭菌，冲出污物经专 门管道搜集到污物贮罐，最终统一灭菌处理。门管道搜集到污物贮罐，最终统一灭菌处理。接种和放料接种和放料：52第52页53第53页 四四.酶反应器酶反应器 以酶为催化剂进行生物催化反应装置称为酶反应器以酶为催化剂进行生物催化反应装置称为酶反应器，催化剂能够是溶液酶，也能够是固定化酶。催化剂能够是溶液酶，也能够是固定化酶。形形 式式 操操 作作 方方 式式 说说 明明均相酶均相酶 搅拌罐搅拌罐分批，流加分批，流加机械搅拌机械搅拌反应器反应器 超滤膜反应器超滤膜反应器分批，流加，连续分批，流加，连续经过膜将酶保留在反应器内固定化固定化 搅拌罐搅拌罐分批，流加，连续分批，流加，连续固定化酶悬浮于固定化酶悬浮于酶及固酶及固反应器内，不排出反应器内，不排出定化细定化细 固定床固定床连续连续广泛应用于固定化酶与广泛应用于固定化酶与固定化细胞中固定化细胞中胞反应胞反应 流化床流化床分批，连续分批，连续靠流体流动使固定化酶靠流体流动使固定化酶悬浮在流体中悬浮在流体中器器膜式反应器膜式反应器连续连续经过膜将固定化酶保留在反应器鼓泡塔鼓泡塔分批，连续分批，连续适适用于有气体参加反应54第54页55第55页 游离酶游离酶：反应结束后催化剂极难回收，但可取得较高产物收率。反应结束后催化剂极难回收，但可取得较高产物收率。固定化酶固定化酶：酶易于回收重复使用。酶易于回收重复使用。（一）间歇式酶反应器（一）间歇式酶反应器 通常为带有搅拌器罐式反应器，通常为带有搅拌器罐式反应器，设置有夹套或盘管方便加热或冷却罐设置有夹套或盘管方便加热或冷却罐 内物料，控制反应温度。内物料，控制反应温度。主要用于游离酶反应，普通并不回收游离酶。固定化主要用于游离酶反应，普通并不回收游离酶。固定化 酶极少使用在间歇反应器中。酶极少使用在间歇反应器中。56第56页（二）连续搅拌罐式酶反应器（二）连续搅拌罐式酶反应器（CSTR）结构结构：与间歇罐式反应器基本相同。：与间歇罐式反应器基本相同。特点特点：连续进料，连续出料；连续进料，连续出料；罐内各点浓度均匀一致，罐内各点浓度均匀一致，且等于流出液浓度；且等于流出液浓度；易于控制温度和易于控制温度和pH值；值；能处理胶态和不溶性底物。能处理胶态和不溶性底物。优点优点：造价低，装置比较简单；造价低，装置比较简单；反应能快速到达稳定状态；反应能快速到达稳定状态；传质阻力也可降到最低程度。传质阻力也可降到最低程度。57第57页 缺点缺点：搅拌浆产生剪切力较大，常会引发固定化酶破坏。搅拌浆产生剪切力较大，常会引发固定化酶破坏。改良办法改良办法：将固定化酶固定在搅拌轴上，或放置在与搅拌轴一起将固定化酶固定在搅拌轴上，或放置在与搅拌轴一起 转动金属网筐内，既不损坏固定化酶，又使酶不致流失。转动金属网筐内，既不损坏固定化酶，又使酶不致流失。为使反应器内酶浓度一定，可为使反应器内酶浓度一定，可采取以下办法采取以下办法：溶液中连续流加酶；溶液中连续流加酶；使用多孔膜使酶滞留于溶液中；使用多孔膜使酶滞留于溶液中；出口处用筛网罩住；出口处用筛网罩住；酶被固定在搅拌轴上容器内；酶被固定在搅拌轴上容器内；溶液快速循环经过固定化酶柱。溶液快速循环经过固定化酶柱。58第58页59第59页（三）固定床酶反应器（三）固定床酶反应器 特点特点：当原料经过固体催化剂床层时，催化剂颗粒静止不动。当原料经过固体催化剂床层时，催化剂颗粒静止不动。固定化酶形状固定化酶形状：球形，碟形，薄片，小珠等。球形，碟形，薄片，小珠等。流动形态流动形态：靠近于靠近于平推流平推流，可近似认为是平推流反应器。，可近似认为是平推流反应器。沿柱方向底物及产物浓度是逐步改变，沿柱方向底物及产物浓度是逐步改变，但在同一横切面上浓度是一致但在同一横切面上浓度是一致。60第60页61第61页 优点优点：单位反应器容积催化剂颗粒装填密度高；单位反应器容积催化剂颗粒装填密度高；结构简单，建造费用低；结构简单，建造费用低；适于轻易磨损固定化酶；适于轻易磨损固定化酶；当有产物抑制时，采取这种反应器可取得较高产率。当有产物抑制时，采取这种反应器可取得较高产率。但假如有底物抑制时，就不十分适合了。但假如有底物抑制时，就不十分适合了。缺点缺点：传热传质系数相对较低；传热传质系数相对较低；固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力；固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力；当反应液内含有固体物料时不宜采取此反应器，固体物当反应液内含有固体物料时不宜采取此反应器，固体物 质会引发床层堵塞。质会引发床层堵塞。62第62页（四）流化床酶反应器（四）流化床酶反应器 特点特点：经过流体自下而上流动使反应器内装填固定化酶经过流体自下而上流动使反应器内装填固定化酶 颗粒在流体中保持悬浮状态，即以流态化状态进行反应。颗粒在流体中保持悬浮状态，即以流态化状态进行反应。优点优点：流体与固体充分接触，流体与固体充分接触，混合程度高，传热传质性能良好；混合程度高，传热传质性能良好；可用于处理粘性大和含有固体颗可用于处理粘性大和含有固体颗 粒底物，不易堵塞。粒底物，不易堵塞。缺点缺点：不适合于有产物抑制反应。不适合于有产物抑制反应。63第63页 （五）膜式酶反应器（五）膜式酶反应器 原理原理：利用膜将分子量较大酶及底物截留在酶反应利用膜将分子量较大酶及底物截留在酶反应 器内，从而到达酶重复使用及与产物分离目标。器内，从而到达酶重复使用及与产物分离目标。膜作用膜作用：可使酶重复使用以使反应可使酶重复使用以使反应体系维持较高酶浓度；体系维持较高酶浓度；可把产物不停地从反应体系中分离出去以降低产物对反可把产物不停地从反应体系中分离出去以降低产物对反 应抑制作用，从而提升反应器生产能力。应抑制作用，从而提升反应器生产能力。64第64页 膜种类膜种类：按孔径从小到大依次分为：按孔径从小到大依次分为：反渗透膜反渗透膜(RO)超滤膜超滤膜(UF)微滤膜微滤膜(MF)普通滤膜普通滤膜 依据膜性质不一样分为依据膜性质不一样分为：固体膜反应器固体膜反应器 液体膜反应器液体膜反应器65第65页 1.固体膜反应器固体膜反应器 适合于适合于：大分子或小分子底物转化为小分子产物酶反应；大分子或小分子底物转化为小分子产物酶反应；尤其适合于水解酶类酶反应。尤其适合于水解酶类酶反应。优点优点：底物可按需要定量地进入反应器，操作比较方便；底物可按需要定量地进入反应器，操作比较方便；酶能够游离方式起作用，消除了因固定化而带来酶能够游离方式起作用，消除了因固定化而带来 酶活损失；酶活损失；反应器本身易于清洁和消毒，反应条件易于控制；反应器本身易于清洁和消毒，反应条件易于控制；膜价格不太高。膜价格不太高。66第66页67第67页 全混搅拌釜全混搅拌釜超滤膜反应器超滤膜反应器：酶处于水溶液状态。利用超滤膜分离器使小分子生酶处于水溶液状态。利用超滤膜分离器使小分子生 成物透过超滤膜微孔而排出，而像酶这么大分子则被成物透过超滤膜微孔而排出，而像酶这么大分子则被 截留在超滤膜表面上，同时利用泵压强将截留在膜表面截留在超滤膜表面上，同时利用泵压强将截留在膜表面 大分子化合物压回搅拌釜重新使用。大分子化合物压回搅拌釜重新使用。68第68页适合用于适合用于：产物为小分子化合物酶促反应，：产物为小分子化合物酶促反应，也可用于水不溶性底物和胶体状底物。也可用于水不溶性底物和胶体状底物。优点优点：效率高，能够在反应同时把生成产物分离出来。：效率高，能够在反应同时把生成产物分离出来。缺点缺点：不轻易得到能长久稳定操作酶；：不轻易得到能长久稳定操作酶；膜上吸附酶轻易形成浓差极化，影响透过液通量。膜上吸附酶轻易形成浓差极化，影响透过液通量。69第69页 2.中空纤维膜反应器中空纤维膜反应器 原理原理：把酶结合于半透性中空纤维上，这种半透膜只允把酶结合于半透性中空纤维上，这种半透膜只允 许底物和产物等小分子量物质经过，而分子量较大酶许底物和产物等小分子量物质经过，而分子量较大酶 则不能。则不能。结构结构：内层紧密光滑，并有一定分子截留值，可截留大分内层紧密光滑，并有一定分子截留值，可截留大分 子物质而允许不一样小分子物质经过。子物质而允许不一样小分子物质经过。外层是多孔海绵状支持层。外层是多孔海绵状支持层。膜材料膜材料：纤维素衍生物，如：硝化纤维，醋酸纤维素；：纤维素衍生物，如：硝化纤维，醋酸纤维素；聚酰胺，聚砜等。聚酰胺，聚砜等。70第70页71第71页 优点优点：纤维膜比表面积较大，管径很小，并能能承受较大纤维膜比表面积较大，管径很小，并能能承受较大 压力；压力；传质阻力较小；传质阻力较小；对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶；对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶；含酶溶液被固封在海绵状结构层孔隙中，酶在溶液含酶溶液被固封在海绵状结构层孔隙中，酶在溶液 中是自由，消除了固定化酶技术中存在对酶位中是自由，消除了固定化酶技术中存在对酶位 阻现象和减活作用。阻现象和减活作用。72第72页73第73页 3.循环式膜反应器循环式膜反应器 特点特点：反应器与分离装置是分开。：反应器与分离装置是分开。生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离，然生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离，然 后再循环至反应器中应用。后再循环至反应器中应用。类型类型：超滤膜酶反应器，透析膜酶反应器等。：超滤膜酶反应器，透析膜酶反应器等。应用应用：酶催化橄榄油水解，酶催化橄榄油水解，葡萄糖发酵制乙醇，葡萄糖发酵制乙醇，发酵法制取丙酮和丁醇等。发酵法制取丙酮和丁醇等。74第74页 综合评述综合评述：通常选择反应器时应考虑以下原因：通常选择反应器时应考虑以下原因：（1）固定化酶形状：颗粒，纤维，管或膜。固定化酶形状：颗粒，纤维，管或膜。（2）底物性质：可溶性，颗粒或胶态。）底物性质：可溶性，颗粒或胶态。（3）反应过程：是否要求控制）反应过程：是否要求控制pH或供给氧气和预防杂菌或供给氧气和预防杂菌 污染等。污染等。（4）酶反应动力学特征。）酶反应动力学特征。（5）载体负荷能力，即偶联酶量。）载体负荷能力，即偶联酶量。（6）固定化酶稳定性、更换及再生难易。）固定化酶稳定性、更换及再生难易。75第75页（7）固定化酶表面积）固定化酶表面积/反应器体积比值。反应器体积比值。（8）物质传递特征：内扩散和外扩散影响。）物质传递特征：内扩散和外扩散影响。（9）反应器制造难易。）反应器制造难易。（10）操作要求及反应器成本：包含制造和运转成本。）操作要求及反应器成本：包含制造和运转成本。（11）反应器管理难易。）反应器管理难易。（12）固定化酶大小，机械强度和密度。）固定化酶大小，机械强度和密度。（13）生产产量大小。）生产产量大小。76第76页 五五.动植物细胞培养用反应器动植物细胞培养用反应器 动植物细胞培养意义动植物细胞培养意义：能够生产许多主要，原先难以生产或无法生产能够生产许多主要，原先难以生产或无法生产 生物产品。生物产品。动物细胞培养动物细胞培养珍贵药品和特殊酶；珍贵药品和特殊酶；植物细胞培养植物细胞培养有效生物转化，而取得许多主要有效生物转化，而取得许多主要 产品产品促进植物遗传工程发展。促进植物遗传工程发展。77第77页 动植物细胞培养与微生物培养区分动植物细胞培养与微生物培养区分：动物细胞动物细胞没有细胞壁，对搅拌引发流体剪切力十分敏感；没有细胞壁，对搅拌引发流体剪切力十分敏感；大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长；大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长；对培养基要求高，要求含有各种氨基酸，血清，维生素，对培养基要求高，要求含有各种氨基酸，血清，维生素，无机盐等；无机盐等；培养条件苛刻，对于溶氧浓度，培养条件苛刻，对于溶氧浓度，pH值及温度等都要求严格；值及温度等都要求严格；生长比微生物慢得多，培养时间长；生长比微生物慢得多，培养时间长；易染菌，要严格防污染。易染菌，要严格防污染。78第78页(一一)动物细胞培养用反应器动物细胞培养用反应器 1.动物细胞培养过程特征动物细胞培养过程特征 生长速率慢，易为微生物等污染，采取加入抗生素等办法；生长速率慢，易为微生物等污染，采取加入抗生素等办法；细胞个体大且无壁，对环境敏感，应处理供氧（搅拌与通细胞个体大且无壁，对环境敏感，应处理供氧（搅拌与通 风）与细胞脆弱矛盾；风）与细胞脆弱矛盾；设备放大不能完全照搬微生物反应过程经验；设备放大不能完全照搬微生物反应过程经验；反应过程成本高，但产物价格更昂贵。反应过程成本高，但产物价格更昂贵。当前利用大规模细胞培养方法生产产品主要有四大类：当前利用大规模细胞培养方法生产产品主要有四大类：疫苗疫苗，干扰素干扰素，单克隆抗体单克隆抗体，遗传重组产品遗传重组产品79第79页 2.反应器类型反应器类型 动物细胞按培养特征不一样分为两类：动物细胞按培养特征不一样