生物反應(yīng)工程第7章生物反應(yīng)器

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1、生 物 反 應(yīng) 工 程本 章 重 點(diǎn) ： 生 物 反 應(yīng) 器 的 定 義 與 分 類 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 原 則 ； CSTR與 CFTR反 應(yīng) 器 的 特 點(diǎn) 與 應(yīng) 用本 章 難 點(diǎn) ： 酶 CSTR與 CPFR反 應(yīng) 器 性 能 的 比 較 ； 動(dòng) 物 細(xì) 胞 微 載 體 反 應(yīng) 器 7.1 生 物 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 基 礎(chǔ)7.1.1 生 化 反 應(yīng) 器 的 分 類n 生 化 反 應(yīng) 器 是 利 用 生 物 催 化 劑 進(jìn) 行 生 化 反 應(yīng) 的設(shè) 備 。n 可 從 多 個(gè) 角 度 對(duì) 其 進(jìn) 行 分 類 。 對(duì) 生 化 反 應(yīng) 器 進(jìn) 行 這 種 分 類 有 利 于 對(duì) 反 應(yīng) 器進(jìn)

2、 行 模 擬 與 放 大 。 酶 反 應(yīng) 器所 使 用 的 生 物 催 化 劑 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 酶 反 應(yīng) 器 相 對(duì) 比 較 簡(jiǎn) 單 ， 酶 促 反 應(yīng) 與 一 般 的化 學(xué) 催 化 反 應(yīng) 相 同 ， 在 反 應(yīng) 的 過 程 中 酶 本 身無 變 化 ； 細(xì) 胞 生 化 反 應(yīng) 器 相 對(duì) 比 較 復(fù) 雜 ， 因 涉 及 到 避免 外 界 各 種 雜 菌 污 染 、 有 適 應(yīng) 細(xì) 胞 生 長(zhǎng) 繁 殖以 及 維 持 其 活 性 的 要 求 。 間 歇 操 作 （ 分 批 操 作 ）n 操 作 方 式 連 續(xù) 半 間 歇 操 作n 反 應(yīng) 器 的 結(jié) 構(gòu) 特 征 釜 式 、 管 式 、

3、塔 式 、 膜 式 等 n 反 應(yīng) 器 所 需 的 能 量 的 輸 入 方 式 ： 機(jī) 械 攪 拌 式 機(jī) 械 攪 拌 輸 人 能 量 氣 升 式 氣 體 噴 射 動(dòng) 能 液 體 循 環(huán) 式 利 用 泵 對(duì) 液 體 的 噴 射 作 用 n 生 物 催 化 劑 在 反 應(yīng) 器 中 的 分 布 方 式 生 物 團(tuán) 塊 (包 括 細(xì) 胞 、 絮 凝 物 、 菌 絲 體 )反 應(yīng) 生 物 膜 反 應(yīng) 器 兩 大 類 。n 固 相 催 化 劑 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 來 分 類 填 充 床流 化 床生 物 轉(zhuǎn) 盤 等 多 種 型 式 反 應(yīng) 器 。n 按 反 應(yīng) 體 系 的 相 態(tài) 來 分 類 均 相 可

4、溶 的 酶 催 化 反 應(yīng)非 均 相 反 應(yīng) 物 系 在 反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 流 動(dòng) 與 混 合 狀 態(tài) （ 反 應(yīng) 器 內(nèi) 流 體 的 流 動(dòng) 類 型 ） 活 塞 流 反 應(yīng) 器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全 混 流 反 應(yīng) 器 ( continuous stirred-tank reactor， CSTR )n 返 混 ： 具 有 不 同 停 留 時(shí) 間 的 物 料 之 間 的 混 合 稱之 為 返 混 。n 活 塞 流 ： 當(dāng) 反 應(yīng) 器 內(nèi) 完 全 不 存 在 物 料 粒 子 之 間的 返 混 時(shí) ， 這 種 流 動(dòng) 稱 為 活 塞 流

5、 ， 該 反 應(yīng) 器 稱為 活 塞 流 反 應(yīng) 器 ；n 全 混 流 ： 當(dāng) 反 應(yīng) 器 內(nèi) 不 同 粒 子 之 間 存 在 著 最 大返 混 時(shí) ， 流 體 的 流 動(dòng) 稱 為 ， 該 反 應(yīng) 器 稱 為 全 混流 反 應(yīng) 器 。 n 流 動(dòng) 模 型 ： 理 想 反 應(yīng) 器 活 塞 流 和 全 混 流 反 應(yīng) 器 非 理 想 反 應(yīng) 器 ；n 其 它 另 外 一 些 特 殊 用 途 的 生 化 反 應(yīng) 器 也 得 到 了 較快 的 開 發(fā) 和 應(yīng) 用 ， 例 如 用 于 動(dòng) 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 的有 懸 浮 培 養(yǎng) 用 的 氣 升 式 、 貼 壁 培 養(yǎng) 用 的 陶 質(zhì) 矩形 通 道 蜂

6、 窩 狀 反 應(yīng) 器 等 。 還 有 用 于 固 態(tài) 發(fā) 酵 的轉(zhuǎn) 鼓 式 反 應(yīng) 器 以 及 反 應(yīng) 和 分 離 相 耦 合 的 反 應(yīng) 裝置 等 。 生 物 反 應(yīng) 器 的 分 類 生 物 反 應(yīng) 器間 歇 操 作 半 間 歇 半 連 續(xù) 操 作 連 續(xù) 操 作生 物 團(tuán) 塊 反 應(yīng) 器 生 物 膜 反 應(yīng) 器全 混 流 型 活 塞 流 型 全 混 流 型 活 塞 流 型 攪 拌 釜 式 反應(yīng) 器循 環(huán) 反 應(yīng) 器環(huán) 流 反 應(yīng) 器 管 式 反 應(yīng) 器鼓 泡 塔多 級(jí) 串 聯(lián) 式反 應(yīng) 器 流 化 床 反 應(yīng) 器循 環(huán) 管 反 應(yīng) 器完 全 混 合 膜 反應(yīng) 器 固 定 床生 物 轉(zhuǎn) 盤滲

7、 濾 器膜 反 應(yīng) 器 7.1.2.生 化 反 應(yīng) 器 的 基 本 設(shè) 計(jì) 方 法n 生 化 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 主 要 目 的 ： 最 大 限 度 地 降 低成 本 ， 用 最 少 的 投 資 來 最 大 限 度 地 增 加 單 位 體積 產(chǎn) 率 。A 生 化 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 的 最 基 本 內(nèi) 容 有 ： 選 擇 合 適 的 反 應(yīng) 器 型 式 ， 根 據(jù) 反 應(yīng) 及 物 料 的 特 性 和 生產(chǎn) 工 藝 特 征 ， 確 定 反 應(yīng) 器 的 操 作 方 式 、 結(jié) 構(gòu) 類 型 、 傳遞 和 流 動(dòng) 方 式 等 ； 確 定 最 佳 操 作 條 件 及 其 控 制 方 式 ， 如 溫

8、度 、 壓 力 、 pH、通 氣 量 、 物 料 流 量 等 ； 計(jì) 算 出 所 需 反 應(yīng) 器 體 積 ， 設(shè) 計(jì) 各 種 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 等 。 n 反 應(yīng) 體 積 的 確 定 是 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 的 核 心 內(nèi) 容 B反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 的 基 本 方 程 ： 描 述 濃 度 變 化 的 物 料 衡 算 式 質(zhì) 量 守 恒 定 描 述 溫 度 變 化 的 能 量 衡 算 式 ,或 稱 為 能 量 方程 能 量 守 恒 定 律 描 述 壓 力 變 化 的 動(dòng) 量 衡 算 式 動(dòng) 量 守 恒 定 律 首 先 需 要 確 定 變 量 ， 其 次 是 確 定 控 制 體 積 。 原 則 是

9、以 能 把 反 應(yīng) 速 率 視 作 定 值 的 最 大 空 間范 圍 作 為 控 制 體 積 。 n 重 點(diǎn) 研 究 的 是 微 元 體 內(nèi) 大 量 的 分 子 和 大 量 細(xì) 胞的 反 應(yīng) 行 為 以 及 微 元 體 間 的 物 質(zhì) 、 能 量 傳 遞 的宏 觀 規(guī) 律 ， 而 不 是 研 究 個(gè) 別 分 子 和 個(gè) 別 細(xì) 胞 的行 為 。 物 料 衡 算 式 對(duì) 于 一 封 閉 體 系 ， 在 某 一 段 時(shí) 間 （ 或 微 分 時(shí) 間 ） 和 其 控 制 體 積 內(nèi) ， 對(duì) 某 組分 （ 底 物 或 產(chǎn) 物 ） 進(jìn) 行 物 料 衡 算 ， 其 方 程 如 下 ： 對(duì) 應(yīng) 一 段 時(shí) 間

10、 的 物 料 衡 算 稱 為 總 物 料 衡 算 ； 對(duì) 應(yīng) 一 段 微 分 時(shí) 間 的 物 料 衡 算稱 為 微 分 物 料 衡 算 。 組 分 累 積 量體 積 單 元 內(nèi)組 分 轉(zhuǎn) 化 的 量體 積 單 元 內(nèi)體 積 單 元 的 量組 分 流 出 該體 積 單 元 的 量組 分 進(jìn) 入 該對(duì) 反 應(yīng) 物 ： 組 分 累 積 量體 積 單 元 內(nèi)組 分 生 成 的 量體 積 單 元 內(nèi)體 積 單 元 的 量組 分 流 出 該體 積 單 元 的 量組 分 進(jìn) 入 該對(duì) 產(chǎn) 物 ： 細(xì) 胞 累 積 量體 積 單 元 內(nèi)細(xì) 胞 死 亡 的 量體 積 單 元 內(nèi)細(xì) 胞 生 成 的 量體 積 單 元

11、 內(nèi)體 積 單 元 的 量細(xì) 胞 流 出 該體 積 單 元 的 量細(xì) 胞 進(jìn) 入 該對(duì) 細(xì) 胞 ： 在 定 常 態(tài) 下 ， 所 有 狀 態(tài) 參 數(shù) 均 不 隨 時(shí) 間 變 化 ， 上 述 衡 算 式 中 累 積 項(xiàng) 為 零 。 能 量 衡 算 式 對(duì) 于 大 多 數(shù) 反 應(yīng) 器 ， 一 般 對(duì) 能 量 衡 算 式 只 作 熱 量 衡 算 ， 此 時(shí) 稱 為 熱 量 衡 算 式 。在 一 定 的 時(shí) 間 和 控 制 體 積 內(nèi) ， 可 以 表 示 為 ： 熱 量累 積 的的 熱 量反 應(yīng) 生 成輸 出 的 熱 量該 體 積 單 元單 元 的 熱 量輸 入 該 體 積 如 果 反 應(yīng) 為 放 熱

12、反 應(yīng) ， 則 等 號(hào) 右 邊 第 二 項(xiàng) 為 負(fù) ， 如 果 為 吸 熱 反 應(yīng) ， 則 為 正 。 7.2生 物 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 與 分 析機(jī) 械 攪 拌 式 生 化 反 應(yīng) 器它 是 借 攪 拌 渦 輪 輸 入 混 合 以 及 相 際 傳 質(zhì) 所 需 要 的功 率 。 這 種 反 應(yīng) 器 的 適 應(yīng) 性 最 強(qiáng) ， 從 牛 頓 型 流體 直 到 非 牛 頓 型 的 絲 狀 菌 發(fā) 酵 液 ， 都 能 根 據(jù) 實(shí)際 情 況 和 需 要 ， 為 之 提 供 較 高 的 傳 質(zhì) 速 率 和 必要 的 混 合 速 度 。 缺 點(diǎn) 是 機(jī) 械 攪 拌 器 的 驅(qū) 動(dòng) 功 率較 高 ， 一

13、般 24kw/m3， 這 對(duì) 大 型 的 反 應(yīng) 器 來說 是 個(gè) 巨 大 負(fù) 擔(dān) 。 7.2生 物 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 與 分 析（ 1） 結(jié) 構(gòu) 嚴(yán) 密 ， 經(jīng) 得 起 蒸 汽 的 反 復(fù) 滅 菌 ， 內(nèi) 壁光 滑 ， 耐 腐 蝕 性 能 好 ， 內(nèi) 部 附 件 盡 量 減 少 ， 以利 于 滅 菌 徹 底 和 減 少 金 屬 離 子 對(duì) 發(fā) 酵 的 影 響 。（ 2） 有 良 好 的 氣 液 接 觸 和 液 固 混 合 性 能 ， 使 物質(zhì) 傳 遞 、 氣 體 交 換 能 有 效 地 進(jìn) 行 。（ 3） 在 保 證 發(fā) 酵 要 求 的 前 提 下 ， 盡 量 減 少 攪 拌和 通 氣

14、 時(shí) 所 消 耗 的 動(dòng) 力 .（ 4） 有 良 好 的 熱 量 交 換 性 能 ， 以 適 應(yīng) 滅 菌 操 作和 使 發(fā) 酵 在 最 適 溫 度 下 進(jìn) 行 ；（ 5） 盡 量 減 少 泡 沫 的 產(chǎn) 生 或 附 設(shè) 有 效 的 消 沫 裝置 ， 以 提 高 裝 料 系 數(shù) ；（ 6） 附 有 必 要 的 可 靠 檢 測(cè) 及 控 制 儀 表 。設(shè) 備 的 要 求 通用式發(fā)酵罐 a小型b大型 7.2.1機(jī) 械 攪 拌 通 用 式 發(fā) 酵 罐 設(shè) 計(jì) 與 分 析n 原 理 ： 利 用 機(jī) 械 攪 拌 器 的 作 用 ， 使 空 氣 和 醪 液充 分 混 合 ， 促 使 氧 在 醪 液 中 溶 解

15、 ， 以 保 證 供 給微 生 物 生 長(zhǎng) 繁 殖 ， 發(fā) 酵 所 需 要 的 氧 氣 。n 基 本 要 求 ：1.結(jié) 構(gòu) 上 具 有 適 宜 的 徑 高 比 。 發(fā) 酵 罐 的 高 度 與 徑高 比 一 般 為 1.74， 罐 身 越 長(zhǎng) ， 氧 氣 的 利 用 率越 高 。2.有 一 定 的 剛 度 與 強(qiáng) 度 ， 由 于 發(fā) 酵 罐 在 滅 菌 過 程和 工 作 時(shí) ， 罐 內(nèi) 有 一 定 的 壓 力 和 溫 度 。 因 此 需要 一 定 的 強(qiáng) 度 。 基 本 要 求 ：3.攪 拌 通 風(fēng) 裝 置 使 之 氣 液 充 分 混 合 ， 保 證發(fā) 酵 液 一 定 的 溶 解 氧 。4.足

16、夠 的 冷 卻 面 積 。5.盡 量 減 少 死 角 。6.軸 封 嚴(yán) 密 。7.維 修 操 作 檢 測(cè) 方 便 結(jié) 構(gòu)n 主 要 部 件 包 括 罐 體 、 攪 拌 槳 、 軸 封 、 打泡 器 、 中 間 軸 承 、 空 氣 吹 管 （ 或 空 氣 噴射 管 ） ， 擋 板 、 冷 卻 裝 置 、 人 孔 等 。n 公 稱 容 積 Vo=VC+VblV0= /4D2（ H+hb+D/6) 幾 何 尺 寸 與 操作 條 件 范 圍 典 型 數(shù) 值 奧 地 利 某 公 司 200m3 美 國(guó) 某 公 司130m3 日 本 某 公 司50m3 中 國(guó) 某 味 精 廠100m3H/D=1 4 3

17、183 1.8 2.94Di/D=1/2 1/4 1/3 0.338 0.34 0.286W/D=1/8 1/12 1/10 1 1 0.10 2B/ Di =0.8 1.0 1.0 1.0 攪 拌 轉(zhuǎn) 速 N=30 1000 (r/min) 90 130 70 130 145 150單 位 醪 液 體 積 的 冷 卻 面積 0.6 1.5 (m2/m3) 1.5 1.14攪 拌 器 層 數(shù) 4層 4層 2層 3層通 風(fēng) 量 0 . 1 4 m3/(m3min) 0.5 0.3 1.0 0.6 0.5 0.2空 氣 線 速 度 0.02 2 (m/min) 1.76 單 位 體 積 功 耗 1

18、 4 (kw/m3) 2 2.5 3 4 5.4 3 1.3裝 料 系 數(shù) =70 80 77 75 88 75電 機(jī) 功 率 (kw) 300 1300 150 130 表 通 用 式 發(fā) 酵 罐 的 幾 何 尺 寸 與 操 作 條 件 1 將 列 管 并 列 焊 接 在 一 起 ， 組 成 擋 板 ; 2 直 接 利 用 列 管 當(dāng) 擋 板 H筒 身 高 度 D罐 徑 W擋 板 寬 度 HL液 位 高 度Di攪 拌 器 直 徑 S兩 攪 拌 器 間 距 B下 攪 拌 器 距 底間 距 1.罐 體n 結(jié) 構(gòu) ： 圓 柱 體 和 橢 圓 封 頭 或 碟 形 封 頭 焊接 而 成 。 小 型 發(fā)

19、 酵 罐 罐 頂 和 罐 身 采 用 法蘭 連 接 。 頂 部 設(shè) 有 清 洗 用 的 手 孔 。n 材 料 為 碳 鋼 或 不 銹 鋼 。 大 型 發(fā) 酵 罐 可 用不 銹 鋼 或 復(fù) 合 不 銹 鋼 制 成 。 小 大 型 發(fā) 酵罐 可 用 不 銹 鋼 或 玻 璃 鋼 制 成 。n 剛 度 和 強(qiáng) 度 ： 受 壓 容 器 ， 空 消 或 實(shí) 消 ，通 常 滅 菌 的 壓 力 為 2.5Kg/m3。 接 管n 罐 頂 ： 進(jìn) 料 管 、 補(bǔ) 料 管 、 排 氣 管 、 接 種管 和 壓 力 表 管 。n 罐 身 ： 冷 卻 水 進(jìn) 出 管 、 進(jìn) 空 氣 管 、 溫 度計(jì) 管 和 測(cè) 控 儀

20、 表 接 口 。 排 氣 管 應(yīng) 盡 量 靠近 封 頭 的 軸 封 位 置 。 2.機(jī) 械 攪 拌 系 統(tǒng)n 目 的 ： 有 利 于 液 體 本 身 的 混 合 及 氣 液 、氣 固 之 間 的 混 合 ， 質(zhì) 量 和 熱 量 的 傳 遞 ，特 別 是 對(duì) 氧 的 溶 解 具 有 重 要 的 意 義 （ 加強(qiáng) 氣 液 之 間 的 湍 動(dòng) ， 增 加 氣 液 接 觸 面 積及 延 長(zhǎng) 氣 液 接 觸 時(shí) 間 ）n 組 成 ： 電 機(jī) 、 變 電 箱 、 攪 拌 槳 、 軸 封 和擋 板 攪 拌 槳n 攪 拌 槳 可 以 使 被 攪 拌 液 體 形 成 軸 向 或徑 向 的 液 流 。n 發(fā) 酵

21、罐 中 以 徑 向 液 流 為 主 。n 生 物 反 應(yīng) 器 中 常 使 的 攪 拌 槳 型 式 有 ：螺 旋 槳 、 平 槳 、 渦 輪 槳 、 自 吸 式 攪 拌槳 和 柵 狀 攪 拌 槳 等 。 另 外 ， 翼 型 槳 也已 開 始 廣 泛 應(yīng) 用 于 發(fā) 酵 生 產(chǎn) ， 并 取 得較 好 效 果 。 攪 拌 槳n 用 渦 輪 式 攪 拌 槳 時(shí) 為 避 免 氣 泡 在 阻 力 較 小 的 攪拌 器 中 心 部 分 沿 著 攪 拌 軸 上 升 ， 在 攪 拌 器 中 央常 帶 有 圓 盤 。n 常 用 的 渦 輪 式 攪 拌 器 有 平 葉 式 、 彎 葉 式 和 箭 葉式 三 種 。

22、相 同 攪 拌 功 率 下 ， 粉 碎 氣 泡 能 力 由 大到 小 ： 平 葉 式 、 彎 葉 式 、 箭 葉 式 。n 葉 片 數(shù) 一 般 為 六 個(gè) ， 也 有 少 至 四 個(gè) 或 多 至 八 個(gè)的 。 dd1 dd1 d1db b bh rha-六 平 葉 b-六 彎 葉 c-六 箭 葉 圖 6-1 通 用 的 渦 輪 式 攪 拌 器h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20e : h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20a=380 r彎 =(1/2)d- r箭 =(1/4)d1a

23、 擋 板n 阻 止 液 面 中 央 部 分 產(chǎn) 生 下 凹 的 旋 渦 ，n46塊 擋 板 可 滿 足 全 擋 板 條 件 ,寬 度 為 0.1-0.12D。n 全 擋 板 條 件 ： 能 達(dá) 到 消 除 液 面 旋 渦 的 最低 條 件 。 在 一 定 的 轉(zhuǎn) 速 下 面 增 加 罐 內(nèi) 附件 而 軸 功 率 保 持 不 變 。 此 條 件 與 擋 板 數(shù) Z，與 擋 板 寬 度 W與 罐 徑 D之 比 有 關(guān) 。軸 封 ： 防 止 泄 漏 和 染 菌 ， 分 填 料 函 和端 面 軸 封 。 3.通 氣 系 統(tǒng)n 無 菌 空 氣 制 備 裝 置 、 空 氣 分 布 裝 置 和 出 口 氣

24、體除 菌 裝 置 。n 無 菌 空 氣 導(dǎo) 入 罐 內(nèi) 的 裝 置n 最 簡(jiǎn) 單 的 通 氣 裝 置 ： 單 孔 管 ， 單 孔 管 的 出 口 位于 最 下 面 的 攪 拌 器 的 正 下 方 ， 開 口 往 下 ， 以 免培 養(yǎng) 液 中 固 體 物 質(zhì) 在 開 口 處 堆 積 和 罐 底 固 形 物質(zhì) 沉 淀 。n 管 口 與 罐 底 的 距 離 約 為 40mm。n 開 口 朝 下 的 多 孔 環(huán) 形 管 ：n 環(huán) 的 直 徑 約 為 攪 拌 器 直 徑 的 0.8倍 。n 小 孔 直 徑 5-8mm孔 的 總 面 積 約 等 于 通 風(fēng) 管 的 截面 積 。 4.溫 度 控 制 系 統(tǒng)

25、 ： 電 極 、 熱 交 換 裝 置 和 及 其 控 制n 排 除 發(fā) 酵 過 程 中 由 于 生 物 氧 化 作 用 及 機(jī) 械攪 拌 產(chǎn) 生 的 熱 量 的 裝 置n 在 發(fā) 酵 過 程 中 ， 放 出 的 熱 量 可 用 如 下 的 熱平 衡 方 程 式 ： Q發(fā) 酵 =Q生 物 +Q攪 拌 -Q蒸 發(fā) -Q顯 -Q輻 射 Q發(fā) 酵 =Q生 物 +Q攪 拌 -Q蒸 發(fā) -Q顯 -Q輻 射nQ發(fā) 酵 發(fā) 酵 過 程 中 釋 放 的 凈 熱 量nQ生 物 生 物 合 成 熱 ， 包 括 生 物 細(xì) 胞 呼 吸放 熱 和 發(fā) 酵 熱nQ攪 拌 機(jī) 械 攪 拌 轉(zhuǎn) 化 熱n Q蒸 發(fā) 排 出 空

26、 氣 帶 走 水 分 所 需 的 潛 熱 nQ顯 排 出 空 氣 帶 出 的 顯 熱 nQ輻 射 因 罐 外 壁 與 大 氣 間 的 溫 度 差 使 罐壁 向 大 氣 輻 射 的 熱 量 發(fā) 酵 換 熱 裝 置 的 形 式n 多 用 于 容 積 較 小 的 發(fā) 酵 罐 、 種 子 罐 。 一 般 小 于5m3， 夾 套 的 高 度 比 靜 止 液 面 高 度 較 高 即 可 ，約 高 50100mm。 夾 套 的 寬 度 對(duì) 于 不 同 直 徑 的發(fā) 酵 有 不 同 的 尺 寸 ， 一 般 為 50200mm， 夾 套上 設(shè) 有 水 蒸 汽 ， 冷 卻 水 或 其 他 介 質(zhì) 的 進(jìn) 出 口

27、。n 當(dāng) 加 熱 用 水 蒸 氣 ， 進(jìn) 口 管 應(yīng) 靠 近 夾 套 上 端 ， 冷凝 液 從 底 部 排 出 ； 如 果 冷 卻 介 質(zhì) 是 液 體 ， 則 進(jìn)口 管 應(yīng) 安 在 底 部 ， 是 液 體 從 底 部 進(jìn) 入 上 部 流 出 。n 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ； 加 工 容 易 ； 罐 內(nèi) 無 冷 卻 設(shè) 備 ， 死 角少 ， 容 易 進(jìn) 行 滅 菌 工 作 ， 有 利 于 發(fā) 酵 。 缺 點(diǎn) 是傳 熱 慢 ， 傳 熱 系 數(shù) 100250。夾 套 式 換 熱 裝 置 豎 式 蛇 管 換 熱 裝 置n 豎 式 的 蛇 管 分 組 安 裝 于 發(fā) 酵 罐 內(nèi) ， 有 四 組 、 六組 或 八

28、 組 。 5m3以 上 的 發(fā) 酵 罐 多 采 用 。n 優(yōu) 點(diǎn) ： 冷 卻 水 在 管 內(nèi) 的 流 速 較 快 ， 傳 熱 系 數(shù) 高 。約 為 300450（ 有 時(shí) 可 達(dá) 8001000） 。n 缺 點(diǎn) ： 容 易 被 腐 蝕 ， 增 加 培 養(yǎng) 液 中 金 屬 離 子 的濃 度 ， 腐 蝕 而 形 成 穿 孔 ， 引 起 污 染 。 5.消 泡 系 統(tǒng)n 原 因 ： 發(fā) 酵 液 中 含 有 大 量 的 蛋 白 質(zhì) ， 在強(qiáng) 烈 的 通 氣 攪 拌 下 產(chǎn) 生 大 量 的 泡 沫 。 導(dǎo)致 發(fā) 酵 液 的 外 溢 和 增 加 染 菌 機(jī) 會(huì) 。 須 用加 消 沫 劑 的 方 法 去 除

29、 ，n 消 泡 劑 和 消 泡 槳 。n 泡 沫 的 機(jī) 械 強(qiáng) 度 較 差 和 泡 沫 量 較 少 時(shí) ，采 用 機(jī) 械 消 沫 裝 置 也 有 一 定 作 用 。 其 作用 是 將 泡 沫 打 碎 。 發(fā) 酵 罐 的 幾 何 計(jì) 算1.幾 何 尺 寸 ：nH/D=1.7-3.5; H:罐 身 高 ， D： 罐 徑nDi/D=1/21/3， Di： 攪 拌 葉 輪 直 徑nB/D=1/81/12， B： 擋 板 寬nC/Di=0.81.0， C： 下 攪 拌 葉 輪 與 罐 底距nS/Di=25， S： 相 鄰 攪 拌 葉 輪 間 距 2.容 積 計(jì) 算n 橢 圓 形 風(fēng) 封 頭 體 積 計(jì)

30、 算公 稱 容 積 lV 0= /4D2（ H+hb+D/6) 3、 攪 拌 功 率 的 計(jì) 算 機(jī) 械 攪 拌 發(fā) 酵 罐 中 的 攪 拌 器 軸 功 率 與 下 列 因素 有 關(guān) ： 攪 拌 器 直 徑 Di（ m） 、 攪 拌 轉(zhuǎn) 速 N（ r/min） 、 液 體 密 度 （ kg/m3） 、 液 體 粘 度 （ Pas） 、 重 力 加 速 度 g（ m/s2） 、 攪 拌 罐 直 徑 D（ m） 、 液 柱 高 度 HL（ m） 以 及 檔 板 條 件 (數(shù) 量 、寬 度 和 位 置 )等 。 由 于 攪 拌 罐 直 徑 和 液 柱 高 度 與攪 拌 器 直 徑 之 間 有 一 定

31、 比 例 關(guān) 系 ， 可 不 作 獨(dú) 立變 量 ， 于 是 : P = f(D i， N， ， ， g) (8-37) 對(duì) 于 牛 頓 型 流 體 ， 通 過 因 次 分 析 可 得如 下 關(guān) 聯(lián) 式 : (8-38) (8-39) 式 中 ： NP為 功 率 準(zhǔn) 數(shù) ， 其 物 理 意 義 為 機(jī) 械攪 拌 力 與 慣 性 力 之 比 ； ReM為 攪 拌 雷 諾 準(zhǔn) 數(shù) ,其 物 理 意 義 為 慣 性 力與 粘 滯 力 之 比 ； FrM為 攪 拌 弗 魯 特 準(zhǔn) 數(shù) ， 其 物 理 意 義 是 攪 拌加 速 度 與 重 力 ； K為 與 攪 拌 器 形 式 、 反 應(yīng) 器 幾 何 尺

32、寸 有 關(guān)的 常 數(shù) yrMxeMP FKRN yixii gDNNDKDN P 2253 實(shí) 驗(yàn) 表 明 ， 在 全 檔 板 條 件 下 ， 液 面 不 產(chǎn) 生 中 心 下 降的 旋 渦 ， 此 時(shí) y=0， NP僅 是 ReM的 函 數(shù) (圖 7-11) 圖 8-11 各 種 攪 拌 器 的 ReM對(duì) 應(yīng) 于 NP的 關(guān) 系1. 2.螺 距 螺 旋 槳 ， 螺 距 =Di， 有 擋 板 ； 3. 螺 旋 槳 ， 螺 距 =2Di， 無 擋 板 ； 4. 3. 螺 旋 槳 ，螺 距 =2Di， 有 擋 板 ； 5.平 槳 ， 有 擋 板 ； 6.六 平 葉 渦 輪 槳 ， 無 檔 板 ； 7

33、.平 葉 渦 輪 槳 （ 有 檔 板 ） ； 8.六 彎 葉 渦 輪 槳 ， 有 擋 板 ； 9.六 箭 葉 渦 輪 ， 有 擋 板 ； 槳 當(dāng) Rem104， 液 體 處 于 湍 流 狀 態(tài) ， (8-41)1 eMP KRN 53 iDKNP 不 同 攪 拌 器 的 K值 如 表 8-7所 示 這 些 K值 均 為 在 H L/D=1， D/Di=3， D/W=10的 條 件 下測(cè) 定 的 。 攪 拌 器 的 形 式 K(滯 流 ) K(湍 流 )三 葉 螺 旋 槳 ， 螺 距 =d 41.0 0.32三 葉 螺 旋 槳 ， 螺 距 =2d 43.5 1.0四 平 葉 渦 輪 攪 拌 器

34、70.0 4.50六 平 葉 渦 輪 攪 拌 器 71.0 6.10六 彎 葉 渦 輪 攪 拌 器 71.0 4.80六 箭 葉 渦 輪 攪 拌 器 70.0 4.0六 彎 葉 封 閉 式 渦 輪 攪 拌 器 97.5 1.08表 8-7 不 同 攪 拌 器 的 K 值 當(dāng) 不 符 合 此 條 件 時(shí) ， 攪 拌 功 率 可 用 下式 校 正 ： (8-42) (8-43) 如 果 已 知 (D/Di)=3， (HL/Di)=3， 則 (8-44) 式 中 ， f為 校 正 系 數(shù) ， 式 中 帶 *號(hào) 的為 代 表 實(shí) 際 攪 拌 設(shè) 備 情 況 。PfP iLi iLi DHDD DHDD

35、f PDHDDP iLi 31 對(duì) 于 大 型 發(fā) 酵 罐 ,同 一 軸 上 往 往 安 裝 多 層 攪拌 器 ， 對(duì) 于 多 層 攪 拌 器 的 功 率 可 用 下 式 計(jì) 算 。 (8-45) 式 中 m為 攪 拌 器 層 數(shù) 。 以 上 是 不 通 風(fēng) 時(shí) 攪 拌 功 率 的 計(jì) 算 。)6.04.0()1(6.01 mPmPPm 通 風(fēng) 時(shí) 攪 拌 器 的 軸 功 率 消 耗 降 低 ， 其 降 低 程度 與 通 風(fēng) 量 Qgm3(工 作 狀 態(tài) )/min及 液 體 翻 動(dòng)量 Q1(m3/min)(Q1 Nd3)等 因 素 有 關(guān) 。 Michel等人 提 出 了 應(yīng) 用 較 廣 泛

36、 的 通 風(fēng) 時(shí) 的 攪 拌 功 率 Pg與工 作 變 量 間 的 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 ： (8-46) 式 中 ， Di/D=1/3時(shí) ， K=0.157； Di/D=2/3時(shí) ，K=0.113； Di/D=1/2時(shí) ， K=0.101。 45.0 56.0 32 g ig QNDPKP 通 風(fēng) 時(shí) 的 攪 拌 功 率 也 可 利 用 下 式 計(jì) 算 。 (8-47) (8-48) 式 中 Na為 通 風(fēng) 準(zhǔn) 數(shù) ， 其 代 表 發(fā) 酵 罐 內(nèi)空 氣 的 表 觀 流 速 與 攪 拌 器 葉 端 速 度 之 比 ，可 表 示 為 ： (8-49)NaPPNa g 6.121,035.0 NaPPN

37、a g 85.162.0,035.0 32 igi ig NDQNDDQNa 7.2.2氣 升 式 發(fā) 酵 罐 設(shè) 計(jì) 和 分 析n 特 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 不 需 要 攪 拌 ； 不 易 污染 ， 氧 傳 質(zhì) 效 率 高 ， 能 耗 低 ， 節(jié) 省 動(dòng) 力約 50%； 裝 料 系 數(shù) 達(dá) 8090%； 安 裝 維 修方 便 ， 冷 卻 面 積 小 剪 切 力 小 。n 較 適 于 單 細(xì) 胞 蛋 白 等 的 生 產(chǎn) 。n 分 為 外 循 環(huán) 與 內(nèi) 循 環(huán) 氣 升 式 發(fā) 酵 罐 。 圖 6-5 內(nèi) 循 環(huán) 氣 升 式 發(fā) 酵 罐 結(jié) 構(gòu) 布 置 示 意 圖1-發(fā) 酵 罐 罐 體 2

38、-通 氣 管 3-拉 力 筒 4-導(dǎo) 向 筒 5-夾 套 冷 卻 器 6-多 孔 板 7-檢 測(cè) 器 接 口降管降管升管 升管 空 氣排 氣5 43 2 1 67 工 作 機(jī) 理n 罐 內(nèi) 外 裝 設(shè) 上 升 管 ， 上 升 管 兩 端 與 罐 底上 部 相 連 接 ， 構(gòu) 成 一 個(gè) 循 環(huán) 系 統(tǒng) 。n 在 上 升 管 的 下 部 裝 設(shè) 空 氣 噴 嘴 口 ， 空 氣以 250300m/s的 高 速 度 噴 入 上 升 管 ， 使空 氣 分 割 細(xì) 碎 ， 使 上 升 管 的 發(fā) 酵 液 比 重較 小 ， 加 上 壓 縮 空 氣 的 動(dòng) 能 ， 使 液 體 上升 ， 罐 內(nèi) 液 體 下

39、降 ， 進(jìn) 入 上 升 罐 ， 形 成反 復(fù) 的 循 環(huán) 。 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)n 高 徑 比 H/D=5 9n 導(dǎo) 流 筒 徑 與 管 徑 比 DE/D=0.6 0.8n 循 環(huán) 周 期 時(shí) 間 的 確 定 tm=VL/VC=VL/(/4)DE2vm V L罐 內(nèi) 培 養(yǎng) 液 體 積 ； VC培 養(yǎng) 液 循 環(huán) 量 DE導(dǎo) 流 管 （ 上 升 管 ） 直 徑 ； vm導(dǎo) 流 管 中 液 體 平 均 流 速n 氣 液 比 R= VC /V Gn 環(huán) 流 速 度 取 1.2 1.8 m/s， 多 段 導(dǎo) 流 管 或 有 篩 網(wǎng) 時(shí) 可降 低 。n 氣 液 傳 質(zhì) 速 率 ： h=Kvsn K,n為

40、經(jīng) 驗(yàn) 指 數(shù) ， 鼓 泡 塔 式 發(fā) 酵 罐低 通 氣 速 率 時(shí) ， n=0.7 1.2， 高 通 氣 速 率 時(shí) ， n=0.4 0.7 7.2.3鼓 泡 塔 生 物 反 應(yīng) 器n 鼓 泡 塔 反 應(yīng) 器 是 氣 液 兩 相 反 應(yīng) 器 ， 是 指 氣 體 鼓泡 通 過 含 有 反 應(yīng) 物 或 催 化 劑 的 液 層 以 實(shí) 現(xiàn) 氣 液相 反 應(yīng) 過 程 的 反 應(yīng) 器 。 n 鼓 泡 反 應(yīng) 器 結(jié) 構(gòu) 筒 單 ， 易 于 操 作 ， 操 作 成 本 低 ，混 合 和 傳 質(zhì) 傳 熱 性 能 較 好 ， 因 此 廣 泛 應(yīng) 用 于 生物 工 程 行 業(yè) 中 ， 例 如 乙 醇 發(fā) 酵

41、、 單 細(xì) 胞 蛋 白 發(fā)酵 、 廢 水 處 理 、 廢 氣 處 理 （ 例 如 用 微 生 物 處 理氣 相 中 的 苯 ） 等 。 鼓 泡 反 應(yīng) 器 內(nèi) 無 傳 動(dòng) 部 件 ，容 易 密 封 ， 對(duì) 保 持 無 菌 條 件 有 利 。n 最 簡(jiǎn) 單 的 鼓 泡 式 反 應(yīng) 器 內(nèi) 部 是 一 空 塔 ， 塔 的 底部 用 篩 板 或 氣 體 分 布 器 來 分 布 氣 體 。 其 工 作 原理 是 利 用 通 入 培 養(yǎng) 基 中 的 氣 泡 在 上 升 時(shí) 帶 動(dòng) 液體 而 產(chǎn) 生 混 合 ， 并 將 氣 泡 中 的 氧 供 培 養(yǎng) 基 中 的菌 體 使 用 。 圖 6-7a 高 位 篩

42、 板 式 反 應(yīng) 器 示 意 圖人孔 排氣口降液管篩板空氣排料管人孔 7.2.4 固 態(tài) 發(fā) 酵 生 物 反 應(yīng) 器 n 現(xiàn) 代 生 物 制 品 固 態(tài) 發(fā) 酵 的 產(chǎn) 率 比 液 體 深 層 發(fā) 酵高 得 多 ， 這 是 因 為 ， 液 體 深 層 發(fā) 酵 產(chǎn) 生 的 大 量發(fā) 酵 廢 水 、 通 氣 與 機(jī) 械 攪 拌 的 高 動(dòng) 力 能 耗 ， 成為 液 體 深 層 發(fā) 酵 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 的 障 礙 ， 迫 使 其 向高 濃 度 、 高 粘 度 方 向 發(fā) 展 ， 然 而 高 濃 度 、 高 粘度 的 極 限 就 是 固 態(tài) 發(fā) 酵 。 再 從 生 態(tài) 學(xué) 與 仿 生 學(xué)角 度 看

43、 ， 經(jīng) 過 千 百 萬 年 生 物 進(jìn) 化 洗 禮 的 自 然 界生 物 體 ， 無 論 是 最 低 等 的 單 細(xì) 胞 生 物 ， 還 是 高等 動(dòng) 植 物 及 其 單 個(gè) 活 體 細(xì) 胞 ， 都 不 是 選 擇 在 流體 流 動(dòng) 環(huán) 境 下 生 活 。 生 物 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì)n 生 物 反 應(yīng) 器 是 發(fā) 酵 過 程 的 中 心 ， 在 反 應(yīng) 器 里 生 物 原 材料 在 合 適 的 條 件 下 轉(zhuǎn) 變 為 需 要 的 產(chǎn) 品 。 產(chǎn) 品 的 產(chǎn) 量 和形 成 速 率 的 最 大 化 是 優(yōu) 化 生 產(chǎn) 過 程 的 關(guān) 鍵 部 分 。 固 體發(fā) 酵 生 物 反 應(yīng) 器 的 理

44、想 特 征 如 下 所 述 ：（ 1） 用 于 建 造 生 物 反 應(yīng) 器 的 材 料 必 須 堅(jiān) 固 、 耐 腐 蝕 以 及必 須 發(fā) 酵 過 程 的 微 生 物 無 毒 。 此 外 須 有 一 個(gè) 可 以 承 受的 合 理 的 價(jià) 格 。（ 2） 防 止 發(fā) 酵 過 程 污 染 物 的 進(jìn) 入 同 時(shí) 控 制 發(fā) 酵 過 程 的 有機(jī) 體 釋 放 到 環(huán) 境 。 前 者 特 別 難 以 控 制 ， 這 是 因 為 固 體的 處 理 不 能 象 深 層 液 體 發(fā) 酵 的 液 體 那 樣 用 泵 輸 送 ， 因此 產(chǎn) 生 污 染 物 自 由 封 閉 體 系 。 而 后 者 同 樣 是 一 個(gè)

45、 非 常重 要 的 必 備 條 件 ， 因 為 大 多 數(shù) 的 固 態(tài) 發(fā) 酵 過 程 含 有 真菌 孢 子 ， 它 可 能 是 致 病 的 ， 會(huì) 對(duì) 周 圍 的 環(huán) 境 產(chǎn) 生 危 害 。要 達(dá) 到 這 種 要 求 ， 可 以 通 過 在 空 氣 出 口 安 裝 過 濾 器 ，周 詳 的 密 封 設(shè) 計(jì) 以 及 對(duì) 進(jìn) 口 空 氣 進(jìn) 行 過 濾 。 但 同 時(shí) ，這 也 增 加 了 設(shè) 備 的 費(fèi) 用 。 （ 3） 有 效 的 通 風(fēng) 調(diào) 節(jié) 、 混 合 和 熱 的 移 除 來 控 制溫 度 、 水 活 度 、 氣 體 的 氧 濃 度 等 操 作 參 數(shù) 。 通常 ， 固 體 培 養(yǎng) 基

46、 的 發(fā) 酵 會(huì) 遭 受 無 效 的 熱 移 除 或者 培 養(yǎng) 基 床 水 蒸 發(fā) 的 損 失 等 問 題 ， 影 響 所 需 產(chǎn)品 的 產(chǎn) 量 和 質(zhì) 量 。（ 4） 維 持 基 質(zhì) 床 層 內(nèi) 部 的 均 勻 性 這 通 常 由有 效 的 混 合 獲 得 。 它 同 樣 對(duì) 使 熱 量 梯 度 的 最 小化 非 常 關(guān) 鍵 ， 是 固 態(tài) 發(fā) 酵 過 程 非 常 重 要 的 一 個(gè)因 素 。（ 5） 總 的 固 態(tài) 發(fā) 酵 過 程 包 括 培 養(yǎng) 基 的 制 備 、 培養(yǎng) 基 的 滅 菌 、 產(chǎn) 品 回 收 之 前 生 物 量 的 滅 菌 、 接種 體 的 準(zhǔn) 備 、 生 物 反 應(yīng) 器

47、的 安 裝 和 拆 卸 。 一 個(gè)生 物 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 該 使 以 上 的 操 作 非 常 方 便 ，令 人 滿 意 。 7.3 酶 反 應(yīng) 器7.3.1分 類 :酶 反 應(yīng) 器 大 致 可 分 為 罐 型 、 管 型 和 膜 型 類 型 式 名 稱 操 作 方 式 說 明單 項(xiàng) 系 統(tǒng)酶 反應(yīng) 器 攪 拌 罐 分 批 、 流 加 靠 機(jī) 械 攪 拌 混 合超 濾 膜 反 應(yīng) 器 分 批 、 流 加 或 連續(xù) 適 用 于 高 分 子 底 物多 項(xiàng) 系 統(tǒng)酶 反應(yīng) 器 攪 拌 罐 分 批 、 流 加 或 連續(xù) 靠 機(jī) 械 攪 拌 混 合固 定 床 或 填 充 床 連 續(xù) 適 用 于

48、 固 定 化 酶 或微 生 物 的 反 應(yīng) 器流 化 床 分 批 、 連 續(xù) 靠 溶 液 的 流 動(dòng) 而 混合 膜 式 反 應(yīng) 器懸 濁 氣 泡 塔 連 續(xù)分 批 、 連 續(xù) 膜 狀 或 片 狀 的 固 定化 酶 適 于 氣 體 為底 物 7.3.2酶 反 應(yīng) 器 的 選 擇n 游 離 酶 反 應(yīng) 器 的 選 擇 ， 完 全 可 以 按 照 般 生 物反 應(yīng) 器 的 選 擇 要 求 來 進(jìn) 行 。n 對(duì) 固 定 化 酶 反 應(yīng) 器 的 選 擇 ， 除 根 據(jù) 使 用 的 目 的 、反 應(yīng) 形 式 、 底 物 濃 度 、 反 應(yīng) 速 率 、 物 質(zhì) 傳 遞 速率 和 反 應(yīng) 器 制 造 和 運(yùn)

49、轉(zhuǎn) 的 成 本 及 難 易 等 因 素 進(jìn)行 選 擇 外 ， 還 應(yīng) 考 慮 固 定 化 酶 的 形 狀 （ 顆 粒 、纖 維 、 膜 等 ） 、 大 小 、 機(jī) 械 強(qiáng) 度 、 密 度 和 再 生或 更 新 的 難 易 ； 操 作 上 的 要 求 ， 如 pH的 控 制 、供 氧 和 防 止 雜 菌 污 染 等 ， 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué) 形 式 和 物質(zhì) 傳 遞 特 性 、 內(nèi) 外 擴(kuò) 散 的 影 響 ， 底 物 的 性 質(zhì) ，催 化 劑 （ 固 定 化 酶 ） 的 表 面 反 應(yīng) 器 體 積 的 比值 等 。 n 固 定 化 酶 的 形 式 有 顆 粒 狀 （ particle pellet

50、） 、膜 狀 （ membrane， film， plate） 、 管 狀（ tubing） 和 纖 維 狀 等 幾 種 類 型 。 其 中 以 顆 粒狀 為 主 ， 這 是 由 于 其 比 表 面 積 大 。n 由 催 化 劑 的 形 狀 ， 可 以 決 定 反 應(yīng) 器 的 大 致 型 式 ，例 如 ， 小 顆 粒 的 固 定 化 酶 ， 可 選 用 流 化 床 反 應(yīng)器 ， 以 增 大 有 效 催 化 表 面 積 。 一 般 總 是 期 望 固定 化 酶 的 機(jī) 械 強(qiáng) 度 大 些 ， 但 是 ， 有 些 固 定 化 酶顆 粒 （ 如 用 凝 膠 包 埋 法 或 膠 囊 法 制 備 的 固

51、 定 化酶 ） 的 機(jī) 械 強(qiáng) 度 仍 較 差 ， 在 攪 拌 罐 中 ， 由 于 攪拌 翼 的 剪 切 作 用 ， 這 種 固 定 化 酶 易 遭 破 壞 。 對(duì)凝 膠 包 埋 法 的 固 定 化 酶 顆 粒 ， 當(dāng) 采 用 固 定 床 反應(yīng) 器 時(shí) ， 隨 床 身 增 高 ， 由 于 凝 膠 顆 粒 自 身 的 質(zhì)量 ， 會(huì) 使 凝 膠 發(fā) 生 壓 縮 （ compaction） 和 變 形 ，壓 強(qiáng) 增 大 ， 為 防 止 這 種 現(xiàn) 象 ， 有 必 要 在 床 內(nèi) 安裝 篩 板 ， 將 凝 膠 適 當(dāng) 間 隔 開 。 n 由 于 酶 失 活 是 不 可 避 免 的 ， 所 以 要 保

52、持恒 定 的 酶 活 力 ， 就 必 須 進(jìn) 行 催 化 劑 的 再生 、 新 催 化 劑 的 補(bǔ) 充 或 更 換 ， 這 就 要 求反 應(yīng) 器 應(yīng) 具 備 相 應(yīng) 的 結(jié) 構(gòu) 。n 底 物 的 性 質(zhì) 是 選 擇 反 應(yīng) 器 的 另 一 重 要 因素 。 般 來 講 ， 細(xì) 粒 狀 和 膠 狀 底 物 有 可能 阻 塞 填 充 柱 或 發(fā) 生 分 層 ， 這 時(shí) 可 使 用循 環(huán) 式 反 應(yīng) 器 或 流 化 床 反 應(yīng) 器 。 n 罐 型 反 應(yīng) 器 內(nèi) 一 般 裝 配 有 攪 拌 裝 置 ， 故稱 其 為 “ 機(jī) 械 攪 拌 式 生 物 反 應(yīng) 器 ” ， 適用 于 上 述 各 種 操 作

53、 。 管 型 反 應(yīng) 器 和 膜 型反 應(yīng) 器 一 般 用 于 連 續(xù) 操 作 ， 對(duì) 相 對(duì) 直 徑較 大 、 縱 向 較 短 的 管 型 反 應(yīng) 器 也 稱 為 塔式 反 應(yīng) 器 。 目 前 ， 發(fā) 酵 工 業(yè) 上 廣 泛 使 用的 糖 化 罐 、 液 化 罐 等 都 是 典 型 的 酶 反 應(yīng)器 。 7.3.2設(shè) 計(jì) 和 操 作 的 參 數(shù)n 停 留 時(shí) 間 空 時(shí) 反 應(yīng) 物 料 進(jìn) 入 反 應(yīng) 器 時(shí) 算 起 至 離 開 反 應(yīng) 器 時(shí)為 止 所 經(jīng) 歷 的 時(shí) 間 。分 批 式 :停 留 時(shí) 間 等 于 反 應(yīng) 時(shí) 間 ；連 續(xù) 式 : 空 時(shí) 1/空 速 n 轉(zhuǎn) 化 率 轉(zhuǎn) 化

54、分 數(shù)分 批 ： 連 續(xù) ： D1FV 0 t0 S SS in outin S SS n 生 產(chǎn) 能 力 Pr單 位 時(shí) 間 、 單 位 反 應(yīng) 器 體 積 內(nèi) 生 產(chǎn) 的 產(chǎn) 物 量 。分 批 ： 連 續(xù) ： n 選 擇 性 SP表 明 了 整 個(gè) 反 應(yīng) 的 平 均 選 擇 性 。 在 具 有 副 反 應(yīng) 發(fā) 生 的 復(fù) 合 反 應(yīng) 中 ， 能 夠 轉(zhuǎn) 變 為 目 的 產(chǎn) 物 的 底 物 變化 量 中 ， 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 變 為 目 的 產(chǎn) 物 的 比 率 。 tStPP 0tr inoutr SPP ）（ SS PS 0SPP 7.3.2 理 想 的 酶 反 應(yīng) 器 A A. CPFR型（

55、 1） 特 點(diǎn) ：優(yōu) 點(diǎn) ： 活 塞 流 流 動(dòng) 模 型 平 穩(wěn) 、 等 速 、 不 返 混 通 過 反 應(yīng) 器 的 微 元 體 沿 同 一 方 向 以 相 同 的 速 度向 前 移 動(dòng) ； 在 微 元 體 的 流 動(dòng) 方 向 上 不 存 在 返 混現(xiàn) 象 ； 所 有 混 元 體 在 反 應(yīng) 器 中 停 留 時(shí) 間 相 同 ；與 流 體 流 動(dòng) 方 向 垂 直 截 面 上 物 料 的 組 成 均 一 且不 隨 時(shí) 間 變 化 。缺 點(diǎn) ： 對(duì) 于 細(xì) 小 或 膠 狀 的 底 物 或 酶 顆 粒 易 發(fā) 生 堵塞 。 B方 程 ： nFS=（ F+dF)(S+dV)-rSdV dF=0， F0=

56、F=Ff - F dS=- rSdV= k S d V= k SAdl 邊 界 條 件 l=0 , S= S0 kFALkln 0S S n 停 留 時(shí) 間 n 一 般 關(guān) 系 式 kS Sln 0 srSd max00rK r SS)S Sln()FVAFL maxm （ 02outmout0 Ek)1ln(KS B CSTR型（ 1） 特 點(diǎn) ：n 優(yōu) 點(diǎn) ： 以 恒 定 的 流 速 加 入 物 質(zhì) ， 理 想 CSTR反 應(yīng) 器 中 ， 反 應(yīng) 液 混 合 良 好 。 各 部 分 組 成 相 同 （ V、 定 態(tài) 操 作 、 返 混 最 大 ）n 缺 點(diǎn) ： 攪 拌 槳 產(chǎn) 生 強(qiáng) 大

57、的 剪 切 力 、 易 使 酶 失 活 。 （ 菌 絲 斷 裂 、 動(dòng) 植 物 細(xì) 胞 破 損 ）n 改 良 CSTR（ 對(duì) 酶 ） ： 將 載 有 酶 的 聚 合 物 園 片 固 定 在 攪 拌 軸 上 或者 放 置 在 與 攪 拌 軸 一 起 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 金 屬 網(wǎng) 筐 內(nèi) 用 有 底 物 抑 制 的 場(chǎng) 合 。 n 方 程 ： FS0=FSt-rSdV F(S0 - St)= -rSdV一 般 關(guān) 系 式 Sk SS 0 S0 r SS Sr )SK(SSFV max 0m0 ）（ 02m0 Ek1KS 7.3.3 CSTR型 與 CPFR反 應(yīng) 器 性 能 的 比 較 相 同 的 轉(zhuǎn)

58、化 率 A A. 分 布以 1/rS- 作 圖 可 知 CSTR CPFR ， 且 隨 著 ， 差 異 越 顯 著 。B 反 應(yīng) 體 積 V CSTR V CPFR C 酶 的 用 量在 CSTR中 所 需 的 酶 量 比 SPFR的 多 ； 且 X越 高 ， 差 異 越 顯 著 ；同 時(shí) 也 與 反 應(yīng) 的 級(jí) 數(shù) 有 關(guān) ， 一 級(jí) 反 應(yīng) 時(shí) 最 大 ， 零 級(jí) 反 應(yīng) 時(shí)最 小 。 )1ln()1( CPFRCSTREE D 穩(wěn) 定 性 在 SPFR反 應(yīng) 器 中 ， 酶 比 較 敏 感 ， 即 酶 易 失 活 。在 CSTR反 應(yīng) 器 中 ， 基 質(zhì) 的 濃 度 均 勻 一 致 ，

59、因 此 酶 的 失 活動(dòng) 力 學(xué) 較 簡(jiǎn) 單 ， 而 在 SPFR中 ， 基 質(zhì) 的 濃 度 沿 著 反 應(yīng) 器軸 向 變 化 ， 故 在 反 應(yīng) 器 的 不 同 區(qū) 段 里 ， 酶 的 失 活 速 率不 一 樣 ， 其 酶 的 失 活 動(dòng) 力 學(xué) 就 較 復(fù) 雜 。 E 底 物 抑 制在 SPFR反 應(yīng) 器 中 ， 底 物 的 抑 制 作 用 比 CSTR反 應(yīng) 器 中 的更 加 強(qiáng) 烈 ；在 CSTR反 應(yīng) 器 中 ， 產(chǎn) 物 的 抑 制 作 用 比 SPFR 反 應(yīng) 器 中 的更 加 強(qiáng) 烈 。 F 濃 度 的 分 布 7.4生 物 反 應(yīng) 器 的 比 擬 放 大7.4.1 目 的7.4

60、.2分 類 經(jīng) 驗(yàn) 放 大 法 因 次 分 析 法 時(shí) 間 常 數(shù) 法 數(shù) 學(xué) 模 型 法基 礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn) 測(cè) 定值 過 程 的 模型 用 電 子 計(jì) 算 機(jī)作 方 案 研 究 模 型 的 放 大計(jì) 算 機(jī) 的 結(jié) 果 與實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 的 比 較基 礎(chǔ) 模 型的 修 正 用 電 子計(jì) 算 機(jī)作 設(shè) 計(jì)計(jì) 算 過 程 的基 本 設(shè)計(jì)小試中試圖 7-1 數(shù) 學(xué) 模 擬 放 大 方 法 示 意 圖 經(jīng) 驗(yàn) 放 大 法機(jī) 械 攪 拌 反 應(yīng) 器n 幾 何 相 似 放 大放 大 倍 數(shù) m 體 積 徑 高 比n 恒 定 等 體 積 功 率 放 大n 以 單 位 培 養(yǎng) 液 體 積 的 空 氣 流 量 相

61、同 的 放 大 原 則 進(jìn)行 放 大 。 VVM（ 標(biāo) 準(zhǔn) ）單 位 時(shí) 間 培 養(yǎng) 液 體 積 在 單 位 時(shí) 間內(nèi) 通 入 的 空 氣 流 量 m3/(m3 min). 標(biāo) 準(zhǔn) 狀 態(tài) 下 空 氣 線 速 度 Ug來 表 示 （ m/h）n 以 空 氣 線 速 度 相 同 的 原 則 放 大 n 以 kLa相 同 的 原 則 放 大 46 7 8 154/73由 于 細(xì) 胞 的 組 成 是 復(fù) 雜 的 ， 當(dāng) 微 生 物 細(xì) 胞 內(nèi) 部所 含 有 的 蛋 白 質(zhì) 、 脂 肪 、 碳 水 化 合 物 、核 酸 、 維 生 素 等 的 含 量 隨 環(huán) 境 條 件 的 變 化 而 變化 時(shí) ，

62、建 立 起 的 動(dòng) 力 學(xué) 模 型 稱 為 結(jié) 構(gòu) 模 型 。 10 12/50分 配 系 數(shù) KP 的 定 義 是 載 體 內(nèi) 外 底 物 濃 度 之 比 。（ 1） KP 1， 表 明 載 體 顆 粒 內(nèi) 底 物 濃 度 高 于 反 應(yīng) 液 中 底物 濃 度 ， 因 此 在 載 體 顆 粒 與 反 應(yīng) 液 之 間 的 固 液 界 面 處 ，底 物 濃 度 由 反 應(yīng) 液 中 的 濃 度 逐 漸 增 大 至 載 體 顆 粒 內(nèi) 部濃 度 。（ 2） KP = 1， 表 明 載 體 顆 粒 內(nèi) 底 物 濃 度 等 于 反 應(yīng) 液 中 底物 濃 度 ， 因 此 在 載 體 顆 粒 與 反 應(yīng) 液

63、 之 間 的 固 液 界 面 處 ，底 物 濃 度 等 于 反 應(yīng) 液 中 底 物 濃 度 。（ 3） K P 1， 表 明 載 體 顆 粒 內(nèi) 底 物 濃 度 低 于 反 應(yīng) 液 中 底物 濃 度 ， 因 此 在 載 體 顆 粒 與 反 應(yīng) 液 之 間 的 固 液 界 面 處 ，底 物 濃 度 由 反 應(yīng) 液 中 的 濃 度 逐 漸 降 低 至 載 體 顆 粒 內(nèi) 部濃 度 。 7/50（ 1） 酶 的 穩(wěn) 定 性 受 溫 度 和 時(shí) 間 的 雙 重 影 響 。 在 同 一 溫 度下 ， 不 同 的 保 溫 時(shí) 間 殘 存 酶 活 力 有 極 大 差 異 。 圖 （ a）中 不 同 溫 度

64、下 保 溫 10min 后 殘 余 酶 活 力 曲 線 只 表 明 ，在 保 溫 時(shí) 間 為 10min時(shí) ， 酶 在 50 C 以 下 是 穩(wěn) 定 的 ，而 并 不 能 得 出 “ 酶 在 0 C 以 下 是 穩(wěn) 定 的 ” 這 一 結(jié) 論 。因 為 不 同 的 保 溫 時(shí) 間 必 將 對(duì) 酶 的 穩(wěn) 定 性 產(chǎn) 生 影 響 。（ 2） 一 定 的 酶 促 反 應(yīng) 都 是 由 正 向 的 酶 促 反 應(yīng) 與 酶 的 失 活反 應(yīng) 的 復(fù) 合 。 當(dāng) 時(shí) 間 一 定 ， 隨 溫 度 的 升 高 ， 反 應(yīng) 速 率增 大 ， 轉(zhuǎn) 化 率 提 高 ， 但 當(dāng) 溫 度 高 于 某 一 值 時(shí) ， 由

65、 于 酶的 熱 失 活 速 率 加 快 ， 當(dāng) 快 于 酶 促 反 應(yīng) 速 率 上 升 的 速 度時(shí) ， 酶 的 總 反 應(yīng) 速 率 下 降 ， 最 終 降 為 零 。 對(duì) 某 一 反 應(yīng)時(shí) 間 ， 就 有 一 與 最 高 轉(zhuǎn) 化 率 對(duì) 應(yīng) 的 溫 度 ， 該 溫 度 稱 為最 適 溫 度 。 不 同 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 ， 有 不 同 的 最 適 溫 度 。 最適 溫 度 是 溫 度 對(duì) 酶 促 反 應(yīng) 速 率 和 酶 失 活 速 率 雙 重 作 用的 結(jié) 果 。 圖 （ b） 只 表 明 反 應(yīng) 時(shí) 間 為 10min 時(shí) ， 酶 的 最適 反 應(yīng) 溫 度 為 35 C。 但 并 不 能

66、 籠 統(tǒng) 地 說 酶 的 最 適 反應(yīng) 溫 度 為 35 C。 因 為 如 果 反 應(yīng) 時(shí) 間 變 化 ， 酶 的 最 適反 應(yīng) 溫 度 將 發(fā) 生 變 化 。 8/50最 適 溫 度 是 溫 度 對(duì) 酶 促 反 應(yīng) 速 率 和 酶 失 活速 率 雙 重 作 用 的 結(jié) 果 ， 酶 的 失 活 又 受 溫度 和 時(shí) 間 的 雙 重 影 響 。 因 此 不 同 的 反 應(yīng)時(shí) 間 ， 有 不 同 的 最 適 溫 度 。 當(dāng) 反 應(yīng) 時(shí) 間較 長(zhǎng) 時(shí) ， 在 較 低 的 溫 度 下 即 可 達(dá) 到 短 時(shí)反 應(yīng) 較 高 溫 下 所 能 達(dá) 到 的 同 樣 的 失 活 速率 ， 從 而 引 起 酶 最 適 溫 度 的 降 低 。 通 常連 續(xù) 式 操 作 比 分 批 式 操 作 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 因 此 ，其 最 適 反 應(yīng) 溫 度 比 分 批 實(shí) 驗(yàn) 的 要 低 。 在 有 氧 條 件 下 ， 桿 菌 在 甲 醇 上 生 長(zhǎng) ， 在 進(jìn) 行 間 歇培 養(yǎng) 得 到 結(jié) 果 如 圖 ：試 求 max , YX/S， td, KS. 以 下 是 動(dòng) 態(tài) 法 測(cè) 定 發(fā) 酵 體 系 氧 傳 遞 系 數(shù)