生物反应器专题培训市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、第七章第七章生物反应器生物反应器第1页 主要内容主要内容 1 1、生物反应器设计基础、生物反应器设计基础 2 2、酶反应器、酶反应器 3 3、通风式发酵设备、通风式发酵设备 4 4、厌氧发酵设备、厌氧发酵设备 5 5、动植物反应器、动植物反应器 6 6、生物反应器放大、生物反应器放大 目标与方法目标与方法第2页7.1 7.1 生物反应器设计基础生物反应器设计基础7.1.1 7.1.1 生物反应器设计特点与生物学基础生物反应器设计特点与生物学基础 生生物物反反应应器器与与化化学学反反应应器器在在使使用用中中主主要要不不一一样样点点是是 生生 物物(酶酶 除除 外外)反反 应应 都都 以以“自自
2、催催 化化”(Autocalalysis)方方式式进进行行,即即在在目目标标产产物物生生成成过过程中生物本身要生长繁殖。程中生物本身要生长繁殖。生生物物反反应应器器作作用用就就是是为为生生物物体体代代谢谢提提供供一一个个优优化化物物理理及及化化学学环环境境,使使生生物物体体能能更更加加快快更更加加好好地地生生长长,得到更多需要生物量或代谢产物。得到更多需要生物量或代谢产物。第3页生物反应器操作特征生物反应器操作特征 反应器类型反应器类型pHpH控控制制温度温度控制控制工业主要特征工业主要特征主要应用领域主要应用领域批式批式(通用罐通用罐)连续搅拌罐式连续搅拌罐式气升式反应器气升式反应器鼓泡式反
3、应器鼓泡式反应器自吸式反应器自吸式反应器通风制曲设备通风制曲设备嫌气反应器嫌气反应器动动植植物物细细胞胞用用反应器反应器光合反应器光合反应器如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需难控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人事费用高流速受冲出限制流速受冲出限制空空压压机机出出口口压压力力要高要高可采取鼓风机可采取鼓风机需转子高速旋转需转子高速旋转人事费用高人事费用高无需通风设备无需通风设备剪切应力小剪切应力小需光源需光源大多数工业生产大多数工业生产污水处理、污水处理、SCPSCP生产等生产等有机酸有机酸,如柠檬酸生产等如柠
4、檬酸生产等面包酵母等生产面包酵母等生产乙酸、酵母等生产乙酸、酵母等生产麸曲、酶制剂和麦芽生产等麸曲、酶制剂和麦芽生产等酒精、啤酒等生产酒精、啤酒等生产杂杂交交瘤瘤单单克克隆隆抗抗体体、烟烟草草细细胞胞培养等培养等微藻等生产微藻等生产第4页生物反应器生物学基础生物反应器生物学基础 生生物物反反应应速速率率主主要要指指细细胞胞生生长长速速率率、基基质质消消耗耗速速率率和和产产物物生成速率,其对应动力学模型是生成速率,其对应动力学模型是 细胞:细胞:(7-1)基质:基质:(7-2)产物:产物:(7-3)反应液体积:反应液体积:(7-4)第5页式中式中nF F为流入与流出生物反应器基质流量为流入与流出
5、生物反应器基质流量L/hL/h;n下下标标i i、j j和和k k分分别别表表示示对对应应细细胞胞、基基质质和和产产物物,下标下标 表示基质流加流量。表示基质流加流量。n当采取分批式操作时当采取分批式操作时,F,F=F=0=F=0;采取流加式操;采取流加式操作时,作时,F FF=0F=0;采取连续式操作时;采取连续式操作时,F,F=F=F 0 0 第6页生物反应器设计基本原理生物反应器设计基本原理 生物反应器选型与设计关键点生物反应器选型与设计关键点 1 1、选选择择适适宜宜生生物物催催化化剂剂。这这包包含含要要了了解解产产物物在在生生物物反反应应哪哪一一阶阶段段大大量量生生成成、适适宜宜pH
6、pH和和温温度度,是是否否好好氧氧和和易易受受杂杂菌污染等。菌污染等。2 2、确定适宜反应器形式。、确定适宜反应器形式。3 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4 4、传热面积计算。、传热面积计算。5 5、通风与搅拌装置设计计算。、通风与搅拌装置设计计算。6 6、材料选择与确保无菌操作设计。、材料选择与确保无菌操作设计。7 7、检验与控制装置。、检验与控制装置。8 8、安全性。、安全性。9 9、经济性。、经济性。第7页7.1.27.1.2生物反应器中混合生物反应器中混合 混合过程分类混合过程分类 类类 型型 说说 明明应应 用用 实实 例例气气液液
7、液液固固固固固固液液液液液液液液液体流动液体流动气、液接触混合气、液接触混合固固相相颗颗粒粒在在液液相相中悬浮中悬浮固相间混合固相间混合互溶液体互溶液体不互溶液体不互溶液体传热传热液液相相好好氧氧发发酵酵,如如味味精精、抗抗生生素素等等发酵发酵固固定定化化生生物物催催化化剂剂应应用用、絮絮凝凝酵酵母母生产酒精等生产酒精等固态发酵生产前拌料固态发酵生产前拌料发酵或提取操作发酵或提取操作双液相发酵与萃取过程双液相发酵与萃取过程反应器中换热器反应器中换热器第8页7.1.3 7.1.3 生物反应器中传热生物反应器中传热 生物反应器中能量平衡可表示为:生物反应器中能量平衡可表示为:(7-57-5)n式中
8、式中Q Qmetmet为微生物代谢或酶活力造成单位体积产热速率;为微生物代谢或酶活力造成单位体积产热速率;nQ Qagag为搅拌造成单位体积产热速率;为搅拌造成单位体积产热速率;nQ Qgasgas为通风造成单位体积产热速率;为通风造成单位体积产热速率;nQ Qaccacc为体系中单位体积积累产热速率;为体系中单位体积积累产热速率;nQ Qexchexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热速率;为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热速率;nQ Qevapevap为蒸发造成单位体积热损失速率;为蒸发造成单位体积热损失速率;nQ Qsensen为热流(流出流入)造成单位体积敏感焓上升速率为
9、热流(流出流入)造成单位体积敏感焓上升速率。第9页 实际生物反应过程中热量计算,可采取以下方法:、经经过过反反应应中中冷冷却却水水带带走走热热量量进进行行计计算算。依依据据经经验验,每每m m3 3发发酵酵液液每每小小时时传传给给冷冷却却器器最最大大热量为:热量为:青霉素发酵约为青霉素发酵约为25000kJ/(m25000kJ/(m3 3h);h);链霉素发酵约为链霉素发酵约为19000kJ/(m19000kJ/(m3 3h);h);四环素发酵约为四环素发酵约为0kJ/(m0kJ/(m3 3h);h);肌苷发酵约为肌苷发酵约为18000kJ/(m18000kJ/(m3 3h);h);谷氨酸发酵
10、约为谷氨酸发酵约为31000kJ/(m31000kJ/(m3 3h)h)。第10页 2 2、经经过过反反应应液液温温升升进进行行计计算算。即即依依据据反反应应液液在在单单位位时时间间内内(如如半半小小时时)上上升升温温度度而而求求出出单单位位体体积积反反应应液液放放出出热热量量近近似似值值。比比如如某某味味精精生生产产厂厂,在在夏夏天天不不开开冷冷却却水水时时,25m25m3 3发发酵酵罐罐每每小小时时内内最最大大升升温温约约为为1212。3 3、经经过过生生物物合合成成进进行行计计算算。当当Q Qsen sen、Q Qaccacc和和Q Qgasgas可忽略不计,由式可忽略不计,由式7-57
11、-5可知,可知,(7-67-6)即反应过程中产生总热量均为冷却装置带走。即反应过程中产生总热量均为冷却装置带走。4 4、经过燃烧热进行计算、经过燃烧热进行计算 (7-77-7)式中式中Q Q基质燃烧基质燃烧为基质燃烧热,为基质燃烧热,Q Q产物燃烧产物燃烧为产物燃烧热。为产物燃烧热。第11页 生生物物反反应应器器中中换换热热装装置置设设计计,首首先先是是传传热热面面积计算。积计算。换热装置传热面积可由下式确定。换热装置传热面积可由下式确定。(7-87-8)式中式中 F F为换热装置传热面积为换热装置传热面积m m2 2;Q Qallall为为由由上上述述方方法法取取得得反反应应热热或或反反应应
12、中中每每小时放出最大热量小时放出最大热量kJ/hkJ/h;K K为换热装置传热系数为换热装置传热系数kJ/(mkJ/(m2 2h)h);t tm m为为对对数数温温度度差差()(),由由冷冷却却水水进进出出口口温温度与醪液温度而确定。度与醪液温度而确定。第12页 依据经验:依据经验:夹套夹套K K值为值为400400700kJ/700kJ/(m m2 2hh),蛇管),蛇管K K值为值为120012001900kJ/1900kJ/(m m2 2hh),如管壁较薄,),如管壁较薄,对冷却水进行强制循环时,对冷却水进行强制循环时,K K值为值为330033004200kJ/4200kJ/(m m2
13、 2hh)。气温高地域,冷却水温高,传热)。气温高地域,冷却水温高,传热效果差,冷却面积较大,效果差,冷却面积较大,1m1m3 3发酵液冷却面积超出发酵液冷却面积超出2m2m2 2。但在气温较底地域,采取地下水冷却,冷却。但在气温较底地域,采取地下水冷却,冷却面积较小,面积较小,1m1m3 3发酵液冷却面积为发酵液冷却面积为1m1m2 2。发酵产品不。发酵产品不一样,冷却面积也有差异。一样,冷却面积也有差异。第13页7.2 7.2 酶反应器酶反应器 n7.2.17.2.1酶反应器及其操作参数酶反应器及其操作参数 形式名称形式名称操作方式操作方式说明说明单相单相系统系统酶反酶反应器应器搅搅 拌拌
14、 罐罐(stirred stirred tanktank)分批、流加分批、流加靠机械搅拌混合靠机械搅拌混合超超滤滤膜膜反反应应器器(ultrafiltrationultrafiltration)分分批批、流流加加或连续或连续适适合合用用于于高高分分子子底物底物多相多相系统系统酶反酶反应器应器搅拌罐搅拌罐分分批批、流流加加或连续或连续靠机械搅拌混合靠机械搅拌混合固固定定床床(fixed fixed bedbed)填充床填充床(packed bed(packed bed)连续连续适适合合用用于于固固定定化化酶酶或微生物反应中或微生物反应中流流化化床床(fluidized fluidized bed
15、bed)分批、连续分批、连续靠靠溶溶液液流流动动而而混混合合膜膜式式(filmfilm)反反应应器器;悬浊气泡塔悬浊气泡塔连续连续分批、连续分批、连续膜膜状状或或片片状状固固定定化化酶酶,适适于于气气体体为为底底物物依据其形式和操作方式分类依据其形式和操作方式分类:第14页酶反应器设计和操作参数 决定酶反应器设计和操作性能参决定酶反应器设计和操作性能参数有停留时间数有停留时间、转化率、反应器产、转化率、反应器产率率P Pr r、酶用量、反应器温度、酶用量、反应器温度、pHpH值和值和底物浓度等。当副反应不可忽略时,底物浓度等。当副反应不可忽略时,选择性选择性S Sp p也是很主要参数。也是很主
16、要参数。第15页一、停留时间 停停留留时时间间是是指指反反应应物物料料进进入入反反应应器器时时算算起起,至至离离开开反反应应器器时时为为止止所所经经历历时时间间。分分批批式式搅搅拌拌罐罐(Batch Batch stirred stirred tank tank reactorreactor,BSTRBSTR)中中,全全部部物物料料停停留留时时间间是是相相同同,且且等等于于反反应应时时间间;CPFRCPFR中中二二者者也也是是一一致致。对对于于CSTRCSTR,常常使使用用“平平均均停停留留时时间间”来来表表示示。假假如如反反应应器器容容积积为为V V,物物料料流流入入反反应器中体积流量为应器
17、中体积流量为F F,平均停留时间,平均停留时间定义式为:定义式为:(7-97-9)又称空时(空间时间又称空时(空间时间space timespace time),其倒数),其倒数1 1称为空速(空间速度称为空速(空间速度 space velocity space velocity)。)。第16页二、转化率二、转化率 转转 化化 率率(也也 称称 转转 化化 分分 数数 conversion conversion or or fractional fractional conversionconversion)是是表表明明供供给给反反应应底底物物发发生生转转变变分分量量。分分批批式式操操作作中中
18、,底底物物初初始始浓浓度度为为S S0 0,反反应应时时间间t t时时底底物物浓浓度度为为S St t,此此时时,底底物物S S转化率为:转化率为:(7-107-10)连连续续式式操操作作中中,流流入入反反应应器器内内底底物物浓浓度度为为S Sinin,流出液中底物浓度为流出液中底物浓度为S Soutout,此时转化率,此时转化率:(7-117-11)第17页三、生产能力三、生产能力P Pr r 反反应应器器生生产产能能力力P Pr r(productivity)定定义义是是单单位时间、单位反应器体积内生产产物量。位时间、单位反应器体积内生产产物量。分批式操作中,分批式操作中,(7-127-1
19、2)式中式中P Pt t为时间为时间t t时单位反应液体积中产物生成量。时单位反应液体积中产物生成量。连续式操作中,连续式操作中,(7-137-13)式中式中P Poutout为单位体积流出液中产物量。为单位体积流出液中产物量。第18页四、选择性四、选择性Sp 选选择择性性S Sp p(selectivityselectivity)是是在在有有副副反反应应发发生生复复合合反反应应中中,能能够够转转变变为为目目标标产产物物底底物物改改变变总总量量中中,实实际际上上转转变为目标产物比率。由底物变为目标产物比率。由底物S S生成目标产物生成目标产物P P选择性选择性S Sp p为:为:(7-147-
20、14)S Sp p表表明明了了整整个个反反应应平平均均选选择择性性。式式中中a aspsp是是指指从从1mol1mol底底物物S S中中所所得得到到产产物物P P摩摩尔尔数数,是是由由反反应应量量论论关关系系而而决决定定。因因为为在在反反应应各各阶阶段段或或反反应应器器内内不不一一样样位位置置选选择择性性并并非非一一致,所以,瞬时(或局部)选择性为:致,所以,瞬时(或局部)选择性为:(7-157-15)式中式中r rp p为主反应速率;为主反应速率;r rs s为副反应速率。为副反应速率。第19页酶反应器选择酶反应器选择 游游离离酶酶反反应应器器选选择择,完完全全能能够够采采取取表表(7-27
21、-2)普普通生物反应器选择要求来进行。通生物反应器选择要求来进行。对对于于固固定定化化酶酶反反应应器器选选择择,除除一一样样依依据据使使用用目目标标、反反应应形形式式、底底物物浓浓度度、反反应应速速率率、物物质质传传递递速速率率和和反反应应器器制制造造和和运运转转成成本本及及难难易易等等原原因因进进行行选选择择外外,还还应应考考虑虑固固定定化化酶酶形形状状(颗颗粒粒、纤纤维维、膜膜等等)、大大小小、机机械械强强度度、比比重重和和再再生生或或更更新新难难易易;操操作作上上要要求求,如如pHpH控控制制、供供氧氧和和预预防防杂杂菌菌污污染染等等;反反应应动动力力学学形形式式和和物物质质传传递递特特
22、征征、内内外外扩扩散散影影响响;底底物物性性质;催化剂(固定化酶)表面反应器体积比值等。质;催化剂(固定化酶)表面反应器体积比值等。第20页7.2.2 7.2.2 理想酶反应器理想酶反应器 n一、一、CPFRCPFR型酶反应器型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。CPFR CPFR具备以下特点:在正常连续稳态操作情具备以下特点:在正常连续稳态操作情况下,在反应器各个截面上,物料浓度不随时间况下,在反应器各个截面上,物料浓度不随时间而改变;反应器内轴向各处浓度彼此不相等,反而改变;反应器内轴向各处浓度彼此不相等,反应速率随空间位置而改变;因为径向
23、有严格均匀应速率随空间位置而改变;因为径向有严格均匀速度分布,即径向不存在浓度分布,故反应速率速度分布,即径向不存在浓度分布,故反应速率随空间位置改变只限于轴向。随空间位置改变只限于轴向。第21页对对CPFRCPFR进行物料衡算进行物料衡算 图图7-1 7-1 活塞流式反应器物料恒算示意图活塞流式反应器物料恒算示意图 第22页 沿反应器轴向任意切出长度为沿反应器轴向任意切出长度为dldl一个微元管一个微元管段作为反应器微元,该微元体积记为段作为反应器微元,该微元体积记为dV=AdldV=Adl,如图如图7-17-1所表示,在该微元内反应速率不随时间而所表示,在该微元内反应速率不随时间而变。稳定
24、状态下,以一级反应为例,取底物变。稳定状态下,以一级反应为例,取底物S S作为作为着眼组分进行物料衡算得(单位时间内):着眼组分进行物料衡算得(单位时间内):流入量流入量 流出量流出量 反应量反应量 积累量积累量 FS (F+dF)(S+dS)-r FS (F+dF)(S+dS)-rs sdV 0dV 0第23页因为因为dFdF0 0,F F0 0F FF Ff f,所以,所以 (7-177-17)以边界条件进行积分,得以边界条件进行积分,得 (7-187-18)式中:式中:S S为底物浓度为底物浓度molmolm m3 3;F F为以体积计物料进料流率为以体积计物料进料流率m m3 3s s
25、;A A为反应器横截面积为反应器横截面积m m2 2;L L为反应器长度为反应器长度m m;为停留时间为停留时间s s;k k为一级反应速率常数。为一级反应速率常数。第24页 所以,反应器停留时间为所以,反应器停留时间为 (7-197-19)对于其它各级反应可得到普通关系式,对于其它各级反应可得到普通关系式,(7-207-20)把把酶酶促促反反应应经经典典动动力力学学方方程程米米氏氏方方程程代代入入上上式,得操作方程为式,得操作方程为 (7-217-21)也可整理为也可整理为 (7-227-22)上式中,上式中,为流出液中底物转化率。为流出液中底物转化率。第25页二、二、CSTRCSTR型酶反
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