生物反应器的原理和类型省名师优质课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

第六章第六章 生物反应器原理和类型生物反应器原理和类型第1页w生物技术是生物化学、微生物学以及工程科生物技术是生物化学、微生物学以及工程科学综合，目标是对生物有机体全部能力进行学综合，目标是对生物有机体全部能力进行工业应用。这些有机体包含微生物，体外培工业应用。这些有机体包含微生物，体外培养状态下生物组织细胞及其部分酶。简言之，养状态下生物组织细胞及其部分酶。简言之，生物技术是对生物物质有控制应用。生物技术是对生物物质有控制应用。大规模大规模培养生物有机体培养生物有机体是生物技术关键。是生物技术关键。第2页生物反应器（Bioreactor）w定义：是人们对生物有机体进行有控制培养定义：是人们对生物有机体进行有控制培养以生产某种产品或进行特定反应容器。以生产某种产品或进行特定反应容器。第3页w生物反应器这一术语出现时间并不长，但人们利用生物反应器这一术语出现时间并不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久历史。古生物反应器进行有用物质生产却有着悠久历史。古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中活性物质把牛奶转化代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中活性物质把牛奶转化成乳酪。这是传统乳酪生产方法，而牛胃便是原始成乳酪。这是传统乳酪生产方法，而牛胃便是原始状态生物反应器状态生物反应器。活性物质是凝乳酶，它催化牛奶。活性物质是凝乳酶，它催化牛奶中蛋白质限制性水解，促使凝聚为乳酪中蛋白质限制性水解，促使凝聚为乳酪第4页w发酵罐（发酵罐（Fermenter）（无氧发酵容器）（无氧发酵容器）w有氧发酵、对生物在反应器内培养过程也常称为有氧发酵、对生物在反应器内培养过程也常称为发酵过程。发酵过程。w20世纪世纪70年代年代 厌氧发酵罐厌氧发酵罐w生化反应器（生化反应器（biochemical reactor）有氧发酵罐有氧发酵罐w 生物学反应器（生物学反应器（biological reactor）酶反应器等酶反应器等 w 废水生物处理反应器废水生物处理反应器 第5页w20世纪世纪80年代年代w生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一个标准名称个标准名称w 传统发酵罐传统发酵罐w 酶反应器等酶反应器等w 固定化酶和细胞反应器固定化酶和细胞反应器w 动植物细胞培养反应器动植物细胞培养反应器第6页普普通通生生化化反反应应过过程程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物 由图可见，利用生物催化剂进行反应生物反应器在生物过程中，含有中心作用，是实现生物技术产品产业化关键设备，是连接原料和产物桥梁。在反应器中，经过产物合成，廉价原料被升值了。所以，生物反应器设计和操作，是生物工程中一个及其主要问题，它对产品成本和质量有很大影响。第7页第一节 生物反应器原理质量量传递剪切力剪切力培养液流变学性质培养液流变学性质生物反应器混合生物反应器混合第8页一、生物反应器中质量传递w 质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时，质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时，反应速率不但与化学原因相关而且与物理原因也相关。反应速率不但与化学原因相关而且与物理原因也相关。质量传递与化学原因交织在一起，极大地影响着生物反质量传递与化学原因交织在一起，极大地影响着生物反应器内实际反应速率。应器内实际反应速率。w 生物反应器内质量传递主要为气生物反应器内质量传递主要为气-液传递和液液传递和液-固传固传递。气递。气-液传递主要是好氧发酵过程中氧传递以及二氧化液传递主要是好氧发酵过程中氧传递以及二氧化碳释放，而液碳释放，而液-固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、固定化细胞、生物膜、絮凝细胞过程。固定化细胞、生物膜、絮凝细胞过程。混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度区域方向迁移过程区域方向迁移过程.与与动量传递、热量传递动量传递、热量传递并列为三种并列为三种传递传递过程。质量传递能够在一相过程。质量传递能够在一相内进行，也可能在相际进行。内进行，也可能在相际进行。第9页w1、气液传质、气液传质w 生物反应器中气液传质包含好氧发酵中气体主流中氧生物反应器中气液传质包含好氧发酵中气体主流中氧到液相主流传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳排除等。到液相主流传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳排除等。大多数微生物发酵过程为好氧，而且氧在水溶液中溶解度很大多数微生物发酵过程为好氧，而且氧在水溶液中溶解度很低，要维持发酵中正常氧代谢必须在过程中一直保持氧从气低，要维持发酵中正常氧代谢必须在过程中一直保持氧从气相到液相传递。氧传递在许多好氧发酵中是限制性步骤。相到液相传递。氧传递在许多好氧发酵中是限制性步骤。第10页w2、液固传质、液固传质w当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程影当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程影响，与游离状态反应速率是不一样，限制性传质步骤往往不响，与游离状态反应速率是不一样，限制性传质步骤往往不是气液传质而是液固传质。是气液传质而是液固传质。w过程：过程：（1）反应底物从液相主体经过颗粒周围液膜扩散抵达颗粒表面；）反应底物从液相主体经过颗粒周围液膜扩散抵达颗粒表面；（2）从颗粒表面经过颗粒内微孔扩散抵达颗粒内表面上酶活位）从颗粒表面经过颗粒内微孔扩散抵达颗粒内表面上酶活位或细胞表面；或细胞表面；（3）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物；）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物；（4）产物从颗粒内部经过微孔扩散到颗粒表面；）产物从颗粒内部经过微孔扩散到颗粒表面；（5）从颗粒表面经过液膜扩散到液相主体。）从颗粒表面经过液膜扩散到液相主体。第11页二、培养液流变学性质 黏黏度度对对不不一一样样过过程程影影响响第12页w发酵液流变学性质直接影响生物反应器整体混合行为，各种传质过程和发酵液流变学性质直接影响生物反应器整体混合行为，各种传质过程和热传递；进而影响微生物反应周期和产出，影响传感器响应和可靠性，热传递；进而影响微生物反应周期和产出，影响传感器响应和可靠性，对产品分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指示发酵状态，对产品分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指示发酵状态，可用于过程检测和控制。可用于过程检测和控制。w 普通接种前培养基流变学性质类似于水，伴随发酵进行，其性质会普通接种前培养基流变学性质类似于水，伴随发酵进行，其性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利，这种改变是由生物体增加和大变得很复杂，而且常是对发酵过程不利，这种改变是由生物体增加和大分子产物积累造成。分子产物积累造成。w流变学性质经过影响流体流动特征而影响传质和传热，从而影响生物化流变学性质经过影响流体流动特征而影响传质和传热，从而影响生物化学反应和细胞新陈代谢，即反应器生态系统中流变学影响甚至决定其内学反应和细胞新陈代谢，即反应器生态系统中流变学影响甚至决定其内部生物反应动力学。部生物反应动力学。液体在外加剪切液体在外加剪切力力 作用下所产作用下所产生流变特征。生流变特征。第13页w1、流体流变学分类w流变学惯用流变学惯用黏度黏度（对流动抗性）、（对流动抗性）、流动行为流动行为（黏度和剪切（黏度和剪切率关系）和率关系）和屈服应力屈服应力（产生静液流需要力）等术语来表述。（产生静液流需要力）等术语来表述。液体流变性通常依据下式进行分类：液体流变性通常依据下式进行分类：w =0+k（）n （幂定律方程）（幂定律方程）w所施剪切力，所施剪切力，产生剪切率，产生剪切率，0屈服应力，屈服应力，k是幂定律常是幂定律常数或黏度系数，数或黏度系数，n为幂定律指数或流动特征指数为幂定律指数或流动特征指数第14页w牛顿型流体牛顿型流体：符合牛顿黏性定律流体：符合牛顿黏性定律流体w当当n=1，0=0 w=（牛顿黏性定律）（牛顿黏性定律）w非牛顿型流体非牛顿型流体（与与 之比不是常数）依据其比值不一样又之比不是常数）依据其比值不一样又可分为以下几类：可分为以下几类：wA、宾汉（、宾汉（Bingham）塑性流体）塑性流体 w =0+w（0时，流体不流动，流动曲线为不过原点直线）时，流体不流动，流动曲线为不过原点直线）w比如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液比如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液第15页wB、拟塑性（、拟塑性（Pseudoplastic）流体）流体w=k（）n 0n1wn越大，流体非牛顿型特征越显著越大，流体非牛顿型特征越显著w比如：链霉素，四环素和卡那霉素发酵过程中，接种后一比如：链霉素，四环素和卡那霉素发酵过程中，接种后一段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大颜料悬浮液段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大颜料悬浮液第16页wD、凯松流体（、凯松流体（Casson body）w =0 +kc（）w比如：比如：kc为凯松黏度。油墨、融化巧克力、血液、酸酪等；为凯松黏度。油墨、融化巧克力、血液、酸酪等；青霉素发酵液；对丝状菌悬浮液，凯松方程经常比幂定律方青霉素发酵液；对丝状菌悬浮液，凯松方程经常比幂定律方程更为适用程更为适用第17页产产物物微生微生物物w发酵液流变特征制制霉霉菌菌素素青青霉霉素素青青霉霉素素青青霉霉素素链链霉霉素素新新生生霉霉素素卡卡那那霉霉素素曲曲古古霉霉素素曲曲古古霉霉素素非非洛洛霉霉素素诺尔诺尔斯斯氏氏链链霉霉菌菌产黄产黄青青霉霉菌菌产黄产黄青青霉霉菌菌产黄产黄青青霉霉菌菌灰色灰色链链霉霉菌菌雪白雪白链链霉霉菌菌卡那卡那霉霉素素菌菌卡那卡那霉霉素素链链霉霉菌菌卡那卡那霉霉素素链链霉霉菌菌卡那卡那霉霉素素链链霉霉菌菌牛顿牛顿性性流流体体拟塑拟塑性性流流体体宾汉宾汉塑塑性性流流体体涨塑涨塑性性流流体体宾汉宾汉塑塑性性流流体体宾汉宾汉塑塑性性流流体体拟塑拟塑性性流流体体宾汉宾汉塑塑性性流流体体拟塑拟塑性性流流体体拟塑拟塑性性流流体体第18页 w2、影响培养液流动特征原因、影响培养液流动特征原因w（1）细胞浓度和形态）细胞浓度和形态w细胞浓度越大，培养液黏度也对应增大；细胞浓度越大，培养液黏度也对应增大；w细胞形态改变对培养液流动特征影响也很大。细胞形态改变对培养液流动特征影响也很大。w比如：不一样形态和菌龄黑曲霉培养液比如：不一样形态和菌龄黑曲霉培养液w（2）胞外产物）胞外产物w 一些微生物能分泌多糖，它们培养液因多糖存在显示一些微生物能分泌多糖，它们培养液因多糖存在显示出非常复杂流动特征；出非常复杂流动特征；w 其它大分子如蛋白质，当培养液中存在分散得很小气其它大分子如蛋白质，当培养液中存在分散得很小气泡时也会影响流变学特征，但在生物过程中并不常考虑。泡时也会影响流变学特征，但在生物过程中并不常考虑。第19页w3、流体性质对、流体性质对kL影响影响w在培养液中，氧传递受到培养液流变学影响，氧传递系在培养液中，氧传递受到培养液流变学影响，氧传递系数随黏度增加而下降。数随黏度增加而下降。w造成氧传递速率低原因可能是形成气泡速率低、气泡合造成氧传递速率低原因可能是形成气泡速率低、气泡合并速度增加或培养液在发酵罐中流动速度降低。并速度增加或培养液在发酵罐中流动速度降低。w假如培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分假如培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速率很快减慢到零。在受氧限制连续培养中，因为单位培率很快减慢到零。在受氧限制连续培养中，因为单位培养基中氧传递总量随滞留时间降低而降低，在高稀释率养基中氧传递总量随滞留时间降低而降低，在高稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业发酵中影下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业发酵中影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增加氧传递速响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增加氧传递速度。度。第20页三、生物反应器混合三、生物反应器混合w1、混合机理、混合机理w1）大尺度混合机理）大尺度混合机理w将两种不一样液体置于搅拌釜中，开启搅拌器，釜中形成一将两种不一样液体置于搅拌釜中，开启搅拌器，釜中形成一个循环流动，称为总体流动。在总体流动作用下，其中一个个循环流动，称为总体流动。在总体流动作用下，其中一个流体被分散成一定尺寸液团并由总体流动带至容器各处，造流体被分散成一定尺寸液团并由总体流动带至容器各处，造成大尺度上均匀混合。成大尺度上均匀混合。w大尺度均匀混合并不关注液团尺寸，主要是将产生液团分布大尺度均匀混合并不关注液团尺寸，主要是将产生液团分布到容器每一角落。这就要求搅拌器能产生强大总体流动，同到容器每一角落。这就要求搅拌器能产生强大总体流动，同时在搅拌釜内尽可能消除流动达不到死区。时在搅拌釜内尽可能消除流动达不到死区。w总体流动流行相当复杂，不一样形式搅拌器各不相同。最经总体流动流行相当复杂，不一样形式搅拌器各不相同。最经典螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成流型结构。二者相典螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成流型结构。二者相比，螺旋桨式搅拌器可提供更大流量，尤其适合用于要求大比，螺旋桨式搅拌器可提供更大流量，尤其适合用于要求大尺度混合均匀搅拌。尺度混合均匀搅拌。第21页w2）小尺度混合机理）小尺度混合机理wA、互溶液体混合机理、互溶液体混合机理w总体流动可将混合液体中一个流体破碎成较大液团，并同时总体流动可将混合液体中一个流体破碎成较大液团，并同时将液团带至容器各处，造成宏观上均匀。不过，不过总体流将液团带至容器各处，造成宏观上均匀。不过，不过总体流动不足以将液团破碎到很小尺寸。尺寸很小液团是有总体流动不足以将液团破碎到很小尺寸。尺寸很小液团是有总体流动中湍动造成，湍流能够看成是由平均流动与大量不一样尺动中湍动造成，湍流能够看成是由平均流动与大量不一样尺寸、不一样强度漩涡运动叠加而成。总体流动中高速旋转漩寸、不一样强度漩涡运动叠加而成。总体流动中高速旋转漩涡与液体微团之间会产生很大相对运动和剪切力，液团正是涡与液体微团之间会产生很大相对运动和剪切力，液团正是在这种剪切力作用下被破碎愈加小在这种剪切力作用下被破碎愈加小第22页w总体流动湍动程度决定漩涡尺寸和强度，而不一样尺寸和强总体流动湍动程度决定漩涡尺寸和强度，而不一样尺寸和强度漩涡对液团又有着不一样破碎作用。度漩涡对液团又有着不一样破碎作用。w通常，总体湍流湍动程度越高，漩涡尺寸越小，强度越高，通常，总体湍流湍动程度越高，漩涡尺寸越小，强度越高，数量越多。数量越多。w 漩涡尺寸越小，破碎作用越大，所产生液团也越小。大尺漩涡尺寸越小，破碎作用越大，所产生液团也越小。大尺度漩涡只能产生较大尺寸液团，因为尺寸较小液团将被大漩度漩涡只能产生较大尺寸液团，因为尺寸较小液团将被大漩涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。第23页wB、不互溶液体混合机理、不互溶液体混合机理w两种不互溶液体搅拌时，其中必有一个液体被破碎两种不互溶液体搅拌时，其中必有一个液体被破碎成液滴，称为分散相，而另一个液体称为连续相。成液滴，称为分散相，而另一个液体称为连续相。w为到达更小尺寸均匀混合，必须尽可能地减小液滴为到达更小尺寸均匀混合，必须尽可能地减小液滴尺寸。一样，总体湍流只能产生较大液滴。当液滴尺寸。一样，总体湍流只能产生较大液滴。当液滴小到一定程度，总体流动对液滴深入破碎已无能为小到一定程度，总体流动对液滴深入破碎已无能为力，而只能依靠湍流脉动。液滴是一个含有显著界力，而只能依靠湍流脉动。液滴是一个含有显著界面液团。界面张力力图使液滴表面面积最小，抵抗面液团。界面张力力图使液滴表面面积最小，抵抗任何变形和破碎。所以，对液体搅拌而言，界面张任何变形和破碎。所以，对液体搅拌而言，界面张力是过程抗力。为使液滴破碎，首先必须克服界面力是过程抗力。为使液滴破碎，首先必须克服界面张力，使液滴变形。张力，使液滴变形。第24页w当总体流动处于高度湍流状态时，存在着方向快速变换湍流当总体流动处于高度湍流状态时，存在着方向快速变换湍流脉动，液滴不能跟随这种脉动而产生相对速度很大绕流运动。脉动，液滴不能跟随这种脉动而产生相对速度很大绕流运动。这种绕流运动，沿着流滴表面产生不均匀压强分布和表面剪这种绕流运动，沿着流滴表面产生不均匀压强分布和表面剪切力。正是这种不均匀压强分布和表面剪切力将液滴压扁并切力。正是这种不均匀压强分布和表面剪切力将液滴压扁并扯碎。总体流动湍动程度越高，湍流脉动对液滴绕流相对速扯碎。总体流动湍动程度越高，湍流脉动对液滴绕流相对速度越大，产生液滴尺寸越小度越大，产生液滴尺寸越小。第25页w2、宏观流体和微观流体、宏观流体和微观流体w习惯上人们把含有不一样停留时间物料颗粒之间混合称为返习惯上人们把含有不一样停留时间物料颗粒之间混合称为返混，也有些人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布混，也有些人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布来表征。同时，还有另外一个混合，用于描述物料在反应器来表征。同时，还有另外一个混合，用于描述物料在反应器内流动时聚集状态。这种混合又称为微观混合。内流动时聚集状态。这种混合又称为微观混合。w宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立、各不相干，它们不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立、各不相干，它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析状态。在实际流之间不产生混合。这种状态又称为完全离析状态。在实际流动中，不聚并液滴、固体粒子及非常粘稠液体等均可认为是动中，不聚并液滴、固体粒子及非常粘稠液体等均可认为是宏观流体。宏观流体。第26页w微观流体即流体中分子不与近邻分子附着而独立流动，此时微观流体即流体中分子不与近邻分子附着而独立流动，此时物料粒子之间发生混合是在分子尺度上进行，假如反应器中物料粒子之间发生混合是在分子尺度上进行，假如反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合到达最大，或完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合到达最大，或称最大微观混合。介于上二者之间称为部分离析或不完全微称最大微观混合。介于上二者之间称为部分离析或不完全微观混合，即二者并存于体系之中。观混合，即二者并存于体系之中。第27页w对于多相体系，固相物料表观为宏观流体，而气体与液体则对于多相体系，固相物料表观为宏观流体，而气体与液体则依据其接触方式能够是宏观流体也能够是微观流体。在喷射依据其接触方式能够是宏观流体也能够是微观流体。在喷射式反应器中，液滴分散在气体中，则气体为微观流体而液体式反应器中，液滴分散在气体中，则气体为微观流体而液体为宏观流体。为宏观流体。w对于某一反应体系，介于宏观流体和微观流体之间，混合作对于某一反应体系，介于宏观流体和微观流体之间，混合作用影响取决于反应特征时间用影响取决于反应特征时间tr与流体中临近微元体相互混合与流体中临近微元体相互混合特征时间特征时间tm之比值。当反应速率较慢时，即之比值。当反应速率较慢时，即tr远大于远大于tm，则，则按微观流体处理能够到达很好相同；当反应速率非常快时，按微观流体处理能够到达很好相同；当反应速率非常快时，即即tr远小于远小于tm，则处理比较复杂。，则处理比较复杂。w对于宏观流体，因为流体粒子之间不存在任何形式物质交换，对于宏观流体，因为流体粒子之间不存在任何形式物质交换，流体粒子就像一个有边界个体，从反应入口向出口运动，也流体粒子就像一个有边界个体，从反应入口向出口运动，也就像一个小间歇反应器一样进行反应，其反应程度取决于该就像一个小间歇反应器一样进行反应，其反应程度取决于该粒子在反应器内停留时间。粒子在反应器内停留时间。第28页四、剪切力对生物反应影响四、剪切力对生物反应影响w1、剪切w剪切力是单位面积流体上切向力，剪切力单位为剪切力是单位面积流体上切向力，剪切力单位为N/m2或或Pa。w剪切是设计和放大生物反应器主要参数。在生物过程中，剪切是设计和放大生物反应器主要参数。在生物过程中，严格地讲，对细胞剪切作用泛指作用于细胞表面，且与严格地讲，对细胞剪切作用泛指作用于细胞表面，且与细胞表面平行力，但因为发酵罐中水力学情况非常复杂，细胞表面平行力，但因为发酵罐中水力学情况非常复杂，普通剪切力指影响细胞各种机械力总称。普通剪切力指影响细胞各种机械力总称。第29页w为表示生物反应器中剪切力，人们提出了各种表示方为表示生物反应器中剪切力，人们提出了各种表示方法，通常有以下几个。法，通常有以下几个。w桨叶尖速度桨叶尖速度 t=NDt 式中，式中，N为搅拌桨转速；为搅拌桨转速；Dt 为桨直径。为桨直径。w平均剪切速率平均剪切速率 av=KN 式中，式中，K为常数，其值因搅拌桨尺寸及流体性质而变，为常数，其值因搅拌桨尺寸及流体性质而变，普通为普通为1013.该式主要应用于层流及过渡流，但在湍流中也可成功应用。该式主要应用于层流及过渡流，但在湍流中也可成功应用。w在动物细胞培养中，在动物细胞培养中，Sinskey等利用积分剪切因子等利用积分剪切因子ISF（integrated shear factor）来定义剪切力）来定义剪切力。第30页为估算鼓泡塔中剪切力，为估算鼓泡塔中剪切力，Niskikawa经过测量传热速率，经过测量传热速率，发觉剪切速率与表观气速成正比，即，发觉剪切速率与表观气速成正比，即，=kG，G为表为表观气速。观气速。湍流漩涡长度湍流漩涡长度第31页w2、剪切作用影响、剪切作用影响w1）剪切力对微生物影响）剪切力对微生物影响w 通常认为剪切力对通常认为剪切力对细菌细菌影响较小，因为它大小影响较小，因为它大小比发酵罐中常见漩涡要小，而且有坚硬细胞壁。比发酵罐中常见漩涡要小，而且有坚硬细胞壁。w 酵母酵母比细菌大，但仍比常见湍流漩涡小。酵母比细菌大，但仍比常见湍流漩涡小。酵母细胞壁也较厚，含有一定抵抗剪切力能力，但其细细胞壁也较厚，含有一定抵抗剪切力能力，但其细胞壁上芽痕和蒂痕对剪切力抗性较弱。胞壁上芽痕和蒂痕对剪切力抗性较弱。w 第32页w在深层液体培养中，在深层液体培养中，丝状微生物丝状微生物（包含霉菌和放线菌）（包含霉菌和放线菌）可形成两种尤其颗粒，即可形成两种尤其颗粒，即自由丝状颗粒自由丝状颗粒和和球状颗粒球状颗粒。自。自由丝状颗粒造成传质困难。为增强混合和传质，需要强由丝状颗粒造成传质困难。为增强混合和传质，需要强烈搅拌，但高速搅拌产生剪切力会打断菌丝，造成机械烈搅拌，但高速搅拌产生剪切力会打断菌丝，造成机械损伤。若为球状颗粒，则发酵液中黏度较低，混合和传损伤。若为球状颗粒，则发酵液中黏度较低，混合和传质比较轻易，但菌球中心菌可能因为供氧困难而缺氧死质比较轻易，但菌球中心菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。搅拌会对菌球产生两种物理效果，一个是搅拌消去亡。搅拌会对菌球产生两种物理效果，一个是搅拌消去菌球外围菌膜，减小粒径，另一个是使菌球破碎。这些菌球外围菌膜，减小粒径，另一个是使菌球破碎。这些效果主要是因为湍流漩涡剪切造成。除颗粒外，发酵液效果主要是因为湍流漩涡剪切造成。除颗粒外，发酵液中还存在自由菌丝体，因为剪切力会使菌丝断裂，所以中还存在自由菌丝体，因为剪切力会使菌丝断裂，所以需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产物生成造成影响，还可能造成胞内物质释放。物生成造成影响，还可能造成胞内物质释放。第33页w2）剪切力对动物细胞影响）剪切力对动物细胞影响w 用大规模动物细胞培养来生产高价值药品已日趋广泛，用大规模动物细胞培养来生产高价值药品已日趋广泛，但因动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏感。但因动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏感。所以怎样克服剪切力已是动物细胞大规模培养一个主要问题。所以怎样克服剪切力已是动物细胞大规模培养一个主要问题。w 动物细胞动物细胞可分为两类，可分为两类，贴壁依赖性贴壁依赖性和和非贴壁依赖性非贴壁依赖性。剪。剪切力对两种细胞破坏机制不一样，对前者，主要是由点到面切力对两种细胞破坏机制不一样，对前者，主要是由点到面湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁碰撞造湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁碰撞造成。对于后者则主要是因为气泡破碎造成。成。对于后者则主要是因为气泡破碎造成。第34页w3）剪切力对植物细胞影响）剪切力对植物细胞影响w植物细胞植物细胞因有细胞壁，所以其对剪切力抗性比动物细胞因有细胞壁，所以其对剪切力抗性比动物细胞大，但因其细胞个体相对较大，细胞壁较脆，柔韧性差，大，但因其细胞个体相对较大，细胞壁较脆，柔韧性差，所以与微生物相比它对剪切力依然很敏感，在高剪切力所以与微生物相比它对剪切力依然很敏感，在高剪切力作用下会受到损伤甚至死亡或解体。作用下会受到损伤甚至死亡或解体。植物细胞在培养过程中植物细胞在培养过程中普通会结团，结团会影响产物释放，细胞结团大小受到剪切力影响。普通会结团，结团会影响产物释放，细胞结团大小受到剪切力影响。w剪切力大小对细胞生长也有影响。剪切力大小对细胞生长也有影响。不一样植物细胞对剪切力耐不一样植物细胞对剪切力耐受性不一样，不一样生长阶段细胞对剪切力耐受性也不一样。在一样剪切受性不一样，不一样生长阶段细胞对剪切力耐受性也不一样。在一样剪切力下，细胞在高浓度状态下含有较高成活率，在细胞浓度较低时，如在反力下，细胞在高浓度状态下含有较高成活率，在细胞浓度较低时，如在反应器操作起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。应器操作起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。w剪切对次级代谢产物生产也有影响，同时在高剪切应力剪切对次级代谢产物生产也有影响，同时在高剪切应力下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。第35页w4）剪切对酶反应影响）剪切对酶反应影响w w 酶是一个活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白酶是一个活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白分子精巧三维结构，影响酶活性，普通认为酶活性随剪切强分子精巧三维结构，影响酶活性，普通认为酶活性随剪切强度增加和时间延长而减小。在一样搅拌时间下，酶活力损失度增加和时间延长而减小。在一样搅拌时间下，酶活力损失与叶轮尖速度呈线性关系。不一样类型叶轮对酶活性影响有与叶轮尖速度呈线性关系。不一样类型叶轮对酶活性影响有差异。差异。第36页第二节 生物反应器类型动物生物反物生物反应器器机械机械搅拌式反拌式反应器器气升式生物反气升式生物反应器器 膜生物反应器膜生物反应器鼓泡塔生物反应器鼓泡塔生物反应器植物生物反应器植物生物反应器2第37页生物反应器类型生物反应器类型w生物反应器有很各种，按照不一样分类角生物反应器有很各种，按照不一样分类角度能够分为各种类型度能够分为各种类型 w 柱塞流反应器柱塞流反应器w 理想反应器理想反应器 全混流反应器全混流反应器按照反应器内流型分按照反应器内流型分 w 非理想反应器非理想反应器 间歇反应器间歇反应器 按照操作方式分按照操作方式分 连续式反应器连续式反应器 半连续式反应器半连续式反应器第38页w 罐式反应器罐式反应器w 管式反应器管式反应器w按照结构特征分按照结构特征分 塔式反应器塔式反应器w 膜反应器膜反应器 均相反应器均相反应器按照反应器内相态分按照反应器内相态分 非均相反应器非均相反应器第39页w 微生物反应器微生物反应器w 植物细胞反应器植物细胞反应器w按照生物反应器内有机体种类分按照生物反应器内有机体种类分 w 动物细胞反应器动物细胞反应器w 酶反应器酶反应器 机械搅拌混合反应器机械搅拌混合反应器 泵循环混合反应器泵循环混合反应器按照反应器内气液混合方式分按照反应器内气液混合方式分 直接通气混合反应器直接通气混合反应器 连续气相反应器连续气相反应器第40页w 通气发酵设备通气发酵设备 w按照是否通氧分按照是否通氧分 w 嫌气发酵设备嫌气发酵设备第41页一、机械搅拌式生物反应器一、机械搅拌式生物反应器医药工业中第一个大规模微生物发酵过程青霉素生医药工业中第一个大规模微生物发酵过程青霉素生产是在机械搅拌式反应器中进行。且迄今为止，对产是在机械搅拌式反应器中进行。且迄今为止，对新生物过程，首选生物反应器依然是机械搅拌式反新生物过程，首选生物反应器依然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适合用于大多数生物过应器。机械搅拌式反应器能适合用于大多数生物过程，是形成标准化通用产品。程，是形成标准化通用产品。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。第42页w它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要功率。这种反它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要功率。这种反应器适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型丝状菌发酵液，应器适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型丝状菌发酵液，都能依据实际情况和需要，为之提供较高传质速率和必要混都能依据实际情况和需要，为之提供较高传质速率和必要混合速度。合速度。w缺点是机械搅拌器驱动功率较高，普通缺点是机械搅拌器驱动功率较高，普通24kw/m3，这对大，这对大型反应器来说是个巨大负担。型反应器来说是个巨大负担。第43页第44页第45页w1、结构、结构w反应器基本结构包含：筒体，机械搅拌系统（搅拌反应器基本结构包含：筒体，机械搅拌系统（搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等），通气系器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等），通气系统（空气分散装置）温控系统（换热装置），消泡统（空气分散装置）温控系统（换热装置），消泡系统、系统、pH控制系统等，并在筒体适当位置设置排气、控制系统等，并在筒体适当位置设置排气、取样、接种、进出料口以及入孔和视镜等部件。取样、接种、进出料口以及入孔和视镜等部件。第46页w反应器内物料混合和气体分布靠搅拌器和挡板实现反应器内物料混合和气体分布靠搅拌器和挡板实现w搅拌器搅拌器w搅拌器主要作用是：将能量传递给液体；使气体在液体中搅拌器主要作用是：将能量传递给液体；使气体在液体中分散；使气液分离；是发酵液中全部成份到达混合。分散；使气液分离；是发酵液中全部成份到达混合。w搅拌器叶轮能够分成两大类型：轴流式叶轮和径向叶轮。搅拌器叶轮能够分成两大类型：轴流式叶轮和径向叶轮。轴流式叶轮叶面通常与轴成一定角度，产生流体流动基本轴流式叶轮叶面通常与轴成一定角度，产生流体流动基本轨迹是平行于搅拌轴。径向叶轮叶面是平行于搅拌轴、垂轨迹是平行于搅拌轴。径向叶轮叶面是平行于搅拌轴、垂直于轴截面，十六题沿叶轮半径方向排出。直于轴截面，十六题沿叶轮半径方向排出。搅拌系统搅拌系统第47页搅拌叶轮大多采取搅拌叶轮大多采取蜗轮式搅拌器蜗轮式搅拌器优点：结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点：结构简单、传递能量高、溶氧速率高等缺点：轴向混合较差，且其搅拌强度伴随叶轮与搅缺点：轴向混合较差，且其搅拌强度伴随叶轮与搅拌轴距离增大而减弱拌轴距离增大而减弱故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降第48页惯用涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式，惯用涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式，叶片数量普通为叶片数量普通为6个，也有个，也有4个或个或8个。从搅拌个。从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。最大，弯叶次之，箭叶最小。第49页为了强化轴向混合，可采取蜗轮式和推进式叶轮共用搅拌系统。推进式搅拌器推进式搅拌器，也称螺旋桨式搅拌器。将罐，也称螺旋桨式搅拌器。将罐内液体向前或向后推进，使流体形成螺旋状运内液体向前或向后推进，使流体形成螺旋状运动圆柱流，混合效果很好，对液体切剪作用较动圆柱流，混合效果很好，对液体切剪作用较小。广泛应用于液小。广泛应用于液-液混合，液液混合，液-固混合设备中。固混合设备中。第50页推进式搅拌器推进式搅拌器搅拌流型第51页轴向流型搅拌器轴向流型搅拌器（Lightnin式搅拌器）。式搅拌器）。能使全罐到达良好循环状态；克服了径向型涡轮能使全罐到达良好循环状态；克服了径向型涡轮搅拌器两个区域间混合不均匀缺点。搅拌器两个区域间混合不均匀缺点。第52页轴向流型搅拌器第53页挡板w挡板作用则是预防液面产生漩涡，改变液流方向，挡板作用则是预防液面产生漩涡，改变液流方向，促使流体翻动，增加传质和混合。促使流体翻动，增加传质和混合。w发酵罐内除挡板外，冷却器、通气管、排料管等装发酵罐内除挡板外，冷却器、通气管、排料管等装置也起一定挡板作用。所以当设置换热装置为列管置也起一定挡板作用。所以当设置换热装置为列管或排管，而且数量足够多时，发酵罐内不另设挡板。或排管，而且数量足够多时，发酵罐内不另设挡板。第54页w温控系统温控系统w小型反应器多采取外部夹套作为冷却或加热换热小型反应器多采取外部夹套作为冷却或加热换热装置。其优点是结构简单、加工轻易、反应器内装置。其优点是结构简单、加工轻易、反应器内无冷却装置、死角少、轻易进行清洗和灭菌工作；无冷却装置、死角少、轻易进行清洗和灭菌工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差。缺点是传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差。w大型反应器则多采取反应器内装有蛇形管换热装大型反应器则多采取反应器内装有蛇形管换热装置，优点是管内冷却水流速大、传热效率高，但置，优点是管内冷却水流速大、传热效率高，但它需占用反应器空间，并给它需占用反应器空间，并给 反应器清洗和灭菌反应器清洗和灭菌增加了难度增加了难度。第55页消泡系统消泡系统w发酵过程中因为发酵液中含有大量蛋白质，故在强烈通气搅发酵过程中因为发酵液中含有大量蛋白质，故在强烈通气搅拌下会产生大量泡沫，严重时，将造成发酵液外溢，增加染拌下会产生大量泡沫，严重时，将造成发酵液外溢，增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入消泡菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种方法联合使用。剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种方法联合使用。w消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目标是预防泡沫外溢，消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目标是预防泡沫外溢，它是在搅拌轴或灌顶另外引入轴（致搅拌轴由罐底深入时）它是在搅拌轴或灌顶另外引入轴（致搅拌轴由罐底深入时）上装上消泡浆；另一类置于罐外，目标是从排出气体中分离上装上消泡浆；另一类置于罐外，目标是从排出气体中分离出溢出泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。出溢出泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。第56页通气系统通气系统w通气装置是指将无菌空气导入罐内装置。最简单通气装通气装置是指将无菌空气导入罐内装置。最简单通气装置是一单孔管，单孔管出口位于最下面搅拌器正下方，置是一单孔管，单孔管出口位于最下面搅拌器正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处堆积。管口开口向下，以免培养液中固体物质在开口处堆积。管口与罐底距离约为与罐底距离约为40mm。w第二种形式是开口向下多孔环形管。环直径约为搅拌器第二种形式是开口向下多孔环形管。环直径约为搅拌器直径直径0.8倍。小孔直径约倍。小孔直径约58mm，孔总面积约等于通风，孔总面积约等于通风管截面积。在通气量较小情况下，气泡直径与空气喷口管截面积。在通气量较小情况下，气泡直径与空气喷口直径相关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧传质系数直径相关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧传质系数越大。但在发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气越大。但在发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量相关而与通气出口直径无关。又因为在强烈机械搅拌量相关而与通气出口直径无关。又因为在强烈机械搅拌条件下，多孔分布器对氧传递效果并不比单孔管好，相条件下，多孔分布器对氧传递效果并不比单孔管好，相反，还会造成无须要压力损失，且易使物料堵塞小孔，反，还会造成无须要压力损失，且易使物料堵塞小孔，故已极少采取。故已极少采取。第57页二、气升式生物反应器二、气升式生物反应器 (airliftbioreactor)气升式生物反应器是应用较广泛一类无机械搅拌生物反应器。气升式生