生物工艺学第七章生物反应器及生物工艺过程的放大

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1、生物工艺学国家十一五规划教材《生物工艺学》（邱树毅主编）配套课件目　　录第一章　绪论第二章　工业微生物菌种选育、制备与保藏第三章　工业培养基及其设计第四章　生物工艺过程中的无菌技术第五章生物反应动力学第六章发酵过程原理第七章生物反应器及生物工艺过程的放大第八章生物反应过程参数检测与控制第九章生物产品分离及纯化技术第十章生物产品工艺学及应用第七章生物反应器及生物工艺过程的放大7.1概述7.2生物反应器7.2.1生物反应器的分类7.2.2深层液态反应器7.2.3固态发酵反应器7.3实验室试验研究7.3.1实验室的生物反应器7.3.2摇瓶试验7.3.3实验室

2、研究和实验设计方法7.4生物反应过程放大7.4.1实验室摇瓶与发酵罐培养的差异7.4.2发酵罐规模改变的影响7.4.3生物工艺过程放大的方法7.1概述生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。因此，生物产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发过程包含了实验室的小试，适当规模的中试和产业规模化生产等几个阶段。实验室小试适当规模的中试产业规模化生产7.2生物反应器生物反应器是利用生物催化剂(游离态或固定态的微生物或动、植物细胞及酶)进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器或生化反应器，常称为发酵罐。7.2.

3、1生物反应器的分类根据所使用的生物催化剂种类的不同可将生物反应器分为酶生物反应器和细胞生物反应器，其中细胞生物反应器又可分为微生物细胞生物反应器及动物细胞生物反应器、植物细胞生物反应器、微藻生物反应器。根据生物催化剂的使用形式可分为固定化酶或细胞的反应器及游离态酶或细胞的反应器。其中常见的酶、细胞的反应器具体有搅拌罐式、固定床或填充床、流化床、膜式反应器、鼓泡塔式反应器等。根据培养过程中是否需要光照，分为光照生物反应器和普通生物反应器。7.2.1生物反应器的分类根据生物反应器的几何形状(高径比或长径比)和结构特征来分类，可将反应器可分为罐式(槽式或釜式

4、)、管式、塔式及膜式等几大类。罐式反应器的高径比较小，一般为1～3，常含有搅拌器。根据培养基状态分为固态生物反应器及液态生物反应器。对于大多数的生物反应都是采用深层液态发酵方式，但仍有一部分研究及应用采用固态发酵方式。根据操作方式不同可分为分批(间歇)式、分批补料式、连续式。连续式操作时采用多级罐式反应器串联使用。7.2.1生物反应器的分类根据微生物细胞对氧的需求与否，分为好氧型生物反应器和厌氧型生物反应器。好氧型生物反应器，又称通气生物反应器，根据通入空气及物料混合的方式不同，可分为搅拌式、气升式、自吸式反应器。大多数的生化反应都是采用的深层液态发酵

5、法。它具有如下优点：液体悬浮状态是许多微生物的最适生长环境。在液态环境中，菌体、底物，产物(包括热)易于扩散，使发酵在均质或拟均质条件下进行，便于检测、控制，易扩大生产规模。液体输送方便，易于机械化、自动化操作。产品易于提取精制。常见的好氧深层液态反应器有机械搅拌通风反应器、气升式反应器、自吸式反应器等。7.2.2深层液态反应器7.2.2.1机械搅拌通风反应器机械搅拌通风反应器，是工业上最常用的一种微生物反应器。这类发酵罐既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置。搅拌器的主要作用是打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率，同时也是为了使发酵液充

6、分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。机械搅拌通风发酵罐主要部件有：罐体、搅拌器和挡板、消泡器、联轴器及轴承、变速装置、空气分布装置、轴封、冷却换热装置等。机械搅拌通风反应器结构图机械搅拌通风反应器机械搅拌通风发酵罐的结构及几何尺寸通用式发酵罐的几何尺寸比例H/D=1.7~3d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=0.8~1.0s:两搅拌器间距,W:挡板宽度d:搅拌器直径,H:发酵罐筒身高HL:液位高度,B:下搅拌器距底间距,D:发酵罐内径机械搅拌通风反应器的搅拌器反应器的搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。其作用为混合和传质，它

7、使通入的空气破碎分散成气泡，增大气－液界面，与发酵液充分混合，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。搅拌器分为轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（平叶式、弯叶式、箭叶式）两种。搅拌叶轮大多采用涡轮式，最常用的有平叶式、弯叶式圆盘涡轮式搅拌器，叶片数量一般为6个。搅拌叶类型圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘箭叶涡轮搅拌器圆盘弯叶涡轮搅拌器桨叶式搅拌器螺旋桨式搅拌器在相同的搅拌功率下粉碎气泡的能力的大小是，平叶搅拌器大于弯叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶式搅拌器；但其翻动流体的能力则与上述

8、情况相反。在反应器中加设挡板是为了防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。挡板的高度自