生化工程第五章生化反应器.ppt

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1、生化工程第五章生化反应器第五章生化反应器第一节概述第二节生化反应器的特点与设计原则第三节生化反应器的种类第四节生化反应器的发展第一节概述一、生化反应器的定义二、生化反应器的基本要求一、生化反应器的定义生化反应器又可称生物反应器，是为适应生化反应特点而设计的反应设备。生化反应器在生化反应过程中处于极为重要的中心地位，它是影响整个生产过程经济效益的重要方面。生化反应器包括微生物反应器（发酵罐）、酶反应器、动植物细胞培养用反应器等。二、生化反应器的基本要求按照生化反应过程的规律和生产工艺的要求，保证和控制各种生化反应条件。如：发酵罐，要有

2、能控制温度、压力，通氧量、密封防漏、防止杂菌污染的设施，并根据发酵特点和要求，选择合适的发酵罐结构和型式。（见下表）菌种发酵产品发酵罐（反应器）要求发酵罐型式嫌气菌乙醇、啤酒、丙酮、丁醇不需供氧设备结构一般较为简单好气菌酶制剂、抗生素和单细胞蛋白(SCP)等大部分发酵产品不断通入无菌空气机械搅拌通风式发酵罐、自吸式发酵罐、通风搅拌式发酵罐第二节生化反应器的特点与设计原则一、生化反应器的特点二、生化反应器的设计原则一、生化反应器的特点生化反应器的特点，是与生化反应的特点相伴随的。1.生化反应器提供的反应条件都是在低温、近中性pH等接近

3、细胞生理的条件。2.生化反应的酶系都是复杂的，要求生化反应器能很好的控制反应进程并使其最优化。尤其是传质和传热。3.生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调，考虑辅酶的添加以及能量的供应，同时还要注意底物及产物浓度的控制。4.利用生化反应器可以定向的生产一些用一般化学方法难以甚至不能获得的产品。5.由于回收设备提高了生化产品的成本，生化反应器需要更关注产品的分离纯化。二、生化反应器的设计原则1、获得高的体积产率2、获得高的产物得率3、获得高的产物浓度4、其他1、获得高的体积产率体积产率Qp：即每小时每升反应体积，能生产的产品质量，g

4、/L.h最大生产能力最大浓度催化剂浓度反应器生产能力Qp催化剂比活力2、获得高的产物得率(Rp/x)（1）转化率的提高转化率是指由原料到产品的得率，即每克底物能得到的产品克数。Yp/s（2）控制副产品的产生产物得率可用下式计算：Rp/x=Yp/s∫Sa(t)dtte0Sa(t)：比活力，单位时间每克细胞或酶能作用的底物质量（g）te：催化剂的有效时间，一般以半衰期表示生化反应器设计要求达到最大的Rp/x从上式中可以知道：提高酶的比活力Sa(t)和稳定性（即延长半衰期te），可以增加Rp/x。在微生物发酵中，提高Yp/s，也可以增加R

5、p/x3、获得高的产物浓度获得高的产物浓度有利于产品的分离纯化，降低反应成本，故生化反应器的设计应重视。在连续工艺中，产物浓度与操作条件的关系如下：P=SaVX/F=SaX/DP：产物浓度V：反应器体积X：催化剂浓度F：通过反应器的流速D：稀释率，D=F/V从上式知：降低流速，增加催化剂浓度和比活力，可以提高产物浓度。4、其他提高产品质量，使工艺的重现性高，副产品少。重视能耗、混合、温度控制及蒸汽消毒等问题。第三节生化反应器的种类一、生化反应器的种类二、微生物反应器（发酵罐）三、酶反应器一、生化反应器的种类按不同的分类方式，分成不同

6、的类型按操作方式间歇式、连续式、半连续式按流体流动理想反应器、非理想反应器按几何构型及结购特征罐式（高径比1-3）管式（高径比＞30）塔式（竖立，高径比＞10）膜式（内有膜件）按相态均相非均相按催化剂类型微生物反应器（发酵罐）酶反应器按输入机械功率来源机械搅拌式鼓泡式环流式1.按相分（1）均相反应器：反应在一个相中进行，通常为液相。反应物、催化剂及产物间在搅拌作用下能达到分子水平的混合，不存在传质问题，是较简单的一种反应器。如:前述的葡萄糖异构化反应，葡萄糖及异构酶均溶解于水，反应在均一的液相内进行。反应物、催化剂及产物之间通过搅拌

7、等作用，能达到分子水平的均匀混合，不存在传质问题，因而这种反应器一般比较简单。’（2）非均相反应器：反应物不在同一相中，传质问题即如何使不在同一相中的基质充分接触，是非均相反应器要解决的基本问题。其结构较复杂。发酵工业中大多数反应器属于此类。如：在以正烷烃为基质的酵母发酵器中，正烷烃不溶于水，空气难溶于水，酵母也不溶于水。但酵母必须将基质用酶催化水解，然后才能获得能量，并将小分子基质摄入细胞，合成新的细胞物质。这一系列生物化学反应能否进行，取决于反应器能否把作为基质的正烷烃、氧和水及酵母菌体充分乳化，使这些不在同一相内的基质充分接触

8、．这就是传质问题。非均相反应器在结构上较均相反应器远为复杂。发酵工业中的绝大多数反应器属于非均相反应器。2.按输入功率分（1）机械搅拌式生化反应器：利用搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需功率。利用丝状菌进行的抗生素发酵生产，几乎全部都是