第三章生物反应器设计基础.pdfVIP

概述 n 生物反应器 （bioreactor ）是一个人们对生物 有机体进行有效控制和培养以生产某种产品， 或进行特定反应的容器。 n 发酵罐 （fermentator）：厌氧发酵罐 n 1970’s :生化反应器 （biochemical reactor）和 生物学反应器 （biological reactor） n 1980’s :生物反应器 （biorector）成为一个标 准的名称 n 现在：发酵罐、酶反应器、固定化酶和细胞反 应器、动植物细胞培养反应器 生物反应器与化学反应器的比较 n 生物 （酶除外）反应都以 “自催化” （autocalalysis ）方式进行，即在 目的产物生成 的过程中生物自身要生长繁殖。 n 由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高； n 与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大； n 对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； n 产物浓度低。 生物反应器的作用 n 为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境， 使生物体能更好地生长。 n 得到更多需要的生物量或代谢产物。 高效生物反应器的特点 n 设备简单，结构严密，适用于反复的灭菌操作； n 良好的液体混合性能，较高的三传 （传质、传热、传 动）效率； n 能耗低； n 具有良好的热交换性能，以维持生物反应最适温度； n 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等，适用于自动 化操作。 生物反应器的操作特性 反应器类型 pH控 温度 工业重要特性 主要应用领域 制 控制 通用罐 如需 如需 人事费用高 大多数工业生产 连续搅拌罐 如需 如需 流速受冲出限制 污水处理、SCP生产等 气升式反应器 如需 如需 空压机出口压力要高 有机酸,如柠檬酸生产等 鼓泡式反应器 如需 如需 可采用鼓风机 面包酵母等生产 自吸式反应器 如需 如需 需转子高速旋转 乙酸、酵母等生产 固体发酵设备 如需 如需 人事费用高 麸 曲、酶制剂和麦芽生产 等 嫌气反应器 如需 如需 无需通风设备 酒精、啤酒等生产 动植物细胞用反 如需 如需 剪切力应小 杂交瘤单克隆抗体、烟草 应器 细胞培养等 光合反应器 如需 如需 需光源 微藻等生产 生物反应器设计的主要 目的和设计原理 n 目的：基于强化传质、传热等操作，将生物体 活性控制在最佳条件，最大限度地降低成本， 用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率 n 设计原理： ①使反应器具有较好的生物相容性 ②应具有较好的传质性能 ③应具有较好的传热性能 ④安全性能 微生物反应过程的质量和能量衡算 微生物反应过程的质量衡算 n 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达 基质到产物的反应过程非常困难。 碳源  氮源  氧 菌体  有机产物  CO  H O 2 2 n 为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。 n 如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH ，细胞的分子