第一篇 生物反应器.ppt

生物工程设备－－ 第一篇 生物反应器 主讲：杨艳红 电话 E-mail:yyh@cqut.edu.cn ;发酵工程;生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一; 生物反应器具有中心作用,它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。 生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。; 定义：利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器. 在传统生物工业中使用的生物反应器称为 发酵罐（fermenter）。 ; 20世纪70年代，Atkinson提出生化反应器(biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同时，Ollis提出了另一术语—生物反应器（biological reactor）。 进入80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍中大量出现。 ;一、生物反应器发展历史 ;第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，计算机开始进行发酵工艺过程的参数在线检测和控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。 第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐容积增大到80-150m3。大规模生产单细胞蛋白需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，以克服气体交换和热交换问题。计算机开始广泛应用。 ; 第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。;大型发酵罐搅拌装置;;二、生物反应器的分类; 按对氧的需求来分：厌气生物反应器和通气（好气）生物反应器 按反应器结构特征分：釜式、管式、塔式、膜式等 按能量的输入方式分：通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式、利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ; 按容积分：一般认为500L以下的是实验室发酵罐；500～5000L是中试发酵罐，5000L以上是生产规模的发酵罐。 按微生物生长环境分：发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统和支持生长系统 ;;三、发酵罐的特点 ;四、生物反应器设计; 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。 生物反应器处于生物过程中心，影响整个过程的经济效益，因此，节能是设计的一个重要因素。 ; 生物反应器设计的重要方面包括： 1）改善生物催化剂； 2）好的过程控制； 3）好的无菌条件； 4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。 ;1)反应器选型 即根据生产工艺特征，反应特性及物料特性等因素确定反应器的操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等 2)设计反应器的结构 确定各种结构参数即确定反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式，大小及转速，换热面积等 3)确定工艺参数及其控制方式 工艺参数有温度、压力、pH值、通气量、底物浓度、物料流量等 ;与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下原则： 培养系统已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通； 尽量减少法兰连接，否则设备震动和热膨胀，会引起法兰连接外移位，从而导致污染； 可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； 防止死角、裂缝等情况； 某些部分应能单独灭菌； 易于维修； 反应器可保持小的正压。 ; 在设计生物反应器时，除考虑与一般的化学反应器相同的问题外，还应注意以下一些特殊的情况: 1) 很多酶催化反应的底物是胶状物，还有一些进行生化反应的细胞可能增长成絮状物，他们都容易使反应器堵塞或压降变得很大，对于这类情况可考虑采用流化床反应器 ;2.对于采用固定床酶的反应器应尽量减少对固体产生切变应力,减少固定化酶粉碎，故搅拌器的转速不能过高,可把酶直接固定在搅拌器上或者把固定化酶的颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中。 ;五、生物反应器开发的趋势和未来方向;（4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视 （5）降低设备投资方面，对连续过程更加重视。连续生物反应器的主要问题是产物浓度低。随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高产品浓度的方法。 ;第一章 生物反应器设计基础;第一节 生物反应器的化学计量基础;化学计量是反应器设计的关键之一。 为过程使用介质的合理设计提供基本数据