生物反应工程原理(生物反应器).doc

生物反应器 微生物反应器 微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。 酶反应器 酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。 动植物细胞反应器 动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。 生物反应器的特点： ①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。 ②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。 ③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。 ④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。 ⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。 几种常用的生物反应器： 按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。根据不同的分类标准可以将生物反应器分为固定床反应器，中空纤维管反应器等，根据搅拌及通气的情况又可分为机械搅拌式生化反应器、自吸式发酵罐、气升式生化反应器，下面就此三种生物反应器做简要介绍。（1）机械搅拌式生化反应器是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般 (2-4)kw/m3 ，这对大型的反应器来说是个巨大负担。 （2）自吸式发酵罐是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的搅拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器和导轮，简称为转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩到叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，在转子中心处形成了负压，转子转速愈快，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布。此种反应器的优点是节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备，减少了厂房占地面积，节省投资；通气质量是最好的，通入发酵液中的2315m2 气液接触面积/m3 空气；动力消耗低；设备便于自动化、连续化、降低了劳动强度，减少劳动力。缺点是空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、高除 菌效率的空气净化系统；由于结构上的特点，大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深度增大而减少，因此比拟放大有一最适范围。罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。 （3）气升式生化反应器： 气升式生物反应器是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷嘴，空气喷嘴以250～300（ m/s ）的高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵