第三章生物反应器设计基础

第二篇生物反应设备第三章生物反应器设计基础内容概述第一节生物反应过程的剪切力第二节生物反应器的传质问题第三节生物反应器的混合概述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。发酵罐（fermentator）：厌氧发酵罐1970’s:生化反应器（biochemicalreactor）和生物学反应器（biologicalreactor）1980’s:生物反应器（biorector）成为一个标准的名称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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。由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应速率不高；与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大；对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高；产物浓度低。生物反应器的作用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。得到更多需要的生物量或代谢产物。生物反应器的操作特性反应器类型pH控制温度控制工业重要特性主要应用领域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应器如需如需剪切力应小杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞培养等光合反应器如需如需需光源微藻等生产高效生物反应器的特点设备简单，结构严密；良好的液体混合性能，较高的三传效率；能耗低；易于放大；具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。生物反应器设计的主要目的和设计原理目的：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原理：基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。微生物反应过程的质量衡算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。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。微生物反应过程的质量和能量衡算OHCO22有机产物菌体氧氮源碳源如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。2232fCOOeHNOdCHNOcCHbNHaOOCHwvuzyxnm对各元素做元素平衡，得到如下方程：wdzcbNfevdycanOeudxcbmHfdcC:22:23:1:(3-2)方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未知数，需六个方程才能解。微生物反应过程的得率系数得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质量均指干细胞）。SXYsx消耗基质的质量生成细胞的质量/某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时细胞得率）式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/s比厌氧培养的大的多。dtdSdtdXrrdSdXYSXSX当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式（3-1）中的系数c实际就是Yc。CCSXCSXYY基质含碳量基质消耗量细胞含碳量细胞生产量微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该基质的有效电子数。式中YATP为相对于基质的ATP生成得率（molATP/mol基质），Ms为基质的分子量。SATPSSXATPYMYATPmolcellgATPXY][微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情况，式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞的燃烧热，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的YKJ约等于0.002g细胞/kJ。)()()(能分解代谢所释放的自由细胞储存的自由能细胞生产量bakJEEXEXYO2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定义式为：消耗速率生成速率22OCORQ酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化为ATP。在标准状态下1molATP加水分解为ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产生2molATP。基于此，在酒精发酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式储存起来。好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol的ATP，31×38/2871=0.41，也就是说41%的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌氧时）的能量效率为（31×2）/2871=0.022，即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞/molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP。利用YkJ表示微生物反应过程对能量利用，有式中为以菌体X的燃烧热为基准的焓变。其因菌体的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g细胞。ΔHc为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差，其由下式给出式中ΔHs为碳源氧化的焓变（kJ/mol），ΔHp为产物氧化的焓变（kJ/mol）。)())((cakJHXHXYaH))(())((PHSHHPSc生物反应器的生物学基础生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率，其相应的动力学模型是细胞：（3-1）),......2,1(niFXXFVXdtdVXiiffiii),......2,1(1njFSSFVXdtdVSjjffinjjij（3-2）基质：产物：（3-3）),......2,1(1nkFPVXdtdVPkinkkikFFdtdVf（4-4）反应液体积：生长速率XdtdXrx平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式为式中X为微生物的浓度，μ为微生物的比生长速率，其除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素所影响。由上式可知，μ与倍增时间(doublingtime)td的关系为：ddtt693.02lnF为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]；i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物,表示基质的流加流量。当采用分批式操作时,F=F=0；采用流加式操作时，FF=0；采用连续式操作时,F=F0CCSXCSXYY基质含碳量基质消耗量细胞含碳量细胞生产量当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式（3-1）中的系数c实际就是Yc。传热生物反应器中的能量平衡可表示为：（3-5）式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率；Qag为搅拌造成的单位体积产热速率；Qgas为通风造成的单位体积产热速率；Qacc为体系中单位体积的积累产热速率；Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率；Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率；Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速率。senevapexchaccgasagmetQQQQQQQ实际生物反应过程中的热量计算，可采用如下方法：１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：青霉素发酵约为25000kJ/(m3h);链霉素发酵约为19000kJ/(m3h);四环素发酵约为20000kJ/(m3h);肌苷发酵约为18000kJ/(m3h);谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂，在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大升温约为12℃。3、通过生物合成进行计算。当Qsen、Qacc和Qgas可忽略不计，由式7-5可知，（3-6）即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。4、通过燃烧热进行计算（3-7）式中Q基质燃烧为基质的燃烧热，Q产物燃烧为产物的燃烧热。evapagmetexchallQQQQQ产物燃烧基质燃烧QQQall生物反应器中的换热装置的设计，首先是传热面积的计算。换热装置的传热面积可由下式确定。（3-8）式中F为换热装置的传热面积m2；Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量kJ/h；K为换热装置的传热系数kJ/(m2·h·℃)；tm为对数温度差(℃)，由冷却水进出口温度与醪液温度而确定。malltKQF根据经验：夹套的K值为400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值为1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，K值为3300～4200kJ/（m2·h·℃）。气温高的地区，冷却水温高，传热效果差，冷却面积较大，1m3发酵液的冷却面积超过2m2。但在气温较底的地区，采用地下水冷却，冷却面积较小，1m3发酵液的冷却面积为1m2。发酵产品不同，冷却面积也有差异。生物反应器选型与设计的要点1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。2、确定适宜的反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积的计算。5、通风与搅拌装置的设计计算。6、材料的选择与确保无菌操作的设计。7、检验与控制装置。8、安全性。9、经济性。机械搅拌生物反应器的设计某生物医药公司为应用基因工程菌株发酵生产某药物原料（胞内产物），产量为30吨/年，现有情况：中试完成，20L发酵罐达到的指标为细胞浓度20g/L（干重），细胞内产物含量为5%（干重），细胞对糖的转化率为YX/S=0.4，细胞对氧的产率YX/O=1.0，在最佳条件（30℃和pH6.5）下，比生长速率μ=0.3/h，发酵时间为16h，要求大