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生物反应器的设计 资源与环境工程学院 第一章 生物反应器的结构和类型 一. 生物反应器的基本工程概念 (一) 生物反应器类型 ? 生物反应器:利用生物催化剂进行生物技术产品生产 的反应装置。 ? 分类方法: 1. 按操作方式:间歇式(分批式),连续式,半连续式 2. 按几何构型及结构特征: 罐式(高径比1~3), 管式(长径比30) , 塔式(竖立高径比10), 膜式(内有膜件). 3. 按反应器所需能量的输入方式: 机械搅拌式,气升式,环流式。 4. 按生物催化剂在反应器中的分布方式: 生物团块反应器,生物膜反应器。 5. 按固相催化剂的运动状态: 填充床,流化床,生物转盘等 6. 按反应体系的相态: 均相,非均相(固定床, 流化床) 7. 按流体流动状态: 理想反应器,非理想反应器 8. 按催化剂类型: 微生物反应器(发酵罐),酶反应器 9. 按培养对象: 微生物细胞反应器,植物细胞反应器,动物细胞反应器 间歇操作 特征: ? 反应物料一次加入一次卸出; ? 反应器物系的组成仅随时间而变化,即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。 适合于:多品种,小批量,反应速率较慢的反应过程。 连续反应器 特点: ? 原料连续输入反应器,产物则连续从反应器中流出。 ? 反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变。 因而属于稳态操作。 优点:产品质量稳定,生产效率高,适合大批量生产。 缺点:易发生杂菌污染;操作时间过长;细胞易退化变异。 半连续反应器 特点: 原料与产物只有其中一种是连续输入或输出, 而其余则是分批加入或输出。 优点: ? 可减缓底物对细胞生长的抑制作用; ? 实现细胞的高密度培养; ? 既可以提高反应器的生产能力,也有利于下游加工过程。 (对细胞反应,又称分批补料培养或流加操作技术。) (二) 生物反应器设计内容 ? 反应器设计的基本准则: 操作状态最佳化。 ?反应器设计的主要内容: 1. 反应器选型: 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,计算所需反应器体积,确定各种结构 参数:反应器的内部结构及几何尺寸,搅拌器形式、 大小及转速,换热方式及换热面积等。 3. 确定最佳操作条件及其控制方式: 温度,压力,pH值,通气量,底物浓度,物料流量等。 ? 与一般化学反应器的不同之处: 1. 防止反应器的堵塞 2. 控制搅拌器的转速 3. 避免染菌 (三) 生物反应器的开发趋势 1. 开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂; 2. 建立描述生化反应过程的各种数学模型; 3. 大型化生物反应器的开发研究; 4. 特殊要求的新型生物反应器的研制开发。 (四) 研究生物反应器的目的 1. 确定该生物产品达到一定的产量需要多大的生物反应器, 什么结构更好。 2. 结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化, 为生物加工过程提供最佳环境条件,并解决放大技术。 二. 生物反应器设计的计算基础 (一)生物反应器的基本设计方程 反应物系的组成及操作参数→反应组分的转化速率 →反应器体积 反应器设计的基本方程有三类: ? 物料衡算式:描述浓度变化(依据质量守恒定律) ? 能量衡算式:描述温度变化(依据能量守恒定律) ? 动量衡算式:描述压力变化(依据动量守恒定律) 变量: ? 因变量: 反应组分的浓度或转化率;反应物系的压力或温度。 ? 自变量:时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自 变量,而非定态过程则两种自变量都要考虑。 控制体积: 是指建立衡算式的空间范围,其选择原则是以能把 反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。 可取整个反应区体积作为控制体积,也可取一微元体 作为控制体积。 ? 微元体: 指一微
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