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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