生化工程第五章生化反應器.ppt

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1、生化工程第五章生化反應器第五章生化反應器第一節(jié)概述第二節(jié)生化反應器的特點與設計原則第三節(jié)生化反應器的種類第四節(jié)生化反應器的發(fā)展第一節(jié)概述一、生化反應器的定義二、生化反應器的基本要求一、生化反應器的定義生化反應器又可稱生物反應器，是為適應生化反應特點而設計的反應設備。生化反應器在生化反應過程中處于極為重要的中心地位，它是影響整個生產過程經濟效益的重要方面。生化反應器包括微生物反應器（發(fā)酵罐）、酶反應器、動植物細胞培養(yǎng)用反應器等。二、生化反應器的基本要求按照生化反應過程的規(guī)律和生產工藝的要求，保證和控制各種生化反應條件。如：發(fā)酵罐，要有

2、能控制溫度、壓力，通氧量、密封防漏、防止雜菌污染的設施，并根據(jù)發(fā)酵特點和要求，選擇合適的發(fā)酵罐結構和型式。（見下表）菌種發(fā)酵產品發(fā)酵罐（反應器）要求發(fā)酵罐型式嫌氣菌乙醇、啤酒、丙酮、丁醇不需供氧設備結構一般較為簡單好氣菌酶制劑、抗生素和單細胞蛋白(SCP)等大部分發(fā)酵產品不斷通入無菌空氣機械攪拌通風式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、通風攪拌式發(fā)酵罐第二節(jié)生化反應器的特點與設計原則一、生化反應器的特點二、生化反應器的設計原則一、生化反應器的特點生化反應器的特點，是與生化反應的特點相伴隨的。1.生化反應器提供的反應條件都是在低溫、近中性pH等接近

3、細胞生理的條件。2.生化反應的酶系都是復雜的，要求生化反應器能很好的控制反應進程并使其最優(yōu)化。尤其是傳質和傳熱。3.生化反應器要控制反應條件的相對恒定及協(xié)調，考慮輔酶的添加以及能量的供應，同時還要注意底物及產物濃度的控制。4.利用生化反應器可以定向的生產一些用一般化學方法難以甚至不能獲得的產品。5.由于回收設備提高了生化產品的成本，生化反應器需要更關注產品的分離純化。二、生化反應器的設計原則1、獲得高的體積產率2、獲得高的產物得率3、獲得高的產物濃度4、其他1、獲得高的體積產率體積產率Qp：即每小時每升反應體積，能生產的產品質量，g

4、/L.h最大生產能力最大濃度催化劑濃度反應器生產能力Qp催化劑比活力2、獲得高的產物得率(Rp/x)（1）轉化率的提高轉化率是指由原料到產品的得率，即每克底物能得到的產品克數(shù)。Yp/s（2）控制副產品的產生產物得率可用下式計算：Rp/x=Yp/s∫Sa(t)dtte0Sa(t)：比活力，單位時間每克細胞或酶能作用的底物質量（g）te：催化劑的有效時間，一般以半衰期表示生化反應器設計要求達到最大的Rp/x從上式中可以知道：提高酶的比活力Sa(t)和穩(wěn)定性（即延長半衰期te），可以增加Rp/x。在微生物發(fā)酵中，提高Yp/s，也可以增加R

5、p/x3、獲得高的產物濃度獲得高的產物濃度有利于產品的分離純化，降低反應成本，故生化反應器的設計應重視。在連續(xù)工藝中，產物濃度與操作條件的關系如下：P=SaVX/F=SaX/DP：產物濃度V：反應器體積X：催化劑濃度F：通過反應器的流速D：稀釋率，D=F/V從上式知：降低流速，增加催化劑濃度和比活力，可以提高產物濃度。4、其他提高產品質量，使工藝的重現(xiàn)性高，副產品少。重視能耗、混合、溫度控制及蒸汽消毒等問題。第三節(jié)生化反應器的種類一、生化反應器的種類二、微生物反應器（發(fā)酵罐）三、酶反應器一、生化反應器的種類按不同的分類方式，分成不同

6、的類型按操作方式間歇式、連續(xù)式、半連續(xù)式按流體流動理想反應器、非理想反應器按幾何構型及結購特征罐式（高徑比1-3）管式（高徑比＞30）塔式（豎立，高徑比＞10）膜式（內有膜件）按相態(tài)均相非均相按催化劑類型微生物反應器（發(fā)酵罐）酶反應器按輸入機械功率來源機械攪拌式鼓泡式環(huán)流式1.按相分（1）均相反應器：反應在一個相中進行，通常為液相。反應物、催化劑及產物間在攪拌作用下能達到分子水平的混合，不存在傳質問題，是較簡單的一種反應器。如:前述的葡萄糖異構化反應，葡萄糖及異構酶均溶解于水，反應在均一的液相內進行。反應物、催化劑及產物之間通過攪拌

7、等作用，能達到分子水平的均勻混合，不存在傳質問題，因而這種反應器一般比較簡單?！?）非均相反應器：反應物不在同一相中，傳質問題即如何使不在同一相中的基質充分接觸，是非均相反應器要解決的基本問題。其結構較復雜。發(fā)酵工業(yè)中大多數(shù)反應器屬于此類。如：在以正烷烴為基質的酵母發(fā)酵器中，正烷烴不溶于水，空氣難溶于水，酵母也不溶于水。但酵母必須將基質用酶催化水解，然后才能獲得能量，并將小分子基質攝入細胞，合成新的細胞物質。這一系列生物化學反應能否進行，取決于反應器能否把作為基質的正烷烴、氧和水及酵母菌體充分乳化，使這些不在同一相內的基質充分接觸

8、．這就是傳質問題。非均相反應器在結構上較均相反應器遠為復雜。發(fā)酵工業(yè)中的絕大多數(shù)反應器屬于非均相反應器。2.按輸入功率分（1）機械攪拌式生化反應器：利用攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質所需功率。利用絲狀菌進行的抗生素發(fā)酵生產，幾乎全部都是