第三章 生物反应器设计和操作基础

第一节 生物反应器 生物反应器: 构造一个适宜生物体生长和形成产物的环境，并能促进生物体的新陈代谢，使其能在低消耗下获得较高产量设备。

生物反应器在生物工程过程地位

一、生物反应器设计和操作的目标 生物反应器设计和操作的主要目标是使产品的质量高，成本低。 在生物工程过程中生产成本主要决定于原料成本、操作成本，投资成本。 如：

根据生物转化过程中生产成本的主要方面，可以生物转化过程分为三类： （1)转化成本和原料成本为主，如面包酵母、酒精等的生产； （2)回收成本为主，如氨基酸，抗生素的生产； （3)以底物的转化成本为主，如废水处理。

二、生物反应器设计和操作的限制因素 在生物催化剂的浓度和比活力都很高时，传质和传热将成为提高反应器生产能力的限制因素。

图3—2生物反应器生产能力的限制因素

三、 生物反应器开发的趋势和未来发展方向 1、3、开发和应用特殊用途的和具有特殊性改进生物反应器中热量、质量传递的方法和装置就成为生物反应器开发的趋势。 2、生物反应器正向大型化和自动化方向发展。 能的生物反应器。 4、连续生物反应器 开发。 5、把生物反应器和后面的产物回收过程联系起来将行合理开发。

四、生物反应器的类型 (1)厌气生物反应器：发酵过程不需要通人氧气或空气，有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。此类反应器有酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发酵罐(池)、双歧杆菌厌氧反应器等。 (2)通气生物反应器：又可分为搅拌式、气升式、自吸式等；前两者需要在反应过程中通人氧气或空气，后者则可自行吸人空气满足反应要求。搅拌式反应器靠搅拌器提供动力使物料循环、混合，气升式则以通入的空气上升产生动力，自吸式反应器是利用特殊搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空而将空气吸人反应器内，毋须另外供气动力。

(3)光照生物反应器：反应器壳体部分或全部采用透明材料，以便光可照射到反应物料，进行光合作用反应。一般配有照射光源，白天可直接利用太阳光。 (4)膜生物反应器：反应器内安装适当的部件作为生物膜的附着体，或者用超滤膜(如中空纤维等)将细胞控制在某一区域内进行反应。

第二节生物反应动力学基础 生物反应动力学是研究生物反应速度的规律。在研究动力学特性时一般是要研究细胞生长速率、基质利用速率和产物生产速率的变化规律，以便对培养过程作有效的控制，从而提高产品（细胞或其代谢物）的产率以降低生产成本。

细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比： 图3－3 分批培养中细胞浓度的变化 1－延迟期；2－指数生长期；3－减速期； 4－静止期；5－衰亡期 一、分批培养中细胞的生长 细胞浓度的变化率与细胞浓度成正比： 图3－3 分批培养中细胞浓度的变化 1－延迟期；2－指数生长期；3－减速期； 4－静止期；5－衰亡期 X——细胞浓度，kg（干重）/m3； t——时间，s；µ——比生长速率，1/s

二、分批培养中基质的消耗 1．得率系数 细胞对于消耗掉的基质的得率系数可用下式表示： 产物对于消耗基质的得率系数

2．基质消耗速率

三、产物的生成 产物的生成与细胞的生成相关 产物的生成与细胞的生成与细胞的生长部分相关

第三节机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质 氧是一种难溶气体，在常压和25℃时，空气中的氧在纯水中的溶解度只有0.25mol/m3，在培养基中的溶解度则更小。据研究结果，工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为0.1～0.4kg（O2）/ [h·kg (干细胞)]，而由糖等底物转化成细胞，则需氧量为1 kg（O2）/ [h·kg (增殖细胞)]左右。由此可见，培养液中需要的氧量远大于氧的溶解量。

机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质 氧由空气泡传递到生物细胞可分成几步进行： （1）气泡中的氧通过气相边界层传递到气—液界面上。 1、气—液相间的溶氧传质理论 氧由空气泡传递到生物细胞可分成几步进行： （1）气泡中的氧通过气相边界层传递到气—液界面上。 (2)氧分子由气相侧通过扩散穿过界面． (3)在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。 (4)在液相主体中进行传递． (5)扩散通过生物细胞表面的液相滞流层传递进入生物细胞内．

气—液相间的溶氧传质过程和阻力 图3—7 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 图3—7 氧从气泡到细胞的传递过程示意图 1、从气相主体到气液界面的气膜传递阻力； 2、气液界面的传递阻力3、从气液界面通过液膜的传递阻力；4、液相主体的传递阻力； 6．细胞或细胞团表面的液膜阻力；6、固液界面的传递阻力；7，细胞团内的传递阻力：8．细胞壁的阻力；9．反应阻力

据传质理论分析和实验研究结果证明溶氧传质的总推动力就是气相与细胞内的氧浓度之差，在大多数的通气发酵场合，氧由气泡传递到液相中是生物通气发酵过程中的限速步骤。 在实际的生物反应系统，溶氧浓度是细胞的耗氧速率(OUR)和氧传递溶氧速率(OTR)的函数。

溶氧浓度 OTR OUR

单位体积培养液溶氧速率为：

2．机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数 体积溶氧系数的主要因素有： (1)操作条件，如搅拌转速。通气量等． (2)发酵罐的结构及几何参数，如体积。通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等． (3)物料的物化性能，如扩散系敷、表面张力，密度、粘度、培养基成分及特性等

1．操作条件的影响 式中： Pg为通气时的搅拌功率， V为培养液的体积， ws为通气的表观线速度（ws=空气流量/反应器横截面积），K为常数，它的因次与α、β的具体数值有关 ，Cooper等在小型通气搅拌罐（液量3～65 L）中，采用亚硫酸氧化法测定KLa，研究通气和搅拌的影响，得出α＝0.95，β＝0.67

研究通气和搅拌的影响，得出α＝0.95，β＝0.67，这说明增大搅拌功率的效果更为明显。在通气搅拌操作中，并非通气量越大KLa就一定越大，实际上通气量的影响有一定的限度，如果超过这一限度，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量气泡中空转，发生所谓“过载”的现象。这时，搅拌功率会大大下降，KLa也不能提高（图3－8）。当然搅拌功率也不是越大越好，因为过于激烈的搅拌，产生很大的剪切作用，可能对所培养的细胞造成伤害。动植物细胞对剪切极为敏感，对这一点在设计培养装置时更应注意。另外，激烈的搅拌还会产生大量搅拌热，加重传热的负担。

α、β的值受培养装置的规模 、搅拌器的形式

2．液体性质的影响 ρ——液体密度，kg/m3。 σ——界面张力，N/m WS——表观气速，m/s 两个搅拌叶轮的小型玻璃发酵罐、牛顿流体 Di——搅拌器直径，m；N——搅拌器转速，1/s； ρ——液体密度，kg/m3。 σ——界面张力，N/m WS——表观气速，m/s

3、其他因素的影响 （1） 表面活性剂 （2） 离子强度 （3） 细胞

（1） 表面活性剂 培养液中，消沫用的油脂等是具有亲水端和疏水端的表面活性物质，它们分布在气液界面，增大传递阻力，使KL下降。图3－9表明在水中加入表面活性剂月桂基磺酸钠后对KLa，KL和dB（气泡直径）的影响。

气 泡 直 径 图3－9 表面活性剂月桂基磺酸浓度对KLa、KL和dB的影响 加入消沫剂消沫会改变氧分压与kLa 关系

（2） 离子强度 在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。Zlokarnik指出，在同一气－液接触反应器中，在同样的操作条件下，电解质溶液的KLa比水大，而且随电解质浓度的增加，KLa也有较大的增加。

图3－10电解质溶液浓度对KLa的影响

（3） 细胞 培养液中细胞浓度的增加，会使KLa变小，图3－11是黑曲霉浓度与KLa的关系。细胞的形态对KLa的影响也很显著。

体积溶氧系数的计算公式是多用相似理论导出的，常用有：