反应器设计

第九章反应器设计

9.1 概述 (1)

9.2反应器的分类和结构特点 (3)

9.3 发酵罐设计与分析 (6)

9.5 其他反应器 (13)

9.1 概述

生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。

生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，确定各种结构参数，即确定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）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。生物反应器设计的基本要求：

（1）避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连；

（2）法兰应尽量少；

（3）尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光；

（4）避免产生凹陷和裂缝；

（5）设备各部件能分别进行灭菌；

（6）反应器的接口处用蒸汽封口；

（7）阀门要易清洗，易使用，易灭菌；

（8）反应器内易保持一定正压；

（9）为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。

反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研

究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。

数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。

9.2反应器的分类和结构特点

由于生物催化剂种类和生产目的的多样性，生物反应器种类繁多。不同的生物反应器在结构和操作方式上具有不同的特点。根据生物反应器的结构和操作方式的某些特征，可以从不同角度对其进行分类。

9.2.1根据反应器的操作方式分类

根据反应器的操作方式不同，可将生物反应器分为间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半连续式（流加）生物反应器。

间歇式反应器，其基本特征是：反应物料一次性加入、一次性卸出，反应器内物系的组成仅随时间而变化，属于一种非稳态过程。间歇式反应器适用于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程，可以经常进行灭菌操作。在实际应用中，由于间歇培养不会产生严重的染菌问题、因周期短而较适合于遗传变异性大的细胞、对过程控制的要求较低、能适应培养细胞株和产物经常变化的需要，因此是应用最广泛的操作模式。

采用连续操作的反应器被称为连续式反应器，这一操作方式的特点是原料连续流入反应器，反应产物则连续从反应器流出。反应器内任何部位的物系组成均不随时间变化，故属于稳态操作。连续操作反应器一般具有产品质量稳定、生产效率高等优点，因而适合于大批量生产。

半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中一种为连续输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半连续式反应器或流加式反应器。半连续操作同时兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作。

9.2.2根据催化剂分类

生物催化剂包括酶和细胞两大类，相应地，生物反应器也可以分为酶反应器和细胞反应器。

酶催化反应与一般的化学反应并无本质的区别，催化剂本身不会因为反应而增加，但是酶催化反应的条件更加温和。酶催化反应器的结构往往与化学反应器

类似，且通常不需要太高的温度和压力。游离酶催化常采用搅拌罐反应器，固定化酶催化除了搅拌罐反应器外，常选择固定床反应器，近年来，酶膜反应器的应用正在日益增多。

细胞培养过程是典型的自催化过程，细胞本身既是催化剂，同时又是反应的主要产物之一。因此，催化剂的量是随反应的进行而不断增大的。对于这种活的催化剂，在反应过程中保持细胞的生长和代谢活性是对反应器设计的最基本要求。

根据细胞类型的不同，细胞反应器又可分为微生物细胞反应器（通常称为发酵罐）、动物细胞反应器和植物细胞反应器。根据不同类型细胞的生理特点，对反应器也有不同的要求。例如，动植物细胞是好氧的，同时对剪切力又非常敏感，在设计反应器时如何在氧传递和剪切力之间的矛盾找到一个平衡点就成为要考虑的首要问题；植物细胞培养可能需要可见光，就要采用光生物反应器。

9.2.3根据流体流动或混合状况分类

对于连续反应器，有两种理想的流动模型：一种是反应器内的流体在各个方向完全混合均匀，称为全混流（CSTR），其主要特征是反应物加入到反应器中，同时反应产物也离开反应器，并保持反应体积不变，其过程是一物系中组成不随时间改变的定态过程；

另一种则是通过反应器的所有物料以相同的方向、速度向前推进，在流体流动方向上完全不混合，而在垂直于流动方向的截面上则完全混合，所有微元体在反应器中所停留的时间都是相同的，这种流动模型称为平推流、活塞流或柱塞流（PFR）。

实际反应器内流体的流动方式则往往介于上述两种理想流动模型之间，称为非理想流动（混合）模型。非理想生物反应器需要考虑流动和混合的非理想性，如：流体在连续操作反应器中的停留时间分布、微混合问题、反应器轴向或径向扩（弥）散及反应器操作的震荡问题等。间歇操作的非理想生物反应器则需要考虑混合时间、剪切力分布、各组分浓度及温度分布等复杂问题。

9.2.4根据反应器结构特征及动力输入方式分类

根据反应器的主要结构特征（如外形和内部结构）的不同，可以将其分为釜（罐）式、管式、塔式、膜式反应器等，它们之间的差别主要反映在其外形（长径比）

和内部结构上的不同。釜式生物反应器能用于间歇、流加和连续所有三种操作模式，而管式、塔式和生物膜反应器等则一般适用于连续操作的细胞反应工程。根据动力输入方式的不同，生物反应器可以分为机械搅拌反应器、气流搅拌反应器和液体环流反应器。机械搅拌反应器采用机械搅拌实现反应体系的混合（图9-1）。气流搅拌反应器以压缩空气作为动力来源（图9-2）。而液体环流反应器则通过外部的液体循环泵实现动力输入（图9-3）。

图9-1机械搅拌反应器

（G —气体；L —液体；M —电机）

图9-2气流搅拌反应器

（G —气体；L —液体）

图9-3液体环流反应器