第七章 生物反应器解剖

第七章生物反应器的放大与控制生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。

因此，一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。

随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。

生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。

从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。

这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。

本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。

第一节生物反应器的放大生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。

然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。

这就涉及反应器放大的问题。

生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。

它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。

反应器的放大涉及内容较多。

除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。

因此，它是一个十分复杂的过程。

目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。

一、经验放大法经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。

这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。

由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。

但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。

对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。

下面介绍一下具体的经验放大原则：（一）几何相似放大生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。

第五章生化反应器第一节概述一、生化反应器的定义1、生化反应器又可称生物反应器，是为适应生化反应特点而设计的反应设备。

生化反应器在生化反应过程中处于极为重要的中心地位，它是影响整个生产过程经济效益的重要方面。

生化反应器包括微生物反应器（发酵罐）、酶反应器、动植物细胞培养用反应器等。

2、生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一由图可见，生物反应器在生物过程中，具中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。

反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。

生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。

二、生化反应器的基本要求如：发酵罐，要有能控制温度、压力，通氧量、密封防漏、防止杂菌污染的设施，并根据发酵特点和要求，选择合适的发酵罐结构和型式。

第二节生化反应器的特点与设计目标与原则一、生化反应器的特点生化反应器的特点，是与生化反应的特点相伴随的。

1. 生化反应器提供的反应条件都是在低温、近中性pH等接近细胞生理的条件。

2. 生化反应的酶系都是复杂的，要求生化反应器能很好的控制反应进程并使其最优化。

尤其是传质和传热。

3.生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调，考虑辅酶的添加以及能量的供应，同时还要注意底物及产物浓度的控制。

4. 利用生化反应器可以定向的生产一些用一般化学方法难以甚至不能获得的产品。

5. 由于回收设备提高了生化产品的成本，生化反应器需要更关注产品的分离纯化。

二、生化反应器的设计目标与原则（一）一个优良的生物反应器应具备的条件：生物反应器的作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。

一个优良的生物反应器应具备：（1）严密的结构（2）良好的液体混合性能（3）高的传质和传热速率（4）灵敏的检测和控制仪表（二）判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。

（三）生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。

取样口加料口循环水出口液体高度观察处（可接触感器）循环水入口无菌空气扩散器出料口图1剖面图无菌空气通入口电动机提供旋转动力放大图（单向阀门）（旋转）图2圆形无菌空气扩散器（截取一段的示意图）备注：（1）用循环水系统控制整个反应器的反应温度，选用水进行温度的控制环保且经济；（2）在设计加样口时，分为固体加料口和液体加料口两个，便于控制；（3）使用传感器对反应器内的体积进行实时监控。

（1）总体结构使用钢体材料，根据氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans,T.f ）嗜酸的特性，故而在反应器的内壁进行钝化处理（如有条件可进行镀银处理），且反应器内部的搅拌器等物品均需进行钝化处理；（2）搅拌器动力使用变极调速电机提供动力，对于传统搅拌器的改造，以轴向流式翼形搅拌桨，类似Prochem Maxflo T搅拌器，其特点是能耗低，轴向速度大，主体循环好，剪切作用温和，相对传统搅拌器而言Prochem Maxflo T搅拌器的搅拌叶呈轴向流式翼形可以减少由于机械原因所造成的菌种的死亡，提升其工作效率；（3）无菌空气扩散器设计在反应器的底部可以使无菌空气更好的溶入液体中，提高反应器的溶氧系数。

溶氧系数正比于空气线速度Vs，当加大通风量Q时，Vs相应增加，溶氧增加。

但是，另一方面，增加Q，在转速N不变时，Pg会下降，又会使溶氧系数下降。

同时Vs过大时，会发生过载现象。

因此，只有在增大Q的同时也相应提高转速N，使Pg不至过分降低的情况下，才能最有效地提高溶氧系数。

（4）H/D（高径比）设计为2.5，其根据是H/D小，氧利用率小，氧利用率差。

H/D太大，溶氧系数增加不大。

相反由于罐身过高液柱压差大气泡体积被压缩，以至造成气液界面小的缺点。

H/D大，厂房要求也高，所以设计为2.5。

图3 Prochem Maxflo T搅拌器（5）温度的控制如果有条件可以使用温度传感器来控制反映器的温度，以代替人工控制，提高效率，节省劳动力，进而节约成本。