第八章生物反應器1什么是酶反應器?酶和固定化酶在體外進行催化反應時，都必需在一定的反應容器中進行，以便控制酶催化反應的各種條件和催化反應的速度。用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備稱為酶反應器。酶反應器是用于完成酶促反應的核心裝置。它為酶催化反應提供合適的場所和最佳的反應條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉化成產物。它處于酶催化應過程的中心地位，是連接原料和產物的橋梁。2生物反應器具有中心的作用，它是連接原料和產物的橋梁，也是多種學科的交叉點。生物反應器的設計和操作，就是生物工程中一個極其重要的問題，它對產品的成本和質量有著很大影響。3生物反應器的特點酶促反應器：利用生物催化劑進行一步或幾步催化反應，游離或固定化酶（細胞），簡單，與一般的化學反應器無大的區別。細胞生物反應器：生物反應過程中，活細胞（微生物、動植物細胞）的生長、代謝或者同時復雜酶系統的生物催化轉化，發酵罐。生物反應復雜，細胞中精確調控的酶系進行的催化反應。生物反應器的作用：為生物催化反應與細胞代謝提供一個適宜的物理及化學環境，使反應效率更高，細胞生長與代謝更快更好，轉化或代謝產物更多。4優良的反應器應具備：嚴密的結構；良好的液體混合性能高效的傳質、傳熱性能；配套而又可靠的檢測和控制儀表。判斷的標準：能否適合催化工藝要求，最大生產效率。5酶促反應器：生化反應簡單，酶如同化學催化劑，基本與化學反應器同，要考慮生物酶的特性。細胞反應器：發酵罐，考慮細胞的增殖、催化活性、雜菌的污染。與化學反應器區別很大。發酵罐與酶促反應器的主要區別：生物反應速率較慢，體積反應速率不高，反應器大。對好氧過程，通風和混合要求，動力消耗較大，產物濃度低。杜絕雜菌污染6生物反應器的分類按幾何形狀或結構特征劃分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于連續操作。直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應器。7按催化劑類型或培養對象劃分：酶促反應器、微生物培養發酵罐、植物細胞反應器、動物細胞反應器。游離酶反應器：考慮使用目的、反應形式、底物濃度、反應速率、物質傳遞、反應器制造和運轉成本及操作難易等因素，采用一般化學反應器，固定化酶促反應器：還要考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機械強度、密度和再生難易，操作上的要求（如pH、供養、雜菌污染），反應動力學形式，和物質傳遞特性，內外擴散、底物性質、催化劑的表面與反應器的體積的比值等。如：顆粒狀固定化酶，機械強度（凝膠包埋、微囊酶）、機械攪拌的剪切、耐壓縮性（安裝篩板）8按供氧劃分：好氧反應器、厭氧反應器好氧、厭氧反應，某些溶劑（乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇）、乳酸、沼氣都是厭氧產品。氧在培養基中的溶解度，不斷進行通氣和攪拌，同時保持培養液懸浮，促進發酵熱散發。根據反應器所需的混合方式與能量輸入方式劃分：機械攪拌輸入能量的攪拌型反應器、利用氣體噴射動能的氣升式反應器、利用泵對液體的噴射作用使液體循環的噴射環流式反應器。最多的還是攪拌型反應器，氣升式反應器在特殊產品生產中應用效果很好。9根據反應器的操作方式劃分：間歇式、連續式、半間歇式生物反應器。間歇式反應器：反應物料一次性加入，反應過程中，沒有底物的加入和產物的取出，反應器內物系的組成隨反應時間的變化而變化，非穩態過程。連續式反應器：不斷補充底物和營養物質，轉化或代謝產物不斷被稀釋而排除，催化過程連續穩定進行，反應期內任何部位的物系組成均不隨時間變化而改變，穩態過程?？朔说孜锘驙I養物質被耗盡或產物代謝物積累抑制等缺點。但是連續反應過程的操作和質量控制有更高的要求。半連續反應器：將原料與部分產物連續輸入或輸出，其余分批加入和輸出。具有上述兩種反應器的特點。10根據生物催化劑在反應器中的分布方式：生物團塊反應器和生物膜反應器。生物團塊反應器按催化劑的運動狀態分為：填充床、流化床、生物轉盤。根據反應物系在反應器內的流動和混合狀態劃分：全混流和活塞流型生物反應器?；钊魇剑悍磻涸诜磻鲝较驀栏窬坏乃俣确植?，反應速度僅隨空間位置不同而變化。全混流式：反應器內濃度分布均勻。根據發酵培養基的物料狀態劃分：液態和固態生物反應器。1112生物反應器的研究內容高效生物反應器的特點：設備簡單、結構嚴密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。評價生物反應器的好壞：適合工藝，最大生產效率。研究和設計內容：按工藝選型；按反應過程物料衡算、傳質傳熱計算；考慮無菌條件；設計必要的過程控制。13生物反應器開發研究的具體內容：1、建立描述生化反應過程的各種數學模型，為生物反應器的設計提高理論基礎。：以反應器為研究對象，分別研究生化反應、傳遞過程、流體流動與混合等過程，聯立求解動力學方程、物料及能量衡算，生物反應過程規律的解析表達式，獲得數學模型，過程的自控、優化和反應器的設計與放大。2、生物反應器的大型化發展：放大降低生產成本，大型反應器200—500m3，抗生素400m3，氨基酸300m3，SCP氣升式2600m3，廢水處理27000m3。3、特殊要求的新型生物反應器的研制：適應不同類型的生物催化劑與催化反應過程的生物反應器，如基因工程菌反應器、固定化酶反應器、固定化細胞反應器、非水相生物反應器、動植物細胞培養反應器、固體發酵、反應與分離耦合反應器。

14生物反應器的工藝設計基礎生化反應機制、反應器內部的傳質傳熱、物料混合流動、反應器的結構和型式。生物學基礎：生化反應機制、生理特性等。生物反應動力學，定量描述反應過程速率及其影響因素，包括生物體本身、組分的濃度、溫度。細胞生長速率、基質消耗速率和產物生成速率及動力學模型細胞基質產物反應體積15生物反應器中混合與傳熱：混合：混合過程影響反應器內的質量傳遞，影響催化反應效果。機械攪拌混合和氣流攪拌混合。機械攪拌混合：主體對流擴散、渦流擴散、分子擴散。作用范圍：主體>渦流>分子。宏觀流動（粗略混合）-微觀流動-微觀混合（完全混合）。反應器內流體的流動狀態決定物料的混合狀態，混合狀態常用返混表述。不同停留時間的物料之間的混合，間歇反應器中，不存在返混。返混是與連續操作伴生的現象。返混原因：死角、溝流或短路、軸向擴散與徑向速度分布不勻（管式反應器）、劇烈攪動（釜式反應器）。實際的流動狀態很復雜，難于精確數學描述，通常采用合理簡化（流動模型）,用模型的分析和計算代替實際反應器的分析和計算（數學模型法）。平推流模型（無返混）、全返混模型（全返混）、軸向擴散模型和多釜串聯模型（介于無返混和全返混之間）。流動情況用流場描述。16生物反應器中的傳熱：能量平衡：熱量計算方法：通過反應中冷卻水帶走的熱量計算。通過反應液溫度的升高進行計算。通過生物合成進行計算。通過燃燒熱計算。換熱面積計算：A=Qall/KΔtm,根據經驗，夾套K400-700kJ/(m2.h.C),排管K1200-1900，管壁較薄且對冷卻水強制循環時K3300-4200。17理想的反應器模型：活塞流（CPFR）、全混式（CSTR）CPFR與CSTR的比較：停留時間（CSTR>CPFR）、酶的需求量（CSTR相對量較大）、酶的穩定性（一級反應:CPFR更容易失活）、濃度分布、參見生化反應工程CPFRCSTR18幾種常見的反應器機械攪拌式生物反應器結構和功能19機械攪拌反應器的幾何尺寸通用式發酵罐的幾何尺寸比例H-筒身高度D-罐徑W-擋板寬度HL-液位高度d-攪拌器直徑s-兩攪拌器間距B-下攪拌器據底間距20一般來講，發酵罐的“公稱容積”V0是指筒身容積Vc和底封頭容積Vb之和。底封頭容積V可根據封頭的形狀、直徑及壁厚查有關化工容器設計手冊求得，也可近似地用下式計算：21機械攪拌反應器的混合和攪拌：軸向流動和徑向流動

攪拌器的形式與攪拌流型：

槳型式：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式…..螺旋槳：軸向流動為主，流體形成軸向的螺旋狀運動。特點：直徑小、轉速高、產生的循環量大，混合效果較好，但對氣泡非分散效果較差。22希望以徑向液流為主，同時兼顧軸向翻動。通用式發酵罐大多采用渦輪式攪拌器。渦輪槳:徑向流動為主，徑向離心力，攪拌器中央帶有圓盤，特點：對流體的剪切力劇烈、葉片寬產生大的流體循環量，平葉、彎葉、箭葉。23功率消耗：平葉>彎葉>箭葉粉碎氣泡的能力：相同攪拌功率下，平葉>彎葉>箭葉翻動流體的能力：箭葉>彎葉>平葉攪拌功率的確定和計算：反應器設計重要方面。攪拌功率影響流體的混合、傳質和傳熱。24機械攪拌酶反應器：間歇式BSTR、連續攪拌式CSTR：敞口式CSTR便于更換固定化酶，易于控制，能處理膠態和不溶性底物。25

連續流攪拌桶反應器連續攪拌釜式反應器26鼓泡式和氣升式生物反應器特點：無機械攪拌、結構簡單、氧傳遞效率高、能耗低、安裝維修方便等。鼓泡式反應器：空氣攪拌高位反應器，高徑比大的鼓泡為塔式反應器，又稱高位篩板式反應器，多孔篩板的作用27鼓泡式反應器與機械攪拌反應器對比：鼓泡式優點：結構簡單、造價低、動力消耗小、沒有軸封不造成染菌、對細胞剪切力小、操作成本低、噪音小。鼓泡式缺點：反應器很高、室外安裝、較大壓力的壓縮空氣。適用于液體粘度低、固含量少、需氧量低的催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。28環流反應器塔式反應器，氣升環流式和噴射環流式氣升式環流反應器：內環流式、外環流式….特點：氣體的上升力帶動流體在反應器內循環流動形成良好的混合，供氧和傳熱較好。29噴射環流式：機械泵引射壓縮空氣，噴口出口強的剪切力場，形成小氣包，反應器內從新聚并成大氣泡，通過環流再度分散，加快傳質，相同能耗下，氧傳遞速率要高很多。30自吸式生物反應器類型：機械攪拌自吸式、噴射自吸式、溢流噴射自吸式….不需要壓縮空氣壓縮機，而是利用攪拌器旋轉等方式產生的抽吸力吸入空氣。關鍵部件：帶有中央吸氣口的攪拌器，攪拌器為空心葉輪，攪拌器旋轉甩出液體，葉輪中心形成負壓。優點：機械攪拌的抽吸作用自行引入空氣，氣液接觸良好、氣泡分散細、溶氧系數高、省去了壓縮機。缺點：進罐空氣為負壓、吸程不高、采用低阻力高效空氣除菌裝置。3132厭氧生物反應器連續厭氧發酵設備連續管道厭氧反應器33固定床、流化床生物反應器用于固定化酶、細胞固定床反應器：塔式、管式，平推流反應器固定化酶：球形、蝶形、薄片、小珠狀34優點：催化劑裝填密度高、結構簡單、費用低、適用于易磨損的固定化酶、較高的產率（產物抑制體系）。缺點：傳質傳熱相對較低，固定床顆粒影響壓降和內擴散阻力（顆粒盡可能均勻）、固體物料不宜、35流化床反應器：fludizedbedreactor,FBR特點：流體與固體顆粒充分接觸，混合程度高、傳熱傳質好、適宜于粘性大和含固體物料。不適宜于產物抑制的反應。新型流化床顆粒：固定化酶內添加砂粒、或磁性物質等，提高固相和液相的的密度差，提高傳質速率。36選擇酶反應器的原則：無特定的規律，根據酶、底物、載體性能、酶反應動力學特性、反應條件、反應器本身的造價綜合因素。37膜生物反應器膜和化學反應或生物反應相結合的系統，membranebioreactor,MBR,工程強化技術，依靠膜的功能改變反應進程，提高反應效率。膜的4種主要功能：載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜分離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學作用的不同，選擇性透過不同物質。分隔功能：膜的兩個表面將系統分隔成相關聯的兩個部分，可透過相關物質。復合功能：依靠復合技術制備出幾層不同功能膜組成的復合膜。38如：利用分離和分隔功能，反應和分離耦合，膜的原位分離技術，移動平衡、提高選擇性、緩解產物抑制和毒害等。39膜反應器的類型：2種（1）膜反應器：酶膜、固定化細胞的中空纖維反應器。（2）生物反應器與膜組件組合成反應與分離耦合體系:攪拌反應器+超濾膜膜的孔徑由小到大分為：滲透膜（RO）、超濾膜（UF）、微濾膜（MF）、普通過濾膜40膜反應器的應用：生物大分子的水解輔酶再生反應體系脂肪酶、酯酶的有機相酶催化體系反膠束體系和其他酶催化過程。膜的污染和大型膜反應系統的制備等原因，遠未進入大規模產業化應用。例：有機酸發酵反應與分離耦合：41

各種酶反應器及其特點反應器類型適用的操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調節控制。填充床式反應器連續式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業生產中普遍使用。流化床反應器分批式流加分批式連續式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH值的調節控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。42反應器類型適用的操作方式適用的酶特點鼓泡式反應器分批式流加分批式連續式游離酶固定化酶鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應。膜反應器連續式游離酶固定化酶清洗比較困難噴射式反應器連續式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應43酶反應器的選擇在選擇酶反應器時，要考慮：酶形式、酶的反應動力學性質、底物和產物的理化性質等同時，反應器盡可能具有結構簡單、操作方便、易于維護和清洗、可適用于多種酶的催化反應、制成成本和運行成本較低等特點。44游離酶攪拌罐式反應器鼓泡式反應器膜分離反應器噴射式反應器45固定化酶攪拌罐式反應器填充床式反應器鼓泡式反應器膜分離反應器流化床式反應器46根據酶反應動力學性質選擇反應器酶反應動力學是研究酶催化反應的速度及其應因素的學科，影響反應動力學的因素包括酶與底物的結合程度、底物濃度對反應速度的影響、反應產物對酶的反饋抑制作用以及酶催化作用的溫度條件等。47酶與底物分子有效碰撞和結合—反應系統混合均勻—攪拌罐式反應器、流化床式反應器。高濃度底物對酶抑制—流加分批罐式反應器、填充床式反應器、流化床式反應器等產物抑制酶反應—膜反應器、填充床式反應器。耐高溫酶—噴射式反應器。48三、根據底物或產物的理化性質選擇反應器酶催化過程中，底物和產物的理化性質直接影響酶催化反應速率，底物或產物的分子質量、溶解性、粘度等性質也對反應器的選擇有重要影響。（1）反應底物或產物分子質量較大時，不宜采用膜反應器。（2）底物或產物溶解度低、粘度高時，選擇攪拌罐式反應器，不采用填充床式反應器和膜式反應器。49（3）反應底物為氣體時，常選擇鼓泡式反應器。（4）小分子物質作為輔酶的催化反應，不選膜反應器，以免輔酶的流失。50生物反應器的設計與放大設計基本要點：強化傳質、傳熱等操作，將催化活性控制在最佳條件、降低總的操作成本。設計目標：催化反應效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加單位體積產率、提高產品質量、提高技術經濟水平，創造更大效益。設計的重要方面包括:改善生物催化劑、實現良好的過程控制、提供良好的無菌條件、克服速度限制因素（物質傳遞、熱量傳遞、質量傳遞）等酶反應器：不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮生物體生長代謝，主要考慮反應器的選型。細胞生長代謝的生物反應器：復雜，嚴格的要求進行設計和放大。51生物反應器設計和操作的限制因素

酶或微生物是一種生物催化劑。實際上，反應器還要受到物理因素的限制，并不可能使生產速率很高。若生物催化劑的濃度和比活力都很高，傳質和傳熱成為提高反應器生產能力的限制因素。在生物催化劑濃度較低或比活力也較低時，生物催化劑的因素是生物反應器生產能力的限制因素。在生物催化劑的濃度較高且比活力也較高時，反應器的操作因素成為限制因素。52生物反應器選型與設計要點

53生物反應器研究的主要內容反應器選型:根據工藝特征、反應特性、物料特性確定反應器的操作方式、結構類型、能量傳遞、流體流動方式等。設計反應器的結構并確定結構參數：內部機構、幾何尺寸，如攪拌槳形式、大小、轉速、換熱方式及換熱面積。確定工藝參數及控制方式：溫度、壓力、pH、通氣量、底物濃度、物料流量等。54設計過程中要考慮的因素生物反應動力學：生物反應器定量研究的基礎流體的輸送及混合：流體間的動量傳遞、機械能的轉化熱量的傳遞：反應熱（發酵熱）的傳出和反應器溫度的控制物質的傳遞：細胞內外物質的交換、營養物、氧、CO2、底物和產物傳遞。55生物催化反應涉及到的特殊性底物特殊性：膠狀物、絮狀物等，多考慮流化床反應器。固定化酶：減少對固體的劇烈的剪切力，可以通過不同方式的固定化酶裝載方式，如裝在攪拌葉片上、或外置循環。微生物和酶的雜菌污染：56生物反應器的設計和操作參數停留時間轉化率產物酶的用量溫度pH底物濃度57生物反應器的工藝設計和計算不同于普通的化學反應器，動力學模型更加復雜，更加非線性化。物料衡算酶催化反應動力學方程：米式方程微生物生長動力學方程：Monod方程反應器模型：全混式、平推流式58生物反應器的放大經驗放大法因次分析法時間常數法數學模擬法59經驗放大法幾何相似放大以單位體積液體中攪拌功率相同放大以單位培養液體積的空氣流量相同的原則放大以空氣線速度相同的原則放大以KLa相同的原則放大攪拌器葉尖速度相同的原則放大混合時間相同的原則放大60數學模擬放大法61減壓式反應器用于生物催化反應中易揮發產物的在線去除

Wei

Dongzhi*,Yuying,BiocatalysisandBiotransformation,2003,21(3)135-139.

62生物催化合成油酸乙基葡萄糖苷酯減壓式反應器用常規反應器用63實驗進展反應器設計酯化反應器6464循環式反應器1攪拌罐2柱塞泵3固定化酶柱6566

固定床式反應器

1攪拌罐2柱塞泵3固定化酶柱（卷成筒狀）4硅膠柱6768固定床式反應器

6869兩種放大反應器的比較:固定床反應器攪拌式反應器697071固定化細胞反應器7273747576777879固定化細胞的應用8081828384858687理想的酶反應器的要求生物反應器設計的主要目標：使產品的質量最高，生產成本最低。評價生物反應器的主要標準：反應器生產能力的大小和產品質量的高低。(1)所用生物催化劑應具有較高的比活和酶濃度（或細胞濃度），才能得到較大的產品轉化率。(2)能用電腦自動檢測和調控，從而獲得最佳的反應條件。(3)應具有良好的