微生物工程工藝與設(shè)備：生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)

1、生物制藥工程設(shè)備,生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ),生物反應(yīng)器(Bioreactor),生物反應(yīng)器(Bioreactor),生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ),生物反應(yīng)器的設(shè)計必須以生物體為中心，除了考慮反應(yīng)器的傳熱、傳質(zhì)等性能外，還需要了解生物體的生長特性和要求，如選擇適宜的生物催化劑(產(chǎn)物在生物反應(yīng)的哪一階段大量生成、pH、溫度、溶氧、染菌、剪切力、凝聚等)。 要求設(shè)計者：既有化學(xué)工程的知識，又有生物學(xué)的基礎(chǔ)。,生物反應(yīng)的目的,生產(chǎn)細胞； 收集細胞的代謝產(chǎn)物； 直接用酶催化得到所需產(chǎn)物。,提綱,第一節(jié) 生物反應(yīng)器的基本工程概念 第二節(jié) 理想反應(yīng)器 第三節(jié) 生物反應(yīng)器的計算基礎(chǔ) 第四節(jié) 生物反應(yīng)器的化學(xué)計量基礎(chǔ) 第五節(jié)

2、生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ) 第六節(jié) 生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞 第七節(jié) 生物反應(yīng)器的熱量傳遞 第八節(jié) 生物反應(yīng)器的剪切力問題,第一節(jié) 生物反應(yīng)器的基本工程概念,一 生物反應(yīng)器的類型,生物反應(yīng)器的定義： 1、利用生物催化劑進行生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的反應(yīng)裝置稱為生物反應(yīng)器。 2、生物反應(yīng)器是生物化學(xué)反應(yīng)得以進行的場所。,分類,生物反應(yīng)器的型式和操作方式,二、生物反應(yīng)器設(shè)計與開發(fā),該怎么設(shè)計呢？,管式？ 罐式？,連續(xù)？ 半連續(xù)？,。,酶？ 細胞？,工業(yè)反應(yīng)器,膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor）,美國Envirogen公司,工業(yè)反應(yīng)器,100 m3 不銹鋼分批式啤酒發(fā)酵罐 (美國Paul Mu

3、eller公司),工業(yè)反應(yīng)器,印度浦那的發(fā)酵工廠 (Shri Samarth Engineering Pvt公司),工業(yè)反應(yīng)器,動物細胞生物反應(yīng)器 (美國Sartorius公司),工業(yè)反應(yīng)器,工業(yè)反應(yīng)器,(一) 設(shè)計內(nèi)容,(一) 設(shè)計內(nèi)容,在設(shè)計生物反應(yīng)器時，除了與一般的化學(xué)反應(yīng)器相同的地方之外，還要考慮一些特殊需要。如微生物和動植物細胞都容易受到雜菌的污染，因此，防止染菌是生物反應(yīng)器設(shè)計必須考慮的一個重要因素；應(yīng)盡量少用法蘭連接，多采用焊接連接反應(yīng)器內(nèi)要保持一定的正壓，避免大氣漏入等。,(二) 設(shè)計目標(biāo),（三）設(shè)計和操作的限制因素,生物反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素,（四） 開發(fā)趨勢和方向,（四）

4、 開發(fā)趨勢和方向,如何解決傳質(zhì)和傳熱的問題 建立描述生物反應(yīng)器過程的各種數(shù)學(xué)模型，以生物反應(yīng)為研究對象，將其中的生物反應(yīng)分解為生化反應(yīng)、傳質(zhì)過程、流體流動及混合等分過程，分別進行研究，然后聯(lián)立求解動力學(xué)方程、物料及熱量衡算式，從而得到所研究的生物反應(yīng)過程規(guī)律的解析表達式，獲得較精確的反映過程本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，以便于過程的自動化控制、優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計與放大。 大型化：生產(chǎn)成本降低，但還存在一定的技術(shù)問題需要解決。,第二節(jié) 理想反應(yīng)器,第二節(jié) 理想反應(yīng)器,生物反應(yīng)器型式多樣，但從結(jié)構(gòu)和操作來分析，有間歇、連續(xù)、管式等基本型式。這幾種反應(yīng)器內(nèi)物料的流動狀況具有典型性。 間歇式反應(yīng)器：一次投入，一次放出

5、。細胞在罐內(nèi)完成其生長周期。底物濃度和反應(yīng)速度隨時間變化。發(fā)酵周期長，設(shè)備利用率低。 連續(xù)式反應(yīng)器：不斷流加，不斷排出。細胞維持在優(yōu)化狀態(tài)，底物濃度和反應(yīng)速度不隨時間變化。縮短發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率。 管式反應(yīng)器：一端加入，另一端排出。反應(yīng)物沿流動方向前進，反應(yīng)時間是管長的函數(shù)，底物濃度和反應(yīng)速度沿流動方向逐漸降低。而在管內(nèi)的任一點濃度和速度不隨時間改變。,一 返混與停留時間分布,-連續(xù)操作反應(yīng)器的有效容積VA與通過反應(yīng)器的體積流量F的比值，即VA /F。 -連續(xù)反應(yīng)器中，同時進入反應(yīng)器的物料粒子，有的很快從出口流出，有的經(jīng)過很長時間才從出口流出，停留時間有長有短，形成一定的分布，稱為停留時

6、間分布。（年齡分布、壽命分布） -反應(yīng)器中停留時間不同的料液之間的混和。,停留時間分布,平均停留時間,返混,(一) 年齡分布與返混,停留時間分布有兩種：一種是對反應(yīng)器內(nèi)的物料而言的，稱為器內(nèi)年齡分布；另一種是對反應(yīng)器出口的物料而言的，稱為出口年齡分布，也稱為壽命分布。 (1) 年齡分布：從物料進入反應(yīng)器的瞬間開始計算，到所考慮的瞬間為止。不同物料的粒子有不同的年齡，它們混合在一起，其年齡形成一定的分布，即年齡分布。,(一) 年齡分布與返混,返混是不同年齡的物料粒子混合的現(xiàn)象，是時間概念上的混合，與一般意義的物料混合含義不同。 有返混必然存在停留時間分布；反之沒有停留時間分布，就不存在返混。 在

7、間歇操作中，反應(yīng)器內(nèi)在強烈的攪拌作用下使其中各處物料混合均勻，由于物料使一次性加入和一次性放出，所以不存在返混現(xiàn)象。 在連續(xù)管式反應(yīng)器中，雖然在層流流動時粒子之間互不干擾，但因管中心粒子流速最大，停留時間最短，靠近管壁的粒子流速小，停留時間長，造成流速不均，就會產(chǎn)生停留時間分布，引起返混。 返混是連續(xù)操作反應(yīng)器中特有的現(xiàn)象。,(一) 年齡分布與返混,(2) 壽命分布：從進入反應(yīng)器的瞬間開始計算年齡，到考慮的時間為止，在反應(yīng)器出口的物料粒子所形成的分布，稱為壽命分布。 年齡分布和壽命分布之間存在一定的關(guān)系，已知其中一種分布，即可求出另一種分布。由于反應(yīng)器內(nèi)的物料容積大，取樣難以代表整個反應(yīng)器的情

8、況，所以一般都是通過實驗測定壽命分布。,(二) 返混產(chǎn)生的原因,返混的影響,由于返混，物料粒子的停留時間長短不一，停留時間短，則粒子過早離開反應(yīng)器，而停留時間長的粒子可能進一步稱為副產(chǎn)物。所以總的來說，返混會造成產(chǎn)品收率和質(zhì)量降低。,二 停留時間分布的測定,設(shè)備中的返混現(xiàn)象可以通過簡單的實驗來觀察。 在處于正常流動下的反應(yīng)器進口處瞬間加入少量某種示蹤劑(輸入信號)，與此同時，在反應(yīng)器出口處連續(xù)或間斷測定該示蹤劑的濃度(輸出信號)。這種方法稱為脈沖示蹤法。實驗測定的結(jié)果是 分布,壽命,二 停留時間分布的測定,示蹤劑：有色物質(zhì)、電解質(zhì)、放射性物質(zhì)等。要求不能對流動狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，不參與反應(yīng)、不揮

9、發(fā)、不沉淀、物料容易守恒，還要容易測定。 示蹤劑的輸入方法： 脈沖輸入 階躍輸入 周期輸入 隨機輸入,二 停留時間分布的測定,示蹤劑輸入方法：,二 停留時間分布的測定,流動反應(yīng)器返混性能測定裝置,二 停留時間分布的測定,停留時間分布函數(shù)F(t)：在穩(wěn)定連續(xù)流動系統(tǒng)中，同時進入反應(yīng)器的N個流體粒子中，其停留時間小于t的那部分粒子占總粒子數(shù)N的分率。 F(t) = C(t)/C* 停留時間分布密度函數(shù)E(t)：在穩(wěn)定連續(xù)流動系統(tǒng)中，同時進入反應(yīng)器的N個流體粒子中，其停留時間為tt+dt的那部分粒子占總粒子數(shù)N的分率為E(t)dt。其中E(t)稱為停留時間分布密度函數(shù)。 E(t) = dF(t)/d

10、t,二 停留時間分布的測定,停留時間分布函數(shù)曲線,二 停留時間分布的測定,停留時間分布密度函數(shù)曲線,二 停留時間分布的測定,停留時間分布密度函數(shù)。,二 停留時間分布的測定,停留時間分布密度函數(shù)。 部分示蹤劑在平均停留時間之前已經(jīng)排出反應(yīng)器。,無返混,二 停留時間分布的測定,測定停留時間分布可描述返混程度的大小。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和大小都導(dǎo)致不同的停留時間分布。根據(jù)停留時間分布的曲線，可以推斷反應(yīng)器內(nèi)的流動情況，分析設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式與操作條件是否合適，以便制定改進措施。所以，停留時間分布是連續(xù)反應(yīng)器設(shè)計和放大中必須考慮的因素之一。,二 停留時間分布的測定,非理想流動的停留時間分布曲線,二 停留時間分

11、布的測定,脈沖法實驗數(shù)據(jù)。,三、理想反應(yīng)器模型,根據(jù)停留時間分布曲線，用數(shù)學(xué)方程來描述物料在實際反應(yīng)器中的流動情況，并對反應(yīng)器進行計算，從理論上來說是完全可行的。但其數(shù)學(xué)方程十分復(fù)雜，求解十分困難，不實用。 從工程實際應(yīng)用出發(fā)，通常對反應(yīng)器內(nèi)的流動狀況進行合理的簡化。假定反應(yīng)器內(nèi)物料是按某種模式流動的，這種模式既能基本反映物料的實際流動狀況，又要能比較簡便地進行數(shù)學(xué)計算，這種合理的簡化模式稱為流動模型。 在分析和計算實際反應(yīng)器時，用對模型的分析和計算去代替實際反應(yīng)器的分析和計算的處理方法叫做數(shù)學(xué)模型法。,三、理想反應(yīng)器模型,物料在實際反應(yīng)器內(nèi)的流動狀況。,三、理想反應(yīng)器模型,平推流模型： 流體

12、通過細長管道時，在于流動方向垂直截面上，各粒子流速完全相同，就像活塞推過去一樣，故稱為平推流，也稱為活塞流。 流體粒子在流動方向上沒有混合與擴散，所以，同時進入反應(yīng)器的粒子將同時離開反應(yīng)器，即物料粒子的停留時間都是相同的，即返混為零。微生物或酶濃度和培養(yǎng)基組成是所處位置的函數(shù)。,三、理想反應(yīng)器模型,平推流模型： 流型為平推流的反應(yīng)器稱為平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器(plug flow reactor, PFR)。 均勻細長的管式反應(yīng)器，當(dāng)雷諾數(shù)很大時，流型接近平推流； 長徑比大且流速高的固定床反應(yīng)器一般也可以用這個理想模型來近似模擬。,三、理想反應(yīng)器模型,平推流模型的停留時間分布,三、理想反應(yīng)器

13、模型,全混流模型。 新鮮物料一進入反應(yīng)器就立即均勻分散到整個反應(yīng)器內(nèi)，與反應(yīng)器內(nèi)原有物料能在瞬間達到完全混合，且能在出口同時檢測到新加入的粒子。 反應(yīng)器中所有料液都達到充分混合，即返混無窮大，微生物或酶濃度和培養(yǎng)基組成各點相同，也與出口同，在穩(wěn)態(tài)下不隨時間變化。 相應(yīng)的反應(yīng)器為連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor, CSTR)，又稱為全混流反應(yīng)器(簡稱全混釜)。,三、理想反應(yīng)器模型,全混流模型的停留時間分布,三、理想反應(yīng)器模型,完全不返混和完全返混的兩種極端流動稱為理想流動，相應(yīng)的反應(yīng)器稱為理想反應(yīng)器。 在實際反應(yīng)器中的流動往往或多或少偏離理想流動

14、，稱為非理想流動。 非理想流動的主要特征：反應(yīng)器內(nèi)流體的停留時間分布介于理想流動的二者之間。,實際的反應(yīng)器模型和理想反應(yīng)器模型,非理想流動的停留時間分布,非理想流動的停留時間分布,非理想流動的停留時間分布,存在溝流,非理想反應(yīng)器模型,軸向擴散模型：當(dāng)實際與平推流偏離不大，即有返混但返混程度不大時，對平推流模型做較小的修正而得到的模型。這種模型認(rèn)為流體之所以偏離平推流而出現(xiàn)返混是由于分子擴散作用而引起的，相當(dāng)于在平推流的主體上疊加一個反方向擴散。擴散可用費克定律描述： 負(fù)號表示擴散與主流方向相反，D越大，返混越大。,非理想反應(yīng)器模型,多釜串聯(lián)模型：對于偏離全混流模型較小的實際流型，常用多釜串聯(lián)模

15、型來描述。該模型假設(shè)一個實際設(shè)備中的返混情況等于若干個等容積全混釜串聯(lián)時的返混。模型中串聯(lián)的釜數(shù)N是虛擬的，不一定是整數(shù)。N個釜的總?cè)莘e等于實際反應(yīng)器的總?cè)莘e，所以每個虛擬釜中的停留時間為實際反應(yīng)器停留時間的1/N。,第三節(jié) 生物反應(yīng)器的計算基礎(chǔ),一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),（一）反應(yīng)器的 時空()。 分批反應(yīng)器中和活塞流反應(yīng)器中所有物料的停留時間相同，且等于反應(yīng)時間，且容易求出；全混反應(yīng)器的情況不同，常用平均停留時間(時空)來表示。定義：,一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),時空的倒數(shù)稱為空速(space velocity, SV)： SV表示單位時間內(nèi)能夠處理相當(dāng)于幾倍反應(yīng)器容積的物料。 越小，SV越

16、大，表明反應(yīng)器效率越高。,一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),（二）轉(zhuǎn)化率(x)：反應(yīng)器內(nèi)供給底物發(fā)生轉(zhuǎn)化的分率。 對間歇操作： 對連續(xù)操作：,一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),反應(yīng)器生產(chǎn)率(Pr)：也稱為生產(chǎn)能力，是單位反應(yīng)器容積單位時間內(nèi)所產(chǎn)的產(chǎn)物量。單位是kmol/(m3 s)。 對間歇操作： 對連續(xù)操作：,一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),反應(yīng)能力(CR)：對酶促反應(yīng)來說，其反應(yīng)能力的單位為kmol/s。,一 反應(yīng)器設(shè)計與操作參數(shù),選擇性(Sp)： 實際轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物量與全部底物的理論量之比。當(dāng)反應(yīng)過程中有副反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生副產(chǎn)物時，通常使用這個概念。,二 間歇反應(yīng)器的計算,物料衡算式是反應(yīng)器計算的基本方程式。通

17、常是對物料中的某一組分進行物料衡算。 無論對連續(xù)系統(tǒng)還是間歇系統(tǒng)，物料衡算均可用下式表示： 對間歇反應(yīng)器來說，反應(yīng)過程無物料加入與排出：,二 間歇反應(yīng)器的計算,即： 對液體反應(yīng)VR=常數(shù)，故： 上式也可以寫成： 上式是間歇反應(yīng)器設(shè)計的基本方程式。對于間歇反應(yīng)器的生產(chǎn)周期，還應(yīng)考慮輔助時間(包括進料、出料、清洗、滅菌等)。,三 平推流反應(yīng)器的計算,平推流反應(yīng)器在流動方向上沒有返混，所有物料的停留時間相同，在同一截面上物料組成不隨時間變化，但隨物料流動方向而改變。由于底物濃度在反應(yīng)器軸向長度上是變化的，因此須取反應(yīng)器中某一微元容積dV來作物料衡算。,三 平推流反應(yīng)器的計算,即： 對整個反應(yīng)器而言：

18、 上式為平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程式。,比較間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器,比較兩種反應(yīng)器的設(shè)計方程式可知，對恒容過程而言，平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程與間歇反應(yīng)器完全一樣。即在對同一反應(yīng)達到相同的反應(yīng)程度時，底物在管式反應(yīng)器內(nèi)停留于間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間是相同的。所以，可以用間歇反應(yīng)器中的試驗數(shù)據(jù)進行管式反應(yīng)器的設(shè)計與放大。 二者結(jié)構(gòu)型式不同，物料流動情況也有根本的區(qū)別，但基礎(chǔ)設(shè)計方程卻有相同的形式。這是因為物料在這兩種反應(yīng)器中都沒有返混。,比較間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器,在間歇反應(yīng)器中，底物濃度隨時間而變化；在管式反應(yīng)器中，底物濃度隨空間而變化。 就反應(yīng)本身而言，間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器所需要的有效容積相同。

19、 間歇反應(yīng)器存在輔助時間和裝料系數(shù)，所以需要的總?cè)莘e比管式反應(yīng)器要大。因此，對反應(yīng)時間短、輔助時間相對較長的反應(yīng)來說，選用管式反應(yīng)器比較合適；而在生化反應(yīng)中，反應(yīng)時間一般都比較長，且通常反應(yīng)存在氣-液-固三相，常采用間歇反應(yīng)器。,四 全混流反應(yīng)器的計算,全混流反應(yīng)器也稱為恒化器。穩(wěn)態(tài)下的全混流反應(yīng)器物料衡算如下： 即： 上式為全混流反應(yīng)器的基礎(chǔ)計算式。,生物反應(yīng)器的計算,從三中理想反應(yīng)器設(shè)計的基本計算式可以看出：要想求出反應(yīng)時間t(或)，就必須知道有關(guān)的反應(yīng)速率r方程。生化反應(yīng)的r大多是很難知道的，因此多數(shù)生化反應(yīng)的反應(yīng)時間還需要通過小試、中試來求得。 對于酶催化反應(yīng)，可用米氏方程或其衍生的酶

20、動力學(xué)模型，通過實驗測定相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)解出r。,第四節(jié) 生物反應(yīng)器的化學(xué)計量基礎(chǔ),化學(xué)計量是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵之一，它為過程中使用的介質(zhì)的合理設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)。 結(jié)合質(zhì)量衡算，它可用于判斷過程運行好壞和計算難以直接測量的簡介參數(shù)。 化學(xué)計量的基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。,進行化學(xué)計算之前，先列出生化反應(yīng)的方程式。,碳平衡：,氮平衡：,氧平衡：,氫平衡：,如果知道得率，所需的氨量、氧量、CO2和水都可以由這些方程算出。同樣地，通過進氣、排氣和氮消耗量的測量有助于確定得率。,維持：保持細胞處于有序狀態(tài)、補償系統(tǒng)中熵的產(chǎn)生、避免造成細胞死亡的平衡狀態(tài)中花費的能量。 假設(shè)生成能量的基質(zhì)部分與生長相關(guān)，部分與生

21、長無關(guān)，而是取決于當(dāng)前系統(tǒng)中生物量的大小，則有：,YXS隨比生長速率的增加而增加，如果忽略等式右邊第二項，得率將為最大值。,對于方程：,如果方程兩邊都乘以，可以得到基質(zhì)消耗的線性方程：,也稱為基質(zhì)消耗的比速率:, = ,如果把產(chǎn)物形成時的生物量合成也考慮進來，則有：,基質(zhì)消耗用于兩個甚至三個獨立反應(yīng)，因此把發(fā)酵過程作為黑箱的生化反應(yīng)方程式所列的簡單組合不能完全表達整個生物反應(yīng)過程。 在不同生長階段，細胞內(nèi)的基因表達和代謝途徑發(fā)生改變，因此化學(xué)計量也發(fā)生改變，相同的化學(xué)計量關(guān)系在整個生長和產(chǎn)物形成過程中不能保持一致。 即便如此，生化反應(yīng)的化學(xué)計量學(xué)在工業(yè)操作范圍內(nèi)仍表現(xiàn)得相當(dāng)準(zhǔn)確，對于反應(yīng)器的設(shè)計是非常有用的。,第五節(jié) 生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ),生物量、基質(zhì)、產(chǎn)物濃度等關(guān)鍵生物參數(shù)的動力學(xué)模型，對于生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化是必須的。 環(huán)境參數(shù)(如pH、溫度、化學(xué)成分等)如何影響系統(tǒng)的動力學(xué)。 在某些情況下，利用簡單的模型(非結(jié)構(gòu)模型)就足以進行系統(tǒng)設(shè)計，但在其它情況下，采用結(jié)構(gòu)模型或隔離模型更有優(yōu)勢，如在通過誘導(dǎo)和抑制描述酶合成。 詳細的代謝模型可以克服代謝的瓶頸：重組細胞模型解釋質(zhì)粒穩(wěn)定性；哺乳動物細胞模型區(qū)分細胞總數(shù)中的活細胞數(shù)；細胞分布