第五章间歇式操作反应器5.1生物反应器设计概论5.1.1分类与特征按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶反应器；细胞生物反应器根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器根据生物催化剂在反应器的分布方式：生物团块反应器；生物膜反应器根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型．即全混流和平推流。根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、膜式等。根据反应器所需能量的输入方式不同来分，则有机械搅拌、气流搅拌和利用泵使液体强制循环的反应器。(几种常见的酶反应器和细胞反应器，见教材)5.1.2基本设计方程生物反应器设计的主要目标是寻求反应目的产物的高生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。生物反应器设计的基本内容包括：①选择合适的反应器型式与操作方式。即根据生物催化剂和生物反应动力学特征，以及物料的特性和生产工艺特点，选择合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件；②确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通气量、物料流量等工艺参数；③计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积！反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。5.2间歇式操作反应器的设计5.2.1间歇式操作的特点非稳态过程所有物料具有相同的停留时间和反应时间随着反应的进行，反应器的效率将降低优点①较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应装置，可进行多品种的生产。②较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用具有间歇操作特征的大容量生物反应器。③分批进行的过程染菌率较低。缺点间歇操作反应器的缺点是：这种操作需要一定的辅助操作时间，生产效率较低；细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成速率与反应时间有关；下游产物分离必须分批进行等。5.2.2反应时间的计算对液相反应．如反应器有效体积不随时间发生变化，则有反应组分的转化率=-反应组分的累积速率5.2.2.1均相酶反应过程当cs0<>Km时，即反应呈零级反应特征时:5.2.2.3细胞反应过程5.2.2.4最优化反应时间的计算例如对均相酶反应，假定其动力学符合M—M方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：5.2.3有效体积的计算举例5-2t=tr+tbVR=V0(tr+tb)一．牛顿型流体式中:τ－F/A流体剪切应力，N/m2－/流体的粘度,Pa·s－du/dy流体速度梯度,s-1切变率气体、低分子液体常为牛顿型流体表观黏度5.3反应过程的流体力学5.3.1反应介质的流变特性二．非牛顿型流体1拟塑性流体（假塑性流体）流动特性表达式：＝Kn(01)；n值越大，流体的非牛顿特性越明显。3宾汉(Bingham)塑型流体流动特性表达式:＝0＋式中:0－屈服应力；－刚度系数特点：当<0时，流体不发生流动。4凯松(Casson)流体流动特性表达式：0.5＝00.5＋Kc0.5Kc－凯松粘度总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给工艺过程控制与设备放大带来困难。在微生物反应过程中，随着细胞浓度和形态的变化、发酵液里营养物质的消耗和代谢产物的积累，以及补料操作等等，都会使发酵液流动模型中的参数发生明显的变化，表现出明显的时变性。下图是金色链霉菌发酵液的稠度系数K和流动特性指数n随发酵时间的变化情况。5.3.2影响流变性质的因素当发酵液中的颗粒呈球形或接近球形，且其浓度较低时，悬浮液一般为牛顿流体，其粘度可根据Einstein公式计算：s=L(1+2.5)式中：s－悬浮液粘度；L－悬浮液中纯液相粘度；－颗粒的体积分率。当颗粒所占的体积分率较大时，可按下式计算。s=L(1+2.5+7.352)5.3.3流体的剪切作用5.3.3.1机械搅拌的剪切力（1）积分剪切因子图5-12浆叶附近的速度分布与切变速率估计叶尖壁面对于处于较高雷诺数(ReM>>625)的反应器系统．这时可得df／d＝0.625（2）时均切变率（3）Kolmogoroff(柯尔莫戈罗夫)漩涡长度5.3.3.2气流搅拌的剪切力图5-16气泡在鼓泡反应器中的经历5.4生物反应器中的氧传递氧的特性：氧是一种难溶气体，25℃和1大气压时，空气中的氧在纯水中的平衡浓度仅8.5g/m3，由于盐析作用，<8g/m3，仅是葡萄糖的1/6000。氧是构成细胞及其代谢产物的组分,通过体内糖、脂肪等生物氧化获得生命活动所需的能量。5.4.1气相间氧的传递与反应一．几个基本概念①溶解氧浓度CL单位体积液体中可溶解氧的量②比耗氧速率(呼吸强度)QO2：单位质量的细胞(干重)在单位时间内所消耗氧的量(molO2/kg·s)③摄氧率r：单位体积培养液在单位时间内所消耗氧的量(molO2/m3·s)r=QO2·X其中：X－细胞浓度二．影响细胞耗氧速率的因素营养物质的种类和浓度、培养温度、pH、有害代谢物的积累、挥发性中间代谢物的损失等等。三.氧的传递过程(1)气相扩散到气-液界面阻力R1;(2)通过气液界面的阻力R2;(3)通过滞流区的阻力R3;(4)液相传递阻力R4;(5)细胞团外液膜阻力R5;(6)液体与细胞团界面阻力R6;(7)细胞之间的扩散阻力R7;(8)进入细胞的阻力R8在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递过程的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各步单位面积上氧的传递速率相等四．氧传递速率方程当气液界面不存在表面活性物质时，界面阻力(R2)可忽略，主要传递阻力存在于气膜和液膜。氧传递达到稳态时：式中：ci－气液界面氧浓度(mol/m3)；c－液相主体氧浓度；c*－为与p平衡的氧浓度；kL、kG－分别为液膜与气膜传递系数；H－亨利常数；KL－以液膜为基准的总传质系数。对于易溶气体，如氨气溶于水中时，液膜的传质阻力相对于气膜可忽略对于难溶气体，如氧气溶于水中时，气膜的传质阻力相对于液膜可忽略两别同时乘以a(单位体积反应液中气液比表面积)kLa------体积传质系数五．氧传递对细胞生长的影响氧的传递速率与氧的消耗速率的关系六．最低溶氧浓度5.4.2影响氧传递的因素(1)饱和溶解氧浓度(2)液膜传质系数(3)气液比表面积一、亚硫酸氧化法为非培养状态下测定kLa的方法O2+2Na2SO3→2Na2SO45.4.3体积传质系数的测定二、动态法当停止通风时，有：下降到一定程度，恢复通风：当气泡直径小于2.5mm时：其中：Δρ—液体与气体密度差；μ、ρ—液体的粘度、密度5.4.4体积传质系数kLa的计算当气泡直径大于2.5mm时：例5-45.5机械搅拌反应器的结构与计算5.5.1反应器结构与操作参数（1）基本结构与尺寸全挡板（即在搅拌罐中再增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，基本不形成涡流）条件：（2）搅拌器的类型与特征（3）通气速率与搅拌速度转速增加通气速率增加涡流可以通过挡板的安置消除，但挡板会增加功率消耗。经实验证实：在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数y为零，(Fr)y＝1。5.5.2搅拌功率的计算Np—搅拌功率特征数；ReM—搅拌雷诺数；Fr-搅拌弗鲁特数；K-与搅拌器的形式和反应器几何尺寸相关的常数。在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时y=0，Np仅是搅拌雷诺准数的函数。当搅拌雷诺准数小于10，x=-1，液体处于滞流状态，Np=KR-1em当搅拌雷诺准数大于104，液体处于湍流状态，Np=K，即当不满足以上条件时，需做出修正：P*=fP带*号表示实际搅拌设备情况。当有多层搅拌器，功率为：Pm=P[1+0.6(m-1)]=P(0.4+0.6m)其中，m为搅拌器的层数。通风状态下，搅拌功率将发生变化，此时引入通风准数Na.其中，Qg为通风量[m3/min]。5.6反应过程的传热特性5.6.1反应过程的传热5.6.1.1过程的热量衡算QE=QB+QA-QS-QV-QR其中：QB---生物反应热，J/(m3·s)；QA---搅拌造成的放热速率，J/(m3·s)；QS---通气带出的显热，J/(m3·s)；QV---蒸发热，J/(m3·s)；QR---反应液对环境的辐射热，J/(m3·s)；例5-55.6.1.2过程的热量衡算
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