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1、w生物技术是生物化学、微生物学以及工程科生物技术是生物化学、微生物学以及工程科学的综合，目的是对生物有机体的所有能力学的综合，目的是对生物有机体的所有能力进行工业应用。这些有机体包括微生物，体进行工业应用。这些有机体包括微生物，体外培养状态下的生物组织细胞及其部分酶。外培养状态下的生物组织细胞及其部分酶。简言之，生物技术是对生物物质有控制的应简言之，生物技术是对生物物质有控制的应用。用。大规模培养生物有机体大规模培养生物有机体是生物技术的核是生物技术的核心。心。生物反应器（Bioreactor）w定义：是人们对生物有机体进行有控制的培定义：是人们对生物有机体进行有控制的培养以生产某种产品或进行
2、特定的反应的容器。养以生产某种产品或进行特定的反应的容器。w生物反应器这一术语出现的时间并不长，但人们利生物反应器这一术语出现的时间并不长，但人们利用生物反应器进行有用物质的生产却有着悠久的历用生物反应器进行有用物质的生产却有着悠久的历史。古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把史。古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化成乳酪。这是传统的乳酪生产方法，而牛牛奶转化成乳酪。这是传统的乳酪生产方法，而牛胃便是原始状态的生物反应器胃便是原始状态的生物反应器 。活性物质是凝乳酶，。活性物质是凝乳酶，它催化牛奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为它催化牛奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为乳酪乳
3、酪w发酵罐（发酵罐（Fermenter）（无氧发酵容器）（无氧发酵容器）w有氧发酵、对生物在反应器内的培养过程也常称有氧发酵、对生物在反应器内的培养过程也常称为发酵过程。为发酵过程。w20世纪世纪70年代年代 厌氧发酵罐厌氧发酵罐w生化反应器（生化反应器（biochemical reactor） 有氧发酵罐有氧发酵罐w 生物学反应器（生物学反应器（biological reactor） 酶反应器等酶反应器等 w 废水生物处理反应器废水生物处理反应器 w20世纪世纪80年代年代w生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一个标准名称个标准名称w 传统发
4、酵罐传统发酵罐w 酶反应器等酶反应器等w 固定化酶和细胞反应器固定化酶和细胞反应器w 动植物细胞培养反应器动植物细胞培养反应器一般生化一般生化反应过程反应过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物 由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值了。因此，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，它对产品的成本和质量有很大影响。 第一节
5、生物反应器原理质量传递质量传递剪切力剪切力培养液的流变学性质培养液的流变学性质生物反应器的混合生物反应器的混合一、生物反应器中的质量传递w 质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时，质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时，反应速率不但与化学因素有关而且与物理因素也有关。反应速率不但与化学因素有关而且与物理因素也有关。质量传递与化学因素交织在一起，极大地影响着生物反质量传递与化学因素交织在一起，极大地影响着生物反应器内的实际反应速率。应器内的实际反应速率。w 生物反应器内质量传递主要为气生物反应器内质量传递主要为气-液传递和液液传递和液-固传递。固传递。气气-液传递主要是好氧发酵过程中的氧
6、传递以及二氧化碳液传递主要是好氧发酵过程中的氧传递以及二氧化碳的释放，而液的释放，而液-固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、固定化细胞、生物膜、絮凝细胞的过程。固定化细胞、生物膜、絮凝细胞的过程。混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度区域方向迁移的过程区域方向迁移的过程 .与与动量传递、热量传动量传递、热量传递递并列为三种并列为三种传递传递过程。质量传递可以在一过程。质量传递可以在一相内进行，也可能在相际进行。相内进行，也可能在相际进行。 w1、气液传质、气液传质w 生物反应器中的气液传质包括好氧发酵中气体主流中生物
7、反应器中的气液传质包括好氧发酵中气体主流中的氧到液相主流的传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳的氧到液相主流的传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳的排除等。大多数微生物发酵过程为好氧的，而且氧在水溶的排除等。大多数微生物发酵过程为好氧的，而且氧在水溶液中的溶解度很低，要维持发酵中正常的氧代谢必须在过程液中的溶解度很低，要维持发酵中正常的氧代谢必须在过程中始终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发中始终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发酵中是限制性步骤。酵中是限制性步骤。w2、液固传质、液固传质w当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程的当生物反应体系中存在固相时，
8、反应速率受液固传质过程的影响，与游离状态的反应速率是不同的，限制性传质步骤往影响，与游离状态的反应速率是不同的，限制性传质步骤往往不是气液传质而是液固传质。往不是气液传质而是液固传质。w过程：过程：（1）反应底物从液相主体通过颗粒周围的液膜扩散到达颗粒）反应底物从液相主体通过颗粒周围的液膜扩散到达颗粒表面；表面；（2）从颗粒表面通过颗粒内的微孔扩散到达颗粒内表面上的）从颗粒表面通过颗粒内的微孔扩散到达颗粒内表面上的酶活位或细胞表面；酶活位或细胞表面；（3）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物；）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物；（4）产物从颗粒内部通过微孔扩散到颗粒表面；）产物
9、从颗粒内部通过微孔扩散到颗粒表面；（5）从颗粒表面通过液膜扩散到液相主体。）从颗粒表面通过液膜扩散到液相主体。二、培养液流变学性质 黏黏度度对对不不同同过过程程的的影影响响w发酵液的流变学性质直接影响生物反应器的整体混合行为，各种传质过发酵液的流变学性质直接影响生物反应器的整体混合行为，各种传质过程和热传递；进而影响微生物反应的周期和产出，影响传感器的响应和程和热传递；进而影响微生物反应的周期和产出，影响传感器的响应和可靠性，对产品的分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指可靠性，对产品的分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指示发酵状态，可用于过程检测和控制。示发酵状态，可用于过
10、程检测和控制。w 一般接种前的培养基的流变学性质类似于水，随着发酵的进行，其一般接种前的培养基的流变学性质类似于水，随着发酵的进行，其性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利的，这种变化是由生物体性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利的，这种变化是由生物体的增加和大分子产物的积累造成的。的增加和大分子产物的积累造成的。w流变学性质通过影响流体的流动特性而影响传质和传热，从而影响生物流变学性质通过影响流体的流动特性而影响传质和传热，从而影响生物化学反应和细胞的新陈代谢，即反应器生态系统中的流变学影响甚至决化学反应和细胞的新陈代谢，即反应器生态系统中的流变学影响甚至决定其内部的生物反应动力学。定
11、其内部的生物反应动力学。液体在外加剪切液体在外加剪切力力 作用下所产作用下所产生的流变特性。生的流变特性。w1、流体的流变学分类w流变学常用流变学常用黏度黏度（对流动的抗性）、（对流动的抗性）、流动行为流动行为（黏度和剪（黏度和剪切率的关系）和切率的关系）和屈服应力屈服应力（产生静液流需要的力）等术语（产生静液流需要的力）等术语来表述。液体流变性通常根据下式进行分类：来表述。液体流变性通常根据下式进行分类：w =0+ k（）n （幂定律方程）（幂定律方程）w所施的剪切力，所施的剪切力， 产生的剪切率，产生的剪切率，0屈服应力，屈服应力，k是幂定是幂定律常数或黏度系数，律常数或黏度系数，n为幂定
12、律指数或流动特性指数为幂定律指数或流动特性指数w牛顿型流体牛顿型流体 ：符合牛顿黏性定律的流体：符合牛顿黏性定律的流体w当当n=1，0=0 w=（牛顿黏性定律）（牛顿黏性定律）w非牛顿型流体非牛顿型流体（ 与与 之比不是常数）根据其比值不同又可之比不是常数）根据其比值不同又可分为以下几类：分为以下几类：wA、宾汉（、宾汉（Bingham）塑性流体）塑性流体 w =0+w（0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）w例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液wB、拟塑性（、拟塑性（Pseudopla
13、stic）流体）流体w= k（）n 0n1wn越大，流体的非牛顿型特性越显著越大，流体的非牛顿型特性越显著w例如：链霉素，四环素和卡那霉素的发酵过程中，接种后例如：链霉素，四环素和卡那霉素的发酵过程中，接种后的一段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大的颜料悬浮的一段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大的颜料悬浮液液wD、凯松流体（、凯松流体（Casson body）w =0 + kc（） w例如：例如： kc为凯松黏度。油墨、融化的巧克力、血液、酸酪为凯松黏度。油墨、融化的巧克力、血液、酸酪等；等； 青霉素发酵液；对丝状菌悬浮液，凯松方程常常比幂青霉素发酵液；对丝状菌悬浮液，凯松方程常常比幂定律方
14、程更为适用定律方程更为适用产物产物微生物微生物发酵液流变特性发酵液流变特性制霉菌素制霉菌素青霉素青霉素青霉素青霉素青霉素青霉素链霉素链霉素新生霉素新生霉素卡那霉素卡那霉素曲古霉素曲古霉素曲古霉素曲古霉素非洛霉素非洛霉素诺尔斯氏链霉菌诺尔斯氏链霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌灰色链霉菌灰色链霉菌雪白链霉菌雪白链霉菌卡那霉素菌卡那霉素菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌牛顿性流体牛顿性流体拟塑性流体拟塑性流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体涨塑性流体涨塑性流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体拟塑性流体拟塑性流
15、体宾汉塑性流体宾汉塑性流体拟塑性流体拟塑性流体拟塑性流体拟塑性流体 w2、影响培养液流动特性的因素、影响培养液流动特性的因素w（1）细胞浓度和形态）细胞浓度和形态w细胞浓度越大，培养液的黏度也相应增大；细胞浓度越大，培养液的黏度也相应增大；w细胞形态变化对培养液的流动特性影响也很大。细胞形态变化对培养液的流动特性影响也很大。w例如：不同形态和菌龄的黑曲霉培养液例如：不同形态和菌龄的黑曲霉培养液w（2）胞外产物）胞外产物w 一些微生物能分泌多糖，它们的培养液因多糖的存在一些微生物能分泌多糖，它们的培养液因多糖的存在显示出非常复杂的流动特性；显示出非常复杂的流动特性；w 其他的大分子如蛋白质，当培
16、养液中存在分散得很小其他的大分子如蛋白质，当培养液中存在分散得很小的气泡时也会影响流变学特性，但在生物过程中并不常的气泡时也会影响流变学特性，但在生物过程中并不常考虑。考虑。w3、流体性质对、流体性质对kL的影响的影响w在培养液中，氧的传递受到培养液流变学的影响，氧传在培养液中，氧的传递受到培养液流变学的影响，氧传递系数随黏度的增加而下降。递系数随黏度的增加而下降。w造成氧传递速率低的原因可能是形成气泡的速率低、气造成氧传递速率低的原因可能是形成气泡的速率低、气泡合并速度增加或培养液在发酵罐中流动速度降低。泡合并速度增加或培养液在发酵罐中流动速度降低。w如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相
17、关。在分如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增加氧传递速度。加氧传递速度。三、生物反应器的混合三、生物反应器的
18、混合w1、混合机理、混合机理w1）大尺度混合机理）大尺度混合机理w将两种不同的液体置于搅拌釜中，启动搅拌器，釜中形成一将两种不同的液体置于搅拌釜中，启动搅拌器，釜中形成一个循环流动，称为总体流动。在总体流动的作用下，其中一个循环流动，称为总体流动。在总体流动的作用下，其中一种流体被分散成一定尺寸的液团并由总体流动带至容器各处，种流体被分散成一定尺寸的液团并由总体流动带至容器各处，造成大尺度上的均匀混合。造成大尺度上的均匀混合。w大尺度的均匀混合并不关注液团的尺寸，重要的是将产生的大尺度的均匀混合并不关注液团的尺寸，重要的是将产生的液团分布到容器的每一角落。这就要求搅拌器能产生强大的液团分布到容
19、器的每一角落。这就要求搅拌器能产生强大的总体流动，同时在搅拌釜内尽量消除流动达不到的死区。总体流动，同时在搅拌釜内尽量消除流动达不到的死区。w总体流动的流行相当复杂，不同形式的搅拌器各不相同。最总体流动的流行相当复杂，不同形式的搅拌器各不相同。最典型的螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成的流型结构。典型的螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成的流型结构。两者相比，螺旋桨式搅拌器可提供更大的流量，特别适用于两者相比，螺旋桨式搅拌器可提供更大的流量，特别适用于要求大尺度混合均匀的搅拌。要求大尺度混合均匀的搅拌。w2）小尺度混合机理）小尺度混合机理wA、互溶液体的混合机理、互溶液体的混合机理w总体流动可将
20、混合液体中的一种流体破碎成较大的液团，并总体流动可将混合液体中的一种流体破碎成较大的液团，并同时将液团带至容器的各处，造成宏观上的均匀。但是，但同时将液团带至容器的各处，造成宏观上的均匀。但是，但是总体流动不足以将液团破碎到很小尺寸。尺寸很小的液团是总体流动不足以将液团破碎到很小尺寸。尺寸很小的液团是有总体流动中的湍动造成的，湍流可以看成是由平均流动是有总体流动中的湍动造成的，湍流可以看成是由平均流动与大量不同尺寸、不同强度的漩涡运动叠加而成的。总体流与大量不同尺寸、不同强度的漩涡运动叠加而成的。总体流动中高速旋转的漩涡与液体微团之间会产生很大的相对运动动中高速旋转的漩涡与液体微团之间会产生很
21、大的相对运动和剪切力，液团正是在这种剪切力的作用下被破碎的更加小和剪切力，液团正是在这种剪切力的作用下被破碎的更加小w总体流动的湍动程度决定漩涡的尺寸和强度，而不同尺寸和总体流动的湍动程度决定漩涡的尺寸和强度，而不同尺寸和强度的漩涡对液团又有着不同的破碎作用。强度的漩涡对液团又有着不同的破碎作用。w通常，总体湍流的湍动程度越高，漩涡的尺寸越小，强度越通常，总体湍流的湍动程度越高，漩涡的尺寸越小，强度越高，数量越多。高，数量越多。w 漩涡尺寸越小，破碎作用越大，所产生的液团也越小。大漩涡尺寸越小，破碎作用越大，所产生的液团也越小。大尺度的漩涡只能产生较大尺寸的液团，因为尺寸较小的液团尺度的漩涡只
22、能产生较大尺寸的液团，因为尺寸较小的液团将被大漩涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。将被大漩涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。wB、不互溶液体的混合机理、不互溶液体的混合机理w两种不互溶液体搅拌时，其中必有一种液体被破碎两种不互溶液体搅拌时，其中必有一种液体被破碎成液滴，称为分散相，而另一种液体称为连续相。成液滴，称为分散相，而另一种液体称为连续相。w为达到更小尺寸的均匀混合，必须尽可能地减小液为达到更小尺寸的均匀混合，必须尽可能地减小液滴尺寸。同样，总体湍流只能产生较大的液滴。当滴尺寸。同样，总体湍流只能产生较大的液滴。当液滴小到一定程度，总体流动对液滴的进一步破碎液滴小到一定程度，总体流动对液滴
23、的进一步破碎已无能为力，而只能依靠湍流脉动。液滴是一个具已无能为力，而只能依靠湍流脉动。液滴是一个具有明显界面的液团。界面张力力图使液滴的表面面有明显界面的液团。界面张力力图使液滴的表面面积最小，抵抗任何变形和破碎。因此，对液体搅拌积最小，抵抗任何变形和破碎。因此，对液体搅拌而言，界面张力是过程的抗力。为使液滴破碎，首而言，界面张力是过程的抗力。为使液滴破碎，首先必须克服界面张力，使液滴变形。先必须克服界面张力，使液滴变形。w当总体流动处于高度湍流状态时，存在着方向迅速变换的湍当总体流动处于高度湍流状态时，存在着方向迅速变换的湍流脉动，液滴不能跟随这种脉动而产生相对速度很大的绕流流脉动，液滴不
24、能跟随这种脉动而产生相对速度很大的绕流运动。这种绕流运动，沿着流滴表面产生不均匀的压强分布运动。这种绕流运动，沿着流滴表面产生不均匀的压强分布和表面剪切力。正是这种不均匀的压强分布和表面剪切力将和表面剪切力。正是这种不均匀的压强分布和表面剪切力将液滴压扁并扯碎。总体流动的湍动程度越高，湍流脉动对液液滴压扁并扯碎。总体流动的湍动程度越高，湍流脉动对液滴绕流的相对速度越大，产生的液滴尺寸越小滴绕流的相对速度越大，产生的液滴尺寸越小。w2、宏观流体和微观流体、宏观流体和微观流体w习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为返混，也有人将这种
25、混合称为宏观混合。它由停留时间分布返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。w宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的，不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的，它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在实际流动
26、中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等均可认为是宏观流体。均可认为是宏观流体。w微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动，微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动，此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。或不完
27、全微观混合，即两者并存于体系之中。w对于多相体系，固相物料表观为宏观流体，而气体与液体则对于多相体系，固相物料表观为宏观流体，而气体与液体则根据其接触方式可以是宏观流体也可以是微观流体。在喷射根据其接触方式可以是宏观流体也可以是微观流体。在喷射式反应器中，液滴分散在气体中，则气体为微观流体而液体式反应器中，液滴分散在气体中，则气体为微观流体而液体为宏观流体。为宏观流体。w对于某一反应体系，介于宏观流体和微观流体之间，混合作对于某一反应体系，介于宏观流体和微观流体之间，混合作用的影响取决于反应特征时间用的影响取决于反应特征时间tr与流体中临近微元体相互混与流体中临近微元体相互混合的特征时间合的特
28、征时间tm之比值。当反应速率较慢时，即之比值。当反应速率较慢时，即tr远大于远大于tm，则按微观流体处理可以达到较好相似；当反应速率非常快时，则按微观流体处理可以达到较好相似；当反应速率非常快时，即即tr远小于远小于tm，则处理比较复杂。，则处理比较复杂。w对于宏观流体，由于流体粒子之间不存在任何形式的物质交对于宏观流体，由于流体粒子之间不存在任何形式的物质交换，流体粒子就像一个有边界的个体，从反应的入口向出口换，流体粒子就像一个有边界的个体，从反应的入口向出口运动，也就像一个小间歇反应器一样进行反应，其反应程度运动，也就像一个小间歇反应器一样进行反应，其反应程度取决于该粒子在反应器内的停留时
29、间。取决于该粒子在反应器内的停留时间。四、剪切力对生物反应的影响四、剪切力对生物反应的影响w1、剪切w剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为N/m2或或Pa。w剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面，中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面，且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称
30、。w为表示生物反应器中的剪切力，人们提出了多种表示为表示生物反应器中的剪切力，人们提出了多种表示方法，通常有以下几种。方法，通常有以下几种。桨叶尖速度桨叶尖速度 t=NDt 式中，式中，N为搅拌桨转速；为搅拌桨转速；Dt 为桨直径。为桨直径。平均剪切速率平均剪切速率 av=KN 式中，式中，K为常数，其值因搅拌桨尺寸及流体性质而变，为常数，其值因搅拌桨尺寸及流体性质而变，一般为一般为1013.该式主要应用于层流及过渡流，但在湍流中也可成功应用。该式主要应用于层流及过渡流，但在湍流中也可成功应用。在动物细胞培养中，在动物细胞培养中，Sinskey等运用积分剪切因子等运用积分剪切因子ISF（int
31、egrated shear factor）来定义剪切力）来定义剪切力。为估算鼓泡塔中剪切力，为估算鼓泡塔中剪切力，Niskikawa通过测量传热速率，通过测量传热速率，发现剪切速率与表观气速成正比，即，发现剪切速率与表观气速成正比，即，=kG，G为表为表观气速。观气速。湍流漩涡长度湍流漩涡长度w2、剪切作用的影响、剪切作用的影响w1）剪切力对微生物的影响）剪切力对微生物的影响w 通常认为剪切力对通常认为剪切力对细菌细菌的影响较小，因为它的的影响较小，因为它的大小比发酵罐中常见的漩涡要小，而且有坚硬的细大小比发酵罐中常见的漩涡要小，而且有坚硬的细胞壁。胞壁。w 酵母酵母比细菌大，但仍比常见的湍流
32、漩涡小。酵比细菌大，但仍比常见的湍流漩涡小。酵母的细胞壁也较厚，具有一定抵抗剪切力的能力，母的细胞壁也较厚，具有一定抵抗剪切力的能力，但其细胞壁上的芽痕和蒂痕对剪切力的抗性较弱。但其细胞壁上的芽痕和蒂痕对剪切力的抗性较弱。w w在深层液体培养中，在深层液体培养中，丝状微生物丝状微生物（包括霉菌和放线菌）（包括霉菌和放线菌）可形成两种特别的颗粒，即可形成两种特别的颗粒，即自由丝状颗粒自由丝状颗粒和和球状颗粒球状颗粒。自由丝状颗粒导致传质困难。为增强混合和传质，需要自由丝状颗粒导致传质困难。为增强混合和传质，需要强烈的搅拌，但高速的搅拌产生的剪切力会打断菌丝，强烈的搅拌，但高速的搅拌产生的剪切力会
33、打断菌丝，造成机械损伤。若为球状颗粒，则发酵液中黏度较低，造成机械损伤。若为球状颗粒，则发酵液中黏度较低，混合和传质比较容易，但菌球中心的菌可能因为供氧困混合和传质比较容易，但菌球中心的菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。搅拌会对菌球产生两种物理效果，一种难而缺氧死亡。搅拌会对菌球产生两种物理效果，一种是搅拌消去菌球外围的菌膜，减小粒径，另一种是使菌是搅拌消去菌球外围的菌膜，减小粒径，另一种是使菌球破碎。这些效果主要是由于湍流漩涡剪切造成的。除球破碎。这些效果主要是由于湍流漩涡剪切造成的。除颗粒外，发酵液中还存在自由菌丝体，由于剪切力会使颗粒外，发酵液中还存在自由菌丝体，由于剪切力会使菌丝断裂，所以
34、需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝菌丝断裂，所以需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产物生成造成影响，还可能导致胞内物质形态、生长和产物生成造成影响，还可能导致胞内物质的释放。的释放。w2）剪切力对动物细胞的影响）剪切力对动物细胞的影响w 用大规模的动物细胞培养来生产高价值的药物已日趋广用大规模的动物细胞培养来生产高价值的药物已日趋广泛，但因动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏泛，但因动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏感。因此如何克服剪切力已是动物细胞大规模培养的一个重感。因此如何克服剪切力已是动物细胞大规模培养的一个重要问题。要问题。w 动物细胞动物细胞可分为两类
35、，可分为两类，贴壁依赖性的贴壁依赖性的和和非贴壁依赖性的非贴壁依赖性的。剪切力对两种细胞的破坏机制不同，对前者，主要是由点到剪切力对两种细胞的破坏机制不同，对前者，主要是由点到面的湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁的面的湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁的碰撞造成的。对于后者则主要是因为气泡的破碎造成的。碰撞造成的。对于后者则主要是因为气泡的破碎造成的。w3）剪切力对植物细胞的影响）剪切力对植物细胞的影响植物细胞植物细胞因有细胞壁，所以其对剪切力的抗性比动物细因有细胞壁，所以其对剪切力的抗性比动物细胞大，但因其细胞个体相对较大，细胞壁较脆，柔韧性胞大，但因其细胞个体相对
36、较大，细胞壁较脆，柔韧性差，所以与微生物相比它对剪切力仍然很敏感，在高剪差，所以与微生物相比它对剪切力仍然很敏感，在高剪切力的作用下会受到损伤甚至死亡或解体。切力的作用下会受到损伤甚至死亡或解体。植物细胞在培植物细胞在培养的过程中一般会结团，结团会影响产物的释放，细胞结团的大小养的过程中一般会结团，结团会影响产物的释放，细胞结团的大小受到剪切力的影响。受到剪切力的影响。剪切力的大小对细胞的生长也有影响。剪切力的大小对细胞的生长也有影响。不同植物细胞对剪切不同植物细胞对剪切力的耐受性不同，不同生长阶段的细胞对剪切力的耐受性也不同。在同样力的耐受性不同，不同生长阶段的细胞对剪切力的耐受性也不同。在
37、同样的剪切力下，细胞在高浓度状态下具有较高的成活率，在细胞浓度较低时，的剪切力下，细胞在高浓度状态下具有较高的成活率，在细胞浓度较低时，如在反应器操作的起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。如在反应器操作的起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。剪切对次级代谢产物的生产也有影响，同时在高剪切应剪切对次级代谢产物的生产也有影响，同时在高剪切应力下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。力下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。w4）剪切对酶反应的影响）剪切对酶反应的影响w w 酶是一种活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋酶是一种活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白分子精巧的
38、三维结构，影响酶的活性，一般认为酶活性随白分子精巧的三维结构，影响酶的活性，一般认为酶活性随剪切强度的增加和时间的延长而减小。在同样的搅拌时间下，剪切强度的增加和时间的延长而减小。在同样的搅拌时间下，酶活力的损失与叶轮尖速度呈线性关系。不同类型的叶轮对酶活力的损失与叶轮尖速度呈线性关系。不同类型的叶轮对酶活性的影响有差异。酶活性的影响有差异。第二节 生物反应器类型动物生物反应器动物生物反应器机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器气升式生物反应器气升式生物反应器 膜生物反应器膜生物反应器鼓泡塔生物反应器鼓泡塔生物反应器植物生物反应器植物生物反应器生物反应器的类型生物反应器的类型w生物反应器有很多种，按
39、照不同的分类角生物反应器有很多种，按照不同的分类角度可以分为各种类型度可以分为各种类型 w 柱塞流反应器柱塞流反应器w 理想反应器理想反应器 全混流反应器全混流反应器按照反应器内流型分按照反应器内流型分 w 非理想反应器非理想反应器 间歇反应器间歇反应器 按照操作方式分按照操作方式分 连续式反应器连续式反应器 半连续式反应器半连续式反应器w 罐式反应器罐式反应器w 管式反应器管式反应器w按照结构特征分按照结构特征分 塔式反应器塔式反应器w 膜反应器膜反应器 均相反应器均相反应器按照反应器内相态分按照反应器内相态分 非均相反应器非均相反应器w 微生物反应器微生物反应器w 植物细胞反应器植物细胞反
40、应器w按照生物反应器内有机体种类分按照生物反应器内有机体种类分 w 动物细胞反应器动物细胞反应器w 酶反应器酶反应器 机械搅拌混合反应器机械搅拌混合反应器 泵循环混合反应器泵循环混合反应器按照反应器内气液混合方式分按照反应器内气液混合方式分 直接通气混合反应器直接通气混合反应器 连续气相反应器连续气相反应器w 通气发酵设备通气发酵设备 w按照是否通氧分按照是否通氧分 w 嫌气发酵设备嫌气发酵设备医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为止，对新的生物过程，首选的
41、生物反应器仍然是机止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程，是形成标准化的通用产品。数生物过程，是形成标准化的通用产品。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。w它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高
42、的传质速率和必要的混合速度。率和必要的混合速度。w缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般24kw/m3，这对，这对大型的反应器来说是个巨大负担。大型的反应器来说是个巨大负担。w1、结构、结构w反应器的基本结构包括：筒体，机械搅拌系统（搅反应器的基本结构包括：筒体，机械搅拌系统（搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等），通气拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等），通气系统（空气分散装置）温控系统（换热装置），消系统（空气分散装置）温控系统（换热装置），消泡系统、泡系统、pH控制系统等，并在筒体的适当位置设置控制系统等，并在筒体的适当位置设置排气、取样、接种、进出
43、料口以及入孔和视镜等部排气、取样、接种、进出料口以及入孔和视镜等部件。件。w反应器内物料的混合和气体的分布靠搅拌器和挡板实现反应器内物料的混合和气体的分布靠搅拌器和挡板实现搅拌器搅拌器w搅拌器的主要作用是：将能量传递给液体；使气体在液体搅拌器的主要作用是：将能量传递给液体；使气体在液体中分散；使气液分离；是发酵液中所有成分达到混合。中分散；使气液分离；是发酵液中所有成分达到混合。w搅拌器的叶轮可以分成两大类型：轴流式叶轮和径向叶轮。搅拌器的叶轮可以分成两大类型：轴流式叶轮和径向叶轮。轴流式叶轮的叶面通常与轴成一定角度，产生的流体流动轴流式叶轮的叶面通常与轴成一定角度，产生的流体流动基本轨迹是平
44、行于搅拌轴的。径向叶轮的叶面是平行于搅基本轨迹是平行于搅拌轴的。径向叶轮的叶面是平行于搅拌轴的、垂直于轴截面的，十六题沿叶轮半径方向排出。拌轴的、垂直于轴截面的，十六题沿叶轮半径方向排出。搅拌叶轮大多采用搅拌叶轮大多采用蜗轮式搅拌器蜗轮式搅拌器优点：结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点：结构简单、传递能量高、溶氧速率高等缺点：轴向混合较差，且其搅拌强度随着叶轮与搅缺点：轴向混合较差，且其搅拌强度随着叶轮与搅拌轴距离增大而减弱拌轴距离增大而减弱故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式，常用的涡轮式搅拌器有平叶
45、式、弯叶式和箭叶式，叶片数量一般为叶片数量一般为6个，也有个，也有4个或个或8个。从搅拌个。从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。最大，弯叶次之，箭叶最小。 为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。 推进式搅拌器推进式搅拌器，也称螺旋桨式搅拌器。将罐，也称螺旋桨式搅拌器。将罐内液体向前或向后推进，使流体形成螺旋状运内液体向前或向后推进，使流体形成螺旋状运动的圆柱流，混合效果较好，对液体的切剪作动的圆柱流，混合效果较好，对液体的切剪作用较小。广泛应用于液用较小。广泛应用于液- -液混合，液液混合，液- -
46、固混合的固混合的设备中。设备中。推进式搅拌器推进式搅拌器搅拌流型轴向流型搅拌器轴向流型搅拌器（Lightnin式搅拌器）。式搅拌器）。能使全罐达到良好的循环状态；克服了径向型涡能使全罐达到良好的循环状态；克服了径向型涡轮搅拌器两个区域间混合不均匀的缺点。轮搅拌器两个区域间混合不均匀的缺点。轴向流型搅拌器挡板w挡板的作用则是防止液面产生漩涡，改变液流方向，挡板的作用则是防止液面产生漩涡，改变液流方向，促使流体翻动，增加传质和混合。促使流体翻动，增加传质和混合。w发酵罐内除挡板外，冷却器、通气管、排料管等装发酵罐内除挡板外，冷却器、通气管、排料管等装置也起一定的挡板作用。所以当设置的换热装置为置也
47、起一定的挡板作用。所以当设置的换热装置为列管或排管，并且数量足够多时，发酵罐内不另设列管或排管，并且数量足够多时，发酵罐内不另设挡板。挡板。w温控系统温控系统w小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热的换热装置。其优点是结构简单、加工容易、的换热装置。其优点是结构简单、加工容易、反应器内无冷却装置、死角少、容易进行清洗反应器内无冷却装置、死角少、容易进行清洗和灭菌工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速和灭菌工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差。低、降温效果差。w大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换热装置
48、，优点是管内冷却水流速大、传热效率热装置，优点是管内冷却水流速大、传热效率高，但它需占用反应器空间，并给高，但它需占用反应器空间，并给 反应器清洗反应器清洗和灭菌增加了难度和灭菌增加了难度。消泡系统消泡系统w发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的通发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的通气搅拌下会产生大量的泡沫，严重时，将导致发酵液外溢，气搅拌下会产生大量的泡沫，严重时，将导致发酵液外溢，增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种方法联合入消泡剂，二是使用机械消泡装
49、置。通常，是两种方法联合使用。使用。w消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外溢，消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外溢，它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴（致搅拌轴由罐底深入时）它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴（致搅拌轴由罐底深入时）上装上消泡浆；另一类置于罐外，目的是从排出的气体中分上装上消泡浆；另一类置于罐外，目的是从排出的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。通气系统通气系统w通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最
50、下面的搅拌器气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处堆积。管口与罐底的距离约为堆积。管口与罐底的距离约为40mm。w第二种形式是开口向下的多孔环形管。环的直径约为搅第二种形式是开口向下的多孔环形管。环的直径约为搅拌器直径的拌器直径的0.8倍。小孔直径约倍。小孔直径约58mm，孔的总面积约，孔的总面积约等于通风管的截面积。在通气量较小的情况下，气泡的等于通风管的截面积。在通气量较小的情况下，气泡的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越小