生物反应器的原理及类型

  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 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。为客服氧限制在工业 发酵中的影响，可加水稀释发酵液，以此来降低黏度，增 加氧传递速度。

  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

  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 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 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。

  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， 造成大尺度上的均匀混合。

   B、不互溶液体的混合机理  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。  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 液滴小到某些特定的程度，总体流动对液滴的进一步破碎 已无能为力，而只能依靠湍流脉动。液滴是一个具 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 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。

   （ττ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）  例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液

   n越小，非牛顿型特性越明显，与牛顿型流体的差别越大。  例如：青霉，曲霉，链霉菌的发酵液，高浓度的植物细胞，

  产物 制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素 新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素

  微生物 诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 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

  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 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。

  一些微生物能分泌多糖，它们的培养液因多糖的存在 显示出很复杂的流动特性； 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 考虑。

   3、流体性质对kLα的影响  在培养液中，氧的传递受到培养液流变学的影响，氧传

  返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停滞时间分布 来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器 内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。  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， 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。

  发酵液流变特性 牛顿性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 涨塑性流体 宾汉塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 拟塑性流体

   2、影响培养液流动特性的因素  （1）细胞浓度和形态  细胞浓度越大，培养液的黏度也相应增大；  细胞形态变化对培养液的流动特性影响也很大。  例如：不同形态和菌龄的黑曲霉培养液  （2）胞外产物  

  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。 产物 产品提取或液化

  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 总体流动，同时在搅拌釜内尽量消除流动达不到的死区。

  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，非常适合于 要求大尺度混合均匀的搅拌。

   2）小尺度混合机理  A、互溶液体的混合机理  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

  化学反应和细胞的新陈代谢，即反应器ECO中的流变学影响甚至决 定其内部的生物反应动力学。

  切率的关系）和屈服应力（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：

  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 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 用。大规模培养生物有机体是生物技术的核 心。

  气-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-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。

  生物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 中从始至终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发

  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 .与动量传递、热量传 递并列为三种传递过程。质量传递可以在一 相内进行，也可能在相际进行。

  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相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 应器内的实际反应速率。

  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 与大量不一样的尺寸、不同强度的漩涡运动叠加而成的。总体流 动中非常快速地旋转的漩涡与液体微团之间会产生很大的相对运动 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

   τ=μγ（牛顿黏性定律）  非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可

  （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 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

  可靠性，对产品的分离纯化也起着非常大作用。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。

  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 的增加和大分子产物的积累造成的。

  强度的漩涡对液团又有不一样的破碎作用。  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。  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 将被大漩涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。

  （3）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；

  液体在外加剪切  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 力 作用下所产 生的流变特性。 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

  根据其接触方式能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 为宏观流体。  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tr与流体中临近微元体相互混 合的特征时间tm之比值。当反应速率较慢时，即tr远大于tm， 则按微观流体处理能够达到较好相似；当反应速率非常快时， 即tr远小于tm，则处理比较复杂。  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 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间。

   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 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 胃便是原始状态的生物反应器 。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 乳酪