9.1 概述 1
9.2反应器的分类和结构特点 3
9.3 发酵罐设计与分析 6
9.5 其他反应器 13
9.1 概述
生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，确定各种结构参数，即确定反应器的内部结构及几何尺寸、搅拌器形式、大小及转速、换热方式及换热面积等；（3）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通 气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。
生物反应器设计的基本要求：
（1） 避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连；
（2）混合罐 法兰应尽量少；
（3） 尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光；
（4） 避免产生凹陷和裂缝；
（5） 设备各部件能分别进行灭菌；
（6） 反应器的接口处用蒸汽封口；
（7） 阀门要易清洗，易使用，易灭菌；
（8） 反应器内易保持一定正压；
（9） 为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。
反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。
数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过
程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。
另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。
9.2反应器的分类和结构特点
由于生物催化剂种类和生产目的的多样性，生物反应器种类繁多。不同的生物反应器在结构和操作方式上具有不同的特点。根据生物反应器的结构和操作方式的某些特征，可以从不同角度对其进行分类。
9.2.1根据反应器的操作方式分类
根据反应器的操作方式不同，可将生物反应器分为间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半连续式（流加）生物反应器。
间歇式反应器，其基本特征是：反应物料一次性加入、一次性卸出，反应器内物系的组成
仅随时间而变化，属于一种非稳态过程。间歇式反应器适用于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程，可以经常进行灭菌操作。在实际应用中，由于间歇培养不会产生严重的染菌问题、因周期短而较适合于遗传变异性大的细胞、对过程控制的要求较低、能适应培养细胞株和产物经常变化的需要，因此是应用最广泛的操作模式。
采用连续操作的反应器被称为连续式反应器，这一操作方式的特点是原料连续流入反应器，反应产物则连续从反应器流出。反应器内任何部位的物系组成均不随时间变化，故属于稳态操作。连续操作反应器一般具有产品质量稳定、生产效率高等优点，因而适合于大批量生产。
半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中一种为连续输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半连续式反应器或流加式反应器。半连续操作同时兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作。
9.2.2根据催化剂分类
生物催化剂包括酶和细胞两大类，相应地，生物反应器也可以分为酶反应器和细胞反应器。
酶催化反应与一般的化学反应并无本质的区别，催化剂本身不会因为反应而增加，但是酶催化反应的条件更加温和。酶催化反应器的结构往往与化学反应器类似，且通常不需要太高的温度和压力。游离酶催化常采用搅拌罐反应器，固定化酶催化除了搅拌罐反应器外，常选择固定床反应器，近年来，酶膜反应器的应用正在日益增多。
细胞培养过程是典型的自催化过程，细胞本身既是催化剂，同时又是反应的主要产物之一。因此，催化剂的量是随反应的进行而不断增大的。对于这种活的催化剂，在反应过程中保持细胞的生长和代谢活性是对反应器设计的最基本要求。
根据细胞类型的不同，细胞反应器又可分为微生物细胞反应器（通常称为发酵罐）、动物细胞反应器和植物细胞反应器。根据不同类型细胞的生理特点，对反应器也有不同的要求。例如，动植物细胞是好氧的，同时对剪切力又非常敏感，在设计反应器时如何在氧传递和剪切力之间的矛盾到一个平衡点就成为要考虑的首要问题；植物细胞培养可能需要可见光，就要采用光生物反应器。
9.2.3根据流体流动或混合状况分类
对于连续反应器，有两种理想的流动模型：一种是反应器内的流体在各个方向完全混合均匀，称为全混流（CSTR），其主要特征是反应物加入到反应器中，同时反应产物也离开
反应器，并保持反应体积不变，其过程是一物系中组成不随时间改变的定态过程；
另一种则是通过反应器的所有物料以相同的方向、速度向前推进，在流体流动方向上完全不混合，而在垂直于流动方向的截面上则完全混合，所有微元体在反应器中所停留的时间都是相同的，这种流动模型称为平推流、活塞流或柱塞流（PFR）。
实际反应器内流体的流动方式则往往介于上述两种理想流动模型之间，称为非理想流动（混合）模型。非理想生物反应器需要考虑流动和混合的非理想性，如：流体在连续操作反应器中的停留时间分布、微混合问题、反应器轴向或径向扩（弥）散及反应器操作的震荡问题等。间歇操作的非理想生物反应器则需要考虑混合时间、剪切力分布、各组分浓度及温度分布等复杂问题。
9.2.4根据反应器结构特征及动力输入方式分类
根据反应器的主要结构特征（如外形和内部结构）的不同，可以将其分为釜（罐）式、管式、塔式、膜式反应器等，它们之间的差别主要反映在其外形（长径比）和内部结构上的不同。釜式生物反应器能用于间歇、流加和连续所有三种操作模式，而管式、塔式和生物膜反应器等则一般适用于连续操作的细胞反应工程。
根据动力输入方式的不同，生物反应器可以分为机械搅拌反应器、气流搅拌反应器和液体
环流反应器。机械搅拌反应器采用机械搅拌实现反应体系的混合（图9-1）。气流搅拌反应器以压缩空气作为动力来源（图9-2）。而液体环流反应器则通过外部的液体循环泵实现动力输入（图9-3艾叶油胶丸）。
图9-1机械搅拌反应器
（G — 气体；L — 液体；M — 电机）
图9-2气流搅拌反应器
（G — 气体；L — 液体）
图9-3液体环流反应器
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9.3 发酵罐设计与分析
9.3.1 通气搅拌罐的结构特征
通气搅拌罐是好氧生物反应器的典型代表，其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分
、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。
反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴，通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液浓度均匀。反应器的装料系数一般为70～80％。系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。典型通气搅拌罐的一些基本特征可以参考
通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：pH值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤，等等。
经过半个多世纪的发展，现在通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，表9.1列举了通气搅拌罐一些主要相对尺寸的范围。
表9-1通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围
相对尺寸 符号 范围 典型值
罐体的高径比 H/D 1～3
搅拌桨直径与罐体直径之比 Di/D 1/3～1/2 1/3(Rushton桨)
挡板宽度与罐体直径之比 Wb/D 1/8～1/12（4块挡板） 1/10
最下层搅拌桨高度与罐体直径之比 0.8～1.0
相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比 1～2.5
9.3.2 机械搅拌系统
作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
机械搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。下面做简要的介绍。
1．电机和变速箱
电机和变速箱置于罐体之外。对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，而大型反应器所用的一般均为三相电机。对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，必须通
过变速箱降低转速。实验室小型反应器可以采用无级变速，不需要变速箱。在间歇培养时，细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求，为了降低功耗，最好采用可调速电机。
2．搅拌轴
搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。不同尺寸的通气搅拌罐，其搅拌桨层数也不同，小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有2～4层搅拌桨以改善混合和传质。
3．轴封
轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。
4．挡板
为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，
在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，挡板宽度W和罐径D有关，必须满足下面的关系式
（9-1）
式中 W—— 挡板宽度， m；
D—— 罐内径， m；
Z—— 挡板数。
5．搅拌桨
根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨（图9-5）。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流（图9-6a）。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动（图9-6b）。一般而言，带轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，
从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今。
六直叶圆盘涡轮搅拌器(Rushton桨) 六弯叶圆盘涡轮搅拌器 三叶后掠式搅拌器
径向流搅拌浆
推进式搅拌器 四折叶开启涡轮搅拌器 六折叶圆盘涡轮搅拌器
轴向流搅拌浆
图9-5 径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨示例
a轴向流 b径向流
图9-6 轴向流和径向流示意图
9.3.3 反应器的搅拌功率
搅拌功率的大小对流体的混合、气液固三相间的质量传递一级反应器的热量传递都有很多的影响。因此，生物反应器搅拌功率的确定对于反应器的设计是相当重要的。
1．不通气条件下的搅拌功率计算
在机械搅拌发酵罐中，搅拌器的输出功率瓶嘴P0(W)与下列因素有关：发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（m）、液面高度HL（m）、搅拌器的转速N（r/s）、液体黏度μ（Pa•s）、流体密度ρ(kg/m3)、重力加速度g（m/s2）以及搅拌器形式和结构等。通过量纲分析及实验证实，对于牛顿型流体而言，可以得到下列准数关联式：
（9-2）
式中
——功率准数；
——搅拌情况下的雷诺数；
——搅拌下的弗鲁特数；
K——与搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数。
从而上式又可改写为
（9-3）
实验证实，在全挡板条件下，液面未出现漩涡，此时指数y＝0，上式可简化为 ，即搅拌准数Np式搅拌雷诺数ReM的函数。
2．通气条件下的搅拌功率计算
当发酵罐通入压缩空气后，搅拌器的轴功率与不通气时相比会有所下降，减小的程度与通气量相关。可能的原因有：通气使得液体密度下降；通气使得液体发生翻动。为了计算通气条件下的搅拌功率，必须引入通气准数Na，它表示发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶顶端流速之比，即
（9-4）
式中
Qg —— 工况通气量，镜头POm3/s；
d —— 搅拌桨直径，m；
N —— 搅拌转速，r/s
用Pg表示通气条件下的搅拌功率，P0为不通气时的搅拌功率，则
当Na ＜0.035时， （9-5）
当Na ≥0.035时， （9-6）
3．非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响
通常将不服从牛顿黏性定律的流体称为非牛顿流体，非牛顿流体的剪应力与切变率不成正比关系，因而非牛顿流体没有确定的粘度值。常见的非牛顿流体可分为三类。
① 拟塑性流体 其剪应力与剪切率的关系满足
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