【文章內(nèi)容簡介】 下部通入，借氣體的升力帶動流體在整個反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動造成良好的混合。反應(yīng)器內(nèi)整體混合均勻，而且因不用機械攪拌槳，減少了剪切作用對細胞的傷害。就其結(jié)構(gòu)特點又分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式兩大類。 ?由于液體循環(huán)流動速度較快，因此反應(yīng)器內(nèi)供氧及傳熱都較好。但是為造成良好的混合，氣升式反應(yīng)器一般都需要做的較高(從十幾米至幾十米高 )，因而空氣壓縮機出口的壓力也要高些。如果培養(yǎng)過程中要補入較多的營養(yǎng)物，而料液高度變化又較大時對反應(yīng)器設(shè)計要求也是較高的，顯然外循環(huán)式是很困難的。 以上兩種生物反應(yīng)器是目前實驗室和工業(yè)上用得最多的。它們的區(qū)分主要是其結(jié)構(gòu)及混合方式不同。 生物反應(yīng)器還可以按其操作方式分為下面 3類 ? (1) 批式培養(yǎng) 指的是營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中間除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。實驗室內(nèi)搖瓶培養(yǎng)就是這種過程，由此放大到罐操作也比較容易，傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程。這種過程除控溫、通氣以外不用太多控制，操作簡單。但從細胞所處的化學(xué)環(huán)境來看，則明顯改變，培養(yǎng)初期營養(yǎng)物過多可能抑制生長．培養(yǎng)的中后期可能又因為營養(yǎng)物濃度過低而降低培養(yǎng)效率。從細胞的增殖來說．初期細胞濃度低，增長慢，后期細胞濃度雖高，但營養(yǎng)物濃度過低也長不快，總的設(shè)備生產(chǎn)能力不是很高的。 (2)連續(xù)培養(yǎng) 批式培養(yǎng)是一種間歇的培養(yǎng)過程，每批之間有清洗、準備時間，面且每批都是在不斷改變著的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的，效率不高，各批產(chǎn)物的質(zhì)量、濃度也不盡相同，給產(chǎn)物的分離、純化造成一定的困難。連續(xù)培養(yǎng)是不斷地往反應(yīng)器中加入營養(yǎng)物，利用罐中的菌體增殖得到產(chǎn)物，并不斷采出。在良好的控制下，罐內(nèi)的增殖速度可以與采出速度相同而達到穩(wěn)態(tài)，選擇好的狀態(tài)操作可以大大提高生產(chǎn)能力 。 實際進行連續(xù)培養(yǎng)有兩類反應(yīng)器； ?一類是攪拌罐式反應(yīng)器。 因其罐內(nèi)各種物理化學(xué)參數(shù)均一，這種反應(yīng)器又叫恒化器； ?另一種是管式反應(yīng)器。 使用恒化器．罐中可以通氣，操作比較方便。管式反應(yīng)器則不易解決通氣問題，而且形成的污垢不易清洗，因此在生物培養(yǎng)中用得不 多。 ? (3) 半連續(xù)操作 這種方式介乎批式與連續(xù)操作之間席用的一種是在批式培養(yǎng)過程中不斷補入營養(yǎng)物，以解決營養(yǎng)物的抑制及不足問題，這種方式常叫做補料批式或流加過程，在近年生物培養(yǎng)中常常采用這種方式以造成更好的培養(yǎng)環(huán)境，提高設(shè)備效率；另一種是在補料的同時間斷地采出一定量的發(fā)酵液體產(chǎn)物，延長發(fā)酵培養(yǎng)周期。發(fā)酵周期常常由于菌體的老化而決定結(jié)束。 ? 連續(xù)和半連續(xù)操作利于過程的優(yōu)化是近代生物化工的方向，但這兩種操作因有物料的流入、采出，因此一定要嚴格防止雜菌的污染，對設(shè)備的操作控制要求比較高。 生物反應(yīng)器的計算中用到的一個重要的關(guān)系是物料平衡，又叫物料衡算，實際是物質(zhì)守恒定律在化學(xué)反應(yīng)器中的應(yīng)用。 ?在進行衡算時一定要考慮以一個對象為核心，其流入該部分的量等于流出的與反應(yīng)消失的及積累量三者之和，即 ? 流入量＝流出量十反應(yīng)消失量十積累量 (1－ 11) ? 所考慮的對象要求其中是均一的 (濃度、溫度 )，可以是一個混合很好的整個設(shè)備，也可以是一個微小體積又叫體積微元。此外衡算是針對一定的組分，如菌體、營養(yǎng)物中的任一種、產(chǎn)物等我們感興趣的組分，在進行衡算中還要注意選定一定的時間，如整個發(fā)酵周期或單位時間等。 ? 流動式反應(yīng)器要考慮其流入及流出，批式反應(yīng)器只有式 (1— 11)的最后兩項。 二 . 批式反應(yīng)器 ?批式反應(yīng)可以用各種反應(yīng)器，其中以機械攪拌式和氣升式用得最多。本節(jié)只討論機械攪拌式反應(yīng)器的特點。前面已介紹過它的基本結(jié)構(gòu)部分，圖 18和表 12中給出其主要的結(jié)構(gòu)尺寸。 圖 18 帶有多層攪拌槳發(fā)酵罐示意圖 ?由 (1— 12)可以看到，決定發(fā)酵罐總體積的因素是 3個方面： ?一是生產(chǎn)能力 Py的要求； ?二是一些操作條件的確定； ?三是動力學(xué)參數(shù)即發(fā)酵液濃度與發(fā)酵時間。其中操作條件主要根據(jù)操作經(jīng)驗、體系的特點來確定。而動力學(xué)參數(shù) P和 T的確定有兩種方法： 圖 1— 9 批式培養(yǎng)中的生產(chǎn)率 ? 1－－最大生產(chǎn)率； 2－－總生產(chǎn)率； 3－－產(chǎn)物的生產(chǎn)率 ? 第一種是通常所用的依據(jù)工藝優(yōu)化的方法，即在不同條件下作發(fā)酵產(chǎn)物隨時間的變化，并優(yōu)化之。對簡單以細胞量為產(chǎn)物的情況可參見圖1— 9。 ? 由圖可見由 Tl到 P－ t曲線切線的斜率為產(chǎn)物的生產(chǎn)率。如發(fā)酵在 Tl結(jié)束可得到最大生產(chǎn)率，即在單位時間內(nèi)由單位體積的發(fā)酵罐可以得到最高的產(chǎn)量。如發(fā)酵在 T2結(jié)束，雖然可以得到更高一點的產(chǎn)物濃度，但生產(chǎn)率有明顯下降。實際發(fā)酵周期的選擇還要考慮到基質(zhì)利用率的高低、產(chǎn)物分離的難易等等。 ?第二種確定 P、 t關(guān)系的方法是根據(jù)前面介紹的動力學(xué)關(guān)系，再通過設(shè)備特點進行計算。 例：用批式反應(yīng)器培養(yǎng)單細胞蛋白，菌體的生長符合 Monod關(guān)系，基質(zhì)只消耗于菌體生長，即其它消耗可以忽略不計。 批式反應(yīng)器中物料衡算的基本關(guān)系式是： ? 反應(yīng)器中的積累量＝－反應(yīng)所消失量 (1E一 23) ? 先對生物量進行衡算。作衡算時要取一時間間隔，如取一足夠的時間間隔可以得到 ? （ 1E24） ? 由 Monod關(guān)系得到： ? （ 1E25） ?如果批式反應(yīng)器中有良好的混合，則上述關(guān)系代表了整個反應(yīng)器內(nèi)細胞濃度的變化。上述關(guān)系給出了細胞濃度隨時間的變化，其變化率與基質(zhì)濃度及細胞濃度有關(guān)，基質(zhì)濃度的變化為： ? ? （ 1E－ 26） ?式中 y是基質(zhì)對細胞的得率 (g基質(zhì)／ g細胞 )。如在發(fā)酵過程中 y不變，而且 t＝ o時x＝ x。， s＝ s0則： ? S=S0 – Y(XXO) (1E27) ?代入 1E25式得： ? (1E28) ? (1E一 28)式是包含 x、 t的一階微分方程，它又是可分離變量，積分求解得到： ? (1E29) ?求解時仍用到前面所給的初始條件，解得(1E一 29)式，給出了 x與 t的關(guān)系。對于一酵母菌發(fā)酵的實例如 181。＝ ， Ks＝， Y＝ 2g糖／ g菌體， S0＝ 30g/L， X。＝ 4g/L由式 (1E一 29)及式 (1E一 27)可以求出 x與 S隨時間變化的曲線 (圖 1— 10)。由圖可見，由于基質(zhì)的消耗，菌量在 12h以后不再增長而且基質(zhì)濃度也幾乎為 0。