固定床和流化床生物反应器
化91 赵松 2009011832
摘要：固定床反应器的主要特征是反应物料连续流动并通过静止不动的固定化生物催化剂的床层，优点：实现了连续或重复使用生物催化剂提高生产效率，便于分离产品与催化剂，具有较高的反应速率与转化率，反应器结构简单易放大；缺点：床层阻力较大，床层温度、PH不易控制，易产生沟流。流化床反应器是通过流体的流动而使固定化颗粒在流体中保持为悬浮状态即流态化状态下进行催化反应的装置，主要特征为固体颗粒与流体的均一混合物可作为拟流体处理，优点：反应器具有较好的混合、质量和热量传递性能，较小的床层压降，物性参数易控制，提高了催化剂的效率；缺点：对催化剂及其载体的强度要求较高，操作稳定性差，最佳操作条件的范围较窄。
关键词：固定床反应器 传递系数 固态发酵反应器 传热特性 流化床反应器 腾涌 沟流 操作速度 流化数 床层压降
正文：20世纪40年代，由于解决了高效通气搅拌供氧和大型反应器灭菌技术，微生物发酵工业进入一个新的发展阶段 ，生物化学工程由此诞生并取得了飞速发展。随着生物技术的飞速发展，又利用数学、化学反应工程的原理与方法进行生物反应过程的研究，使反应过程的操作控制更加合理，新型生物反应器不断涌现，而生物反应器是生物反应过程的核心设备，要求它能为进行各种生物反应过程提供良好的反应环境和条件。由于生物反应的多样性和反应过程的复杂性生物反应器虽然形式多种多样但仍不能适应生物反应过程的多种需求，其生产效率并不高。为了掌握生物反应器的基本特性和设计放大，有必要对生物反应器的操作模型、传递与混合特性和设计与放大等方面进行分析讨论。
利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器。生物反应器是生物反应过程的主要设备，在生物反应过程中发挥中心作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，也是连接原料和产品的桥梁。生物反应器有多种型式，以下主要讨论固定床和流化床生物反应器。
固定床生物反应器又可分为填充床反应器、滴流床反应器和固态发酵 (以不溶于水的固态底物作为微生物生长的碳源和能源并在无游离水或接近无游离水的情况下所进行的发酵过程) 器。为了提高液相和固相催化剂之间的传递系数，必须使液体高速地通过床层，可以采用液体物料循环的方法，对于需氧的细胞反应，则氧气一般先进入培养基储罐并溶解于培养基中，如果空气直接通入反应器，则容易造成气泡聚并而产生气穴，形成沟流和不均匀分布现象。对于反应过程中产生大量CO2的细胞反应，一般不宜采用填充床反应器。
对装有生物催化剂的填充床，由于其液体的流动速度较慢，其Re值一般较小，压力损失主要来于液体与颗粒的表面摩擦，此时 ΔP=150μLμS(1-ε)2L/(dP2ε3) ，可以看出提高床层空隙率、增加颗粒粒度和降低床层高度有利于降低床层压降。
流化床反应器的主要操作参数是流体的流速。流态化的最低流速称为最小流化速度或起流速度。随着流体流速的提高，床层开始从固定床到流化床转化。若流体为气体，当床层不均匀流化时，还可能出现鼓泡流化、腾涌和沟流等不正常的流化状态。对于一般的流化床流化数W=1.5—10,当反应速率较低、催化剂颗粒较小时，则宜采用较低的操作速度，反之则宜采用较高的操作速度。
固定床反应器主要应用于以固定酶为催化剂的葡萄糖异构化、青霉素选择性水解反应和氨基酸消旋混合物的选择性反应分离以及以固定化细胞为催化剂的固定化酵母生产乙醇和废水的生物处理等，而流化床反应器主要用于废水处理过程以及乙醇、青霉素的生产和固定化动物细胞的培养。在设计流化床反应器时需要①保证适宜的流体流量以同时满足实现流态化和达到预定反应程度的要求。②对气-液-固三相流化床反应器，必须控制适宜的气泡尺
寸，以保证氧气的传递速率。③控制合适的剪应力，以避免细胞等从固定化颗粒上脱落或对颗粒造成机械损伤。④固定化颗粒与液体要有一合适的密度差。
参考文献：谭天伟 《生物化学工程》 化学工业出版社 2008 03 P51-101 戚以政 汪叔雄 《生物反应动力学与反应器》 化学工业出版社 2007 09 P265-295 潘家祯 《过程原理与装备》 化学工业出版社 2008 08 P362-363 371-374
固定床和流化床生物反应器
化91 赵松 2009011832
摘要：固定床反应器的主要特征是反应物料连续流动并通过静止不动的固定化生物催化剂的床层，优点：实现了连续或重复使用生物催化剂提高生产效率，便于分离产品与催化剂，具有较高的反应速率与转化率，反应器结构简单易放大；缺点：床层阻力较大，床层温度、PH不易控制，易产生沟流。流化床反应器是通过流体的流动而使固定化颗粒在流体中保持为悬浮状态即流态化状态下进行催化反应的装置，主要特征为固体颗粒与流体的均一混合物可作为拟流体处理，优点：反应器具有较好的混合、质量和热量传递性能，较小的床层压降，物性参数易控制，提高了催化剂的效率；缺点：对催化剂及其载体的强度要求较高，操作稳定性差，最佳操作条件的范围较窄。
关键词：固定床反应器 传递系数 固态发酵反应器 传热特性 流化床反应器 腾涌 沟流 操作速度 流化数 床层压降
正文：20世纪40年代，由于解决了高效通气搅拌供氧和大型反应器灭菌技术，微生物发酵工业进入一个新的发展阶段 ，生物化学工程由此诞生并取得了飞速发展。随着生物技术的飞速发展，又利用数学、化学反应工程的原理与方法进行生物反应过程的研究，使反应过程的操作控制更加合理，新型生物反应器不断涌现，而生物反应器是生物反应过程的核心设备，要求它能为进行各种生物反应过程提供良好的反应环境和条件。由于生物反应的多样性和反应过程的复杂性生物反应器虽然形式多种多样但仍不能适应生物反应过程的多种需求，其生产效率并不高。为了掌握生物反应器的基本特性和设计放大，有必要对生物反应器的操作模型、传递与混合特性和设计与放大等方面进行分析讨论。
利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器。生物反应器是生物反应过程的主要设备，在生物反应过程中发挥中心作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，也是连接原料和产品的桥梁。生物反应器有多种型式，以下主要讨论固定床和流化床生物反应器。
固定床生物反应器又可分为填充床反应器、滴流床反应器和固态发酵 (以不溶于水的固态底物作为微生物生长的碳源和能源并在无游离水或接近无游离水的情况下所进行的发酵过程) 器。为了提高液相和固相催化剂之间的传递系数，必须使液体高速地通过床层，可以采用液体物料循环的方法，对于需氧的细胞反应，则氧气一般先进入培养基储罐并溶解于培养基中，如果空气直接通入反应器，则容易造成气泡聚并而产生气穴，形成沟流和不均匀分布现象。对于反应过程中产生大量CO2的细胞反应，一般不宜采用填充床反应器。
对装有生物催化剂的填充床，由于其液体的流动速度较慢，其Re值一般较小，压力损失主要来于液体与颗粒的表面摩擦，此时 ΔP=150μLμS(1-ε)2L/(dP2ε3) ，可以看出提高床层空隙率、增加颗粒粒度和降低床层高度有利于降低床层压降。
流化床反应器的主要操作参数是流体的流速。流态化的最低流速称为最小流化速度或起流速度。随着流体流速的提高，床层开始从固定床到流化床转化。若流体为气体，当床层不均匀流化时，还可能出现鼓泡流化、腾涌和沟流等不正常的流化状态。对于一般的流化床流化数W=1.5—10,当反应速率较低、催化剂颗粒较小时，则宜采用较低的操作速度，反之则宜采用较高的操作速度。
固定床反应器主要应用于以固定酶为催化剂的葡萄糖异构化、青霉素选择性水解反应和氨基酸消旋混合物的选择性反应分离以及以固定化细胞为催化剂的固定化酵母生产乙醇和废水的生物处理等，而流化床反应器主要用于废水处理过程以及乙醇、青霉素的生产和固定化动物细胞的培养。在设计流化床反应器时需要①保证适宜的流体流量以同时满足实现流态化和达到预定反应程度的要求。②对气-液-固三相流化床反应器，必须控制适宜的气泡尺
寸，以保证氧气的传递速率。③控制合适的剪应力，以避免细胞等从固定化颗粒上脱落或对颗粒造成机械损伤。④固定化颗粒与液体要有一合适的密度差。
参考文献：谭天伟 《生物化学工程》 化学工业出版社 2008 03 P51-101 戚以政 汪叔雄 《生物反应动力学与反应器》 化学工业出版社 2007 09 P265-295 潘家祯 《过程原理与装备》 化学工业出版社 2008 08 P362-363 371-374