2022年流态化在生物工程中的应用.docx

精品学习资源1991 年国内讲学， AchemAsia 9大2 会报告流态化技术在生物工程中的应用欧阳藩 讨论员中国科学院化工冶金讨论所, 生化工程国家重点试验室一九九一年五月二十五日流态化（ Fluidization ）作为一门技术，第一应用于冶金和化工，而后有了很大的进展，深化到各个工业和生活领域； 在生物技术走向产业化的进程中，人们很快就发觉了流态化这一新技术的内在潜力于以特殊重视；近十年来越来越多地留意应用于生物工程的发酵、动植物细胞培育、生物质转化、生物污水处理、生物能源等等；流态化技术是将固定状态的固体颗粒，通过气体固体、 液体固体、 气体液体固体的相互组合成流淌体系流态化体系，从而给加工、生产、操作、输送等带来很多优越性；流态化的主要优点为：颗粒流淌平稳、类似液体，可连续自控操作，且易于处理；固体颗粒快速混合，温度匀称，操作简洁易掌握；无机械转动部件，易于大规模放大；床内传质、传热速率较高， 单位设备生产效率高；使固定的固体颗粒流态化是这一技术的基本特点， 一般流态化床颗粒从外部外形可分为球形、 法规、几何形（如结晶）、无定形、片状、丝状等；从颗粒切面可分为匀称实心、简洁包心、多孔状、丝网状、层状等；但在生物加工过程中常常遇到的颗粒是：单个细胞、细胞群、聚凝细胞团、丝状细胞、固定化酶（或细胞）颗粒（球形、柱形、无定形等），可见生物工程的流态化所接触到的颗粒要复杂多；具有生命力的微生物、动物或植物细胞可以看作为微观尺度上的“反应器”，它可以从其环境中提取原料以用来自我繁植和加工，合成能储存在细胞里或分泌出来的相当珍贵的产品；很多生物反应和过程发生在相界面上，而受到表面的影响，如离子穿过膜的挑选性传递，抗体抗原作用， 细胞蛋白合成及神经经脉冲刺激传输，都是通过界面的高效率过程；表面作用在某些动物细 胞培育与生产生物产品中起到重要作用；用大规模动、 植物细胞培育生产外泌型生物产品，表面作用和界面效应不清可能导致产物产率低甚至杂交瘤细胞逆转；生物工程中的问题有它的特殊性，第一遇到的颗粒是生命的个体、集合体或固定化载体； 在微生物发酵中特殊强调溶氧量、氧传递系数；1986 年我们在研制新型反应器中强调了：随着基因工程与细胞工程产品生产及发酵工业的高密度发酵和半固态发酵中，值得引起我们特殊重视的是液固传递和固体内部的传递；几年来的实践进一步证明了我们这一想法；养分物通过细胞膜的传递有三种主要机理：被动传递、活化传递、 易化传递（或叫载体中间传递） ；被动传递是营氧物借助一般的扩散传递，被动传递发生在浓度梯度方向 （也就是从高浓度到低浓度）， 不需附加能；活化传递是养分物从低浓到高浓的扩散（逆浓度梯度），需要附加能量（代谢能）；易化传递是养分物， 依靠附加载体分子通过细胞膜的传递；可见生物工程的传递过程特别特殊又极为重要；欢迎下载精品学习资源一般说来，单一生产线的规模越大，产品的成本越小，因此需要大型反应器；但随之而来的问题是需供应特大的能量、冷却水和将庞大的热量带出，更困难的是能量、溶氧、碳氮源（培育基）和其他培育物的快速匀称分布和传递，这是一个特别困难的问题，传统的搅拌反应器是无法办到的；另外除经济和技术缘由外，仍有生物学因素，猛烈的机械剪切力往又有损于细胞和引起生理特性的变化，因此开发出很多新型反应器；在新型反应器讨论开发中，流态化技术应用最广； 如气升式、 喷射式、 鼓泡式、 循环床、 锥形床、柱形床、磁场流化床、振荡流化床、旋转流化床、离心流化床等等；下面就中国科学院化工冶金讨论所生化工程国家重点试验室研制胜利的几种典型应用介绍如下：1、气升式生物反应器气升式反应器可分为内循环和外循环两类，内循环式即同心提升菅式、一般有正向流、 逆流和带“七五”攻关中国科学院化冶所和华南理工高校等研制胜利的“100m3 气升双环流谷氨酸发酵反应器”，采纳气升双环流，为了使通风比与机械搅拌罐相近，而又进一步提高Kd 值，设置内部构件及米勒板导流筒，有效地改善了反应器内部的传质过程及混合特性；研制中采纳数学模型放大方法，以 Kd 值为基准（ Kd>2.31 × 106mol/min.mlatm ）综合考虑生物反应与反应器内传递过程的关系；第一进行了 50 升、 200 升热试和冷模试验，确定反应结构和放大数学模型，然后通过了3m3 反应器中间试验验证，一次放大100m 3 工业反应器，并在周口味精厂配套成一条生产线，一次开车胜利；在该厂同样菌种和原料的条件下，与机械搅拌罐相比，相对产酸提高10%（最高达17%以上），相对糖酸转化率提高12%（最高达 20%以上），发酵能耗以每吨谷氨酸计可节约30.7%，取得了显著效益；该反应器无机械转动元件，加工修理便利，易于掌握，生产稳固，无噪音，易于放大、设计与加工；至今推广应用40 余台，其中 300m3 四台用于衣康酸发酵生产；2、用于高粘度培育的生物发酵反应器短梗霉多糖发酵醪液粘度达到1,000cp，黄单孢多糖发酵醪液粘度达到13000cp，均呈非牛顿流体性质， 是低塑性流体；一方面在搅拌浆邻近剪应力最大，离开桨叶就快速削减，另一方面流体在桨叶邻近很小范畴内粘度相当低，但离开桨叶粘度剧增；因此混合和传递现象只在桨叶邻近很小的区域内较好，用传统的机械搅拌罐能耗高，气液传质差，转化率难于提高；近年来研制胜利内循环或内、外循环气升式反应器；欢迎下载精品学习资源短梗霉多糖内循环气升式反应器通过 200 升扩试和3m3 的中试；高粘度气升式发酵反应器中心 管面积较大，有较大循环量，有利 气液混合；中心管分如干段，强化 液体循环和整体混合， 强化传递速度；由于分段内循环比外循环易于 操作， 下部气体分布器实行特殊结构有利于粘性介质中气体分数，增加界面传质面积， 该反应器与传统机械罐相比， 3m 3 中试结果碳源转化率可提高15%以上，发酵成本可降低 28%；黄单孢多糖采纳气提环流反应器， 采纳高气速强化了非牛顿流体的传质混合过程， 发酵周期由 72小时缩短到48 小时，节约成本25%；3、固定化细胞流态化反应器国内针对发酵法生产酒精，已开发磁场流态化床、 外循环流态化床、循环移动床、 絮凝悬浮流化床、无机多孔载体固定床、 振荡筛板流化床、漂浮流化床、锥形流化床等 多种形式；有五种反应器已完成0.5m3 以上的中试 ， 酒精终浓度>9%92%，设备生产才能 >12Kg/m 3·hr ；发酵周期短、速度快，为传统间隙发酵时间的1/7 1/8；乙醇生产才能比传统间隙发酵高 10 20 倍，比传统流加发酵高 5 6 倍；最简洁的流态化反应器，是外循环流态化反应器， 固定化细胞颗粒由特地的制粒设备制备，颗粒粒径匀称， 球型度好颗粒在流化状态下增殖酵在增殖过程中由匀称分布到形成一壳层，并有少量细胞游离和死亡； 固定化酵母颗粒在反应器内的流态化状态依靠于外循环液体速度大小；外循环速度愈大， 床层膨胀愈猛烈，床层间隙率也愈大；反之，床层间隙率就愈小；外循环液经循环泵和流量计，从反欢迎下载精品学习资源应器的底部流体分布器进入反应器；发酵产生的CO2 气体随着上流的流体从反应器顶部逸出；液体存留在反应器内，经换器换热后再循环使用；原料为糖密，不经蒸煮及其他处理，内含有肯定量的胶体物质等杂质，在流态化反应器中较简洁地被排除，不会发生堵塞，保证了反应器正常操作；由于循环量比进料量大20 倍左右，流态化床内液体流淌属于全混模型，为保证设备生产才能和终端糖转化率采纳了三级串联；4、固定化细胞磁场流态化反应器固定化颗粒采纳包埋法将微生物与磁粉共包埋，在酒精发酵中采纳海藻酸钠和软磁性材料粉末及酵母菌共包埋制备成13mm 的磁性颗粒；磁性颗粒流态化床中， 当施加一个与流体流淌方向相反的磁场于床层时，磁性颗粒在磁场流化床中受力情形是：F=F G+F H-FB-FD这里， FG 重力， FH 磁场力， FB 浮力， FD 曳力， 当 F>0 颗粒向下运动， 当F 0 颗粒向上运动；调剂磁场强度， 可掌握部分漂浮粒子的上浮，因此在磁场流化床中， 初始流态化速度可大于一般流化床，同时由于磁场作用可以使到气泡破裂而使气液固三相床内气泡保持较小匀称的气泡，在酒精发酵中由于磁力对颗粒作用，液体很易将反应产生的二氧化碳带出，使床层保持稳固的操作；磁场流化床是在流化床底部加一磁性线圈，为了增加导磁率， 在底部加一大于颗粒数倍的不锈钢网，当线圈通电时磁性颗粒沿磁场，相互吸引形成沿磁力线的链，假如这时磁性颗粒间作用足够大，这些链将横跨铁丝小网孔而架桥，阻挡住颗粒落下 （但流体可以通过）此时分布板像固体阀门一样起到开关的作用， 当电流断开时，磁场消逝，颗粒自由落下；所以通过掌握电流大小或开关的时间脉冲宽度比，就可达到掌握颗粒流率的目的；当流体以足够大的速度向上通过聚结固体层时，聚结在上部的颗粒将被流体所流化，且随着流化速度的增加， 床层匀称地膨胀；在流化床的下部有一层受磁场、重力、曳力作用疏松排列的颗粒层作为流化床的分布板； 由此可见磁场掌握的固体加排料阀又可作为分布板，因此称之为磁场溢流分布板MDD （Magnetic Distributor Downcomer ），利用 MDD 可以很简洁组成多层流态化床；固体加排料的速率可以通过掌握磁线圈的电流大小或开关频率来掌握；磁场流态化床在固定化酒精发酵中同样进行了中试得到了抱负的结果；在转变固定化载体和菌种可适合于不同的生化过程；5、振荡流态化反应器振荡流态化反应器是为了适应利用微珠载体大规模培育动植物细胞的需要，亦解决固定化增殖酵母发酵生产酒精过程中生成的CO2 气体附着在酵母载体表面，导致发酵过程操作条件恶化等问题而研制的一种新型流态化生物反应器；有关振荡流态化现象的讨论近20 年，但应用于生物反应器就为近年之事；多相流态化体系中振荡操作，可使重颗粒沉降速度和轻颗粒、气泡上升速度减慢， 以至在无净流量的垂直振荡液固体系中， 液体的周期振荡可使重颗粒逆重力场达到向上流态化和轻颗粒逆浮力向下流态化；欢迎下载精品学习资源振荡流体不但可增加非连续相的接触时间，改善相间传热、 传质效率， 并可稳固流态化床层结构， 使一些较难流态化的颗粒系统易于流化；振荡流态化生物反应器的流淌状况基本上接近于活塞流，但亦有微循环和平行流存在，提高液流振荡频率可增加液相返混程度，但总的来说轴向返混是较小的；在液体流速低于正常初始流态化速度，且振荡频率较低时， 床层犹如一个未松散的活塞与液体一起振荡、床层并没有松散，随着频率的增加床层开头膨胀，间隙度逐步增大，直接达到流化状态；在固定化酵母发酵酒精中，由于振荡流化床颗粒与流体之间的相互作用较强，发酵反应产生并附着在颗粒表面的CO2 气体较易脱离颗粒表面，形成0.50.6cm 大小气泡快速排出反应器，大大降低了发酵反应的传质阻力，使床层处于稳固状态，因此用于酵母增殖和发酵速率都比一般流化床要高；6、贴壁动物细胞气升式大规模培育反应器动物细胞贴壁培育生产乙脑疫苗，用动物细胞在微载体上繁衍生长和气升式流态化反应器，研制胜利 50 升反应器，细胞密度可达到10 10 ，797/ml ，接病毒后，连续多次取病毒液，病毒滴度达到10已申请专利；另外，气升式反应器用于植物细胞培育规模达到100 升；7、工业酶制剂的流态化成型干燥碱性蛋白酶是加酶洗衣粉的重要添加剂，初始的第一代加酶洗衣粉是将喷雾干燥后的碱性蛋白酶粉（一代酶）机械地混合到一般洗衣粉中制得；生产中粉尘污染环境对人体皮肤造成损害，且产品易发生离析分层，组分不匀称，易失活，不易储存；后改为颗粒酶制剂（二代酶），近年又将颗粒酶涂膜包裹（三代酶）使酶活性储存期长；传统方法是挤压成型（颗粒）、干燥、喷酶、包膜、多台设备多段进行；使用流态化技术就可将过程大大简化；化冶所研制胜利的流态化床造粒干燥涂膜设备，在工艺方面直接使用浓缩酶液以硫酸钠粉料为载体，连续地制得胶囊包裹类型的第三代酶颗粒、酶活力高、 活力稳固、 收率高、 工艺流程简洁， 完成了中试， 中试结果颗粒酶： 视比重 0.6 0.75g/cm ，活力 1000050000u/g ，含水量 2%，水溶性 40 50 秒，全溶于水，酶活力收率95%，半年储备活力储存 >95%， 设备生产强度 204Kg/m 3· hr；新型流化床制粒干燥设备，是由制粒段和涂膜段， 两段流态化床耦合而成；在制粒流化床中引入 旋转气流干燥， 促成了成粒和强化了传递过程，排料处配置了自动气力分级装置，可以便利地调控所要求的产品粒度， 使长大到要求的粒度的颗粒准时地排入涂膜段进行涂膜，未长大到要求的粒度的颗 粒在床内连续常长大； 由于床层中颗粒粒度分布较宽，一般采纳锥形喷动床结构改善物料的运动；由于产品粒度要求肯定的粒度范畴，因此在排料处， 需设置特殊的分级结构自动气力分级器，在分级气流作用下， 床层中已长大到所要求粒度的颗粒在重力作用下，从分级管中排出即为产品，小于所要求粒度的颗粒就在分级气流作用下重新带入床层连续长大；现已完成中间试验（10 40 公斤小时） 图 17 结果说明：由浓缩液到制成酶颗粒呈淡黄色，存活率达98%，颗粒粒度可以掌握，分布较窄， 符合洗涤剂中添加酶颗粒要求，颗粒表面涂膜匀称复盖好，设备效率高，投资少，生产费用低；8、多糖载体流化干燥器欢迎下载精品学习资源短梗霉多糖溶液属假型性非牛顿流体，亲水性强，成膜性好，对金属、塘瓷、玻璃、木材等材料均有强的粘结力；在加温干燥过程中，表面生成膜壳，猛烈抑制内部水分的蒸发，干燥速度很慢；对微生物多糖后处理，国外一般采纳传统的高速离心、真空浓缩、乙醇沉淀流程；此法酒精耗量大，工序繁琐成本高，仅乙醇耗量就占成本的 40%左右；新工艺采纳絮凝除菌体超滤浓缩流态化干燥的后处理工艺流程； 超滤浓缩得到的短梗霉多糖发酵提纯液， 直接喷入载体流态化床；流态化床为锥形床，载体为堕性载体；热空气从下部肯定方向方式引入床层， 料液在载体上经受成膜干燥自碎过程而得到精制干粉；载体颗粒在床层循环湍动，大大强化了传递过程， 增加了液膜干燥面积，提高了设备的干燥才能和容积蒸发强度；床层无分布板，压降低，整套装置无任何机械转动部件；载体一次性加入，无需补充；该设备结构简洁、操作平稳；中试结果，产品回收率达到92.9%，容积蒸发强度达到22.39Kg/m 3· hr，产品含水量 5%；本干燥装置的容积蒸发强度高达22.39Kg/m 3·hr ，比丹麦 Anhydro1 旋流式雾化干燥塔的溶积蒸发强度高 10 倍；每吨干粉成本比Anhydro1 降低 53%；9、生物反应器的放大这是一个极其重要但又特别困难的工作；反应器放大常用方法有三种: 体会放大、半体会放大和数学模型放大；数学模型放大， 在微型热装置中进行反应和反应动力学讨论，同时在大型冷模反应器中进行反应 器流淌和传递过程讨论，分别得到相应的数学模型，然后利用运算机进行数字试验，进行反应器的优化设计， 确定肯定规模的中间试验，来验证和修改反应器设计放大的数学模型，最终进行工业或半工业反应器设计； 这是利用现代化学工程的讨论方法，进行生化反应器的讨论开发； 优点是放大倍数大， 放大工作耗资少，易于试验工业自动化掌握，虽然国内仍处在起初阶段，但近五年来进展很快，上述反应器的研制多数采纳这一方法，下面列举一些实例：目标产品及反应器放大过程放大倍数实效柠檬酸发酵机械搅拌罐摇瓶 250ml ）-500l 罐-50m 3罐2000 倍-100倍工业试验一次胜利谷氨酸气升式发酵罐固定化细胞发酵酒精流态化反应器高粘度发酵反应器50l 热模 3m3 中试 -100m3工业试验1L 热模 0.7m3 中试60 倍-30 倍700 倍中试一次胜利 ,工业试验一次胜利中试一次胜利30L 热模 -300L热模扩试-3m3 中试10 倍扩试胜利 , 中试一次胜利有关动力学模型和反应器流淌，传递过程模型已有一些论文报导，但因由于成果与效益问题，有关数学模型放大的方法和数据均未报导；当然国内仍在起步阶段尚需进一步讨论和进展；参考文献：（略）欢迎下载精品学习资源7欢迎下载