第一章 生物反应器设计基础
生物反应器原理
生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备，它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备，用于控制和模拟生物活性环境，以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下：1. 控制环境参数：生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数，可以提供一个适宜的环境，促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体：根据所需的反应类型，选择合适的生物体，如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基：在生物反应器中，需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程：生物反应器中的反应过程可以分为两种类型，即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应，而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求，生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用：1. 批量反应器：批量反应器是最简单的生物反应器类型，适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物，控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器：连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出，使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器：内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度，以增加反应效率。
4. 固定床反应器：固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体，可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器：喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
生物反应器课程设计 (2)(DOC)
生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）姓名：钱靖班级：生工2101学号：3102107134时间：2013年11月18日指导老师：项驷文葛飞第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在大、中、小型啤酒厂家600多家，2003全国啤酒总产量已超过2200万吨，现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
当前世界各地用的比较多的是圆柱锥底发酵罐。
由于我国新建啤酒厂不断上马，都纷纷设计采用大型露天圆柱锥底罐，一些老厂家扩建和技术革新也都在发酵罐方面做了大的改进，圆柱锥底罐的采用仍是主流。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物反应器的设计
机械性能：材料应具备足够的强度和韧性，以承受生物反应器中的压力和振动。
热稳定性：材料应能在生物反应器所需的工作温度下保持稳定，不易变形或分解。
定义：材料与生物体的相互作用关系，包括材料对生物体的适应性、安全性和有效性
重要性：生物相容性是生物反应器设计中的关键因素，直接关系到产品的质量和安全性 考虑因素：材料的化学稳定性、物理稳定性、生物活性、无毒性和可加工性等 常用材料：不锈钢、钛合金、硅橡胶、高分子材料等
微藻生物反应器：利用微藻光合作用生产生物燃料和有用物质，具有高光能利用率、 生长快速的优点。
智能化控制：通过先进的传感器和算法实现生物反应器的智能化控制，提高生产效率和降低能耗。
新型生物反应器设计：开发新型生物反应器，如光合生物反应器、微藻生物反应器等，以满足不断增长的需求。
生物反应器集成化：将多个生物反应器集成在一起，实现连续化、规模化生产，提高生产效率。
生物反应器的设计应考虑反应速度、产物 浓度、细胞生长和产物形成等多个因素。
生物反应器的基本类型包括微生物反应器、 动物细胞反应器和植物细胞反应器等。
生物反应器的应用范围广泛，包括医药、 食品、化工和环境保护等领域。
按照微生物的种类分类：厌氧反应器、好氧反应器等 按照操作方式分类：分批式反应器、连续式反应器等 按照搅拌方式分类：机械搅拌反应器、气流搅拌反应器等 按照传热方式分类：自然散热反应器、强制散热反应器等
传热系数：提高传热系数可以有效降低能耗，常用的方法包括改善流体流动状态、增加湍流 等。
生物反应器的操作 优化
温度优化：选 择适宜的温度 范围，以提高 生物反应的效
率
溶氧浓度：调 整溶氧浓度， 以满足微生物
《生物反应器》PPT课件
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
《生物反应工程》课程笔记
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
生物工程设备1.1 生物反应器设计基础
基质消耗过程的热平衡：
碳源+O2
Ⅱ呼吸途径
Ⅰ完全氧化途径
△HS △H C
CO2+H2O
Ⅲ细胞氧化途径
CO2+H2O+细胞
微生物细胞μ max值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μ max 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
无抑制的细胞生长动力学
• Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)：
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。
• 基质抑制动力学 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：
式中
细胞比生长速率μ为：
kCxs ,而 max kCx总
K S C XS C C C XS XS S CS KI
∵
C x总 C X C XS C XS 2
∴
∴
对竞争性抑制，细胞比生长速率为：
对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：
图2.5 氧从气泡传递到细胞的示意图
双膜理论： （1）气泡中的氧通过气相边界层传递气-液界面上 （2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。 （3）在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。*** （4）在液相主体中进行传递。 （5）扩散通过生物细胞表面到液相滞流层传递进入生物细胞内。***
氧传递方程式
过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、 葡萄糖酸、乳酸的生产等。
Ⅰ
图2.2 Gaden类型Ⅰ
产物形成动力学：
类型Ⅱ(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有
间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬 酸和氨基酸的生成。 类型Ⅲ (非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系， 产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代 谢产物的生成。
生物反应器原理 ppt课件
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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24
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
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结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
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YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
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(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
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生物工程设备教学大纲
生物工程设备教学大纲《生物工程设备与实验操作技术》教学大纲【课程名称】《生物工程设备与实验操作技术》【课程类别】专业基础课【教学时数】 72 学时【课程学分 4学分【开设专业】生物制药、生化制药【开设学期】第五学期【选用教材】《生物工程设备与实验操作技术》.黄亚东.中国轻工业出版社，2008.8.【参考教材】1(梁世中《生物工程设备》北京:中国轻工业出版社，2002，22(段开红《生物工程设备》北京:科学出版社，2008，23(鲍新华《生物工程》北京:化学工业出版社，2008，7【教学性质和目的】本学科为校企合作开发的高职教育教材，较为全面地阐述了生物工程操作原理及典型设备，旨在培养生物技术应用领域高技能应用型专门人才。
全书共分为四篇，第一篇为原料预处理设备，主要包括原料的筛选与分级设备、粉碎设备、水处理系统及设备、空气除菌设备、培养基制备设备;第二篇为生物反应器，主要包括生物反应器设计基础、通风发酵设备、厌氧发酵设备、固态发酵生物反应器、动植物细胞培养反应器、酶反应器、生物反应器的放大与参数检测;第三篇为产物分离提纯设备，主要包括细胞的破碎与分离设备、沉降设备、过滤设备、离心分离设备、压榨设备、膜分离设备、萃取设备、液体吸附设备、浸出设备、离子交换设备、蒸发设备、结晶设备、干燥设备、蒸馏设备;第四篇为附属设备，主要包括物料输送设备、设备与管道的清洗与灭菌、产品包装设备及制冷设备。
【课程的基本要求】《生物工程设备与实验操作技术》是一门实践性很强的课程，要求学生在学过生物工程类基础课的基础上，通过本课程的学习，了解生物工程操作的基本概念和基本原理，掌握典型设备的结构、工作原理、性能特点、操作要点、选用及保养方法，并懂得运用所学知识和技能分析、分析和解决生物工业生产中的一般性技术问题，同时培养学生的工程意识、职业意识和责任意识。
【各章节内容及学时分配】备注(教学方法如:一般讲授，课堂讨论，章节教学内容学时作业，实际操作等) 第一篇一般讲授、课堂讨论、作业原料预处理设备 12 第二篇一般讲授、课堂讨论、作业生物反应器 30产物分离提纯设第三篇一般讲授、课堂讨论、作业 20备第四篇一般讲授、课堂讨论、作业附属设备 10合计 72第一篇，原料预处理设备第一章原料的筛选与分级设备【目的要求】1(掌握磁力除铁器的结构和工作原理;筛分的基本概念;常用筛分设备的操作要点 2(熟悉精选机的结构和工作原理;常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用 3(了解磁力除铁的意义和方法;物料粒度分布的测定方法;【教学重点、难点】重点:磁力除铁器的结构和工作原理难点:常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用【教学内容】第一节原料的除铁设备第二节原料的精选设备第三节物料筛分设备第二章粉碎设备【目的要求】1( 掌握原料粉碎的目的和意义;常用粉碎设备的结构和工作原理 2( 熟悉物料粉碎机理;常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项 3( 了解粉碎操作在生物工业中的应用;粉碎方法的分类;粉碎设备的选择【教学重点、难点】重点:常用粉碎设备的结构和工作原理难点:常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项【教学内容】第一节粉碎的基本概念和理论第二节常用粉碎设备第三章水处理系统及设备【目的要求】1.掌握生物工业中常用的水处理方法;常用水处理装置的结构和工作原理 2(熟悉培养基制备对水的质量要求;常用水处理装置的特点及操作要点 3(了解水的质量分级及质量要求;根据水源状况及生产工艺要求明确水处理方法【教学重点、难点】重点:常用水处理装置的结构和工作原理难点:常用水处理装置的特点及操作要点【教学内容】第一节水质分级及水质要求第二节水的过滤装置第三节水的软化及脱盐第四节水的杀菌第四章空气除菌设备【目的要求】1(掌握生物工业生产对空气质量要求;染菌几率;典型的空气过滤除菌流程2(熟悉空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用 3(了解空气洁净度等级及要求;空气除菌方法;常用的过滤介质及特点【教学重点、难点】重点:典型的空气过滤除菌流程难点:空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用【教学内容】第一节空气除菌方法第二节空气过滤除菌流程第三节空气过滤除菌设备培养基制备设备第五章【目的要求】1(掌握淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;培养基连续灭菌设备的结构及灭菌过程2(熟悉淀粉质原料间歇蒸煮糖化设备结构、特点;培养基制备中间灭菌设备、固体培养基制备中的润水设备的结构及操作要点3(了解蒸煮锅数量的确定方法;糖蜜稀释器的类型与结构【教学重点、难点】重点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;难点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;【教学内容】第一节淀粉质原料蒸煮与糖化设备第二节糖蜜稀释器第三节淀粉水解制糖设备第四节培养基灭菌设备第五节固体培养基制备设备第二篇生物反应器第一章生物反应器设计基础【目的要求】1( 掌握生物反应器的化学计量与动力学基础;生物反应器的质量传递与热量传递2( 熟悉生物反应器的特点及作用3.了解生物反应器的含义和分类方法【教学重点、难点】重点:生物反应器的化学计量与动力学基础难点:生物反应器的质量传递与热量传递【教学内容】第一节生物反应器概述第二节生物反应器设计基础第二章通风发酵设备【目的要求】1( 掌握种子罐空实消的操作要点;机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点2( 熟悉培养箱的使用注意事项;种子培养罐的结构及特点;轴封的作用及结构;常用联轴器的形式;自吸式发酵罐的结构及充气原理2( 了解培养箱的结构特点;影响带升式发酵罐性能的主要因素;塔式发酵罐的特点;文氏发酵罐的结构、工作机理及优缺点【教学重点、难点】重点:机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点难点:升式发酵罐、塔式发酵罐、文氏发酵罐的特点与结构、工作机理及优缺点【教学内容】第一节菌种培养设备第二节机械搅拌通风种子培养罐第三节机械搅拌通风发酵罐第四节其他通风发酵罐第三章厌氧发酵设备【目的要求】1( 掌握密闭式酒精发酵罐的结构、特点及操作要点;酵母扩大培养罐的结构及操作要点;啤酒锥底罐的结构、特点、安装及使用要求2(熟悉酒精捕集器的作用、类型、工作原理及结构;糖蜜原料制酒精连续发酵的设备组成、特点及操作要点;啤酒大直径露天贮酒罐和朝日罐的结构及特点 3(了解淀粉质原料制酒精连续发酵的设备组成、特点;啤酒连续发酵特点、流程及设备组成。
生物工程设备复习大纲
1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。
可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
答：1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供氧。
优点：高生产效率，高经济效益。
2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
特点： 1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。
缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。
4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
1－轴封 ； 2、20－人孔；3－梯； 4－联轴；5－中间轴承； 6－温度计接口；7－搅拌叶轮； 8－进风管；9－放料口； 10－底轴承；11－热电偶接口； 12－冷却管；13－搅拌轴； 14－取样管；15－轴承座； 16－传动皮带；17－电机； 18－压力表；19－取样口； 21－进料口；22－补料口； 23－排气口；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
d1 生物反应器设计基础91
稳定期
微生物的生长造成了营养物的消耗和有生 理毒性的代谢物质在培养基中的积累， 以及其它条件（pH值和氧化还原电位等） 对微生物不利的变化， 生长速度降低，繁殖数跟死亡数逐渐趋于 平衡，从而进入恒定期。
稳定期的特点：
细胞分裂速度降低 细胞质内积累细胞存贮物，如糖原、脂肪、 PHA等 产芽孢的细菌在此时产生芽孢 此时期因菌种和培养条件而异（如需要可 延迟）
细胞数动力学 生长动力学过程 产物形成动力学 高浓度基质及产物的抑制动力学
细胞数动力学
(Ⅰ.延迟期， Ⅱ.对数期， Ⅲ.稳定期， Ⅳ.衰亡期)
微生物生长的测定
平皿活菌计数法 血球板计数法 比色法 细胞干重法 细胞堆积体积的测法
延迟期
细胞内必须诱导产生新的营养物运输系统 参与初级代谢的酶必须调节好适应外界的环境
对数期菌体倍增时间td（代时）
dX/dt=ｕX 积分得 ln(X/Xo) =ｕt td=ln2/ｕ 一般，细菌td为15~60min, 酵母为 45~120min ，霉菌为2~8小时。
细菌种类 大肠杆菌（Escherichia coli） 大肠杆菌（Escherichia coli） 产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes） 产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）
ｕ=(ｕmaxs/ks+s)e-kp
ｕ=(ｕmaxs/ks+s)[KI/(KI+P)] ｕ=ｕmax(1-P/Pmax)
环境因素对生长及代谢的影响 热量
pH
P12：图1.1.4
dX/dt=(ｕ-kd)X dX/dt=(Ae(-Ea/RT) - Ae(-Ed/RT) )X
生物反应器
生物反应器设计的基本原理
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。 1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度， pH和温度 应的哪一阶段大量生成、适宜的 pH和温度 ， 是否好氧和 易受杂菌污染等。 易受杂菌污染等。 确定适宜的反应器形式。 2、确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 4、传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 5、通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 7、检验与控制装置。 安全性。 8、安全性。 经济性。 9、经济性。
式中 为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h] [L/h]； F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； 下标i 分别表示相应的细胞、 下标 i 、 j 和 k 分别表示相应的细胞 、 基质和产 下标ƒ表示基质的流加流量。 物,下标ƒ表示基质的流加流量。 当采用分批式操作时,Fƒ=F=0；采用流加式操 当采用分批式操作时,Fƒ=F=0； ,F 作时， ƒ≠F=0 采用连续式操作时,F =F≠ F=0； ,Fƒ 作时，Fƒ≠F=0；采用连续式操作时,Fƒ=F≠0
t
S in
生产能力P 三、生产能力Pr
反应器生产能力P 反应器生产能力Pr（productivity）的定义是单 ） 位时间、单位反应器体积内生产的产物量。 位时间、单位反应器体积内生产的产物量。 分批式操作中， 分批式操作中， 12） （7-12） 式中P 为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。 式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。 连续式操作中， 连续式操作中， 13） （7-13）
生物反应器
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生物 反应器 生物 反应器
• 生物反应器潜在的社会价值是 无可估量的。在未来几年内， 将有多种动物乳腺生物反映器 重组蛋白上市，从而形成市场 前景广阔和利润巨大的新生物 制药行业。
张 鑫
王 吟
霍 博 超
目
录
• • • • • 概念 动物反应器 微生物反应器 植物反应器 家蚕反应器
概
•
念
生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或 体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装 置系统、细胞、组织器官等等。 生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。 生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能， 设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。或者 说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有 的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种 生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反 应器等。
家蚕 反应器
桑蚕生物反应器主要有两种形式
1.转基因桑蚕(transgenic silkworm) 2.杆状病毒表达载体系统(Baculovirus Expression Vector System,BEVS)。
技术
力量
• 国内现有技术力量包括中科院上海生化与细胞研 究所、浙江理工大学、浙江大学、中山大学、中 科院武汉病毒所、中国农科院、南京大学、西北 农业大学等单位已基本建立工作基础。 • 中科院上海生化所在昆虫（家蚕）杆状病毒系统 和高效表达载体等上游工作具有较强优势。浙江 理工大学在家蚕生物反应器生产基因工程口服药 物及产业化和家蚕蛋白功能组学研究积累许多工 作基础，“家蚕生物反应器生产生物制品的方法” 获得了2004年国家技术发明二等奖。
• •
植物
《生物工程设备》生物反应器设计基础
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四、高浓度基质及产物的抑制动力学
• 非常高的基质浓度可以抑制细胞生长和产物合成， 如以葡萄糖作为碳源，则发酵开始时的浓度一般不 大于150g/L，如果大于350g/L则使大部分微生物不 生长。这种现象称为基质抑制（非竞争性抑制） ， 通 剂常 的可 平用衡下常式数表）示: （Ks和Kl 分别为饱和常数和抑制
生物反应器设计基础
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生物工程设备
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内容
• 概述 • 第一节 生物反应器的化学计量基础
• 第二节 生物反应器的生物学基础
• 第三节 生物反应器的质量传递
• 第四节 生物反应器的热量传递
• 第五节 生物反应器的剪切力问题
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生物工程设备
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概述
• 1.生物反应器（bioreactor）是指以活细胞或酶为生物 催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备， 可分为细胞反应器和酶反应器两大类。
• 当获得这些参数之后，就可以建立各种生物模型， 从而知道生物反应器的设计。
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一、细胞数动力学
生物反应动力学模型
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在指数生长期
• dX/dt =μX 式中，X—细胞浓度，g/L；
μ—微生物比生长速率, h-1； t—时间，h 。 • 设发酵开始时细胞浓度为X0 , 则积分上式得
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2. 其他生长动力学曲线
• Monod方程只是描述在生长慢、细胞浓度低的情 况下的基质限制生长。而在高细胞数水平下，有 毒代谢产物变得更重要。
生物反应器设计课件
VL）（a J
）
G
高黏度流体的适当通气是非常困难的，在这些情况下需要多叶 片搅拌器及特殊设计的搅拌叶。
1.3 生物反应器的质量传递
三、气体搅拌生物反应器的质量传递
1. 鼓泡塔
从结构及操作的观点看，鼓泡塔是最简单的一种反应器，属于气体 搅拌反应器的种类。它们是简单的容器，容器内气体喷人液体中，没有 运动部件，容器内物料搅拌所需要的所有能量及培养所需要的氧均由喷 人容器中的气体(通常为空气)提供。
1 Yxs
1 Y m ax
xs
ma
qs
Ymax
qp Ymax
ma
xs
xs
基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要 工具。在设计的过程中速率是进行人为预测的，而培养的 过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。
1.2 生物反应器的生物学基础
一、细胞学动力学
细胞在分 批间歇式培养 的过程中，其 生长过程主要 分为了四个阶 段，分别为停 滞期、对数期 、减数期以及 衰退期。图为 典型的生长曲 线。
一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最 后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质 和反应程度。
化学平衡式可表示为：
CH mOl aNH 3 bO2 YbCH pOnN（q 生物量） YpCH rOS H t(产物） cH 2O dCO2
这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的 产率，氮和氧的需求量分别用系数a和b表示，所产生的水 和二氧化碳系数分别为c和d。
max/（1 ks/S）（1 S/k1)
竞争性抑制：
maxS/ ks (1 S/k1) S
1.2 生物反应器的生物学基础
五、 环境因素对生长及代谢的影响
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教材及参考文献
教材：
《生物工程设备》 梁世中 主编 轻工业出版社
参考文献：
《发酵设备》 高孔荣
轻工业出版社
《发酵工程与设备》 四校合编 轻工业出版社
《抗生素生产设备》 俞俊棠 化学工业出版社
《发酵生产设备》 刘雁然 轻工业出版社
《生化工程》
伦世仪 轻工业出版社
《啤酒工程原理及设备》 吴佩倧 江西科学技术出版社
4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些
原则： ⑴在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接
连通； ⑵尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引
起法兰连接外移位，从而导致污染； ⑶在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接
点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； ⑷防止死角、裂缝等情况； ⑸某些部分应能单独灭菌； ⑹易于维修； ⑺反应器可保持小的正压。
第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的化学计量基础 生物反应器的生物学基础 生物反应器的质量传递 生物反应器的热量传递 生物反应器的剪切力问题
生物反应的特点
首先生物反应存在活细胞，在反应中可将它看作催化 剂；
其次，由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求， 使得参与反应的成分很多；
一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是： 该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、 成本低 生物反应器设计的重要方面包括： 1）改善生物催化剂； 2）好的过程控制； 3）好的无菌条件； 4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传 递）等。
3.按反歇式生物反应器
4.按反应器结构特征分：罐式、管式、塔式、膜式等
5.按能量的输入方式分： 机械搅拌式
气流搅拌式
液体环流式
6.按容积分类 0.5m3以下的是实验室发酵罐 0.5-50m3 是中试发酵罐 50m3以上是生产规模的发酵罐
绪论
一、基本概念 二、发展过程 三、生物反应器的分类 四、生物反应器设计的目标和原则
一、基本概念
生物反应器是指为一个特定生物化学过程 的操作提供良好而满意的环境的容器。
工业发酵中一般指进行微生物深层培养的 设备
在有些情况下，密闭容器，简单容器
二、发展过程
1）1900年以前，木制容器造酒 2）1900~1940年，钢制发酵罐，开始使用
法兰连接
5、生物反应器开发的趋势和未来方向
（1）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定 向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术
（2）改进生物反应器的传质、传热的方法
（3）生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的 放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反 应器在最佳条件下操作成为可能
发酵工程设备
主讲人：田亚红
思考： 什么是发酵工程设备？ 生物过程包括那些设备？
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
空气
细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
一
除菌
CO2等
检测和控制
般
生
生物反应器
化
原材料
培养基 灭菌
冷却水
产物预处理
反 应
过
产品提取精制
程
产物
副产物
废物
辅助设备 物料处理与培养基制备、无菌空气制备 发酵液预处理设备（过滤和离心设备） 产品提取与精制设备 核心部分是什么？ 生物反应器
5）1979~今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、 干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向 大型化和自动化发展.
三、生物反应器的分类
1.按代谢要求分：
厌氧生物反应器（酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发 酵罐）
通气生物反应器（搅拌式、气升式、自吸式等）
2.按所用的生物催化剂的不同分：
酶催化反应器和细胞生物反应器
平衡式：
C
1=Yb+Yp+d
N
a=qYb+tYp
O
1+2b=nYb+sYp+c+2d
H
m+3a=pYb+rYp+2c
2. 维持定义
1/YXS=1/YmaxXS+ms/μ
式中: YXS——生物量对基质的得率；
YmaxXS——得率最大值；
ms——维持系数；
μ——比生长速率。
若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：
空气分布器，机械搅拌开始应用 3）1940~1960年，青霉素，通风，无菌操
作， 纯培养等一系列技术开始应用，计算 机用于发酵控制，产物分离纯化商业化。
国外发酵工业的发展概况（19世纪以前）
4）1960~1979年，机械搅拌通风发酵罐的容 积增大到80~150m3，出现压力循环和压力 喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问 题，计算机广泛应用.
大型发酵罐
动物细胞反应器
氨基酸生产设备
液态深层白醋发酵设备
1，采摘————2，破皮去梗———3，酒槽浸皮发酵——4，榨汁、前发酵
葡萄酒的酿制工艺
5，橡木桶发酵————————6，窖藏———————7，澄清装瓶
四、生物反应器设计的目标和原则
1、一个优良的生物反应器应具备的条件： 生物反应器的作用： 为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细 胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量 或代谢产物。
第三，生物反应的途径通常不是单一的，反应过程常 伴随着生成代谢产物的反应，受到多种环境因素的影 响。
一、生物反应器的化学计量基础
1.生化反应方程式
CHmO1+aNH3+bO2 YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt（产
物）+cH2O+dCO2
其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。
（4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因 产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应 器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发 研制已获得广泛重视
（5）降低设备投资方面，对连续过程更加重视。
本课程研究内容
第一章 绪论 第二章 生物反应器设计基础 第二章 物料处理与输送设备 第三章 液体培养基的制备及灭菌设备 第四章 通风发酵设备 第五章 嫌气发酵设备 第六章 过滤、离心与膜分离设备 第七章 蒸发与结晶设备