2第二章 生物反应器设计基础1
2第二章 生物反应器设计
（4）啤酒发酵形式
上面发酵:发酵时酵母上浮,发酵终结很久才部分 下沉
下面发酵:发酵时酵母浮游于发酵液中,发酵完后 酵母即下沉,酵母可重复使用5-7次
上下面发酵工艺区别主要是发酵温度的差异 啤酒种类 起始温度 最高温度 最终温度 上面啤酒 10-15 15-25 5-7 下面啤酒 6-8 8-12 3.5-5
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（五）发酵罐冷却面积计算
发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：
式中 Q—总的发酵热（ J/h ） K—传热总系数 J/（m2·h·℃）
△tm—对数平均温度差 , ℃
F—冷却面积（ m2 ）
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冷却水耗量的计算
由热平衡方程式得： QA＝QB
式中
QA——酒精或其他发酵产品的总发酵热(J／h) QB——冷却水带走的热量(J／h)
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主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却 水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
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传热总系数K值的确定 选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为
53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并 同时进入冷却水，则水在管内流速为：
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冷却面积和主要尺寸
原理：用泵使发酵液通过文 氏管吸气装置，由于液体在 文氏管的收缩段流速增加， 形成真空而将空气吸入，并 使气泡分散与液体均匀混合 ，实现溶氧传质。
优点：吸氧的效率高，气、 液、固三相均匀混合，设备 简单，无须空气压缩机及搅 拌器，动力消耗省。
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（三）溢流喷射自吸式发酵罐
吸气原理 用泵将发酵液从发酵罐的底部提升到罐顶的溢流口，液
体由于自重通过溢流管向发酵罐跌落，形成抛射流，由 于液体表面层作用，使靠近流体表面的无菌空气气体边 界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用 ，并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,使 氧溶解在发酵液中的，这是溶氧阶段。发酵液进入发酵 罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它 气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大 向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时， 发酵液又从发酵罐底部被泵打入循环管，开始下一个循 环。
生物反应器设计基础
ln(C X C X 0 ) = µt L (2.9)
由式2.9，得倍增时间td：
ln 2 ln 2 td = = L (2.10) µ µ max
微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax 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。
C : N : O : H :
1 = Yb + Yp + d a = qYb + tYp 1 + 2b = nYb + sYp + c + 2d m + 3a = pYb + rY p + 2c LL (2.1)
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S = 生成代谢产物的质量 ∆P ＝ 消耗基质的质量 − ∆S
基质的细胞得率Y 基质的细胞得率 x/s与比生长速率的关系
•比生长速率µ：生长速度大小的参数。
rx = dC X dt = µC X L(2.3)
•维持的定义：
1 YX / S
＝
1 Y
max x/s
与化学反应器不同， 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： 些原则： • 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 已灭菌部分与未灭菌部分之间 连通； 连通； • 尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起 尽量减少法兰连接 因为设备震动和热膨胀， 法兰连接， 法兰连接外移位，从而导致污染； 法兰连接外移位，从而导致污染； • 在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点 在可能的条件下，应采用全部焊接结构 全部焊接结构， 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； • 防止死角、裂缝等情况； 防止死角、裂缝等情况； • 某些部分应能单独灭菌； 某些部分应能单独灭菌； • 易于维修； 易于维修； • 反应器可保持小的正压。 反应器可保持小的正压。
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
第二章生物反应器
机械搅拌槽式反应器
反应器内的三类主要装置： 混合装置——物料混合；破碎和分散气泡；悬浮固相 物料。 通气装置——导入氧气 传热装置——冷却或加热
搅拌装置
生物反应器中常使的搅拌器型式有：螺旋桨、平桨、
涡轮桨、自吸式搅拌桨和栅状搅拌桨等。另外，翼型 桨也已开始广泛应用于发酵生产，并取得较好效果。
CSTR型与CPFR型反应器的组合
以反应器最小体积为目标，当Cx<Cx opt时，采用 CSTR有利，当Cx>Cx opt时，采用二者串联有利。
半间歇式操作的反应器
底物连续或分批加入，产物一次性或分批排除。 优点是反应物浓度可调控 适用于多种生物反应类型
半间歇操作过程： 补料分批培养：开始培养时，培养液没有一次性加足， 在培养一定时间后，根据培养液营养成分的消耗情况 将部分营养成分连续加入反应器内（称之为补料）， 培养结束后一次性全部放出。
流动特性
升、降液管中气含率不同导致的流体密度差是流体循
环的主要动力，通气率大小是影响流体速度的重要因 素。 升、降液管的横切面积相对大小对循环速度也产生影 响。
循环速度？
升液管内氧含量丰富，细胞生长旺盛；降液管氧含量
下降，易产生缺氧。 液体微元体在反应器内循环一周所需时间为一个循环 周期，
底物指数流加模型
加入基质速率随时间呈指数变化 控制策略是控制基质浓度在反应过程中保持恒
定
浓度不变时的底物衡算式：
F(t)与t成指数关系
反应-分离偶合操作的反应器
解决产物抑制问题。 两种类型：加入分离剂；外部分离器。 反应-膜分离偶合 反应-萃取偶合 选择分离介质的偶合过程 气提和减压分离的偶合过程
生物反应器的设计和操作
生物反应器的设计和操作生物反应器是一种能用于培养和生长生物体的设备，其主要作用是提供良好的物理和化学环境，以便支持生物体的生长和代谢过程。
该设备广泛应用于生物技术、制药、食品、环境保护等领域。
本文将讨论生物反应器的设计和操作，以及其在不同领域的应用。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计是关键，因为不同的生物反应器设计可以影响反应器中生物体的生长和代谢过程。
生物反应器的设计主要包括反应器的形状、大小、材料、通气设计、搅拌方式、控制系统等。
以下是几种不同类型的反应器设计。
1.批式反应器批式反应器是一种简单的设备，其主要特点是在生物体培养的过程中，将其置于一定的体积容器中，并在反应器中输入所需的营养物质，然后等待生物体代谢反应结束，最后通过输送系统将反应物和产物分离。
该设备主要用于研究生物体在不同环境中的生长和代谢过程，并可进行小规模的实验研究。
2.连续式反应器连续式反应器是一种连续操作的设备，其主要特点是在反应器内循环送入新的营养物质，同时排出产物，以维持特定的反应条件并支持生物体的生长和代谢。
该设备主要用于大规模生产特定生物产品，并可用于生产食品添加剂、药品等产物。
3.滑动床反应器滑动床反应器是一种床式反应器，其主要特点是选择性的材料在床层之间“滑动”，其生物催化效益优于床式反应器。
该设备主要用于分离和提纯生物产品，以及在环境保护中用于污水处理等应用。
二、生物反应器的操作为了确保反应器的正常运行，需要进行反应器操作的一些重要参数控制。
生物反应器的操作主要包括控制反应器的温度、PH值、氧气浓度、搅拌速度等，以维持反应器中生物体的最佳生长和代谢状态。
1.温度控制温度是影响生物体生长和代谢过程的关键因素之一。
保持温度在特定范围内，有助于减少生物体在不适宜温度下的死亡和繁殖，提高生物反应器的效率。
2.PH值控制PH值是反应器中酸碱度的测量单位，其值变化可能会导致生物体死亡或生存能力下降。
因此，在生物反应器中，需要通过添加PH调节液，以保持反应器中恰当的PH值范围。
生物反应器设计及控制技术
生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。
随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。
本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。
容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。
2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。
搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。
3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。
气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。
4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。
温度控制通常包括加热和冷却系统。
反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。
5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。
作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。
6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。
混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。
二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。
开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。
这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。
三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。
生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
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3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
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结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
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(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
3
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间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
生物反应器的设计与调控
生物反应器的设计与调控生物反应器是一种生物化学过程的控制设备，它用于支持微生物或细胞在合适的条件下进行生长和代谢。
设计和调控生物反应器是生物化学和生物工程的重要组成部分，可用于生产各种生物制品，如药物、化学品和食品等。
本文将讨论生物反应器的设计与调控的具体内容。
一、生物反应器的设计在设计生物反应器时，需要考虑以下因素：1. 生物反应器类型：生物反应器分为不同类型，包括批量、序批和连续反应器等。
批量反应器是最简单的反应器，能够容纳固定量的反应物，并且在其内部进行反应一定的时间。
序批反应器具有某些批量反应器的特性，但它的特点在于在反应过程中不定期地喷加反应物。
连续反应器则是连续供应反应物和排出废物，用于稳定持续反应。
2. 反应器尺寸：反应器尺寸取决于所需的产量、响应时间和生产成本等因素。
反应器越大，反应的转化率和平均质量流率就越高，但所需的起始资本和维护成本也越高。
3. 反应器配置：反应器通常由一系列装置组成，包括泵、搅拌器、加热器、传感器和控制器等。
这些装置的配置应根据反应器类型和所需的反应条件来选择。
4. 操作环境：生物反应器必须处于适宜的操作环境中，包括良好的通风、恰当的温度和湿度等。
此外，在生物反应器中使用化学药剂和重金属等有害物质应特别注意，应配备相应的安全设备和安全培训。
二、生物反应器的调控生物反应器的调控主要涉及以下几个方面：1. 生物反应器控制体系：生物反应器中的自动控制体系能够对反应器的运行进行自动化处理，以开展生产线自动化管理。
控制体系由数控设备、信号系统和软件组成，可以根据生产流程进行编程和控制，实时检测反应器的运行状况，并反馈调整参数以获得所需的反应条件。
2. 控制参数：反应器中的关键控制参数包括pH值、温度、营养物质和氧气供应等。
pH值和温度可以通过加热器和调节中和化合物和酸度-碱度级别实现控制。
营养物质包括氮、磷、钾、镁等，可通过添加相应的营养物质来控制反应器中物质的浓度，使生物体获得良好的生物学营养素。
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。
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）
生物反应器的设计原理及操作方法
生物反应器的设计原理及操作方法生物反应器是生物工程中的关键设备，它能够控制微生物在特定条件下进行生长、代谢、分化等过程，从而生产出预期产品。
本文将介绍生物反应器的设计原理及操作方法，帮助读者更好地了解生物反应器的基本原理和操作技巧。
一、生物反应器的设计原理1.1 选择适当的基质生物反应器是利用微生物代谢产生生物产物的过程，所以选择适当的基质是其首要设计原理。
基质中必须包含微生物所需要的营养物质，并能够满足微生物的生长和代谢需要。
选择基质时需要考虑微生物的菌种、培养温度、pH值等因素，以便为微生物提供最适宜的生长环境。
1.2 确定反应器的类型生物反应器的类型有很多，根据微生物的生长形态分为培养皿式反应器和悬浮式反应器。
培养皿式反应器主要用于附着生长的微生物，例如细胞培养、细菌单克隆发育等；悬浮式反应器则适用于浮游性微生物的培养和生产，例如发酵类的生产。
同时还需要根据需求确定反应器的大小和形状，以便满足生产的需求。
1.3 设计反应器的操作参数反应器操作参数的设定是生物反应器的关键，可分为生化参数和物理参数。
生化参数是指液体中化学参数的设置，如培养基中的营养物含量、温度、pH值等；物理参数是指反应器本身的一些参数，包括搅拌速度、气体流速、曝气方式等。
通过合理的操作参数设置可以满足微生物生长的需要，提高产物的产量和质量。
二、生物反应器的操作方法2.1 准备工作生物反应器的操作需先做好准备工作。
包括清洗反应器和配件，制备适当的培养基、出气口等。
此外，还要仿制保证操作环境的洁净度，避免外界的干扰和微生物的污染。
2.2 下料对于悬浮式生物反应器，需要通过下料将培养基等物料加入反应器，形成生产过程中的培养环境。
此时需要注意下料的速度、流量和方法，以及下料口的位置和大小。
通过合理的下料操作可确保培养物质的分散及加入过程的平稳，避免对微生物产生不利影响。
2.3 搅拌操作搅拌操作是生物反应器中常用的操作方法。
通过合理的搅拌操作可使培养基中的营养物质和微生物充分混合，并避免其附着于反应器的内壁和底部。
《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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生物工程设备
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一、细胞数动力学
生物反应动力学模型
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生物工程设备
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生物工程设备
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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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生物工程设备
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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。
生物反应器的设计和实验方法
生物反应器的设计和实验方法生物反应器是一种常用的工业设备，用于生产生物制品和进行生物反应的实验。
它是一种容器，里面有适宜生物生长的环境，如温度、pH值、营养物质和气体等，能够维持生命的特定条件。
生物反应器的设计和实验方法可以分为以下几个方面。
一、生物反应器的设计1. 反应器的容量和形状反应器的容量和形状会影响反应的速率和效率，同时也会影响设备的大小和成本。
一般来说，反应器容量越大，反应的产量就越高，但对于实验室规模的反应器来说，容量不能太大，否则更难控制和操作。
反应器的形状也是需要考虑的因素，例如圆筒形或球形反应器比立方体反应器更易于混合。
2. 搅拌和气体通入搅拌可以帮助保持液体中的均匀性和增加反应速率。
气体通入则可以提供必要的氧气和CO2等，促进微生物生长。
搅拌和气体通入的方法取决于反应器的设计和具体反应的需求。
3. pH控制和温度控制pH控制也是生物反应器中的重要因素之一。
通过加入酸碱来调节反应液体的pH值，以维持对生物生长最有利的pH值范围。
温度控制也是同样重要的因素，反应温度的控制可以影响反应速率和产生的结果。
4. 选择培养基和微生物在生物反应器的设计中，选择适合的培养基和微生物是必须考虑的因素。
具体的选择需要根据反应器的容量、形状、温度、pH 等因素进行评估，同时还需要考虑微生物的特性和产物的要求。
二、生物反应器的实验方法1. 培养微生物在使用生物反应器前，需要先进行微生物的培养。
通常将微生物接种于培养基中，然后在摇床上进行预培养。
预培养时，需要调节温度、气氛和其他条件，以适应后续实验的要求。
2. 装载反应器装载反应器时需要注意, 反应器内的流体应该达到适当的深度，以确保搅拌均匀，同时保证良好的气体通入和出口。
3. 实验操作在反应器中进行实验操作的过程中，需要对温度、pH和气体通入进行维持和监测。
也需要记录反应条件和所产生的产物。
在操作中需要注意卫生，避免微生物污染。
同时还需要采样，以确定反应进程的情况。
生物反应器设计基础
CX S C X总
＝
CS 2 K S CS CS KI
∴
max C S
K S CS C / K I
2 S
2.12
对竞争性抑制，细胞比生长速率为：
max C S
CS KS 1 K I CS 2.13
对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：
行再生产； (二) 在细胞反应过程中细胞的形态、组成、活性都 处于动态变化过程。
生物反应的质量衡算
• 细胞反应的元素衡算：
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等）
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S 生成代谢产物的质量 P ＝ 消耗基质的质量 S
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
rx dX dt μX 2.3
•维持的定义：
1 YX / S ＝ 1 Y
max x/s
ms
(2.4)
氧传递方程式
• 体积质量传递系数kLa：
质量传递比速率，在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的
气体。该系数由两项产生：(1)质量传递系数kL，它取决于流体的物理特性和 靠近流体表面的流体动力学； (2)通气反应器单位有效体积的气泡面积a。
• 质量传递系数kL：
质量传递系数是基质（或其他被传递的化合物）的质量通量Ns与推动这一 现象的梯度（浓度差）之间的比例因子：
生物反应器的设计和运行控制
生物反应器的设计和运行控制生物反应器是生物技术中最重要的设备之一，它能够在一定的反应条件下，将生物体内的化学反应不断进行并产生有效的产物。
生物反应器的设计和运行控制是生物技术领域研究的重点之一。
一、生物反应器设计中的关键要素1. 反应器选择生物反应器有许多类型，包括培养皿、摇瓶、滚筒、流加式等。
在设计反应器时，必须考虑实验需求，例如反应器的大小、温度控制、气体通量和搅拌速度等。
可以选择适当的反应器，如摇瓶适用于真菌或微生物的培养和扩增，滚筒适用于生物质转化、蛋白质表达等，流加式适用于产生低浓度微信分子。
2. 培养条件培养条件对反应器性能和输出产品的质量影响很大。
必须考虑环境因素，如气体浓度、酸碱度、温度、搅拌速度、空气湿度等。
在设定条件时，必须调整相关参数，以满足产物的需求。
3. 辅助设备针对不同的反应器类型和实验需求，需要选择适当的辅助设备，如压力传感器、温度控制器、搅拌器、氧气流量计和反应器用于搅拌或混合的装置等。
二、运行控制中的要点1. 测量数据的获取和分析反应物性、反应速率等信息可以通过传感器记录并获取。
控制系统定期收集数据，进行数据分析，发现问题并做好反应调整。
2. 温度控制温度对反应器性能具有很大影响，反应温度必须稳定且准确控制。
可以通过加热和降温控制，自动控制系统可以保证反应体内的稳定温度和较小的温度波动。
3. 流动速率控制在一些微生物反应器中，气体进出口的加入和流量调节是非常重要的。
流量控制可以通过选择合适的阀门、传感器和调节器等实现。
4. pH控制pH是影响生物反应器反应的主要因素之一。
定期采样和测量ph值可以保证反应的稳定性与有效性。
在ph值的控制过程中，可以选用使用溶液或酸碱控制器进行控制。
5. 氧气流量的控制氧气流量对于微生物的生长和反应非常重要，必须进行一定程度的氧气流量控制。
可以通过通气和压力控制器来实现。
三、生物反应器应用生物反应器广泛应用于化学制药、环保、食品生产、医药等领域。
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
第2章通风生物反应器
④机械方法和化学方法联合消泡
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
5.
空气分布装置
吹入无菌空气，使空气分布均匀。 单管式分布装置： 管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分 散效果较好。 环形管的分布装置：
单管式空气分布管
环管式空气分布管
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
下伸轴通风发酵罐
上伸轴机械搅拌反应器
密封措施之一：静环和罐体的密封（静密封）
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
密封措施之二：动环与轴的密封（相 对静止的密封）
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
密封措施之三：动环与静环之间的密封 （相对旋转密封）
上的外磁转子
组成。
5－内轴
平面隔离套
图2—37 平面式联轴器
1－外磁转子 2－内磁转子 3－隔离套 4－反应器筒体 5－轴承
套筒隔离套
图2—38 套筒式联轴器
机械轴封与填料函轴封相比优缺点
① 密封可靠。 ② 使用寿命长。 ③ 维修周期长。
④轴或轴套不受磨损。
⑤摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的10～50％ ⑥机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格。 ⑦ 适用范围广。 缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。
(5) 根据生物催化剂在反应器中的分布方式,分生物团块 反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动 状态又分为填充床,流化床,生物转盘等。
(6) 根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混
流和活塞流生物反应器。（见演示）
生物工程设备——第2章 生物反应器结构与计算
生物反应器原理与设计研究
生物反应器原理与设计研究生物反应器是利用生物体（通常为微生物或细胞）进行代谢活动的装置，是生物工程领域中的核心设备。
它通过控制和调节反应器内的生物过程，实现原料的转化和产品的制备。
本文将介绍生物反应器的基本原理和设计要点。
一、生物反应器的基本原理1.1 温度调控温度是影响生物反应过程的重要参数。
不同的微生物和细胞对温度的敏感性不同，通常在一定范围内，温度越高，反应速率越快。
因此，在生物反应器的设计中，需要根据不同反应物的要求，在合适的范围内控制温度。
1.2 pH调节pH值是指反应体系中水溶液所含氢离子的浓度。
微生物和细胞的生长和代谢过程对pH值非常敏感，对pH值的改变会影响其生长和产物的生成。
因此，生物反应器中需要通过添加酸碱溶液或其他缓冲溶液来调节反应体系的pH值。
1.3 溶氧控制溶氧是微生物和细胞生长和代谢的重要因素。
微生物和细胞通常通过氧气来进行有氧呼吸，产生能量和代谢产物。
因此，在生物反应器的设计中，需要保持适当的氧气供应，以满足微生物和细胞的需求。
1.4 搅拌与传质搅拌是为了保持反应器内各点的均质性和混合度，以使反应物和生物体之间充分接触和传质。
传质是指物质在液体中的迁移和扩散过程，对于微生物和细胞的生长和代谢非常重要。
生物反应器的设计中需要考虑搅拌和传质的方式和参数，以提高反应的效率。
二、生物反应器的设计要点2.1 容器选择生物反应器通常由耐酸碱、耐高温、耐压的材料制成。
常见的材料有玻璃、不锈钢、陶瓷等。
对于一些特殊的反应，还可选择具有特殊性能的材料。
2.2 反应器结构生物反应器的结构要考虑进料和出料的方便性，以及搅拌和传质的效果。
常见的反应器结构有完全混合型反应器、流态化床反应器、固定床反应器等。
不同的反应器结构适用于不同的反应体系。
2.3 控制系统生物反应器需要一个稳定的控制系统，以保证反应过程的稳定性和可控性。
控制系统应包括温度控制、pH控制、氧气供应控制等，可以通过自动化仪器和传感器来实现。
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1 1 Km 1 V Vmax Vmax CS
（1-12）
（2） Hanes-Woolf法（简称H-W法）
对L-B法的（1-12）式的等式两端同乘CS ，此种方法减少 了CS值过大或过小所带来的测量误差。
-1/K m=-0.0858
-0.1 -0.05
1/V 0 (L•min/ mmol)
7
6
5
4
3
斜率=K m/V max=23.100
2 1 截距=1/V max=1.981
0
0
0.05 0.1 0.15 0.2
1/C S (L/mmol)
采用Hanes-Woolf法，对实验数据回归，有 CS /V0 22.725 2.007CS
其中：k+3，k+3—反应速度常数 I，EI—抑制剂，酶-抑制剂复合物
基于稳定态理论，有
dCES dt
k1CE CS
k1CES
k2CES 0
（1-16）
dCEI dt
k3CE CI
k3CEI
0
总酶量为
CE0 CE CES CEI
（1-17） （1-18）
联立（1-4）、（1-16）、（1-17）、（1-18）式，有
dt dt
dt
（1-22）
总酶量为
CE0 CE CES CEI CIES
（1-23）
有非竞争性抑制的酶促反应动力学方程
V
(Km
Vmax CS CS )(1
CI KI
)
VmaxI CS Km CS
（1-24）
V
V max V maxI
无抑制剂 有非竞争性抑制剂
CS Km
12
1/V (mmol/Lh)-1
（3）酶以酶游离状态E和酶-底物复合物ES的形式存在，酶 在反应过程中总浓度不变；
（4）底物浓度比酶-底物络合物浓度要大得多。
根据反应的假设条件，可以看出Michaelis、Menten 所建立的酶促反应模型式建立在平衡的基础之上的，因 而称之为“平衡态理论”。
根据假设（1），有单一底物的酶催化反应 的反应速度：
第二节 均相的酶促反应动力学
1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程
1.1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程
Michaelis、Menten（1913）提出了单一 底物的酶反应模型，基本内容是：酶E的底物S 首先形成酶—底物复合物ES，在酶—底物复合 物ES的基础上反应生成产物P和酶E。反应式 如下：
V
Vmax CS
Vmax CS
K m (1
CI KI
)
CS
KmI CS
（1-19）
式中：KmI—竞争性抑制的表观M-M常数 KI—抑制剂的解离常数
KI
k 3 k3
（1-20）
V max 无抑制剂
有竞争性抑制剂
V
Km
CS
对有竞争性抑制的酶促反应动力学 方程（1-19）式取倒数得到
1 1 Km (1 CI ) 1
KI
VI ,max
K
' mI
Vmax Km
K
'
mI
1
Km CI
KI
1.2.4 高浓度底物抑制作用的酶促反应动力学
CS 1 Vmax
t
CS0 CS
Km Km CS0 CS
（1-15）
例：在pH5.1、15℃下所测定的用葡萄糖淀粉酶水解麦芽 糖的反应初速度V0如表所示。求这一酶促反应的动力学参 数Vmax和Km 。
表1-1 葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应初速度与底物浓度
CS（mmol/L） 5.55 8.33 11.11 13.89 16.66 22.22 27.77
1.2.1 竞争性抑制的酶促反应动力学
当反应物系中存在与底物的结构相似的物质，这一 物质也可能与酶的活性部位结合，形成非活性的复合物， 阻碍了酶与底物的结合，从而影响酶促反应，这种抑制 作用称为竞争性抑制。
竞争性抑制的机理为： E+S k+1 ES k+2 E+P k1 E+I k+3 EI k3
非竞争性抑制的作用机理为：
E+S k+1 ES k+2 k1
E+I k+3 EI k3
EI+S k+4 SEI k4
ES+I k+5 SEI k5
E+P
其中：k+4，k-4，k+5，k-5，—反应速度常数 I，EI—抑制剂，酶-抑制剂复合物
IES—底物、酶-抑制剂三元复合物 基于稳定态理论，有
dCES dCEI dCIE S 0
V0（mmol/ L·min） 0.163 0.211 0.241 0.276 0.301 0.339 0.347
解：采用Lineweaver-Burk法，对实验数据回
归，有
1
1
1.981 23.100
V0
CS
则
Vmax
1 1.981
0.505
(mmol/L min)
Km 23.100 0.505 11.661 (mmol/L)
0.4
0.3
0.2
斜率=-K m=-11.583
0.1
0
0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
V 0/C S (1/min)
1.1.4 酶促反应的反应级数 （1） 当CS远小于Km时 ，为一级反应
V
dCS dt
VmaxCS Km CS
Vmax Km
CS
（2） 当CS远大于Km时，为零级反应。
酶催化反应和化学催化反应的转换数大小的比较
催化剂
酶催化剂 菠萝蛋白酶 木瓜蛋白酶 胰蛋白酶 碳酸肝酶
化学催化剂 硅胶－氧化铝 硅胶－氧化铝 二氧化钒 二氧化钒
反应
肽的水解 肽的水解 肽的水解 羰基化合物的可 逆反应
转换数 mol/（中心点·S ）
4×10-3~5×10-1 8×10-2~1×10 3×10-3~1×102 8×10-1~6×105
dCES dt
k1CE CS
k1CES
k2CES
0
（1-7）
则
CE
k1 k2 k1
CES CS
Km
CES CS
其中 称作M-M常数
（1）
代入总酶量
CE0 CE CES
得
CES
CE0CS Km CS
将（1-10）式代入（1-1）式，有
V k2CE0CS VmaxCS Km CS Km CS
V
dCP dt
dCS dt
k2CES
（1-1）
式中：CP，CS——产物，底物的浓度 t——时间
根据假设（2）有
k1CECS k1CES
（1-2）
即：
CE
k1CES k1CS
Km
CES CS
（1-3）
式中：Km ——酶—底物复合物的解离常数
K m
k 1 k 1
根据假设（3），有：总酶量：
（1-4） （1-10） （1-11）
1.1.3 Michaelis-Menten方程的参数估计
对特定的酶促反应，其动力学的M-M方程中的Vmax和Km 是Lin该ew酶e促av反er应-B的urk特法征；参H数a。ne对s-VWmoaox和lf法Km；的E确ad定ie的-H方of法ste有e法 ； 积分法 等
V
dCS dt
VmaxCS Km CS
Vmax
（3） 当CS介于上述两者之间时 ，为0至1级反应
0.7
0.6
0.5
V max
一级反应
0.4
M-M反应
零级反应
V
0.3
V max/2
0.2
0.1
0 0 K m 50
100 15C0 S 200 250 300
1.2 有抑制作用的酶促反应动力学
V Vmax Vmax
KI CS
1 KmI 1 Vmax Vmax CS
（1-21）
1/V (mmol/Lh)-1
000010 000009 000008 000007 000006 000005 000004 000003 000002 000001 000000
有竞争性抑制剂 斜率=K mI/V max
CS Km CS
（1-13）
V Vmax Vmax
（3）Eadie-Hofstee法（简称E-H法）
将M-M方程重排得到 ：
V V Vmax Km CS
（1-14）
（4）积分法
用不同的酶促反应的时间t与其反应过程相对应的底物浓度之 间的函数关系通过作图或回归的方法确定酶促反应动力学参数。
ln CS 0
0
-15
-5
5
15
25
35
C S(mmol/L)
采用Eadie-Hofstee法，对实验数据回归，有
V0
0.503
11.583
V0 CS
则 Km 11.583 (mmol/ L)
Vmax 0.503 (mmol/ L min )
0.6 0.5 截距=V max=0.503
V 0 (mmol/Lmin)
E+S k+1 ES k+2 E+P k1
其中：k+1，k1，k+2——反应速度常数 E，S，ES，P——酶，底物，酶-底物复合物，产物