6生物反应器中的氧传递

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生物反应工程教学大纲

十堰职业技术学院生物化工专业生物反应工程课程教学大纲(60-70学时）马俊林编一、《生物反应工程》课程的性质和任务《生物反应工程》是一门以生物学、化学工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。

生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。

根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。

生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。

生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。

二、《生物反应工程》课程的基本要求通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。

理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。

掌握微生物反应过程的质量和能量衡算；动植物细胞的生长模型与培养条件。

熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。

三、讲课内容1、绪论教学内容：生物反应工程研究的目的；生物反应工程学的形成与沿革；生物反应工程的研究内容与方法；生物反应动力学；生物反应器；生物反应过程的放大与缩小。

教学要求：熟练掌握生物反应工程的概念，生物反应工程的研究内容与方法；理解生物反应工程研究的目的；了解生物反应工程学科的形成与沿革，生物反应过程的放大与缩小。

教学重点：生物反应动力学和生物反应器。

教学建议：教学中注意和化学反应动力学及化学反应器进行比较。

2、酶促反应动力学教学内容：酶促反应动力学的特点；酶的基本概念；酶的稳定性及应用特点；酶和细胞的固定化技术；酶促反应的特征。

生物反应工程(知识点参考)

名词解释1，返混:不同停留时间的物料的混合。

2，双膜理论:作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。

一种关于两个流体相在界面传质动力学的理论3，构象改变:在分子生物学里，一个蛋白质可能为了执行新的功能而改变去形状；每一种可能的形状被称为构象，而在其之间的转变即称为构象改变。

4，分配效应:分配的马太效应（Matthew Effect），是指好的愈好，坏的愈坏，多的愈多，少的愈少的一种现象。

5，酶的固定化技术:酶固定化技术是通过物理或化学的方法将酶连接在一定的固相载体上成为固定化酶，从而发挥催化作用。

固定化后的酶在保持原有催化活性的同时，又可以同一般催化剂一样能回收和反复使用，可在生产工艺上实现连续化和自动化，更适应工业化生产的需要。

6，结构模型:就是应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型.7，固定化酶:水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。

在催化反应中以固相状态作用于底物。

8，停留时间:又称寄宿时间，是指在稳定态时，某个元素或某种物质从进入某物到离开该物所度过的平均时间。

9，恒化器：一种微生物连续培养器。

它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。

这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。

而恒浊器反映的是细胞浊度（浓度）的恒定。

10，恒浊器：一种连续培养微生物的装置。

可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而使微生物高密度的以恒定的速度生长。

11，生物反应工程：一个由生物反应动力学与化学反应工程结合的交叉分支学科。

着重解决不同性质的生物反应在不同型式的生物反应器中以不同的操作方式操作时的优化条件12，连续灭菌：就是将配制好的培养基在通入发酵罐时进行加热,保温，降温的灭菌过程，也称连消。

13，间歇灭菌：在100℃条件下，灭菌30分钟，间隔24小时再重复操作三次。

生物反应工程原理复习题答案

生物反应工程原理复习题答案一、选择题1. 生物反应器的基本类型包括：A. 搅拌槽式B. 填充床式C. 流化床式D. 所有以上选项2. 微生物生长的四个阶段包括：A. 滞后期B. 对数生长期C. 稳定期D. 衰减期E. 所有以上选项3. 以下哪个不是生物反应器操作模式？A. 批式操作B. 连续操作C. 半连续操作D. 周期性操作二、填空题1. 生物反应器的设计通常需要考虑_________、_________和_________三个主要因素。

2. 在生物反应器中，_________是用来描述微生物生长速率的参数。

3. 微生物的代谢途径可以分为_________代谢和_________代谢。

三、简答题1. 简述批式操作和连续操作的区别。

2. 描述生物反应器中氧气传递的重要性及其影响因素。

四、计算题1. 假设一个生物反应器的体积为1000升，其中微生物的浓度为5克/升。

如果微生物的比生长速率为0.2/小时，计算1小时内生物量的增长量。

2. 给定一个流化床生物反应器，其气体流量为1000升/分钟，气体中氧气的体积分数为21%。

如果反应器的体积为5立方米，计算在30分钟内氧气的总传递量。

五、论述题1. 论述生物反应器中混合和传质的重要性，并举例说明如何优化这些过程。

2. 分析在工业生产中，为什么需要对生物反应器进行规模放大，并讨论规模放大过程中可能遇到的挑战。

六、案例分析题1. 某制药公司使用生物反应器生产抗生素。

在生产过程中，他们发现微生物的生长速率突然下降。

请分析可能的原因，并提出解决方案。

2. 一个废水处理厂使用活性污泥法处理工业废水。

请根据活性污泥法的原理，分析废水处理过程中可能出现的问题，并提出改进措施。

七、实验设计题1. 设计一个实验来评估不同搅拌速度对微生物生长速率的影响。

2. 设计一个实验来测定生物反应器中氧气的溶解度。

八、结束语通过本复习题的练习，希望能够帮助学生更好地理解和掌握生物反应工程的原理，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。

生物反应器的原理及类型

2、宏观流体和微观流体
习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。
宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的，它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等均可认为是宏观流体。
牛顿型流体：符合牛顿黏性定律的流体
当n=1，τ0=0 τ=μγ（牛顿黏性定律）
非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可分为以下几类：
A、宾汉（Bingham）塑性流体
τ=τ0+μγ
（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）
例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液
如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增加氧传递速度。
四、剪切力对生物反应的影响
1、剪切剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为
N/m2或Pa。剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程
中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面，且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。
微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动，此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。

第六章生物反应器中的传质过程

(2)在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡(空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态)，即界面上不存在氧传递阻力。
(3)在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到阻力仅存在于两层滞流膜中。
气液界面附近氧分压与浓度的变化如图6—3所示。
发酵过程中，有的微生物以菌丝团(或絮状物)的形式生长繁殖，这时，基质必须通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用是同步进行的。当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的，且反应速度与基质浓度呈正比时，产物的生成速度和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞的相应速度。为克服发酵过程中的扩散限制，可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。
利用氧电极进行kLa的测量有多种方法，动态法是常用的方法之一。通风培养液中氧的物料衡算为：
有多种经验方程来描述非牛顿型流体的流变特性，其中最简单的形式是指数律方程。
6．1．2 发酵液的流变学特性
发酵液中的主要成分是菌体，因此，发酵液流变学特性受菌体的大小和形状的影响。一些稀薄的细菌发酵液，以水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液，为噬菌体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状菌(霉菌或放线菌)悬浮液不同于细菌和酵母菌悬浮液，菌丝呈丝状或团状。
另外，发酵液黏度的改变会影响液体的湍动性、界面张力或液膜阻力等。图6—1 是黏度对不同过程影响的示意图。由图 6—1可知，了解发酵液流变学特性的变化(特别是黏度变化)，对掌握生物反应过程传质与混合特点，进而改进发酵过程控制工艺条件及生物反应器设计都有重要意义。
6.1.1 流体的流变学特性
微小颗粒(如菌体)悬浮液的黏度是多种因素的函数，除依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、表面特性等因素影响。在霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅度变化。例如，青霉素发酵液的屈服应力与刚性系数都随发酵时间的增加而增大。发酵后期与前期相比，刚性系数可增加近百倍，表观黏度明显增加。

气提生物反应器工作原理

气提生物反应器工作原理气提生物反应器（Gas-lift bioreactor）利用气体提升原理来加强液相循环以实现更好的生物反应效果。

其工作原理如下:1. 液相循环: 反应器中注入的气体通过管道进入反应液底部，与液体发生置换作用。

气体的进出可以通过控制阀门来调节。

当气体进入反应液底部时，由于气体密度比液体小，气液两相之间形成固定的界面，气体通过气液界面进入反应液。

进入液相的气体会形成气泡并向上浮动。

2. 液相混合: 气泡的上升过程中会带动液相发生对流，从而实现液相的混合。

气泡的上升速度越快，液相的对流效果越好。

3. 氧气传递: 气体中的氧气可以通过气泡与液相接触实现氧气的传递。

氧气会从气体相迁移到液相，而产生的废气会通过气液界面排放出反应器。

4. 压力控制: 反应器中的气泡会推动液体向上流动，从而形成液相循环。

通过调节反应器的气体进出速度和流量，可以控制液相的循环速度和压力。

适当的液相循环可以增强气液传质效果，提高反应的速率和效率。

总之，气提生物反应器通过气体提升和液相循环来实现液相混合和气体传质，从而提高生物反应的效果。

该反应器适用于生物工程和生物技术领域中的生物转化、发酵等反应过程。

5. 控制气体供给：气提生物反应器中的气体供给量需要根据反应物的需求进行调节。

通过控制供气速率和气体进出阀门，可以控制反应器内的气体浓度和压力，以满足反应过程对气体的需求。

6. 改进传质效果：气提生物反应器通过气泡的上升和液相的循环，改善了液相中的气体传质效果。

气泡的上升速度较快，可以保持气液界面的新鲜区域，进一步促进气体的传递到液相中。

同时，加强的液相循环可以减小气泡间的液相流动阻力，提高气液传质效率。

7. 降低气泡尺寸：为了提高气液界面的面积，并增强气体传质效果，气提生物反应器通常会使用小尺寸的气泡。

较小的气泡具有较大的表面积，可以增加与液相接触的机会，从而促进气体的传递和反应的进行。

8. 应用范围广泛：气提生物反应器由于其优秀的反应效果和操作灵活性，广泛应用于生物领域的多种反应过程，如生物发酵、废水处理、生物催化等。

教学生物反应器设计与操作考核试卷

C.气液接触面积
D.反应器内压力
11.生物反应器设计时，以下哪些因素会影响细胞的氧气供应？（）
A.反应器类型
B.搅拌速度
C.培养基粘度
D.氧气分压
12.以下哪些是生物反应器操作过程中的常见污染源？（）
A.空气中的微生物
B.未充分灭菌的培养基
C.操作人员的手
D.反应器材料表面的污染物
13.以下哪些生物反应器适用于生产疫苗？（）
2.动物细胞培养反应器注重无菌条件、氧气供应和细胞保护；微生物发酵反应器侧重于混合效率和代谢物控制，设计上更注重发酵条件。
3.通过监测和控制溶解氧浓度，维持适宜的氧气供应，以促进细胞生长和代谢。可通过调整搅拌速度、增加通气量或使用氧气饱和的培养基来实现。
4.放大问题包括混合效果下降、传质限制和细胞生长不均等。解决策略包括优化反应器设计、使用更高效的控制系统和逐步放大以适应细胞生长条件。
C.减少不必要的照明
D.选用合适的反应器材料以减少热量损失
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.生物反应器设计时，需要考虑的主要因素包括反应器类型、生产规模、__________和__________等。
2.在动物细胞培养中，常用的生物反应器类型有搅拌式反应器、气升式反应器以及__________反应器。
A.搅拌速度
B.反应器体积
C.培养基粘度
D.反应器材质
19.关于生物反应器操作，以下哪个环节可能导致细胞死亡？（）
A.培养基配制
B.反应器清洗
C.反应器灭菌
D.细胞接种
20.下列哪个参数不是生物反应器操作过程中的关键参数？（）
A.温度
B.溶解氧

生物反应器工作原理

生物反应器工作原理生物反应器的工作原理生物反应器是一种能够利用生物转化过程进行生产的设备，它可以支持和促进生物体内的生化反应。

生物反应器一般由反应容器、搅拌装置、温控系统、通气系统等组成，其工作原理依赖于生物体的生长、代谢和微生物的作用。

1. 生物反应器的基本原理生物反应器是为了在控制条件下促进生物体内的生化反应而设计的。

它提供了一个适合于生物体生长和代谢的环境，以支持其在反应器内进行所需的生化反应。

关键因素包括温度、满足生物体需要的底物和营养物质、pH值的维持和氧气的供给等。

2. 温控系统温控系统是生物反应器中的一个重要组成部分，它通常由温度传感器、加热装置和温度控制器组成。

通过感测反应器内的温度变化，控制器可以自动调节加热装置的输出来维持所需的反应温度。

保持适宜的温度可以提供生物体生长所需的理想环境，加速生化反应速率。

3. 搅拌装置搅拌装置用于保持反应器内物质的均匀混合，促进物质传递过程。

对于生物反应器而言，搅拌装置的设计旨在防止生物体的沉降和死区形成，使反应器内物质分布更加均匀。

搅拌装置的形式多种多样，包括机械搅拌、气体搅拌、涡流搅拌等。

4. 底物和营养物质的供给生物反应器中的底物和营养物质是支持生化反应进行的重要因素。

底物通过给定的供给策略被添加到反应器中，以满足生物体生长和代谢的需求。

供给策略可以根据具体反应的要求进行调节，例如连续供给、批次供给或脉冲供给等。

5. pH值的维持pH值对于生物体内的生化反应非常重要，它可影响酶的活性、细胞壁的稳定性和底物的溶解度等。

生物反应器中通常使用缓冲液来维持适宜的pH值。

pH值的控制可以通过添加酸或碱来调节，通常借助于自动控制系统来维持所需的pH范围。

6. 氧气供给氧气是生物体进行代谢反应所必需的。

在许多生物反应器中，气体搅拌是将氧气与培养基混合的常见方法。

通过气体供给系统，可控制氧气的流速、溶解度和分布，以满足生物体对氧气的需求。

7. 生化反应生物反应器的工作原理依赖于生物体的生长和代谢过程。

第6章生物反应器

第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。

一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。

工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。

6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。

1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。

一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。

1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。

3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。

4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。

5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。

6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。

生物反应器原理：微生物在反应器中的生长

生物反应器原理：微生物在反应器中的生长生物反应器是用于进行生物工艺过程的设备，其主要目的是提供适宜的环境，以支持微生物在其中进行生长、代谢和产物合成等生物反应。

以下是生物反应器中微生物生长的基本原理：基质与营养物质供应：生物反应器中提供的培养基是微生物生长的基础，包含了微生物所需的碳源、氮源、磷源、微量元素等。

这些物质为微生物提供了能量和原料，支持其代谢和生长。

温度控制：微生物的生长通常对温度敏感，因此生物反应器会通过加热或冷却系统来维持适宜的温度范围。

温度的控制对微生物的生长速率和代谢活性有重要影响。

pH控制：微生物对环境的酸碱度（pH值）也敏感。

生物反应器中通常设有 pH 控制系统，确保培养基的酸碱度在微生物生长的适宜范围内。

气体供应与气体传质：微生物通常需要氧气进行呼吸，而某些微生物也可能是厌氧生物，需要在缺氧或无氧条件下生长。

因此，生物反应器中有适当的气体供应系统，以满足微生物对氧气或其他气体的需求。

搅拌与氧传递：为了保持培养基的均匀性，生物反应器通常通过搅拌系统来提高培养基的混合程度。

此外，搅拌还有助于提高氧气在培养基中的传递效率，确保微生物有足够的氧气供应。

生物质传递：生物反应器中，微生物生长后会产生细胞质和代谢产物，而这些物质需要被传递出去，以维持培养基的适宜环境。

通常通过排放废液或分离技术来实现。

在线监测与控制：为了确保微生物在生物反应器中的良好生长，常常使用在线监测系统，监测关键参数如培养基中的营养物质浓度、微生物生长速率、产物浓度等，并根据监测结果进行实时的控制调整。

这些基本原理的合理应用能够有效地支持微生物在生物反应器中的生长和代谢过程，从而实现对特定产物的高效生产。

生物反应器在生物技术、制药、食品工业等领域发挥着重要的作用。

生物反应器原理 ppt课件

式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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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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生物工程设备第三章生物反应器与发酵参数检测元件

第三章生物反应器与发酵参数检测元件空气预处理及除菌内容回顾•生物发酵用净化空气的质量标准；生物发酵用净化空气的质量标准•压缩空气的预处理原理（除水，除油）、工艺流程设计、设备设计及控制要求；•无菌空气制备工艺流程设计及控制要求，无菌空气制备工艺流程设计及控制要求相关设备本章主要内容•生物反应器的结构、类型生物反应的结构类型•生物反应器搅拌功率计算、转速、桨径关系•生物反应器中氧的质量传递•生物反应器放大设计•生物反应器参数检测及过程控制•动植物细胞反应器简介概论•大规模培养微生物、动植物细胞获得其代谢产物或生物体的设备。

•生物反应器是生化工艺过程的心脏，是整生物反应器是生化工艺过程的心脏是整个生产过程中中唯一的把原料转化为产物的设备。

生物反应器的设计是整体设计中最为重要•的环节生物产品加工一般过程生物产品加般过程设计优良的生物反应器特点•设计优良的生物反应器特点：•良好的传热、传质性能•培养液流动与混合良好•结构简单严密、防杂菌污染，检修维护方便•具有配套而又可靠的检测及控制仪表•搅拌、通气能耗较低搅拌通气能耗较低•提供合适的条件，维持生物反应的顺利进行；•判断生物反应的进行情况11. 微生物反应器•进行大规模培养微生物的反应器统称为发酵罐。

大模培养生物的应称发酵罐•发酵：好氧发酵、厌氧发酵•好氧：抗生素、酶制剂、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风品是在好气发酵罐中进行的需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数。

•厌氧：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。

不需要通气。

气发酵罐不需要通气111.1 微生物反应器分类•机械搅拌型（主导地位）机械搅拌型主导地位•气体搅拌式（气升式）•外部液体循环式1111.1.1 机械搅拌型发酵罐1121.1.2 气升式发酵罐内循环气升式发酵罐1.1.3 外部液体循环式发酵罐•用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，入并使气泡分散与液体混合增加发酵液中的溶解氧。

生物膜反应器设计与运行手册

生物膜反应器设计与运行手册生物膜反应器是一种用于生物化学反应的设备，它通过将微生物固定在载体表面上形成生物膜，并将底物和氧气传递到生物膜上，实现对底物的降解和产物的合成。

生物膜反应器在废水处理、生物能源生产、生物制药等领域具有广泛的应用。

本手册将介绍生物膜反应器的设计与运行，包括反应器的选择、载体选择、运行参数控制等内容。

1. 反应器的选择生物膜反应器通常可以分为固定床反应器、流动床反应器和浸没式反应器等不同类型。

在选择反应器时，需要考虑处理规模、处理效率、操作条件等因素。

对于小规模的实验室研究，可以选择浸没式反应器或流动床反应器；而对于中小型或大型废水处理项目，固定床反应器通常是一个更好的选择。

2. 载体选择载体是用来固定微生物的材料，常见的载体材料包括塑料填料、陶瓷填料、发泡塑料等。

在选择载体时，需考虑载体的表面积、机械强度、化学稳定性等因素。

一般来说，具有高表面积和良好生物相容性的材料更适合用作载体。

3. 运行参数控制生物膜反应器的运行参数包括温度、pH值、氧气传递率、底物浓度等。

这些参数对于微生物的生长和代谢具有重要影响，需要进行精确控制。

也需要定期监测反应器内的微生物生长情况、底物降解情况等指标，以保证反应器的正常运行。

4. 清洗与维护生物膜反应器在运行一段时间后，生物膜的厚度会逐渐增加，导致传质效率下降。

需要定期进行清洗操作，以保证反应器的处理效率。

清洗的方法包括化学清洗、水力冲洗等，同时需要注意保护载体和生物膜不受损坏。

5. 安全与环保在生物膜反应器的设计与运行中，安全与环保是至关重要的考虑因素。

需要确保反应器系统的稳定性、耐用性，同时防止反应器产生的废水、废气对环境造成污染。

通过本手册的介绍，读者可以掌握生物膜反应器的设计与运行技术，为相关领域的工程师、研究人员提供参考和指导。

也可以在实际工程项目中，运用这些知识，提高生物膜反应器的运行效率和处理效果，促进废水处理、生物能源生产、生物制药等领域的发展。

细胞培养技术中的生物反应器设计与优化

细胞培养技术中的生物反应器设计与优化一、引言细胞培养技术是现代生物科学的重要研究领域之一，它广泛应用于生物制药、组织工程、基因工程、癌症治疗等领域。

生物反应器作为细胞培养技术的核心装置，对细胞生长和代谢产物的生产效率有着至关重要的影响。

因此，生物反应器的设计和优化对于提高细胞培养过程中的产量、质量及成本效益具有重要意义。

本文将从生物反应器的设计、运行参数、传热传质效率、流量和搅拌速率等角度，简要介绍细胞培养技术中的生物反应器设计与优化。

二、生物反应器的设计生物反应器是细胞培养的关键装置，其设计需要考虑到包括细胞生长所需物质（培养基、氧气、温度等）的输送，收集代谢产物、对生物环境的监控等方面的因素，其结构也应能够为细胞自由生长提供足够的空间，提高反应器的填充率和细胞密度。

基于细胞类型、目标代谢产物和生产要求等因素选择不同的可控式反应器进行培养。

1.泡沫床反应器泡沫床是一种三维的拓扑结构，具有良好的生长环境和高的细胞密度。

通常，泡沫床反应器用于生产大量微生物单细胞蛋白、基因表达、疫苗和酵母细胞等大量代谢产物的培养。

其基本组成包括冷却器、搅拌器、气、液分布器、床体等。

2.悬浮式反应器悬浮式反应器又称为液体床反应器，是一种单相混合反应器，可以快速混合决定过程和均质悬浮的细胞或微生物。

在新陈代谢过程中应用较广，如单细胞蛋白代谢产物、抗生素的生产、细胞质合成、细胞生长等。

其基本组成包括气体入口、液位控制器、搅拌器、光照、水甲醛等等。

三、细胞培养中反应器运行参数反应器运行参数是细胞培养反应器的关键设定，针对不同的细胞类型、生产要求和目标产物等因素予以调控，能够提高产量、质量、保存生命周期、多样性、市场竞争力等方面的优势，如温度、pH值、氧气、营养等。

1.温度温度是细胞培养过程中的重要参数之一，不同细胞类型的最适生长温度不同，过高或过低的温度会严重影响细胞生长的速率和细胞数量。

在实际研究中，温度通常设置在35℃-37℃之间，为保证培养过程中温度的稳定性和均匀性，应根据反应器的结构进行优化设计。

生物反应器中的氧传递

生物反应器中的氧传递在发酵中微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用气态的氧。

而氧是难溶气体，在latm下、20°C时，氧在纯水中的溶解度为0.21mmol/L，在发酵液中溶解度更低，每升发酵液中菌体数一般为108〜109个，耗氧量非常大，如果终止供氧，极短时间内发酵液中溶氧将降为零。

因此，氧常常成为发酵过程的限制性基质，解决好氧传递总是成为发酵过程的关键问题。

体积溶氧系数k L a是表征生物反应器传递氧效能的重要指标。

工业生产中，将除菌后的空气通入发酵液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气泡接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。

氧的溶解实质上是气体传递的过程，是由气相向液相传递的过程。

这一过程可用双膜理论加以阐明。

1双膜理论液相液膜这是一个放大的气泡，在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。

气膜内的气体分子与液膜内的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，氧的分子只能以扩散方式，即靠浓度并差推动而穿过双膜进入液相主流。

另外，气泡内膜以外的气体分子处于湍流状态，称气体主流，主流中的任一点氧分子的浓度相等。

液体主流也是如此。

在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。

传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。

液相主流气体吸收双膜理论图解从图中可以看出，通过气膜的传氧推动力为p-P j，通过液膜时推动力为c-c。

在稳定传质过程中，通过气、液膜的传氧速率N应相等。

N=k(P-P)=k(C-C⑴giLi式中N：传氧速率(kmol/m2.h)k:气膜传质系数［kmol/(m2hatm)］gk L：液膜传质系数(m/h)设：P*为与液相主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强(atm)。

C*为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度(kmol/m3)。

根据亨利定律：C*=P/H或P*=HCH为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体溶于溶剂的难易。

生物反应工程复习重点无习题

1.生物反应工程的定义:一生物反应动力学为基础,将传质过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学方法生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制。

2.生物反应动力学：主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响。

生物反应器的研究内容：（1）生物反应器中的传递特质即传质、传热及动量；（2）生物器的设计与放大；（3）生物反应器的优化与控制，包括优化操作与优化设计。

3.生物反应器的研究内容（1-34）(1)生物反应器中的传递特性。

(2)生物反应器的设计与放大。

(3)生物反应器的优化与控制。

3.酶促反应中竞争性抑制动力学方程4.酶促反应中非竞争性抑制动力学方程5.酶促反应中反竞争性抑制动力学方程6.判断酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制曲线竞争型非竞争型反竞争型7.比较酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制Km、rmax的变化8.双底物酶催化反应的机理有哪些？随机机制：两个底物S1和S2随机地与酶相结合，产物P1和P2也随机地释放出来。

许多激酶类的催化机制属于此种。

顺序机制：两个底物S1和S2与酶结合形成复合物是有顺序的，酶先与底物S1结合形成ES1复合物，然后ES1再与S2结合形成具有催化活性的ES1S2。

乒乓机制：最主要的特点是底物S1和S2始终不同时与酶结合，其机理式。

转氨酶9.固定化酶的优点：(1) 可连续稳定地生产产物；(2) 反应产物地纯度高、质量好；(3) 生产的副产物少；(4) 反应的动力学常数、反应的最佳pH和反应温度可能按意愿经固定化调整；(5) 固定化酶、细胞在使用时可以再生或回收，可反复使用；(6) 容易实现连续自动控制，节约劳动力；(7) 可大大提高酶、细胞的比生产能力10.酶固定化的方法：（1）载体结合法：将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶性载体上的一种固定化方法。

水不溶性载体：纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等。

制药技术中生物反应器的溶氧与气体携带技巧

制药技术中生物反应器的溶氧与气体携带技巧制药技术在现代医药领域发挥着重要的作用。

生物反应器作为制药生产中的核心设备之一，扮演着重要的角色。

溶氧与气体携带技巧是生物反应器操作中至关重要的环节。

本文将重点探讨制药技术中生物反应器的溶氧与气体携带技巧。

首先，溶氧是生物反应器中生物过程的一个关键参数。

适当的溶氧水平可以促进生物反应器中微生物的生长和代谢活性。

而无法达到足够溶氧水平则可能导致细胞生长受限。

因此，精确控制生物反应器中的溶氧量是至关重要的。

生物反应器中溶氧的含量可以通过控制气体的供应和搅拌速度来调节。

首先，选择合适的气体供应方式可以确保溶氧效果的高效与稳定。

常见的气体供应方式包括气体进气管、气体外循环等。

不同的供气方式对溶氧的影响不同，可以根据具体的生物反应器要求选择最适合的方式。

此外，合适的搅拌速度也对溶氧效果有着直接的影响。

适当的搅拌速度可以增强气液间的质量传递，提高气体的溶解度。

因此，在生物反应器操作过程中，根据具体的反应物和反应过程，选择适当的搅拌速度是确保充分溶氧的重要步骤之一。

除了溶氧外，气体在生物反应器中的携带也是一个需要注意的技巧。

在制药过程中，常常需要将微生物、酶或病毒等物质携带到特定的位置进行处理。

因此，有效地携带这些物质到达目标位置是制药过程中的一个关键挑战。

针对气体携带技巧的需求，可以采用不同的方法。

一种常见的方法是通过改变气体流动方式来实现物质的携带。

例如，使用气体通道和微流控技术可以实现对物质的定向携带。

此外，在设计生物反应器时，可以通过合理的设备结构和组件布置来优化气体携带效果。

此外，还可以利用膜技术来实现气体的携带。

膜技术具有选择性透气性的特点，可以过滤掉不需要的成分，将目标物质有效地携带到目标位置。

膜技术在生物反应器中的应用具有广泛的潜力，可以实现高效、精确的气体携带。

在实际操作中，为了确保溶氧与气体携带技巧的有效实施，需要进行严格的监测和控制。

通过使用传感器和监测设备可以实时监测溶氧水平和气体携带效果，根据监测结果进行调整和优化操作参数。

生物制药过程中的生物反应条件优化与控制考核试卷

A.细胞密度
B.溶氧量
C. pH值
D.培养基中的营养物质浓度
5.以下哪些因素可能导致细胞培养过程中的细胞凋亡？（）
A.溶氧不足
B.温度过高
C.培养基营养成分不平衡
D.搅拌速度过快
6.以下哪些技术可以用于提高生物反应器中的氧传递效率？（）
A.增加搅拌速度
B.使用透气性更好的微载体
C.增加通气量
D.减小反应器体积
9. ABC
10. AB
11. ABCD
12. ABC
13. ABC
14. ABCD
15. ABC
16. ABCD
17. BD
18. ABCD
19. ABC
20. BD
三、填空题
1.温度、溶氧量、pH值
2.灭菌和无菌操作
3.通气量和搅拌速度
4.使用透气性更好的微载体、增加通气量
5.污染和代谢产物积累
9.在生物制药过程中，__________是影响产品纯度和收率的关键因素。
10.重组蛋白的生产通常采用__________和__________等生物反应器。
四、判断题（本题共10小题，每题1分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.在生物反应器中，温度越高，微生物的生长速率越快。（）
10.下列哪种生物反应器类型适用于植物细胞培养：( )
A.气升式反应器
B.转瓶式反应器
C.微载体反应器
D.搅拌式反应器
11.在生物反应器中，影响微生物生长的主要环境因素是：( )
A.温度、溶氧量、pH值
B.培养基成分、光照、压力
C.搅拌速度、表面张力、温度
D.溶氧量、压力、培养基成分
12.下列哪种方法可用于测定生物反应器中的细胞密度：( )

生化工程知识点

生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。

技术产品的生产过程。

生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。

整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。

重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。

反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。

2）反应条件温和。

3）生物催化剂易失活，难以长期使用。

4）生产设备较简单、能耗较低。

5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。

6）反应机理复杂，较难检测与控制。

7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。

该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。

②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。

第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。