生物制药工程设备【3】生物反应器设计基础
《制药化工过程与设备》生物反应器
04
生物反应器的设计与放大
生物反应器设计原则
保证生物反应的顺 利进行
设计合适的生物反应器，提供适 宜的反应条件，如温度、压力、 pH值、溶氧量等，以保证生物 反应的顺利进行。
优化细胞生长和产 物生成
设计生物反应器时应考虑细胞生 长和产物生成的最优化。为此， 需要研究细胞代谢途径和产物生 成机制，以便在反应器中提供适 当的条件。
提高能效与降低成本
能效提升
通过优化反应器设计和操作条件，提高能量转换 效率和资源利用率，降低能源消耗。
成本控制
降低原料、设备维护和运营成本，提高生产效益 和竞争力。
规模效应
通过扩大生产规模，降低单位产品的生产成本， 提高市场竞争力。
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强化细胞膜通透性
通过采用适当的化学物质或物理方法，增加细胞膜的通透 性，促进底物和产物的扩散，提高反应速率和产物收率。
过程优化案例分析
• 某制药公司生产抗生素的过程优化：通过实验研究和实际生 产经验的积累，该公司找到了适合其生产过程的最佳操作条 件，包括温度、湿度、压力和搅拌速度等。此外，该公司还 选择了适宜的微生物菌种，并优化了底物和产物浓度，强化 了细胞膜通透性，最终提高了抗生素的生产效率和收率。
工业规模生物反应 器应考虑环保和…
设计的生物反应器应能够满足环 保和节能的要求，采用环保材料 和设备，同时降低能源消耗。
05
生物反应器的应用实例
酒精生产工艺
总结词
生物反应器在酒精生产工艺中应用广泛，具有提高产量、降低成本、环保等优势。
详细描述
酒精生产过程中，生物反应器可以作为微生物发酵的反应容器，通过控制温度、压力、搅拌速率等参数，提高 酒精的产量和纯度。同时，生物反应器还可以实现连续生产，降低生产成本和能源消耗，减少废水的排放。
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。
生物制药生产设备 生物反应器设备
生物反应器—进行生物化学反应的空间。
体外生物反应器可分为微生物反应器、植物细胞反应器和动物细胞反应 器等类型。
微生物反应器常常是罐式反应器，又称为发酵罐。发酵罐是微生物大量
生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。
设备分类
根据结构不同，可分为好氧式发酵罐和厌氧式发酵罐。在生物制药工业中所使 用的主要是好氧式发酵罐，又叫做通风发酵罐。通风发酵罐可分为机械搅拌通 风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐、鼓泡塔式发酵罐等类型。
设备结构
由立式罐体、电动机、联轴器、搅拌轴、空心涡轮搅拌器、夹套冷水进 口、发酵液出口、折流挡板、承重支座、夹套冷水出口、吸气管和吸气 口等组成。
罐体结构与通用式发酵罐相同，但搅拌器的形状和结构不同。 自吸式发酵罐使用带中央吸气口的搅拌器。
工作原理
空心涡轮搅拌器的内部空间与吸气管相通，且凿刻有微小气孔与发酵罐内胆空间相通。在搅拌轴 带动下，空心涡轮搅拌器在旋转过程中将内部的空气甩出后成真空，在压力差作用下，外部的大 气不断从吸气口经吸气管进入空心涡轮搅拌器内部空间，随后被离心力甩出并在搅拌下扩散到发 酵液中。在发酵过程中，空心涡轮搅拌器既起着搅拌的作用，又起着输送和分散空气的作用。 空气靠发酵液高速流动形成的真空自行吸入，气液接触十分良好，气泡分散较细，提高了氧在发 酵液中的溶解速率。
机械搅拌通风发酵罐
气升式发酵罐
机械搅拌发酵罐结构和工作原理
设备结构
机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 主要由直筒体、上封头、下封头、挡板、搅拌器、轴封、换热器、 空气分布器等部件组成。
设备结构
换热器
小型发酵罐采用夹套间壁换热。在发酵罐直筒体外壁覆盖不锈钢 板形成夹套换热器。
大型发酵罐常采用蛇管或列管式换热器。
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
生物医学工程中的生物反应器设计
生物医学工程中的生物反应器设计随着卫生医疗事业的不断发展和水平的提高，生物医学工程在现代医学领域中越来越受到关注，而生物反应器则是生物医学工程的一个重要组成部分。
生物反应器是一个能够控制生物过程的设备，通过调节反应器中的温度、pH值、营养液等因素来实现对生物反应的控制，可用于生产生物制品、研究生物学现象等众多方面。
在生物医学领域中，生物反应器已经成为了制药工程和生物技术的重要工具。
一、生物反应器设计的重要性生物反应器设计是生物制品制造中最重要的环节之一，它不但对于生产成本和产品质量的影响巨大，同时其设计方案也决定了生物反应的成败。
以生物制品制造为例，对于不同类型的生物制品，反应器的设计方案会有很大的不同。
比如，对于单一微生物发酵的生产，反应器的设计需要控制好发酵速率、氧气气体的传递以及产物的分离和提取；而对于白细胞培养的生产，反应器的设计则会更加复杂，需要考虑到细胞数的控制、营养液的供给以及高密度培养条件的优化。
二、生物反应器设计要考虑的因素生物反应器设计是一个非常复杂的过程，需要兼顾生物、化学、流体力学等方面的知识。
下面将简要介绍一些设计生物反应器时需要考虑的因素：1、物质利用率：生物反应器的物质利用率是较重要的指标。
反应器环境需要能够提供良好的温度、营养物质、废物排放等。
此外，反应器的设计需要尽可能降低生物反应中的部分消耗和废物排放。
2、设备要素：设备要素是生物反应器设计的重要部分，其中包括容器的大小、材料、形状、稳定性等。
需要保证反应器的内部工作环境是相对稳定和均匀的，反应器的结构和材质也需要具备耐腐蚀性、耐压性、耐高温性等特性。
3、进口、出口：反应器的进口和出口是关键的部分。
需要保证物料进出反应器的均匀性以及高质量的出品。
同时还要考虑反应器本身的防震性能和承受能力。
4、操作系统：反应器的操作系统应该能够生成准确的控制和监视信号，以实现实时信息反馈和控制。
需要利用反应器的实时数据来处理反馈信息并适时进行反应器的操作调整。
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。
第三章 生物反应器设计和操作基础
据传质理论分析和实验研究结果证明溶 氧传质的总推动力就是气相与细胞内的氧 浓度之差，在大多数的通气发酵场合，氧 由气泡传递到液相中是生物通气发酵过程 中的限速步骤。 在实际的生物反应系统，溶氧浓度是细 胞的耗氧速率(OUR)和氧传递溶氧速率 (OTR)的函数。
溶氧浓度
OTR
OUR
单位体积培养液溶氧 速率为：
α、β的值受培养装置的规模 、搅拌器的形 式
2．液体性质的影响
两个搅拌叶轮的小型玻璃发酵罐、牛顿流体
NDi K L aDi 0.00460 DL
2 2
1.65
N 2 Di g
0.127
ws D L
a
四、生物反应器的类型
(1)厌气生物反应器：发酵过程不需要通人氧气或空气， 有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正 压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。此类反应器有 酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发酵罐(池)、双歧杆菌厌 氧反应器等。 (2)通气生物反应器：又可分为搅拌式、气升式、自吸式 等；前两者需要在反应过程中通人氧气或空气，后者则 可自行吸人空气满足反应要求。搅拌式反应器靠搅拌器 提供动力使物料循环、混合，气升式则以通入的空气上 升产生动力，自吸式反应器是利用特殊搅拌叶轮在搅拌 过程中产生真空而将空气吸人反应器内，毋须另外供气 动力。
图3—2生物反应器生产能力的限制因素
三、 生物反应器开发的趋势和未来 发展方向
1、3、开发和应用特殊用途的和具有特殊 性改进生物反应器中热量、质量传递的方 法和装置就成为生物反应器开发的趋势。 2、生物反应器正向大型化和自动化方向发 展。 能的生物反应器。 4、连续生物反应器 开发。 5、把生物反应器和后面的产物回收过程联 系起来将行合理开发。
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。
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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32
33
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。
34
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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。
43
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。
44
(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
4
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。
《制药化工过程与设备》生物反应器
生物反应器的设计和操作可以保证产品的质量和安全性，例如在制药和食品工业中，通过 生物反应器生产抗生素、疫苗、食品添加剂等产品时，可以控制产品质量和安全性。
生物反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器的分类与发展
分类
生物反应器可以根据不同的标准进行分类，例如根据操作方式可以分为间歇式和 连续式反应器；根据微生物类型可以分为好氧型和厌氧型反应器；根据应用领域 可以分为制药、食品、环保等领域使用的反应器等。
温度
温度对微生物发酵的影响 是多方面的，包括代谢过 程、酶活性、发酵反应速 度、微生物形态、培养基 成分的物理性质和化学成 分等。
温度对酶促反 应速度的影响
温度升高，反应速度加快 ；温度降低，反应速度下 降；最适温度：酶促反应 速度最大时的温度。
pH值
对酶促反应速度的影响； 对微生物生长的影响；对 培养基性质的影响。
生物反应器的制造成本较高，需要降低设备 制造成本，提高设备利用率和降低生产成本 。
未来生物反应器的展望
创新材料与技术
开发新型生物反应器材料和加工技术， 提高设备的性能和可靠性，优化细胞培 养环境。
智能化与自动化
应用物联网、人工智能等技术，实现生 物反应器的智能化与自动化控制，提高 生产效率和产品质量。
生物反应器的性能优化
01
通过实验研究优化反应条件，提高产品收率和质量。
02
采用新型生物反应器技术，提高设备的生产效率和使用寿命。
针对不同生产工艺和物料特性，开发适用的生物反应器操作规
03
程，提高生产效率及产品质量。
06
生物反应器的发展趋势与挑战
生物反应器的发展趋势
适应环保要求
开发高效、节能、环保的生物反应器， 减少工业废弃物排放，降低环境污染。
第三章 生物反应器设计基础
①使反应器具有较好的生物相容性 ②应具有较好的传质性能 ③应具有较好的传热性能 ④安全性能
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
n
jiVXi
j 1
Ff S jf
FSj
( j 1,2,.....n. ) （3-2）
产物：
dVPk dt
n
kiVX i FPk
k 1
（3-(k3） 1,2,...... n)
反应液体积：
dV dt
Ff
F
（4-4）
生长速率
平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式
为
ln 2 rxtd
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机 能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol 的ATP， 31×38/2871 = 0.41，也就是说41% 的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌 氧时）的能量效率为（31×2）/2871 = 0.022， 即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞 /molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP 。
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。
生物制药设备
三、理想反应器模型
流动模型----假定反应器内物料是按照某一种模式流动的， 这种模式既要能基本反映物料的实际流动状况，又要能比 较简便的进行数学计算，这种合理的简化模式就叫做～。
数学模型法----用对模型的分析和计算去代替实际反应器的 分析和计算，这种处理问题的方法叫做数学模型法。
理想反应器模型种类及分类依据
20世纪80年代， 生物反应器 （bioreactor)一 词在专业期刊与 书籍中大量出现。
MONTH 1
20世纪70年代， Atkinson提出 了生化反应器 （biochemical reactor）一词
同一时期， Ollis提出了 另一术语— —生物反应 器 （biological reactor）。
（二） 设计目标
产品质 量高
产物浓度高、杂质少 （细胞成分－细胞内蛋白、生物合成产 物－抗生素、维生素、氨基酸、有机酸） 原材料消耗少，转化率高，回收成本低 能耗低 设备投资与维护成本
成本低
（三）设计和操作的限制因素
生物催化剂 浓度、比活力
与生产能力 有关的因素
传质
限制因素 及如何解决
传热
高效传质
s0
（四）反应能力CR CR=rmaxεVR
( 五 ) 选择性
[ P] Sp ([ S ]0 [ S ])
二、间歇反应器的计算
物料衡算 进入量 - 排出量 = 反应量 + 积累量
0 0 rVR
d[S ] r dt d[S ] 间歇反应器设计的基本方程式 t r
d (VR [ S ]) dt
恒浊器：浓度----浊度-----流速
阴影面积为停留时间
第四节 生物反应器的设计基础
微生物制药中的生物反应器设计与建模
微生物制药中的生物反应器设计与建模一、引言微生物制药是利用微生物生产药品的过程，其中生物反应器的设计与建模是实现高效生产的关键。
本文将探讨微生物制药中生物反应器的设计与建模方法，以及其在生产过程中的应用。
二、生物反应器的种类1. 批量反应器批量反应器是最基本的反应器类型，通过一次性加入有限的底物和微生物来进行反应。
该类型的反应器适用于小规模试验和初步生产阶段，但由于底物限制和产物积累，无法实现长时间、高效率的生产。
2. 连续流动反应器连续流动反应器通过连续供给底物和微生物，同时排出产物，实现持续稳定的生产。
其中包括完全混合连续流动反应器和空间分离连续流动反应器两种形式。
完全混合连续流动反应器适用于底物浓度较低的情况，而空间分离连续流动反应器适用于底物浓度较高的情况。
三、生物反应器的设计原则1. 充分利用底物和能源生物反应器的设计应充分考虑底物和能源的利用效率，避免废物和能量的浪费。
例如，可以采用高效混合技术和先进的供氧系统，提高反应器内底物和氧气的均匀分布，提高反应效率。
2. 控制环境因素微生物对温度、pH值和氧气浓度等环境因素均有一定的要求，生物反应器的设计应确保这些因素在适宜范围内。
通过控制温度、加入缓冲溶液和调节通气速率等方式，可以维持适宜的环境条件，提高微生物的生长和产物生成能力。
3. 合理设计反应器结构生物反应器的结构设计应考虑微生物的生长特点和产物生成过程。
例如，可以通过增加搅拌装置、提供附着面或选择合适的填料，提高微生物的接触效率和附着能力，从而增加反应器的产能。
四、生物反应器的建模方法1. 基于动力学模型的建模动力学模型是描述微生物生长和产物生成过程的数学方程。
通过实验数据的拟合和参数估计，可以建立相应的动力学模型。
常用的动力学模型包括Monod模型、麦克斯韦方程和Luedeking-Piret方程等。
这些模型可以用来预测微生物的生长速率和产物浓度，并为反应器的设计和优化提供参考。
《生物工程设备》生物反应器设计基础
32
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
2021/3/21
生物工程设备
1
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
2021/3/21
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。
生物过程工程学中的生物反应器设计与控制
生物过程工程学中的生物反应器设计与控制生物过程工程学是将生物学、化学和工程学结合起来，用于开发和设计生产生物制品的过程和产品。
生物反应器是生物过程工程学中的关键设备，用于控制生物体系的生长、代谢和产生产物。
本文将探讨生物反应器的设计和控制的基本原理和方法。
1. 生物反应器设计的基本原理生物反应器是一种容器，用于容纳生物体系，控制生物体系中的生物过程，例如生长、代谢和产物生成。
反应器的设计需要考虑多个因素，包括反应器的体积、形状、空间布局、控制系统的选择和配备、以及反应器的工作条件（例如温度、pH、氧气供应和培养基的成分等）。
生物反应器的设计需要考虑以下几个基本原理：1.1 应用医学、生物学和化学的原理反应器的设计需要考虑生物体系的特性和需要控制的生物过程。
这通常需要了解生理学、生物化学和微生物学等领域的知识。
应用这些知识，可以选择适当的生物体系、培养基成分和培养条件，以确保反应器的生物过程控制。
1.2 设计反应器的空间布局和选择反应器的类型反应器的类型包括物理性质和化学性质反应器。
反应器的类型取决于所需反应或生产的产物的性质。
既可以进行批量生产，也可以连续生产。
因此，在设计反应器时，需要考虑反应器的空间布局和所选择的反应器类型。
1.3 明确生物过程中的关键因素设计反应器需要明确几个关键因素，如温度、pH值、氧气和营养物质等等。
这些因素主要控制微生物的生长和代谢，进而影响生物产物的合成。
1.4 控制操作反应器操作涉及到温度调节、氧气气氛调节、pH值控制、培养基的添加和混合。
所有这些操作都是为了控制反应器内生物体系的能量输入和产物输出。
2. 生物反应器控制的基本原理生物反应器的控制与反应器设计紧密相连。
控制反应器的生物过程是保持反应器工作稳定的关键，因此，反应器的控制也是一种必要的手段。
控制反应器的生物过程需要考虑以下基本原理。
2.1 物理参数和生物反应之间的关系控制反应器的物理参数与反应器内生物反应之间的关系非常重要，例如氧气、温度、pH等；这些参数会影响微生物的生长和代谢，从而影响物种的含量和增长速度。
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
生物制药过程中的生物反应器设计与生产控制
生物制药过程中的生物反应器设计与生产控制随着生物技术的发展，生物制药成为现代医学中最重要的治疗手段之一。
生物制药是指以生物体或其代谢产物为原料，利用生物技术和现代工程技术生产药物。
其中，生物反应器是生产生物制药的关键设备之一。
本文将探讨生物制药过程中的生物反应器设计与生产控制。
一、生物反应器的类型生物反应器是生产生物制药的核心设备之一，根据受控物料状态、反应器结构和操作方式的不同，生物反应器可以分为不同的类型。
1. 批量式反应器批量式反应器是最早采用的一种反应器类型。
其特点是一次只能生产一批产品，操作过程中需要严格控制反应过程的时间和温度等参数，同时还需要控制反应物料的注入量和排放量。
批量式反应器适用于研发和中小批量生产。
2. 连续式反应器连续式反应器是一种连续流动反应器，和批量式反应器相比，其特点是可以连续生产产品，反应过程中需要控制反应物料的流速和浓度。
连续式反应器适用于大规模生产。
3. 噬菌体反应器噬菌体反应器是一种专门用于生产噬菌体的反应器，主要用于研究和生产细菌病原体的疫苗和治疗药物。
4. 动植物细胞反应器动植物细胞反应器是一种专门用于生产蛋白质和抗体的反应器，主要用于生产生物相似药和生物制药。
二、生物反应器的设计生物反应器的设计是生产生物制药的关键之一，设计好的反应器可以提高生产效率和产品质量。
反应器的设计需要考虑以下几个方面。
1. 反应器容器反应器容器是反应器的核心，对于不同类型的反应器，容器的形状和大小都有所不同。
在容器设计方面，需要考虑生长环境和操作方便性等因素。
2. 反应器搅拌器反应器搅拌器是用于保持反应物料均匀分布和增加反应物料接触面积的设备。
在搅拌器设计方面，需要考虑搅拌速度和搅拌方式等因素。
3. 反应器传感器反应器传感器主要用于测量反应器内部的温度、压力、pH值和氧气浓度等参数。
传感器的设计需要考虑反应器操作条件和生物反应的特点。
4. 反应器进出料口反应器进出料口主要用于注入反应物料和排放反应产物。