生物反应器

第八章生物反应器

●知识要点和教学要求

（1）、了解生物反应器设计的目标和原则

（2）、掌握生物反应器的分类

（3）、掌握微生物细胞反应器

（4）、了解生物反应器的放大

●能力培养要求

通过本章节的学习，学生能掌握生物反应器的分类及其放大方法。

●教案内容

由生物工程所引出的生产过程可统称为生物反应过程，它大致上可用下图的流程来表示：

由图8-1可见，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。

在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。

8.1生物反应器设计的目标和原则

生物反应器的作用是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。一个优良的生物反应器应具备：

1）严密的结构；

2）良好的液体混合性能；

3）较高的传质、传热性能；

4）配套而又可靠的检测和控制仪表。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。

生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。我们已经知道，生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计的一个重要因素。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。

与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：1）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；

2）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；

3）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；

4）防止死角、裂缝等情况；

5）某些部分应能单独灭菌；

6）易于维修；

7）反应器可保持小的正压。

8.2生物反应器的分类

按照所使用的生物催化剂的不同，生物反应器可分为酶催化反应器和细胞生物反应器。

根据反应器的操作方式，生物反应器可分为间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半间歇式生物反应器等。

根据反应器结构特征，生物反应器可分成釜式、管式、塔式、膜式等类型。

根据反应器所需的能量的输入方式，生物反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。

根据生物催化剂在反映器中的分布方式，可以分为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划分又可分为填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器。

根据反应物系在反应器内的流动和混合状态进行分类，生物反应器又可分为全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。

8.3微生物细胞反应器

除了某些溶剂（如乙醇、丙酮、丁醇等）和乳酸等少数产品外，大多数发酵产品都是通过微生物好气培养得到的。由于氧在培养基中的溶解度很小，细胞生物反应器必须不断进行通气和搅拌来增加氧的溶解量，满足需氧微生物新陈代谢的需要。同时，搅拌还可使培养液保持均匀的悬浮状态，并促进发酵热的散失等。

细胞生物反应器搅拌方式大致有内部机械搅拌型、外部液体搅拌

型、气升式发酵罐等三种。

从目前的情况来看，工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵罐。气升式循环发酵罐目前的尚处于研究阶段。

8.3.1机械搅拌型微生物细胞生物反应器（通用型）

8.3.1.1反应器结构和功能

机械搅拌发酵罐是好氧生物反应器的典型代表，其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。如图8-2所示。

机械搅拌发酵罐是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性强、放大容易，从小型到中型直至大型的微生物培养过程都可以应用。其缺点是罐内的机械搅拌切力容易损伤嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。图8-3是通用型发酵罐的几何尺寸比例。

壳体

控温部分

搅拌部分：通用型生物反应器内设置机械搅拌器，一般在一根轴上安装多个搅拌桨，其主要功能是使罐内物料混合良好，液体中的固形物料保持悬浮状态，从而使菌体与营养物质充分接触，并有利于打碎气泡，增加气液接触界面，提高气液间的传质速率，强化传氧及消泡。

搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。通用型发酵罐大多采用涡轮式搅拌桨。常用的搅拌桨有平叶式、弯叶式和箭叶式等三种类型，叶片数量一般为六个。图8-4为常用的六叶圆盘涡轮

式搅拌器。

为防止搅拌器运转时液体产生旋涡，可在壁面上安装档板，使沿壁旋转流动的液体折向中心，以消除搅拌器运转时液体生成的旋涡，同时使接近罐壁的液体内的剪应速率或速度梯度增加。需要注意的是挡板与罐壁之间留有空隙，以防止积垢。通常发酵罐液体在被搅拌时，应达到“全挡板条件”。所谓全挡板条件是指在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不同增加，而旋涡基本消失。

通气部分：

进出料口：

测量系统：

消泡装置：

附属系统：

8.3.1.2机械搅拌自吸式反应器

机械搅拌自吸式反应器不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。显而易见，这类反应器可省去了空气系统，且气体分布均匀。

这类反应器的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。

8.3.3气升环流反应器