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
8.3.4高位塔式生物反应器
8.3.5基因工程菌生物反应器
基因工程菌是通过基因操作得到的DNA重组微生物，为了不使基因工程菌在培养或处理过程中泄漏到周围环境而造成意想不到的危害，用于基因工程菌的生物反应器同一般的生物反应器就有相当大的不同。
造成生物反应器内微生物泄漏的一大原因是排气，基因工程菌反应器的排气须经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放到大气中去。
轴封渗漏是造成菌体泄漏的另一个原因，可采用双端面密封，而且作为润滑剂的无菌水压力应高于反应器内压力。
膜生物反应器设计方案及详细参数介绍讲解
膜生物反应器（MBR）介绍及设计应用 （内部资料） 北京碧水源科技发展有限公司
目录 1膜生物反应器（MBR）介绍 (1) 1.1原理 (1) 1.2工艺特点 (1) 2设计 (3) 2.1设计进水水质 (3) 2.2设计出水水质 (3) 2.3优质杂排水→城市杂用水（中水） (3) 2.3.1工艺流程 (3) 2.3.2设计说明 (4) 2.4生活污水→二级出水 (5) 2.4.1工艺流程 (5) 2.4.2设计说明 (6) 2.5生活污水→国家一级A标准 (9) 2.5.1工艺流程 (9) 2.5.2设计说明 (9)
1膜生物反应器（MBR）介绍 1.1原理 膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor）简称MBR，是二十世纪末发展起来的新技术。它是膜分离技术和生物技术的有机结合。它不同于活性污泥法，不使用沉淀池进行固液分离，而是使用微滤膜分离技术取代传统活性污泥法的沉淀池和常规过滤单元，使水力停留时间（HRT）和泥龄（STR）完全分离。因此具有高效固液分离性能，同时利用膜的特性，使活性污泥不随出水流失，在生化池中形成8000－12000 mg/L超高浓度的活性污泥浓度，使污染物分解彻底，因此出水水质良好、稳定，出水细菌、悬浮物和浊度接近于零，并可截留粪大肠菌等生物性污染物，处理后出水可直接回用。 图1 膜生物反应器工作原理简图 1.2工艺特点 （1）出水水质优良、稳定。高效的固液分离将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开，不须经三级处理即直接可回用。具有较高的水质安全性。
生物反应器
生物反应器 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，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。 分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。 发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。 若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有： ①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。 ②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。 ③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000 个喷嘴进料。目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。 生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。 污水生物处理装置中，最简单的是曝气池，装有表面曝气叶轮。为了节省占地面积，开发了一种利用气升式发酵罐原理的深井式污水处理池或大至 20000m□的多循环管式曝气装置。此外，还有生物滤池和生物转盘等装置，把能降解污水中有害物质的菌或原生动物，以生物膜的形式附在填料或转盘上。 酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。 ①游离酶反应器以水溶液状态与底物反应。若为分批釜式反应器，酶就不能回收；若用连续釜式反应器并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置则可使酶连续使用。也可将酶液置于用超滤材料制成的U形管或中空纤维管中,并将其置于釜式或管式反应器进行操作，这样也可使酶连续使用。后者接近连续管式反应器。 ②固定化酶反应器除了和化学反应器类似的固定床反应器和流化床反应器外，还有多种特殊设计。例如：将酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋状置于反应器中,或将酶固定在中空纤维的内壁制成反应器；也可将固定化酶置于金属网框中进行酶反应。在反应中产气(如CO2)严重时，可考虑采用多层酶反应器。采用固定化细胞时的反应器，基本上和固定化酶反应器相同，但在好气培养时要便于空气导入和废气排出。
我国大规模细胞培养生物反应器综述
我国大规模细胞培养生物反应器综述 文章比较全面的介绍了我国目前生物反应器的现状,各种品种发酵的特点.提出了反应器的设计要以代 谢流分析为核心,要从系统生物学的角度出发. 1、发展大规模细胞培养及其生物反应器 借助于细胞培养进行各种产品生产已是我国生物技术产业化的重要组成部分，涉及医药、化工、轻工、食品、农业、海洋、环保等行业。培养的细胞不仅只是微生物，用于生物技术产品生产的动物细胞、植物细胞和藻类细胞大规模培养已引起了大家重视，显露出令人鼓舞的前景。而且随着生物技术的发展，在人类今后发现的一切具有生物活性的物质都可以借助于细胞培养方法得到。它们可以是细胞代谢产物、生物转化、酶或某基因表达产物。 此外，随着人类社会经济发展，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标，人类社会的发展必须将基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济。这种能源结构和资源结构的转变将直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。解决上述问题的最有效方法就是发展工业微生物，只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。 显而易见，要进行这些产品的生产，无不涉及到细胞代谢与大规模培养研究。为了提高生产水平，除了获得高生产能力的细胞株外，生物反应器是重要的核心技术，必需提供有利于生物过程研究的装置技术和高效节能的生产装置。但是在生物技术产业化平台中，细胞大规模培养技术等中下游技术是我国最薄弱的技术环节之一，以我国生物医药等领域产业化来说，与先进国家的差距是全面的。滞后的一个重要原因之一就是缺乏相配套工艺的工业化放大技术研究和相应的装备技术支撑。例如以哺乳类细胞培养技术来看，西方国家基因工程抗体的开发已经进入大规模细胞反应阶段，细胞工程研究规模已经达到1000L以上，基因工程抗体的生产反应系统最大规模达到20000L以上。相形之下，我国多数药物开发单位的细胞反应规模仍停留在2-30L 规模，100L的培养技术还不稳定，长期以来都是照抄照搬国外的技术和进口国外设备。国内只能生产一些低档装置, 仅靠科研成果模仿和基础科学的跟随。 与其他各行业的装备制造业一样，生物反应器为生物技术产业再生产和扩大再生产提供共性技术和关键技术，它的发展水平也反映了国家在科学技术、工艺设计、材料、加工制造等方面的综合配套能力。装备制造业和商品化的迫切性可以归纳为如下几点： l 每年有大量的从摇瓶到不同大小的实验室生物反应器进行生物技术的实验室研究或中试放大的项目，这些项目有的已购买设备，但需要维修，有的则需新添有关装置。 l 每年有相当数量的生物技术工程项目投入，需要大量的用于生产的生物反应器，传统生物技术的生物反应器一般体积较大（几十M3到上百M3），而现代生物技术所需的反应器装置体积较小，但技术要求高。 l 随着不同产品过程优化与放大技术研究的进展，迫切需要新设计原理的生物反应器发挥作用。由此，必需有不断更新技术的生物反应装置推向市场，或者对现有生物反应器生产装置进行新技术改造，这也是包括制药、食品、轻工在内的传统产业现代生物技术改造的主要内容之一。 l 随着生物技术的发展，需要性能更高的生物反应器，例如哺乳类动物细胞大规模培养是当前高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的发展趋势，如何开发适应动物细胞特殊需要的生物反应器并商品化就成为迫切需要
浅析我国生物反应器行业发展现状与对策
浅析我国生物反应器行业发展现状与对策 发表时间：2018-09-18T11:57:05.223Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：张国良 [导读] 摘要：生物反应器技术是上世纪90年代初出现的一种利用微生物、动植物细胞为单位进行大规模生产药用，农用蛋白的生物高技术。 身份证号：44010619881029xxxX 510530 摘要：生物反应器技术是上世纪90年代初出现的一种利用微生物、动植物细胞为单位进行大规模生产药用，农用蛋白的生物高技术。21世纪是“生物”的世纪，随着世界经济的发展和细胞培养工艺的提高，我国生物反应器行业面临着挑战和机遇。为了在“生物”世纪潮流下生存与发展，我国生物反应器行业需不断事实更新管理模式，不断提高自主创新能力，不断提高生物反应器的品质。本文对我国生物反应器行业发展现状、存在问题及发展机遇进行综合分析，为新旧生物反应器企业发展提供参考，给生物反应器企业带来机遇。 关键词：生物反应器；发展；对策 1.我国生物反应器行业发展面临的主要问题 1.1我国生物反应器行业部分企业沿用粗放型的管理模式 我国生物反应器行业的发展正随着国家对生物医药的重视和大力扶持而稳步前行。早期的生物技术政策“蓝皮书”、“863”、“973”高技术计划拉开了生物反应器快速发展的序幕，2011年，《医药工业“十二?五”规划》中更是将占领生物制药制高点作为两大主题之一。这使我国生物反应器行业飞速发展。但是，部分生物反应器企业发展却有着其不合理性。①国内大部分生物反应器企业管理层前身为某些生物反应器外企的销售人员，本身没有成本意识，报价是结合以往外企经验和国内廉价劳动力进行的估价，导致报价利润较低，且容易产生“降低品质竞争”的现象。②没有项目管理经验，合同执行能力不足，导致大项目及时交货率低。 1.2我国生物反应器行业自主创新能力低下 我国生物反应器发展机缘：因我国改革开放，在国家良好政策推动下，国内生物反应器需求增大，而国外的生物反应器货期长，价格贵，售后服务能力差。在此供需不平衡的因素促进，部分有生物反应器外企经验的工作人员进行自主创业。但因该主要创业人员前身为销售工程师，缺乏工艺基础，自主创新能力低下。这是导致我国生物反应器行业自主创新能力低下的根源所在。 1.3我国生物反应器产品“量”大于“质” 就目前现状，我国生物反应器行业主要是仿造国外Sartorius等企业的标准产品，所提供的反应器主要为：A、发酵罐，B、细胞罐。从改革开放“大生产”政策指导，大部分企业选择生产具有“工艺简单，产能大，回本快”的发酵罐。但因发酵罐制作与培养工艺简单，对反应器“大生产”品质要求低，入行门槛低，导致国内很多反应器企业至今仍靠着不断降低发酵罐产品质量来获得经济效益。但时代在发展，生物培养行业的产品不断更新，对工艺和品质越来越注重。靠着仿造和粗制滥造的“发酵罐”逐步跟不上时代的步伐。 2.我国生物反应器行业的未来发展前景 2.1我国生物反应器行业的生产管理方式将转向PMP管理 在政府的政策支持和客观利润的促进下，越来越多的具有各自特点的生物反应器企业不断涌现。在竞争对手越来越多的背景下，以往“粗放型”管理模式的企业竞争力越来低，逼迫他们进行转型。PMP等新型管理模式在此背景下诞生。①要求企业以项目为单位制作生物反应器；②PMP要求企业注重成本管理，要求企业在保证生物反应器质量的前提下，降低人员成本，材料成本等，超成本需要经过分析与批准后才能往下走流程并留下文本信息以作后面项目参考；③PMP要求企业注重时间管理。制作反应器前需制作进度管理计划，与各相关部门定下关键项目结点，例：图纸出具节点，材料计划出具节点，施工开始和预计结束节点，项目验证节点等。进度计划出具后，各部门均需按照项目节点安排工作；④PMP要求企业进行品质管理，唯有高品质产品的保证下，企业才能长久生存。 2.2我国生物反应器行业需不断进行自主创新 在改革开放三十多年以来，政府不断号召行业进行“科技创新”。在同行技术不断增强与客户要求增多的背景下，单靠低成本，低品质生物反应器企业被迫向高技术企业转型。另外，在政府推进工业4.0的政策指导和GMP要求计算机验证下，越来越多企业将系统往wincc方面研发，增大企业“含金量”。 2.3我国生物反应器行业需投入更多资源进行提供不同等级的产品和服务的研发 在国产生物反应器发展的开始阶段，低价格的反应器设备往往更能占领市场份额，是企业在市场竞争中胜利的主要因素。但随着国内外客户需求不断增长以及同行竞争力不断变大的背景下，“低品质，低价格，无服务”的生物反应器无法满足不同客户的个性化需求。在未来，拥有“高品质，合理价格，个性化服务”的企业将占有越来愈多市场份额。何为“高品质，合理价格，个性化服务”？“高品质”，指的是生物反应器在生产过程中严格按照GMP进行制作，经过GMP验证，且系统稳定，不同批次的产品质量稳定。“合理价格”，指的是在保证品质和服务的前提下，将成本降低，以获得更好的利润回报。“个性化服务”，指的是针对不同等级的客户提供不一样的售前售后服务。例，针对某些培养工艺不成熟的客户，生物反应器企业需要提供培养工艺方面的指导，帮助客户走通工艺。 2.4环保是我国生物反应器行业需要考虑的发展因素 无论是现在还是未来，节能环保都是客户企业运行成本的重要考虑因素。生物反应器系统如拥有节能环保设计，将会帮客户大大的降低运营成本。例如：传统的生物反应器，蒸汽用量与维持成本占用了很大运营成本，其实生物反应器除了灭菌时需要用到大量的蒸汽外，工艺培养时，用量较低。在此因素下，某些客户用“电加热器”代替蒸汽，大大的降低了客户维持蒸汽的用量的成本。 3.我国生物反应器行业的发展对策 3.1我国生物反应器行业管理者需加强专业化学习和技能深造 我国生物反应器行业中的企业管理者大部分前身为外企销售经理，缺乏工艺技术。在未来，技术和创新决定企业能否在21世纪生产与发展。企业管理层应该勇做“领头羊”，加强专业学习和工艺研发，从上而下，带动中层管理层，带领一线员工进行学习，并定期举办“创新竞技”大赛和表彰。养成“活到老，学到老”的企业文化，提升企业的向心力和凝聚力。 3.2我国生物反应器行业应该建立和完善企业管理制度 一套完善的企业管理制度是企业能否生存和发展的重要因素。目前我国生物反应器企业的管理制度多数为粗放型管理，或者是领导层的“一锤定音”，导致中层管理层没有真正的参与到公司管理，不能锻炼管理技能，不利于公司长久发展。公司想有效的发展，管理层需学会
生物反应器项目可行性分析报告
生物反应器项目 可行性分析报告 投资分析/实施方案
生物反应器项目可行性分析报告说明 生物反应器是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。一次性生物反应器作为更替可清洗以及可重复使用系统的替代品，自使用起即能发现他们的显著差异及影响。一次性组件能够提高生产灵活性、增强无菌保证、降低前期资本投入以及加速新设施启动。全球生物反应器产业市场规模将从2020年的18亿美元增长到2025年的42亿美元，在预测期内的复合年增长率为18.5%。小型企业和初创企业越来越多地采用SUBs降低了自动化的复杂性，减轻了海洋生物的种植，降低了能源和水的消耗，生物制剂市场不断增长，SUBs的技术进步以及生物制药研发的不断增长等因素推动生物反应器市场的增长。 该生物反应器项目计划总投资11616.45万元，其中：固定资产投资9977.95万元，占项目总投资的85.90%；流动资金1638.50万元，占项目总投资的14.10%。 达产年营业收入15055.00万元，总成本费用11652.45万元，税金及附加199.24万元，利润总额3402.55万元，利税总额4071.11万元，税后净利润2551.91万元，达产年纳税总额1519.20万元；达产年投资利润率29.29%，投资利税率35.05%，投资回报率21.97%，全部投资回收期6.05年，提供就业职位321个。
报告根据项目实际情况，提出项目组织、建设管理、竣工验收、经营管理等初步方案；结合项目特点提出合理的总体及分年度实施进度计划。 ...... 报告主要内容：概论、背景和必要性研究、项目调研分析、投资建设方案、项目建设地研究、工程设计说明、工艺可行性分析、环保和清洁生产说明、安全卫生、风险应对评价分析、节能概况、进度计划、投资方案计划、项目经济评价、综合结论等。
生物反应器课程设计报告
. 生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计） XX：高金利 班级：生工2072 学号：3072106245 时间：2010年11月20日
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。 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。 三、露天圆锥发酵罐的结构 （一）罐体部分 露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。 圆锥底：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。
生物反应器的操作
综合实训一生物反应器的操作 一、目的要求： 1.掌握机械搅拌通风发酵罐的基本结构 (1)发酵罐主体 (2)蒸汽灭菌系统：正确把握各阀门的操作 (3)通气系统 (4)加热冷却循环系统：各管道联络关系 (5)搅拌动力系统 (6)智能控制系统 2.掌握发酵罐小试的基本操作，包括：培养基配制，灭菌，接种，参数设定 3.掌握发酵过程中的参数测定和在线控制，包括：pH，DO，温度，搅拌速度， 生物量，残糖含量，产物生成量，消泡，CO2。 4.运用所学知识分析发酵过程中的实验数据，讨论某一特定菌株的发酵规律。 二、实验试剂和仪器 1、解脂假丝酵母AS2.1379培养基的配制 培养温度：30℃ 培养时间：2天 （1）种子培养基(100ml)：蔗糖2.0g, 蛋白胨0.5g,NaCl 0.2g, K 2HPO 4 0.2g, 酵母浸膏0.5g； (2)发酵培养基：(%,W/V): 豆油4.0, 全脂豆粉4.0, K2HPO4 0.1, KH2PO4 0.1. 2、主要试剂和原料 菜籽油、橄榄油、玉米油、叔丁醇、甲醇、NaOH、CuSO4 3、仪器 分光光度计、CRYOBANK TM菌种保存管、摇床、电子天平、恒温培养箱、超净
实验台、离心机、50ml锥形瓶、培养皿、离心管、移液管、滴管、烧杯等 三、实验步骤 1、发酵罐操作步骤： （一）了解机械搅拌通分发酵罐的基本结构 （1）．罐体 （2）．发酵罐的搅拌系统 （3）．空气供给系统 （4）．温度控制系统 （5）．pH控制系统 （6）．过程变量的测量 （7）．灭菌系统 （二）生物过程灭菌与发酵过程的操作 1、灭菌操作过程 2、发酵过程操作 （三）测量与控制系统 2、具体操作过程 1）. 了解机械搅拌通分发酵罐的基本结构 2）. 培养基的配制 3）. 装料、灭菌 4）. 溶氧电极“0”的标定 灭菌完毕，此时发酵罐中为100％水蒸气分压，标定溶氧为“0” 5）. 降温冷却 6）. 取样操作 旋松放料口螺旋阀门（开启方向与正常螺旋相反），打开取样阀，先弃掉约20-30mL样液（为什么？），再收集30-50mL灭菌培养基液体，关闭放料阀、取样阀、样液用已灭菌的4层纱布过滤样液（4℃冰箱保存），样液作用测定用。7）. 接种 当罐温降低至40℃以下时，采用火圈法接种摇瓶种子100mL。 火圈法接种：当各测量参数显示正常稳定时，就可进行接种（接种时应确保
生物反应器
生物反应器 生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。目前研究得最多的两种反应器是“升降机型反应器”和“土壤泥浆反应器”。升降机型反应器是通过水相的流动来提供适当的营养、碳源和氧气，从而达到降解土壤中污染物质的目的。与固相系统相比，生物反应器能够在更短的时间内将污染物进行有效降解。该生物反应器技术已经应用于有机污染土壤的生物修复中。通过研究生物反应器，我们可以了解到：可以知道为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，确定什么样的结构更好；其次，对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；还有就是分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、代谢等过程有更加深入的理解，生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支，加上成本低.、设备简单、效率高、产品作用效果显著、减少工业污染等优点使他能够在很多方面都有着重要的应用，如改良乳汁品质、生产药用蛋白、外源基因在动物体内的位点整合问题、.乳蛋白基因表达组织特异性问题、目的蛋白的翻译后修饰问题、转基因表达产物的分离和纯化问题、转基因的技术与方法问题、伦理道德问题等诸多方面。 生物反应器经历了三个发展阶段：细菌基因工程、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细菌基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为哺乳动物细胞的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了规模生产。另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳
生物膜生成及生物反应器功能分析
生物膜生成及生物反应器功能分析 随着社会的发展，人们越来越注重生活的健康和水资源的再利用，水的饮用安全和污水的达标排放就显得尤为重要。饮用水在经管道输送过程中，微生物附着到管网内壁生长形成生物膜。生物膜的存在会引起一系列水质问题，影响用户用水安全。所以，生物膜的研究非常重要，但给水管网中生物膜的实际采样比较困难，因此模拟生物膜生长的生物反应器应运而生。文章就生物膜的形成及生物反应器的功能进行了分析。 标签：给水管网；生物膜；生物反应器 饮用水在经管道输送过程中，水中微生物附着到管网内壁生长形成生物膜。生物膜的存在会引起一系列水质问题，对人类饮用水安全构成威胁。为控制生物膜，需对生物膜进行研究，并对影响生物膜生成的诸多因素进行实验分析。由于在给水管网中直接提取生物膜比较困难，而且提取后极易破坏生物膜本身结构，因此用反应器实验模拟生物膜的生成就显得尤为重要[1]。 1 生物膜的形成及影响 生物膜的形成和存在引起人们高度重视。研究发现，生物膜的形成与时间有着密切的关系，不同时间阶段，形成的生物膜具有不同的特征。但一般来讲，生物膜形成包括以下几个阶段[2]：（1）水中或多或少存在的有机物，在物理、化学以及生物过程综合作用下吸附于管壁表面，形成一层富有营养的生物膜载体；（2）水中的一些浮游细菌通过静电等作用被吸附到载体表面，由于水流冲击等作用，这些细菌形成并不稳定的聚合物，但经过一定时间以后，终会有部分细菌通过分泌具有黏合作用的胞外多聚物稳定吸附于管壁；（3）随着时间的推移，这些细胞摄取并消耗水中的营养物质繁殖增长，逐渐连接成片，并向外伸展，形成个体种类繁多、结构凸出的成熟生物膜。尽管这个过程中会有一些生物膜脱落，但大部分生物膜还是与管道内壁紧密连接在一起[3]。 生物膜给饮用水及管网带来的影响是：（1）管壁生物膜逐渐加厚，导致管壁直径变小，管网过水能力降低，动力消耗增加，同时，管壁生物膜腐蚀管壁，在过大水压下，可能导致爆管；（2）在水流作用下，部分生物膜脱落进入水体，导致管网出口处饮用水的悬浮菌数量骤然增加，色度和浊度上升，影响用水安全[4]。（3）为控制管网中细菌的生长，出厂水通常经过加氯消毒，但在管网输送过程中，由于消毒效果下降，部分受伤细菌获得营养后自我修复重新生长，导致饮用水水质变坏。 2 生物膜中微生物生长的影响因素 （1）水温：水温是影响生物膜生长的主要因素之一，实验表明，过高和过低的温度都会抑制细菌的活性，同时，由于管网中细菌种类繁多，适宜的温度较难确定，但相对来说，温水中的细菌比冷水中的细菌生长速度会快一些。（2）营
生物反应器的现状及发展趋势
生物反应器的现状及发展趋势 【摘要】：生物反应器的研制不仅对现有生物产业的发展起着关键作用,而且可以用于进行高附加值化合物、药物等的生产。生物反应器在生物产品研究工作中是一个必不可少的重要工具和手段。人类正面临人口膨胀、陆地资源减少和环境恶化等全球性问题。传统的生产模式已经很难适应经济快速发展的需要，生物反应器的研究工作正在世界范围内蓬勃兴起。本文对生物反应器的现状及发展趋势进行了综述。 【关键词】：生物反应器；结构；功能；优缺点； 1 生物反应器的定义 生物反应器：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。 2 生物反应器的分类 2.1 发酵罐 2.1.1 发酵罐的主要构造 其主体一般为不锈钢制成的主式圆筒，其容积在一平方米至数百平方米。内部及顶部、底部有附件。 2.1.2 发酵罐的主要分类 （1）通气机械搅拌罐 通气机械搅拌罐（后面简称发酵罐）是许多发酵过程的首选设备，具有高传质和传热能力，理想的气液混合效果，较长的液体停留时间和较宽的操作气速。但缺点也明显，郾剪切力较大，损害许多剪切敏感型微生物能耗大，混合不均。因此，发扬通风搅拌罐的优势，克服其缺点是当前发酵罐研究的重点之一。通风搅拌罐改进工作主要在搅拌系统，包括搅拌器和多层搅拌系统的优化，搅拌器主要是采用新型搅拌器或改进标准搅拌器，目的是减少桨叶尾流的漩涡以便节能，或者改变反应器的流态，使得剪切力可以均匀的分布，保护反应器中的微生物。多层搅拌系统很早就开始使用，但由于对其工作机理研究不够深人，多年来一直采用简单的经验设计方法，没有发挥其应有的优势。 目前对于通风搅拌发酵罐的认识已经到了一个新的高度，主要表现在研究的内容和手段两面面，从内容看，对多层搅拌系统的研究不只是以单搅拌研究为基础的延伸，而是以多层搅拌为研究目标研究的深度和广度都在扩展，同时，研究溶液性质对传质和混合的影响，使得得出的成果更接近实际，为进一步的精确设计提供了相当的基础，尽管目前这些进步还不能实现完全通过计算就可实现发酵罐的放大设计。当然，这些成果的取得是伴随研究手段取得的进步，一些先进的仪器和技术为深入了解现象的内在规律提供了可能，如用于观察流体流动状态的多普勒流体分析仪、多普勒速度仪，分析工具计算流体力学及软件，准确测量体积氧传递系数Ｋｌａ动压法等等。对于气液系统，用最小的功率消耗获得最大的气含率是最重要的设计目标，组合搅拌系统的底搅拌必须采用纯径向流搅拌器（如圆盘直叶涡轮搅拌桨），顶部采用混合流搅拌桨（如折叶开启式涡轮搅拌桨）向下输送液流，且液流应在湍流状态。得到最大的气含率就相当于得到最大的气液传质系数，这个结论有助于在设计时找出获得最大传质系数Ｋｌａ同时功耗最低的设计参数。同样在搅拌系统设计中，引进新型高教的搅拌器可以进一步提高发酵罐的效率和表现。另外，搅拌系统设计的另一个重要原则就是对发酵液的理化性质的关注，由于发酵液成分复杂。对Ｋ－ａ的影响也是比较显著的，因此，根据发酵液的特性设计搅拌系统也是非常必要的，由于目前还无法量化描述发酵液成分对发酵过程传质传热的影响，大型发酵罐的设计应以小型试验为基础，选择适合的关联式作为放大依据。可能是最佳的设计方法。尽管，对发酵罐搅拌系统的研究已经取得了许多可喜的进展，但仍有许多同题需要深入研究。总体上，
复合生物反应器详解
好氧复合生物反应器： 复合生物反应器有好氧复合生物反应器、缺氧复合生物反应器，还有缺氧-好氧（A/O）复合生物反应器等。这里主要介绍好氧复合生物反应器。 好氧复合生物反应器是生物膜法与活性污泥法相结合，在活性污泥曝气池中添加悬挂填料（生物膜载体），形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜。微生物生存的基础环境由原来的气、液两相，转变成气、液、固三相，这种改变为微生物创造更丰富的存在形式，形成一个更为复杂的复合式生态系统。充分发挥两者的优越性，扬长避短，相互补充，共同承担去除污水有机物。 当反应器内营养充足，气、液、固三相共存时，微生物以生物膜和活性污泥两种形式构成新的生态系统，且在纵、横两个方向相互关联。 在纵向上，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统； 在横向上，沿着液体到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型，附着好氧型、附着兼氧型、附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。生化系统的结构越为复杂，系统的稳定性越强，适应环境变化的能力越强，具有更强的抗冲击负荷能力。 复合生物反应器可以提高生物量，增强较高有机负荷的去除能力； 可以使丝状菌优先附着生长在载体上，从而改善污泥沉降性能，防止污泥膨胀； 使世代时间较长的硝化菌能够附着在载体上，使硝化作用不受悬浮生长的污泥停留时间（SRT）影响； TN去除效果较差： 在进水TN为30～40mg/L，平均出水值为25mg/L。总氮包括氨氮、有机氮和硝态氮等形态，在好氧生化池内氨氮转化为硝态氮只是氮的形态发生了改变，就总氮数量而言并没有减少，只有使硝态氮在厌氧环境下进行反硝化并最终以气态氮的形式从污水中逸出，才能使系统的总氮含量降低。而在高的DO情况下，即使在高浓度的附着型污泥絮体内部也很难形成缺氧区，因而使得微环境反硝化过程受到抑制，总氮的去除并不理想；只有培养的生物膜厚度达到一定程度时，生物膜才会形成缺氧区域生长出反硝化菌。 SS的去除效果良好： 试验：生活污水的进水SS在17mg/L与147mg/L之间波动，复合反应器出水SS保持了一个很稳定的状态，出水SS低于20mg/L，平均去除率达到91%。 填料类型： 组合式塑料填充物质，由聚氯乙烯纤维和组合塑料制成的塑料网和成串环装填料。
MBR膜生物反应器系统相关公式及设计参数
MBR膜生物反应器系统相关公式及设计参数 1膜生物反应器常规配套工艺 1.1 针对生活污水推荐典型工艺 1.1.1 以平板膜为核心膜组件 平板膜-膜生物反应器为核心工艺，其对预处理要求相对简单，前端设置2-3mm机械格栅对原水进行预过滤，基本能满足工艺要求。 1.1.2 以中空纤维膜组件为核心膜组件 中空纤维膜-膜生物反应器相对平板膜-膜生物反应器工艺，对预处理的要求更为严格，经过初过滤后还需要设置一道1mm的精过滤，从而确保毛发类物质不对中空膜造成缠绕，导致膜污染。
注意：对满足更为严格的出水标准，对A+MBR工艺进行不同工艺组合工艺再此不做分享。分享一组合工艺流程供大家参考。 1.2 针对工艺废水以去除有机物为主推荐典型工艺 注：如MBR系统内设置平板膜组件，则工艺路线上细格栅部分可取消。 1.3 针对工艺废水以去除氨氮为主推荐典型工艺
2膜生物反应器系统生物系统设计参数 2.1 缺氧池容积 设计原则：氮容积负荷0.2kg-N/(m3.d)以下 流入缺氧池的含氮量：Q1*C(氨氮) 容积：Q1*C(氨氮)/0.2 以上 2.2 硝化池容积 设计原则：氮容积负荷0.25kg-N/(m3.d)以下流入缺氧池的含氮量：Q1*C(氨氮) 容积：Q1*C(氨氮)/0.25 以上 注：硝化池容积考虑膜组件设置后的容积。 3膜生物反应器膜系统设计 3.1 MBR产水系统设计方案
3.2 中空纤维膜辅助系统设计 3.2.1MBR 反洗气洗系统
3.2.2 MBR 反洗加药
3.2.3 MBR CEB系统 结合有机物污染通过碱洗效果明显、盐结垢通过酸洗效果明显的原理，将化学加强反洗程序引入到MBR膜的运行过程中。通过类似于低强度的化学清洗的操作，将MBR膜的污染消除在刚形成的阶段，阻止膜污染得不到及时恢复形成协同恶化的效应。 3.3 平板膜辅助系统设计 3.3.1 重力式加药系统
生物反应器的应用状况与前景
生物反应器的应用状况与前景 201230620207 雷智烺摘要：生物反应器是指用于生物反应过程的容器总称。包括酶反应器、固定细胞反应器、各种细胞培养器和发酵罐等。本文阐述了生物反应器的应用现状及前景。 关键词：生物反应器应用前景 生物反应工程学科是随着生物技术的发展逐步形成的，生物反应工程是一门以生物学，工程学，计算机与信息技术等多学科为基础研究生物反应过程中带有共性工程技术问题的交叉学科，生物反应工程以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物过程方面的知识相结合，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。 自然界中的生物现象可以说是无处不在，这些现象中的核心是生物微化反应，或者说是生物的生长、繁殖、形成产物、某些物质的减少或增加过程。一般生物反应过程可以分为三个阶段：第一阶段指原料处理和培养基制备；第二阶段是利用生物反应器通过生物反应产生目的产物的过程；第三阶段指目的产物的提取与精制。 随着生物技术的发展，利用数学、化学工程学、化学工程原理和计算机技术等进行生物反应过程研究，使培养操作过程控制更为合理，新的生物反应器不断出现。现今，生物反应器在许多领域都有应用： 一．动物培养用生物反应器 动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养，特别是组织工程的需要，促使新型生物反应器的研究与开发。 生物反应器的分类及结构特点： 1、搅拌式生物反应器 搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物