生物反应器及其操作特性
生物反应器原理
生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备，它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备，用于控制和模拟生物活性环境，以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下：1. 控制环境参数：生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数，可以提供一个适宜的环境，促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体：根据所需的反应类型，选择合适的生物体，如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基：在生物反应器中，需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程：生物反应器中的反应过程可以分为两种类型，即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应，而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求，生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用：1. 批量反应器：批量反应器是最简单的生物反应器类型，适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物，控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器：连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出，使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器：内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度，以增加反应效率。
4. 固定床反应器：固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体，可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器：喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
生物反应工程 第7章 生物反应器
将列管并列焊接在一起，组成挡板; [2]
直接利用列管当挡板
H—筒身高度 D—罐径 W—挡板宽度 HL—液位高度 Di—搅拌器直径 S—两搅拌器间距 B—下搅拌器距底 间距
1.罐体
结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊 接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法 兰连接。顶部设有清洗用的手孔。
材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用 不锈钢或复合不锈钢制成。小大型发酵 罐可用不锈钢或玻璃钢制成。 刚度和强度：受压容器，空消或实消， 通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。
生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。 固相催化剂的运动状态来分类 填充床 流化床 生物转盘等多种型式反应器。 按反应体系的相态来分类 均相——可溶的酶催化反应 非均相
•反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor，
表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件
几何尺寸与操 作条件范围 H/D=1～4
Di/D=1/2～1/4 W/D=1/8～1/12 B/ Di =0.8～1.0
搅 拌 转 速 N=30 ～ 1000 (r/min) 单位醪液体积的冷却面 积0.6～1.5 (m2/m3)
典型数值
奥地利某公司 200m3
4.温度控制系统：
电极、热交换装置和及其控制 排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械 搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
生物反应器的选择与使用方法
生物反应器的选择与使用方法生物反应器是一种用于进行生物反应或生物转化的设备。
它在生物技术、制药工业、食品工业等领域起着重要作用。
选择合适的生物反应器并正确使用，对于实现高效的生物转化过程至关重要。
本文将介绍如何选择合适的生物反应器以及正确的使用方法。
首先，选择合适的生物反应器需要考虑以下几个因素：反应器类型、反应器体积、操作方式和反应条件。
1. 反应器类型：根据反应的需求和特性选择合适的反应器类型。
常见的生物反应器包括批量反应器、连续流动反应器和气液循环反应器。
批量反应器适用于小规模实验和研究；连续流动反应器适用于长时间、连续运行的反应；气液循环反应器适用于气液反应和吸附过程。
2. 反应器体积：反应器体积应根据所需的生物反应规模进行选择。
小规模实验可选用容量较小的实验装置，大规模工业应该选择相应的工业级别生物反应器。
体积的选择与反应器的尺寸、物料的投加和排出速度相关。
3. 操作方式：根据反应过程的要求选择适当的操作方式。
常见的操作方式包括手动操作和自动化程度较高的计算机控制。
计算机控制反应器可以实现更精确和稳定的控制，但也需要相应的计算机控制设备和专业技术人员。
4. 反应条件：确定所需的反应温度、压力、溶液浓度等反应条件，并根据这些条件选择适当的生物反应器。
不同的反应器对温度和压力的要求可能不同，因此需要根据具体的反应条件进行选择。
选择合适的生物反应器后，正确的使用方法也是确保反应顺利进行的关键。
1. 反应器的预处理：在使用新的生物反应器之前，需要对反应器进行预处理。
预处理的目的是去除反应器内壁的杂质、清洁反应器以及准备反应需要的溶液和媒体。
2. 反应物的投加：根据反应的需要，将反应物投加到生物反应器中。
投加的方法可以根据具体的反应物和反应器类型进行选择，可以是连续投加或者一次性投加。
3. 控制反应条件：在反应过程中，需要通过控制反应温度、搅拌速度、营养物质的供应等多个因素来保持反应条件的恒定。
生物反应器
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，
组合模型
微观混合的定量描述
微观混合通常用混合程度m和混合时间tm两个参数表示。
tm为达到m时的值，一般采用0.95或0.99。
机械搅拌反应器的混合模型
分室模型
再循环模型
气体搅拌塔式反应器
与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌 特点是结构简单；氧传递效率高；耗能低；减少了剪
反应速率：
对于均相酶促催化反应
单底物酶促反应BSTR的反应器
对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段 停滞期
加速生长期 负生长 期 减速生长 期 平衡生长期
指数生长期
对数生长期细胞生长时间的计算
对数生长期，比生长速率达到最大
代入积分式后积分得到
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程
度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
产率是优化的目标函数 若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物
生成速率时为反应终止时间——最大产率。
连续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成 相同。
轴流式搅拌器——叶面与轴成一定角度
径向流搅拌器——叶面平行于搅拌轴
反应器内挡板有利于次生流的产生，最佳的挡板设计 数目可根据以下公式：
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一、生物膜反应器简介生物膜反应器是一种广泛应用于污水处理和生物反应过程的技术。
它利用生物膜作为催化剂，将微生物附着在固体介质上，通过微生物的生长和代谢活动，实现对有机污染物的降解和转化。
生物膜反应器具有处理效率高、抗冲击负荷能力强、操作简单等优点，在工业废水处理、城市污水处理等领域得到广泛应用。
二、生物膜反应器类型根据结构和运行方式的不同，生物膜反应器可分为以下几种类型：1. 固定床生物膜反应器：微生物附着在固体介质上，污水自上而下流动，生物膜反应器结构简单，易于操作。
2. 悬浮床生物膜反应器：微生物悬浮在水中，污水自上而下流动，生物膜反应器适用于处理高浓度有机废水。
3. 移动床生物膜反应器：微生物附着在移动的固体介质上，污水自上而下流动，生物膜反应器处理效率较高，适用于大型污水处理设施。
4. 流化床生物膜反应器：微生物附着在流化的固体介质上，污水自下而上流动，生物膜反应器适用于处理低浓度有机废水。
三、生物膜反应器设计要素生物膜反应器设计的主要要素包括：1. 反应器尺寸：根据处理规模和实际需求确定反应器尺寸。
2. 固体介质：选择合适的固体介质，如陶粒、活性炭等，以提供微生物附着的场所。
3. 微生物种类：选择对目标污染物具有高效降解能力的微生物种类。
4. 污水流量：根据处理规模和实际需求确定污水流量。
5. 反应器高度：根据实际需求确定反应器高度，一般而言，反应器越高，处理效率越高。
6. 温度、pH值等环境因素：根据微生物的生长特性和目标污染物的性质，确定适宜的反应条件，如温度、pH值等。
四、生物膜反应器运行原理生物膜反应器运行原理主要包括以下几个步骤：1. 微生物附着在固体介质上，形成生物膜。
2. 污水自上而下或自下而上流动，与生物膜接触。
3. 微生物吸收污水中的有机物质作为营养源，进行生长和代谢活动。
4. 通过微生物的作用，有机物质转化为无害物质，实现污染物的降解和转化。
生物反应器操作指南
生物反应器操作指南生物反应器操作指南1.简介本文档旨在提供详细的生物反应器操作指南，以帮助操作人员正确使用生物反应器并保证操作的安全与有效。
2.设备准备2.1 反应器选型- 根据所需反应规模、反应物种类等要素选择合适的生物反应器。
- 考虑反应器的容量、材质、温度控制能力以及搅拌效果等因素。
2.2 反应器清洁- 在使用前确保反应器没有残留的污垢或化学物质。
- 使用洁净的水和无害的清洁剂进行清洗，并彻底冲洗后进行干燥。
3.操作流程3.1 反应器装载- 将所需的反应物按照预定比例加入反应器中。
- 注意反应物的落入程度和均匀性，确保反应物的充分混合。
3.2 反应器密封- 关闭反应器的盖子或密封装置，确保反应器内部不受外界干扰。
- 检查密封装置是否完好，确保其正常工作。
3.3 反应器温度控制- 根据反应的要求，设定反应器的温度并启动温度控制系统。
- 定期监测反应器内部温度，并根据需要进行调整。
3.4 搅拌控制- 根据反应物的特性和反应要求，设定适当的搅拌速度。
- 确保搅拌效果良好，使反应物充分混合并提高反应效率。
3.5 反应时间控制- 根据反应的预定时间，设定反应器的反应时间，并进行监控。
- 定期检查反应进展，根据需要延长或缩短反应时间。
4.安全注意事项4.1 个人防护- 切勿直接接触反应物，穿戴适当的防护服和手套。
- 避免吸入或摄入反应物，使用防护口罩和眼镜。
4.2 废物处理- 对于剩余的反应物和产生的废物，按照相关法规进行处理，避免环境污染。
- 严禁将废物倾倒到下水道或非指定区域。
附件：本文档涉及的附件请参考附件A。
法律名词及注释：- 生物反应器：用于进行生物反应过程的设备，常用于细胞培养、发酵等工艺。
- 温度控制系统：用于调控反应器内部温度的设备。
- 搅拌效果：指搅拌设备对反应物的混合程度和均匀性的影响。
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 。
生物反应器工程课件-5
产物
一、理想间歇反应器——BSTR （batch stirred tank reactor） 特征： 空间位置上不存在混合有关的温度、浓度等参数分布； 这些参数均为时间的单变量函数。
二、 BSTR操作特性方程 进－出＝反应量＋累积量 dc S t r = − ∫c S 0 rS
cS
A
底物转化率： cS 0 − cS XS = cS 0 dX S t r = c S 0 ∫0 rS
XS
tr CS0
CS
CS
间歇反应器的反应时间的图解积分
5.2.2.1 均相酶反应
dX S t r = c S 0 ∫0 cS rmax K m + cS cS 0 1 rmax t r = c S 0 X S + K m ln rmax t r = (c S 0 − c S ) + K m ln 1− XS cS
YX / S c S 0 + c X 0 − c X cX µmax t r = A ln − B ln cX 0 YX / S c S 0
5.2.2.4 最优反应时间 对一简单反应
S→P
单位时间的产物产量为
VR c P FP = tr + tb
⎡ ⎤ dc P − cP ⎥ V R ⎢ (t r + t b ) dt r dFP ⎣ ⎦=0 = dt r (t r + t b )2
XS
c S 0 << K m 反应呈一级反应特征时 ： cS 0 1 rmax t r = K m ln = K m ln 1− XS cS c S 0 >> K m 反应呈零级反应特征时 ： rmax t r = c S 0 X S = c S 0 − c S
生物反应器
机械搅拌式生物反应器的进展
细胞提升桨生物反应器（1990） 双圆筒筛搅拌式生物反应器（1992） 脉冲混合式生物反应器（1993） 泡床式搅拌生物反应器（1994） 离心桨生物反应器（1996） 固定化酶搅拌桨反应器（2005）
微藻培养中光生物反应器的研究进展
开放式光生物反应器
(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光 照； (2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质 量的单藻培养 (3)光能及CO2 利用率不高，无法实现高密度培养
软骨组织工程生物反应器研究进展
软骨组织工程技术的发展已进入体外构建的关键阶段。生物 反应器能在体外动态模拟体内微环境中物质转运和流体应力刺激 反应,从而实现体外经生物力学途径调控软骨细胞的基因表达和增 殖。传统的二维或静态压力型生物反应器难以构建功能接近于正 常的软骨,各种可即时智能调控的微重力、灌流液压、微载体等新 型生物反应器使得培养基环境的调控更加高效、精确化,培养的三 维软骨组织在形态、基因表达及力学特性上均更接近于正常软骨 组织。
研究方向
1.利用生物反应器, 特别是植物反应器生产药用蛋白和疫苗已成为制 药产业重点开发的热点领域。 2.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。 3.改进生物反应器的传质、传热的方法。 4.生物反应器向大型化和自动化方向发展。 5.特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固 定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵 边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视。 6.降低设备投资方面，对连续过程更加重视。
进展情况
空间生物反应器的进展
早期发展成熟的空间生物培养反应器的操作方式主要是灌流 式。
旋转壁式生物反应器、细胞培养单元反应器、单 环路细胞培养反应器、微型连续培养反应器。
第五章 微生物反应器操作(简)
Yx / s ⋅ F ⋅ [ S ]in ⋅ t + V0 ⋅ (Yx / s ⋅ [ S ]0 + X 0 ) （5-26） (4 − 26) 可知，t时的菌体浓度为X = F ⋅ t + V0 这种流加方式的最大特 点是微生物进行线性生 长（line arg rowth)，即 d (V ⋅ X ) = K L (一定)(4 − 27) dt 式中，KL为线性生长速率常数。 一般地，在线性生长阶 段，基质浓度相当低。
10
5.2.2 状态方程
一般微生物的最适温度、最适pH值范围较窄。生长中一般采用定值 控制。在这样的条件下，可以认为分批培养过程中的动态特性取决于基质 与微生物浓度（接种量）及微生物反应的诸如比速率的（初始值）。因此 支配分批培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值。 分批式微生物反应过程分析中，需观察X、[S]和[P]等随时间的变化情 况。由于不可能研究所有反应液成分随时间的变化，因此应选择与产物P 关系最为密切的底物S作为观察的对象。必要时，可观察两种基质浓度的 变化。好氧反应中，溶解氧浓度（DO）随时间的变化也是很重要的参数。 分批操作中rx，rs，rp， μ， γ，π等变量值，可从分批操作中的相 应时间变化曲线中求得。
9
5.2.2 状态方程
分批式培养过程的状态方程式(环境过程的状态方程式)可表示为 d[S ] = −γ X ( 5 − 8) 基质： dt dX ( 5 − 9) 菌体： = μ X dt d [ P] =π X (5 −10) 产物： dt ⎤ ( PO 2)in ( PO 2)out F ⎡ − O2 : QO 2 X = ⎢ ⎥ (5 − 11) V ⎣ pall − ( PO 2)in－( PCO 2)in pall − ( PO 2)out－( PCO 2)out ⎦ ⎤ F ⎡ ( PCO 2)out ( PCO 2)in − ⎢ ⎥ (5 − 12) all − ( PO 2 ) out－( PCO 2 ) out all − ( PO 2 )in－( PCO 2 )in ⎦ V ⎣p p 式中：F − 惰性气体流速；V − 反应液总体积；Pall − 气体总压力； （PO 2)out − 排气中氧的分压；（PO 2)in − 进气中氧的分压； CO2 : QCO 2 X = （PCO 2)in − 进气中CO 2的分压；（PCO 2)out − 排气中CO 2的分压； [S [P 当t = 0时， ] = [ S ]0；X = X 0； ] = 0；γ = γ 0 ; μ = μ 0；π = π 0；QO 2 = (QO 2 ) 0；QCO 2 = (QCO 2 ) 0；
生物反应器的流体力学和生物化学研究
生物反应器的流体力学和生物化学研究生物反应器是生化工程和生物技术中必不可少的装置，用于生产各种微生物发酵产物、酶制剂、蛋白质等等。
生物反应器在生物化学研究中发挥着重要作用，其流体力学性能和生物化学参数是直接影响反应器内微生物生长、代谢等生化反应进程的。
因此，理解生物反应器内流体力学和生物化学特性是非常关键的。
一、生物反应器的流体力学特征生物反应器是一个封闭的容器，其内部流体运动具有很大的非线性和复杂性，主要表现在以下几个方面：1. 多相流动生物反应器内的流体通常是复杂的多相流体，包括气液两相、液固两相、多液相和多固相等多种流态。
这些相的运动行为很不一样，相互之间还可能发生传质、热量的交换，因此研究这些流体的运动特性及其相互作用对生物反应器的优化设计和运行具有重要意义。
2. 离散相流动生物反应器中的离散相是指包含在流体中的微观固体颗粒，如微生物细胞、悬浮颗粒等。
这些颗粒对流动的可见性、浑浊度等物理特征有显著影响。
同时，离散相颗粒与连续相之间的相互作用也非常重要。
3. 均质流与非均质流生物反应器内流体运动状态往往是分别符合均质流和非均质流模型的。
其中均质流模型包括均匀流和湍流，而非均质流模型可以分为旋转流、脉动流和剪切流。
4. 机械蠕动作用生物反应器内的机械蠕动作用包括振动和搅拌等，对于离散相与连续相之间的转移以及生物组织的生长、分解、合成等过程具有显著的影响。
正确合理地控制机械蠕动作用，能够提高生物反应器的运行效率和产品的产量、质量。
二、生物反应器的生物化学特征生物反应器的生物化学特性包括流体中溶质、微生物和气体之间的物质传输、生物反应过程中产物与废物的释放等。
生物反应器内的生化反应过程涉及到很多因素，如微生物种类、微生物浓度、温度、pH值、氧气浓度和营养成分等等。
1. 溶质传输生物反应器内溶质传输的过程涉及到质量传递、动量传递和能量传递等，通常可以分为对流、弥散和质量转移三个步骤进行讨论。
溶质传输的速率直接影响反应器内微生物生长、代谢和反应物的转化速度。
生化反应工程知识点总结
生化反应工程知识点总结在生化反应工程的研究和应用中涉及到很多的基本理论和关键技术，下面我将对生化反应工程中的一些重要知识点进行总结和归纳。
一、生物反应器的基本类型和特点生化反应工程中，生物反应器是进行生化反应的主要装置。
根据不同的反应过程和要求，生物反应器可以分为多种类型，主要包括批式反应器、连续流动反应器、循环反应器、固定床反应器等。
不同类型的生物反应器具有不同的特点和适用范围，选择合适的反应器对于生化反应的控制和优化具有至关重要的意义。
1.批式反应器批式反应器是将反应物一次性加入反应器中，允许反应物在反应过程中发生变化，反应结束后，将产物从反应器中分离。
批式反应器的优点是操作简单，易于控制，适用于小规模的试验和研究。
但是其生产效率比较低，不适用于大规模工业生产。
2.连续流动反应器连续流动反应器是在反应过程中不间断地加入新的反应物，产物和反应物同时流出反应器。
连续流动反应器可以保持反应物的浓度和温度等参数稳定，有利于提高生产效率，适用于大规模的工业生产。
3.循环反应器循环反应器是在反应过程中将反应液不断地循环通过反应器，通过控制循环速度和时间来控制反应过程。
循环反应器可以有效地提高反应效率，适用于某些需要密闭反应环境的反应。
4.固定床反应器固定床反应器是将固定在反应器中的生物体用于反应，可以有效地控制生物体的生长和代谢过程。
固定床反应器适用于某些需要生物体来完成反应的场合。
以上几种生物反应器的类型具有各自的特点和适用范围，在实际的生化反应工程中，需要根据具体的反应过程和要求来选择合适的反应器类型。
二、微生物的选择和改良在生化反应工程中，微生物是一种重要的生物反应体，用于完成生化反应过程。
根据反应的要求，选择合适的微生物对于反应的效率和产品的质量有着重要的影响。
1.微生物的选择在选择微生物时，需要考虑到微生物的代谢活性、生长速度、产物生成能力和对环境的适应能力等方面的因素。
在不同的反应条件下，不同的微生物可能会表现出不同的特性，需要根据具体的反应过程来选择合适的微生物。
动物细胞用生物反应器
特性
反应器类型
气升式
通气搅拌式
中空纤维管式
无泡搅拌式
流化床式
培养方式
悬浮
悬浮
贴壁、结团
悬浮
贴壁、结团
细胞的剪切保护
较差
较高
稍底
较好
较高
较低
对细胞的检测和控制
直接
过程控制
容易
扩散限制
无
放大
容易
生产率
较底
下游处理
较难
二、动物细胞培养用生物反应器
（一）生物反应器的特点动物细胞生物反应器是动物细胞产品生产过程中把原料转化为产物的环节，是生化工艺过程的心脏。由于动物细胞与微生物细胞有很大的差异，对体外培养环境有严格的要求，如动物细胞没有细胞壁，非常脆弱，生长缓慢，对培养环境十分敏感。传统的微生物发酵用的反应器不能适用于动物细胞的大规模培养，因而对动物细胞培养用的反应器的设计和过程控制系统提出了特殊的要求。一般地说，一台生物反应器的设计必须满足如下要求。① 生物因素：必须有很好的生物相容性，能很好地模拟细胞在体内的生长环节。② 化学因素：必须提供足够的停留时间，完成所需要的转化度，符合过程反应动力学的要求。③ 传质因素：对非均相反应，反应过程往往可能被反应底物的扩散速率制约，而不是被反应动力学所控制，因此，必须满足物质传递的要求。④ 传热因素：有能力除去和加入反应过程的热量，无过热点。⑤ 安全因素：能有效地隔离有毒害的反应物和产物，有优良的防污染性能。⑥ 操作因素：便于操作和维修。
第7章生物反应器及其工程放大
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
生物化工工艺学--第7章--生物反应器
十一 冷却装置 • 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管 冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计 算。 • 夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起 加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢 制造。
十二 发酵罐装料容积 • 发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱 部分高度，但须根据具体情况而定。采用有效的机械 消泡装置，可以提高罐的装料量。
第二节 鼓泡反应器
鼓泡反应器是以气体为分散相、液体为连续相、涉及气液界面的反应器。 高径比较大的反应器常称为塔式反应器。 特 点：结构简单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能好，因此广 泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、 废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器无传动部件，
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空 气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上 加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。 • 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的 1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越 小。因而氧的传质系数也越大。但是生产实际的通风量均超 过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径 无关。
原生流速与搅拌转速成正比，次生流速近似地与搅拌转速的平方成正比。因此， 当转速提高时，主要靠次生流加速流体的轴向混合，使传热传质速率提高。因 此，新型桨型的开发主要侧重于使轴向流速得到加强。
二、发酵罐的结构
• 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，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里 用的不锈钢板厚为2-3毫米。 • 为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个 受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
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优点：
1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房， 减少设备投资约30%。
2、设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少 劳动力。
3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。
缺点：
进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。 搅拌转速过高，菌丝易被搅拌器切断。
（四）高位筛板式发酵罐 （高位塔式发酵罐）
MBR的基本分类
内容
分类
膜组件
管式、板框式、中空纤维式
膜材料
有机膜、无机膜
压力驱动形式
外压式、抽吸式
生物反应器
好氧、厌氧
膜组件与生物反应器的 分置式、一体式（浸没式） 组合方式
2种反应器的区别
MBR 种类
分置式
一体式
压力驱 动形式
压力泵 加压 真空泵 抽吸
动力 消耗
大
小
管道 要求
需要
膜更换 和清洗 情况
（2）温湿度控制。温度数显，采用风量对温度进行反馈 控制;物料湿度采用全雾化补水系统进行调节。
（3） 在位接种与混匀。在位压差均匀接种,在发酵过程 中，利用罐内的物料混匀与破碎系统,做到均匀稳定发酵。
（4）动力驱动。利用调速电机调节发酵旋转速度,使不同 物性的物料，不同特性的菌种均能进行良好的发酵。
桨一体化结构，通气充分均匀
主要参数 ：
环境温度：15～35℃ 灭菌温度：100～130℃ 温度控制范围：20～40℃，±0.5℃ 转速控制范围：0～30rmp，±1%
（八）动物细胞培养用反应器
动物细胞培养应用举例
疫苗
小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、脑炎疫苗、疱疹 疫苗、风疹疫苗
单克隆抗体 IgG、IgM、IgA等
生产生物活性化合物
黄曲霉素 曲霉素 细菌内毒素 赤霉素 玉米素 麦角素 头孢菌素 头孢菌素C 四环素
放线紫红 环孢菌素A 真菌酚
固态发酵的应用领域
生产酶
生产有机酸
纤维素酶 漆酶 聚半乳糖酶 木聚糖酶 乙酰乙酸酯酶 木糖酶 儿茶酚氧化酶 脂肪酶 谷氨酸酶
柠檬酸 反丁烯二酸 乳酸 五倍子酸
植酸酶
单宁酶
5.搅拌生物反应器
固态搅拌反应器有卧式的也有箱式的，卧 式搅拌反应器采用水平单轴，多个搅拌桨叶平 均分布于轴上，叶面与轴平行，相邻两叶相隔 180度。箱式搅拌反应器有采用垂直多轴的。 为减少剪切力的影响，通常采用间歇搅拌的方 式，而且搅拌转速较低。
BIOTECH-XSS 型
固体发酵罐特点
（1）在位灭菌与冷却。发酵罐内直接通入蒸汽，辅助以 特殊搅拌系统，达到在位高温灭菌的目的。与转盘式固体 发酵系统，耕槽式固体发酵系统相比，省却了固体物料蒸 料锅，无菌物料输送系统等大量的辅助设备。冷却采用真 空与通风相结合，同时调节灭菌后物料的含水率。
定子（导轮） 转子（叶轮）
关键部件：
定子（导轮）
转子（叶轮）
转子 （叶轮；有3、4、6、9叶；空心；带有中 央吸气口；直径为罐径的三分之一）
定子 （导轮）:16块具有一定曲率的翼片组成
自吸式发酵罐的充气原理：
启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、 空气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形 成负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管 而被吸入罐内；通过导轮使气液均匀分布甩出，并使 空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡。
空气 泵
流化床
பைடு நூலகம்
流出 喂料池
料液 进入
阀
转子 图6-23 流化床生物反应器示意图
4.转鼓式生物反应器(rotary bioreactor )
转鼓式固态发酵生物反应器通常为卧式或略 微倾斜。有连续旋转的，也有间歇旋转的。培 养过程中，转鼓的转速通常很低，否则剪切力 会使菌体受损。旋转时，罐内的小固体颗粒会 沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。
人孔 （梯子）
视镜（2，配灯）
进料管（培养液，酒母）
压力表和测量仪器 的接口
CO2出口 （回收管） 排料口和排污口 取样口 （上、下）
温度计接口
（上、下、顶）
冷却装置
中小型罐,多采用 罐顶喷水淋于罐外 壁表面进行膜状冷 却 (罐体底部四周 有收集槽)
大型罐 , 罐内 有冷却蛇管 (或与 外壁喷淋相结合)
玻璃管
蓄水池
图6-21 填充床反应器示意图
图6-22 通风曲槽培养室
天窗 曲室 风道 曲槽 曲料 筐架 鼓风机
电动机
3.流化床生物反应器
（fluidized-bed bioreactor)
通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬 浮状态进行反应的装置称为流化床反应器。流 化床中固体颗粒与流体的混合较充分，传热传 质性能好，床层压力降小，但是固体颗粒的磨 损较大。流化床可用于絮凝微生物、固定化酶 、固定化细胞反应过程以及固体基质的发酵。
β-葡萄糖苷酶 Li-和Mn-过氧化酶
生产其他化合物
L-谷氨酸 色素 胡萝卜素 黄原胶 琥珀酰甘露糖 乙醇 芳香化合物 维生素B12、B6 核黄素、硫胺素、烟 碱 亚油酸 生物表面活性剂 生物杀虫剂、除草剂
固态发酵主要适合于霉菌。这是由于霉 菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基 质的高渗透压而致死。
免疫调节剂 细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、胸 腺素
酶
胰蛋白酶、尿激酶、胶原酶、胃蛋白酶
激素 生长激素、促红细胞生成素
1、 动物细胞培养过程的特点
动物细胞培养定义 将动物组织或细胞从机体取出，分
散成单个细胞，给予必要的条件，模 拟体内生长环境，使其在体外继续生 长和繁殖。
动物细胞与微生物细胞的性质比较
1、固态发酵的特点
（1）原料来源广，价格低廉。 （2）在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 （3）能耗低。 （4）固态发酵的产物回收一般步骤少，
费用也省。
固态发酵与液态发酵相比的主要优、缺点
优点
1、培养基含水量少，废水、废渣少， 环境污染少，容易处理； 2、消耗低，供能设备简易； 3、培养基原料多为天然基质或废渣， 易得价廉； 4、设备和技术较简单，后处理方便； 5、产物浓度较高，后处理方便。
采用转鼓式反应器与填充床相比其优点在于 可以防止菌丝体与反应器黏连，转鼓旋转使筒 内的基质达到一定的混合程度，菌体所处的环 境比较均一，改善传质和传热状况。
转鼓反应器是一个包括基质床层、气相流动空 间和转鼓壁等组成的多相反应系统：
5 3 2
6
8
7
图6-24 转鼓式生物反应器示意图
1－空气入口 2－旋转连轴器 3－接合器 4－空气喷嘴 5－空气通道 6－辊子 7－转鼓 8－固体培养基
酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵 罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在 设备放大、制造和操作时，都比好气发酵 设备简单得多。
酒精发酵罐
1 冷却水入口 2 取样口 3 压力表 4 CO2 出口 5 喷淋水入口 6 料液及酒母入口 7 人孔 8 冷却水出口 9 温度计 10 喷淋水收集槽 11 喷淋水出口 12 发酵液及污水排出 口
方便
微生物失 设备占 活情况 地面积
有可能
大
不需 不方便 不失活
小
要
用于活性污泥与废水处理的MBR
各 种 类 型 的 膜 组 件
膜生物反应器的应用
截留细胞或酶 选择性供应或除去不同化学介质 酶和细胞的保护 迅速更换培养基 污水处理与回收
（六）厌氧发酵生物反应器
对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受 一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装 置，消灭死角，便于清洗灭菌。
填充床生物反应器是静置式反应器之一，比浅盘 发酵器优越性在于采用动力通风，可更好地控制反应 床中的环境条件，能调节温度及空气风速，反应床边 缘对流热量的去除效果比浅盘发酵好。填充床生物反
应器比浅盘式更易控制发酵参数。
发酵罐
液体循环
生长初始阶段的通风
生物量
硫化床
分部控制
蠕动泵
压缩机
空气过滤器
生长后期的通风
性质
大小 代谢调节方式
营养要求 生长速率 机械强度 环境适应性
动物细胞
10-100um 内部和激素
苛刻 倍增时间一般为12-60h 很差，缺乏保护性细胞壁
洗涤装置： 水力喷射洗涤装置
活络接头
（七）固态发酵生物反应器
固态发酵（solid state fermentation）又 称固体发酵，是指微生物在湿的固体培养基上生 长、繁殖、代谢的发酵过程，这种培养基含水量 在50％左右，亦有30％或70％等，所以也可称为 半固体发酵。如堆肥、青饲料发酵和酒曲生产等。 主要适合于霉菌。
(三）机械搅拌自吸式发酵罐
利用上下均有盖板的隐蔽式搅拌桨。通过与 桨叶紧密接触的吸气管把外界的空气经过空气过 滤器直接吸入搅拌桨的中心部位，然后与搅拌器 吸入的液体相混合并被分散和被液体所吸收。
此种发酵罐不需另通入压缩空气。
应用范围 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、
维生素C、酵母、蛋白酶等。
H / D = 7 左右 罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过 筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时 上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用 的降液管下降而形成循环。
特点：省去机械搅拌装置，造价低廉；但底部有 沉淀物；温度高时降温较难。
水平筛板：高径比大，利于 气体的分散和液体的循环运 动；
缺点
1、菌种限于耐低水活性的微生物； 2、发酵速度慢，周期较长； 3、天然成分复杂变化，影响发酵产物 得质和量，可能产生有害代谢产物； 4、工艺参数难检测和控制，模拟难； 5、产品少，工艺操作消耗劳力多，强 度大。
固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基 质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤 其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发 酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体 生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀 的系统之中，致使发酵不能稳定进行。