生物反应器的原理及类型

质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时， 反应速率不但与化学因素有关而且与物理因素也有关。 质量传递与化学因素交织在一起，极大地影响着生物反 应器内的实际反应速率。
生物反应器内质量传递主要为气-液传递和液-固传递。 气-液传递主要是好氧发酵过程中的氧传递以及二氧化碳 的释放，而液-固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、 固定化细胞、生物膜、絮凝细胞的过程。
当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程的 影响，与游离状态的反应速率是不同的，限制性传质步骤往 往不是气液传质而是液固传质。
过程： （1）反应底物从液相主体通过颗粒周围的液膜扩散到达颗粒
表面； （2）从颗粒表面通过颗粒内的微孔扩散到达颗粒内表面上的
酶活位或细胞表面； （3）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物； （4）产物从颗粒内部通过微孔扩散到颗粒表面； （5）从颗粒表面通过液膜扩散到液相主体。
一般接种前的培养基的流变学性质类似于水，随着发酵的进行，其
性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利的，这种变化是由生物体
的增加和大分子产物的积累造成的。
流变学性质通过影响流体的流动特性而影响传质和传热，从而影响生物 化学反应和细胞的新陈代谢，即反应器生态系统中的流变学影响甚至决 定其内部的生物反应动力学。
1、流体的流变学分类
流变学常用黏度（对流动的抗性）、流动行为（黏度和剪 切率的关系）和屈服应力（产生静液流需要的力）等术语 来表述。液体流变性通常根据下式进行分类：
τ=τ0+ k（γ）n
（幂定律方程）
τ所施的剪切力， γ产生的剪切率，τ0屈服应力，k是幂定 律常数或黏度系数，n为幂定律指数或流动特性指数
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
的一段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大的颜料悬浮 液
D、凯松流体（Casson body）
τ ½ =τ0 ½ + kc（γ） ½
例如： kc为凯松黏度。油墨、融化的巧克力、血液、酸酪
等； 青霉素发酵液；对丝状菌悬浮液，凯松方程常常比幂 定律方程更为适用
产物
制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素 新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素
B、拟塑性（Pseudoplastic）流体 τ= k（γ）n 0<n<1 n越小，非牛顿型特性越明显，与牛顿型流体的差别越大。 例如：青霉，曲霉，链霉菌的发酵液，高浓度的植物细胞，
酵母悬浮液。 C、涨塑性（Dilatant）流体 τ= k（γ）n n>1 n越大，流体的非牛顿型特性越显著 例如：链霉素，四环素和卡那霉素的发酵过程中，接种后
微生物
诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 卡那霉素菌
卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌
发酵液流变特性
牛顿性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 涨塑性流体 宾汉塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 拟塑性流体
1、气液传质
生物反应器中的气液传质包括好氧发酵中气体主流中
的氧到液相主流的传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳
的排除等。大多数微生物发酵过程为好氧的，而且氧在水溶
液中的溶解度很低，要维持发酵中正常的氧代谢必须在过程
中始终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发
酵中是限制性步骤。
2、液固传质
二、培养液流变学性质
黏 度 对 不 同 过 程 的 影 响
发酵液的流变学性质直接影响生物反应液力器体的作在整用外体下加混所剪产合切行为，各种传质过 程和热传递；进而影响微生物反应的周生期的和流产变出特，性影。响传感器的响应和
可靠性，对产品的分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指
示发酵状态，可用于过程检测和控制。
有氧发酵、对生物在反应器内的培养过程也常称 为发酵过程。
20世纪70年代
厌氧发酵罐
生化反应器（biochemical reactor） 有氧发酵罐
生物学反应器（biological reactor） 酶反应器等
废水生物处理反应器
20世纪80年代
生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一 个标准名称
传统发酵罐
酶反应器等
固定化ห้องสมุดไป่ตู้和细胞反应器
动植物细胞培养反应器
细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
空气
除菌
CO2等
生物反应器
检测和控制
原材料
培养基
灭菌
冷却水
产物预处理
底物
由图可见，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。
产物
产品提取或液化 副产物
废物
一 般 生 化 反 应 过 程
第一节 生物反应器原理
质量传递 培养液的流变学性质
生物反应器的混合 剪切力
一、生物反应器中的质量传递 混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度 区域方向迁移的过程 .与动量传递、热量传 递并列为三种传递过程。质量传递可以在一 相内进行，也可能在相际进行。
生物反应器这一术语出现的时间并不长，但人们利 用生物反应器进行有用物质的生产却有着悠久的历 史。古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把 牛奶转化成乳酪。这是传统的乳酪生产方法，而牛 胃便是原始状态的生物反应器 。活性物质是凝乳酶，
它催化牛奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为 乳酪
发酵罐（Fermenter）（无氧发酵容器）
生物技术是生物化学、微生物学以及工程科 学的综合，目的是对生物有机体的所有能力 进行工业应用。这些有机体包括微生物，体 外培养状态下的生物组织细胞及其部分酶。 简言之，生物技术是对生物物质有控制的应 用。大规模培养生物有机体是生物技术的核 心。
生物反应器（Bioreactor）
定义：是人们对生物有机体进行有控制的培 养以生产某种产品或进行特定的反应的容器。