生物催化工程-生物催化反应器
生化工程名词解释
生化工程名词解释生化工程是一门综合性学科，利用生物学、化学、工程学等相关知识和技术，研究和应用生物材料和生物技术解决工业和环境问题的学科。
下面将对生化工程中常见的名词进行解释。
1. 生物反应器：生物反应器是生化工程中最重要的装置之一，用于进行生物过程的培养、操控和控制。
生物反应器根据其结构可以分为批式反应器、连续流动反应器和固定床反应器等。
生物反应器用于生物体的培养和发酵，是生化工程中生物转化过程的核心部分。
2. 生物工程：生物工程是将工程原理和技术应用于生物科学和生物技术的交叉学科，通过对生物体的生长、代谢等特性进行改良和应用，用于生产人类需要的产品和能源。
生物工程领域涉及生物过程的设计、构建和操作，包括生物催化、生物传感、基因工程等多个方面。
3. 生物转化：生物转化是生化工程中的一个核心概念，指通过生物过程将废弃物或原料转化为对人类有用的产物。
生物转化包括生物降解、发酵、生物合成等过程，常用于生产食品、药物、酶和其他生物产品。
4. 生物降解：生物降解是利用微生物或酶的作用将有机物质转化为无害物质的过程。
生物降解常用于处理废水、废弃物和污染物等环境问题，具有环保和可持续发展的特点。
5. 生物催化：生物催化是利用酶或整个细胞催化化学反应的过程。
生物催化具有高效、选择性和环境友好等优点，在制药、化工和能源等领域有广泛应用。
6. 基因工程：基因工程是通过对生物体的基因进行修改和重新组合，来改变生物体的特性和功能的技术。
基因工程在生化工程中被广泛应用于生物降解、生物合成和基因治疗等领域。
7. 生物信号传导：生物信号传导是生物体内细胞之间通过分子信号进行信息交流和调控的过程。
生化工程中研究生物信号传导的机制和调控方法，有助于设计新型药物和调控生物转化过程。
8. 代谢工程：代谢工程是通过改变生物体内代谢途径和代谢产物的分布，来增强生物体的产物产量和产物质量的技术。
代谢工程常用于生产药物、化学品和能源等领域。
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。
课程思政案例-生物工程设备-生物反应器及其生产现状
《生物工程设备》生物反应器及其生产现状生物反应器是生化工艺过程的核心设备，本案例主要介绍生物反应器的作用、分类、发展历史和研究现状。
并对目前国内生物反应器的突出问题，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口等问题展开讨论，通过教师列举日常实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
一、教学目标（一）课程教学目标该章节的主题是生物反应器概述，主要讲生物反应器的作用、地位、分类、发展历史和研究现状。
课程的教学目标包括：1.掌握生物反应器的作用、地位和分类；2.了解生物反应器的发展历史和研究现状。
（二）思政育人目标1.设计思路本课程绪论部分内容介绍国内外生物反应器产业发展概况，其中主导生物工程产业的生物反应器大多为国外（如美国、德国、日本等）研发生产。
近些年，我国虽然能够研发一些生物反应器，但仍然存在很多问题。
比如生物反应器的核心部件，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口。
核心部件的依赖必定导致整个产业的对外依赖，不利于今后提高我国生物产业的整体竞争力。
因此在讲述这部分内容时，应从爱国主义和建设中国特色社会主义强国出发，鼓励学生学好专业知识，为以后掌握核心技术，强大我国民族制造业打下基础。
2.思政育人目标使学生认识到掌握核心技术对于提高我国综合国力的重要性，从提高我国制造业市场竞争力角度培养学生学习专业课程的积极性。
3.育人主题创新，发展民族产业等爱国主义教育。
二、教学实施过程1.教学理念：制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。
然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
简述生物反应器的分类
简述生物反应器的分类
生物反应器是生物学和工程学的重要研究领域之一，其主要目的是将生物材料作为反应器，实现特定的生化过程和反应。
为了更好地研究和理解生物反应器，一般将其分为大气反应器、液体反应器和固体反应器三大类。
一、气反应器
大气反应器是指以空气为反应培养介质的生物反应器。
它们可以用于特定的气体控制反应，如氧气氧化反应和氨气气气反应。
这类反应器的特点是可以控制好气体浓度，而且可以耐受冗余气体的存在，这是其它类型反应器所不能比拟的。
二、体反应器
液体反应器是以液体为反应介质的生物反应器。
其特点是可以实现复杂的生化反应，也可以有效地控制物质的输入和输出。
细胞催化和酶催化反应在液体反应器中常常被采用，并且可以实现高灵敏度和高反应率，同时具有较高的适应性特点。
三、体反应器
固体反应器是以固体为反应介质的生物反应器。
它们通常是一个固定的填料，它可以含有大量的微生物或活性化合物，这些活性化合物能够改变物质的形状和结构，实现特定的生化反应。
固体反应器有很高的应用前景，因为它可以把微生物细胞集成在一起，因此可以实现更复杂的生化反应。
总之，生物反应器可以根据反应培养介质的不同而分为大气反应
器、液体反应器和固体反应器三大类。
每类生物反应器都有自己的优点和不足，应用于不同的环境和场合中会有不同的效果。
只有深入了解这些生物反应器，才能在更大的范围内使用它们，为科学研究提供有效的支持。
生物反应器的原理及类型
2、宏观流体和微观流体
习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为 返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布 来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器 内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。
宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间 不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的， 它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在 实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等 均可认为是宏观流体。
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
如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分 批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速 率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位 培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高 的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业 发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增 加氧传递速度。
四、剪切力对生物反应的影响
1、剪切 剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为
N/m2或Pa。 剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程
中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面， 且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非 常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。
微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动， 此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果 反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到 最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析 或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。
生物反应器
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
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 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
生物反应器与相关生物工程探讨
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 能大的表面积。我国用于哺乳动物细胞培养主要存在生物相容材料的材 应提供适宜环境的设备， 化学反应器常常是—个高能耗过程， 而生物反应 质比 萏 薯 后、 生产工艺落后、 缺少专业人才、 以仿制为主科研ｌ ｉ 力差、 缺少 器在酶和微生物的参与下不需要消耗太多能量。 生物反应器的结构、 操作 团队精神等问题。我国生物药物企业想赶超国际大公司需要很大的努力 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 和 时间。 密切关系， 它是生物反应过程中的关键设备。 生物反应器广泛应用于生物 ５生物反应 器发展的推 动力 食品、 生物医药、 生物化工、 生物农药、 生物肥料、 生物能源、 环境保护等领 只有新工艺、 新材料、 新检测手段 、 高程度的 自 动化控制 、 新的质量控 本文对生物反应器与相关生物工程的的发展隋况进行综述。 制方法才能推动生物反应器的发展。 工艺是生产的核 ， 工艺的改变必然 １生物反应器的功能和控制 带动生物反应器的发展。 新材料可以改善生物反应器的生物相容性、 密封 生物反应器的主要功能是模拟生物生长或生产的自然环境。 在生物 性 、 易清洗 陛等， 能够推动生物反应器的发展。新检测手段尤其是在线监 反应器主要参数有 ： 通气 、 光密度、 浊度、 离子强度、 消泡、 ： 乳酸、 氨等。 所有 测可以增加对反应的监控， 更好的控制反应， 能推动生物反应器监控手段 的参数都是根据生物生长阶段需求来确定。实际生产过程中对参数的控 的发展。 新的质量控制方法可以增加质量的控制， 能推动生物反应器的发 制有多种方法。控制参数主要的方法有单层桨搅拌、 多层桨搅拌、 机械搅 展。高程度的自动化控制能推动生物反应器控制能力的发展。 拌、 磁力搅拌、 表层通气 、 深层通气、 半连续培养、 连续培养 、 连续灌注培养 ６生物反应器与成功的生物工程系统 等。生物反应＝ 足生物因素、 传热因素 、 监控因素、 化学因素、 物质 高效工程菌株的构建、 培养基的优化 、 生物反应器系统谢 十、 在线监 快速均匀传递传质、 安全因素、 操作因素等。酶反应过程用的反应器则称 控 、 Ｇ ＭＰ 执行 隋况、安全保障体系等都是现代成功的生物工程系统的关 为酶反应器。 从生物反应过程说， 发酵过程用的反直器称为发酵罐。 发酵 键要素。在线监控可以增加药品质量的控制和生产过程的控制。在线监 罐发酵罐可以分为嫌气 酵罐、 好气 酵罐、 污水生物处理装置等。好气 控可以及时排除安全隐患。完善安全保障体系的质量安全的保障。培养 发酵罐按其能量输入方式可分为通用式发酵罐、 循环泵发酵罐、 鼓泡塔式 基的优化直接关系到产品的质量和产量。 Ｇ Ｍ Ｐ执行 隋况关系到产品品质 发酵罐。酶反应器可分游离酶和固定化酶反应器两大类。动植物细胞培 和药品的安全性。近年来， 生物工程技术的发展迅速， 大量新技术和新产 养装置是一类新型的生物反应器， 主要应用于动植物细胞的培养。 动植物 品问世。 随着生物医药企业的发展会有更先进的生物反应器被开发出来。 细胞的培养的培养条件Ｅ 瞄骸４ ， 培养比陵周期长。 生物反应器具有耐受 参考文献 蒸汽灭菌、 反应时常是气、 液、 固三相并存、 能防止杂菌污染和活性衰退、 ［ １ 碑 学辉， 戴海平， 范运双． 新型 膜生物反应器及膜污染的 研究进展讥工业 常温常压下操作、 制作严密无隙以防染菌、 反应器体积相当庞大 、 对微生 水 处 理 ２０ ０ ９ 物或酶无毒害的材质制作等特点。 ［ ２ ］ 吴成泽 永军牡 于蛟 强． 复合式膜生物反应器泥饼层中 Ｅ Ｐ Ｓ 含量及 ２ 生物反应器 与生物工程 中试 其与膜污染的关系 Ｂ 幻Ｕ中国科技论文在线２ ０ ０ ９ （ ￣ ． 中试是科研成果变成产品的重要纽带。中试工艺要根据生物反应器 口 横 圣氍 吴志超月琪． 浸没式平板膜生物反应器处理工业区污水试验研 的能力进行设计。中试试验要进行建细胞库、 工艺验证、 制造和检定记录 究 环境 ． ａ ￣２ ｏ ｏ ５ （ ６ ） ． 和规程草案、 提供动物实验和临床研究用产品等。 中试生物反应器的设计 Ｉ ４ 横 显怀， 霍守亮． 申 空纤维膜一 生物反应器处理生活污水试验研究 ［ ｒ ｌ 安徽 要符合 Ｇ Ｌ Ｐ 、 Ｇ ＭＰ及行业标准。生物反应器中试放大实验主要存在的问 建筑工业学院学报伯 然科学版 Ｏ ０ ３ 题有污染的控制 、 细胞生长的控制、 产物有效回收 、 细胞生长的条件、 过程 同于晓霞， 王锦． 一体式膜生物反应器中膜污染影响因素的研究 环境科 参数优化。 学与管－ ￣ ＿ ． ２ ． ０ ０ ７ （ １ １ ３生物反应 器与生物工 程的大规模 工业化 问朱学 峰 吴志超， 王志伟， 麦穗海 王荣生 ， 王旭． 膜一 生物反应器处理超市废 培养基储存系统、 补料系统、 ＷＦ Ｉ 系统 、 Ｃ Ｉ Ｐ系统 、 Ｓ Ｉ Ｐ系统 、 收获系 水中污泥 巨质与膜污染关系分析 环境工程学； ｝ １ ｔ ． ， ２ ０ １ ｌ （ １ 统等是生物反应器的大规模现代工业化！ 顽使 用辅助支持系统。生物反 【 ７ 牌 建华， 朱宝库， ｛ 余 又一夕 置式中宝纤维膜一 生物反应器处理污水的研究 应器想要实现大规模现代工业化必须具有 自动化程度高的控制系统并 膜科 学与技术２ ０ ０ ６ 装备 可视化操作软件。生物反应器系统化设计 的优劣直接关系到生物工 ［ ８ ］ 刘欣膜生物反应器在水处理中的应用Ｄ ｌ 化工文摘， ２ ｏ ０ ７ 程 是否能 工业化 。 ［ ９ ］ 李军， 江定国， 刘红啊 建平， 孟光辉， 杨晓东， 宋玮华． 复合式膜生物反应器 ４ 生物反应器与 哺乳动物细胞 培养 处理生活污水叽中国环境科学２ ０ ０ ６ （ ３ ） ． Ⅱ 甫 乳动物细胞培养是非常重要生物制药方法。 哺乳动物细胞培养过 ｆ ｌ ｏ 】 ； 长 军， 王宝贞 ， 聂梅生． 复合淹没式中空膜生物反应 器处理生活污水的特 药物工程的过程， 也可以说是从普通实验室 性研 究 中 国给水 排水 ， １ ９ ９ ９ （ ９ ） ． 到Ｇ Ｌ Ｐ 实验室。 哺乳动物细胞培养过程是生物反应器的设｝ 十 核心。 动物 ［ １ １ 】 王坚， 季民， 李征， 李静， 付华平， 马文杰． Ｕ Ａ Ｓ Ｂ ＋ ＭＢ Ｒ工艺处理城市垃圾 细胞无保护性的细胞壁， 培养基有血清等天然物质。 仅 列妊 胞能悬 填埋 场渗滤液试验研究与问题讨论埘碱 市环境与城市生态， ２ ０ ０ ３ 浮培养。 而多数具有工业生产意义的细胞须附 着在固体介质上生长和单 『 １ ２ ］ 刘静文顾 平， 杨睿 膜生物反应器处理高氨氮废 市环境与城市生 ｏ ｏ ￣ ５ ） ． 层培养（ 即细胞不能相互堆叠 ） ， 因此要求培养装置有供细胞附着的尽可 态２
生物催化工程复习
什么是生物催化？生物催化是指利用酶或有机体（细胞、细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程，又称生物转化。
生物催化系统主要由底物/产物、反应介质、生物催化剂三个基本的要素构成。
生物催化的优点：催化效率高、专一性强、反应条件温和、对环境友好。
缺点：生物催化剂在反应介质中往往不稳定、可用于工业化应用的生物催化剂太少、开发周期长什么是生物催化剂？生物催化剂是生物反应过程中起催化作用的游离细胞、游离酶、固定化细胞或固定化酶的总称。
产酶微生物的基本要求常规生物催化剂发现发现的一般过程包括以下几个步骤：设计反应的过程，选择合适的酶或产酶微生物，建立方便、有效的分析方法。
一般产酶微生物的筛选原则包括：①能够通过发酵在相对较短的时间内高产目标酶；②微生物应该尽可能地利用便宜和方便的原料生产酶；③微生物所产生的酶最好有比较高的专一性，没有或很少有产生副产物的杂酶；④所用微生物应该是不产生有害物质的非致病性的安全微生物；⑤微生物的遗传稳定性应该较高，这样才能重复稳定地获取微生物酶。
从自然界分离与筛选产酶微生物菌种一般按采样、富集、分离和初复筛等几个步骤进行。
什么是酶分子修饰通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程称为酶分子修饰。
酶分子修饰的方法大分子物质结合修饰（共价和非共价）；主链修饰（肽链有限水解修饰）；侧链基团化学修饰；金属离子置换修饰；氨基酸替换修饰；定点突变酶分子修饰的原理•1、（如何提高酶的稳定性）修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。
使酶的天然构象产生“刚性”结构。
从而增强酶天然构象的稳定性与耐热性。
大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成“缓冲外壳”，抵御外界环境的极性变化，维持酶活性部位微环境相对稳定。
•2、（如何保护酶的活性部位）大分子修饰剂与酶结合后，产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂，“遮盖”了酶的活性部位。
从而保护酶活性部位并起到低抗抑制剂和抗蛋白水解酶的作用。
《生物反应器》课件
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生物工程设备 第四章生物反应器(1)
按供氧：厌氧/好氧微生物细胞反应器（发酵罐）
按反应器所需的混合与能量输入方式：
过机械搅拌输入能量的搅拌型发酵罐 利用气体喷射动能的气升式发酵罐和 用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式发酵 罐等。
按反应器的操作方式：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。
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。 按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。 按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于 清洗和配料 材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢， 衬里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决 于罐径和罐压。 受内压壁厚计算：
通风量在0.02～0.5ml/s时，气泡直径与空气喷口 直径的1/3次方成正比，也就是喷口直径越小，气 泡直径越小，而氧气的传质系数也越大。但是生 产实际的通风量均超过上述范围，此时气泡直径
与风量有关，而与喷口直径无关，所以单管
的分布装臵的分布效果不低于环形管。
(7)轴封
防止染菌和泄漏。搅拌轴的密封为动密封，基本要
机械搅拌通风式生物反应器光照式生物反应器大型啤酒发酵罐内容第一节机械搅拌式生物反应器第二节气升式生物反应器第三节鼓泡塔生物反应器第四节膜生物反应器第五节动植物细胞培养装臵和酶反应器第六节微藻培养反应器第七节嫌气生物反应器第八节固态发酵生物反应器生物反应器的作用生物反应器是生物反应过程中的主要设备在生物反应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
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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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。
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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。
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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。
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
工业生产中常用的生物反应器的分类和原理
工业生产中常用的生物反应器的分类和原理生物反应器是工业生产中的重要设备，是利用微生物、酶和其他生物体系进行生物催化和生物转化反应的专门装置。
生物反应器可以实现对生物体系进行控制和监测，从而提高反应效率和产品质量。
本文将介绍工业生产中常用的生物反应器的分类和原理。
一、生物反应器的分类1.按照反应器物理形式分类：（1）批量反应器：批量反应器是一种离散的反应装置，反应开始前装满反应物，反应结束后才将产物取出。
批量反应器的操作简单，构造容易，但反应效率低，并且需要反应完成后才能开始下一批反应。
（2）连续式反应器：连续式反应器是一种连续运行的反应装置，反应物和产物在反应器内不断流动。
连续式反应器反应效率高，但对于微生物等生物体系，需要频繁更换培养基和控制营养物质的投入，操作较为复杂。
（3）批量-连续式反应器：批量-连续式反应器将批量反应器和连续式反应器的优点结合起来，既保留了批量反应器的简单操作，又利用了连续式反应器的高效率。
2.按照反应器用途分类：（1）发酵反应器：发酵反应器主要用于微生物、酶等生物体系的生长和代谢，是生物制药、生物工程、食品生产等行业中常用的反应器。
（2）生物催化反应器：生物催化反应器主要用于催化反应、合成反应、酶解反应等，是化工、生物工程等行业中常用的反应器。
二、生物反应器的原理生物反应器的原理是利用微生物、酶和其他生物体系进行生物催化和生物转化反应。
其中，微生物和酶是生物反应器中最常用的催化剂。
微生物是一种单细胞或多细胞生物，其主要作用是通过代谢了产生的能量和物质来维持生命活动。
在反应器中，微生物通过吸收营养物质和空气等外部物质，进行代谢反应，从而产生目标物质。
酶是一种生物催化剂，可以加速化学反应的速率。
酶催化作用具有特异性和高效性，可以在温和条件下进行反应，不会破坏反应中灵敏的化学结构，从而提高化学反应的效率和选择性。
在生物反应器中，微生物和酶需要通过一定的环境条件来实现最佳的催化效果。
生物重要催化反应的研究
生物重要催化反应的研究生物催化反应是生物体内发生的一系列化学反应，其中催化作用是至关重要的。
这些反应大多能在常温下发生，同时又在相对温和和温和的条件下更加有效。
因此，生物催化反应是研究和应用的重点之一。
近年来，生物催化反应研究得到了广泛的关注和发展。
科学家们通过多种手段，如结构生物学、计算生物学和生物工程学等，对生物催化反应进行了系统和深入的研究。
以蛋白酶为例，它是在生物体内广泛存在的一种酶，起着重要的降解作用。
蛋白酶在体内通过破坏蛋白质分子中的化学键来催化降解，这对于生物体内的代谢和调节至关重要。
但是，蛋白酶在单独的化学反应条件下很难制备出来，因为需要复杂的配体组分和高端的实验条件。
为此，国际上的科学家们利用生物技术手段，通过重组DNA技术获得了生物体外的蛋白酶，这是生物功能研究的重要突破。
同样，查尔斯·华生等科学家的研究表明，从细菌体内分离出来的酶，如青霉素酶，是制备抗生素的重要原材料。
他们利用基因克隆技术，将携带青霉素酶基因的细菌，培养在含有青霉素的环境中，并对青霉素酶进行了纯化和结构分析。
这为更好地理解青霉素抗生素的生理机制提供了重要基础。
另一方面，生物反应器技术被广泛应用于生物催化反应研究。
通过控制生物反应器中培养的微生物群落、营养、温度及其他物理化学参数等，科学家们通过生物反应器技术研究生物催化反应的机理和特性。
例如，利用蛋白质工程学等技术，科学家们成功改造兔肝酶以使其对拟脱氧胆酸具有较高的催化活性，并通过生物反应器技术控制其反应过程，从而实现了高效、安全、无害的拟脱氧胆酸合成。
同时，一些重要的生物催化反应研究也被运用于工业领域，例如清洗剂、食品和制药等领域。
以制药为例，生物催化反应可用于合成药物中的化学基团，降低药物生产成本和有害污染物排放。
此外，利用生物催化反应可以获得新的化合物和标记物，这在新药研发中具有重要意义。
综上所述，生物催化反应的研究是化学、生物学、生物技术和工程学等领域的交叉学科。
生物反应器总结
生物反应器 （Bioreactor ）
第一节
概述
传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐” （fermenter）。20世纪70年代， Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外， 还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同 时，Ollis提出了另一术语－生物反应器 （biological reactor）。进入80年代，生物 反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍 中大量出现。
2.间接测定法
从图中可以看出，DNA含量的变化最小。
培养基中存在较多不溶性物质时，可以 通过测定构成细胞的大分子物质（如蛋 白质、RNA、DNA等)来确定细胞浓度。 采用这种方法来估计细胞浓度时，须确 定在培养过程中，这种组分在细胞中的 含量基本保持不变。
第三节 生物反应器的基本类型及其设计
New Brunswick Scientific Co., Inc. (American, NBS Co.)
Biostat B2
Biostat ED10
Pilot Biostat UD50
各类生物反应器
机械搅拌式反应器
气升式反应器
鼓泡反应器 膜生物反应器 固定床和流化床反应器
生物反应器
细胞 生物反 培养液（养分） 应器
蛋白质、疫苗…
组织…
转基因动物是指 通过实验方法，人工 地把外源基因导入动 物的受精卵（或早期 胚胎细胞），使外源 基因与动物本身的基 因组整合在一起，因 而外源基因能随细胞 的分裂而增殖，并能 稳定地遗传给下一代 的一类动物。
1982年，R.D.Palmiter 等科学家将金属硫蛋白 基因的启动子和大白鼠 生长激素基因拼接成融 合基因，把这种基因导 入小白鼠的受精卵，再 将这一受精卵移植到一 借腹怀孕的母鼠体内， 生下来的小鼠比正常小 鼠体格大一倍，称为 “巨鼠”。
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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（2）搅拌罐(连续式酶)反应器
又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌 罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液， 不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定 的流速连续流入底物溶液，同时，以相同 流速输出反应液（含产物）。
FBR可用于处理黏度较大和含 有固体颗粒的底物溶度，同时， 亦可用于需要供气体或排放气 体的酶反应（即固、液、气三 相反应）。
流化床反应器
优点：
(1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制 及气体的供给比较容易。
(2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体；能处 理粉末状底物；即使应用细粒子的催化剂（固定化 酶），压力降也不会很高。
优点是：在理想状况下，混合良好，各部 分组成相同，并与输出成分一致。
缺点是：反应效率低（单位空间酶少)，回 收过程酶易损失;搅拌动力消耗大，搅拌浆 剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。
在CSTR中催化剂 通常采用颗粒状的 固定化酶，为不致 使反应器中的酶随 反应液流失，故在 其出口处通常装有 滤膜，有的也采用 磁性的固定化酶粒。
能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再
生）。 分类：
搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(packed column reactor, PCR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR)
（2） 反应器的传质和传热能力 生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器传质和
传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。
L d
流体的传质
现实中不存在，
活塞流 层流比较接近活塞流。 滞流
湍流 全混流 是种理想的流动模型。
生物反应器温度的控制
1.2 生物反应器的分类
--反应器的流体
活塞流反应器 (CPFR)
可以提高催化反应的速度。
填充床反应器
缺点 （1）传质系数和传热系数相对较低。温度和pH难以控制。 （2）固定化酶受到的压力大,颗粒容易破碎。当底物溶度含
固体颗粒或黏度很大时，更不宜采用PBR。 床层底部的酶颗粒所受压力大，容易引起固定化酶颗粒 的变形或破碎，因此常在反应器中间加托板分隔。 （3）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 （4）底物和产物会产生轴向浓度分布。
2.1 酶反应器的分类 --填充床
填充床反应器（Packed Reactor,PBR）, 又称固定床反应器。将固定化酶填充于 反应器内，制成稳定的柱床，然后，通 入底物溶液，在一定的反应条件下实现 酶催化反应，以一定的流速，收集输出 的转化液（含产物）。
优点是： （1）产物分离方便，可作连续化生产； （2）单位体积反应床的固定化酶密度大，
连续操作的反应器
全混式反应器 （CSTR）
填充床反应器 管式反应器 膜反应器
搅拌罐反应器
非理想反应器
1.2 生物反应器的分类 --综合
操作方式
催化剂的回收 传质（液体混合）
•结构特征分类
管式反应器
搅拌罐STR
固定床
1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向
（1）开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占 主要地位。
缺点：
(1)需保持一定的流速，运转成本高，且难于放大。 (2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械 破损。
(3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。 (4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。
2.1 酶反应器的分类 --鼓泡塔
鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从 反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过 程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应 器。也是一种无搅拌装置的反应器。反应系统中存 在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。
2.1 酶反应器的分类 --流化床
流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。
特点是：底物溶液以足够大的 流速，从反应器底部向上通过 固定化酶柱床时，便能使固定 化酶颗粒始终处于流化状态。 其流动方式使反应液的混合程 度介于CSTR的全混型和PBR的 平推流型之间。
2.1 酶反应器的分类 --搅拌罐（全混）
（1）批次反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅 拌罐、搅拌式反应罐。
其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一 次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过 滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。
优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小， 反应能很迅速达到稳态。
Biocatalyst process control Product
•在生物反应过程中，生物反应器具有中心 •的作用，它是连接原料和产物的桥梁。
1.1 生物反应器的特征
我们期望反应器的生产能力（g/L·h）越高越好。
反应器的生产能力主要取决于两方面的因素： （1） 生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力 单位反应器体积的酶或细胞活性（活性） 更多的酶活性回收（回收性） 更长的使用寿命（稳定性）
（2）生物反应器正向大型化和自动化方向发展。 （3）自动检测和控制系统将会在生物工程中发挥越
来越重要的作用。
（4）一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发。 例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应
器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发 展。
第二节 酶催化反应器
特点： 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用反应时的耗
生物催化工程
研究生课程（2015-2016) 王永泽
生物催化反应器
生物反应器概述 酶反应器 发酵（细胞）反应器 污水处理的反应器（厌氧） 污水处理的反应器（好氧）
第一节 生物反应器概述
Air heat
Raw materials
process
Bioreactor
Downstream