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，

多搅拌系统中预测各种参数影响的关联式多由单搅拌系统相关的关联式引申而来，没有注意两者在流型和流动状态上的显著差异。应利用能量守恒和ＣＦＤ规则进行多搅拌系统中各种定量关系的研究。同时，多层搅拌系统目前以两层搅拌居多，还需研究更多层搅拌系统的各种关系，更有利于在实际中使用相关的成果，总之，尽管目前的研究已经充分注意多层搅拌系统的特殊性．但需要更加深入的研究才能满足实际设计工作的需要.

（2）气升式发酵罐

由于气升式发酵罐有明显的优点，在生产SCP、丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。70年代初，英国ICI公司开发了二种用甲醇连续生产SCP的气升式发酵罐，以后又成功地将其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广(目前ICI公司已放大至2000m³，苏联用于柠檬酸发酵的气升式罐也达200m³)。国内上海、江门、周口等地已建造用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。对于糖蜜、水解糖、蔗糖等固形物含量少的培养基，采用气升式发酵罐更有利。这种发酵罐的最适高径比是4～6，限制高度为22～24m。虽然它对无菌空气消耗量比较大，但总能量消耗还是比机械搅拌式发酵罐低。在同样的能耗下，其氧传递能力比机械搅拌发酵罐要高得多，因此，在大规模生产单细胞蛋白时备受重视。现已有直径7～13m，高60m、容量达1500m³的大型气升式发酵罐，用于生产单细胞蛋白，年产量达7万吨。培养檀香木细胞，最终产物浓度可达32．5毫克／升。气升式发酵罐进行谷氨酸发酵，其产率，发酵时间等多项指标均优于机械搅拌罐。而且与二倍体积搅拌罐相比，单位体积发酵液节能7.7％。中科院化冶所等研制成的100m³大型双环流气升式反应器在周口地区味精厂用于谷氨酸(GA)发酵，使生产效率提高13.6%左右，如能在全国味精行业推广，经济效益可观。在黄原胶酵时，也曾使用气升环流式多糖反应器，结果成本和设备投资分别降低25%和44%，产品质量达到国际标准。姜信真等人用气升式发酵罐进行GA发酵研究，证明其产率、发酵时间等多项指标均优于机械搅拌罐，而且与二倍体积搅拌罐相比，单位体积发酵液节能7.7%。这在能源严重短缺的今天，无疑有巨大的潜在优势。此外，华南理工大学1990年研制成功另一种高效节能的新型反应器—200m²溢流脉冲喷射自吸式反应器，用于有关生产，可节能80%，目前正准备放大至1000m³. （3）自吸式发酵罐

自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。搅拌器由从罐底向上伸人的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背傻g形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸人的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。空气吸人管通常用一端面轴封与叶轮连接，确保不漏气。由于空气靠发酵液高速流动形成的真空白行吸人，气液接触十分良好，气泡分散较细，从而提高了氧在发酵液中的溶解速率。据报道，在相同空气流量的条件下，溶氧系数比通用式发酵罐高。可是由于自吸式发酵罐的吸人压头和排出压头均较低，习惯用的空气过滤器因阻力较大已不适用，需采用其他结构型式的高效率，低阻力的空气除菌装置。另外，自吸式发酵罐的搅拌转速较通用式高，所以它消耗的功率比通用式大，但实际上由于节约了空气压缩机所消耗的大量动力，对于大风量的发酵，总的动力消耗还是减少的.

2.2 固定化反应器

2.2.1 酶固定化反应器

以固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶固定化反应器(Enzyme reactor)。

（1）固定床型

固定床反应器在化工领域应用十分广泛。基本有机化工中，乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反应均在固定床反应器中进行。固定床反应器床层薄，流速低，床层内的流体轴向流动可看作是理想置换流动，因而化学反应速率较快，完成同样的生产任务所需的催化剂用量和反应器体积较小，流体停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，有利于提高化学反应的转化率和选择性；固定床中催化剂不易磨损，可在高温高压下操作。当然，固定床也存在一些缺点，如传热性能差；不能使用细粒催化剂（不能充分利用催化剂内表面），