生物反应器原理

4.一些特殊用途的和具有特殊性能的生物 反应器得到了较快的应用和开发。例如 ，动物和植物细胞反应器，固体发酵反 应器，边发酵边分离的特殊反应器等都 得到了不同程度的发展。
5.在降低设备投资方面，近年来对连续过程更 加重视。
6.生物过程中的单元操作是相互联系的，上游 过程必然影响到下游过程。把生物反应器和 后面的产物回收过程联系起来。考虑整个过 程的合理性才显得有意义。
律。同时以基本生物反应器为基础，通过例 题,讨论了生物反应器设计与分析的基本原理 和方法。
生物反应器开发的趋势和未来方向：
1.开发比活力和选择性高的生物催化剂将继续 占据重要地位。
2.生物反应器的性能常极大的受到热质传递能 力的限制，必须改进生物反应器中热质传递 方法和设备。
3.生物反应器正向大型化和自动化方向发展。
生物反应器原理
第一章 生物反应器及其操作特征
生物反应器 Bioreactor是bio与reactor的组合词，是指有效
利用生物反应机能的系统或场所。 生物反应器不仅包括传统的发酵罐、酶反应器
还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞 反应器，动植物细胞培养用反应器和光合生 物反应器等。
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
3.因原料是农副产品,所以受价格变动影响大.
4.生产前的准备工作(开发新菌种,扩大培养等)量 大,且花费高.对于好氧反应,需氧,故增加了生产 成本,且氧的利用率不高.
5.一般的,废水需进行处理.
微生物反应过程的质量与能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应与化学反应的主要区别是:微生物
反应中参与反应的培养基成分多,反应途径 复杂.
C6H12O6+3O2+aNH3→bC6H10NO3（面包酵母） +cH2O+dCO2
解：根据元素平衡式有：
C: 6 = 6b + d
为了了解生物反应器的基本原理，有必要了解 ：
1.生物反应体系的流变学特性，氧传递与微生 物呼吸，体积溶氧系数与相关因素，溶氧方 程与溶氧速率的调节。
2.酶反应器及其设计，机械搅拌式发酵罐及其 设计，气升式生化反应器设计，生物废水处 理设备及动植物细胞培养用反应器等。
3.分批式，流加式，连续式操作，以及动植物 细胞培养技术等。
一个新生物反应过程的开发。
最初阶段是认识与发现新的生物反应，
然后才进入工程阶段，在工程阶段中，开发工 作者首先遇到的是生物反应器的选型，确定 选型后，进入操作条件的选择和反应器的工 程设计。
生物反应过程与化学过程的本质区别在于有生 化催化剂参与反应。
本课程，通过生物反应过程分析和生物反应器 的选型与设计,阐明细胞反应过程的动力学规
工业上应用的固定化酶反应器
微生物反应的特征
工业微生物具有如下特点: 1.微生物反应是生物化学反应,通常在常温常压
下进行; 2.原料多为农产品,来源丰富; 3.易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质
;
4.除生产产物外,菌体自身也可是一种产物,如 果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时, 可用于提取这些物质;
如果将微生物反应看成是生成产物的复合反应 ,那么,从概念上讲可写成如下形式:
碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O 如果碳源由C,H,O组成,氮源为NH3,细胞的分子
式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
5.通过菌种改良,有可能使统一生产设备的生产 能力大大提高.
微生物反应的5点不足:
1.基质不可能全部转化为目的产物,副产物的 产生不可避免.这将给目的产物的提取和精 制带来困难,这正是造成目前发酵行业下游 操作复杂的原因.
2.微生物反应是利用活的生物体进行目的产物 生产的反应,因此,产物的获得除受环境因素 影响外,也受细胞内因素的影响,并且微生物 菌体会发生遗传变异,因此,实际控制有一定 难度.
20世纪80年代。生物反应器（bioreactor)一词开始在 专业期刊与书籍中大量出现。
生物反应器是使生物技术转化为产品、生产力 的关键设备，其在生物过程中处于中心位置 。使用高效率的生物反应器 的目的在于提高
产品的生成速率，减少有关辅助设备，降低 生产成本Βιβλιοθήκη Baidu获得尽可能大的经济效益。
由于生物反应的多样性，生物反应器的型式也 是多样的，但由于生物反应的复杂性，加上 外界的影响及相关理论的不完善。目前生物 反应器的型式还不能完全适应生物反应过程 多样性的需要。
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
H: m+3b=xc+ud+2e
O: n+2a=yc+vd+e+2f
N: b=zc+wd
例：葡萄糖为基质进行面包发酵(S.cerevisiae)培 养,培养的反应式可用下式表达,求计量关系中的 系数a、b、c和d。
奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为乳 酪
我国酒类生产开始于商周时期，制酒的密闭容 器也是一种早期的反应器。
20世纪40年代是生物反应器的开发，研制和应 用获得迅速发展的阶段，传统生物工业中使 用的生物反应器称为“发酵罐”。
20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器 (biochemical reactor)一词，其含义除包括原有的 发酵罐外，还包括酶反应器，处理废水用反应器等 。同一时期ollis提出了另一术语—生物反应器 (biological reactor).
课程简介：
生物反应器的型式
生物反应器主要有三种类型：间歇式、半连续式 （流加）、连续式反应器。连续反应器进而又 可分为连续搅拌罐反应器（CSTR）和活塞流 反应器（PFR).
生物催化剂又可分为两种，一种是酶：包括游离 酶和固定化酶；另一种是细胞包括生长细胞和 非生长细胞。
生物催化剂和生物反应器的树形联系