生物反应器

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第八章 生物反应器
2008-4-23
生物反应器是为适应生物反应（或生化反应）的特点 而设计的反应设备。
生物反应（或生化反应）是由各种不同的或一系列的 生物催化剂——酶在各种不同条件下催化的一个或一 系列的反应。 生物反应器本质上就是酶反应器。
酶 可溶 间歇 固定化
吸附
包埋
间歇
缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时， 易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很 少用于固定化酶，但常用于游离酶。
连续式反应器
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）。 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：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。
（2）固定化酶反应器的选择 根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性的不同，进 行选择。 机械强度稍差的固定化酶，主要搅拌桨叶旋转产生的 剪切力会对固定化酶颗粒产生损伤甚至破坏。
2、根据酶反应动力学性质选择反应器 （1）保证酶与底物的充分结合 （2）底物浓度的高低对酶反应速度的影响 分批搅拌罐式反应器，游离酶膜反应器 （3）产物对酶有反馈抑制作用的。 膜反应器、填充床式反应器 （4）耐高温酶 喷射式反应器
（4）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 （5）降低设备投资方面，对连续过程更加重视。连续生物反应器的 主要问题是产物浓度低。 随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发 酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高 产品浓度的方法。
交联
连续
化学偶联
细胞 非生长
悬浮
（发酵罐）
生长
酸溶 固定化
固定化
连续
半连续
分批
再循环系统
凝胶
吸附
生物反应器是生物工程中最重要的设备之一
空气 细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
除菌
CO2等
检测和控制
生物反应器
原材料 培养基 灭菌 冷却水 产物预处理
底物 产品提取或液化 产物 废物
一 般 生 化 反 应 过 程
间歇式反应器
又称为批量反应器（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。
二、生物反应器的分类
按结构区分
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)
3、根据底物或产物的理化性质选择反应器
（1）反应底物或产物的分子质量较大时，由于底物或产物难于透过 超滤膜的膜孔，一般不采用膜反应器。 （2）反应底物或产物的溶解度较低、黏度较高时，应当选择搅拌罐 式反应器或流化床式反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器， 以免造成阻塞。 （3）反应底物为气体时，通常选择鼓泡式反应器。 （4）有些需小分子物质为辅酶的催化反应，通常不采用膜反应器， 以免辅酶的流失而影响反应进行。 （5）所选反应器应当能适用于多种酶的催化反应，满足酶催化反应 所需的各种条件，并可进行适当调节控制。 （6）反应器应尽可能结构简单、操作简便、易于维护和清洗。 （7）反应器应具有较低的制造成本和运行成本。
1、搅拌罐式反应器
反应器、搅拌器和保温装臵 分批式（Batch Stirred Tank Reactor，BSTR）、流加分批式 和连续式 (Continuos Flow Stirred Tank Reactor，CSTR） 设备简单，操作容易，传质阻力较小，酶与底物混合较均匀，反 应后酶难于回收
一个优良的生物反应器应具备：
(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得 到较大的产品转化率。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。
填充床式反应器
固定化酶
密度大，可以提高酶催 化反应的速度。在工业 生产中普遍使用。 流化床反应器具有混合 均匀，传质和传热效果 好，温度和pH值的调节 控制比较容易，不易堵 塞，对粘度较大反应液 也可进行催化反应。
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
反应器类型 鼓泡式反应器
适用的操作方式 适用的酶 分批式 流加分批式 连续式 连续式 连续式 游离酶 固定化酶
膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离 作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以 用于固定化酶的催化反应。
用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔 薄膜中，而制成的一种生物反应器。
膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多 种形状。常用的是中空纤维反应器。
反应液出口
底物溶液进口
连续搅拌釜ctor PBR）
又称活塞流反应器（Plug Flow Reactor， PFR） 把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器叫做固 定床型反应器。
优点：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业 生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固 定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑 制的转化反应。
影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考 虑：

酶的形式(游离/固定化..) 固定化酶的形状 底物的物理性质 酶反应动力学性质 酶的稳定性 操作要求 反应器制造、控制成本
四、酶反应器操作的主要实现
（一）酶反应器操作条件的确定及其调控
反应温度（最适温度，保温） pH值（最适pH值，缓冲溶液的维持、反应过程中的调节） 底物浓度（适宜、避免高浓度底物的抑制作用，连续式反应器 中底物浓度保持恒定） 酶浓度（保持适宜的酶浓度） 搅拌速度（适宜速度，过慢，影响混合的均匀性，过快，产生 剪切力使酶的结构受到影响） 流动速度（适宜的流动速度与流动状态：流化床式反应器—— 过慢，混合不均匀；过快，破坏固定化酶的结构；填充床式反 应器——慢，混合均匀，生产效率低）
中空纤维膜
5、生物膜反应器（MBR）
•按反应物系在反应器内的流动和混合状态分：全混 流型生物反应器、活塞流型生物反应器
螺旋卷式生物膜反应器
中空纤维的纤维壁的内 外结构是不同的，内层 是紧密的、光滑的，并 有一定的分子截留值， 可截留大分子物质而允 许不同的小分子物质通 过。
外层则是多孔的海绵状 的支持层。与上述的固 体膜反应器一样，酶可 以是游离方式存在，也 可以固定化方式存在。
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装臵能否适 合工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成
本最低。
4、生物反应器开发的趋势和未来方向
（1）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定向改造，以及改 进酶和细胞的固定化技术 （2）改进生物反应器的传质、传热的方法 （3）生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操作 成本，自动化检测和控制系统控制使反应器在最佳条件下操作成为可 能
）
连续搅拌罐—超滤膜反应器
简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子 酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子 产物与大分子底物。
游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶 在反应容器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜 分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被 截留，可以再循环使用。
缺点：传质系数和传热系数相对较低，如加 上循环装置后，可适当改善。

•在这种反应器中，将颗粒状、板状、 膜状或纤维状的固定化酶或细胞填充 在反应器内，反应液在反应器中的流 动就如同一个活塞推进一样，沿柱的 方向底物及产物的浓度是逐渐变化的， 但在同一横切面上浓度是一致的。
•固定化酶颗粒大小会影响压力降和 内扩散阻力。一般言之，固定化酶颗 粒大小应尽可能均匀。当反应液内溶 有固体物质时，不宜采用PBR，因为 固体物质会引起床层堵塞。当有底物 抑制时，不宜用PBR；但当有产物抑 制时，则采用PBR较好。
6、喷射式反应器 利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进 行高温短时催化反应的一种反应器
7、循环反应器
高效内循环生物反应器（HCR）
各种生物反应器的特点
反应器类型 搅拌罐式反应器 适用的操作方式 分批式, 流加分批式 连续式, 连续式 适用的酶 游离酶 固定化酶 特点 反应比较完全，反应条 件容易调节控制。
工业中生产中常用的流化床反应器
4、鼓泡式反应器 利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上 升过程中起到提高反应底物和混合两种作用的一类反 应器。 又称：三相流化床式反应器，气液固三相反应器 结构简单，操作容易，剪切力小，物质与热量的传递 效率高。