生物反应器的分类与发展..共18页
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。
厌氧生物反应器分类与发展历程
➢ 其膨胀率一般为5～20％。 ➢ AAFEB对有机污水的处理过程，实质上是其中
三相分离器
颗粒污泥
配水系统
上流式厌氧污泥床(UASB)
➢ 特点：
➢ 可形成沉淀性能非常好的颗粒污 泥，利用污泥颗粒化实现了HRT 与污泥停留时间的分离，从而延 长了污泥龄
➢ 具有有机负荷高，水力停留时间 短，且无填料、无污泥回流装置、 无搅拌装置，大大降低了运行成 本
➢ 允许较大的上流速度，而且处理 率高，运行稳定
➢ 特点：
➢ 上升流速大Vup (2.5～10m/h，UASB 0.5～1.5 m/h)； ➢ CODcr有机负荷率高(5～35kg/m3.d)； ➢ 高径比大，污泥床处于膨胀状态； ➢ 出水回流，适合处理低浓度废水； ➢ 颗粒污泥接种，活性高，沉降性能好，粒径大； ➢ Vup大，废水与污泥接触状态良好； ➢ 可应用于含悬浮固体和有毒物质的废水处理。
➢ 这些反应器可以称为第一代厌氧反应器。
2. 第一代反应器
➢ 第一代厌氧反应器的特点 • 通过厌氧产生沼气的作用能使待处理废水与厌氧污泥完 全混合； • 能有效降解废水中的有机污染物； • 反应器内污泥停留时间（sludge retention time, SRT)与 水力停留时间(hydraulic retention time, HRT) 无法分开； • 处理废水或有机废物需要较长的时间（长达几十天）， 属低负荷系统。
AF反应器示意
厌氧滤池（AF）
第七章生物反应器
生物(shēngwù)反应器历史简介
生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们(rén men)利用生物反应器进行有用 物质生产却有着悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初 的生物反应器。
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”（fermenter）
2.生物反应器的性能常极大地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的方法和设备。
3.生物反应器正向大型化和自动化方向发展，反应器的自动检 测和控制系统使反应器在最佳(zuì jiā)条件下操作成为可能，随 着生物工程的日渐成熟和迅速发展，自动检测与控制系统将 会发挥越来越重要作用。
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反应器轴向各处浓度不同； 径向没有浓度梯度。
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dV=Adl
F，[S]
dl
F，[S]+d[S]
(2)物料衡算
流入量=流出量+反应(fǎnyìng)量+积累量
F[S]=F([S]+d[S])-rsdV+0
- Fd[S]=-rsdV
d[S] rs
dV F
V F
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对于(duìyú)一级反应
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二．自吸式发酵罐
利用(lìyòng)搅拌器旋转吸入空 气，搅拌器为空心叶轮，叶轮旋 转时液体被甩出，叶轮中形成负 压，从而将罐外的空气吸到罐内。 空心叶轮与吸气管间用双端面密 封装置，液体深度和罐压有所限 制，采用大面积低阻力的高效空
气过滤器。
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三．鼓泡式发酵罐
无搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上 升时带动液体，产生混合效果,H/D=7 空气进 入后停留时间长，设有多层筛板，对上升气泡阻 挡，延长停留时间，并分散气泡，降液管有助于 液体循环
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。
第四章 生物反应器
3、发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：
F
式中
Q K t m
F：冷却面积(米2) Q：总的发酵热(焦耳/小时) K：传热总系数(焦耳/米2.小时.℃) Δtm：对数平均温度差(℃)
二、 啤酒发酵设备
方向发展： 大 型（最大1500吨 ）
室 外（减少投资、易于改造）
内循环
外循环
第二节Biblioteka 厌氧（嫌气）发酵生物反应器
应用范围： 酒精、 啤酒、 丙酮丁醇
发展方向： 罐体——大型化 操作——连续化 控制——自动化
一、酒精发酵设备
（一）对酒精发酵罐的要求
满足工艺要求，有利于发酵热的排出； 从结构上有利于发酵液的排放； 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题； 有利于进行二氧化碳回收。
5、能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
生物反应器的分类：
1、按培养生物类型：
微生物反应器、动物细胞反应器、植物细胞反应器、酶促反应器 2、按培养方式： 通气生物反应器、厌气生物反应器、光照生物反应器、膜生物反应器 3、按生物反应器结构：
罐式、 管式、 塔式、 池式、膜式
4、按操作方式： 间歇式、连续式、半连续式
由于当代发酵工业的发展，大规模悬浮培养微生物（液 态深层培养）已成为生物工业获得产品的最主要手段，通常 把此类微生物反应器统称为发酵罐。
根据微生物是否应通气培养，将发酵罐分为通风发酵罐 和厌气发酵罐。
发酵罐的基本条件
1. 应具有适宜的径高比。发酵罐的高度与直径比约为1.1- 4 (视具体 的罐型而定。如：由于罐身长，氧的利用率较高，因此对于通风发酵设
生物反应器的原理及类型
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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
第十六页，共109页。
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
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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。
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。
总体流动的流行相当复杂，不同形式的搅拌器各不相同。最典型的 螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成的流型结构。两者相比，螺 旋桨式搅拌器可提供更大的流量，特别适用于要求大尺度混合均匀 的搅拌。
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2）小尺度混合机理 A、互溶液体的混合机理 总体流动可将混合液体中的一种流体破碎成较大的液团，并同
产 微生 发酵 物物 液 流 变 特 性
制 诺尔 牛顿 霉斯 性 菌氏 流 素链 体
青 霉 拟塑 霉菌 性 素 产黄 流
青 青体
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2、影响培养液流动特性的因素 （1）细胞浓度和形态 细胞浓度越大，培养液的黏度也相应增大；
细胞形态变化对培养液的流动特性影响也很大。 例如：不同形态和菌龄的黑曲霉培养液 （2）胞外产物 一些微生物能分泌多糖，它们的培养液因多糖的存在显示
第二章生物反应器
机械搅拌槽式反应器
反应器内的三类主要装置： 混合装置——物料混合；破碎和分散气泡；悬浮固相 物料。 通气装置——导入氧气 传热装置——冷却或加热
搅拌装置
生物反应器中常使的搅拌器型式有：螺旋桨、平桨、
涡轮桨、自吸式搅拌桨和栅状搅拌桨等。另外，翼型 桨也已开始广泛应用于发酵生产，并取得较好效果。
CSTR型与CPFR型反应器的组合
以反应器最小体积为目标，当Cx<Cx opt时，采用 CSTR有利，当Cx>Cx opt时，采用二者串联有利。
半间歇式操作的反应器
底物连续或分批加入，产物一次性或分批排除。 优点是反应物浓度可调控 适用于多种生物反应类型
半间歇操作过程： 补料分批培养：开始培养时，培养液没有一次性加足， 在培养一定时间后，根据培养液营养成分的消耗情况 将部分营养成分连续加入反应器内（称之为补料）， 培养结束后一次性全部放出。
流动特性
升、降液管中气含率不同导致的流体密度差是流体循
环的主要动力，通气率大小是影响流体速度的重要因 素。 升、降液管的横切面积相对大小对循环速度也产生影 响。
循环速度？
升液管内氧含量丰富，细胞生长旺盛；降液管氧含量
下降，易产生缺氧。 液体微元体在反应器内循环一周所需时间为一个循环 周期，
底物指数流加模型
加入基质速率随时间呈指数变化 控制策略是控制基质浓度在反应过程中保持恒
定
浓度不变时的底物衡算式：
F(t)与t成指数关系
反应-分离偶合操作的反应器
解决产物抑制问题。 两种类型：加入分离剂；外部分离器。 反应-膜分离偶合 反应-萃取偶合 选择分离介质的偶合过程 气提和减压分离的偶合过程
生物反应器
生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。
生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。
本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。
是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。
反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。
传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。
反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。
生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。
其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。
其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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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。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生物反应器归类
生物反应器归类
生物反应器是一种用于承载和促进生物反应的装置或体系。
根据反应
器的实际应用和操作原理，可以将生物反应器分为几个类别。
1. 发酵反应器：用于微生物发酵过程的反应器，用于生产食品、饲料、药物和生物燃料等。
常见的发酵反应器包括批式发酵罐、连续式发酵
罐和气体提升式发酵罐。
2. 培养反应器：用于细胞培养和组织工程的反应器，用于生产生物药
物和细胞制品。
常见的培养反应器包括摇床培养器、旋转培养器和悬
浮培养反应器。
3. 污水处理反应器：用于处理废水和污水中的有机物和有毒物质。
常
见的污水处理反应器包括活性污泥法反应器、膜分离法反应器和生物
滤池。
4. 生物酶反应器：用于生产酶类产物和催化生物酶反应的反应器。
常
见的生物酶反应器包括固定床反应器、悬浮式反应器和液体-液体界面
反应器。
5. 生物电化学反应器：用于转化生物质和废弃物为电能的反应器。
常
见的生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和生物燃
料池。
以上是一些常见的生物反应器类别，各类反应器在不同领域有广泛应用，以满足人类对食品、药物、能源和环境保护等方面的需求。
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60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
生物反应器的分类与发 展..
6、纪是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿