生物反应器设计和分析共63页文档
生物反应器的设计与生产技术
生物反应器的设计与生产技术生物反应器是生产化学品和生物制品的重要设备之一，其设计和生产技术对于生产质量和效率有着至关重要的影响。
本文将从反应器设计和生产技术两个方面，展开对该设备的深入讨论。
一、反应器设计在反应器设计过程中，需要考虑的因素较多。
以下分别介绍反应器的三个关键因素：规格、材质和形态。
1.规格反应器的规格决定了反应器的生产能力。
在规格设计时，需要考虑到反应器的型号、反应器的开口数量、反应器的容量、反应器重量以及其他的附属设备等细节。
不同的物料和反应条件需要不同规格的反应器来适应，规格调整不当会导致反应器制造成本过高，生产效率低下的问题。
2.材质生物反应器的材质应该是符合国际标准的，能够抵抗化学腐蚀、较高温度和较高压力影响的。
目前比较常见的反应器材料有硅酸盐玻璃、承压型金属、塑料和复合材料等四种。
每一种材质都有其自身的优缺点，应该根据实际的生产环境和反应物质的特性，选择合适的材料，并严格控制材料的制造和质量检测。
3.形态反应器形态的设计对反应器的混合效应、气体传递、热迁移和物质传递等方面的控制非常重要。
在反应器形态选择时，应该考虑到反应物料的特性和反应条件要求，以及生产效率和设备利用率的平衡等方面。
二、生产技术生物反应器的生产技术包括反应过程、离线检测和清洗、在线检测和控制等方面。
1.反应过程反应过程是生物反应器最关键的生产环节之一。
反应过程要求按照设定的反应条件，反应物经过特定的转化路径，得到化学产品或者生物制品。
目前，生物反应器的反应过程大多采用旋转式搅拌方法，旋转速度、搅拌的杆数、搅拌片等参数对于反应的转化速率和混合效应有很大的影响。
除了旋转式搅拌，还有其它的高效搅拌、超声波、气泡输送、电磁搅拌等搅拌方式。
2.离线检测和清洗反应结束后，需要对反应产物进行离线检测和清洗。
离线检测可以对反应产品的物理化学性质和结构特性进行分析和鉴定，从而为后面的生产工作提供充分的参考数据。
清洗是保证反应器的正常使用的重要处理步骤。
2第二章 生物反应器设计
（4）啤酒发酵形式
上面发酵:发酵时酵母上浮,发酵终结很久才部分 下沉
下面发酵:发酵时酵母浮游于发酵液中,发酵完后 酵母即下沉,酵母可重复使用5-7次
上下面发酵工艺区别主要是发酵温度的差异 啤酒种类 起始温度 最高温度 最终温度 上面啤酒 10-15 15-25 5-7 下面啤酒 6-8 8-12 3.5-5
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（五）发酵罐冷却面积计算
发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：
式中 Q—总的发酵热（ J/h ） K—传热总系数 J/（m2·h·℃）
△tm—对数平均温度差 , ℃
F—冷却面积（ m2 ）
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冷却水耗量的计算
由热平衡方程式得： QA＝QB
式中
QA——酒精或其他发酵产品的总发酵热(J／h) QB——冷却水带走的热量(J／h)
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主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却 水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
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传热总系数K值的确定 选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为
53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并 同时进入冷却水，则水在管内流速为：
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冷却面积和主要尺寸
原理：用泵使发酵液通过文 氏管吸气装置，由于液体在 文氏管的收缩段流速增加， 形成真空而将空气吸入，并 使气泡分散与液体均匀混合 ，实现溶氧传质。
优点：吸氧的效率高，气、 液、固三相均匀混合，设备 简单，无须空气压缩机及搅 拌器，动力消耗省。
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（三）溢流喷射自吸式发酵罐
吸气原理 用泵将发酵液从发酵罐的底部提升到罐顶的溢流口，液
体由于自重通过溢流管向发酵罐跌落，形成抛射流，由 于液体表面层作用，使靠近流体表面的无菌空气气体边 界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用 ，并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,使 氧溶解在发酵液中的，这是溶氧阶段。发酵液进入发酵 罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它 气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大 向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时， 发酵液又从发酵罐底部被泵打入循环管，开始下一个循 环。
生物反应器的设计
机械性能：材料应具备足够的强度和韧性，以承受生物反应器中的压力和振动。
热稳定性：材料应能在生物反应器所需的工作温度下保持稳定，不易变形或分解。
定义：材料与生物体的相互作用关系，包括材料对生物体的适应性、安全性和有效性
重要性：生物相容性是生物反应器设计中的关键因素，直接关系到产品的质量和安全性 考虑因素：材料的化学稳定性、物理稳定性、生物活性、无毒性和可加工性等 常用材料：不锈钢、钛合金、硅橡胶、高分子材料等
微藻生物反应器：利用微藻光合作用生产生物燃料和有用物质，具有高光能利用率、 生长快速的优点。
智能化控制：通过先进的传感器和算法实现生物反应器的智能化控制，提高生产效率和降低能耗。
新型生物反应器设计：开发新型生物反应器，如光合生物反应器、微藻生物反应器等，以满足不断增长的需求。
生物反应器集成化：将多个生物反应器集成在一起，实现连续化、规模化生产，提高生产效率。
生物反应器的设计应考虑反应速度、产物 浓度、细胞生长和产物形成等多个因素。
生物反应器的基本类型包括微生物反应器、 动物细胞反应器和植物细胞反应器等。
生物反应器的应用范围广泛，包括医药、 食品、化工和环境保护等领域。
按照微生物的种类分类：厌氧反应器、好氧反应器等 按照操作方式分类：分批式反应器、连续式反应器等 按照搅拌方式分类：机械搅拌反应器、气流搅拌反应器等 按照传热方式分类：自然散热反应器、强制散热反应器等
传热系数：提高传热系数可以有效降低能耗，常用的方法包括改善流体流动状态、增加湍流 等。
生物反应器的操作 优化
温度优化：选 择适宜的温度 范围，以提高 生物反应的效
率
溶氧浓度：调 整溶氧浓度， 以满足微生物
第四章 生物反应器设计和分析
CS
X
上式表示反应物S反应到某一程度时所需要的反应时间，是一普遍式，对于 不同的反应，有不同的动力学方程，积分可以求得不同的反应时间的表达式。
• 均相酶反应
rS
• 固定化酶反应
rmaxCS 1 rmaxtr CS 0 X S K S ln K S CS 1 X S
假定反应器中液相物料 占的体积分率为 L，则固定化酶占的体积 分率为（ L）， 1 酶反应发生在固相，又 考虑到有内扩散的影响 ，则反应器中底物消耗 速率应为： dCS （ L）VR rS ; 累积项则应为反应器内 1 液相中的物浓度随时间 的变化： LVR . dt 物料衡算式如下： dCS （ L）VR rS LVR 1 dt 积分得到： X S dX V X S dX S S t r CS 0 L CS 0 L 1 L 0 rS VP 0 rS VL 和VP 分别为液相和固相的体 积。 如果反应速率是以单位 催化剂的质量来定义， 此时反应速率以 SW 表示，则有： r t r CS 0 VL W dX S rSW
对细胞作衡算： 如果指数期开始时的细 胞浓度为C X 0，指数期末的细胞浓度 C X 1 , 为 减速期末的细胞浓度为 X 2，则所需反应时间 r 应包括这两个时期所需 C t 时间的和： t r t r1 t r 2
CX 1 CX 0 C X 2 dC dCX X CX 0 r CX 1 r X1 X2 CX 1
• 按反应物系在反应器内的流动和混合状态：活塞流反应器和全混流反应器。
生物反应器的分类
生物反应器
间歇操作
半间歇半连续操作
连续操作
生物团块反应器 全混流型
•搅拌釜式反 应器 •循环反应器 •环流反应器
生物反应器设计及工艺参数优化方法改进
生物反应器设计及工艺参数优化方法改进概述生物反应器是利用生物学原理进行生物转化反应的设备，广泛应用于生物工程、环境工程以及食品工业等领域。
生物反应器的设计和工艺参数优化是确保反应器能够高效运行和实现预期产出的关键因素。
本文旨在探讨生物反应器设计的基本原理以及工艺参数优化方法，并提出改进措施，以期提高反应器的性能和效率。
一、生物反应器设计原理生物反应器的设计需要考虑多个因素，包括反应器类型、材料选择、反应器配置和控制系统等。
1. 反应器类型常见的生物反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和固定床反应器。
批式反应器适合小规模生产和研究实验，但由于无法实现连续稳定的反应过程，生产效率较低。
连续流动反应器通过不断输入新的底物和废物来实现连续稳定的反应过程，适用于大规模生产。
固定床反应器则通过固定床填料来增加底物与酶或微生物的接触面积，提高反应效率。
2. 材料选择生物反应器的材料选择需要考虑反应过程中的温度、压力和化学反应性等因素。
通常情况下，反应器的材料是不可溶于反应物的，以保证反应物的纯度。
常见的反应器材料包括玻璃、不锈钢和陶瓷等。
3. 反应器配置反应器的配置包括反应器体积、形状和内部结构等。
反应器体积的选择需要考虑底物浓度、反应速率和产品产量等因素。
反应器形状的选择一般根据具体应用需求，例如圆柱形反应器适用于连续流动反应过程，球形反应器适用于批式反应过程。
内部结构则影响着反应物和酶或微生物的接触效率，常见的结构包括搅拌器、气体分配器和热交换器等。
4. 控制系统生物反应器的控制系统用于调节反应过程中的温度、压力和反应速率等参数。
常见的控制系统包括温度控制系统、压力控制系统和流量控制系统等。
这些控制系统通过传感器和执行器实现对反应器内部环境的监测和调节。
二、工艺参数优化方法工艺参数优化是提高生物反应器性能和效率的关键。
以下是几种常见的工艺参数优化方法。
1. 底物浓度底物浓度是反应速率的关键因素之一。
提高底物浓度可以增加反应速率和产物产量。
污水处理中的生物反应器设计与运行
脱氮除磷
通过合理设计生物反应器的运 行条件，如缺氧/好氧交替运行 ，可以实现脱氮除磷的目的。
悬浮物去除
生物反应器中的微生物能够吸 附和降解悬浮物中的有机成分 ，从而实现悬浮物的去除。
生态修复
利用生物反应器技术，可以构 建人工湿地、生态浮岛等生态 修复工程，改善水体生态环境
。
02
生物反应器的设计
设计原则与流程
污水处理中的生物反 应器设计与运行
汇报人：可编辑
2024-01-03
目录
CONTENTS
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计 • 生物反应器的运行与管理 • 生物反应器的优化与改进 • 生物反应器的发展趋势与挑战
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
生物反应器的定义
生物反应器是一种用于实现生物反应过程（如微生物培养、酶催化反应等）的设 备。在污水处理领域，生物反应器通常用于实现污水中有机物、氮、磷等的去除 。
布局
考虑占地面积、物流和人员流动等因 素，合理安排反应器的位置和间距。
反应器的能效分析
能效指标
包括有机负荷率、氧传递速率、混合液悬浮固体浓度等。
分析方法
通过实验测定和模拟计算等方法对反应器的能效进行分析。
03
生物反应器的运行 与管理
运行参数与控制
温度控制
维持生物反应器内的温 度稳定，以满足微生物
利用传感器、控制器和算法等手段实现生物反应器的智能化控制，提高处理过程的稳定 性和效率。
05
生物反应器的发展 趋势与挑战
生物反应器技术的发展趋势
高效能化
提高生物反应器的处理效率，降低能耗和资源消 耗，实现高效低耗的污水处理。
《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。
生物反应器的设计原理及操作方法
生物反应器的设计原理及操作方法生物反应器是生物工程中的关键设备，它能够控制微生物在特定条件下进行生长、代谢、分化等过程，从而生产出预期产品。
本文将介绍生物反应器的设计原理及操作方法，帮助读者更好地了解生物反应器的基本原理和操作技巧。
一、生物反应器的设计原理1.1 选择适当的基质生物反应器是利用微生物代谢产生生物产物的过程，所以选择适当的基质是其首要设计原理。
基质中必须包含微生物所需要的营养物质，并能够满足微生物的生长和代谢需要。
选择基质时需要考虑微生物的菌种、培养温度、pH值等因素，以便为微生物提供最适宜的生长环境。
1.2 确定反应器的类型生物反应器的类型有很多，根据微生物的生长形态分为培养皿式反应器和悬浮式反应器。
培养皿式反应器主要用于附着生长的微生物，例如细胞培养、细菌单克隆发育等；悬浮式反应器则适用于浮游性微生物的培养和生产，例如发酵类的生产。
同时还需要根据需求确定反应器的大小和形状，以便满足生产的需求。
1.3 设计反应器的操作参数反应器操作参数的设定是生物反应器的关键，可分为生化参数和物理参数。
生化参数是指液体中化学参数的设置，如培养基中的营养物含量、温度、pH值等；物理参数是指反应器本身的一些参数，包括搅拌速度、气体流速、曝气方式等。
通过合理的操作参数设置可以满足微生物生长的需要，提高产物的产量和质量。
二、生物反应器的操作方法2.1 准备工作生物反应器的操作需先做好准备工作。
包括清洗反应器和配件，制备适当的培养基、出气口等。
此外，还要仿制保证操作环境的洁净度，避免外界的干扰和微生物的污染。
2.2 下料对于悬浮式生物反应器，需要通过下料将培养基等物料加入反应器，形成生产过程中的培养环境。
此时需要注意下料的速度、流量和方法，以及下料口的位置和大小。
通过合理的下料操作可确保培养物质的分散及加入过程的平稳，避免对微生物产生不利影响。
2.3 搅拌操作搅拌操作是生物反应器中常用的操作方法。
通过合理的搅拌操作可使培养基中的营养物质和微生物充分混合，并避免其附着于反应器的内壁和底部。
生物反应器设计和优化技术
生物反应器设计和优化技术随着生物技术的不断发展，生物反应器逐渐成为生物工程领域的重要设备。
生物反应器通过控制反应条件，实现对生物过程的控制，是生物工程中最重要的设备之一。
生物反应器的设计和优化对于生产效率、生产质量和生产成本具有重要影响，因此生物反应器设计和优化技术的研究一直是生物工程领域的热点之一。
一、生物反应器设计生物反应器设计是指根据所需要的反应过程，设计合适的反应器结构和反应器参数，从而使反应能够在稳定的控制条件下进行，达到预期的反应效果。
1. 反应器结构设计反应器结构设计是根据反应过程的性质和反应器的容积等参数来选择反应器的结构形式。
反应器结构形式有很多，主要分为两大类：批处理反应器和连续式反应器。
批处理反应器是指反应物一次性加入反应器中，反应过程全部在反应器内完成，一次性取出反应产物。
批处理反应器广泛应用于制药、食品工业中，也适用于一些小量的科研实验。
连续式反应器是指反应物在反应器中连续加入，反应过程持续，反应物不停地进出反应器。
这种反应器可以使反应持续，从而提高生产效率，广泛应用于工业中。
常见的连续式反应器有：厌氧反应器、曝气池、生物滤池、膜生物反应器等。
2. 反应器参数设计反应器参数设计是指根据所需反应过程的需要，选择合适的反应器参数，包括温度、压力、pH值、氧气含量、进料速率等。
反应器参数的设计，直接影响到反应器的反应速率和反应效果。
合理的反应器参数设计，能够提高生产效率、降低能耗、提高反应产物质量等。
二、生物反应器优化技术生物反应器的设计往往是一次性的，但是在实际应用中，反应器的设计是需要不断调整和优化的。
生物反应器设计的优化，旨在通过改变反应参数，降低生产成本、提高生产效率。
1. 操作条件的优化操作条件的优化是指通过对反应过程的监测和控制，调整反应器工作状态，优化反应过程。
操作条件的优化需要结合反应器结构和实际应用情况，灵活调整反应温度、氧气含量、pH值等参数，以实现反应的最优效果。
生物反应器设计课件
VL）（a J
）
G
高黏度流体的适当通气是非常困难的，在这些情况下需要多叶 片搅拌器及特殊设计的搅拌叶。
1.3 生物反应器的质量传递
三、气体搅拌生物反应器的质量传递
1. 鼓泡塔
从结构及操作的观点看，鼓泡塔是最简单的一种反应器，属于气体 搅拌反应器的种类。它们是简单的容器，容器内气体喷人液体中，没有 运动部件，容器内物料搅拌所需要的所有能量及培养所需要的氧均由喷 人容器中的气体(通常为空气)提供。
1 Yxs
1 Y m ax
xs
ma
qs
Ymax
qp Ymax
ma
xs
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基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要 工具。在设计的过程中速率是进行人为预测的，而培养的 过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。
1.2 生物反应器的生物学基础
一、细胞学动力学
细胞在分 批间歇式培养 的过程中，其 生长过程主要 分为了四个阶 段，分别为停 滞期、对数期 、减数期以及 衰退期。图为 典型的生长曲 线。
一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最 后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质 和反应程度。
化学平衡式可表示为：
CH mOl aNH 3 bO2 YbCH pOnN（q 生物量） YpCH rOS H t(产物） cH 2O dCO2
这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的 产率，氮和氧的需求量分别用系数a和b表示，所产生的水 和二氧化碳系数分别为c和d。
max/（1 ks/S）（1 S/k1)
竞争性抑制：
maxS/ ks (1 S/k1) S
1.2 生物反应器的生物学基础
五、 环境因素对生长及代谢的影响
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。