ATF系统应用案例-Centocor-案例研究 一次性生物反应器进行灌流培养工艺：设备设计和过程挑战
污水处理数学模型
I污水处理系统数学模型摘要随着水资源的日益紧缩和水环境污染的愈加严重，污水处理的问题越来越受到人们的关注。
由于污水处理过程具有时变性、非线性和复杂性等鲜明特征，这使得污水处理系统的运行和控制极为复杂。
而采用数学模型，不仅能优化设计、提高设计水平和效率，还可优化已建成污水厂的运行管理，开发新的工艺，这是污水处理设计的本质飞跃，它摆脱了经验设计法，严格遵循理论的推导，使设计的精确性和可靠性显著提高。
数学模型是研究污水处理过程中生化反应动力学的有效方法和手段。
计算机技术的发展使数学模型的快速求解成为可能，使这些数学模型日益显示出他们在工程应用与试验研究中的巨大作用。
对于污水处理，有活性污泥法、生物膜法以及厌氧生物处理法等污水处理工艺，其中以活性污泥法应用最为广泛。
活性污泥法是利用自然界微生物的生命活动来清除污水中有机物和脱氮除磷的一种有效方法。
活性污泥法污水处理过程是一个动态的多变量、强耦合过程，具有时变、高度非线性、不确定性和滞后等特点，过程建模相当困难。
为保证处理过程运行良好和提高出水质量，开发精确、实用的动态模型已成为国内外专家学者普遍关心的问题。
此外，由于污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，现场试验不仅时间长且成本很高，因此，研究对污水处理过程的建模和仿真技术具有十分重要的现实意义。
本文在充分了解活性污泥法污水处理过程的现状及工艺流程的基础上，深入分析了现有的几种建模的方法，其中重点分析了ASM1。
ASM1主要适用于污水生物处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本过程、原理及其动态模拟，包括了碳氧化、硝化和反硝化作用等8种反应过程；包含了异养型和自养型微生物、硝态氮和氨氮等12种物质及5个化学计量系数和14个动力学参数。
ASMI的特点和内容体现在模型的表述方式、污水水质特性参数划分、有机生物固体的组成、化学计量学和动力学参数等四个方面。
关键词：污水处理系统，活性污泥，数学模型，ASM1II Sewage Treatment System Mathematical ModelABSTRACTWith water increasingly tight and increasingly serious water pollution , sewage disposal problems getting people's attention . Because of the distinctive characteristics of variability, nonlinear and complex with time , such as sewage treatment process , which makes the operation and control of wastewater treatment system is extremely complex. The use of mathematical models , not only to optimize the design and improve the level of design and efficiency , but also to optimize the operation of the wastewater treatment plant has been built in the management , development of new technology, which is essentially a leap wastewater treatment design , experience design method to get rid of it , strictly follow derivation theory , the design accuracy and reliability improved significantly. Mathematical model to study effective ways and means of sewage treatment process biochemical reaction kinetics . Rapid development of computer technology makes it possible to solve the mathematical model , these mathematical models increasingly showing their huge role in the study of engineering and test applications.For wastewater treatment, activated sludge , biological membrane and anaerobic biological treatment , such as sewage treatment process , in which the activated sludge method most widely used. Activated sludge process is the use of natural microbial life activities is an effective method to remove organic matter and nutrient removal in wastewater of . Activated sludge wastewater treatment process is a dynamic multi-variable , strong coupling process with time-varying , highly nonlinear , uncertainties and hysteresis characteristics, process modeling quite difficult. To ensure the process runs well and improve water quality, develop accurate , practical dynamic model has become a common concern of experts and scholars at home and abroad . In addition, because the sewage treatment process is a complex biochemical reaction process , the field test not only for a long time and high cost , therefore , research has practical significance for modeling and simulation technology of sewage treatment process. Based on the current situation fully understand the activated sludge wastewater treatment process and the process based on in-depth analysis of several existing modeling method , which focuses on the ASM1. ASM1 mainly used in biological wastewater treatment design and operation of simulation , focusing on the basic biological treatment processes , principles and dynamic simulation , including carbon oxidation , nitrification and denitrification and other 8 kinds of reactions ; contains heterotrophic and self- autotrophic microorganisms, nitrate and ammonia and other 12 kinds of substances andIIIfive stoichiometric coefficients and 14 kinetic parameters . ASMI features and content reflected in four aspects of expression model , effluent quality parameters division, consisting of organic biological solid , stoichiometry and kinetic parameters.KEY WORDS:sewage treatment system,activated sludge,mathematical model, ASMIIV目录1 绪论 (1)1.1 污水处理数学模型的作用 (1)2 污水处理机理 (3)2.1 微生物的生长 (3)2.2 有机物的去除 (4)3 污水处理静态模型 (10)3.1 有机污染物降解动力学模型 (10)3.2 微生物增殖动力学模型 (13)3.3 营养物去除动力学 (16)3.3.1 生物硝化反应动力学 (16)3.3.2 生物反硝化动力学 (19)3.3.3 生物除磷动力学 (21)4 活性污泥数学模型 (22)4.1 活性污泥数学模型概述 (22)4.2 活性污泥1号模型 (23)4.2.1 ASM1简介 (23)4.2.2 模型的理论基础 (23)4.2.3 模型的假设和限定 (24)4.2.4 ASM1的约束条件 (24)4.2.5 ASM1的组分 (25)4.2.6 ASM1的反应过程 (27)4.2.7 ASM1模型中化学计量系数及动力学参数 (28)4.2.8 组分浓度的物料平衡方程 (29)污水处理系统数学模型 11 绪论水是最宝贵的自然资源之一，也是人类赖以生存的必要条件。
煤化工废水难降解有机物的处理技术进展
煤化工废水难降解有机物的处理技术进展目录一、内容综述 (2)1. 煤化工废水的特点与危害 (2)2. 难降解有机物的定义与影响 (4)3. 处理技术的必要性及挑战 (5)二、煤化工废水处理技术现状 (6)1. 物理法 (7)2. 化学法 (8)3. 生物法 (9)3.1 微生物降解 (10)3.2 生物膜法 (12)3.3 活性污泥法 (13)三、难降解有机物处理技术进展 (14)1. 高效预处理技术 (16)1.1 深度氧化 (17)1.2 电化学预处理 (19)2. 创新降解技术 (20)2.1 超临界水氧化 (21)2.2 电化学协同降解 (22)2.3 生物强化技术 (23)3. 多技术联合应用 (24)3.1 物理化学联用 (25)3.2 化学生物联用 (26)3.3 物理生物化学联用 (27)四、技术应用与案例分析 (29)1. 工业应用案例 (30)1.1 烯烃厂废水处理 (32)1.2 煤气化废水处理 (34)2. 学术研究案例 (35)2.1 高效预处理技术研究 (36)2.2 新型降解技术研究 (37)2.3 多技术联合应用研究 (39)五、结论与展望 (40)1. 技术成果总结 (42)2. 存在问题与不足 (43)3. 未来发展趋势与展望 (44)一、内容综述煤化工废水难降解有机物的处理技术进展，是当前环保领域的重要研究方向之一。
随着煤化工产业的迅速发展，产生的废水处理问题日益突出，其中难降解有机物的处理更是技术难点和重点。
本文旨在对煤化工废水难降解有机物的处理技术进展进行全面综述，介绍相关技术的最新研究成果、应用现状及发展趋势。
煤化工废水中的难降解有机物主要包括酚类、芳香烃、多环芳烃等，这些物质具有稳定的高分子结构，难以通过传统的生物处理或物理处理方法实现有效降解。
针对这些难降解有机物的处理技术一直是研究的热点，随着科技的不断进步，新的处理技术不断出现并得以应用，为煤化工废水处理提供了新的解决途径。
应用一次性生物反应器大规模培养BHK-21细胞
口蹄疫 是 由 口蹄 疫病 毒 （舳 Ｖ）引起 的一种 危 疫 苗奠 定基础 。
害 严 重 的 烈 性 传 染 病 之 一 ，主 要 危 害 猪 、牛 、羊 等
偶 蹄 动 物 ，给 畜 牧 业 生 产 和 人 民 生 活 造 成 极 大 损 １ 材 料 与 方 法
失 ，世 界 各 国对 口蹄 疫 病 毒 的研 究 极 为 重 视 ，而
研 制 口 蹄 疫 疫 苗 是 防 治 口 蹄 疫 爆 发 的 有 效 措 施 １．１ 主 要 试 剂 与 材 料
之 一 。
ＤＭＥＭ培 养 基 ，ＧＩＢＣＯ １２８００；胎 牛 血 清 ，武 汉
基质细 胞 是病 毒增 殖 的唯一 场所 ，也 是 为病毒 三 利 ；胰 酶 ，Ｓｉｇｍａ Ｔ４７９９。
业 化 生产 还 不现 实 。
ＡＰ２０（１０ Ｌ）、ＡＰ２００（１００ Ｌ）激 流 ＆灌 注 式 生物
为 了克服 这些 缺 点 ，本 试验 采用 细胞 载体 和一 反应器 ，杭州 安普 生物 工程有 限公司 ，细 胞载 体量 分
次 性激 流 ＆灌 注 式 生物 反 应器 ｎ ］，成功 地 发 展 了大 别 为 １５０ ｇ和 １ ２００ｇ。
作 为 种 子 罐 ，当细 胞达 到 一 定 密度 时 ，约 ８～ ｌ０
化载体细胞 ，接种２２０ ｍＬ纸 片 载 体 转 管 （如 图２），接 天 时 间，胰 酶 消化 载 体 细胞 ，将 细 胞 转移 至ＡＰ２００生
种 量 约 １．０× １０ ｃｅｌｌｓ，体 积 ２００～３００ ｍＬ，培 养 方 物 反 应 器 （ＯＨ图４）。
有 限 ，单 位 体 积 所 提 供 的 细 胞 生 长 表 面 积 小 ，细 胞 １．２ 主 要 仪 器
高效生物脱氮-气浮-BAF-反硝化深床滤池工艺处理低碳氮比废水工程实例
工业用水与废水
Vol.52 No.3 Jun.， 2021
Hale Waihona Puke 池-氧化池-二级反应沉淀池-pH回调池-砂滤池的 工艺处理后，大部分重金属离子及其他污染物已去 除，均能满足GB 13456-2012《钢铁工业水污染物 排放标准》表2标准，但总氮(硝酸根)无法有效去 除，因此需要新增深度处理系统，使其达标排放。 2设计规模及进出水水质
(1) 调节水池。1座，钢筋混凝土结构，尺寸 为 23.90 m x 8.50 m x 5.50 m， 有效容积为 1 016 m3, HRT为30 ho设潜水搅拌机2台，单台功率 为2.5 kW；潜水排污泵2台，1用1备，单台流量 为25m3/h,扬程为30 m,功率为4 kW。
(2) 高效生物脱氮反应器。设置2级，每级2 个。采用钢制防腐，玻璃棉保温，外包镀锌彩钢
(3) 气浮装置° 1套，钢制防腐结构，设计尺 寸为 6.50 m x 2.50 m x 2.50 m，处理水量为 50 m3/ h，溶气压力为0.5 MPa,回流比为70%,混合絮 凝时间为30 min，接触室停留时间为2.0 min，分 离室表面负荷为5.4 m3/(m2・h)o设桁车式刮渣机4 台，单台宽度为2.48 m，功率为1.1 kW；溶气水 泵2台，1用1备，单台流量为25m3/h，扬程为 50 m，功率为7.5 kW；溶气罐1套，钢制防腐， 溶气能力为30m3/h,压力为0.5 MPa； PAC、PAM 加药装置各1套，加药量分别为250 mg/L和5 mg/L,单套含2.0 m3不锈钢溶解池，3.0 m3不锈钢 溶液池，机械搅拌机2台，单台功率为0.75 kW, 计量泵2台，1用1备，单台流量为120 L/h,扬 程为 50 m， 功率为 0.25 kWo
以细菌聚酯作为碳源和电子供体进行饮用水反硝化的持续升流式固定床反应器
以细菌聚酯作为碳源和电子供体进行饮用水反硝化的持续升流式固定床反应器中分离出的异养细菌的特性及其潜在功能摘要本文研究了一种持续升流式固定床反应器，这种反应器采用PHBV颗粒作为生物膜载体，碳源以及电子供体，用于进行饮用水反硝化。
从这种反应器中分离出186种异养细菌，用于研究其相关的分类附属关系，降解性和反硝化特性。
从充分运行的反应器中提取两种颗粒样品用于计数和分离异养细菌。
一种样品取自反应器的底部，靠近好氧区域，另一种样品取自顶部，是固定床的缺氧区域。
分离出的优势菌落经过培养后，采用脂肪酸分析法和16S rDNA 测序进行鉴定。
这些细菌在纯培养后对其降解聚合物和3HB的能力以及反硝化能力进行评估。
结果表明聚合物颗粒表面的生物膜上存在大量异养细菌，固定床顶部和底部的细菌在分类组成以及潜在功能上具有显著差异。
分离出的大部分细菌是革兰氏阴性菌，它们中的大多数可以利用唯一碳源3HB将硝酸盐还原为亚硝酸盐，或者直接脱氮。
仅有两个大类的细菌可以联合进行反硝化，并利用PHB，一类被鉴定为Acifovorax facilis(敏捷食酸菌属)，另一类在系统发育上与Brevundimonas intermedia（中间短波单胞菌）有关，这两种细菌仅发现于顶部样品。
其他类别的细菌存在于底部或顶部样品中，或是两个都有。
这些细菌归属于（Brevundimonas）短波单胞菌，（Pseudomonas）假单胞菌，（Agrobacterium）土壤杆菌，（Achromobacter）无色杆菌，（Phyllobacterium）叶杆菌，或在系统发育上与Afipia）阿菲彼亚杆菌或（Stenotrophomonas）寡养单胞菌相关。
介绍异养反硝化定义为生化上顺序为NO3—→ NO2—→ NO→ N2O → N2的硝酸还原作用以及同时进行的氧化有机化合物。
传统的饮用水处理技术主要由固定的或流化床反应器填充作为生物膜载体的沙子构成。
艾力特——基于ATF技术的灌流培养工艺开发研讨会
John Bonham-Carter
Vice President, Sales & Business Development Re�ine Technology
The �irst business John founded was a free-ads newspaper in the south of France, called Annonces Vertes. After a period with a satirical political magazine in London, the Insider, he moved into the family business of fermenter manufacturing (his grandmother started LH Engineering Ltd many years ago). John joined the start-up company Adaptive Biosystems as Sales Director and also managed the R&D department – winning a government award for introducing AI into fermentation prediction and control. He worked with facility design & build company W H Promation, before founding Magellan Instruments and it's Scandinavian subsidiary. John co-organised ESACT 2005 and ESACT 2009.
应用聚偏氟乙烯-丝氨酸进行血液灌流治疗脓毒症的实验
2012年10月第9卷第30期·论著·CHINA MEDICAL HERALD 中国医药导报内毒素血症是造成脓毒症的一个重要原因，血液中的内毒素（lipopolysaccharides ，LPS ）促使补体活化和肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-1β（inter -leukin-1β，IL-1β）等多种促炎介质释放，后者导致严重的外周血管阻力降低，低血压和微循环障碍最终发展为组织缺血缺氧、休克和多器官功能衰竭[1]。
笔者前期的动物实验证实，应用聚偏氟乙烯-丝氨酸（PVDF-Ser ）进行血液灌流，可有效清除脓毒症猪的血浆LPS ，降低TNF-α和白细胞介素-6（in -terleukin-6，IL-6），最终降低72h 死亡率[2]。
本研究旨在进一步证实其对感染性休克的血流动力学影响。
1材料与方法1.1实验材料1.1.1实验动物及分组大长种家猪16只，雄性，体重（22.3±3.5）kg ，由河北大学动物实验中心提供。
依据随机数字表分为两组：PVDF-Ser 组（E 组）8只，LPS 给药完成后1h ，应用PVDF-Ser 吸附膜进行血液灌流2h ，血流速50mL/min ；对照组（C 组）8只，应用空白灌流器（容积与PVDF-Ser 相同）进行血液灌流2h 。
1.1.2实验试剂内毒素（LPS from Escherichia coli 0111:B4，L2630）由SIGMA 公司提供，鲎试剂由福建省厦门市鲎试剂实验厂提供，检测IL-1β、白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）、白细胞介素-10（interleukin-10，IL-10）和高迁移率组蛋白-1（high-mobility group box-1protein ，HMGB-1）的ELISA 试剂盒由Bluegene 公司提供。
1.1.3实验设备蠕动泵由河北省保定市兰格恒流泵有限公司提供（型号BT01-100），Servo300型呼吸机由瑞典SIMENS 公司提供，PiCCO 由德国PULSION 公司提供。
ATF技术及应用系统介绍
REFINE TECHNOLOGYRefine Technology制造和世界范围内销售最好的细胞截留设备ATF™系统，ATF™系统主要因为能支持极高细胞密度而闻名，可用于研发至大规模商业化生产，ATF™同样也为生物产品工艺的每一个阶段提供优化和支持。
FACILITY 设备在工艺研发和生产中引进新的技术和方法时，设备必须能促使工艺优化和提高综合效率。
不同公司，不同阶段，设备目标可能有所不同，但是，对于所有公司而言，不管公司规模大小、产品还是财政状况不同，有些目标肯定是相似的，这些相似的目标包括增加蛋白表达量，降低成本，提高灵活性ATF™系统不管是通过极高细胞密度培养提高蛋白产量，还是通过快速低剪切力细胞收获以及随之简化下游操作等，都为实现这些目标提供了很多机会。
利用ATF™系统优势将多种优化改进结合起来，会得到简单并且激动人心的新的生物制造“未来工厂”典范，这样的“未来工厂”具有小规模、多产品、灵活度高、高产量特点，从而使得成本减少。
它可以不需要大规模（甚至中等规模）的不锈钢生物反应器就能生产满足市场需要的抗体，也可以使得疫苗生产多样化，能够使得产量迅速增加，从而可以快速响应各地需求。
在评估ATF系统的影响时，最直接的改变通常是获得上十倍的生物反应器产量，在大规模生产环境中需要很好的理解这一改变，以保证将这一改变真正在大规模商业化生产时实现。
比如，一个成功的上游工艺可能导致下游工艺瓶颈，所以Refine也将ATF系统的应用进行了延伸以满足整体的工艺强化要求。
我们意识到提供不同的方法解决同样的问题并且在实现过程中允许高的灵活性非常重要。
不管是用于N-1步骤时为获得高密度种子的扩增还是用于最终生产发酵，大规模灌培养流渐渐成为主流。
现在可以使用浓缩灌流培养方法（Concentrated Perfusion）可以获得1g/L/day蛋白产量，这意味着一次性的1000L生物反应器能够每天生产1Kg蛋白– 显然超过了很多人的期望。
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Equipment Challenges
Heater
– Problem: As perfusion ramped up, difficulty maintaining temperature at set point – Investigation:
Checked PID parameters and RTD probe Increased set point to compensate Following run, removed heating blanket cover to ensure blanket contact with vessel; tested electrical wiring
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3
SUB History at Centocor
Centocor has three sizes of Hyclone SUBs
– 50 L – 250 L – 1000 L
Centocor has SUBs in two facilities
– Development Pilot Plant – Small Scale Clinical Pilot Plant
25.0
3 L Glass Run 2
30.0
100 L Stainless Steel
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20
Process Challenges
DO
– – – – Problem: Day 6: DO reading drifting down Investigation: Actual DO verified by offline BGA sampling Resolution: Probe grounding modified Effects: DO variations may have led to drop in viability
4
Perfusion
DEFINITION: Continuous bioreactor operation with cell retention to achieve high cell density cultures
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5
Perfusion
Advantages of Perfusion Smaller reactors needed Healthier culture with less wastes leads to enhanced product quality Higher cell densities Less frequent bioreactor turnaround Clean harvest stream for DSP
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10
ATF Technology
22”
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11
Hyclone SUB Setup
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12
Hyclone SUB Setup
22”
ATF hookup
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13
SUB with ATF Setup
To cold room
Outline
Background on Perfusion Comparison of Disposable vs. Conventional Reactor Performance Process and Equipment Challenges090706 Bhatia
2
Project Motivation
50 L SUB 100 L Stainless Steel 3 L Glass Run 1 3 L Glass Run 2
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Run Data Comparisons
Titers
Titers 0.0
5.0
50 L SUB
10.0
15.0 Time (days)
20.0
3 L Glass Run 1
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17
Run Data Comparisons
Viable Cell Density
25.0 VCD (e6 cells/mL) 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 Time (days)
7
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ATF Technology
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ATF Technology
Driving Pressure (DP):
– Pushes up the ATF diaphragm from the bottom of the pump housing, maintains the movement of diaphragm in the pump head, and drives the cell culture from the pump head back to the bioreactor.
– Resolution: SUB BPC manufacturing size error led to poor contact between heating blanket and process fluid – Effects: Temperature stayed within recommended operating parameters
All SUBs thus far have been used for fed-batch only However, the next several products in Centocor’s pipeline are all perfusion processes
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DP = Head Space Pressure + Hydrostatic Pressure + Dynamic Pressure Drop in Piping
0
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ATF Technology
Characteristics of ATF-4
– – – – – – – Filter surface area: 0.42 m2 Filtration capacity: 30 L/day Pump displacement volume: 380 mL Flow rate: 3.8 L/min Number of fibers/cartridge: 520 Lumen void volume: 160 mL Lumen cross sectional area: 4.1 cm2
50L SUB 100 L Stainless Steel 3 L Glass Run 1 3 L Glass Run 2
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18
Run Data Comparisons
Viability
100.0 90.0 80.0 % Viability 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 Time (days)
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16
Process Conditions
pH Control: Sodium Carbonate and Carbon Dioxide – Set point: 7.4 DO Control: Air sparge and Oxygen sparge – Set point: 40% Perfusion Profile: – Day 2: 0.2 bioreactor volumes/day – Day 3: 0.4 bioreactor volumes/day – Day 4: 0.8 bioreactor volumes/day – Day 5 and on: 1.0 bioreactor volumes/day
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Equipment Challenges
Exhaust filter
– Problem: On day 28, exhaust filter clogged leading to pressure buildup in BPC – Investigation:
No foam problems Temporary venting through overlay filter Following run, filter examined for visual failure Early in run, filter heater not grounded
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Equipment Challenges
Agitator
– Problem: Periodic grinding noises generated during operations – Investigation: Removed shaft and inspected for wear following run; small particles had rubbed off – Resolution: Reported to Hyclone for further investigation – Effects: None
To demonstrate an established perfusion process in a single-use bioreactor (SUB) To compare disposable bioreactor perfusion data with conventional (glass and stainless steel) data at different scales