生物反应器的原理及类型
动物细胞培养生物反应器
•
传统发酵罐
•
酶反应器等
•
固定化酶和细胞反应器
•
动植物细胞培养反应器
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生物反应器类型
机械搅拌式反应器 气升式生物反应器 鼓泡塔生物反应器 膜生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
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4
一 机械搅拌式生物反应器
医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉 素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为 止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机 械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多 数生物过程，是形成标准化的通用产品。
• 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
.
31
2 动植物细胞培养反应器得到较大发展
• 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物 制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应 器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题， 快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械 密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解 决。
混合不够均匀。
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28
三 其他类型反应器
• 鼓泡塔生物反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器 • 动物植物生物反应器 • 其他
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29
四 生物反应器的发展趋势
• 生物反应器的研究、开发和设计是生物技 术的一个重要内容，一种好的生物反应器 出现往往能够大规模降低生产成本，成为 生物制品成功商业化的关键。因此，生物 反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的 细胞生物反应器开发更是如此。生物反应 器的发展趋势可归纳为以下几个方面：
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7
• 反应器的结构
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8
几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
生物反应器的原理及深度研究
生物反应器的原理及深度研究生物反应器是一种重要的生物工程设备，常用于生物转化过程的控制和优化。
它利用微生物代谢产生的有机物质来加速物质转换的速度。
因此，在医药、食品、饮料、化工等行业，生物反应器被广泛应用。
本文将着重探讨生物反应器的原理和深度研究。
一、生物反应器的原理生物反应器是一种在控制条件下，根据微生物代谢活动进行转化的设备。
其基本原理是充分利用微生物的生长特性，通过调节物理化学条件来促进微生物的生长和代谢活动。
生物反应器包括生物反应器系统、传感器和控制器。
在生物反应器中，微生物将底物转化成终产物，同时释放出能量、水、气体等产物。
常见的微生物有细菌、酵母、真菌等。
在反应器中，微生物需要充分的生长环境，包括适宜的温度、PH值、营养液等因素。
此外，反应器还需要能够控制进料的流量、浓度、速度等因素的外部控制系统。
生物反应器的主要优点是控制精度高、反应速度快、转化效率高、产品品质好、操作简单等，因此成为了制造高附加值的生物材料和生物制品的首选设备。
二、生物反应器的深度研究生物反应器的深度研究主要包括反应器设计、传质过程和反应动力学等方面。
1. 反应器设计反应器设计是确定反应器放大的重要环节，包括反应器的尺寸、形状、材料、进出料口、控制系统等方面。
反应器的尺寸应根据反应所需的体积和微生物生长的物理环境来确定。
反应器选材需要考虑反应温度、环境影响、反应物质料等因素。
此外，反应器的进出料口和控制系统也需要根据反应条件和控制要求来设计。
2. 传质过程传质过程是生物反应器中重要的传输过程，主要涉及底物的传输和毒素的消除。
传质过程的要求是准确、快速地传输物料，同时不影响反应和微生物生长。
传质的最佳方案应根据底物和微生物特性进行优化。
3. 反应动力学反应动力学是描述反应过程的一般化学动力学原理，反应过程的关键特性是理解反应过程中物质转化速率和环境影响的变化规律。
反应动力学可以根据反应过程的反应物质和微生物的代谢特性进行模拟，建立模型来描述反应速率和微生物代谢过程中的关键参数，进而优化反应条件，提高反应效率。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物反应器的原理及类型
2、宏观流体和微观流体
习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为 返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布 来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器 内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。
宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间 不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的， 它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在 实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等 均可认为是宏观流体。
牛顿型流体 ：符合牛顿黏性定律的流体
当n=1，τ0=0 τ=μγ（牛顿黏性定律）
非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可 分为以下几类：
A、宾汉（Bingham）塑性流体
τ=τ0+μγ
（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）
例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液
如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分 批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速 率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位 培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高 的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业 发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增 加氧传递速度。
四、剪切力对生物反应的影响
1、剪切 剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为
N/m2或Pa。 剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程
中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面， 且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非 常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。
微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动， 此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果 反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到 最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析 或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。
生物反应器的设计原理和应用
生物反应器的设计原理和应用生物反应器是一种用于生物化学反应的设备，其可以利用微生物、细胞等生物体，进行微生物发酵、生物脱离、酶反应等生化反应过程。
生物反应器的一个重要作用是采用生物技术，用于制备药物、食品、饮料、油类等。
本文将介绍生物反应器的设计原理和应用。
一、生物反应器的设计原理1. 反应器类型生物反应器有多种类型，包括搅拌式反应器、气升式反应器、固定床反应器、滤床反应器、逆流式反应器等。
搅拌式反应器设计简单，适用于固定化生物体和泥酸处理；气升式反应器可以提高生物反应器效率和产物收获率；固定床反应器可以将生物体固定在支架上，使微生物或细胞分裂和生长更加稳定；滤床反应器使用特殊过滤膜透过聚合物的承载材料，用于蛋白质和酵母分离和生产等；逆流式反应器则可以充分利用反应物，使微生物或细胞充分生长。
2. 反应器材料生物反应器的材料需要具有化学稳定性，生物相容性和机械稳定性。
生物反应器通常使用的材料包括金属，高分子材料和陶瓷材料。
其中，不锈钢、镍钛和铝合金等金属材料具有高强度和耐腐蚀性；高分子材料包括聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯等，具有重量轻，成本低，易于加工的特点；陶瓷材料，如氧化锆和碳，能够耐受酸性和碱性，也能够耐受高温。
3. 溶液的处理溶液的处理是设计生物反应器的重要考虑因素之一。
生物反应器存在多种溶液，包括微生物发酵，细胞培养液体，酵素溶液等。
处理液体液面，交换传热，控制气体进出均是必备‘。
4. 微生物和细胞的补给不同种类的微生物或细胞在生物反应器中生长的特点不同。
为了保持微生物或细胞的生长，通常需要补充营养物质、维生素等。
因此，引入微生物和细胞补给系统也是生物反应器的重要考虑因素之一。
二、生物反应器的应用生物反应器广泛应用于生物技术，具有生产效率高，反应器批次速度快，反应器生产周期短的特点。
主要应用领域如下：1. 药品生产生物反应器可以用于生产抗生素、激素、酶制剂、疫苗等药品，提高药品生产效率。
2. 生物燃料生产生物反应器可以用于生产生物燃料，如生物甲醇、生物柴油等，解决石化能源短缺的问题。
生物反应器的原理
生物反应器的原理生物反应器是一种用于进行生物化学反应的设备，它可以提供理想的环境条件，以支持生物体的生长、代谢和产物合成。
生物反应器的原理涉及多种方面，包括传质、反应、能量转换等。
一、传质生物反应器中的传质是指底物和产物在反应器内部的传输过程。
传质过程包括传质阻力和传质速率两个方面。
传质阻力是指底物和产物在反应过程中的扩散阻力、溶解性以及质量转移的阻力。
传质阻力对于反应速率、底物利用率以及产物浓度均有重要影响，因此在设计和控制生物反应器时需要考虑传质过程。
传质速率是指底物和产物在反应器内部的传输速率，它受到反应器内部气体和液体流动的影响。
传质速率受到多种因素的影响，包括搅拌速度、反应器内部结构、底物浓度、温度等。
二、反应生物反应器的反应过程是指生物体在特定环境条件下进行代谢活动和产物合成的过程。
反应过程可以分为两个步骤，即生物体的生长和代谢。
生物体的生长是指在适宜的环境条件下，生物体通过吸收底物和营养物质进行新陈代谢并增加体积和数量的过程。
生物体的生长过程涉及到细胞生长、分裂、增殖等多种生物学过程。
生物体的代谢是指生物体通过酶、酶类和代谢途径进行的化学转化过程。
代谢过程中产生的底物和产物可以进一步作为反应物或产物参与反应。
三、能量转换生物反应器中的能量转换是指生物体在反应过程中能量的转化和利用。
能量转换包括吸热反应和放热反应两个方面。
吸热反应是指生物体在代谢过程中吸收能量的过程。
生物体通过吸收外界的热能来提供代谢活动所需的能量，进而促进生物体的生长和代谢。
放热反应是指生物体在代谢过程中释放能量的过程。
生物体在进行代谢活动时会放出热能，这些热能可以被利用来提供反应过程中的热能需求，例如保持反应器内部的恒温。
四、控制策略生物反应器的控制策略主要包括控制温度、pH值、溶氧量等。
这些参数对于反应速率、底物利用率和产物合成等都具有重要的影响。
温度的控制可以影响生物体的生长速率和产物合成速率。
不同的生物体对于温度的要求不同，因此在设计反应器时需要根据具体的生物体选取适当的温度范围，并通过控制加热或制冷来实现对温度的控制。
生物反应器工作原理
生物反应器工作原理生物反应器的工作原理生物反应器是一种能够利用生物转化过程进行生产的设备，它可以支持和促进生物体内的生化反应。
生物反应器一般由反应容器、搅拌装置、温控系统、通气系统等组成，其工作原理依赖于生物体的生长、代谢和微生物的作用。
1. 生物反应器的基本原理生物反应器是为了在控制条件下促进生物体内的生化反应而设计的。
它提供了一个适合于生物体生长和代谢的环境，以支持其在反应器内进行所需的生化反应。
关键因素包括温度、满足生物体需要的底物和营养物质、pH值的维持和氧气的供给等。
2. 温控系统温控系统是生物反应器中的一个重要组成部分，它通常由温度传感器、加热装置和温度控制器组成。
通过感测反应器内的温度变化，控制器可以自动调节加热装置的输出来维持所需的反应温度。
保持适宜的温度可以提供生物体生长所需的理想环境，加速生化反应速率。
3. 搅拌装置搅拌装置用于保持反应器内物质的均匀混合，促进物质传递过程。
对于生物反应器而言，搅拌装置的设计旨在防止生物体的沉降和死区形成，使反应器内物质分布更加均匀。
搅拌装置的形式多种多样，包括机械搅拌、气体搅拌、涡流搅拌等。
4. 底物和营养物质的供给生物反应器中的底物和营养物质是支持生化反应进行的重要因素。
底物通过给定的供给策略被添加到反应器中，以满足生物体生长和代谢的需求。
供给策略可以根据具体反应的要求进行调节，例如连续供给、批次供给或脉冲供给等。
5. pH值的维持pH值对于生物体内的生化反应非常重要，它可影响酶的活性、细胞壁的稳定性和底物的溶解度等。
生物反应器中通常使用缓冲液来维持适宜的pH值。
pH值的控制可以通过添加酸或碱来调节，通常借助于自动控制系统来维持所需的pH范围。
6. 氧气供给氧气是生物体进行代谢反应所必需的。
在许多生物反应器中，气体搅拌是将氧气与培养基混合的常见方法。
通过气体供给系统，可控制氧气的流速、溶解度和分布，以满足生物体对氧气的需求。
7. 生化反应生物反应器的工作原理依赖于生物体的生长和代谢过程。
生物反应器的分类与发展
分都可经过人为驯化为生物反应器
动物血液生物反应器
动物膀胱生物反应器
动物生物反应器
外源基因编码产物可直 接从血清中分离
出来,血细胞组分可通 过裂解细胞获得，
外源基因在膀胱中表达的转基因动物 生物反应器,叫动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器利用哺
泌尿系统
乳动物乳腺特异性表达的启 动子元件构建转基因动物,
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料
原料制备 预处理
能量 灭菌
过程控制
生物 反应器
能量 产品回收
产物
空气
空压机 除菌
热量
废物
二、生物反应器的分类
机械搅拌式反应器 气升式生生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
生物反应器有很多种,按照不同的分类角度
组织或整株植物，
其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫
苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领
域，
植物生物反应器种类不断增多, 从最初的烟草、拟南
芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜
蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、
细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等，
3 生产啤酒 4 生产能源
目前用来生产啤酒的填充 床固定化细胞反应器已完 成中试进入工业生产阶段
光合细菌利用有机物作为电子供 体光敏产氢为工业化生产清洁、 无污染的生物能源提供了具有竞
争力的技术方法
2、动物生物反应器
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动 物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部
在转基因家畜血液中得到人免疫球蛋白、d 球蛋白、B球蛋白、胰蛋白酶、干扰素和生长激素 等,并且都具有正常的生物活性，美国哺乳动物细 胞表达或生产的生物技术药物有53种，
13种厌氧生物反应器结构及原理
13种厌氧生物反应器结构及原理厌氧生物反应器是一种用于处理含有机物污染物的废水、垃圾和有机废料的设备。
与常规的好氧生物反应器相比，厌氧生物反应器能够在无氧环境下降解有机废物，产生可再生的能源，如甲烷气体。
下面将介绍13种常见的厌氧生物反应器结构及原理。
1.家庭型生物反应器（家庭式厌氧发酵箱）家庭型生物反应器是一种小型厌氧生物反应器，常用于处理家庭废弃物。
它由一个密封的容器组成，内部含有厌氧微生物，废物在容器内分解产生甲烷气体。
2.填料式反应器（填料式厌氧反应器）填料式反应器是一种常见的厌氧生物反应器。
它由一个圆筒形容器组成，内部填充有一种特殊填料，如陶粒或聚合物。
填料提供了更大的表面积，用于附着厌氧微生物，促进废物的降解。
3.流化床反应器（流化床堆式厌氧反应器）流化床反应器利用流化床的原理进行废物处理。
废物被喷入反应器中，与床层内流动的气体混合并流化，从而实现废物降解和产气。
4.固定床反应器（固定床式厌氧反应器）固定床反应器是一种常见的厌氧生物反应器。
废物通过固定床内的孔隙流动，废物在固定床内降解，产生甲烷气体。
5.上升式床反应器（上升式床式厌氧反应器）上升式床反应器将废物从底部喷入反应器中，废物上升流动与厌氧微生物接触，实现废物的降解。
6.下降式膜池反应器（下降式膜池式厌氧反应器）下降式膜池反应器利用膜池和厌氧微生物来处理废物，膜池可以将固体和液体分离，同时提供厌氧微生物所需的无氧环境。
7.膜生物反应器（膜式厌氧反应器）膜生物反应器使用微孔膜将厌氧微生物和废物分离开。
厌氧微生物在反应器中降解废物，并通过膜分离器收集产生的甲烷气体。
8.微型反应器（微型厌氧生物反应器）微型反应器是一种小型的厌氧生物反应器，用于处理小量的废物。
反应器通常是由微型流道和反应池组成，利用微湍流和微流动加速废物的降解过程。
9.连续流式反应器（连续流式厌氧反应器）连续流式反应器是一种将废物连续供应到反应器中的反应器。
废物通过反应器流动，与厌氧微生物接触，实现废物的降解。
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牛顿型流体 ：符合牛顿黏性定律的流体
当n=1，τ0=0 τ=μγ（牛顿黏性定律）
非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可 分为以下几类：
A、宾汉（Bingham）塑性流体
τ=τ0+μγ
（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）
例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液
的一段时间内发酵液；淀粉、砂以及含固量大的颜料悬浮 液
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
产物
制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素 新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素
微生物
诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 卡那霉素菌
卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌
发酵液流变特性
牛顿性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 涨塑性流体 宾汉塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 宾汉塑性流体 拟塑性流体 拟塑性流体
B、拟塑性（Pseudoplastic）流体 τ= k（γ）n 0<n<1 n越小，非牛顿型特性越明显，与牛顿型流体的差别越大。 例如：青霉，曲霉，链霉菌的发酵液，高浓度的植物细胞，
酵母悬浮液。 C、涨塑性（Dilatant）流体 τ= k（γ）n n>1 n越大，流体的非牛顿型特性越显著 例如：链霉素，四环素和卡那霉素的发酵过程中，接种后
一般接种前的培养基的流变学性质类似于水，随着发酵的进行，其
性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利的，这种变化是由生物体
的增加和大分子产物的积累造成的。
流变学性质通过影响流体的流动特性而影响传质和传热，从而影响生物 化学反应和细胞的新陈代谢，即反应器生态系统中的流变学影响甚至决 定其内部的生物反应动力学。
有氧发酵、对生物在反应器内的培养过程也常称 为发酵过程。
20世纪70年代
厌氧发酵罐
生化反应器（biochemical reactor） 有氧发酵罐
生物学反应器（biological reactor） 酶反应器等
废水生物处理反应器
20世纪80年代
生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一 个标准名称
生物技术是生物化学、微生物学以及工程科 学的综合，目的是对生物有机体的所有能力 进行工业应用。这些有机体包括微生物，体 外培养状态下的生物组织细胞及其部分酶。 简言之，生物技术是对生物物质有控制的应 用。大规模培养生物有机体是生物技术的核 心。
生物反应器（Bioreactor）
定义：是人们对生物有机体进行有控制的培 养以生产某种产品或进行特定的反应的容器。
价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和
操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对
产品的成本和质量有很大影响。
产物
产品提取或液化 副产物
废物
一 般 生 化 反 应 过 程
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
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。
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，
它催化牛奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为 乳酪
发酵罐（Fermenter）（无氧发酵容器）
传统发酵罐
酶反应器等
固定化酶和细胞反应器
动植物细胞培养反应器
细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
空气
除菌
CO2等
生物反应器
检测和控制
原材料
培养基
灭菌
冷却水
产物预处理
底物
由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物
反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现
生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和
产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉
1、气液传质
生物反应器中的气液传质包括好氧发酵中气体主流中
的氧到液相主流的传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳
的排除等。大多数微生物发酵过程为好氧的，而且氧在水溶
液中的溶解度很低，要维持发酵中正常的氧代谢必须在过程
中始终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发
酵中是限制性步骤。
2、液固传质
二、培养液流变学性质
黏 度物反应液力器体的作在整用外体下加混所剪产合切行为，各种传质过 程和热传递；进而影响微生物反应的周生期的和流产变出特，性影。响传感器的响应和
可靠性，对产品的分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指
示发酵状态，可用于过程检测和控制。
当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程的 影响，与游离状态的反应速率是不同的，限制性传质步骤往 往不是气液传质而是液固传质。
过程： （1）反应底物从液相主体通过颗粒周围的液膜扩散到达颗粒
表面； （2）从颗粒表面通过颗粒内的微孔扩散到达颗粒内表面上的
酶活位或细胞表面； （3）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物； （4）产物从颗粒内部通过微孔扩散到颗粒表面； （5）从颗粒表面通过液膜扩散到液相主体。
1、流体的流变学分类
流变学常用黏度（对流动的抗性）、流动行为（黏度和剪 切率的关系）和屈服应力（产生静液流需要的力）等术语 来表述。液体流变性通常根据下式进行分类：
τ=τ0+ k（γ）n
（幂定律方程）
τ所施的剪切力， γ产生的剪切率，τ0屈服应力，k是幂定 律常数或黏度系数，n为幂定律指数或流动特性指数
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。
生物反应器内质量传递主要为气-液传递和液-固传递。 气-液传递主要是好氧发酵过程中的氧传递以及二氧化碳 的释放，而液-固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、 固定化细胞、生物膜、絮凝细胞的过程。