生物反应器类型
生物反应器原理
生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备，它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备，用于控制和模拟生物活性环境，以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下：1. 控制环境参数：生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数，可以提供一个适宜的环境，促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体：根据所需的反应类型，选择合适的生物体，如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基：在生物反应器中，需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程：生物反应器中的反应过程可以分为两种类型，即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应，而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求，生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用：1. 批量反应器：批量反应器是最简单的生物反应器类型，适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物，控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器：连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出，使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器：内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度，以增加反应效率。
4. 固定床反应器：固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体，可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器：喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
《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
生物反应器
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料 能量 原料制备 预处理 灭菌 能量 过程控制
生物 反应器
产品回收 废物
产物
空气
空压机 除菌
热量
大型发酵罐搅拌装臵
一个优良的培养装臵应具有：
严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
第一节
一. 发酵罐 1. 基本概念
朝日罐
排酵母 冷却
循环
（1）利用离心机回收酵母；（2）利用薄板换热器控制发酵温度 （3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。
优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵 母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟； 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉 淀慢的缺点； 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接 触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其 含量。可加速啤酒的成熟； 后酵时罐的装量可达96％，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失； 缺点：动力消耗较大。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大 到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了 压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换
和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。
第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发 酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运 而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
三、联合罐
是一种具有较浅锥底的大直径 (高径比为1：1~1.3)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具 有冷却装臵。 联合罐在发酵生产上的用途与 锥形罐相同，既可用于前、后 发酵，也能用于多罐法及一罐 法生产。因而它适合多方面的 需要，故又称该类型罐为通用 罐。
生物反应工程原理复习题答案
生物反应工程原理复习题答案一、选择题1. 生物反应器的基本类型包括：A. 搅拌槽式B. 填充床式C. 流化床式D. 所有以上选项2. 微生物生长的四个阶段包括：A. 滞后期B. 对数生长期C. 稳定期D. 衰减期E. 所有以上选项3. 以下哪个不是生物反应器操作模式？A. 批式操作B. 连续操作C. 半连续操作D. 周期性操作二、填空题1. 生物反应器的设计通常需要考虑_________、_________和_________三个主要因素。
2. 在生物反应器中，_________是用来描述微生物生长速率的参数。
3. 微生物的代谢途径可以分为_________代谢和_________代谢。
三、简答题1. 简述批式操作和连续操作的区别。
2. 描述生物反应器中氧气传递的重要性及其影响因素。
四、计算题1. 假设一个生物反应器的体积为1000升，其中微生物的浓度为5克/升。
如果微生物的比生长速率为0.2/小时，计算1小时内生物量的增长量。
2. 给定一个流化床生物反应器，其气体流量为1000升/分钟，气体中氧气的体积分数为21%。
如果反应器的体积为5立方米，计算在30分钟内氧气的总传递量。
五、论述题1. 论述生物反应器中混合和传质的重要性，并举例说明如何优化这些过程。
2. 分析在工业生产中，为什么需要对生物反应器进行规模放大，并讨论规模放大过程中可能遇到的挑战。
六、案例分析题1. 某制药公司使用生物反应器生产抗生素。
在生产过程中，他们发现微生物的生长速率突然下降。
请分析可能的原因，并提出解决方案。
2. 一个废水处理厂使用活性污泥法处理工业废水。
请根据活性污泥法的原理，分析废水处理过程中可能出现的问题，并提出改进措施。
七、实验设计题1. 设计一个实验来评估不同搅拌速度对微生物生长速率的影响。
2. 设计一个实验来测定生物反应器中氧气的溶解度。
八、结束语通过本复习题的练习，希望能够帮助学生更好地理解和掌握生物反应工程的原理，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。
生物反应器的设计及其性能评价
生物反应器的设计及其性能评价生物反应器是生物工程领域中极为重要的一种设备，其主要功能为利用微生物或生物体对有机物和无机物进行生化反应，从而实现生产、处理、分离、提纯等一系列工业、环境、食品等方面的需求。
随着微生物学、生物化学、化学工程等学科的发展，生物反应器技术也得到了越来越广泛的应用。
本文主要介绍生物反应器的设计及其性能评价。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计主要包括反应器类型、反应器结构、内部构造、操作条件等方面。
以下是生物反应器设计的关键要素：1.反应器类型目前，生物反应器主要可分为动态和静态两类，其中静态反应器又可分为批式、连续式、挤压式等。
批式反应器适用于一些小批量的生产。
连续式反应器能够实现持续生产，其结构复杂，通常应用于中大规模的生产。
挤压式反应器是一种特殊的生物反应器，其优点在于其高的密度和高效的质量传递。
2.反应器结构生物反应器的结构分为圆柱形和矩形两种，圆柱形和球形反应器内部流体混合均匀，在高温高压下具有较好的机械强度和稳定性，但是其制造结构复杂，生产成本高。
矩形反应器的生产成本较低，安装和操作方便，但在极端条件下，由于压力不均可破裂。
3.内部构造生物反应器的内部构造包括搅拌系统、气体导入系统、温度控制系统、PH调节系统、报警系统等，都是反应器能否正常工作的关键因素。
4.操作条件生物反应器的操作条件对其性能具有直接影响。
比如反应器的温度、压力、通气量等因素均应进行调整，以期达到最佳的反应效果。
二、生物反应器的性能评价生物反应器的性能评价主要涉及以下几个方面：1.反应器出口产量反应器出口产量是生物反应器最基本的评价因素，与其反应器类型、结构、操作条件等诸多因素有关。
2.产品纯度和稳定性生物反应器所生产的产品的纯度和稳定性均影响产品的市场价格和热度。
生物反应器对这两个因素的控制主要通过反应器操作条件和反应器内部构造的修改来实现。
3.反应器机械强度反应器的机械强度是针对产品所处生产过程中的环境条件而言的，在结构和材质设计上考虑机械强度对于避免产品在运输中破损至关重要。
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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8
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；
发酵工程
四、生物反应器的设计与放大
1、搅拌式生物反应器的结构特征
搅拌器
搅拌产生的流动类型：
径向流：又称原生流，为流体的圆周运动 轴向流：又称次生流，径向流在挡板作用下而产生的流动
径向流的圆周运动对流体混合和传质作用较小；轴向流的混合传质效果更大
径向流动速度与搅拌器转速成正比；轴向流动速度则与转速平方成正比 搅拌速度提高时，以产生轴向流动为主的桨形有利于流动速度的加快；产生的混合
1.2 V1m 0.8 0.6 V m /2 0.4 0.2 0
0 K
m
0.2 0 200 400
V
V
S
600
800
1000
0
K
m
200
400
S
600
800
1000
m ax
S Ks S
v v m ax
S Ks S
5、产物形成动力学的基本概念
P P
P
X
X
X
一类发酵
二类发酵
三类发酵
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）+维持
物料衡算：
ds dt
d s1 dt
ds2 dt
d s3 dt
YX
s
YP
s
m
m: 维持消耗系数 YX/s: 细胞对基质的理论得率系数 YP/s: 产物对基质的理论得率系数
7、发酵工程动力学研究方法
数学模型法
用数学来表示反应过程中各变量之间的关系
几何相似
流体力学相似 热力学相似
质量(浓度)相似
《生物反应器》PPT课件
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
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生物反应器类型
生物反应器是指一个用来模拟和控制生物过程的装置，常用于生物学、生化工程等领域。
生物反应器广泛应用于制药、化工和环保等领域，是一个非常重要的工具。
生物反应器一般分为多种类型，本文将详细介绍这些类型。
一、批式反应器
批式反应器是最简单最基本的类型，它是一个封闭的容器，里面装有生物材料、培养基和所需的气体。
通常情况下，反应器会以一定温度、pH值和氧气浓度下进行反应。
时间到后，反应器会被打开，产物被取出。
批式反应器优点：操作简单，成本较低。
批式反应器缺点：生产周期长，产量小。
二、连续搅拌式反应器
连续搅拌式反应器对批式反应器进行了改进，其关键在于通过搅拌系统不断输入新鲜的培养基和气体，同时也会将产物不断排出。
这种类型通常用于生产大量的微生物和酶。
连续搅拌式反应器优点：生产周期短，产量大。
连续搅拌式反应器缺点：会对微生物和酶产生一定的压力，需要考虑控制温度和pH值等，生产成本较高。
三、柱床反应器
柱床反应器通常被用于某些特殊的生产需求，如病毒制备、蛋白
质纯化等。
这种类型的反应器是通过填充物质，如树脂、磁性珠等构
成一定的反应体系。
当培养基流过柱床时，反应体系中的微生物或酶
与培养基发生反应，产生物质被吸附在柱床材料上。
柱床反应器优点：高效、高纯度。
柱床反应器缺点：成本高昂。
四、固定床反应器
固定床反应器类似于柱床反应器，只是其填充物是生物材料。
在
固定床反应器中，微生物或酶被固定在固体支架上，并与流经反应器
的培养基相互作用。
固定床反应器优点：生产周期短，产量大，适用于大规模生产。
固定床反应器缺点：操作和控制比较复杂，成本较高。
五、膜反应器
膜反应器是将微生物或酶放在半透膜上进行反应。
通过这种方式，微生物或酶可以在两个不同介质之间进行反应，并且可以控制分子的
输送速度。
膜反应器常用于生产分离、浓缩或净化蛋白质、细胞等物质。
膜反应器优点：高效、产物纯度高、操作简单。
膜反应器缺点：膜的选择非常关键，成本较高。
综上所述，各种类型的生物反应器都有其优点和缺点，在实际应用中需要根据不同生产需求和特殊情况进行选择。
同时，对于生物反应器，不同的设计和控制策略也非常重要，它们能够影响生产效率、产品质量和成本。