光生物反应器简介

盐藻在气升式光生物反应器中的光自养培养

到２反应器培养盐藻生长良好．采用气升式光反应器培养盐藻生长快，周期短，￣即可进０Ｌ４７ｄ后
入稳定期；最终细胞密度大，最大为１６ｌｅｌｍｌ．ｘＯｃｌ／；藻液中胡萝卜ｓ素含量高，最高含量３／２ｍｇＬ．实验表明气升式光生物反应器适合于盐藻的培养．关键词：气升式光生物反应器；盐藻；胡萝ｈ素中图分类号：Ｑ９９２４．１文献标识码：Ａ文章编号：１０－０Ｘ（０２０ — ４３００９６６２０）５０４ — ５
罐体下部设有恒温循环水夹套，通入恒温水以维持培养温度．
２１０Ｌ气升式光生物反应器．．２２
反应器由罐体、气体提升管、内光源密封管、热交换装置、气体分布器、内外光源等部分组成．体、体提升管和内光源密封管由耐热玻璃制作，罐气可进行蒸汽消毒．以日光灯作为内外光源．罐体高１０ｃ０ｍ，直径１ｍ，总体积２６ｃ０Ｌ，有效体积１．部设有不锈钢烧结板制成的圆形气６Ｌ底体分布器，空气和Ｃ２０定量混合后通入反应器，并配置溶氧、ｐＨ、温度等在线检测系统．几何参数如下：高径Ｌ（Ｄ）．，提升管截面积４与下降截面积比值为１１￣Ｈ／６２５．，气体分布器直径５ｃｍ，分布器孔径８ｒ，光照面积与体积的比值为３０ｇｎ５ｍ一．

光生物反应器中光传递模型在微藻培养中的应用

江西农业大学学报
２０１３，３５（４）：８７８— ８８６
ｈｔｔｐ：／／ｘｕｅｂａｏ．ｊｘａｕ．ｅｕ．ｃｎ
Ｅ —ｍａｉｌ：ｎｄｘｂ７７７５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
ＡｃｔａＡｇｒｉｃｕｈｕｒａｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔａｔｉｓＪｉａｎｇｘｉｅｎｓｉｓ
ｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｅｌｌｄｅｎｓｉｔｉｅｓｏｆｐｈｏｔｏａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｍｉｃｒｏａｌｇａｅｗｅｒｅｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｈｅｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔｔｒａｎｓ —
ＣｕｌｔｕｒｅｉｎＰｈ０ｔ０ｂｉ０ｒｅａｃｔ０ｒ
ＷＵＸｉａｏ — ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｈｉ — ｂｉｎ，ＹｕＪｉａ—ｑｉｎｇ，ＺＥＮＧＱｉｎｇ — ｇｕｉ，
ＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００２２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆｌｉｆｅｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＪｉａｎｇｘｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏｒ－

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，

第七章生物反应器的检测及控制

类似地，搅拌功率也与上述的搅拌转速相关连的因素有密切关系，同时是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。因而直接测定或计算求出搅拌功率也十分重要。
9.冷却介质流量与温度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热带走。要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。
生物细胞本身的状态； (5)反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制
的参变量与生物反应效能如何相关对应?
第一节生化过程主要检测的参变量
在发酵工厂中，生物反应有关的过程可分成培养基灭菌、生物反应以及产物分离纯化过程。对生物反应器系统，为了掌握其中生化反应的状态参数及操作特性以便进行控制，需检测系列的参数，如表7-1 所示。
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比，即，其中N为搅拌转速。此外，某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。故此，测量和控制搅拌转速具有重要意义。
4.泡沫高度液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度
的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖浆以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的 CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反应空间，即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。不同的生物反应其泡沫产生情况变化很大，有些生物发酵过程的泡沫不易控制。

环流型光纤生物膜制氢反应器的连续产氢性能

ｄｓｒｂｉｓｉｓｒｅｎｏａｓａｅａｓｖｓｅｓｎｅｎａｉｈｔｓｕｒｅｏｆＡＦＩｉｔｉｕｔｏｎｗａｎｅｔｄｉｔｅｌｄｇｌｓｅｓｌａｉｔｒｌｌｇｏｃＢＲｎｄｐｈｏｏｙｈｔｃａｔｓｎｔｅｉ
ｉｄｇｎｕｈｔｓｎｈｔｃｂｃｅｉｏｏｅｄｍｏａｌｓｒｓＣＱＫｕｉｇｇｕｏｅａｈｏｅｃｒｏｎｉｅｏｓｐｏｏｙｔｅｉａｔｒａＲｈｄｐｓｕｏｎｓｐａｕｔｉ０ｓｎｌｃｓｓｔｅｓｌａｂｎｌ
Ｈｅａｎｎ，Ｃｉａ；ｎｔｕｅｏＥｎｉｅｒｎｅｍｏｙｉｓ，ＣｈｎｉｇＵｎｖｒｉｈｎＩｓｉｔｆｔｇｎｅｉｇＴｈｒｐｈｓｃｏｇｑｎｉｅｓｔＣｈｎｉｇ４０３ｙ，ｏｇｑｎ０００，Ｃｉａ）ｈｎ
第６卷２
第１期１
化
工学
报
Ｖｏ１２Ｎｏ１．６．１Ｎｏｖｍｂｅ２ｅｒ０１１
２１０１年１ｉ月
ＣＩＣＪｕｎｌＥＳｏｒａ
环流型光纤生物膜制氢反应器的连续产氢性能
张川，廖强，朱恂，王永忠
ＡｂｔａｔＴｏｓｌｅｔｅｐｏｌｍｆｉｓｆｉｉｎｉｈｕｐｙｗｉｉｅｌｍｍｏｉｚｄｂｏｅｃｏ，ａｎｗｙｅｓｒｃ：ｏｖｈｒｂｅｏｎｕｆｅｔｌｔｓｐｌｔｎｃｌｉｃｇｈ — ｂｌｅｉｒａｔｒｅｔｐｉｏａｎｌｒｂｒｉｕｉａｉｇｉｆｌｆｎｕａｎｅ－ｌｍｎｔｂｏｉｌｎｍｒａｔｒ（ｅｃｏＡＦＩＢＲ）ｗａｄｖｌｐｄｏｐｏｏＨ２ｒｄｃｉｎｙｓｅｅｏｅｆｒｈｔ — ｐｏｕｔｏｂ

生物反应器的检测和控制

CO2生成速率（CO2 production rate）。
细胞浓度，细胞存活率（Cell viability），细胞形态（Cell morphology）细胞成分（Cellular composition），蛋白质， DNA， RNA，脂质（lipid）糖，NAD/NADH， ATP/ADP/AMP，酶活力（Enzyme activities）整体细胞活力（Activities of whole cells），比生长速率（Specific growth rate）生化参数比产物形成速率（Specific rate of product formation）比耗氧速率（Specific oxygen uptake rate）比营养物质消耗速率（Specific substrate rate）溶解糖浓度，氮源浓度，矿物质浓度，前体浓度（Precursors），诱导物浓度（Inducers）代谢物浓度（Metabolites），易挥发物浓度（Volatile products）
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
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7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2.1 检测方法及仪器组成
生物反应过程参数检测方法一般是在线检测（On line
measurement）, 即将能够感应检测参数变化的传感器直接放到生物反应器中的测量点上，传感器将测量点的待测参数变
化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。离线
检测方法，即先从反应器内取出物料，然后再用仪器分析和化学分析的方法进行检测，不是本章的主要内容，因为离线
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2.2 主要参数的检测原理及仪器
1、温度检测

高效处理稀土废水并固定C02的新型组合式光生物反应器研究性实验

１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｆｆｉｌｉａｔｅｄＭｉｄｄｌｅＳｃｈｏｏｌ，ＢｅｉｊｉｎｇＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）
实验对学生观察能力、操作能力、思维能力、设计能力和科研创新能力培养的作用。教学实践表明，开展创新
性实验是一项行之有效的教学途径，符合高等教育人才培养的需要。
关键词：微生物实验；教学改革；创新能力
高效处理稀土废水并固定ＣＯ２的新型组合式光生物反应器研究性实验
吕乐，杜静，闫海
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收稿日期：２０１２ — １１２７
基金项目：北京市高等教育学会技术物资研究会课题研究项目（ＪＳＷＺ２０１２０５）；北京科技大学教改项目；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＦＲＦＡＳ一１０ — ００１Ｂ）作者简介：吕乐（１９８１），男，河北石家庄，硕士，工程师，主要从事环境
中图分类号：Ｇ６４２．０；Ｑ９３ — ３３文献标志码：Ｂ文章编号：１００２ — ４９５６（２０１３）０４ — ００３６ — ０４

生物反应器及其研究技术进展_王永红

第11卷第2期2013年3月生物加工过程Chinese Journal of Bioprocess Engineering Vol．11No．2Mar．2013doi ：10．3969/j．issn．1672－3678．2013．02．003收稿日期：2012－12－18基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA021201）；国家重大科学仪器设备开发专项项目（2012YQ150087）作者简介：王永红（1966—），女，湖南省桂阳人，教授，研究方向：生物过程工程；张嗣良（联系人），教授，E-mail ：siliangz@ecust．edu．cn 生物反应器及其研究技术进展王永红，夏建业，唐寅，杭海峰，易小萍，潘江，许建和，张嗣良（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海200237）摘要：阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展，并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势，包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。

关键词：生物反应器；计算流体力学；微型生物反应器；动物细胞反应器；酶反应器中图分类号：TQ051文献标志码：A文章编号：1672－3678（2013）02－0014－10Recent advances in bioreactor and its engineeringWANG Yonghong ，XIA Jianye ，TANG Yin ，HANG Haifeng ，YI Xiaoping ，PAN Jiang ，XU Jianhe ，ZHANG Siliang（State Key Laboratory of Bioreactor Engineering ，East China University of Science and Technology ，Shanghai 200237，China ）Abstract ：The engineering methodologies and key technologies for the bioreactor design and the scale-up were discussed．The development trends in bioreactors for the production of biotechnology products were described ，including a bioreactor system focusing on metabolic flux detection and analysis ，the improved stirred-tank bioreactor based on computational fluid dynamics ，microbioreactor ，bioreactor for mammalian cell ，and enzymatic bioreactor．Key words ：bioreactors ；computational fluid dynamics ；microbioreactors ；bioreactor mammalian cell ；enzymatic bioreactors1生物技术产业发展与生物反应器随着全球社会经济快速发展，现有石油煤炭等化石资源的充分供应变得不可持续，难以支撑人类社会的高级发展目标。

生物反应工程-化学反应工程

得率系数
研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。例如：
生成细胞的质量 X 细胞得率 Yx/c= 消耗基质的质量 S
生物反应器的设计、优化与放大
生物反应器是使生物技术转化为产品生产力的关键设备，使用高效率生物反应器的目的是提高产品生成速率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大的经济效益。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式速率方程活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的发展过程
21世纪高等院校 —生物工程类
生物反应工程
Bioreation Engineering
李敬
第一章绪论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 生物反应工程的研究目的生物反应工程的发展过程生物反应工程的主要内容生物反应工程的研究方法思考题
1.1生物反应工程的研究目的
生物技术产品生产过程
生物催化剂 - enzyme - microbioass - animal and plant cell
1979年，日本山根恒夫《生物反应工程》，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面，一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。

微藻的筛选与培养

按培养密闭程度分
开放式培养：指藻液直接与外界空气相通的一种培养方式，如敞开式大池培养，是生产性培养的主要方式。
优点：建池简单，投资少，运行费用低，可利用光温适宜但不宜种植传统农作物的地区或产量低的荒漠、盐碱沙地等。生产操作简单，容易清洗。缺点：CO2供应不足，温度不易控制，水分蒸发严重，光能利用率低，占地广大。易污染，生产不稳定，藻体不易于收获，产量和质量难以保证。
4、比表面积更大
等量
树叶比表面积:10-3 m2
1 g干物质
微藻比表面积:1.3×103 m2
相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3×106倍，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。
5、更高含量的光合作用单位
植物光合色素含量占其干重约0.05%,分布于树叶、树干等组织中细胞的特定部位，不有利于光合产物的合成与转运。
摘取少许苔藓新鲜茎叶，流水冲洗15 min后用蒸馏水洗涤3次，在超净工作台上用软毛刷反复清理苔藓植物表面，然后用 Tween20进行清洗，再用蒸馏水冲洗5次，将第5次冲洗完的无菌水收集。在无菌条件下，用研钵将清洗过的苔藓材料研磨制成匀浆液，接入BG-11液体培养基中，放于光照培养箱中培养，培养条件是温度25 ℃，光照周期为12h：12h。光照强度是25 μmol· m-2·s-1。第五次冲洗用的无菌水也接入BG-11 液体培养基，在相同的条件下培养。20天后，每五天对培养的第五次清洗的无菌水进行镜检。作为检验苔藓植物表面是否清洗干净的对照。
1、反应物浓度更高
近3000倍
1 L空气中含有约5.9×10-4 g CO2
2、产物浓度更低
1 L水中含有约1.7 g CO2
1/40
1 L空气中含有约0.3 g O2