生物反应器

生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。

生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。

本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。

一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。

是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。

反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。

二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。

三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。

传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。

反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。

生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。

其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。

四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。

其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。

生物反应器归类
生物反应器是一种用于承载和促进生物反应的装置或体系。

根据反应
器的实际应用和操作原理，可以将生物反应器分为几个类别。

1. 发酵反应器：用于微生物发酵过程的反应器，用于生产食品、饲料、药物和生物燃料等。

常见的发酵反应器包括批式发酵罐、连续式发酵
罐和气体提升式发酵罐。

2. 培养反应器：用于细胞培养和组织工程的反应器，用于生产生物药
物和细胞制品。

常见的培养反应器包括摇床培养器、旋转培养器和悬
浮培养反应器。

3. 污水处理反应器：用于处理废水和污水中的有机物和有毒物质。

常
见的污水处理反应器包括活性污泥法反应器、膜分离法反应器和生物
滤池。

4. 生物酶反应器：用于生产酶类产物和催化生物酶反应的反应器。

常
见的生物酶反应器包括固定床反应器、悬浮式反应器和液体-液体界面
反应器。

5. 生物电化学反应器：用于转化生物质和废弃物为电能的反应器。

常
见的生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和生物燃
料池。

以上是一些常见的生物反应器类别，各类反应器在不同领域有广泛应用，以满足人类对食品、药物、能源和环境保护等方面的需求。

生物反应器：生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装置系统、细胞、组织器官等等。

内容生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。

胃就是人体内部加工食物的一个复杂生物反应器。

食物在胃里经过各种酶的消化，变成我们能吸收的营养成分。

生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能，设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。

或者说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。

在固定化酶广泛应用的基础上，人们发现天然细胞本身就具有多功能的系列化反应系统采用物理或化学方法将细胞固定化，是利用酶或酶系的一条捷径。

一个固定化细胞反应器犹如一台“生命活动功能推动机”。

固定化细胞技术开始于70年代，其实际应用程度已超过固定化酶。

如美国、欧洲、日本均采用固定化菌体柱床工艺大规模生产高果糖浆。

2 动物生物反应器的类型2.1 动物血液生物反应器近年来,动物血液生物反应器取得了很大进展。

血液生物反应器比较适合生产人血红蛋白、抗体和生产非生物学活性状态的融合蛋白,而有活性的蛋白或多肽(如激素、细胞分裂素、组织血纤维溶酶因子等)由于进入了动物血液循环系统而影响动物的健康。

到目前为止,已有多种通过转基因动物生产的具有生物学功能的人血红蛋白问世。

2.2 动物的乳腺生物反应器乳腺生物反应器的原理是外源基因在乳腺特异性表达需要乳蛋白基因的一个启动子和调控区,即引导泌乳蛋白基因表达的序列,将外源基因置于乳腺特异性调节序列之下,使之在乳腺中表达,通过回收乳汁获得重要价值的生物活性蛋白。

从目前的研究成果看，与传统的原核系统及细胞发酵系统相比，动物乳腺生产的重组蛋白产品具有以下特点：生物活性高，无污染，纯化简单，产量高，成本低。

目前，已克隆并用作构建载体的乳蛋白基因主要有-乳球蛋白（BLG）基因、s1-酪蛋白基因、-酪蛋白基因、乳清酸蛋白（WAP）以及乳清蛋白基因[2]。

第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。

一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。

工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。

6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。

1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。

一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。

1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。

3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。

4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。

5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。

6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。

生物反应器，是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞等)所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。

生物反应器与化学反应器不同。

化学反应器从原料进入到产物生成，常常需要加压和加热，是一个高能耗过程。

而生物反应器则不同，在酶和微生物的参与下，在常温和常压下就可以进行化学合成。

因此，生物反应器问世之后，就受到化工部门的重视。

化学工程专家认为，应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。

设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。

设计生物反应器时要考虑两点：一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂，尽可能减少副产物，提高产品产量；二是尽可能提高产物的浓度，降低成本。

生物反应器首先在发酵工业中得到应用。

发酵工业中使用的生物反应器，实际上是发酵罐。

另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。

世界上最大的发酵罐高达100米，直径7米，容积为4000立方米。