2第二章 生物反应器设计基础1

生物反应器的设计和操作生物反应器是一种能用于培养和生长生物体的设备，其主要作用是提供良好的物理和化学环境，以便支持生物体的生长和代谢过程。

该设备广泛应用于生物技术、制药、食品、环境保护等领域。

本文将讨论生物反应器的设计和操作，以及其在不同领域的应用。

一、生物反应器的设计生物反应器的设计是关键，因为不同的生物反应器设计可以影响反应器中生物体的生长和代谢过程。

生物反应器的设计主要包括反应器的形状、大小、材料、通气设计、搅拌方式、控制系统等。

以下是几种不同类型的反应器设计。

1.批式反应器批式反应器是一种简单的设备，其主要特点是在生物体培养的过程中，将其置于一定的体积容器中，并在反应器中输入所需的营养物质，然后等待生物体代谢反应结束，最后通过输送系统将反应物和产物分离。

该设备主要用于研究生物体在不同环境中的生长和代谢过程，并可进行小规模的实验研究。

2.连续式反应器连续式反应器是一种连续操作的设备，其主要特点是在反应器内循环送入新的营养物质，同时排出产物，以维持特定的反应条件并支持生物体的生长和代谢。

该设备主要用于大规模生产特定生物产品，并可用于生产食品添加剂、药品等产物。

3.滑动床反应器滑动床反应器是一种床式反应器，其主要特点是选择性的材料在床层之间“滑动”，其生物催化效益优于床式反应器。

该设备主要用于分离和提纯生物产品，以及在环境保护中用于污水处理等应用。

二、生物反应器的操作为了确保反应器的正常运行，需要进行反应器操作的一些重要参数控制。

生物反应器的操作主要包括控制反应器的温度、PH值、氧气浓度、搅拌速度等，以维持反应器中生物体的最佳生长和代谢状态。

1.温度控制温度是影响生物体生长和代谢过程的关键因素之一。

保持温度在特定范围内，有助于减少生物体在不适宜温度下的死亡和繁殖，提高生物反应器的效率。

2.PH值控制PH值是反应器中酸碱度的测量单位，其值变化可能会导致生物体死亡或生存能力下降。

因此，在生物反应器中，需要通过添加PH调节液，以保持反应器中恰当的PH值范围。

生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。

随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。

本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。

一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。

容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。

2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。

搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。

3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。

气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。

4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。

温度控制通常包括加热和冷却系统。

反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。

5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。

作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。

6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。

混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。

二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。

闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。

开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。

这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。

三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。

生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。

生物反应器的设计与调控生物反应器是一种生物化学过程的控制设备，它用于支持微生物或细胞在合适的条件下进行生长和代谢。

设计和调控生物反应器是生物化学和生物工程的重要组成部分，可用于生产各种生物制品，如药物、化学品和食品等。

本文将讨论生物反应器的设计与调控的具体内容。

一、生物反应器的设计在设计生物反应器时，需要考虑以下因素：1. 生物反应器类型：生物反应器分为不同类型，包括批量、序批和连续反应器等。

批量反应器是最简单的反应器，能够容纳固定量的反应物，并且在其内部进行反应一定的时间。

序批反应器具有某些批量反应器的特性，但它的特点在于在反应过程中不定期地喷加反应物。

连续反应器则是连续供应反应物和排出废物，用于稳定持续反应。

2. 反应器尺寸：反应器尺寸取决于所需的产量、响应时间和生产成本等因素。

反应器越大，反应的转化率和平均质量流率就越高，但所需的起始资本和维护成本也越高。

3. 反应器配置：反应器通常由一系列装置组成，包括泵、搅拌器、加热器、传感器和控制器等。

这些装置的配置应根据反应器类型和所需的反应条件来选择。

4. 操作环境：生物反应器必须处于适宜的操作环境中，包括良好的通风、恰当的温度和湿度等。

此外，在生物反应器中使用化学药剂和重金属等有害物质应特别注意，应配备相应的安全设备和安全培训。

二、生物反应器的调控生物反应器的调控主要涉及以下几个方面：1. 生物反应器控制体系：生物反应器中的自动控制体系能够对反应器的运行进行自动化处理，以开展生产线自动化管理。

控制体系由数控设备、信号系统和软件组成，可以根据生产流程进行编程和控制，实时检测反应器的运行状况，并反馈调整参数以获得所需的反应条件。

2. 控制参数：反应器中的关键控制参数包括pH值、温度、营养物质和氧气供应等。

pH值和温度可以通过加热器和调节中和化合物和酸度-碱度级别实现控制。

营养物质包括氮、磷、钾、镁等，可通过添加相应的营养物质来控制反应器中物质的浓度，使生物体获得良好的生物学营养素。

1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。

可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。

答：1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供氧。

优点：高生产效率，高经济效益。

2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。

特点： 1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。

优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。

缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。

4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。

2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。

1－轴封 ； 2、20－人孔；3－梯； 4－联轴；5－中间轴承； 6－温度计接口；7－搅拌叶轮； 8－进风管；9－放料口； 10－底轴承；11－热电偶接口； 12－冷却管；13－搅拌轴； 14－取样管；15－轴承座； 16－传动皮带；17－电机； 18－压力表；19－取样口； 21－进料口；22－补料口； 23－排气口；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。

非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。

生物反应器的设计原理及操作方法生物反应器是生物工程中的关键设备，它能够控制微生物在特定条件下进行生长、代谢、分化等过程，从而生产出预期产品。

本文将介绍生物反应器的设计原理及操作方法，帮助读者更好地了解生物反应器的基本原理和操作技巧。

一、生物反应器的设计原理1.1 选择适当的基质生物反应器是利用微生物代谢产生生物产物的过程，所以选择适当的基质是其首要设计原理。

基质中必须包含微生物所需要的营养物质，并能够满足微生物的生长和代谢需要。

选择基质时需要考虑微生物的菌种、培养温度、pH值等因素，以便为微生物提供最适宜的生长环境。

1.2 确定反应器的类型生物反应器的类型有很多，根据微生物的生长形态分为培养皿式反应器和悬浮式反应器。

培养皿式反应器主要用于附着生长的微生物，例如细胞培养、细菌单克隆发育等；悬浮式反应器则适用于浮游性微生物的培养和生产，例如发酵类的生产。

同时还需要根据需求确定反应器的大小和形状，以便满足生产的需求。

1.3 设计反应器的操作参数反应器操作参数的设定是生物反应器的关键，可分为生化参数和物理参数。

生化参数是指液体中化学参数的设置，如培养基中的营养物含量、温度、pH值等；物理参数是指反应器本身的一些参数，包括搅拌速度、气体流速、曝气方式等。

通过合理的操作参数设置可以满足微生物生长的需要，提高产物的产量和质量。

二、生物反应器的操作方法2.1 准备工作生物反应器的操作需先做好准备工作。

包括清洗反应器和配件，制备适当的培养基、出气口等。

此外，还要仿制保证操作环境的洁净度，避免外界的干扰和微生物的污染。

2.2 下料对于悬浮式生物反应器，需要通过下料将培养基等物料加入反应器，形成生产过程中的培养环境。

此时需要注意下料的速度、流量和方法，以及下料口的位置和大小。

通过合理的下料操作可确保培养物质的分散及加入过程的平稳，避免对微生物产生不利影响。

2.3 搅拌操作搅拌操作是生物反应器中常用的操作方法。

通过合理的搅拌操作可使培养基中的营养物质和微生物充分混合，并避免其附着于反应器的内壁和底部。

生物反应器的设计和实验方法生物反应器是一种常用的工业设备，用于生产生物制品和进行生物反应的实验。

它是一种容器，里面有适宜生物生长的环境，如温度、pH值、营养物质和气体等，能够维持生命的特定条件。

生物反应器的设计和实验方法可以分为以下几个方面。

一、生物反应器的设计1. 反应器的容量和形状反应器的容量和形状会影响反应的速率和效率，同时也会影响设备的大小和成本。

一般来说，反应器容量越大，反应的产量就越高，但对于实验室规模的反应器来说，容量不能太大，否则更难控制和操作。

反应器的形状也是需要考虑的因素，例如圆筒形或球形反应器比立方体反应器更易于混合。

2. 搅拌和气体通入搅拌可以帮助保持液体中的均匀性和增加反应速率。

气体通入则可以提供必要的氧气和CO2等，促进微生物生长。

搅拌和气体通入的方法取决于反应器的设计和具体反应的需求。

3. pH控制和温度控制pH控制也是生物反应器中的重要因素之一。

通过加入酸碱来调节反应液体的pH值，以维持对生物生长最有利的pH值范围。

温度控制也是同样重要的因素，反应温度的控制可以影响反应速率和产生的结果。

4. 选择培养基和微生物在生物反应器的设计中，选择适合的培养基和微生物是必须考虑的因素。

具体的选择需要根据反应器的容量、形状、温度、pH 等因素进行评估，同时还需要考虑微生物的特性和产物的要求。

二、生物反应器的实验方法1. 培养微生物在使用生物反应器前，需要先进行微生物的培养。

通常将微生物接种于培养基中，然后在摇床上进行预培养。

预培养时，需要调节温度、气氛和其他条件，以适应后续实验的要求。

2. 装载反应器装载反应器时需要注意, 反应器内的流体应该达到适当的深度，以确保搅拌均匀，同时保证良好的气体通入和出口。

3. 实验操作在反应器中进行实验操作的过程中，需要对温度、pH和气体通入进行维持和监测。

也需要记录反应条件和所产生的产物。

在操作中需要注意卫生，避免微生物污染。

同时还需要采样，以确定反应进程的情况。

生物反应器的设计和运行控制生物反应器是生物技术中最重要的设备之一，它能够在一定的反应条件下，将生物体内的化学反应不断进行并产生有效的产物。

生物反应器的设计和运行控制是生物技术领域研究的重点之一。

一、生物反应器设计中的关键要素1. 反应器选择生物反应器有许多类型，包括培养皿、摇瓶、滚筒、流加式等。

在设计反应器时，必须考虑实验需求，例如反应器的大小、温度控制、气体通量和搅拌速度等。

可以选择适当的反应器，如摇瓶适用于真菌或微生物的培养和扩增，滚筒适用于生物质转化、蛋白质表达等，流加式适用于产生低浓度微信分子。

2. 培养条件培养条件对反应器性能和输出产品的质量影响很大。

必须考虑环境因素，如气体浓度、酸碱度、温度、搅拌速度、空气湿度等。

在设定条件时，必须调整相关参数，以满足产物的需求。

3. 辅助设备针对不同的反应器类型和实验需求，需要选择适当的辅助设备，如压力传感器、温度控制器、搅拌器、氧气流量计和反应器用于搅拌或混合的装置等。

二、运行控制中的要点1. 测量数据的获取和分析反应物性、反应速率等信息可以通过传感器记录并获取。

控制系统定期收集数据，进行数据分析，发现问题并做好反应调整。

2. 温度控制温度对反应器性能具有很大影响，反应温度必须稳定且准确控制。

可以通过加热和降温控制，自动控制系统可以保证反应体内的稳定温度和较小的温度波动。

3. 流动速率控制在一些微生物反应器中，气体进出口的加入和流量调节是非常重要的。

流量控制可以通过选择合适的阀门、传感器和调节器等实现。

4. pH控制pH是影响生物反应器反应的主要因素之一。

定期采样和测量ph值可以保证反应的稳定性与有效性。

在ph值的控制过程中，可以选用使用溶液或酸碱控制器进行控制。

5. 氧气流量的控制氧气流量对于微生物的生长和反应非常重要，必须进行一定程度的氧气流量控制。

可以通过通气和压力控制器来实现。

三、生物反应器应用生物反应器广泛应用于化学制药、环保、食品生产、医药等领域。

生物反应器原理与设计研究生物反应器是利用生物体（通常为微生物或细胞）进行代谢活动的装置，是生物工程领域中的核心设备。

它通过控制和调节反应器内的生物过程，实现原料的转化和产品的制备。

本文将介绍生物反应器的基本原理和设计要点。

一、生物反应器的基本原理1.1 温度调控温度是影响生物反应过程的重要参数。

不同的微生物和细胞对温度的敏感性不同，通常在一定范围内，温度越高，反应速率越快。

因此，在生物反应器的设计中，需要根据不同反应物的要求，在合适的范围内控制温度。

1.2 pH调节pH值是指反应体系中水溶液所含氢离子的浓度。

微生物和细胞的生长和代谢过程对pH值非常敏感，对pH值的改变会影响其生长和产物的生成。

因此，生物反应器中需要通过添加酸碱溶液或其他缓冲溶液来调节反应体系的pH值。

1.3 溶氧控制溶氧是微生物和细胞生长和代谢的重要因素。

微生物和细胞通常通过氧气来进行有氧呼吸，产生能量和代谢产物。

因此，在生物反应器的设计中，需要保持适当的氧气供应，以满足微生物和细胞的需求。

1.4 搅拌与传质搅拌是为了保持反应器内各点的均质性和混合度，以使反应物和生物体之间充分接触和传质。

传质是指物质在液体中的迁移和扩散过程，对于微生物和细胞的生长和代谢非常重要。

生物反应器的设计中需要考虑搅拌和传质的方式和参数，以提高反应的效率。

二、生物反应器的设计要点2.1 容器选择生物反应器通常由耐酸碱、耐高温、耐压的材料制成。

常见的材料有玻璃、不锈钢、陶瓷等。

对于一些特殊的反应，还可选择具有特殊性能的材料。

2.2 反应器结构生物反应器的结构要考虑进料和出料的方便性，以及搅拌和传质的效果。

常见的反应器结构有完全混合型反应器、流态化床反应器、固定床反应器等。

不同的反应器结构适用于不同的反应体系。

2.3 控制系统生物反应器需要一个稳定的控制系统，以保证反应过程的稳定性和可控性。

控制系统应包括温度控制、pH控制、氧气供应控制等，可以通过自动化仪器和传感器来实现。