生物反应器

生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。

生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。

生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。

分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。

另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。

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。

若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。

前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。

好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。

所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。

若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。

②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。

在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。

③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。

目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。

目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。

生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。

生物反应器(生科院04级生物技术班刘** 2004150441)概述生物反应器是人们为适应生物反应(生化反应)的特点以获得人们所需的生物化学产品而设计的反应设备。

生物反应器又称生化反应器，其实质也就是酶反应。

凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。

另还有适用于动植物细胞大量培养的装置，称为动植物细胞培养用反应器。

微生物反应器微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。

①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。

应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。

应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。

根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。

酶反应器酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。

其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。

酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。

每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。

目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。

动植物细胞反应器动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。

由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。

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。

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。