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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。
简要说明生物反应器的原理和类型以及优缺点。
生物反应器是一种将生物体系置于容器中的装置，用于生物过程的扩大和加速。
其原理是将生物体系、基质和环境条件置于反应器中，利用反应器提供的控制和优化的条件来促进生物过程的进行。
生物反应器的类型包括：
1. 批量反应器：在反应器中加入一定的基质和生物体系，待反应完成后，取出反应产物，进行下一步操作。
优点是操作简单，适用于小规模试验；缺点是反应过程无法实时监测，生物产物质量不稳定。
2. 连续流反应器：基质和生物体系在反应器中连续流动，可以进行稳定的生物过程控制，同时反应产物也可以进行实时监测。
缺点是反应器的设计和运行较为复杂，生产成本较高。
3. 静态膜反应器：在反应器壁上形成静电膜，通过膜的特殊性质，将基质和生物体系进行分离，从而实现生物反应的控制和加速。
优点是操作简单、容易控制，反应产物质量较稳定；缺点是反应器规模有限，生产能力较低。
生物反应器的优缺点：
1. 优点：可以加速和控制生物过程，提高生产效率；可以进行在线监测和控制，保证反应质量稳定；可以有效控制废水和废气的排放。
2. 缺点：反应器的设计和运行成本较高；生物体系易受到污染、感染等因素影响；反应器规模有限，生产能力较低。
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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
生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。
目前研究得最多的两种反应器是“升降机型反应器”和“土壤泥浆反应器”。
升降机型反应器是通过水相的流动来提供适当的营养、碳源和氧气，从而达到降解土壤中污染物质的目的。
与固相系统相比，生物反应器能够在更短的时间内将污染物进行有效降解。
该生物反应器技术已经应用于有机污染土壤的生物修复中。
通过研究生物反应器，我们可以了解到：可以知道为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，确定什么样的结构更好；其次，对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；还有就是分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、代谢等过程有更加深入的理解，生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支，加上成本低.、设备简单、效率高、产品作用效果显著、减少工业污染等优点使他能够在很多方面都有着重要的应用，如改良乳汁品质、生产药用蛋白、外源基因在动物体内的位点整合问题、.乳蛋白基因表达组织特异性问题、目的蛋白的翻译后修饰问题、转基因表达产物的分离和纯化问题、转基因的技术与方法问题、伦理道德问题等诸多方面。
生物反应器经历了三个发展阶段：细菌基因工程、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。
转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细菌基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为哺乳动物细胞的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了规模生产。
另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。
几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。
从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳
腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。
其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。
微生物的种类很多，特点各异，生物反应器也五花八门，各以不同的方式提供适宜的生长环境，反应器的设计涉及采用的工艺、搅拌和通气系统及主要基质的状态。
通气系统的基本形式有浸没式鼓泡器（有或没有机械搅拌）、表面通气装置和膜反应器。
生物反应器的特点：与一般化学过程的反应器相比，其特点有：①在常温常压下操作，但要求能耐受蒸汽灭菌，制作严密无隙以防染菌，且用对微生物或酶无毒害的材质制作；②当用微生物为催化剂时，催化剂本身是在发酵罐中产生的（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；③酶常因底物（即酶的作用物）的浓度过高发生抑制作用，微生物细胞因胞内外渗透压平衡问题，要求底物浓度也不能太高，因而反应器体积相当庞大；④在发酵过程中，生化反应机理和途径相当复杂，有的尚不清楚，很难进行化学计量学的计算及反应动力学的研究，加上反应时常是气、液、固三相并存，有的反应液粘度很大，流变学性质复杂，对反应器中物料的混合和传递带来不利，使采用化学反应工程的原理和方法解决生物反应器的设计放大问题存在较大困难。
生物反应器的分类
（一）按照生物反应过程来分：
1、发酵过程用的反应器称为发酵罐：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。
这种发酵罐根据其特点叫做机械搅拌罐，有人也叫它常规发酵罐。
是目前使用最多的一种，适用性好，适应性强，从小型到中型、到大型的细胞培养过程都可以使用，放大容易。
其缺点是罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。
2、酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
①游离酶反应器：以水溶液状态与底物反应。
若为分批釜式反应器，酶就不能回收；若用连续釜式反应器并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置则可使酶连续使用。
也可将酶液置于用超滤材料制成的U形管或中空纤维管中,并将其置于釜式或管式反应器进行操作，这样也可使酶连续使用。
后者接近连续管式反应器。
②固定化酶反应器：除了和化学反应器类似的固定床反应器和流化床反应器外，还有多种特殊设计。
例如：将酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋装置于反应器中,或将酶固定在中空纤维的内壁制成反应器；也可将固定化酶置于金属网框中进行酶反应，在反应中产气(如CO2)严重时，可考虑采用多层酶反应器。
3、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。
动物细胞培养所用的生物反应器与前面所介绍的生物反应器（用于微生物培养的）基本是一样的。
但由于高等生物细胞比较娇嫩，对培养条件要求更高一些，因而在选用及设计生物反应器时要特别考虑以下几点：①避免或减低由于机械搅拌而产生的剪切力对细胞的损伤。
②气泡的表面张力可对细胞造成伤害，在通气时要防止气泡与细胞接触。
、在进行PH调节或补料时，要严格防止化学环境的急剧变化对细胞的伤害。
如不能用酸、碱直接加入的方式调节PH，应以改变CO2/O2/N2的比例为主进行调节。
（二）生物反应器的其它分类：①批式培养：指的是营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外界没有物料交换。
批式反应可以用各种反应器，其中以机械搅拌式和气升式用的最多。
②连续培养：连续培养是不断地往反应器中加入营养物，利用罐中的菌体增殖得到产物，并不断采出。
实际进行连续培养有两类反应器（搅拌罐式反应器和管式物料连续地以体积流量F流入反应器，并以同样流量流出去。
反应器内有很好的混合，即各点浓度一样。
连续搅拌罐反应器-恒化器，恒化器的操作特点是其流出物流的浓度与反应器内相同，而且加入的物流，一进入反应器立即与反应器内物料均
匀混合。
生物反应器的强化：在实验室里用小型设备进行科学试验，获得了较高的产量和效率，如何在大型的生产规模设备里重现，是生物反应器放大要解决的问题。
常见的强化方法有数学模型法、半数学模型法、因次分析法（又称量纲分析）、近似法则法、尝试误差法。
经过放大，最有可能对发酵过程反应速率产生影响的一般是传质过程，其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递的速率。
因此，先要了解发酵罐中的传质及混合过程：①反应器搅拌的一个重要的参数是通过搅拌器输入到流体的功率值。
决定搅拌功率的除了搅拌浆转速与直径外还有两个重要的因素，一是流体的流动与性质，二是通气与否。
流动流体性质依其切变速率与剪切力之间的关系可分为牛顿型流体与非牛顿型流体。
牛顿型流体切变速率与剪切力成比例，比例系数为粘度，非牛顿型流体则不成比例。
②氧的传递能力的好坏受物体流动性、反应器尺寸、操作条件等各方面的影响。
氧的传递又常限制细胞的生长。
但是，生物反应器的放大需要遵循以下原则：几何相识法、恒定等体积功率放大、恒定传氧系数放大、恒定剪切力、恒定叶端速度放大、恒定的混合时间放大。
生物反应器的控制中也需要了解生物反应器的目的是在实际发酵过程中实现在工艺和动力学等研究中得到的工艺条件。
总之，生物反应器是使生物反应得以实现的装置。
生物反应器有各种各样的形式，要使生物反应器运行得好，必须首先对生物反应器和反应特征有深刻的理解，这就是生物反应器工程的概念。
生物反应器工程着重研究生物反应器本身的特性，如其结构和操作方式、操作条件对细胞形态、生长、产物形成的关系。
它与生物反应工程结合，共同解决各种生物反应的最佳生物反应器、最佳操作条件的选择问题。
生物反应器与转基因动物是20 世纪生命科学发展的一个里程碑，但现在仍然存在着许多急需解决的问题。
由于转基因动物的研究在理论和技术上尚有不完善之处，使得转入的外源基因在动物基因组中随机整合、调节失控、遗传不稳定，表达率不高。
要提高转基因的效率，保证外源基因的有效表达，关键是基因构建
的定点整合。
转基因动物生物反应器的产品的安全性问题。
这包括转基因动物的产物的分离和提纯，表达产物的结构和生物活性与人体蛋白的相似性的问题。
只有从表达产物除去能引起人类变态反应的非人类蛋白，并且产品与人体蛋白有足够的相似性，才能应用于人类的健康事业。
转基因动物的成活率低，出生后的部分个体表现出各种生理和免疫缺陷。
如为提高生产性能而制备的转基因猪出现了雌性不育、胃溃疡和关节炎等病症；而克隆牛已经先后死去；转基因后获得的目的性状，通过有性繁殖后，遗传性状出现分离，如英国的一只高产1-AT 羊奶的转基因绵羊，其子代羊奶中的含仅为其母亲的1/10。
尽管转基因动物生物反应器的研究仍面临着许多需要解决的问题，但它潜在的社会价值是无可估量的。
在未来几年内，将有多种动物乳腺生物反映器重组蛋白上市，从而形成市场前景广阔和利润巨大的新生物制药行业。
