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生物反应器设计与生物工艺随着现代生物工艺的发展，生物反应器设计成为生物工艺的重要环节之一。
有效地设计生物反应器可提高生物工艺的产能和效率，同时确保生物过程的稳定和安全。
本文将探讨生物反应器设计的基本原理和常见的生物工艺应用。
一、生物反应器设计原理生物反应器设计首先需要明确反应器的种类和目标。
常见的生物反应器包括批量反应器、连续流动反应器和固定床反应器等。
每种反应器的设计都有其独特的原理和适用范围。
1. 批量反应器设计批量反应器是最简单的反应器类型，适用于小规模实验和研究。
批量反应器的设计要考虑反应时间、混合方式和温度控制等因素，以实现理想的反应过程。
2. 连续流动反应器设计连续流动反应器适用于大规模生产和持续生物过程。
其设计原理包括反应器的容积、流动速率和停留时间等参数的选择与调控。
3. 固定床反应器设计固定床反应器常用于固定化酶和微生物的生物工艺。
反应器的设计要考虑载体材料选择、液相流动和气相传质等因素，以提高反应效率和稳定性。
二、生物反应器设计关键因素生物反应器设计涉及许多关键因素，以下是常见的几个关键因素：1. 底物浓度与反应速率反应物的浓度对反应速率有直接影响。
反应物浓度过低可能导致反应速率降低，而浓度过高则可能抑制活性酶或细胞的功能。
2. 反应温度温度是生物反应过程中一个重要的操作参数。
不同的生物反应需要适宜的温度条件，过高或过低的温度都会对反应效果产生不良影响。
3. 氧气供应与气体传质许多生物过程需要氧气作为底物或气体传递介质。
因此，生物反应器设计需要保障良好的氧气供应和气体传质条件，以维持反应过程的顺利进行。
4. pH值控制生物反应需要适宜的pH环境来维持生物酶或细胞的正常功能。
因此，合理的pH控制是生物反应器设计中的重要环节。
三、生物工艺应用实例生物反应器设计的应用非常广泛，以下是几个常见的生物工艺应用实例：1. 酒精发酵酒精发酵是一种常见的生物工艺过程，通过将葡萄糖等底物经过酵母菌发酵产生乙醇。
课程设计报告课程名称：生物工艺原理题目：假丝酵母恒化培养生物反应器设计学院：生命科学与食品工程学院专业班级：生物工程101班学号：5602210032学生姓名：辛鑫指导教师：段学辉2012年12月24日目录一、任务要求 (3)1.1设计目的 (3)1.2设计任务 (3)1.3设计要求 (3)二、设计原理 (4)2.1恒化培养生物反应器的概念及原理 (4)2.2恒化培养的优越性 (4)2.3恒化培养反应器的应用 (4)三、具体设计 (5)3.1基本要求 (5)3.3设备组成 (6)3.4具体操作 (6)3.5主要工艺参数 (8)四、总结 (9)4.1设备总结 (9)4.2心得体会 (9)五、参考资料 (10)一、任务要求1.1设计目的假丝酵母(Candida) 细胞圆形、卵形或长形。
多边出芽繁殖。
能形成假菌丝。
在麦芽汁琼脂培养基上菌落为乳白色，平滑，有光泽，边缘整齐或菌丝状。
液体培养的能形成浮膜。
能发酵葡萄糖、蔗糖、棉子糖。
不能发酵麦芽糖、半乳糖、乳糖、蜜二糖。
不分解脂肪。
能同化硝酸盐。
假丝酵母的蛋白质和维生素B含量都比啤酒酵母高。
它能以尿素和硝酸盐作氮源，在培养基中不加其它因子即可生长。
它能利用造纸工业中的亚硫酸废液，也能利用糖蜜、马铃薯淀粉和木材水解液等。
因此能利用假丝酵母来处理工业和农副产品加工业的废弃物，生产可食用的蛋白质，在综合利用中很有价值。
此属中有的菌能转化50％的糖成为甘油。
假丝酵母也是脂肪酶的生产菌种，在工业上可用于绢纺原料的脱脂单细胞蛋白（SCP）是从酵母或细菌等微生物菌体中获取的蛋白质。
微生物细胞中含有丰富的蛋白质，例如酵母菌蛋白质含量占细胞干物质的45%～55%；细菌蛋白质占干物质的60%～80%；霉菌丝体蛋白质占干物质的30%～50%；单细胞藻类如小球藻等蛋白质占干物质的55%～60%，而作物中含蛋白质最高的是大豆，其蛋白质含量也不过是35%～40%。
单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质，如酵母菌体蛋白，其营养十分丰富，人体必需的8种氨基酸，除蛋氨酸外，它具备7 种，故有“人造肉”之称。
《生物工程设备》生物反应器及其生产现状生物反应器是生化工艺过程的核心设备，本案例主要介绍生物反应器的作用、分类、发展历史和研究现状。
并对目前国内生物反应器的突出问题，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口等问题展开讨论，通过教师列举日常实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
一、教学目标（一）课程教学目标该章节的主题是生物反应器概述，主要讲生物反应器的作用、地位、分类、发展历史和研究现状。
课程的教学目标包括：1.掌握生物反应器的作用、地位和分类；2.了解生物反应器的发展历史和研究现状。
（二）思政育人目标1.设计思路本课程绪论部分内容介绍国内外生物反应器产业发展概况，其中主导生物工程产业的生物反应器大多为国外（如美国、德国、日本等）研发生产。
近些年，我国虽然能够研发一些生物反应器，但仍然存在很多问题。
比如生物反应器的核心部件，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口。
核心部件的依赖必定导致整个产业的对外依赖，不利于今后提高我国生物产业的整体竞争力。
因此在讲述这部分内容时，应从爱国主义和建设中国特色社会主义强国出发，鼓励学生学好专业知识，为以后掌握核心技术，强大我国民族制造业打下基础。
2.思政育人目标使学生认识到掌握核心技术对于提高我国综合国力的重要性，从提高我国制造业市场竞争力角度培养学生学习专业课程的积极性。
3.育人主题创新，发展民族产业等爱国主义教育。
二、教学实施过程1.教学理念：制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。
然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。
一、实验目的1. 理解生物反应工程的基本原理和实验操作。
2. 掌握生物反应器的设计和操作方法。
3. 学习生物反应过程中关键参数的测定和分析。
4. 熟悉生物反应产物的提取和纯化技术。
二、实验原理生物反应工程是研究生物体在生物反应器中的生长、代谢和产物的形成过程，以及如何通过优化反应器的设计和操作来提高生物反应效率的学科。
本实验通过模拟生物反应过程，探究不同因素对生物反应的影响，并学习相关实验操作。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 转基因大肠杆菌菌株- 培养基（LB培养基）- 葡萄糖- 酵母提取物- 蛋白胨- 氨基酸- 矿物质- pH缓冲液- 空气压缩机- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置2. 实验仪器：- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置- 移液器- 电子天平- 烧杯- 烧瓶- 试管- 玻璃棒四、实验步骤1. 生物反应器准备：- 将生物反应器清洗干净，并用70%乙醇消毒。
- 在生物反应器中加入适量的培养基，并用pH缓冲液调节pH值至适宜范围。
- 将空气压缩机连接到生物反应器，确保供氧充足。
2. 菌株接种：- 从冷冻菌株中取出适量菌种，接种到LB培养基中，37℃培养过夜。
- 将过夜培养的菌液用无菌水稀释至适宜浓度，作为接种液。
3. 生物反应：- 将稀释后的菌液加入生物反应器中，设定合适的转速、温度和pH值，开始生物反应。
- 在反应过程中，定期取样，测定pH值、溶解氧、生物量等参数。
4. 产物提取和纯化：- 当生物反应达到预定时间后，停止反应，收集发酵液。
- 使用离心机分离发酵液中的菌体和上清液。
- 对上清液进行超滤，提取目标产物。
5. 数据分析：- 对实验数据进行统计分析，绘制图表，探究不同因素对生物反应的影响。
五、实验结果与分析1. 不同pH值对生物反应的影响：- 通过实验发现，pH值对生物反应的产率有显著影响。
当pH值为7.0时，生物反应产率最高。
生物反应工程第二版课程设计概述生物反应工程是综合应用化学、生物学、工程学等学科知识，以微生物、酶或细胞等为生物反应体进行工程化处理，从而达到产生高附加值化学产品的工程领域。
本课程设计旨在提高学生对生物反应工程的认识和实际操作能力，通过实验掌握反应器操作与控制原理、微生物工程技术、生物过程计算等方面的知识。
实验目的1.掌握反应器操作与控制原理；2.学习微生物工程技术，理解微生物、酶在生物反应过程中的作用；3.掌握生物过程计算方法，具备进行反应过程计算的能力。
实验方案1.实验器材与试剂实验器材：•发酵罐•离心机•pH计•恒温培养箱•吸附型气相色谱仪实验试剂：•葡萄糖•酵母提取物•氨基酸•磷酸盐缓冲液（PBS）2.实验内容2.1 发酵反应操作与控制•发酵罐操作：学生通过实验，掌握发酵罐的操作流程及操作注意事项。
•发酵罐控制原理：学生了解发酵罐的常见控制原理，如温度控制、pH 控制、氧气控制等。
•反应过程动力学建模：学生对发酵反应的动力学建模进行分析，并进行模型参数标定。
•发酵反应过程分析：学生通过离心等实验手段，对反应过程进行分析，了解反应过程中生物体内代谢产物。
2.2 微生物工程技术•微生物培养：学生通过恒温培养箱对微生物进行培养，提高了课程与研究生命科学的联系。
•微生物分离工艺：学生使用不同的分离技术对不同微生物进行分离，并了解微生物分离原理的基本知识。
•酶地工程技术：学生学习如何制备酶，并使用制备好的酶进行试验。
2.3 生物过程计算•线性动力学模型：学生进行线性动力学模型计算，求解线性动力学模型参数。
•非线性动力学模型：学生进行非线性动力学模型计算，并通过计算得到相应参数。
•表观动力学模型：学生通过计算表观动力学模型的计算并进行模型参数标定。
实验结论通过本课程设计，学生学习了生物反应工程相关的知识，并通过实验进行了掌握，最终实现了对反应器操作与控制原理、微生物工程技术、生物过程计算等方面的综合性掌握和应用，达到了本课程设计的教育目的。
.生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）XX：高金利班级：生工2072学号：3072106245时间：2010年11月20日第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构（一）罐体部分露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。
圆锥底：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。
露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。
圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。
（二）温度控制部分发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。
（三）操作附件部分发酵罐的操作附件比较多，主要包括：进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。
（四）仪器与仪表部分发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。
四、发酵罐发酵的动力学特征发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发酵，其主要动力学特征有：1、由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；2、由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；3、由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。
第二章 发酵罐设计计算步骤第一部分：生物反应器设计化工计算一、发酵罐的容积确定设计需要选用V 有效=32m 3的发酵罐则V 全=V 有效/φ=32m 3/80%=40m 3二、基础参数选择1．D ∶H ：选用D ∶H=1∶22．锥角：取锥角为70°3．封头：选用标准椭圆形封头4．冷却方式：选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却5．罐体所承受的最大内压：2.5㎏/cm ³ 外压：0.3㎏/cm ³6．锥形罐材质：A3钢材外加涂料，接管均用不锈钢7．保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜8．内壁涂料，环氧树脂三、D 、H 确定由D ∶H=1∶2，则锥体高度H 1=D/2tan35°=0.714D封头高度 H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H 3=（2.0－0.714－0.25）=1.04D又因为V 全=V 封＋V 锥＋V 柱=3231242443H D D H D ⨯⨯∏+⨯∏+⨯⨯∏=0.187D ³＋0.131D ³＋0.87D ³=40m ³得D=3.23m查1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=3400mm 再由V 全=40m ³ D=3.4m得经高比 D ∶H=1:1.9由D=3400mm 查表得h 1=850mm h 0=50mm F=13.0㎡ V=5.60m ³筒体几何尺寸为：H=5940mm F=63.44㎡ V=32.43m ³锥体封头几何尺寸为：h 0=50mm V=9.83m ³ H=3115mm F=6.86㎡则锥形罐体总高：H=850＋50＋5940＋50＋3115=10005mm 总体积：V 全=5.60＋32.43＋9.83=47.86m ³实际充满系数ψ=83.6％罐内液柱高：H ′=[40-9.83/(3.14×3.42)/4]×102+(3115+50)=8434㎜四、发酵罐的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头设计压力为1.1×2.5=2.75㎏／㎝²S=[]C P PDgt +-ϕσ2式中：P=2.75㎏／㎝²[σ]：A 3钢工作温度下的许用力取1520.㎏／㎝²ψ：焊接系数，本设计采用双面对接焊作为局部无探伤0.9 壁厚附加量：C=C 1＋C 2＋C 3查表得：C 1：钢板厚度的负偏差取0.8负偏差C 2：腐蚀裕量取2mmC 3：制造减薄量取0.6则：S=(2.75×3400/2×1520×0.9-2.75)＋3.4=7mm取S 0=8mm 直边高h 0=50mm校核σ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛h D s PD 24中中 =[2.75×(3400+8)/4×8]×(3400＋8)/2×900=554.5≦[δ]e2．筒体P 设=1.1×(P 工作＋P 静)=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²S=[]C PPD +-ϕσ2（取C 1=0.6，C 2=2，C 3=0.6） =3.42×3400/(2×1520×0.9－3.42)＋3.2=7.5mm取S=8mm校核σ2=s PD 2中=620.1≦ψ[σ]t3．锥形封头1）过渡区壁厚S=[]C P DgKP t +-5.02ϕσ设P 设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压）K=0.716S=[]C P DgKP t +-5.02ϕσ设=0.716×3.74×3400/(2×1520×0.9－0.5×3.74)＋C=3.33＋C=3.33＋0.6＋2＋0.59=6.52mm(2)锥体S=[]C P PDgf t +-⨯5.0ϕσS 0= []PPDg f t 5.0-⨯ϕσ =0.60×3.74×3400/(1520×0.9－0.5×3.74) （f 查表为0.60） =5.58mmS= S 0＋C=5.58＋0.6＋2＋0.59=8.77mm取S=10mm h 0=25mm校核锥体所受最大应力处：σ= 45cos 2s PD 中=3.74×3410/(2×10×cos35°)=778.5≦[σ]t（二）锥体为外压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头设S0=5mmR内=0.9Dg=3060mmR内／100S0=3060／100×5=6.12查图表4-1得B=375[P]=B×S0／R内=375×5／3060=0.61㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0＋C=8mm2．筒体设S0=5mmL/D=0.57D=3400/5=680查图表4-1得B=320[P]=320×5／3400=0.47㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²S0=5mm故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S= S0＋C=8mm3．锥形封头因为α=35°所以22.50°＜α＜60°按第四章发酵罐设计的中封头设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：2×3115／2×tan35°=2181.5mm取加强圈中心线间锥体长度为1557.5mm设S0=5mmL／D=1557.5／3400=0.458D／S0=3400／5=680查表4-1得B=370[P]=B×S0/D=370×5/3400=0.54㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²故取S0=5mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0＋C=8.2mm取S=9㎜综合前两步设计，取两者中较大的。
由生产经验确定标准椭圆型封头厚度为8mm h0=50mm圆筒壁厚8mm标准型封头壁厚10mm h0=50mm五、锥形罐的强度校核1．内压校核液压试验P试=1.25P设由于液体的存在，锥体部分为罐体受压最中之处即最危险设计压力P=3.74㎏／㎝²液压试验P设=1.25P=4.68㎏／㎝²查得A3钢σ=2400㎏／㎝²()[]()C S C S Dg P --+=2试试σ=4.68×[3400＋(10-3.2)]/2×(12-3.2) =905.9㎏／㎝²0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944㎏／㎝²＞σ试 可见符合强度要求，试压安全 2．外压试验 以内压代替外压P=1.5×（S ＋C ）=1.5×（1.0＋0.3）=1.3㎏／㎝² P 试=1.25P=1.63㎏／㎝²＜P 内试 故可知试压安全 3．刚度校核本设计中允许S=2×3400／1000=6.8mm 而设计时取厚度为S=8mm ，故符合刚度要求第二部分发酵罐热工设计计算一、计算依据计采用A3钢作为发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5㎞／㎝²冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4℃，T出=-2℃，麦汁发酵温度维持12℃（主发酵5—6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）二、总发酵热计算Q=q×v=119×32=3808㎏／hrq每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；v为发酵麦汁量三、冷却夹套型号选择选取8号槽钢起截流面积为A=hb-截面积=8×4.3－10.24=24.16㎝²冷却剂流量为（三段冷却）3×24.16×10-4×1=7.284×10-3m³/s查得20%（V/V）酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976㎏／m³Cρ=1.04kcal／㎏·℃冷却剂的冷却能力为：Q=7.248×103×976×1.041×2×3400 =50075.8 kcal ／hr ＞3808 kcal ／hr 故可选取8号槽钢为冷却夹套。
