第七章 生物反应器及其工程放大7

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固态发酵反应器的类型 浅盘式反应器 填充床反应器
转鼓式反应器
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7.2.3.1浅盘式反应器
浅盘式反应器属于静态反应器，浅盘式的结构和 操作都相对简单，装料量少，要实现大规模生产，可 增加浅盘数目。浅盘室内的温度和湿度容易控制，特 别适用于制曲。这种反应器由于存在对流空气，散热 效果较差，对浅盘物料的厚度有所限制，并且占地面 积较大，需要耗费一定的人力。 浅盘式反应器很早地应用于抗生素、有机酸的固 态表面培养的生产中 。通常由木质、塑料、或金属的 材质制成的、带盖或无盖的、底部能通风的浅盘。
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7.2.2.1 机械搅拌通风反应器
机械搅拌通风反应器 ，是工业上最常用的一种 微生物反应器。这类发酵罐既具有机械搅拌又有压缩 空气分布装置。搅拌器的主要作用是打碎空气气泡， 增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率，同时 也是为了使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持 悬浮状态。
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7.2.1 生物反应器的分类
根据所使用的生物催化剂种类的不同可将生物反应器分 为酶生物反应器和细胞生物反应器，其中细胞生物反应器又 可分为微生物细胞生物反应器及动物细胞生物反应器、植物 细胞生物反应器、微藻生物反应器。 根据培养过程中是否需要光照，分为光照生物反应器和 普通生物反应器。 根据生物催化剂的使用形式可分为固定化酶或细胞的反 应器及游离态酶或细胞的反应器。其中常见的酶、细胞的反 应器具体有搅拌罐式、固定床或填充床、流化床、膜式反应 器、鼓泡塔式反应器等。
机械搅拌通风发酵罐主要部件有：罐体、搅 拌器和挡板、消泡器、联轴器及轴承、变速装置、 空气分布装置、轴封、冷却换热装置等。
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1-流量测量及变送 2-流量控制器 3-调节阀
2 2
2 2+ + 2+
2
+
2-
4
X/S
3-
4
W
1
面积
图7-2 生化反应过程测量仪器系统
生物量
第三节 控制理论与应用
一、生物过程的控制特征
（一）温度的控制 CO O （二）pH的控制 M 排气 （三）溶氧控制 M （四）补料控制 pH
2 2
R
4
M 1
3
2 G Gc
2
2 TC
c2
M
1
3
5
AC 2 补料 1
1 2
空气冷却水 3 二、先进控制理论在反应器控制中的应用 3
5
冷却水 冷却水
Gc DO （一）模糊逻辑控制在生化过程中的应用 4 4 6 7 空气 （二）生化过程知识库系统 氨气 空气 8 空气 空气 图7-18 （三）基于专家系统的人工神经网络 发酵过程温度控制
1
溶解氧 控制器 GCDO
图7-20 溶解氧控制系统
1-溶解氧电极和变送器 2-溶解氧控制器 3-压力传感变送器3-调节阀 4-生化反映器 5-夹套 4-压力控制器 图7-21 补料控制原理图 1-测量电极和变送器 2-控制器 3-空气开关 4-气动开关阀门 5-压力调节阀 6-空气流量变送器 7-流量控制器 8-流量调节阀
1-温度传感变送器 2-温度控制器 图7-19 pH控制系统
第一节 生物反应器的放大
一、经验放大法
（一）几何相似放大 二、其他放大方法
基础实验 测定值 模型的放大 （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 （三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 小 除了上述的一些放大方法之外，还在实验中采用因次分析法、 （四）以空气线速度相同的原则进行放大 试 时间常数法、数学模拟法等。 用电子 （五）以Ka相同的原则进行放大 过程的 计算机 用电子计算机 计算机的结果与 （六）搅拌器叶尖速度相同的准则 基本设 作设计 作方案研究 实验结果的比较 （七）混合时间相同的准则 计 计算 中 试 基础模型 的修正

。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估

Temperature
Fermentation time (h)
Computer softwares have been developed to monitor and change the process o
•结构特征分类
管式反应器 STR 固定床
喷射环流式JLR
不考虑具体结构， 理想流动。
鼓泡塔BC
固态发酵反应器
类型: 好氧发酵、兼性好氧与厌氧固态发酵
特点：水分活度低 ,基质水不溶性 ,产酶活 力高、酶系丰富
固态发酵反应器
Basic design features of tray-type bioreactors and possible design variations .(a) Different tray chambers, including tray rooms and incubators, in which the trays are arranged on shelves. (b) Different basic tray designs. The tray on the left could be made of wood, plastic, bamboo, or wire. The plastic bag on the right could be made entirely of a gas-permeable plastic, or could contain a filter insert that allows gas exchange
生物反应器的作用

为生物培养提供良好的物理环境：温度、溶解 氧、pH等 为生物培养提供良好的化学环境：营养物浓度 （及时排除有害物）。