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。
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0.38MPa
3) 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
生物反应器的作用和构造
生物反应器是一种用于生物学和化学研究的设备，广泛应用于制药、生物工程、农业、食品和饮料工业等领域。生物反应器的作用是提供合适的环境，以便细菌、真菌和其他微生物在其中繁殖和分泌所需的代谢产物。下面我们将分别从生物反应器的作用和构造两个方面来介绍它。
生物反应器的作用
生物反应器是一种生物学研究的关键工具，其主要作用是模拟污染物等生物过程，利用微生物的生理代谢作用，加速有机物的降解和转化。通过调节反应器内微生物的生长环境，比如温度、水分、pH值等条件，以及给予可被微生物代谢利用的基质，研究微生物在不同环境下的代谢产物，以及产物与不同环境因素之间的关系。在制药、食品行业等领域中，生物反应器也起着相当重要的作用，可以用于生产酸奶、面包、啤酒、酒精、抗生素、果汁、牛奶和食用油等产品。
生物反应器的构造
生物反应器的结构通常包括反应器体、搅拌/进气系统、控制系统、温度传感器、pH电极和压力传感器等组成部分。反应器体一般用不锈钢材料制成，而搅拌/进气系统则包括推进式叶片搅拌器和气体进出口，用于混合和输送生长基质和氧气。控制系统则是反应器中非常关键的一部分，它通过调节正负压力、温度、压力、pH值等参数，在反应过程中始终掌握着反应器中各项指标，并通过计算和记录，生成反应动力学曲线，分析微生物代谢过程。此外，温度传感器和pH电极分别用于温控和pH监测，而压力传感器则是衡量反应器压力和氧气供应的一个重要指标。
总结
生物反应器是一种基础设备，应用广泛。其利用微生物的生理代谢作用，模拟污染物等生物过程，加速有机物的降解和转化，具有非常重要的作用。同时，生物反应器的构造和控制系统也是非常关键的，其合理性和精确性直接影响着反应器的实验结果。
第四章 生物反应器（发酵罐）
45 第四章 生物反应器（发酵罐）
发酵罐 厌氧发酵罐 （嫌气发酵罐）
好氧发酵罐 （通风发酵罐）
第一节 厌氧发酵罐
酒精、丙酮、丁 醇、乳酸、啤酒等
酒精发酵罐 （图1）
图1 酒精发酵罐
1 冷却水入口2 取样口3 压力表4 CO2 出口5 喷淋水入口6 料液及酒母入口7 人孔8 冷却水出口9 温度计10 喷淋水收集槽11 喷淋水出口12 发酵液及污水排出口一、形状 罐体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形
二、结构尺寸
D----罐的直径 H-----圆柱部分的高度
h1-----罐底高度 h2-----罐盖高度
推荐比例： H=1.1～1.5D h1=0.1 ～ 0.14D h2=0.05 ～ 0.1D
发酵罐全容积： V = πD2 (H+h1/3+h2/3) / 4 V = V0 /
V-----发酵罐的全容积 (m3) V0------进入发酵罐的发酵液量 (有效容积) (m3)
-------装液系数 （一般取0.8～0.9）
据发酵罐的全容积V和H/D即可确定发酵罐的结构尺寸
三、 配置
人孔、视镜、进料管、压力表和测量仪器的接口、CO2出口（回收管）、排料口和排污口、取样口、温度计接口、冷却装置、洗涤装置
冷却装置： 第四章 生物反应器（发酵罐）
46 中小型罐,多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却 (罐体底部四周有收集槽)
大型罐:罐内有冷却蛇管 (或与外壁喷淋相结合)
洗涤装置：水力喷射洗涤装置 （图2）
第二节 通风发酵罐
机械搅拌式、自吸式、气升式、高位筛板式等
味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸、SCP
一、机械搅拌式发酵罐 （图3）
一）基本条件
1、适宜的径高比。 [高：直径约为2.5～4]
2、能承受一定的压力。[水压试验（1.5倍）] 3、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O2的利用率 。
