生物反应器

第六章 生物反应器结构与设计计算

由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要 的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。

自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。

一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

第一节 机械搅拌式生物反应器

机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。

一、机械搅拌式生物反应器的结构

机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。下面做简要的介绍。

1．罐体

罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。

污水处理工艺流程解读生物膜反应器（MBR）的工作原理及应用案例

污水处理是保障环境卫生和人类健康的重要环节。随着城市化进程的加速和水资源的日益紧缺，高效、可靠的污水处理工艺成为问题亟待解决的环境挑战。生物膜反应器（MBR）作为一种先进的污水处理技术，凭借其高效、节能的特点，正在成为各大污水处理厂的首选。

一、MBR工作原理介绍

生物膜反应器（Membrane Bioreactor，MBR）是将传统的生物反应器和固液分离装置相结合的一种污水处理技术。其核心组成部分是生物反应器和微孔膜组成的固液分离装置。MBR工艺的污水处理流程主要分为生物处理和膜分离两个步骤，具体如下：

1. 生物处理

在MBR中，有机污染物通过氧化还原反应转化为无机化合物，并进一步被微生物降解。其中，污水中的有机物被厌氧和好氧条件下的微生物分解为二氧化碳和水。同时，硝化细菌和反硝化细菌可以将氨氮转化为硝态氮和氮气。这些微生物生长在填料或膜的表面形成生物膜，提供了高度的活性污泥浓度和有效的降解。

2. 膜分离

MBR中的膜分离装置由微孔膜构成，其作用是将生物反应器中的悬浮污泥和水分离，仅允许水通过。微孔膜具有非常小的孔径，通常为0.1-0.4微米，可以有效地截留污泥颗粒和细菌等微生物，使其无法通过膜孔。这样，膜分离可以确保处理后的出水质量符合排放标准。

二、MBR的应用案例

1. 城市污水处理厂

MBR技术在城市污水处理厂中得到广泛应用。传统的污水处理工艺往往需要大量的土地占用和设备投资，而MBR工艺通过固液分离膜的应用，具备较小的占地面积和出色的处理效果。同时，MBR工艺能够稳定地处理冲击负荷和高浓度有机物的废水，适应了城市污水处理的需求。

2. 工业废水处理

工业废水通常含有复杂的有机和无机物，对处理工艺的要求较高。MBR技术以其优异的固液分离性能和高降解效率，成为适用于工业废水处理的先进技术。例如，电镀工业废水、制药废水、印染废水等都可以通过MBR工艺获得良好的处理效果。

13种厌氧生物反应器结构及原理

厌氧生物反应器是一种用于处理含有机物污染物的废水、垃圾和有机废料的设备。与常规的好氧生物反应器相比，厌氧生物反应器能够在无氧环境下降解有机废物，产生可再生的能源，如甲烷气体。下面将介绍13种常见的厌氧生物反应器结构及原理。

1.家庭型生物反应器（家庭式厌氧发酵箱）

家庭型生物反应器是一种小型厌氧生物反应器，常用于处理家庭废弃物。它由一个密封的容器组成，内部含有厌氧微生物，废物在容器内分解产生甲烷气体。

2.填料式反应器（填料式厌氧反应器）

填料式反应器是一种常见的厌氧生物反应器。它由一个圆筒形容器组成，内部填充有一种特殊填料，如陶粒或聚合物。填料提供了更大的表面积，用于附着厌氧微生物，促进废物的降解。

3.流化床反应器（流化床堆式厌氧反应器）

流化床反应器利用流化床的原理进行废物处理。废物被喷入反应器中，与床层内流动的气体混合并流化，从而实现废物降解和产气。

4.固定床反应器（固定床式厌氧反应器）

固定床反应器是一种常见的厌氧生物反应器。废物通过固定床内的孔隙流动，废物在固定床内降解，产生甲烷气体。

5.上升式床反应器（上升式床式厌氧反应器） 上升式床反应器将废物从底部喷入反应器中，废物上升流动与厌氧微生物接触，实现废物的降解。

6.下降式膜池反应器（下降式膜池式厌氧反应器）

下降式膜池反应器利用膜池和厌氧微生物来处理废物，膜池可以将固体和液体分离，同时提供厌氧微生物所需的无氧环境。

7.膜生物反应器（膜式厌氧反应器）

膜生物反应器使用微孔膜将厌氧微生物和废物分离开。厌氧微生物在反应器中降解废物，并通过膜分离器收集产生的甲烷气体。

8.微型反应器（微型厌氧生物反应器）

微型反应器是一种小型的厌氧生物反应器，用于处理小量的废物。反应器通常是由微型流道和反应池组成，利用微湍流和微流动加速废物的降解过程。

9.连续流式反应器（连续流式厌氧反应器）

连续流式反应器是一种将废物连续供应到反应器中的反应器。废物通过反应器流动，与厌氧微生物接触，实现废物的降解。

生物反应器的种类与运行方式

生物反应器是一个能够支持微生物生长并产生微生物代谢产品的系统设备。这些设备通常用于生产食品、药物和生物燃料，同时还在环境保护、农业和其他领域中发挥着重要作用。本文将介绍几种常见的生物反应器种类和运行方式。

一、批量生物反应器

批量生物反应器是一种最简单的反应器，通常用于实验室规模的微生物培养。就像名字一样，批量生物反应器中的生物反应是一批一批的进行，当一批生长完毕后，就需要把反应器中的生物体清除掉，并清空反应器，才能开始下一批的生长。因此，批量生物反应器生产的量相对有限，但是成本相对较低，适用于小规模生产，且容易维护和管理。

二、连续生物反应器

连续生物反应器是与批量反应器形成对比的一种反应器，其最大的特点在于不需要像批量式那样每批次清空容器，从而使得反应器中的生物体连续生长和产生目标产物。由于连续生物反应器不需要断续处理，因此一般用于较大规模的生产过程。其中，最常见的类型是CFSTR（连续流入连续流出生物反应器），该反应器以恒定速率从反应器中移除生物而保持反应器体系的恒定体积和物质浓度。此外，还有另一种常见类型为PFR（压力流式反应器），其利用输入流体在微流道系统中的惯性和压力差引导，控制反应物质严格按照一定规律流过系统，同时维持恒定的反应体积。这一类型反应器运行方式稳定，常适用于大规模的生产和交替的反应物处理任务。

三、膜生物反应器

膜生物反应器是指使用膜作为过滤器和生物分离器的一种反应器。这种反应器的设计可以让生物体在反应器中连续生长，并通过带有孔洞的膜进行过滤和分离。膜反应器通常具有一些特殊的控制参数以优化该反应过程。例如，pH、氧气分压和塑化剂接触时间等因素都可以通过调节来提高反应速率和生产成本效益。此外，膜反应器还能够对生产过程中产生的杂质进行有效控制，从而使产物质量得到保证。

四、固定床生物反应器

固定床生物反应器是一种新兴的生物反应器，其工作原理是在固定的显示架上种植微生物并提供适当的反应介质。这种反应器也可控制反应过程的各项参数，例如：反应速率和较高的产出率等参数。其中还有一种类型为气固固定反应器，可用于对空气中的污染物的生物降解，比如从冶炼、石材和 石化等行业的尾气中移除甲烷和氮气等污染物。