第八章生物反应器结构与设计计算

第8章 反应设备§8-1 概述一、反应设备的应用及基本要求 1、反应设备应满足化学反应过程的要求物料的性质（粘度、密度、腐蚀性等）； 相态；反应条件（温度、压力等）；反应过程的特点（气相的生成、固相的沉积等）；2、反应设备应满足传质、传热和流体动力过程的要求 二、反应设备设计的几个问题（1） 反应物的混合 （2） 适宜温度的维持 （3） 停留时间的控制三、反应设备的分类 （1） 化学反应器分类（2） 生物反应器分类按结构特征：机械搅拌式、气升式、流化床、固定床等⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧固相反应器—液—气固相反应器—液固相反应器—气液相反应器—液液相反应器—气非均相反应器固相反应器液相反应器气相反应器均相反应器、按物料相态分1⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧其它形式流化床反应器固定床反应器管式反应器搅拌反应器、按设备结构形式分2四、常见反应器的特点(1) 机械搅拌式反应器(2) 管式反应器管式反应器可用于连续生产，也可用于间隙操作，反应物不返混，也可在高温、高压下操作。

(3) 固定床反应器气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置称为固定床反应器。

它主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和生物反应中应用很广泛的反应器固定床反应器有三种基本形式：轴向绝热式、径向绝热式和列管式。

(4) 流化床反应器流体（气体或液体）以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置称为流化床反应器。

§8-2 机械搅拌反应器一、搅拌反应器的基本结构 （一）搅拌反应器的总体结构1、釜体部分（1） 釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。

（2） 中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。

生物反应器设计与开发生物反应器是一种用于培养微生物、真菌、植物细胞等生物体的器具，通常包括反应器、控制系统、传感器、混合器等组成部分。

生物反应器的设计与开发是工业生物技术领域关注的重要话题，因为它直接关系到生产的效率、质量和经济性。

一、生物反应器的基本结构生物反应器的主体通常由反应器本身、控制系统和传感器组成。

反应器的构造可以是圆柱形或矩形形状，在反应器内部设置搅拌器或气体搅拌器，以混合反应器内介质、气体和微生物等成分。

控制系统负责控制反应器内部的温度、压力、气体浓度、PH值等参数，从而维持最佳的生长环境。

传感器用于获取反应器内部各种参数的数据，反馈给控制系统进行反应器的调节和控制。

二、生物反应器的设计要素1. 反应器容积反应器容积直接关系到生物反应器的生产能力和生产成本，通常适当的放大反应器容积会降低单位产量的生产成本。

2. 搅拌器类型和速度生物反应器内部通过搅拌器的作用，使得反应器中介质混合均匀，产生良好的物质传递和动力学环境。

对于含氧的微生物培养，需要保证适当的气液传质速率。

3. 温度、氧气、pH值、营养和微生物种类温度、氧气、pH值、营养和微生物种类是生物反应器生产的核心要素。

不同的微生物种类对温度、氧气、营养等因素的需求不同，设计生物反应器时应综合考虑这些因素，并根据实验结果对生产条件进行优化。

4. 反应器材质和附件生物反应器通常使用不锈钢、玻璃钢和塑料等材质制成，以具有防腐、耐高温能力。

反应器通常配有附件，例如采样器、过滤器、加热器、冷却器等，以确保生物反应器内部的渗透、污染等问题。

三、生物反应器的应用生物反应器的应用领域广泛，常见的应用领域包括食品、饮料、药品、石油、化工等行业。

例如，微生物处理可以用于处理污水、合成化学品、制成醋酸和氨等生产。

在食品和饮料行业，生物反应器还可以用于发酵、淀粉分解、发酵和酵素生产等环节。

生物反应器也被广泛用于制药和医疗行业的微生物培养，为制药工业提供优质的细胞培养和合成药物的前期生产支持。

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生物反应器的设计原理及操作方法生物反应器是生物工程中的关键设备，它能够控制微生物在特定条件下进行生长、代谢、分化等过程，从而生产出预期产品。

本文将介绍生物反应器的设计原理及操作方法，帮助读者更好地了解生物反应器的基本原理和操作技巧。

一、生物反应器的设计原理1.1 选择适当的基质生物反应器是利用微生物代谢产生生物产物的过程，所以选择适当的基质是其首要设计原理。

基质中必须包含微生物所需要的营养物质，并能够满足微生物的生长和代谢需要。

选择基质时需要考虑微生物的菌种、培养温度、pH值等因素，以便为微生物提供最适宜的生长环境。

1.2 确定反应器的类型生物反应器的类型有很多，根据微生物的生长形态分为培养皿式反应器和悬浮式反应器。

培养皿式反应器主要用于附着生长的微生物，例如细胞培养、细菌单克隆发育等；悬浮式反应器则适用于浮游性微生物的培养和生产，例如发酵类的生产。

同时还需要根据需求确定反应器的大小和形状，以便满足生产的需求。

1.3 设计反应器的操作参数反应器操作参数的设定是生物反应器的关键，可分为生化参数和物理参数。

生化参数是指液体中化学参数的设置，如培养基中的营养物含量、温度、pH值等；物理参数是指反应器本身的一些参数，包括搅拌速度、气体流速、曝气方式等。

通过合理的操作参数设置可以满足微生物生长的需要，提高产物的产量和质量。

二、生物反应器的操作方法2.1 准备工作生物反应器的操作需先做好准备工作。

包括清洗反应器和配件，制备适当的培养基、出气口等。

此外，还要仿制保证操作环境的洁净度，避免外界的干扰和微生物的污染。

2.2 下料对于悬浮式生物反应器，需要通过下料将培养基等物料加入反应器，形成生产过程中的培养环境。

此时需要注意下料的速度、流量和方法，以及下料口的位置和大小。

通过合理的下料操作可确保培养物质的分散及加入过程的平稳，避免对微生物产生不利影响。

2.3 搅拌操作搅拌操作是生物反应器中常用的操作方法。

通过合理的搅拌操作可使培养基中的营养物质和微生物充分混合，并避免其附着于反应器的内壁和底部。

生物反应器的设计和实验方法生物反应器是一种常用的工业设备，用于生产生物制品和进行生物反应的实验。

它是一种容器，里面有适宜生物生长的环境，如温度、pH值、营养物质和气体等，能够维持生命的特定条件。

生物反应器的设计和实验方法可以分为以下几个方面。

一、生物反应器的设计1. 反应器的容量和形状反应器的容量和形状会影响反应的速率和效率，同时也会影响设备的大小和成本。

一般来说，反应器容量越大，反应的产量就越高，但对于实验室规模的反应器来说，容量不能太大，否则更难控制和操作。

反应器的形状也是需要考虑的因素，例如圆筒形或球形反应器比立方体反应器更易于混合。

2. 搅拌和气体通入搅拌可以帮助保持液体中的均匀性和增加反应速率。

气体通入则可以提供必要的氧气和CO2等，促进微生物生长。

搅拌和气体通入的方法取决于反应器的设计和具体反应的需求。

3. pH控制和温度控制pH控制也是生物反应器中的重要因素之一。

通过加入酸碱来调节反应液体的pH值，以维持对生物生长最有利的pH值范围。

温度控制也是同样重要的因素，反应温度的控制可以影响反应速率和产生的结果。

4. 选择培养基和微生物在生物反应器的设计中，选择适合的培养基和微生物是必须考虑的因素。

具体的选择需要根据反应器的容量、形状、温度、pH 等因素进行评估，同时还需要考虑微生物的特性和产物的要求。

二、生物反应器的实验方法1. 培养微生物在使用生物反应器前，需要先进行微生物的培养。

通常将微生物接种于培养基中，然后在摇床上进行预培养。

预培养时，需要调节温度、气氛和其他条件，以适应后续实验的要求。

2. 装载反应器装载反应器时需要注意, 反应器内的流体应该达到适当的深度，以确保搅拌均匀，同时保证良好的气体通入和出口。

3. 实验操作在反应器中进行实验操作的过程中，需要对温度、pH和气体通入进行维持和监测。

也需要记录反应条件和所产生的产物。

在操作中需要注意卫生，避免微生物污染。

同时还需要采样，以确定反应进程的情况。