第三章 生物反应器总论

生物反应器总论

生物工程设备

第三章生物反应器总论

生物反应器总论

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3.1

生物反应器概述

3.23.3 3.4

生物反应动力学基础生物反应器的通风和溶氧传质 一般生物反应器的操作和注意事项

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3.1

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3.1.1 生物反应器在生产中的地位和作用1.生物技术和生物反应器 生物技术是对生物物质有控制的应用。因此，生物技术 不仅仅包括基因工程或者细胞融合技术，实际上，它的应用 范围非常广泛，涵盖化工领域，如乙醇、微生物和有机酸类、 聚合物的生产，制药领域，如抗生素、疫苗的生产，能源领 域，如燃料乙醇，食品领域，如奶制品、蛋白质的生产，以 及农业，如动物饲料、废物处理、微生物杀虫剂、植物移植 配方的生产和应用。

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2.生物反应器在生产中的地位和作用 如图3-1所示，在一般的生物工业中，生物有机体在生 物反应器中生长、繁殖， 其所需的营养成分, 如葡萄糖(碳 源)、蛋白质(氮源)、空气(氧)及其它必要的添加剂 (前体)等，经适当处理和严格消毒后根据需要加入生物反 应器中。生物有机体的生长环境，如温度，氧含量，PH值， 经热交换、氧气含量控制、酸碱滴入等手段维持，以使生物 体始终处在良好的生长状态。生物有机体在生物反应器中合 成产品和其他代谢产物，经过一系列的分离过程后，得到最 终产品。

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图3-1 生物工业一般过程

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3.1.2 生物反应器的类型生物反应器有很多种，按照不同的分类角度可以分为 各种类型，如表3-1所示。 柱塞流反应器(plug flow)指流体在反应器内从进口 流到出口，中间没有返混，一些固定化细胞培养反应器、 膜反应器及管式反应器等属于这种情况。 全混流反应器(backmix)指流体在反应器内经过了充 分混合，搅拌罐式反应器是一种典型的全混流反应器。

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表3-1 生物反应器的分类柱塞流反应器 全混流反应器

按照反应器内流型

理想反应器 非理想反应器 间歇反应器

按照操作方式

连续式反应器 半连续式反应器 罐式反应器

按照结构特征

管式反应器 塔式反应器 膜反应器

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表3-1(续) 生物反应器的分类均相反应器

按照反应器内相态

非均相反应器微生物反应器 植物细胞反应器 动物细胞反应器

按照生物反应器 内有机体种类

酶反应器机械搅拌混合反应器 按照反应器内 气液混合方式 泵循环混合反应器 直接通气混合反应器

连续气相反应器按照是否通氧 通风发酵设备 嫌气发酵设备

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罐式反应器高径比在1:3之间，管式反应器高径比一般 大于3

0, 塔式反应器高径比通常大于10。膜式反应器使用 各种膜作为反应器内部关键组件，有时膜起分离作用，有时 膜起固定化细胞和酶的作用。 均相反应器指反应器内只有一相，如均相酶反应器，酶 作为催化剂溶解在反应液中，形成单一的液相。非均相反应 器内反应物质有两相以上，比如，一般的生物反应器内有固 相(生物体)、液相(培养液)、气相(空气),固定床和 流化床也属于典型的非均相反应器。

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对于需氧生物培养来说，空气和培养液如何混合接触是一个非常重要的因素。目前常用的混合方式有四种，如图32 所示。机械搅拌混合是靠搅拌器的作用将通入培养液内的

空气分成大量小气泡，使其与液体充分混合接触。泵循环反应器依靠一个外置液体循环泵，将液体从反应器出口打回到 入口，实现液体的循环并与空气进行充分接触。直接通气混

合是将空气通过罐底气体分布器直接通入，实现气液混合接触。

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1—搅拌混合； 2—泵循环混合；

3—直接通气混合；4—连续气相接触

图3-2 生物反应器中4种不同的 气液接触方式，图中的箭头表示 气体流向

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3.1.3 生物反应器的发展趋势生物反应器的研究、开发和设计是生物技术的一个重要 内容，一种好的生物反应器出现往往能够大规模降低生产成 本，成为生物制品成功商业化的关键。因此，生物反应器的 开发一直很活跃，尤其是最近的细胞生物反应器开发更是如 此。生物反应器的发展趋势可归纳为以下几个方面。

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1.微生物反应器朝着大型化发展。由于微生物可以悬浮

培养，对搅拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型反应器内生长。目前，生产抗生素的发酵罐 容积已达到400立方米，氨基酸的达到300立方米，单细胞蛋 白(SCP)的达到2600立方米，用微生物处理废水的生物反应 器甚至高达27000立方米。显然，反应器的增大有利于降低生 产成本。我国生物反应器的容积在200立 …… 此处隐藏：542字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……