生物反应器的原理及类型

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1、第六章生物反应器原理和类型生物技术是生物化学、微生物学以及工程科学的综合，目的是对生物有机体的所有能力进行工业应用。这些有机体包括微生物，体外培养状态下的生物组织细胞及其部分酶。简言之，生物技术是对生物物质有控制的应用。大规模培养生物有机体是生物技术的核心。生物反应器（Bioreactor）定义：是人们对生物有机体进行有控制的培养以生产某种产品或进行特定的反应的容器。生物反应器这一术语出现的时间并不长，但人们利用生物反应器进行有用物质的生产却有着悠久的历史。古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化成乳酪。这是传统的乳酪生产方法

2、，而牛胃便是原始状态的生物反应器。活性物质是凝乳酶，它催化牛奶中的蛋白质的限制性水解，促使凝聚为乳酪发酵罐（Fermenter）（无氧发酵容器）有氧发酵、对生物在反应器内的培养过程也常称为发酵过程。20世纪70年代厌氧发酵罐生化反应器（biochemicalreactor）有氧发酵罐生物学反应器（biologicalreactor）酶反应器等废水生物处理反应器20世纪80年代生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一个标准名称传统发酵罐酶反应器等固定化酶和细胞反应器动植物细胞培养反应器一般生化反应过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定

3、化）生物反应器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，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。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。第一节生物反应器原理质量传递剪切力培养液的流变学性质生物反应器的混合一、生物反应器中的质量传递质量传递是物理过程，但当反应器中存在多相时，反应速率不但与化学因素

4、有关而且与物理因素也有关。质量传递与化学因素交织在一起，极大地影响着生物反应器内的实际反应速率。生物反应器内质量传递主要为气-液传递和液-固传递。气-液传递主要是好氧发酵过程中的氧传递以及二氧化碳的释放，而液-固传递主要发生于反应系统中含固定化酶、固定化细胞、生物膜、絮凝细胞的过程。混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度区域方向迁移的过程.与动量传递、热量传递并列为三种传递过程。质量传递可以在一相内进行，也可能在相际进行。1、气液传质生物反应器中的气液传质包括好氧发酵中气体主流中的氧到液相主流的传递以及厌氧生物反应中甲烷和二氧化碳的排

5、除等。大多数微生物发酵过程为好氧的，而且氧在水溶液中的溶解度很低，要维持发酵中正常的氧代谢必须在过程中始终保持氧从气相到液相的传递。氧的传递在许多好氧发酵中是限制性步骤。2、液固传质当生物反应体系中存在固相时，反应速率受液固传质过程的影响，与游离状态的反应速率是不同的，限制性传质步骤往往不是气液传质而是液固传质。过程：（1）反应底物从液相主体通过颗粒周围的液膜扩散到达颗粒表面；（2）从颗粒表面通过颗粒内的微孔扩散到达颗粒内表面上的酶活位或细胞表面；（3）底物在酶活位上进行反应或被细胞消耗生成产物；（4）产物从颗粒内部通过微孔扩散到颗粒

6、表面；（5）从颗粒表面通过液膜扩散到液相主体。二、培养液流变学性质黏度对不同过程的影响发酵液的流变学性质直接影响生物反应器的整体混合行为，各种传质过程和热传递；进而影响微生物反应的周期和产出，影响传感器的响应和可靠性，对产品的分离纯化也起着很大作用。流变学性质也能敏感地指示发酵状态，可用于过程检测和控制。一般接种前的培养基的流变学性质类似于水，随着发酵的进行，其性质会变得很复杂，而且常是对发酵过程不利的，这种变化是由生物体的增加和大分子产物的积累造成的。流变学性质通过影响流体的流动特性而影响传质和传热，从而影响生物化学反应和细胞的新陈

7、代谢，即反应器生态系统中的流变学影响甚至决定其内部的生物反应动力学。液体在外加剪切力作用下所产生的流变特性。1、流体的流变学分类流变学常用黏度（对流动的抗性）、流动行为（黏度和剪切率的关系）和屈服应力（产生静液流需要的力）等术语来表述。液体流变性通常根据下式进行分类：τ=τ0+k（γ）n（幂定律方程）τ所施的剪切力，γ产生的剪切率，τ0屈服应力，k是幂定律常数或黏度系数，n为幂定律指数或流动特性指数牛顿型流体：符合牛顿黏性定律的流体当n=1，τ0=0τ=μγ（牛顿黏性定律）非牛顿型流体（τ与γ之比不是常数）根据其比值不同又可分为以下

8、几类：A、宾汉（Bingham）塑性流体τ=τ0+μγ（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液B、拟塑性（Pseudoplastic）流体τ=k（γ）n0