生物工程设备 教学课件 作者 高平 刘书志 主编第三章 生物反应器总论.ppt

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1、生物工程设备第三章生物反应器总论生物反应器总论3.1生物反应器概述3.2生物反应动力学基础3.3生物反应器的通风和溶氧传质3.4一般生物反应器的操作和注意事项3.1生物反应器概述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。3.

2、1生物反应器概述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。3.1生物反应器概述图3-1生物工业一般过程3.1生物反应器概述3.1.2生物反应器的类型生物反应器有

3、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（plugflow）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。3.1生物反应器概述表3-1生物反应器的分类按照反应器内流型理想反应器柱塞流反应器全混流反应器非理想反应器按照操作方式间歇反应器连续式反应器半连续式反应器按照结构特征罐式反应器管式反应器塔式反应器膜反应器3.1生物反应器概述表3-1(续)生物反应器的分类按照反应器内相态均

4、相反应器非均相反应器按照生物反应器内有机体种类微生物反应器植物细胞反应器动物细胞反应器酶反应器按照反应器内气液混合方式机械搅拌混合反应器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3.1生物反应器概述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30，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

5、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。3.1生物反应器概述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3-2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。3.1生物反应器概述图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1—搅拌混合；2—

6、泵循环混合；3—直接通气混合；4—连续气相接触3.1生物反应器概述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。3.1生物反应器概述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

7、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立方米以下。3.1生物反应器概述2．动植物细胞培养反应器得到较大发展。由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物制品，如干扰物，单克隆抗体等，细胞培养反应器的开发越来越受到重视。3．大量使用现代计算机技术进行生物反应器的设计和开发。首先，对反应器内的生物反应过程建立数学模型，获得能够反应生物过程规律的较精确的表达式，然后将该模型应用于反应器的设计和自动控制中，从而优化反应器的结构和操作。3.1生