24生物反应器及其操作特性 241生物反应器 利用生物催化剂进行生物技术产品 生产的反应装置称为生物反应器 生物反应器具有中心作用它是连接 原料和产物的桥梁,也是多种学科的交 叉点。生物反应器的设计和操作,在生 物工程中是一重要问题,它对产品的成 本和质量有着很大影响
24 生物反应器及其操作特性 24.1 生物反应器 利用生物催化剂进行生物技术产品 生产的反应装置称为生物反应器 生物反应器具有中心作用,它是连接 原料和产物的桥梁，也是多种学科的交 叉点。生物反应器的设计和操作，在生 物工程中是一重要问题，它对产品的成 本和质量有着很大影响
241.1生物反应器设计的目标 生物反应设计的主要目标是使 产品的质量高,成本低操作状态 最佳化
24.1.1 生物反应器设计的目标 生物反应器设计的主要目标是使 产品的质量高，成本低----操作状态 最佳化
生物反应器设计的主要内容包括: 1反应器选型即根据生产工艺特征,反应 特性及物料特性等因素确定反应器的操 作方式,结构类型,能量传递和流体流 动方式等; 2设计反应器的结构确定各种结构参数即 确定反应器的内部结构及几何尺寸,搅 拌器飛式,大小及转速换热面积等 3确定工艺参数及其控制方式工艺参数有 温度、压力、pH值、通气量、底物浓度 物料流量等
生物反应器设计的主要内容包括: 1.反应器选型 即根据生产工艺特征，反应 特性及物料特性等因素确定反应器的操 作方式，结构类型，能量传递和流体流 动方式等; 2.设计反应器的结构,确定各种结构参数 即 确定反应器的内部结构及几何尺寸，搅 拌器形式，大小及转速,换热面积等; 3.确定工艺参数及其控制方式 工艺参数有 温度、压力、pH值、通气量、底物浓度、 物料流量等
在设计生物反应器时除考虑与一般 的化学反应器相同的问题外,还应注意 以下一些特殊的情况: 1很多酶催化反应的底物是胶状物,还有 一些进行生化反应的细胞可能增长成絮 状物,他们都容易使反应器堵塞或压降 变得很大,对于这类情况可考虑采用流 化床反应器;
在设计生物反应器时,除考虑与一般 的化学反应器相同的问题外，还应注意 以下一些特殊的情况: 1.很多酶催化反应的底物是胶状物，还有 一些进行生化反应的细胞可能增长成絮 状物，他们都容易使反应器堵塞或压降 变得很大，对于这类情况可考虑采用流 化床反应器;
2对于采用固定床酶的反应器应尽量减少 对固体产生切变应力以减少固定化酶粉 碎,故搅拌器的转速不能过高可以把酶 直接固定在搅拌器上或者把固定化酶的 颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中; 3.微生物和酶都容易受到杂菌污染,因此, 防止染菌是反应器设计时必须考虑的 个重要问题,例如,要尽量少用法兰多 采用焊接连接、反应器的接口用蒸汽封 口(例如,取样口即使在不取样时也一直 通蒸汽)、反应器内保持一定正压避免大 气漏入等
2.对于采用固定床酶的反应器应尽量减少 对固体产生切变应力,以减少固定化酶粉 碎，故搅拌器的转速不能过高,可以把酶 直接固定在搅拌器上或者把固定化酶的 颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中； 3.微生物和酶都容易受到杂菌污染，因此， 防止染菌是反应器设计时必须考虑的一 个重要问题，例如，要尽量少用法兰,多 采用焊接连接、反应器的接口用蒸汽封 口(例如，取样口即使在不取样时也一直 通蒸汽)、反应器内保持一定正压,避免大 气漏入等
2412生物反应器设计和操作的限制因素 在生物催化剂浓度较低或比活力也 较低时,生物催化剂的因素是生物反应器 生产能力的限制因素。 在生物催化剂的浓度较高且比活力 也较高时,反应器的操作因素却成为限制 因素这些操作因素主要是传质和传热方 面的向题
24.1.2 生物反应器设计和操作的限制因素 在生物催化剂浓度较低或比活力也 较低时,生物催化剂的因素是生物反应器 生产能力的限制因素。 在生物催化剂的浓度较高且比活力 也较高时,反应器的操作因素却成为限制 因素.这些操作因素主要是传质和传热方 面的问题
传质问题在底物不溶的过程中是显 而易见的而在高耗氧的生物反应过程中 则非常突出。人们设计了许多生物反应 器结构,以提高传质效率 生物反应通常在常温下进行,多数 在20℃~65℃之间。结果移出热量发生 困难,这在大型反应器中更加突出产 生的热量随反应器体积线性增加,可是 几何放大中表面积与体积之比却依2/3次 幂增加
传质问题在底物不溶的过程中是显 而易见的,而在高耗氧的生物反应过程中 则非常突出。人们设计了许多生物反应 器结构,以提高传质效率. 生物反应通常在常温下进行，多数 在20℃ ~65℃之间。结果,移出热量发生 困难，这在大型反应器中更加突出。产 生的热量随反应器体积线性增加，可是 几何放大中表面积与体积之比却依2/3次 幂增加
2413生物反应开发的趋势和未来方向 1开发活性高、选择性好及寿命长的生物 催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术, 实现生物细胞的定向改造,以及改进酶 和细胞的固定化技术 2改进生物反应器的传质、传热的方法
24.1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向 1.开发活性高、选择性好及寿命长的生物 催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术, 实现生物细胞的定向改造，以及改进酶 和细胞的固定化技术 2.改进生物反应器的传质、传热的方法
3生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放 大降低了操作成本,自动化检测和控制系统控制使 反应器使反应器在最佳条件下操作成为可能 4特殊要求的新型生物反应器的研制开发如基因产品 生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器, 固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研 制已获得广泛重视 5降低设备投备方面,对连续过程更加重视。连续生物 反应器的主要问题是产物浓度低随着生物催化剂比 活力的提高,这个问题将得到弥补。为了克服发酵 中的这个限制,固定化细胞系统提供了一种达到高 生产能力、高产品浓度的方法
3.生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放 大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使 反应器使反应器在最佳条件下操作成为可能 4.特殊要求的新型生物反应器的研制开发 如基因产品 生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器, 固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研 制已获得广泛重视 5.降低设备投备方面，对连续过程更加重视。连续生物 反应器的主要问题是产物浓度低.随着生物催化剂比 活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发酵 中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高 生产能力、高产品浓度的方法
25灭菌( sterilization) 1由于杂菌的污染,使生物反应的基质或产 物因杂菌消耗而损失,造成生产能力下降; 2由于杂菌所产生的一些代谢产物,或发酵 液在染菌后改变了某些理化性质,使产物 的提取变得困难,造成收得率降低或使产 品质量下降; 3污染的杂菌大量繁殖会改变反应介质的pH 值,从而使生物反应异常变化; 4发生噬菌体污染,使生产菌细胞裂解,导 致生产失败
25 灭菌(sterilization) 1.由于杂菌的污染，使生物反应的基质或产 物因杂菌消耗而损失，造成生产能力下降; 2.由于杂菌所产生的一些代谢产物，或发酵 液在染菌后改变了某些理化性质，使产物 的提取变得困难，造成收得率降低或使产 品质量下降; 3.污染的杂菌大量繁殖,会改变反应介质的pH 值,从而使生物反应异常变化； 4.发生噬菌体污染，使生产菌细胞裂解，导 致生产失败