生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)課件

1、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),1,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),2,第一章 生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和類型,一. 生物反應(yīng)器的基本工程概念 (一) 生物反應(yīng)器類型 生物反應(yīng)器：利用生物催化劑進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn) 的反應(yīng)裝置。 分類方法： 1. 按操作方式：間歇式（分批式），連續(xù)式，半連續(xù)式 2. 按幾何構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特征： 罐式(高徑比13)， 管式(長(zhǎng)徑比30) ， 塔式(豎立高徑比10)， 膜式（內(nèi)有膜件）. 3. 按反應(yīng)器所需能量的輸入方式： 機(jī)械攪拌式，氣升式，環(huán)流式,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),3,4. 按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式： 生物團(tuán)塊反應(yīng)器，生物膜反應(yīng)器。 5. 按固相催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 填充床，

2、流化床，生物轉(zhuǎn)盤等 6. 按反應(yīng)體系的相態(tài)： 均相，非均相(固定床, 流化床) 7. 按流體流動(dòng)狀態(tài)： 理想反應(yīng)器，非理想反應(yīng)器 8. 按催化劑類型： 微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐），酶反應(yīng)器 9. 按培養(yǎng)對(duì)象： 微生物細(xì)胞反應(yīng)器，植物細(xì)胞反應(yīng)器，動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),4,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),5,間歇操作 特征： 反應(yīng)物料一次加入一次卸出； 反應(yīng)器物系的組成僅隨時(shí)間而變化，即底物濃度和產(chǎn) 物濃度及細(xì)胞濃度只隨反應(yīng)時(shí)間而變化。 因此它是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程。 適合于：多品種，小批量，反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)過程,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),6,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),7,連續(xù)反應(yīng)器 特點(diǎn)： 原料連續(xù)輸入反應(yīng)器，產(chǎn)物則連續(xù)

3、從反應(yīng)器中流出。 反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間而變。 因而屬于穩(wěn)態(tài)操作。 優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：易發(fā)生雜菌污染；操作時(shí)間過長(zhǎng)；細(xì)胞易退化變異,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),8,半連續(xù)反應(yīng)器 特點(diǎn)： 原料與產(chǎn)物只有其中一種是連續(xù)輸入或輸出， 而其余則是分批加入或輸出。 優(yōu)點(diǎn)： 可減緩底物對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用； 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)； 既可以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，也有利于下游加工過程。 （對(duì)細(xì)胞反應(yīng)，又稱分批補(bǔ)料培養(yǎng)或流加操作技術(shù)。,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),9,二) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)內(nèi)容 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則： 操作狀態(tài)最佳化。 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 1. 反應(yīng)器選型： 操

4、作方式，結(jié)構(gòu)類型，能量傳遞和流體流動(dòng)方式等。 2. 設(shè)計(jì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算所需反應(yīng)器體積，確定各種結(jié)構(gòu) 參數(shù)：反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，攪拌器形式、 大小及轉(zhuǎn)速，換熱方式及換熱面積等。 3. 確定最佳操作條件及其控制方式： 溫度，壓力，pH值，通氣量，底物濃度，物料流量等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),10,與一般化學(xué)反應(yīng)器的不同之處： 1. 防止反應(yīng)器的堵塞 2. 控制攪拌器的轉(zhuǎn)速 3. 避免染菌,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),11,三) 生物反應(yīng)器的開發(fā)趨勢(shì) 1. 開發(fā)活性高、選擇性好及壽命長(zhǎng)的生物催化劑； 2. 建立描述生化反應(yīng)過程的各種數(shù)學(xué)模型； 3. 大型化生物反應(yīng)器的開發(fā)研究； 4. 特殊要求的新型生物

5、反應(yīng)器的研制開發(fā),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),12,四) 研究生物反應(yīng)器的目的 1. 確定該生物產(chǎn)品達(dá)到一定的產(chǎn)量需要多大的生物反應(yīng)器， 什么結(jié)構(gòu)更好。 2. 結(jié)合細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過程動(dòng)力學(xué)對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化， 為生物加工過程提供最佳環(huán)境條件，并解決放大技術(shù),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),13,二. 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ) (一)生物反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程 反應(yīng)物系的組成及操作參數(shù)反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化速率 反應(yīng)器體積 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程有三類： 物料衡算式：描述濃度變化（依據(jù)質(zhì)量守恒定律） 能量衡算式：描述溫度變化（依據(jù)能量守恒定律） 動(dòng)量衡算式：描述壓力變化（依據(jù)動(dòng)量守恒定律,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),14,變量： 因變量：

6、 反應(yīng)組分的濃度或轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)物系的壓力或溫度。 自變量：時(shí)間或空間自變量。定態(tài)過程只需考慮空間自 變量，而非定態(tài)過程則兩種自變量都要考慮。 控制體積： 是指建立衡算式的空間范圍，其選擇原則是以能把 反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。 可取整個(gè)反應(yīng)區(qū)體積作為控制體積，也可取一微元體 作為控制體積。 微元體： 指一微分體積，它可以反映出可能發(fā)生的全部過程和 現(xiàn)象。它的體積最大應(yīng)以在微元體內(nèi)各處參數(shù)均勻?yàn)橄?生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),15,1. 物料衡算式 衡算的組分：可選底物，產(chǎn)物，或細(xì)胞做衡算； 衡算的時(shí)間基準(zhǔn)：可取某一段時(shí)間或取某一瞬時(shí)的微分時(shí)間； 衡算的空間范圍：可對(duì)一微元體積或?qū)φ麄€(gè)反

7、應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行衡算。 對(duì)反應(yīng)物做物料衡算： 組分進(jìn)入該體積單元的量 =組分流出該體積單元的量 +體積單元內(nèi)組分轉(zhuǎn)化的量 +體積單元內(nèi)組分累積量,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),16,對(duì)產(chǎn)物做物料衡算： 組分進(jìn)入該體積單元的量 =組分流出該體積單元的量 體積單元內(nèi)組分生成量 +體積單元內(nèi)組分累積量 對(duì)細(xì)胞做物料衡算： 細(xì)胞進(jìn)入該體積單元的量 =細(xì)胞流出該體積單元的量+體積單元內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)量 +體積單元內(nèi)細(xì)胞死亡量+體積單元內(nèi)細(xì)胞累積量,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),17,2. 能量衡算式 一般只作熱量衡算，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)： 單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量=單位時(shí)間內(nèi)輸出的熱量 +單位時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)熱 +單位時(shí)間內(nèi)累積的熱量 若為放熱反

8、應(yīng)，則等號(hào)右邊的第二項(xiàng)取負(fù)號(hào)； 若為吸熱反應(yīng)則取正號(hào),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),18,3. 動(dòng)量衡算式 生物反應(yīng)器一般可做恒壓處理，因此動(dòng)量衡算式可略去。 總之，上述基本衡算式均符合下列模式： 輸入 = 輸出 + 消耗 + 累積 在定態(tài)下，即所有狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間變化上時(shí)，累 積項(xiàng)均為零,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),19,二) 生物反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合 1. 基本概念： 粒子的年齡： 物料粒子(分子或其凝聚體)進(jìn)入反應(yīng)器后所經(jīng)歷的時(shí)間。 停留時(shí)間：粒子離開反應(yīng)器時(shí)的年齡。 返混：反應(yīng)器內(nèi)不同年齡的粒子間的混合(對(duì)連續(xù)流而言)。 產(chǎn)生返混的原因： 反應(yīng)器內(nèi)的死角區(qū)， 溝流或短路， 流體在管內(nèi)速度分布不均（管式

9、反應(yīng)器）， 劇烈攪動(dòng)（釜式反應(yīng)器）等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),20,2. 流動(dòng)狀況： 理想流動(dòng)模型：平推流模型無(wú)返混 全混流模型全返混 非理想流動(dòng)模型： 軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型等， 介于無(wú)返混和全返混之間,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),21,三) 平推流管式反應(yīng)器的計(jì)算 1. 基本概念： 平推流：又稱活塞流，是指在與流體流動(dòng)方向垂直的截 面上，各粒子的流速和流向完全相同。 平推流反應(yīng)器：反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)形式為平推流，如 均相管式反應(yīng)器，長(zhǎng)徑比大且流速高的 固定床反應(yīng)器。Plug Flow Reactor, 簡(jiǎn)寫為PFR) 特征： 所有物料粒子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間完全相同，不存 在返混。 在同一截面上物料組

10、成不隨時(shí)間變化，但隨物料流動(dòng) 方向而改變,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),22,2. 計(jì)算： 取反應(yīng)器中某一微元體積dV作物料衡算： 進(jìn)入量 排出量 = 反應(yīng)量 + 積累量 F csF (cs +dcs) = v dV + 0 即： -F dcs = v dV 對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言： (平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程) v：反應(yīng)速度，mol/(L . min)； cs：底物濃度, mol/L； V：反應(yīng)器有效體積，L； F：物料流量, L/min； ：物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，min,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),23,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),24,四) 全混流罐式反應(yīng)器的計(jì)算 1. 全混流模型的特征： 進(jìn)入反應(yīng)器的新物料與反應(yīng)器內(nèi)原有

11、物料能夠在瞬間 達(dá)到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均勻一致，并與出口濃 度相同；物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間各不相同，達(dá)最大返混。 與之相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器： 連續(xù)罐式反應(yīng)器。 (Continuous Stirred Tank Reactor, 簡(jiǎn)寫為 CSTR,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),25,2. 計(jì)算： 對(duì)穩(wěn)態(tài)下的全混流反應(yīng)器作物料衡算： 進(jìn)入量 排出量 = 反應(yīng)量 + 積累量 Fcs0 Fcs = vV+0 即： （全混流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程式） 對(duì)于酶催化反應(yīng)：將米氏方程代入 對(duì)微生物反應(yīng)器：將Monod方程代入,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),26,三. 微生物細(xì)胞反應(yīng)器 微生物細(xì)胞反應(yīng)器： 為微生物提供

12、一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，使之快速繁殖并 且產(chǎn)生有用的物質(zhì)或?qū)δ撤N物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以達(dá)到提供某 種產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的目的。 微生物反應(yīng)器應(yīng)具備的必要條件： 盡量避免雜菌污染； 反應(yīng)器內(nèi)盡量減少死角； 所有的閥件和配管部分應(yīng)能夠進(jìn)行蒸汽殺菌； 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易清掃； 罐體各部件要有一定的強(qiáng)度，以承受一定的壓力,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),27,發(fā)酵過程中的幾個(gè)特殊問題： 要為系統(tǒng)供應(yīng)充足的氧氣； 剪應(yīng)力的敏感性； 發(fā)酵液的流變特性； 絮凝作用； 雜菌污染； 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)與控制，與其他化學(xué)過程相比， 要困難得多,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),28,發(fā)酵設(shè)備的分類： 按對(duì)氧的要求分類： 好氧發(fā)酵罐， 厭氧發(fā)酵罐 按產(chǎn)生

13、攪拌的動(dòng)力分類： 機(jī)械攪拌式， 氣流攪拌式,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),29,罐 式 發(fā) 酵 器 (一) 機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐 工業(yè)上最常用的一種微生物反應(yīng)器，既有機(jī)械攪拌 又有壓縮空氣分布裝置。 1. 攪拌器 主要功能： 打碎空氣氣泡，增加氣液接觸面積，以提高氣液間的 傳質(zhì)速率； 使發(fā)酵液充分混合； 使液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)； 促進(jìn)發(fā)酵熱的散失,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),30,類型：渦輪式，螺旋漿式和平漿式。 大多采用渦輪式攪拌器，宜用不銹鋼制成。 在相同是攪拌功率 下粉碎氣泡的能力： 平葉式彎葉式 箭葉式,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),31,尺寸： 攪拌器直徑與罐徑之比可在1/3-1/2之間。 可根據(jù)發(fā)酵罐的容積

14、，在同一個(gè)攪拌軸上配置多 個(gè)攪拌器。 葉片數(shù)目：4葉，6葉，8葉，以6葉居多。 在H/D不大時(shí)，攪拌器通常使用單漿； 若H/D較大，需采用多漿裝置。 各漿間距為(1-2.5)d（d:漿葉外徑）， 最底部漿與罐底間距為(0.8-1)D（D: 罐內(nèi)徑）。 位置： 上伸軸，下伸軸,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),32,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),33,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),34,2. 擋板 主要功能： 使沿壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體折向軸心， 消除攪拌時(shí)形成的旋渦。 尺寸： 擋板的寬度通常為罐內(nèi)徑的1/8-1/12。 位置： 在器壁設(shè)有幾塊垂直擋板。一般安裝4-6塊,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),35,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),36,3. 換熱裝置 主要功

15、能： 將發(fā)酵過程中生物氧化產(chǎn)生的熱量和機(jī)械攪拌產(chǎn)生 的熱量及時(shí)移去，以保證發(fā)酵的正常進(jìn)行。 Q發(fā)酵 = Q生物 + Q攪拌 Q空氣 - Q輻射 Q生物：生物氧化產(chǎn)生的熱量； Q攪拌 ：攪拌器攪動(dòng)液體時(shí)產(chǎn)生的熱量； Q空氣：通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣由于發(fā)酵液中水分蒸發(fā)及空氣 溫升所帶走的熱量； Q輻射：由于罐外壁壁溫與大氣溫差而引起的熱量傳遞,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),37,類型： 夾套換熱器：一般小型發(fā)酵罐多采用（容積為5 m3以下）； 蛇管換熱器：大中型發(fā)酵罐多采用（容積為5 m3以上,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),38,4. 消沫裝置 主要功能：將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫破碎。 類型： 耙式消泡漿，裝于攪拌軸上，齒面略

16、高于液面。 也可加消泡劑。 機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)： 操作彈性大，pH值和溫度易于控制； 有較規(guī)范的工業(yè)放大方法； 適合連續(xù)培養(yǎng)。 對(duì)黏度高，需氧量大且呈非牛頓流動(dòng)特性的培養(yǎng)液發(fā) 酵過程更為適用,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),39,缺點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)功率大； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于徹底清洗，易造成污染； 在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用， 細(xì)胞易受損傷,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),40,二) 自吸式發(fā)酵罐 特點(diǎn)：不需要空氣壓縮機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，而是利用攪拌器 旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。 攪拌器：空心葉輪，其快速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，在葉輪中 心形成負(fù)壓，從而將罐外空氣吸到罐內(nèi),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),41,優(yōu)點(diǎn)： 利用機(jī)械攪拌

17、的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi)，達(dá) 到既通風(fēng)又?jǐn)嚢璧哪康模瑥亩∪チ藟嚎s機(jī)。 缺點(diǎn)： 進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加了染菌機(jī)會(huì)，對(duì)大多數(shù)無(wú)菌要 求較高的發(fā)酵生產(chǎn)是不適宜的； 攪拌轉(zhuǎn)速很高，有可能使菌絲被攪拌器切斷，影響其正 常生長(zhǎng),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),42,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),43,塔 式 反 應(yīng) 器 （一種高徑比較大的非機(jī)械式的生物反應(yīng)器） 主要優(yōu)點(diǎn)： 省去了軸封，從根本上排除了因軸封而造成的染菌； 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 功率消耗?。?減少了剪切作用對(duì)細(xì)胞的損害； 溶氧速率高,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),44,結(jié)構(gòu)原理： 塔身為圓柱形，空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)數(shù)次分裂與聚集， 一方面延長(zhǎng)了空氣與培養(yǎng)液的接觸時(shí)間，另一方面不斷

18、 形成新的氣液界面，減小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 類型： 最有代表性的是鼓泡式發(fā)酵罐和氣升式反應(yīng)器,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),45,三) 鼓泡式發(fā)酵罐 又稱空氣攪拌高位反應(yīng)器，通常有多層篩板。 原理：無(wú)須機(jī)械攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升 時(shí)的動(dòng)力帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，達(dá)到混合效果。 特點(diǎn)：高徑比較大，一般在6:1-10:1之間，空氣進(jìn)入培養(yǎng)液 后有較長(zhǎng)的停留時(shí)間。 多孔篩板的作用：阻截氣泡，既延長(zhǎng)氣體的停留時(shí)間，又 使空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)多次聚并與分散,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),46,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),47,優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 造價(jià)較低， 動(dòng)力消耗少， 操作成本低且噪聲小， 避免了機(jī)械攪拌反應(yīng)器中軸封不

19、嚴(yán)密造成的雜菌污染。 缺點(diǎn)： 塔體高度大，需要在室外安裝； 需要壓力較高的壓縮空氣以克服罐內(nèi)液體靜壓力。 較適于培養(yǎng)液黏度低、含固量少、需氧量較低的發(fā)酵 過程,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),48,四) 環(huán)流式發(fā)酵罐 1. 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不設(shè)機(jī)械攪拌裝置，但在罐外設(shè)體外循環(huán)管， 或在罐內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒或垂直隔板。 原理：通入空氣的一側(cè)，液體因其平均密度下降而上升， 不通氣的一側(cè)則因液體密度較大而下降，因而在 反應(yīng)器內(nèi)形成液體的環(huán)流，大大強(qiáng)化了氧的傳遞。 優(yōu)點(diǎn)：液體中剪切力低，能耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了機(jī) 械攪拌反應(yīng)器中軸封不嚴(yán)所帶來(lái)的雜菌污染問題。 不適用于：高黏度或含大量固體的培養(yǎng)液,生物反應(yīng)器的設(shè)

20、計(jì),49,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),50,2. 噴射環(huán)流式發(fā)酵罐 原理：用機(jī)械泵噴嘴引射壓縮空氣，在噴嘴出口處形成強(qiáng) 的剪切力場(chǎng)，將射入的空氣在液相中分散為小氣泡。 在反應(yīng)器內(nèi)重新聚并起來(lái)的大氣泡，通過環(huán)流得以 再度分散，從而加快傳質(zhì)速率。 優(yōu)點(diǎn)：與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐相比，在同樣的能耗下，噴射 環(huán)流式發(fā)酵罐的氧傳遞速率要高得多。 (五) 連續(xù)管道發(fā)酵器 所用管道可以是直管也可以是蛇管。 主要用于厭氧發(fā)酵,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),51,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),52,六) 基因工程菌發(fā)酵罐 1. 基因工程菌：通過基因操作得到的DNA重組微生物。 2. 需特別注意的問題：發(fā)酵罐內(nèi)微生物的泄漏。 3. 造成泄漏的原因： 排

21、氣：需經(jīng)加熱滅菌或經(jīng)微孔過濾器除菌后才能排放。 軸封泄漏：90升以下的發(fā)酵罐，可采用磁力攪拌；較大 的發(fā)酵罐應(yīng)采用雙端面密封。 取樣：取樣后用蒸汽將有關(guān)管道滅菌，沖出的污物經(jīng)專 門的管道收集到污物貯罐，最后統(tǒng)一滅菌處理。 接種和放料,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),53,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),54,四. 酶反應(yīng)器 以酶為催化劑進(jìn)行生物催化反應(yīng)的裝置稱為酶反應(yīng)器， 催化劑可以是溶液酶，也可以是固定化酶,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),55,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),56,游離酶： 反應(yīng)結(jié)束后催化劑很難回收，但可獲得較高的產(chǎn)物收率。 固定化酶： 酶易于回收重復(fù)使用。 （一）間歇式酶反應(yīng)器 通常為帶有攪拌器的罐式反應(yīng)器， 設(shè)置有夾套或盤管

22、以便加熱或冷卻罐 內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。 主要用于游離酶反應(yīng)，一般并不回收游離酶。固定化 酶很少使用在間歇反應(yīng)器中,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),57,二）連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器（CSTR） 結(jié)構(gòu)：與間歇罐式反應(yīng)器基本相同。 特點(diǎn)： 連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料； 罐內(nèi)各點(diǎn)濃度均勻一致， 且等于流出液濃度； 易于控制溫度和pH值； 能處理膠態(tài)和不溶性底物。 優(yōu)點(diǎn)： 造價(jià)低，裝置比較簡(jiǎn)單； 反應(yīng)能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； 傳質(zhì)的阻力也可降到最低限度,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),58,缺點(diǎn)： 攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，常會(huì)引起固定化酶的破壞。 改良措施： 將固定化酶固定在攪拌軸上，或放置在與攪拌軸一起 轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，既不損壞固定化酶，

23、又使酶不致流失。 為使反應(yīng)器內(nèi)酶濃度一定，可采取以下措施： 溶液中連續(xù)流加酶； 使用多孔膜使酶滯留于溶液中； 出口處用篩網(wǎng)罩??； 酶被固定在攪拌軸上的容器內(nèi)； 溶液快速循環(huán)通過固定化酶柱,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),59,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),60,三）固定床酶反應(yīng)器 特點(diǎn)： 當(dāng)原料通過固體催化劑床層時(shí)，催化劑顆粒靜止不動(dòng)。 固定化酶的形狀： 球形，碟形，薄片，小珠等。 流動(dòng)形態(tài)： 接近于平推流，可近似認(rèn)為是平推流反應(yīng)器。 沿柱的方向底物及產(chǎn)物的濃度是逐漸變化的， 但在同一橫切面上濃度是一致的,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),61,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),62,優(yōu)點(diǎn)： 單位反應(yīng)器容積的催化劑顆粒裝填密度高； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建造費(fèi)用

24、低； 適于容易磨損的固定化酶； 當(dāng)有產(chǎn)物抑制時(shí)，采用這種反應(yīng)器可獲得較高的產(chǎn)率。 但如果有底物抑制時(shí)，就不十分適合了。 缺點(diǎn)： 傳熱傳質(zhì)系數(shù)相對(duì)較低； 固定化酶顆粒大小會(huì)影響壓力降和內(nèi)擴(kuò)散阻力； 當(dāng)反應(yīng)液內(nèi)含有固體物料時(shí)不宜采用此反應(yīng)器，固體物 質(zhì)會(huì)引起床層堵塞,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),63,四）流化床酶反應(yīng)器 特點(diǎn)： 通過流體自下而上的流動(dòng)使反應(yīng)器內(nèi)裝填的固定化酶 顆粒在流體中保持懸浮狀態(tài)，即以流態(tài)化狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)： 流體與固體充分接觸， 混合程度高，傳熱傳質(zhì)性能良好； 可用于處理粘性大和含有固體顆 粒的底物，不易堵塞。 缺點(diǎn)： 不適合于有產(chǎn)物抑制的反應(yīng),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),64,五）膜式酶反

25、應(yīng)器 原理： 利用膜將分子量較大的酶及底物截留在酶反應(yīng) 器內(nèi)，從而達(dá)到酶的反復(fù)使用及與產(chǎn)物分離的目的。 膜的作用： 可使酶重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高的酶濃度； 可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以減少產(chǎn)物對(duì)反 應(yīng)的抑制作用，從而提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),65,膜的種類： 按孔徑從小到大依次分為： 反滲透膜(RO) 超濾膜(UF) 微濾膜(MF) 普通濾膜 根據(jù)膜的性質(zhì)不同分為： 固體膜反應(yīng)器 液體膜反應(yīng)器,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),66,1. 固體膜反應(yīng)器 適合于： 大分子或小分子底物轉(zhuǎn)化為小分子產(chǎn)物的酶反應(yīng)； 尤其適合于水解酶類的酶反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)： 底物可按需要定量地進(jìn)入反應(yīng)器，操作比

26、較方便； 酶可以游離的方式起作用，消除了因固定化而帶來(lái)的 酶活損失； 反應(yīng)器本身易于清潔和消毒，反應(yīng)條件易于控制； 膜的價(jià)格不太高,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),67,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),68,全混攪拌釜超濾膜反應(yīng)器： 酶處于水溶液狀態(tài)。利用超濾膜分離器使小分子的生 成物透過超濾膜的微孔而排出，而像酶這樣的大分子則被 截留在超濾膜表面上，同時(shí)利用泵的壓強(qiáng)將截留在膜表面 的大分子化合物壓回?cái)嚢韪匦率褂?生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),69,適用于：產(chǎn)物為小分子化合物的酶促反應(yīng)， 也可用于水不溶性底物和膠體狀底物。 優(yōu)點(diǎn)：效率高，可以在反應(yīng)的同時(shí)把生成的產(chǎn)物分離出來(lái)。 缺點(diǎn)：不容易得到能長(zhǎng)期穩(wěn)定操作的酶； 膜上吸附的酶容易

27、形成濃差極化，影響透過液的通量,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),70,2. 中空纖維膜反應(yīng)器 原理： 把酶結(jié)合于半透性的中空纖維上，這種半透膜只允 許底物和產(chǎn)物等小分子量物質(zhì)通過，而分子量較大的酶 則不能。 結(jié)構(gòu)： 內(nèi)層緊密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分 子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。 外層是多孔的海綿狀的支持層。 膜材料：纖維素衍生物，如：硝化纖維，醋酸纖維素； 聚酰胺，聚砜等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),71,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),72,優(yōu)點(diǎn)： 纖維膜的比表面積較大，管徑很小，并能能承受較大 的壓力； 傳質(zhì)阻力較小； 對(duì)海綿層進(jìn)行沖洗即可除去或更換酶； 含酶溶液被固封在海綿狀結(jié)構(gòu)層的孔隙中，酶在溶液 中是

28、自由的，消除了固定化酶技術(shù)中存在的對(duì)酶的位 阻現(xiàn)象和減活作用,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),73,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),74,3. 循環(huán)式膜反應(yīng)器 特點(diǎn)：反應(yīng)器與分離裝置是分開的。 生物催化劑在分離裝置中與反應(yīng)混合物分離，然 后再循環(huán)至反應(yīng)器中應(yīng)用。 類型：超濾膜酶反應(yīng)器，透析膜酶反應(yīng)器等。 應(yīng)用： 酶催化橄欖油水解， 葡萄糖發(fā)酵制乙醇， 發(fā)酵法制取丙酮和丁醇等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),75,綜合評(píng)述： 通常選擇反應(yīng)器時(shí)應(yīng)考慮如下因素： （1）固定化酶的形狀：顆粒，纖維，管或膜。 （2）底物性質(zhì)：可溶性的，顆粒的或膠態(tài)的。 （3）反應(yīng)過程：是否要求控制pH或供給氧氣和防止雜菌 污染等。 （4）酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。

29、（5）載體負(fù)荷能力，即偶聯(lián)酶量。 （6）固定化酶的穩(wěn)定性、更換及再生的難易,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),76,7）固定化酶表面積/反應(yīng)器體積的比值。 （8）物質(zhì)傳遞特性：內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散的影響。 （9）反應(yīng)器制造的難易。 （10）操作要求及反應(yīng)器的成本：包括制造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本。 （11）反應(yīng)器的管理難易。 （12）固定化酶的大小，機(jī)械強(qiáng)度和密度。 （13）生產(chǎn)的產(chǎn)量大小,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),77,五. 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的意義： 可以生產(chǎn)許多重要的，原先難以生產(chǎn)或無(wú)法生產(chǎn)的 生物產(chǎn)品。 動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)貴重藥物和特殊的酶； 植物細(xì)胞的培養(yǎng)有效的生物轉(zhuǎn)化，而獲得許多重要 的產(chǎn)品促進(jìn)植物遺傳工程的

30、發(fā)展,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),78,動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)與微生物培養(yǎng)的區(qū)別： 動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，對(duì)攪拌引起的流體剪切力十分敏感； 大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要貼壁生長(zhǎng)； 對(duì)培養(yǎng)基要求高，要求含有多種氨基酸，血清，維生素， 無(wú)機(jī)鹽等； 培養(yǎng)條件苛刻，對(duì)于溶氧濃度，pH值及溫度等都要求嚴(yán)格； 生長(zhǎng)比微生物慢得多，培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)； 易染菌，要嚴(yán)格防污染,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),79,一) 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 1.動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程的特征 生長(zhǎng)速率慢，易為微生物等污染，采取加入抗生素等措施； 細(xì)胞個(gè)體大且無(wú)壁，對(duì)環(huán)境敏感，應(yīng)解決供氧（攪拌與通 風(fēng)）與細(xì)胞脆弱的矛盾； 設(shè)備放大不能完全照搬微生物反應(yīng)過程的經(jīng)驗(yàn)； 反應(yīng)過程成本高，

31、但產(chǎn)物的價(jià)格更昂貴。 目前利用大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有四大類： 疫苗，干擾素，單克隆抗體，遺傳重組產(chǎn)品,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),80,2. 反應(yīng)器類型 動(dòng)物細(xì)胞按培養(yǎng)特性不同分為兩類： （1）非錨地依賴性細(xì)胞： 可采用懸浮培養(yǎng)法，反應(yīng)器與培養(yǎng)微生物者相類似。(主要是血液細(xì)胞，淋巴組織細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞) （2）錨地依賴性細(xì)胞： 必須貼附于固體或半固體物體表面才能培養(yǎng)，該類反 應(yīng)器必須提供巨大的表面積。(多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),81,動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器的主要類型： 多層平板式，多層圓盤式，螺旋轉(zhuǎn)膜式，多層托盤式， 卷帶式，中空纖維管，流化床式，微載體攪拌式， 通氣攪拌式,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),8

32、2,3. 培養(yǎng)條件 一般地，溫度為370.02 ，pH為70.05，通氣中 氧與二 氧化 碳的含量比為95:5； 動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，倍增時(shí)間為15100 h； 培養(yǎng)基及其復(fù)雜且昂貴,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),83,4. 培養(yǎng)方法 按其加料或出料方式可分為5種： （1）分批式操作： 將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性加入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì) 胞生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成，最后取出整個(gè)反應(yīng)系。 （2）流加式操作：新的營(yíng)養(yǎng)成分不斷補(bǔ)充加入,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),84,3）半連續(xù)式操作： 分批操作中取出部分反應(yīng)系，補(bǔ)充新的營(yíng)養(yǎng)成分， 但反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的總體積保持不變。 （4）連續(xù)式操作： 細(xì)胞種子和培養(yǎng)液一起加入， 反應(yīng)液不斷取出而新鮮培

33、養(yǎng)液不斷加入。 （5）灌注式培養(yǎng)： 細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，連續(xù)注入新鮮培養(yǎng)基的同時(shí)， 連續(xù)等量排出用過的培養(yǎng)基，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),85,灌注式培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)： 其產(chǎn)量為一般懸浮法的幾倍； 獲得的都是活細(xì)胞，通常懸浮法培養(yǎng)收獲的細(xì)胞有30% 是死細(xì)胞。 缺點(diǎn)： 培養(yǎng)基消耗量比一般懸浮培養(yǎng)高幾倍， 工作過程較復(fù)雜， 培養(yǎng)物易受污染和培養(yǎng)細(xì)胞不穩(wěn)定,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),86,對(duì)非錨地依賴性細(xì)胞： 其懸浮培養(yǎng)多采用分批式操作方法， 也可采用灌流培養(yǎng)法。 對(duì)錨地依賴性細(xì)胞： 可采用分批，半連續(xù)和連續(xù)等多種方法。 目前主要采用中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)和微載體培養(yǎng)系統(tǒng)。 常采用的培養(yǎng)方式有： 懸浮培養(yǎng)，

34、 微載體培養(yǎng)， 貼壁培養(yǎng)， 包埋培養(yǎng)等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),87,貼壁反應(yīng)器： 傳統(tǒng)的培養(yǎng)裝置采用的是滾瓶。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，技術(shù)成熟， 放大只是簡(jiǎn)單地增加滾瓶數(shù)。 缺點(diǎn)： 勞動(dòng)強(qiáng)度大； 單位體積所能提供的細(xì)胞生長(zhǎng)的表面積??； 占用空間大，按體積計(jì)算細(xì)胞產(chǎn)率低； 監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境條件受到限制。 因此限制了動(dòng)物細(xì)胞 的大量培養(yǎng),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),88,中空纖維反應(yīng)器：由上千根中空纖維管組成。 材料：硅膠，聚砜，聚丙烯等。 結(jié)構(gòu)：具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞能附著其壁上生長(zhǎng)； 管壁是半透性多孔膜，大分子有機(jī)物不能透過， 能透過水分子，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧及二氧化碳。 尺寸：一般內(nèi)徑為200m，壁厚為50-

35、75 m。 優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)面積與容積之比可達(dá)40多倍，溶氧傳質(zhì)速率 可達(dá)0.6 mmol/(L.h)。為大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)創(chuàng) 造了條件,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),89,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),90,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),91,微載體懸浮反應(yīng)器： 微載體的材料： 交聯(lián)葡聚糖，纖維素，聚丙烯酰胺，硅橡膠，明膠等。 大?。?球徑約40-120 m，溶脹后的直徑約60-280 m， 使用時(shí)要求球徑較均勻，密度在1.03-1.05g/ml。 優(yōu)點(diǎn)： 單位體積具有的表面積大，1g微載體可提供5000- 6000cm2的表面積，故單位體積培養(yǎng)基的細(xì)胞產(chǎn)率高； 氧傳遞能力可達(dá)30mg/(L.h)； 放大容易,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),9

36、2,二) 植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 1. 植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn) 生長(zhǎng)速率慢； 細(xì)胞個(gè)大，并且細(xì)胞壁以纖維素為主要成分，抗剪切能 力低； 為防止染菌，需加抗生素； 細(xì)胞培養(yǎng)需氧，而培養(yǎng)液黏度大，不能強(qiáng)力通風(fēng)攪拌； 有堅(jiān)固的細(xì)胞壁，代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)且產(chǎn)量低，必須高 密度培養(yǎng)； 培養(yǎng)的植物細(xì)胞常生成各種大小的團(tuán)塊，增加了懸浮培 養(yǎng)的難度,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),93,2. 反應(yīng)器類型 通氣攪拌罐，鼓泡塔，氣升式及振動(dòng)混合式反應(yīng)器。 此外：恒化反應(yīng)器，平板反應(yīng)器，中空纖維反應(yīng)器。 在各類反應(yīng)器中，攪拌罐剪切力較大， 鼓泡塔混合性能較差， 氣升式反應(yīng)器性能較佳。 3. 培養(yǎng)基 除水以外，有九大類： 無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，維生

37、素，碳源，植物激素，氨基酸類， 核酸及其水解物，天然物，氯化膽堿，瓊脂,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),94,4. 培養(yǎng)方法 根據(jù)植物細(xì)胞所處的狀態(tài)不同 懸浮培養(yǎng)法， 固定化植物細(xì)胞培養(yǎng)法 根據(jù)操作方式的不同：分批式， 反復(fù)分批式， 連續(xù)式培養(yǎng)法， 固定化培養(yǎng)法。 植物細(xì)胞的培養(yǎng)多采用通氣式攪拌罐和氣升式發(fā)酵罐， 從使用效果看，氣升式發(fā)酵罐最佳。 植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器可模仿微生物培養(yǎng)用反應(yīng)器的 放大方法進(jìn)行,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),95,1) 分批培養(yǎng)： 操作簡(jiǎn)單，培養(yǎng)時(shí)間一般一個(gè)周期要6天以上。 (2) 反復(fù)分批式：又稱半連續(xù)培養(yǎng)法 將分批培養(yǎng)的培養(yǎng)液取出部分又加入等量的新鮮培養(yǎng) 基，可提高生產(chǎn)速率。 (3)

38、連續(xù)培養(yǎng)： 以一定速度連續(xù)取出細(xì)胞與培養(yǎng)液，并以同樣速度輸 入新鮮培養(yǎng)基，可使細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定。 (4) 固定化培養(yǎng)： 采用固定化反應(yīng)器，將細(xì)胞固定于網(wǎng)狀多孔板上或固 定于中空纖維的膜表面，易于得到高密度細(xì)胞群體,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),96,六. 生化反應(yīng)分離耦合過程 1. 原理：又稱原位產(chǎn)物分離過程，簡(jiǎn)稱ISPR。 即在生化反應(yīng)的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí) 地將對(duì)生化反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性 原位移走，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物從其細(xì)胞周圍的即時(shí)分離。 2. 類型： 采用分離劑： 簡(jiǎn)單，在原生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行； 分離劑與細(xì)胞直接接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物部分地通過分配 轉(zhuǎn)移到分離劑中。(分離劑必

39、須是生物兼容的,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),97,采用外部分離循環(huán)： 復(fù)雜，在反應(yīng)器和分離器兩個(gè)裝置中進(jìn)行； 分離劑不與細(xì)胞直接接觸，有利于產(chǎn)物的進(jìn)一步分離 和提純,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),98,3. 耦合過程的類型 （1）通過氣體汽提和減壓進(jìn)行分離： 主要應(yīng)用于乙醇發(fā)酵和丙酮-丁醇發(fā)酵， 因?yàn)檫@些物質(zhì)沸點(diǎn)較低，易揮發(fā)。 （2）通過吸附或離子交換進(jìn)行分離： 對(duì)某些可逆的酶催化反應(yīng)，可通過吸附的方法及時(shí)地 從反應(yīng)體系中移走產(chǎn)物，則可提高該酶催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。 例如：高果糖的生產(chǎn)。 還可以通過分離產(chǎn)物以控制發(fā)酵過程的適宜的pH值， 如乳酸發(fā)酵生產(chǎn),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),99,3）通過溶劑萃取進(jìn)行分離： 如：有機(jī)溶劑萃

40、取和雙水相萃取。 （4）膜式生物反應(yīng)器： 一方面可使酶或細(xì)胞重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高 的酶濃度和細(xì)胞濃度； 另一方面又可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以 減少產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)的抑制作用，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),100,根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)酶的狀態(tài)，可分為游離態(tài)和固定化酶膜反應(yīng)器： 游離態(tài)酶：溶于反應(yīng)物內(nèi)； 固定化酶：結(jié)合在膜的表面形成酶膜。其優(yōu)點(diǎn)是酶的密度大； 缺點(diǎn)是底物和產(chǎn)物通過膜的速率很慢，往往成為 反應(yīng)過程的控制因素,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),101,七、生物膜及其形成 （一）生物膜的定義及分類 1. 定義 生物膜主要由微生物細(xì)胞和它們所產(chǎn)生的胞外多聚 物組成，通常具有孔狀結(jié)構(gòu)，含有大量被

41、吸附的溶質(zhì)和 無(wú)機(jī)顆粒。 生物膜的組成與特性，以及在載體表面的厚度、分 布均勻性，均與營(yíng)養(yǎng)底物、生長(zhǎng)條件和細(xì)胞分泌的胞外 多聚物量等環(huán)境因素有關(guān)。 2. 分類 靜止生物膜：一般存在于滴濾池中。 顆粒生物膜：通常應(yīng)用于各種流化床生物膜反應(yīng)器、 升流式厭氧污泥床等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),102,二）生物膜載體 1. 載體的種類 載體：通常是指細(xì)胞及酶固定化過程中所需要的介質(zhì)。 無(wú)機(jī)載體：砂子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、 陶瓷材料、碳纖維、礦渣、活性炭及金屬等。 有機(jī)載體：各種樹脂、塑料、纖維等。 從 強(qiáng)度、密度和加工成形等方面的性能來(lái)說(shuō)，有機(jī) 載體比無(wú)機(jī)載體更好,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),103,2.

42、載體的選擇 載體的物理形態(tài)及機(jī)械強(qiáng)度良好，載體間的碰撞幾率較 小，所制備的反應(yīng)器不易堵塞，便于反沖洗。 載體的表面粗糙，孔隙率及密度大小應(yīng)有利于生物膜的 形成、發(fā)展及穩(wěn)定。 載體的生物、化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性要好，不參與生物膜 的反應(yīng)，其本身不會(huì)被生物降解，應(yīng)能抗生物膜微生物 的腐蝕,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),104,載體所能提供的表面積應(yīng)盡可能大，對(duì)已附著微生物有 較好的保護(hù)作用，且不顯著影響微生物的生物活性，傳 質(zhì)特性較好。 載體的可再用性和價(jià)格等,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),105,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),106,三）微生物的附著固定 通過改變載體表面的親疏水性及電性來(lái)促進(jìn)微生物 在載體表面的附著固定。 親水性微生

43、物易于在親水性載體表面附著固定，而 疏水性載體有利于疏水性微生物在其表面的附著固定。 根據(jù)微生物的特性和附著機(jī)制的不同，微生物在載 體上的附著可劃分為五種方法：表面吸附，鍵聯(lián)，細(xì)胞 間自交聯(lián)，多聚體包埋和孔網(wǎng)狀載體截陷固定。 每種方法都有其特定的適用范圍,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),107,表面吸附固定法：微生物和載體間作用。 例如：動(dòng)物細(xì)胞在離子交換樹脂上的繁殖。 鍵聯(lián)固定法：微生物與載體表面的活性基團(tuán)形成共價(jià)鍵。 例如：硝化細(xì)菌在含F(xiàn)e3+聚合物上進(jìn)行硝化反應(yīng)。 細(xì)胞間自交聯(lián)固定法：通過細(xì)胞間的自交聯(lián)實(shí)現(xiàn)，或者 人為加入交聯(lián)劑。 例如：乳桿菌屬通過聚氨基葡糖交聯(lián),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),108,多聚體包埋

44、法：通過某些多聚體化合物包裹微生物。 例如：用藻朊酸鹽包埋黑曲霉等細(xì)胞。 孔網(wǎng)狀載體截陷固定法： 利用孔網(wǎng)狀載體的特殊結(jié)構(gòu)截陷微生物。 例如：在中空纖維上固定黑曲霉細(xì)胞,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),109,四）生物膜的形成 生物膜的累積形成是有機(jī)分子、微生物細(xì)胞及載體表 面通過物理、化學(xué)和生物過程綜合作用的結(jié)果。 1. 形成步驟： 有機(jī)物分子從水中向生物膜載體表面運(yùn)送，其中某些被 載體吸附，形成被微生物改良的載體表面。 水中一些浮游的微生物細(xì)胞被傳送到改良的載體表面， 其中碰撞到載體表面的細(xì)胞被吸附,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),110,被表面吸附變成不可解吸的細(xì)胞，攝取并消耗水中的底 物與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)目不斷增多；

45、同時(shí)，細(xì)胞可能產(chǎn)生大 量產(chǎn)物，其中部分將排出體外。這些產(chǎn)物中有一些就是 胞外多聚物，可以將生物膜緊緊地結(jié)合在一起。 進(jìn)入水中，或者細(xì)胞 在增殖時(shí)亦可向水中 釋放出游離的細(xì)胞,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),111,2. 生物膜上的微生物 細(xì)菌、真菌、藻類，以及某些原生動(dòng)物，甚至有后生 動(dòng)物，組成相當(dāng)復(fù)雜。 某些微生物在生物膜上是否存在及優(yōu)先生長(zhǎng)等情況， 常與被處理污水的水質(zhì)和生物膜所處的環(huán)境條件有關(guān)。 微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，從而 可以檢查、判斷生物膜反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及水處理效果,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),112,污水濃度適當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)：獨(dú)縮蟲屬、聚縮蟲屬、累枝蟲屬、 集蓋蟲屬和鐘蟲等。 污水濃度

46、過高時(shí)，真菌類增加，纖毛蟲類基本消失，出現(xiàn)： 屋滴蟲屬、波豆蟲屬、尾波蟲屬等鞭毛類。 負(fù)荷較低時(shí)，出現(xiàn)：盾纖蟲屬、尖毛蟲屬、表殼蟲屬和鱗 殼蟲屬。 后生動(dòng)物如輪蟲和線蟲等大量出現(xiàn)時(shí)，表明生物膜中的厭 氧層減少，因此不會(huì)引起生物膜肥厚，生物膜脫落量也少。 如果扭頭蟲屬、新態(tài)蟲屬和貝日阿托氏菌屬等出現(xiàn)時(shí)，表 明生物膜中的厭氧層增厚,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),113,五）生物膜的廢水凈化作用 厭氧層 生物膜層 好氧層 附著水層 廢水層 流動(dòng)水層 附著水中的有機(jī)物大多會(huì)被 生物膜氧化，使有機(jī)物濃度降低。 同時(shí)空氣中的氧隨廢水流經(jīng)生物 膜時(shí)被微生物所利用，有機(jī)物氧 化分解產(chǎn)生的CO2等透過附著水， 進(jìn)入流動(dòng)水并

47、隨空氣流流出,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),114,八、生物膜反應(yīng)器 運(yùn)行穩(wěn)定， 生物膜法的產(chǎn)生 抗沖擊負(fù)荷， 更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能， 生物膜法的優(yōu)點(diǎn) 無(wú)污泥膨脹， 具有一定的硝化與反硝化功能， 可實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)、防止臭味等。 （一）生物膜反應(yīng)器分類 凡是在污水生物處理的各種工藝中引入微生物附著 生長(zhǎng)載體(或稱之為濾料、填料等)的反應(yīng)器，都將其定 義為生物膜反應(yīng)器，包括以生物膜為主體的生物膜反應(yīng) 器，以及引入生物膜的復(fù)合式生物膜反應(yīng)器,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),115,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),116,生物膜反應(yīng)器的研究趨勢(shì)： 進(jìn)一步探討微生物在載體表面的固定機(jī)理，開發(fā)工程 實(shí)際中普遍使用的微生物固定技術(shù)，優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu) 及各種反

48、應(yīng)器工藝系統(tǒng)； 進(jìn)一步使各種生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)的凈化功能更為廣譜 和高效； 深入研究生物膜微生物的增長(zhǎng)及底物去除動(dòng)力學(xué)和生 物膜微生物的能量代謝； 生物膜反應(yīng)器朝著節(jié)能和自動(dòng)化控制方向發(fā)展,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),117,二）生物濾池 1. 原理及特征 原理 以土壤自凈原理為依據(jù)。 作用過程 污水長(zhǎng)期以滴狀灑布在塊狀濾料的表面，在污水流 經(jīng)的表面上就會(huì)形成生物膜，生物膜成熟后，棲息在生 物膜上的微生物即攝取污水中的有機(jī)污染物作為營(yíng)養(yǎng)， 從而使污水得到凈化,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),118,特征 細(xì)菌以生物膜的方式附著在固體表面上。 濾池表層：主要由好氧化能異養(yǎng)細(xì)菌和真菌組成。 濾池低層：以自養(yǎng)硝化細(xì)菌為主。

49、此外：還存在大量的原生動(dòng)物和草食動(dòng)物,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),119,2. 分類 普通生物濾池 高負(fù)荷生物濾池： 大幅度地提高了濾池的負(fù)荷率，通常BOD容積負(fù) 荷率比普通濾池高68倍。 塔式生物濾池： 解決了普通生物濾池占地面積大的問題，其水力 負(fù)荷比一般的高負(fù)荷生物濾池還要高210倍。 厭氧生物濾池： 是一種裝填濾料的厭氧生物膜反應(yīng)器。 活性生物濾池： 采用了復(fù)合的生物膜活性污泥工藝,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),120,3. 結(jié)構(gòu) 池體：在平面上多呈方形、矩形或圓形。 濾料：是生物膜的載體。 對(duì)濾料的要求： 合適的粒徑； 足夠的機(jī)械強(qiáng)度； 容重應(yīng)?。?既能抵抗廢水、空氣和微生物的侵蝕，又不應(yīng)是影 響微生物生

50、命活動(dòng)的雜質(zhì)； 應(yīng)能就地取材，價(jià)格便宜，加工容易,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),121,常用濾料： 碎石、卵石、爐渣和焦炭等實(shí)心拳狀無(wú)機(jī)濾料； 由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板狀、 多孔篩狀和蜂窩狀的人工有機(jī)濾料，具有更大的比表 面積(100200m2/m3)和高空隙率(80%95,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),122,排水系統(tǒng) 位置：濾池底部。 包括：滲水裝置、匯水溝和總排水溝。 作用：排除處理后的污水并保證濾池的良好通風(fēng)。 布水系統(tǒng) 類型：間歇噴灑布水系統(tǒng)， 旋轉(zhuǎn)式布水器。 小型的塔式生物濾池， 多采用固定式噴嘴布水系統(tǒng)； 大中型塔式生物濾池， 多采用旋轉(zhuǎn)式布水器,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),123,生物反應(yīng)器的

51、設(shè)計(jì),124,三）生物轉(zhuǎn)盤 1. 結(jié)構(gòu) 與生物濾池的原理類似，主要區(qū)別是它以一系列轉(zhuǎn) 動(dòng)的盤片代替固定的濾料。 盤片的材料： 聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃鋼，鋁合金等。 盤片的形狀： 平板，波紋板，或兩者的組合。 盤片的安裝： 有近一半的面積浸沒在半圓形、矩形或梯形的氧化槽內(nèi),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),125,2. 工作原理 廢水處于半靜止?fàn)顟B(tài)，微生物生長(zhǎng)在轉(zhuǎn)盤的盤面上， 轉(zhuǎn)盤在廢水中不斷緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，使其互相接觸。 盤體與廢水和空氣交替接觸，微生物從空氣中攝取必 要的氧，并對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行生物氧化分解。 活性衰退的生物膜在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)剪切力的作用下脫落,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì),126,3. 生物轉(zhuǎn)盤法的特征