第四章 微生物反应器操作 1．请用简图分别给出分批操作、流加操作和连续操作中反应器内培养液体积随时间的变化曲线。 2．用简图给出分批培养中初始基质浓度与最大菌体浓度之间的相互关系。 3．请给出分批培养、反复分批培养、流加培养、反复流加培养和连续培养中产物生成速率，并进行比较。 4. 何为连续培养的稳定状态？当0][][===dt P d dt S d dt dX 时，一定是稳定状态吗？ 5. 在微生物分批培养的诱导期中，细胞接种量X 0 ，生成的细胞量为X A 0 ，此间死亡细胞量为X DO ，已知A A f X X =00X 。生成的细胞在接种t l 时间后开始指数型繁殖， t l 以后的细胞量为X，请推导出的关系式。f A 分别等于0，0.2，0.4，0.6，0.8，并作图表示出。 )(l t f X =6.一定的培养体系中细胞以一定的比生长速率进行生长繁殖，如果计划流加新鲜培养基，同时保证细胞的生长速率不变，请问如何确定新鲜培养基的流加速度。 7. 试比较微生物分批培养与连续培养两种操作中的细胞生长速率。微生物的生长可采用Monod方程表达。 8. 面包酵母连续培养中，菌体浓度为10kg/m 3，菌体生成速度为10kg/h，求流加培养基中基质（乙醇）浓度及培养液的量。稀释率1.0=D h-1,Y X/S =0.5kg/kg （以细胞/基质计），可采用Monod 方程，已知μ max = 0.15h -1,K S = 0.05kg /m 3。 9．恒化器进行具有抑制作用的连续培养，比生长速率可由式S i i S C K C K S ++=)1(max μμ 给出，其中g g Y L g C L g K S X i S /1.0,/05.0,/0.1===（ 以细胞/ 基质计）， L g X L g C S /05.0,/0.100==,，求菌体的最大生产速率与相应的稀释率D max ，并与没有抑制时相比较。 10. 一种细菌连续（恒化器）培养中获得如下数据。μ 为比生长速率，S 为限制性基质浓 度，若反应适用Monod 方程，求 和 。 11. 以碳源为限制基质的连续发酵过程中，有一位研究者在研究温度对细胞得率的影响时，发现当温度高于最适生长温度时，细胞得率下降。对此现象一般的解释是因为细胞内为维持细胞活力所消耗的能量增加的缘故。但是，有些研究者研究提出细胞得率在稳态下下降是因为细胞本身活力降低。这一解释也有道理，因为细胞的死亡率是温度的函数。（1）请你利用关于连续培养理论，解释上述温度对细胞得率影响的两种理由。（2）如何设计一些实验来证明在（1）中所导出的方程式的真实性？实验设计应包括实验步骤、所需的分析方法及
第七章生物反应器的放大与控制 生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。因此，一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。 从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。 本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。 第一节生物反应器的放大 生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。这就涉及反应器放大的问题。生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。 反应器的放大涉及内容较多。除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。因此，它是一个十分复杂的过程。 目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。 一、经验放大法 经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。下面介绍一下具体的经验放大原则： （一）几何相似放大 生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似。在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数，即： （7-1） （7-2） 和（7-3） 式中——反应器的高度，m； ——反应器的内径，m； ——反应器的体积，m3； 下标“1”——-模型反应器；
生物反应器优化——放大控制的最佳手段 在生物产业的生产中，中试放大、处理和控制的知识应该被分享和记载以便获得和维持卓越运营。 通过音频工程基本原理和彻底的过程理解，现代细胞培养工艺已经成功放大到大于25000L的体积。这并不是偶然发生的，而是生物工程专家对生物反应器的性能和发展趋势作了系统全面的描述，开发了坚实可靠的放大工序，建立和维持了恰当的质控标准的结果。对于一家cGMP标准的细胞培养工厂而言，那些对运行最佳实践进行确定并记载的生产商同时也是能够保持成功运行并以及时可靠的服务为病人提供优质生物产品的生产商。 图1.一个生物反应器内喷头位置的描述 (并不是对应尺寸). 生物反应器设计 恰当的生物反应器设计可以解决许多可能会产生的问题。一个不应该被低估的有关生物反应器设计的关键问题就是反应器间几何相似的重要性:维持纵横比、叶轮尺寸比、叶轮间距比和挡板的尺寸和位置将大大提高放大生产后的成功率。恰当的生物反应器设计可以减少有限时间内的质量和过程验证，同时使得工艺过程更加稳健、操作更易成功。 另一个与生物工程中试放大成功有关的重要方面就是喷头的设计。通常情况下，生物反应器内会安装两个喷头但是只有一个喷头用于种子生物反应器。尽管工业生产中有不同型号的喷头可供使用，我们成功的补充运用了钻杆和喷射石。钻杆产生大的气泡和低的kLa(后面将加以讨论)，而喷射石产生小的气泡和高的kLa 以至于同样气流速率下可以递送更多数量的氧气进入细胞悬液中。图1和图2阐明了喷头的位置和两个喷头的类型。 生物反应器输送氧气进入细胞的能力可由方程1中所示的质量转移关系定义。氧气浓度的改变由kLa、气泡中的平均饱和氧气浓度、溶解的氧气浓度([O2]dissolved)和任何存在细胞的氧气吸收控制(OUR)。 方程1： kLa可以根据功率/体积和表面气体流速的幂律函数作图。对kLa的理解可以帮助我们估计生物反应器的OUR，预测所需氧气的流速和预测溶解的二氧化碳水平的时间和进程曲线。 基于过程的需要和喷头的能力，工艺工程师确定生物反应器的优化配置。如果过程OUR需要足够低，默认的设置就是在种子生物反应器中使用一个钻杆，在生产反应器中使用两个钻杆。钻杆和喷射宝石可以合并使用，但由喷射宝石提供的氧气转移能力却并不是必须的。如果可能的话，应该避免使用喷射宝石，因为这样增加了生物反应器安装的操作复杂性、在维持溶解二氧化碳水平的过程中气流流速的手动改变、增加了泡沫和潜在的清洁问题。
教学基本内容： 讲授微生物反应器的操作方式，包括分批式操作、连续式操作、流加式操作。连续式操作的定义、数学模型，连续稳态操作条件，连续操作的优缺点，在生产上和科研中的应用；流加式操作的定义、数学模型，定流量流加、指数流加的概念，流加式操作的控制优化问题。分批式操作下微生物生长曲线。 5.1 微生物反应器操作基础 5.2连续式操作 5.3 流加式操作 5.4 分批式操作 授课重点： 1. 三种基本操作方式的比较。 2. 单级连续式操作的数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象。 3. 连续操作的优缺点及在生产上和科研领域的应用。 4 流加式操作的数学模型，指数流加和定流量流加的概念。 5. 流加操作的控制与优化。 6. 分批式操作下微生物的生长曲线。 难点： 1. 连续式操作的数学模型。 2. 多级连续培养的数学模型。 3. 流加式操作的数学模型。 本章主要教学要求： 1. 理解微生物反应器操作方式的概念。注意连续式操作、流加式操作和分批式操作的区别。 2. 理解和掌握连续式操作的数学模型及连续稳态操作条件。 3. 理解指数流加和定流量流加的区别。 4. 了解连续式操作的优缺点和应用。 5. 了解流加式操作的优化和控制。
5.1微生物反应器操作基础 5.1.1 微生物反应器操作方式 分批式操作：是指基质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料取出的操作方式。 连续式操作：是指分批操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件不随时间变 化的操作方式。 流加式操作：是指先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求 加入到反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取 出反应物料的操作方式。 V V V 图5－3连续式操作
第六章生物反应器结构与设计计算 由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要的作用，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。在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。 自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。 一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。 第一节机械搅拌式生物反应器 机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。 一、机械搅拌式生物反应器的结构 机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。下面做简要的介绍。 1．罐体 罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。 2．搅拌器和挡板 为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓联成整体装配于搅拌轴上。 搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液接触界面，以获得所需要的氧传递速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。 搅拌器大多采用涡轮式。涡轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但存在的缺点是轴向混合差，搅拌强度随着与搅拌轴距增大而减弱，故当培养液较粘稠时，混合效果就下降。常用的涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，叶片数一般为六个，也有四个或八个。如图6-1所示。
反应器选型与设计 一、反应器类型 反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。 1.1釜式反应器： 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。 1.2 管式反应器 ①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。 ②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。 ③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。 ④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。 ⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。 ⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。 1.3 固定床反应器 固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③结构简单。 固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。 1. 4 流化床反应器 （1）流化床反应器的优点 ①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可 16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。 高达3280 ~ ②由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层 400/(2? )]，全床热容量大，热稳定与内浸换热表面间的传热系数很高[200 ~ 性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。 流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应—再生、吸热—放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。
第四章微生物反应器操作习题答案 4．答：连续培养的稳定状态，是指菌体的生长与反应液的排放、基质的流加与反应消耗及 反应液排放、产物的生成与反应液排放达到了动态平衡，因此菌体浓度、基质浓度、产物浓 度保持恒定，即，并不一定是稳定状态。如菌体因生长环境不利出现了死亡时，也满足，但不能 说是稳定状态，此时是一种静止状态，而不是动态平衡。 5．解：诱导期结束时的菌体量： X = X0 + X AO □ X DO = X0 + f A X0 □ X DO = (1+ f A )X0-X DO 菌体在t l 时间后开始指数型繁殖，因此 边界条件： t = t l , X = (1+ f A )X0 □ X DO 积分，得 X = [(1+ f A )X0 □ X DO ]exp[μ (t □ t l )]，如图所示。 当f A = 0, X = (X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] ； 当f A = 0.2, X = (1.2X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] 当f A = 0.4, X = (1.4X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] 当f A = 0.6, X = (1.6X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )] 当f A = 0.8, X = (1.8X0 □ X DO ) exp[μ (t □ t l )]
6．答：设菌体生长比速为μ，菌体浓度为X，则菌体生长速率为μX。为保证菌体生长速率 不变，应采取指数流加方式，控制稀释率D = μ ，此时流加操作可达到拟稳态， 菌体生长速率DX = uX 。 7．答：微生物的生长可用莫诺方程表达，即 分批培养中菌体生长速率 连续培养中菌体生长速率：
1.3生物反应器的放大 1.3.1引言 生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益，因此一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产之至成为商品的一系列过程。这一系列过程可分为三个阶段： 1.实验室阶段——基本生物细胞的筛选和培养基的研究，摇瓶培养或1——3L 反应器进行 2.中试阶段——小型反应器5——500L规模，环境因数最佳操作条件研究。 3.工厂化规模——实验生产至商业化生产，提供产品并获经济效益。 以上同一发酵生产，规模不同，生物反应相同，但反应溶液的混合状态、传质与供热速率等不尽相同，细胞生长与代谢产物生成的速率也有差别。 1.3.2生物反应器的放大： 1）定义： 生物反应器的放大就是在生物反应器放大过程中，也就是以中试反应设备的实验数据为依据，设计制造大规模反应系统以进行工业规模生产。 2）放大的核心问题和目的 （1）核心问题： 生物反应器中有三种重要的过程：热量传递过程，微观动力学过程（主要指生物反应的速率问题，特别是细胞生长速率，各种基质组分消耗的速率、代谢产物的生成速率等），质量传递过程。其中核心问题是传质过程，其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递（溶解）的速率。（氧的传递通常是气相的氧先溶在发酵液中再传递给菌体。为什么氧的溶解速率为限制性速率？？请看书中19页的表1-4） （2）放大的目的或指标 维持中试所得到的最佳的细胞生长速率，产物的生成速率。 3）生物反应器的放大原则 生物反应器的类型很多，所使用的体系也各异。因此生物反应器的放大是
比较复杂的。书中介绍的是机械搅拌发酵罐的一些经验放大方法。需要注意的是运用不同的放大原则，放大后罐的操作条件是不一样的。看书中27页得表1-7.这说明在放大中选用什么准则是要积累较多的经验的。 1.4生物反应器的检测和控制 1.4.1引言 根据目前人们对生物反应过程的理解，生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数，即， （1）生物反应进程的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等； （2）生物反应器进程中的化学条件，如液相pH，氧气和二氧化碳的浓度等； （3）生物反应器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。 以上参数中，大部分物理和化学参数都能够使用一般的手段进行在线 检测和控制。但是进行生化参数的在线检测和控制却非常困难。 1.4.2生物反应器的检测方法 生物反应过程参数检测方法可分为在线检测和离线检测。 1）在线检测：最常用的方法。 （1）过程： 将能够感应检测参数变化的传感器直接放到生物反应器中的测量点上，传感器将测量点的待测参数变化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。（2）传感器： A．功能：感应生物反应过程的各种物理和化学变化，并将这些变化转化为电信号，供放大、显示、记录以及送到反应器的控制单元。通常使用的测量温度的有温度探头，溶氧电极，ph电极。 B．应满足的条件 能够在生物反应器上有效使用的传感器应满足以下条件： （1）反应灵敏快速。传感器是否灵敏对生物反应过程的检测和控制非常重要。如果传感器的反应滞后于生物反应器内部的变化就 意味着传感器得到的数值与实际情况有一个时间差，这个时间
第六章生物反应器中的传质过程习题答案 1.答：微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用气态的氧。而氧是难溶气体，在1atm下、 20oC 时，氧在纯水中的溶解度为0.21mmol/L，在发酵液中溶解度更低，每升发酵液中菌体数一般为108~109个，耗氧量非常大，如果终止供氧，几秒钟后发酵液中溶氧将降为零。因此，氧常常成为发酵过程的限制性基质，解决好氧传递总是成为发酵过程的关键问题。工业生产中，将除菌后的空气通入发酵液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气泡接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。 2.答：
3.答：影响k a的因素有： L ①设备参数如设备结构尺寸、搅拌器直径； ②操作参数如搅拌转速、通风量； ③发酵液性质，如流变学性质。 提高k L a或N v的措施有： ①提高转速N，以提高P g，从而提高k L a。 ②增大通风量Q。当Q不大时，增大Q可明显提高k L a；但当Q已较大时， 继续提高Q，将降低P g，其综合效果不会明显提高k L a，甚至可能降低， 因此有些调节措施是将提高转速N和增大通风量Q二者结合。 ③为了提高N V，除了提高k L a之外，提高C*也是可行的方法之一。通入 纯氧或在可行的条件下提高罐内操作压力，均可提高C*。 ④丝状菌的生长导致发酵液粘度的急剧上升和k L a的急剧下降。过分提 高转速和通气量可能导致菌丝体的机械破坏和液泛。在此情况下可重 复地放出一部分发酵液，补充新鲜灭菌的等体积培养基，这样可使k L a 大幅度回升。 ⑤向发酵液中添加少量氧载体，可提高k L a。 4．解：由题意可知：
5．解：由题意可知： 6．解：由题意可知： 7．解：由题意可知：
第六章发酵设备 本章学习目标 ?了解常见嫌气发酵设备及其流程的类型与特点 ?掌握通风发酵设备的类型、结构及性能特性 ?了解空气过滤除菌原理、常见设备流程及其应用特点 ?掌握常见发酵设备的应用特点和选用原则 目录 发酵设备的类型和基本构成 发酵设备的基本要求 发酵设备的功能： 发酵设备的要求： 发酵设备的分类 ?发酵设备的功能和要求 功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗(原料消耗、能量消耗、人工消耗)获得较高的产量。 要求： ?良好的传递质量、能量、热量性能 ?结构应尽可能简单，操作方便，易于控制 ?便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度 ?能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢 ?发酵设备的分类 按发酵用培养基状况：固体发酵设备和液体发酵设备 按微生物类型：嫌气(酒精、啤酒和丙酮、丁醇)和好气(谷氨酸、柠檬酸、酶制剂和抗生
素，发酵过程中需不断通入空气) 按发酵过程所使用的生物体：微生物反应器（主流）、酶反应器（固定化酶反应器和溶液酶反应器）和细胞反应器 嫌气发酵设备 一、间隙式发酵罐 间歇式发酵是指生长缓慢期、加速期、平衡期和衰落期四个阶段的微生物培养过程全部在一个罐内完成 特点：罐内环境和发酵过程易于控制。目前在工业生产中仍然占据主要地位 二、水洗装置 特点，水压不大洗涤不彻底 水平喷水管与水平面呈20°夹角，水流喷出时使喷水管以48～56r/min的速度自动旋转，洗涤一次约需5min 三、连续发酵设备 连续发酵：通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液，可使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。 特点：产品产量和质量稳定、发酵周期短、设备利用率高、易对过程进行优化等优点，微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。技术要求较高、容易造成杂菌污染，易发生微生物变异、发酵液分布与流动不均匀等。 四、单罐连续发酵设备 连续搅拌发酵器 连续细胞回用发酵器 塔式发酵器 膜式发酵器 固定化细胞反应器 五、连续搅拌发酵器
第6章生物反应器 生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。 一个优良的发酵罐应具备的条件： 1)结构简单; 2)不易染菌; 3)良好的液体混合性能; 4)较高的传质传热速率; 5)单位时间单位体积的生产能力高; 6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。 工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。 6.1 通风发酵罐 一、通用式发酵罐 又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。 1、工作原理 是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。 一个好的通用式发酵罐的基本条件： 1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解 2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa 3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率 4)具有足够的冷却面积； 5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌； 6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。 2、结构特点 发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。 1) 罐体 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢 2) 搅拌器和搅拌轴 其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。 3) 挡板 其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。 4) 空气分布器 其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。 5) 冷却装置 在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。 6) 消泡器 分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器 二、机械搅拌自吸式发酵罐 利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。 1.工作原理 转子启动前，液体浸没转子，当电机启动使转子转动时，因转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，
目录 1、EGSB反应器介绍 (1) 2、EGSB厌氧工艺原理 (1) 3、EGSB反应器特点 (1) 4、EGSB反应器启动运行 (2) 1）菌种驯化 (2) 2）颗粒污泥培养 (2) 3）负荷提高 (2) 3）试运行 (2) 5、EGSB反应器主要参数控制 (2) 1）反应器有机负荷 (2) 2）上流速度 (3) 3）环境因素的控制 (3) 6、影响EGSB反应器的环境因素 (3) 1）温度及温度的波动 (3) 2）PH值范围及PH缓冲能力 (4) 3）营养物与微量元素 (4)
EGSB反应器使用说明书 1、EGSB反应器介绍 EGSB即膨胀颗粒污泥床反应器，系第三代厌氧反应器，反应器中颗粒污泥床处于部分或全部“膨胀化”的状态。为了提高上流速度，EGSB反应器采用较大的高度—直径比和大的回流比。在高的上流速度和产气的搅动下，废水与颗粒污泥间的接触更充分。由于良好的混合传质作用，EGSB反应器内所有的活性的细菌，包括颗粒污泥内部的细菌都能得到来自废水的有机物，也就是说，在EGSB 内更多微生物参与了水处理过程。因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间。 2、EGSB厌氧工艺原理 厌氧消化过程可划分为四个相对独立但密不可分的步骤：水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。 第一组微生物，酸化细菌完成厌氧消化过程的前两个步骤，即水解和酸化。它们通过胞外酶将聚合物如蛋白质、脂肪和碳水化合物水解为能进入细胞内部的小分子物质，在细胞内部氧化降解而形成二氧化碳(CO2)、氢(H2)和主要产物－挥发性脂肪酸(VFA)。 第二组微生物，产氢产乙酸菌在酸化过程中把上述产物转化为乙酸盐、氢及二氧化碳。 第三组微生物是产甲烷菌，它们将乙酸盐或氢和二氧化碳转化为甲烷。3、EGSB反应器特点 1）BOD去除率高（90%～95%）；运行稳定，构造简单。 2）更易形成颗粒污泥且分布均匀，污泥床内生物量多（可达60g/l）；非常适用于中高浓度有机废水处理。 3）容积负荷率高（20～30kgCOD/m3.d），停留时间较短，因此所需容积大大缩小；反应器容积负荷率高出普通UASB反应器2-3倍以上。 4）运行方便，采用旋混布水方式，布水均匀，传质较果好，而且不存在堵塞短流问题。 5）增设了外回流系统，厌氧反应器运行中碱度可通过回流水可以实现碱度
第九章反应器设计 9.1 概述 (1) 9.2反应器的分类和结构特点 (3) 9.3 发酵罐设计与分析 (6) 9.5 其他反应器 (14) 9.1 概述 生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。 生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，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、换热方式及换热面积等；（3）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。生物反应器设计的基本要求： （1）避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连； （2）法兰应尽量少； （3）尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光； （4）避免产生凹陷和裂缝； （5）设备各部件能分别进行灭菌； （6）反应器的接口处用蒸汽封口； （7）阀门要易清洗，易使用，易灭菌； （8）反应器内易保持一定正压； （9）为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。 反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研
究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。 数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。
一次性生物反应器与平行放大 【定义】 一次性生物反应器 (Single-use bioreactor，SUB) 或用后可弃生物反应器 (Disposable bioreactor)，是使用一次性袋代替由不锈钢或玻璃制成的培养容器的生物反应器。 【组成】 一次性袋通常由三层塑料箔制成： ?一层由聚对苯二甲酸乙二醇酯或低密度聚乙烯 (LDPE) 制成， 以提供机械稳定性。 ?中间层由聚乙烯醇 (PVA) 或聚氯乙烯 (PVC) 制成，用作气 体屏障。 ?最后，与细胞培养物接触的接触层由PVA或聚丙烯 (PP) 制 成。 包裹着一次性袋的是永久硬性支撑结构（通常为摇动支座或长方体或圆柱形钢筒）。此结构可以确保在培养过程中一次性袋的设计特性不变化。一次性袋需要完全适合其保持装置，以防止由于设置期间展开不完全或者不正确而导致的和传统反应器的不可比性。 与产品接触的一次性材料必须经监管机构认证。 【分类】 一次性生物反应器的种类： ?波浪式生物反应器：波浪式生物反应器通过摇摆的动作来混 合。此类型不需要在一次性袋中使用任何机械搅拌器。适合 于各种各样的细胞培养应用，包括常规批次、补料批次和灌 注培养工艺。 ?搅拌式生物反应器：使用像传统生物反应器相似的搅拌器， 但是搅拌器被整合在塑料反应袋中，通常也使用塑料材质。 封闭的袋子和搅拌器预先灭菌处理，通常使用伽马射线。使 用时，将一次性袋安装在固定生物反应器支撑中，再将搅拌 器机械地或磁性地连接到驱动器即可。 【一次性生物反应器选择和评估工艺时需要考虑的因素】
?Scale-up 纵向扩展 ?Scale-out 横向扩展（平行放大） 【产量最大化】 产品与产品间转换时间对产量的影响：一次性反应器和不锈钢的设备，转换时间差别很大，前者需要3-5天，那么后者需要7-14天。当设备采用硬管和不锈钢设计时，批量吞吐量减少20%