生物反应器-定义，设计，原理，部件，类型，应用，限制

生物反应器的定义

生物反应器是一种发酵用于生产各种化学品和生物反应的容器．它是一个封闭的容器，有充分的通风，搅拌，温度和pH控制，排水或溢出排气，以去除培养微生物的废物生物量及其产品。

生物反应器应具备以下条件:

1. 搅拌(用于细胞和培养基的混合)，
2. 曝气(有氧发酵桶);氧气供应,
3. 调节因素，如温度，pH值，压力，曝气，营养喂养，液体水平。
4. 消毒和保持无菌
5. 撤军的细胞/媒介

生物反应器用于生产生物质，代谢物和抗生素。

生物反应器设计

• 生物反应器的设计和操作模式是基于生物体的生产、所需产品形成的最佳条件、产品价值及其生产规模。
• 一个好的生物反应器设计将有助于提高生产力，并以较低的价格提供更高质量的产品。
• 生物反应器是一种设备，包括各种功能，如搅拌器系统，氧气输送系统，泡沫控制系统，以及各种其他系统，如温度和pH控制系统，采样端口，清洗，灭菌系统，以及反应器的充电和排空线路。
• 用于建造生物反应器的材料必须具有下列重要特性:
  • 它不应该具有腐蚀性。
  • 发酵介质中不应添加任何有毒物质。
  • 它应能承受蒸汽灭菌过程。
  • 它应该能够承受高压和抵抗pH值的变化。

• 生物反应器的大小因应用而异。
• 有些生物反应器是为小型发酵罐设计的，有些是为大型工业应用设计的，从微生物细胞(少量mm3)到摇瓶(100-1000毫升)到实验室规模发酵罐(1 - 50升)到中试水平(0.3 -10立方米)到大型工厂规模(2 - 500立方米))。

生物反应器的原理

• 生物反应器是任何生化过程的核心，因为它为微生物提供了一个环境，以获得最佳的生长和产生代谢产物的生物转化和生物转化底物为所需的产品。
• 反应器可以根据所使用生物的生长要求来设计或制造。
• 反应堆是可以将生物材料转化为所需产品的机器。
• 它们可用于生产各种酶和其他生物催化过程。

生物反应器的各部分及其功能

• 这些反应器被设计来保持某些参数，如流速、曝气、温度、pH值、泡沫控制和搅拌速率。
• 可被监测和控制的参数的数量受限于传感器和控制元件纳入给定的生物反应器的数量
• 在设计如下图所示的发酵罐之前，还应考虑其他因素。

1.发酵罐船

• 发酵罐是一个顶部和底部封闭的大圆筒，与各种管道和阀门相连。
• 这艘船被设计成这样允许在受控条件下工作
• 玻璃和不锈钢是使用的两种发酵罐。
• 这种玻璃容器通常用于小型工业。无毒、耐腐蚀。
• 不锈钢容器用于大型工业。耐压、耐腐蚀。

2.加热和冷却装置

• 发酵罐的外部装有冷却夹套，密封容器并提供冷却水。
• 恒温控制浴槽或内部线圈通常用于提供热量，而硅树脂护套用于除去多余的热量。
• 冷却夹套是必要的，用于营养介质的杀菌和除去发酵罐中发酵过程中产生的热量．

3.曝气系统

• 曝气系统是发酵罐的重要组成部分之一。
• 重要的是选择一个良好的曝气系统，以确保适当的曝气和氧气供应整个文化。
• 它包含两个独立的曝气装置(分散器和叶轮)，以确保在发酵罐中适当的曝气。
• 搅拌完成了两件事:
  • 它有助于混合气体气泡通过液体培养基和
  • 它有助于混合微生物细胞通过液体培养基，确保微生物细胞均匀地访问营养物质。

4.密封总成

• 密封组件用于搅拌轴的密封，以提供适当的搅拌。
• 发酵罐的密封组件有三种:
  • 汽封包装
  • 机械密封
  • 磁驱动

5.挡板

• 在发酵罐中加入挡板以防止涡流，提高发酵罐的曝气。
• 它由放射状连接在墙上的金属条组成。

6.叶轮

• 叶轮用于在不同的营养介质中提供均匀悬浮的微生物细胞。
• 它们是由叶轮叶片连接到电机上的盖子。
• 叶轮叶片在减小气泡尺寸和使其均匀分布到发酵介质中起着重要作用。
• 发酵罐使用可变叶轮，可分为以下几种。
  • 圆盘涡轮
  • 可变螺距开式汽轮机

7.分布器

• 喷淋器是一种将无菌空气引入发酵容器的系统。它有助于为船舶提供适当的空气。
• 喷射管有5-10毫米左右的小孔，加压空气通过小孔排出。
• 使用三种类型的喷射器
  • 多孔配电器
  • 喷嘴喷洒器
  • 结合sparger-agitator

8.饲料港口

• 它们被用来向发酵罐中添加营养物质和酸/碱。
• 进料端口是由硅胶管组成的。
• 在去除或添加产品之前进行现场灭菌。

9.Foam-Control

• 容器内的泡沫水平必须最小化以避免污染，这是发酵罐的一个重要方面。
• 泡沫由两个单元控制，泡沫传感和控制单元。
• 泡沫控制装置安装在发酵罐的顶部，具有进入发酵罐的入口。

10.阀门

• 发酵罐中使用阀门来控制容器中液体的运动。
• 大约有五种阀门被使用，即，
  • 截止阀,
  • 蝶阀,
  • 一个球阀，还有
  • 隔膜阀。
• 一个安全阀内置在空气和管道布局下操作压力

11.环境因素控制装置

• 各种设备被用来控制环境元素，如温度、氧浓度、pH值、细胞质量、必需营养水平和产品浓度。

12.计算机在发酵罐中的应用

• 为了有效地进行过程、监控和数据收集，发酵罐通常与现代自动化和半自动化的计算机和数据库相结合。

类型的生物反应器

在工业上广泛使用的发酵罐(生物反应器)类型是

1.连续搅拌式发酵罐

• 连续搅拌槽式生物反应器由一个圆柱形容器和一个由支持一个或多个搅拌器(叶轮)的电机控制的中心轴组成。
• 喷淋器与叶轮(搅拌器)结合，可以改善整个容器的气体分布。
• 一种搅拌槽式生物反应器可以在发酵罐内连续操作，温度控制不费力，施工成本低廉，操作方便，导致人工成本低，清洗方便．
• 它是工业上最常用的生物反应器类型。

2.空运发酵罐

• 气升式反应器一般用于气液或气液固接触装置。它也被称为塔式反应堆。
• 使用气升系统的生物反应器将流体体积分为两个区域，以改善循环、氧传递和平衡反应器中的力量
• 在双区系统中，只有一个区有气体喷射。气体发生放电的区域为隔水管;在降液管中没有火花的区域。
• 气升式生物反应器用于好氧生物处理技术，因此它们可以使用泵在循环系统中提供可控的液体流量。
• 该设备具有设计简单、不含任何运动部件和搅拌器、易于灭菌、能耗低、成本低等优点。

3.泡罩塔发酵罐

• 鼓泡柱发酵罐由装有气体喷射器的圆柱形容器组成，该气体喷射器将气泡推入液相或液-固悬浮体。
• 柱的底部空气或气体通过穿孔管或板，或金属微孔喷射器引入。
• 流体的流变性能和气体流量对O的混合有显著影响2以及其他性能因素。
• 为了改善传质和修改容器的基本设计，在容器中放置了诸如水平穿孔板、垂直挡板和波纹板填料等内部设备。
• 该反应器结构简单，维护方便，运行成本低
• 鼓泡塔反应器用于发酵和废水生物处理等生化过程。它也被用于许多化学、石化和生化工业。

4.流化床发酵罐

• 流化床生物反应器由较小颗粒填充床组成。这可以防止与填充床反应器相关的堵塞、高液体压降、窜流和床层压实等问题。
• 催化剂放置在反应器底部，通过分配泵将反应物泵入反应器，使床流化。
• 在这些反应器中，细胞被固定的小颗粒随着液体移动，结果，质量传递，氧传递和细胞的营养得到增强。
• 该生物反应器可用于涉及液体悬浮生物催化剂的反应，如固定化酶、固定化细胞和微生物絮凝体。
• 与其他催化反应器相比，它的主要优点包括能够保持均匀的温度，易于更换和再生催化剂，操作的连续性和自动化，以及减少气体和固体之间的接触时间。

5.填充床发酵罐

• 填料床发酵罐是固体颗粒床，在固体基质上或基质内具有生物催化剂。
• 它可以在淹没模式(有或没有曝气)或涓流模式下运行。
• 填充床反应器又称固定床反应器，常用于吸收、蒸馏、汽提、分离、催化反应等化学处理过程中。
• 在填料床生物反应器中，空气通过支持底物的筛网引入。
• 该反应器有许多优点，如催化剂转化率高，操作简单，低建设和操作成本，增加了反应物和催化剂之间的接触，以及在高温和压力下工作的能力。

6.Photobioreactor

• 光生物反应器是一种专门用于发酵的装置，它可以直接由阳光照射或人工照射
• 它们由玻璃或更常见的透明塑料组成，而管子或平板由光接收系统组成。
• 在这个生物反应器中，离心泵或气升泵可以用来循环介质通过太阳能接收器。
• 光生物反应器通常在25-40°C的温度范围内连续运行。
• 光生物反应器用于微藻和蓝藻的光合培养，生产虾青素和β-胡萝卜素等产品。

7.膜生物反应器

• 该系统将传统处理与膜过滤相结合，从而去除有机物和悬浮物，并去除高营养水平。
• 该系统中的膜被淹没在曝气生物反应器中。膜的孔径在0.035 ~ 0.4微米之间。
• 有了纯氧，这种生物反应器的好处得到增强，从而产生更高速率的生物处理系统，提供紧凑的控制COD和微生物。

生物反应器的应用

生物反应器的一些重要应用有:

类型的生物反应器	应用程序
搅拌釜发酵罐	抗生素，柠檬酸，胞外多糖，纤维素，几丁质水解酶，漆酶，木聚糖酶，果胶，果胶裂解酶，组织培养，脂肪酶，聚半乳糖醛酸酶，琥珀酸
泡罩塔发酵罐	海藻培养，几丁质水解酶
空运发酵罐	抗生素、几丁质水解酶、胞外多糖、赤霉素、漆酶、纤维素酶、乳酸、聚半乳糖醛酸酶、组织培养
流化床发酵罐	漆酶
填充床发酵罐	漆酶，氢，有机酸，哺乳动物细胞，
Photobioreactor	污水处理、水质管理、污染土壤修复
膜生物反应器	海藻酸盐，抗生素，纤维素水解，制氢，水处理，VOCs处理

生物反应器的局限性

类型的生物反应器	限制
搅拌釜发酵罐	高剪切应力
	高能源消耗
	移动内部部件
泡罩塔生物反应器	光合效率低
空运	不均匀的营养供应
	充分混合
	高粘度会限制散装循环
流化床发酵罐	粒子(分裂)是常见的
	增加反应堆容器尺寸
	细小颗粒的气泡床很难预测，效率也较低。
	管道和容器壁由于粒子碰撞而腐蚀
填充床生物反应器	不受欢迎的热梯度
	可怜的温度控制
	催化剂难以更换
Photobioreactor	畅销的问题
	由于缺乏蒸发冷却，需要温度保持
	由于光照，需要定期清洗
	需要最大限度的光照
膜生物反应器	生物膜过度生长导致定期清洗
	在高流速时，薄膜会破裂

参考文献

1. Chisti, y(2006)。生物反应器的设计。基础生物技术:第三版，米, 181 - 200。https://doi.org/10.1017/CBO9780511802409.009
2. Ghosh, B.， Bhattacharya, D.， & Mukhopadhyay, M.(2018)。发酵技术在工业增值研究中的应用。发酵技术原理及应用，8月, 141 - 161。https://doi.org/10.1002/9781119460381.ch8
3. Jaibiba, P.， Vignesh, s.n .和Hariharan, S.(2020)。典型生物反应器的工作原理。在生物反应器．公司https://doi.org/10.1016/b978 - 0 - 12 - 821264 - 6.00010 - 3所示
4. Mandenius,张炳扬。(2016)。生物反应器设计与操作的挑战。生物反应器,猴。https://doi.org/10.1002/9783527683369.ch1
5. Muniraj, i.k .， Desikan, R.和Subburamu, K.(2019)。发酵技术的展望与展望。食品生物制品与生物加工技术进展，2020年7月, 217 - 232。https://doi.org/10.1201/9780429331817-10
6. Kuila A和Sharma V(2018)。在发酵技术原理及应用．https://doi.org/10.1002/9781119460381
7. 罗斯，A. H.(1985)。发酵工艺原理。在生物技术的发展趋势(第三卷第九期). https://doi.org/10.1016/0167-7799(85)90016-2
8. Singh, J.， Kaushik, N.， & Biswas, S.(2014)。生物反应器-技术与设计分析．2016年4月, 27-36。
9. 斯皮尔，m.r.，范登伯格，l.p.d. S.，梅代罗斯，a.b.p， & Soccol, c.r.(2011)。不同类型生物反应器在生物过程中的应用。在生物反应器:设计，特性和应用2016年2月(问题)。
10. Viswalingam, K.， & Solomon, f.e.(2013)。生物反应器的比较研究。印度经济与发展杂志，五月, 104 - 107。
11. 钟娟娟(2010)。生物反应器工程的最新进展。韩国化学工程杂志，27(4), 1035 - 1041。https://doi.org/10.1007/s11814 - 010 - 0277 - 5。