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第八章生物反应器

教学目标：掌握返混的概念；了解理想反应器模型；了解发酵罐的基本结构。

教学重点：返混的概念；发酵罐的基本结构。

教学难点：发酵罐的基本结构。

课时：6学时

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臵。（古代欧洲用

牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化为乳酪。牛胃便是生物反应器，活

性物质是凝乳酶）

第一节生物反应器基本知识

一、生物反应器类型

1、按操作方式分：间歇、连续、半连续；

2、按照反应器内流体流动及物料混合程度：理想、非理想；

3、按照几何构型和结构特征：罐式、管式、塔式、膜式；

4、按照相态：非均相、均相；

5、按照流体与固体催化剂的接触方式：固定床、流化床；

6、按照所使用的催化剂：酶催化反应期、微生物反应器。

例如：葡萄糖被葡萄糖异构酶所催化是单一的酶催化反应，所需的反应器

为酶反应器。葡萄糖发酵成乙醇是由微生物酵母生产的一系列酶在无氧条件下

催化而成的产品，所用酶反应器为发酵罐。

随着生物工程技术的发展，动植物细胞逐渐从实验室规模过渡到生产规模。

动植物细胞培养是指动物或植物在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生

长增多，但不再形成组织。动植物培养与微生物培养有较大区别，首先是动物

细胞没有细胞壁，而且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体表面才能生长，

并对培养基的营养要求苛刻等原因，所以强烈的机械搅拌与通气鼓泡产生较大

的剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。植物细胞具有细胞壁，可以像微生物一

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样在液体中悬浮培养，但对流体的剪切力的耐受性比微生物低，再加上动物细

胞的生长比微生物缓慢，并且动物细胞培养条件又非常适合杂菌生长。所以反

应器在结构上有特殊要求。

二、生物反应器设计内容与开发趋势

1、设计内容：生物反应器在生物工程中处于极为重要的中心地位，它通常影响

整个过程经济效益的重要方面。反应器设计的基本准则是操作状态最佳化。

（1）反应器类型：根据生产工艺特征、反应及物料特性等因素确定反应器的操

作方式、结构类型、传动和流动方式等。

（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）确定工艺参数及控制方式，如：温度、压力、通气量、进料浓度、流量等。

另外，考虑一些特殊需要，例如微生物和动植物细胞容易受到杂菌的污染，应

尽量少用法兰，多采用焊接连接，反应器内保持一定正压，避免大气漏入等。

2、开发趋势：

（1）建立描述生物反应过程的各种数学模型，以反应器为研究对象，将其中的

生物反应过程分解为生化反应、传递过程、流体流动及混合等分过程，分别进

行研究，然后联立求解动力学方程、物料及热量衡算式，从而得到所研究的生

物反应过程规律的解析表达式，获得较精确的反应过程本质的数学模型，以便

用于过程的自控、优化及反应器的设计与放大。

（2）大型化生物反应器的研究。生物反应器正向大型方向发展，例如：抗生素

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的发酵罐容积已达400m,氨基酸的生产达到500m,生产单细胞蛋白的气升式发

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酵罐达到2600m，处理废水的生物反应器超过27000m，国内生物反应器容积

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多在200m以下。反应器的放大降低了生产成本，但大型反应器的设计还需要

一定的技术问题。

（3）特殊要求的新型生物反应器的研制开发。例如：基因产品生产、细胞固定

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化及动植物细胞培养的工业反应器、固体发酵反应器、边发酵边分离的反应器

等的开发研制以获得广泛的重视。

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第二节理想反应器

间歇操作发酵罐的特点：物料一次加入，反应结束后一次放出，在良好的

搅拌下，罐内各点温度、底物浓度可接近均匀，罐内底物浓度随时间变化，所

以反应速度也随时间变化。单罐间歇发酵是微生物或细胞在一个罐内完成