班级：生工091班
学号：2009053069
透水混凝土施工工艺
姓名：冯文宇
摘要：随着生物技术的发展，生物反应器作为一种生物功能模拟机，被广泛应用于制药、食品等行业，本文对生物器的发展现状、分类、主要构造、功能及优缺点进行了综述。 关键词：生物反应器，气升式发酵罐，研究，现状，分类，功能 Abstract: With the development of biological technology, bioreactor is a kind of biological function simulator, 二进制并行加法器widely used in pharmaceutical, food and other industries, the bioreactor development present situation, classification, main structure, function and the advantages and disadvantages are reviewed.
Key word: Biological reactor, Airlift fermentor, Research, Present situation ,Classification ,Function
一、生物反应器的概念
通常所说的反应器主要指发酵器(罐)或培养器，有各种不同档次、不同容积，主要用于生物的培养与发酵等。因此生物反应器是指利用生物体所具有的功能，在体外进行生物反应的一种装置。该装置主要由生物细胞及其催化剂和反应器装置两部分组成，可带各种自动化调节器以控制温度、PH值、供液供气量以及取样等设施，计算机技术的应用使生物反应器自动化程度高效化，生产规模大型化。
传统生物工业中使用的生物反应器是称为“发酵罐”（fermenter）。20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同时，Ollis提出了另一术语——生物反应器（biological reactor）。进入20世纪80年代，生物反应器不仅包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
二、生化反应器发展概况
微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型。生化反应器按其混合方式，可分为机械搅拌、气升式和空气鼓泡式三大类。然而在相当长一段时间内，由于发酵工业偏重于优良菌种和工艺的改进，对生化反应器本身的研究，尤其是对新型反应器的开发所作的努力不够，因而多年来最常用的还是源于化学工业的机械搅拌罐。这种传统的“标准罐”能耗大、结构复杂、放大难、易污染，机械搅拌产生的过强的剪切力会影响培养物细胞的生理特性，在粘度较大的培养液中气液接触不良。为解决上述问题，近20年来报道开发了气升式、自吸式、喷射式、筛板塔式等若干新型生化反应器。这些反应器各有特点，但发展的主要趋势之一是从机械搅拌过渡到气流搅拌，而改进的核心仍是提高传氧系数和节约能量。 由于气升式发酵罐比机械搅拌式罐有明显的优点，在生产SCP丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。70年代初空气雾化喷头, 英国ICI公司开发了二种用甲醇连续生产SCP的气升式发酵罐，以后又成功地将其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广国内上海、江门、周口等地已建造用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。近年，该类生化反应器又快速向着新的反应领域发展。
三、通风发酵设备
通风发酵设备是生物工业中最重要的一类生物反应器。通风发酵设备有通风式、气升式、鼓泡式、自吸式发酵设备等多种类型，可用于传统发酵工业与现代生物工业。
3.1机械搅拌式发酵罐
机械搅拌式发酵罐，是指既具有机械搅拌又具有压缩空气分布装置的发酵罐。机械搅拌式发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、中间轴承、空气分布器、挡板、冷却装置及视镜等。
机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵设备和技术在整个制药、生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。在众多类型的发酵设备中，兼具通气又带机械搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，广泛使用于抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。标准式发酵罐设计的技术关键在于搅拌技术复杂的气液两相流动问题上。机械搅拌式发酵罐不仅能为制药企业节省可观的投资，还可大大节省能耗等运行费用，同时提高产品产量与收率。机械搅拌式发酵罐主要有三种：通气式、自吸式和表面更新式。
3.2气升式反应器
气升式反应器原理是采用内环流气升式中心进气的反应器，内部无搅拌装置，是在传统的鼓泡塔中加入导流筒构成的。当气体通过气体分布器进入中心导流筒后，造成管内流体密度比管外低，在静压差和进入气体的动量作用下，使液体携带气泡在反应器内形成循环流动，从而达到良好的气液混合。
优点主要是具有比其他生物反应器更强的抗杂菌污染的能力，流动性也更为均匀，且反应器本身结构简单，不具反应液泄漏点和卫生死角操作费用也很低。 缺点相对来说较少，主要是高密度培养时混合不够均匀。
气升式生物反应器用于高生物量的霉菌或放线菌培养，能满足高生物量对溶氧水平的高要求。另外，由于以气体作混和与传质的动力，气液能量传递在瞬间完成，这对象丝状菌等对剪切力敏感菌体培养的影响远小于“通用式”机械搅拌罐。气升式生物反应器用于三抱布拉氏霉菌β-萝卜素工业发酵生产，使民胡萝卜素产率比“通用式”机械搅拌罐提高2倍左右，发酵周期缩短48 h以上。
气升式生物反应器用于高粘度培养物发酵，能利用高粘度拟塑性发酵液剪切变稀的流变性质，大幅度降低其表观粘度，提高传质速率和溶氧水平。同时，发酵液在反应器中做整体循环，宏观混和较好，不会产生传统的机械搅拌发酵罐中高粘度物料在远离搅拌桨的近壁区常出现的滞流边界层，特别是在挡板后面不会形成静止区或滞流区，该区的气体通过罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均匀地和液体混合。气升式生物反应器用于黄原胶、灵芝多糖等多种微生物多糖的工业生产，能显缩短发酵周期，提高多糖产率。
装载机称重系统气升式生物反应器用于石油产品的发酵将大大改善油水乳化状态，提高溶氧水平，加快微生物生长和代谢速度，提高生产效率。气升式生物反应器用于工业规模的微生物石油脱蜡，发酵周期比传统的鼓泡反应器缩短4倍多，节能40％左右。气升式生物反应器是一种结构新颖、混和与传质效率高的反应器。气升式生物反应器对解决一些高生物量、高密度、高粘度、高含油体系的混和和传质难题有独到之处。几年来，气升式生物反应器已成功地应用于高生物量的β-胡萝卜素发酵、高糖度的甘油发酵、高粘度的微生物多糖发酵、高含油量的微生物石油脱蜡等。
因气升环流发酵罐内没有搅拌器，且有定向循环流动，故具有多方面优点。
(1)反应溶液分布均匀 气一液一固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求。对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶解氧应尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都在0．1％～1％范围内，溶解氧为10％～30％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流发酵罐能很好地满足这些要求。
(2)较高的溶解氧速率和溶解氧效率气升式反应器有较高的气含率和比气液接触界面，因而有高传质速率和溶解氧效率，体积溶解氧效率通常比机械搅拌罐高，溶解氧功耗相对低。
(3)剪切力小，对生物细胞损伤小 由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低。
(4)传热良好好气发酵均产生大量的发酵热，而传热温差则只有几度(℃立方氮化硼砂轮)，尤其夏季，若使用非冷冻水，则只有投影拼接3～10℃左右，故需要很大的换热面积与传热系数。气升式反应器因其液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热而控
制适宜的发酵温度。
(5)结构简单，易于加工制造气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，因此加工制造方便，设备投资低，放大设计制造大型和超大型发酵反应器也容易实现。
影响气升环流式发酵罐特性的主要结构及操作参数包括高径比、导流筒高度与反应器高度之比、导流简直径与反应器直径比、导流筒顶部和底部与罐顶和罐底的距离、通气速率、循环时间、平均循环雷诺准数、平均循环速度等。
主要缺点：
需要非常大的空气吞吐量，相间混和接触较差；当循环的有机体和操作条件发生变化时， 底物、营养物和氧的量不能保持一致；混和与通气是耦合问题，也即很难在不改变通气的条件下改善混和状况。
由于气升式发酵罐有明显的优点，在生产SCP、丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。70年代初，英国ICI公司开发了二种用甲醇连续生产SCP的气升式发酵罐，以后又成功地将
其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广(目前ICI公司已放大至2000m³，苏联用于柠檬酸发酵的气升式罐也达200m³)。国内上海、江门、周口等地已建造用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。
3.3鼓泡式反应器
最简单的鼓泡式反应器内部为空塔，塔的底部用筛板或气体分布器来分布空气。其工作原理是利用通入培养基中的气泡在上升时带动液体产生混合，并将气泡中的氧气传入培养基中供菌体利用。
一般塔式反应器内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议