第二章 生物反应器
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生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、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。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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带循环的CPFR
部分细胞连续从出口返回 选择最佳的物料循环速度
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CSTR型与CPFR型反应器性能的比较
在相同的工艺条件下进 行同一反应，达到相同
转化率时，两者所需的 停留时间不同，CSTR型 的比CPFR型反应器的要 长，也就是前者所需的
在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物 浓度较高； CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促 反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言， 由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产 能力也低。
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间歇操作搅拌反应器
操作特征： ①反应过程中与外界无物料交换 ②反应器中各组分浓度仅随反应时间变化，是非稳态
反应过程 ③物料具有相同停留时间 ④反应器内物料混合充分，不存在浓度和温度梯度
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推导
对底物S的衡算式： 累积速率=-反应消耗速率
反应速率：
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生物反应器的作用：就是为生物体代谢提供一个优化 的物理、化学环境，使生物体能更快更好地生长，以 获到更多需要地生物量或代谢产物。
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生物反应器的特点
➢ 生物（酶除外）反应都以自催化（autocatalysis）方式 进行，即在目的产物生成的过程中生物自力要生长繁 殖。
➢ 生物反应速率较快，生物反应器的体积反应速率不高 ➢ 与其他相关生产规模的加工过程相比，所需反应器体
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程 度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
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产率是优化的目标函数
若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物 生成速率时为反应终止时间续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成
反应器体积比后者大。
转化率越高，CSTR中所 需酶的相对量也就越大。
另外，比值还依赖于反
应级数，一级反应时其 比值最大，0级反应时其
比值最小。
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0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区 别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转 化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比 CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏 感。但是，在某些场合，操作条件相同，要得到同样 的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。
对于均相酶促催化反应
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单底物酶促反应BSTR的反应器
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对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段
加速生长期
停滞期
指数生长期 减速生长期 平衡生长期
负生长 期
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对数生长期细胞生长时间的计算 对数生长期，比生长速率达到最大 代入积分式后积分得到
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积大 ➢ 对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ➢ 产物浓度低
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高效生物反应器的特点： ➢ 设备简单，结构严密 ➢ 良好的液体混合性能，较高的三传速率 ➢ 易于放大 ➢ 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等
判断生物反应器好坏的标准： ➢ 该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。
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相同。
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稳态条件下：
物料在反应器中的平均停留时间 稀释率表示单位体积在单位时间所处理物料的体积
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保留酶的方法 动力学：
恒化法与恨浊法
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带有细胞循环的CSTR
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红色表示带循环的CSTR 黑色表示不带循环的CSTR
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稳态操作 各个反应器内为全混流 反应器之间无返混 各反应器操作条件相同，得率为常数
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生物反应器的操作模型
间歇操作
对酶反应，培养液一次性全部加入，接种培养一段时 间后，将培养液一次性全部放出；对细胞反应，接种 后反应到规定要求。
连续操作 反应物加入与产物排出是连续进行的
半间歇操作 介于两者之间
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操作模型
用一组包括底物、产物和生物量的动力学在内的质量 衡算方程，来描述在不同操作方式反应器内状态变量 随时间变化的规律。
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生物反应器的分类
按有机体种类：细胞反应器（微生物反应器、植物细 胞反应器、动物细胞反应器）酶反应器。
根据操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器和 半间歇操作反应器。
根据流体宏观混合状态：理想流动和非理想流动。 根据反应器形态和结构：槽式、塔式、管式和膜式等
反应器 根据反应物系的相态：均相和多相反应器。 根据能量提供方式：机械搅拌和流体搅拌反应器。