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第八章生物反应器8.1生物反应器概论生物反应器的概念提出：20世纪70年代，Arkinson提出生化反应器（biochemicalreactor）一词。0llis提出另一术语—生物反应器（biologicalreactor）。80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现。生物反应器（bioreactor）是利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置。既包括传统的发酵罐（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、动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。生物反应器的作用：为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。8.1.1生物反应器的特点

及操作特性生物反应器的特点生物（酶除外）反应都以“自催化”（Autocalalysis)方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应速率不高与其他相当生产规模的加工产品相比，规模较大对于好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高产物浓度低。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，能耗低，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。8.1.2生物反应器的生物学基础酶促反应动力学单底物酶促反应动力学（米氏方程）多底物酶促反应动力学固定化酶促反应动力学酶失活动力学微生物反应动力学细胞：基质：产物：反应液体积：8.1.3生物反应器设计的基本原理设计的主要目的最大限度地降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率是生物反应设计的主要目的。设计原理基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。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。8.1.4生物反应器中的混合混合过程的分类根据完成混合过程地装置不同，生物反应器内的混合方法分为机械搅拌混合与气流搅拌混合机械搅拌混合主体对流扩散：是指搅拌器把动量传递给它周围的液体，产生一股高速液流，这股液流又推动周围的液体，使全部液体在罐内流动起来涡流扩散：是指由于主体对流扩散作用使罐内高速流体与低速流体间产生漩涡运动分子扩散：在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象。8.1.5生物反应器中的传热生物反应器中的能量平衡可表示为：Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率；Qag为搅拌造成的单位体积产热速率；Qgas为通风造成的单位体积产热速率；Qacc为体系中单位体积的积累产热速率；Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率；Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率；Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速率。实际生物反应过程中的热量计算，可采用如下方法：１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：青霉素发酵约为25000kJ/(m3h);链霉素发酵约为19000kJ/(m3h);四环素发酵约为20000kJ/(m3h);肌苷发酵约为18000kJ/(m3h);谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂，在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大升温约为12℃。3、通过生物合成进行计算。当Qsen、Qacc和Qgas可忽略不计即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。4、通过燃烧热进行计算