生物反应器的设计专题培训课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物反应器的设计,第一章 生物反应器的结构和类型,一.生物反应器的基本工程概念,(一),生物反应器类型,生物反应器,：利用生物催化剂进行生物技术产品生产,的反应装置。,分类方法,：,1.,按,操作方式,：间歇式（分批式），连续式，半连续式,2.,按几何构型及,结构特征,：罐式(高径比,13,)，,管式(长径比,30,)，,塔式(竖立高径比,10,),，,膜式（内有膜件）.,3.,按反应器所需,能量的输入方式,：,机械搅拌式，气升式，环流式。,2,4.,按生物催化剂在反应器中的,分布方式,：,生物团块反应器，生物膜反应器。,5.,按固相催化剂的,运动状态,：,填充床，流化床，生物转盘等,6.,按反应体系的,相态,：,均相，非均相(固定床,流化床),7.,按流体,流动状态,：,理想反应器，非理想反应器,8.,按,催化剂类型,：,微生物反应器（发酵罐），酶反应器,9.,按,培养对象,：,微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器,3,4,间歇操作,特征,：,反应物料一次加入一次卸出；,反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产,物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。,因此它是一个,非稳态过程,。,适合于,：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。,5,6,连续反应器,特点,：,原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。,反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变。,因而属于,稳态操作,。,优点,：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。,缺点,：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。,7,半连续反应器,特点,：,原料与产物只有其中一种是连续输入或输出，,而其余则是分批加入或输出。,优点,：,可减缓底物对细胞生长的抑制作用；,实现细胞的高密度培养；,既可以提高反应器的生产能力，也有利于下游加工过程。,（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）,8,(二),生物反应器设计内容,反应器设计的基本准则,：,操作状态最佳化,。,反应器设计的主要内容,：,1.,反应器选型,：,操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。,2.,设计反应器的结构，计算所需反应器体积，确定各种结构,参数：反应器的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.,确定最佳操作条件及其控制方式,：,温度，压力，,pH,值，通气量，底物浓度，物料流量等。,9,与一般化学反应器的不同之处,：,1.,防止反应器的堵塞,2.,控制搅拌器的转速,3.,避免染菌,10,(三)生物反应器的开发趋势,1.,开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂；,2.,建立描述生化反应过程的各种数学模型；,3.,大型化生物反应器的开发研究；,4.,特殊要求的新型生物反应器的研制开发。,11,(四)研究生物反应器的目的,1.,确定该生物产品达到一定的产量需要多大的生物反应器，,什么结构更好。,2.,结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化，,为生物加工过程提供最佳环境条件，并解决放大技术。,12,二.生物反应器设计的计算基础,(一)生物反应器的基本设计方程,反应物系的组成及操作参数反应组分的转化速率,反应器体积,反应器设计的基本方程有三类,：,物料衡算式,：描述浓度变化（依据,质量守恒定,律）,能量衡算式,：描述温度变化（依据,能量守恒定律,）,动量衡算式,：描述压力变化（依据,动量守恒定律,）,13,变量,：,因变量,：,反应组分的浓度或转化率；反应物系的压力或温度。,自变量,：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自,变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。,控制体积,：,是指建立衡算式的空间范围，其选择原则是以能把,反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。,可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体,作为控制体积。,微元体,：,指一微分体积，它可以反映出可能发生的全部过程和,现象。它的体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。,14,1.,物料衡算式,衡算的组分,：可选底物，产物，或细胞做衡算；,衡算的时间基准,：可取某一段时间或取某一瞬时的微分时间；,衡算的空间范围,：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。,对反应物做物料衡算,：,组分进入该体积单元的量,=组分流出该体积单元的量,+体积单元内组分转化的量,+体积单元内组分累积量,15,对产物做物料衡算,：,组分进入该体积单元的量,=组分流出该体积单元的量,体积单元内组分,生成量,+体积单元内组分累积量,对细胞做物料衡算,：,细胞进入该体积单元的量,=细胞流出该体积单元的量+体积单元内细胞生长量,+,体积单元内细胞死亡量,+体积单元内细胞累积量,16,2.,能量衡算式,一般只作热量衡算，在一定的时间范围内：,单位时间内输入的热量=单位时间内输出的热量 +单位时间内的反应热,+单位时间内累积的热量,若为放热反应，则等号右边的第二项取负号；,若为吸热反应则取正号。,17,3.,动量衡算式,生物反应器一般可做恒压处理，因此动量衡算式可略去。,总之，上述基本衡算式均符合下列模式：,输入=输出+消耗+累积,在定态下，即所有状态参数均不随时间变化上时，累,积项均为零。,18,(二)生物反应器内流体的流动与混合,1.,基本概念：,粒子的年龄,：,物料粒子(分子或其凝聚体)进入反应器后所经历的时间。,停留时间,：粒子离开反应器时的年龄。,返混,：反应器内不同年龄的粒子间的混合(对,连续流,而言)。,产生返混的原因,：,反应器内的死角区，,沟流或短路，,流体在管内速度分布不均（管式反应器），,剧烈搅动（釜式反应器）等。,19,2.,流动状况：,理想流动模型,：,平推流模型,无返混,全混流模型,全返混,非理想流动模型,：,轴向扩散模型和多釜串联模型等，,介于无返混和全返混之间。,20,(三)平推流管式反应器的计算,1.,基本概念：,平推流,：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直的截,面上，各粒子的流速和流向完全相同。,平推流反应器,：反应器内流体的流动形式为平推流，如,均相管式反应器，长径比大且流速高的,固定床反应器。,Plug Flow Reactor,简写为,PFR,),特征,：,所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同，不存,在返混。,在同一截面上物料组成不随时间变化，但随物料流动,方向而改变。,21,2.,计算：,取反应器中某一微元体积dV作物料衡算：,进入量 排出量=反应量+积累量,F c,s,F,(,c,s,+d,c,s,)=,v,d,V,+0,即,：-,F,d,c,s,=,v,d,V,对整个反应器而言,：,(,平推流反应器的设计方程,),v,：,反应速度,，,mol/(L,.,min)；,c,s,：,底物浓度,mol/L；,V,：,反应器有效体积，,L,；,F,：,物料流量,L/min,；,：,物料在反应器中的停留时间,，,min.,22,23,(四)全混流罐式反应器的计算,1.,全混流模型的特征,：,进入反应器的新物料与反应器内原有物料能够在瞬间,达到完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓,度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。,与之相对应的反应器称为全混流反应器：,连续罐式反应器,。,(,Continuous Stirred Tank Reactor,简写为,CSTR,),24,2.,计算：,对稳态下的全混流反应器作物料衡算：,进入量 排出量=反应量+积累量,Fc,s0,Fc,s,=,vV,+0,即：,（全混流反应器的基础设计方程式）,对于酶催化反应：将米氏方程代入,对微生物反应器：将,Monod,方程代入,25,三.微生物细胞反应器,微生物细胞反应器,：,为微生物提供一个适宜的生长环境，使之快速繁殖并,且产生有用的物质或对某种物质进行转化，以达到提供某,种产品或为社会服务的目的。,微生物反应器应具备的必要条件,：,尽量避免杂菌污染；,反应器内尽量减少死角；,所有的阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌；,反应器结构简单，容易清扫；,罐体各部件要有一定的强度，以承受一定的压力。,26,发酵过程中的几个特殊问题,：,要为系统供应充足的氧气；,剪应力的敏感性；,发酵液的流变特性；,絮凝作用；,杂菌污染；,发酵过程的参数检测与控制，与其他化学过程相比，,要困难得多。,27,发酵设备的分类,：,按对氧的要求,分类：,好氧发酵罐，,厌氧发酵罐,按,产生搅拌的动力,分类：,机械搅拌式，,气流搅拌式,28,罐 式 发 酵 器,(一)机械搅拌通气式发酵罐,工业上最常用的一种微生物反应器，既有机械搅拌,又有压缩空气分布装置。,1.,搅拌器,主要功能,：,打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的,传质速率；,使发酵液充分混合；,使液体中的固形物料保持悬浮状态；,促进发酵热的散失。,29,类型,：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。,大多采用涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。,在相同是搅拌功率,下粉碎气泡的能力：,平叶式,弯叶式,箭叶式,30,尺寸,：,搅拌器直径与罐径之比可在,1/3-1/2,之间。,可根据发酵罐的容积，在同一个搅拌轴上配置多,个搅拌器。,叶片数目,：,4,叶，,6,叶，,8,叶，以,6,叶,居多。,在,H/D,不大时，搅拌器通常使用单浆；,若,H/D,较大，需采用多浆装置。,各浆间距为,(1-2.5)d,（,d,:,浆叶外径），,最底部浆与罐底间距为,(0.8-1)D,（,D:,罐内径）。,位置,：,上伸轴，下伸轴,31,32,33,2.,挡板,主要功能,：,使沿壁旋转流动的液体折向轴心，,消除搅拌时形成的旋涡。,尺寸,：,挡板的宽度通常为罐内径的,1/8-1/12,。,位置,：,在器壁设有几块垂直挡板。一般安装,4-6,块,。,34,35,3.,换热装置,主要功能,：,将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生,的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。,Q,发酵,=Q,生物,+Q,搅拌,Q,空气,-Q,辐射,Q,生物,：生物氧化产生的热量；,Q,搅拌,：搅拌器搅动液体时产生的热量；,Q,空气,：通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气,温升所带走的热量；,Q,辐射,：由于罐外壁壁温与大气温差而引起的热量传递,。,36,类型,：,夹套换热器,：一般小型发酵罐多采用（容积为,5 m,3,以下）；,蛇管换热器,：大中型发酵罐多采用（容积为,5 m,3,以上）。,37,4.,消沫装置,主要功能,：将发酵过程中产生的泡沫破碎。,类型,：,耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。,也可加消泡剂。,机械搅拌通气式发酵罐的优点：,操作弹性大，pH值和温度易于控制；,有较规范的工业放大方法；,适合连续培养。,对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特性的培养液发,酵过程更为适用。,38,缺点：,驱动功率大；,内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染；,在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，,细胞易受损伤。,39,(二),自吸式发酵罐,特点,：不需要空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器,旋转时产生的抽吸力吸入空气。,搅拌器,：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中,心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。,40,优点,：,利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内，达,到,既通风又搅拌,的目的，从而省去了压缩机。,缺点,：,进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要,求较高的发酵生产是不适宜的；,搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正,常生长。,41,42,塔 式 反 应 器,（一种高径比较大的非机械式的生物反应器）,主要优点,：,省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌；,反应器结构简单；,功率消耗小；,减少了剪切作用对细胞的损害；,溶氧速率高。,43,结构原理,：,塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，,一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断,形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。,类型,：,最有代表性的是,鼓泡式发酵罐,和,气升式反应器。,44,(三)鼓泡式发酵罐,又称空气搅拌高位反应器，通常有,多层筛板,。,原理,：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升,时的动力带动液体运动，达到混合效果。,特点,：高径比较大，一般在,6:1-10:1,之间，空气进入培养液,后有较长的停留时间。,多孔筛板的作用,：阻截气泡，既延长气体的停留时间，又,使空气在反应器内经多次聚并与分散。,45,46,优点,：,发酵罐结构简单，,造价较低，,动力消耗少，,操作成本低且噪声小，,避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染。,缺点,：,塔体高度大，需要在室外安装；,需要压力较高的压缩空气以克服罐内液体静压力。,较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低的发酵,过程。,47,(四)环流式发酵罐,1.,气升环流式发酵罐,结构特点,：不设机械搅拌装置，但在罐外设,体外循环管,，,或在罐内设,导流筒,或,垂直隔板,。,原理,：通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升，,不通气的一侧则因液体密度较大而下降，因而在,反应器内形成液体的环流，大大强化了氧的传递。,优点,：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，避免了机,械搅拌反应器中轴封不严所带来的杂菌污染问题。,不适用于,：高黏度或含大量固体的培养液。,48,49,2.,喷射环流式发酵罐,原理,：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强,的剪切力场，将射入的空气在液相中分散为小气泡。,在反应器内重新聚并起来的大气泡，通过环流得以,再度分散，从而加快传质速率。,优点,：与机械搅拌式发酵罐相比，在同样的能耗下，喷射,环流式发酵罐的氧传递速率要高得多。,(五)连续管道发酵器,所用管道可以是直管也可以是蛇管。,主要用于厌氧发酵。,50,51,(六)基因工程菌发酵罐,1.,基因工程菌：通过基因操作得到的,DNA,重组微生物。,2.,需特别注意的问题,：发酵罐内微生物的泄漏。,3.,造成泄漏的原因,：,排气,：需经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放。,轴封泄漏,：,90,升以下的发酵罐，可采用磁力搅拌；较大,的发酵罐应采用双端面密封。,取样,：取样后用蒸汽将有关管道灭菌，冲出的污物经专,门的管道收集到污物贮罐，最后统一灭菌处理。,接种和放料,：,52,53,四.酶反应器,以酶为催化剂进行生物催化反应的装置称为酶反应器,，,催化剂可以是溶液酶，也可以是固定化酶。,形,式,操 作 方 式,说 明,均相酶,搅拌罐,分批，流加,机械搅拌,反应器,超滤膜反应器,分批，流加，连续,通过膜将酶保留在反应器内,固定化,搅拌罐,分批，流加，连续,固定化酶悬浮于,酶及固,反应器内，不排出,定化细,固定床,连续,广泛应用于固定化酶与固定化细胞中,胞反应,流化床,分批，连续,靠流体流动使固定化酶悬浮在流体中,器,膜式反应器,连续,通过膜将固定化酶保留在反应器,鼓泡塔,分批，连续,适用于有气体参与的反应,54,55,游离酶,：,反应结束后催化剂很难回收，但可获得较高的产物收率。,固定化酶,：,酶易于回收重复使用。,（一）间歇式酶反应器,通常为带有搅拌器的罐式反应器，,设置有夹套或盘管以便加热或冷却罐,内物料，控制反应温度。,主要用于游离酶反应，一般并不回收游离酶。固定化,酶很少使用在间歇反应器中。,56,（二）连续搅拌罐式酶反应器,（CSTR）,结构,：与间歇罐式反应器基本相同。,特点,：,连续进料，连续出料；,罐内各点浓度均匀一致，,且等于流出液浓度；,易于控制温度和,pH,值；,能处理胶态和不溶性底物。,优点,：,造价低，装置比较简单；,反应能迅速达到稳定状态；,传质的阻力也可降到最低限度。,57,缺点,：,搅拌浆产生的剪切力较大，常会引起固定化酶的破坏。,改良措施,：,将固定化酶固定在搅拌轴上，或放置在与搅拌轴一起,转动的金属网筐内，既不损坏固定化酶，又使酶不致流失。,为使反应器内酶浓度一定，可,采取以下措施,：,溶液中连续流加酶；,使用多孔膜使酶滞留于溶液中；,出口处用筛网罩住；,酶被固定在搅拌轴上的容器内；,溶液快速循环通过固定化酶柱。,58,59,（三）固定床酶反应器,特点,：,当原料通过固体催化剂床层时，催化剂颗粒静止不动。,固定化酶的形状,：,球形，碟形，薄片，小珠等。,流动形态,：,接近于,平推流,，可近似认为是平推流反应器。,沿柱的方向底物及产物的浓度是逐渐变化的，,但在同一横切面上浓度是一致的,。,60,61,优点,：,单位反应器容积的催化剂颗粒装填密度高；,结构简单，建造费用低；,适于容易磨损的固定化酶；,当有产物抑制时，采用这种反应器可获得较高的产率。,但如果有底物抑制时，就不十分适合了。,缺点,：,传热传质系数相对较低；,固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力；,当反应液内含有固体物料时不宜采用此反应器，固体物,质会引起床层堵塞。,62,（四）流化床酶反应器,特点,：,通过流体自下而上的流动使反应器内装填的固定化酶,颗粒在流体中保持悬浮状态，即以流态化状态进行反应。,优点,：,流体与固体充分接触，,混合程度高，传热传质性能良好；,可用于处理粘性大和含有固体颗,粒的底物，不易堵塞。,缺点,：不适合于有产物抑制的反应。,63,（五）膜式酶反应器,原理,：,利用膜将分子量较大的酶及底物截留在酶反应,器内，从而达到酶的反复使用及与产物分离的目的。,膜的作用,：,可使酶重复使用以使反应,体系维持较高的酶浓度；,可把产物不断地从反应体系中分离出去以减少产物对反,应的抑制作用，从而提高反应器的生产能力。,64,膜的种类,：,按孔径从小到大依次分为：,反渗透膜(,RO,),超滤膜(,UF,),微滤膜(,MF,),普通滤膜,根据膜的性质不同分为,：,固体膜反应器,液体膜反应器,65,1.,固体膜反应器,适合于,：,大分子或小分子底物转化为小分子产物的酶反应；,尤其适合于水解酶类的酶反应。,优点,：,底物可按需要定量地进入反应器，操作比较方便；,酶可以游离的方式起作用，消除了因固定化而带来的,酶活损失；,反应器本身易于清洁和消毒，反应条件易于控制；,膜的价格不太高。,66,67,全混搅拌釜超滤膜反应器,：,酶处于水溶液状态。利用超滤膜分离器使小分子的生,成物透过超滤膜的微孔而排出，而像酶这样的大分子则被,截留在超滤膜表面上，同时利用泵的压强将截留在膜表面,的大分子化合物压回搅拌釜重新使用。,68,适用于,：产物为小分子化合物的酶促反应，,也可用于水不溶性底物和胶体状底物。,优点,：效率高，可以在反应的同时把生成的产物分离出来。,缺点,：不容易得到能长期稳定操作的酶；,膜上吸附的酶容易形成浓差极化，影响透过液的通量。,69,2.,中空纤维膜反应器,原理,：,把酶结合于半透性的中空纤维上，这种半透膜只允,许底物和产物等小分子量物质通过，而分子量较大的酶,则不能。,结构,：,内层紧密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分,子物质而允许不同的小分子物质通过。,外层是多孔的海绵状的支持层。,膜材料,：纤维素衍生物，如：硝化纤维，醋酸纤维素；,聚酰胺，聚砜等。,70,71,优点,：,纤维膜的比表面积较大，管径很小，并能能承受较大,的压力；,传质阻力较小；,对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶；,含酶溶液被固封在海绵状结构层的孔隙中，酶在溶液,中是自由的，消除了固定化酶技术中存在的对酶的位,阻现象和减活作用。,72,73,3.,循环式膜反应器,特点,：反应器与分离装置是分开的。,生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离，然,后再循环至反应器中应用。,类型,：超滤膜酶反应器，透析膜酶反应器等。,应用,：,酶催化橄榄油水解，,葡萄糖发酵制乙醇，,发酵法制取丙酮和丁醇等。,74,综合评述,：,通常选择反应器时应考虑如下因素：,（1）,固定化酶的形状：颗粒，纤维，管或膜。,（,2,）底物性质：可溶性的，颗粒的或胶态的。,（,3,）反应过程：是否要求控制,pH,或供给氧气和防止杂菌,污染等。,（,4,）酶反应的动力学特征。,（,5,）载体负荷能力，即偶联酶量。,（,6,）固定化酶的稳定性、更换及再生的难易。,75,（,7,）固定化酶表面积,/,反应器体积的比值。,（,8,）物质传递特性：内扩散和外扩散的影响。,（,9,）反应器制造的难易。,（,10,）操作要求及反应器的成本：包括制造和运转成本。,（,11,）反应器的管理难易。,（,12,）固定化酶的大小，机械强度和密度。,（,13,）生产的产量大小。,76,五.动植物细胞培养用反应器,动植物细胞培养的意义,：,可以生产许多重要的，原先难以生产或无法生产的,生物产品。,动物细胞的培养贵重药物和特殊的酶；,植物细胞的培养有效的生物转化，而获得许多重要,的产品促进植物遗传工程的发展。,77,动植物细胞培养与微生物培养的区别,：,动物细胞,没有细胞壁，对搅拌引起的流体剪切力十分敏感；,大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长；,对培养基要求高，要求含有多种氨基酸，血清，维生素，,无机盐等；,培养条件苛刻，对于溶氧浓度，,pH,值及温度等都要求严格；,生长比微生物慢得多，培养时间长；,易染菌，要严格防污染。,78,(一)动物细胞培养用反应器,1.,动物细胞培养过程的特征,生长速率慢，易为微生物等污染，采取加入抗生素等措施；,细胞个体大且无壁，对环境敏感，应解决供氧（搅拌与通,风）与细胞脆弱的矛盾；,设备放大不能完全照搬微生物反应过程的经验；,反应过程成本高，但产物的价格更昂贵。,目前利用大规模细胞培养方法生产的产品主要有四大类：,疫苗,，,干扰素,，,单克隆抗体,，,遗传重组产品,79,2.,反应器类型,动物细胞按培养特性不同分为两类：,（,1,）,非锚地依赖性细胞,：,可采用悬浮培养法，反应器与培养微生物者相类似。(主要是血液细胞，淋巴组织细胞或肿瘤细胞),（,2,）,锚地依赖性细胞,：,必须贴附于固体或半固体物体表面才能培养，该类反,应器必须提供巨大的表面积。(多数动物细胞),80,动物细胞反应器的主要类型,：,多层平板式，多层圆盘式，螺旋转膜式，多层托盘式，,卷带式，中空纤维管，流化床式，微载体搅拌式，,通气搅拌式。,81,3.,培养条件,一般地，温度为,37,0.02,，pH为70.05，通气中,氧与二 氧化 碳的含量比为95,:,5,；,动物细胞生长缓慢，倍增时间为,15100 h,；,培养基及其复杂且昂贵。,82,4.,培养方法,按其加料或出料方式可分为,5,种：,（1）,分批式操作,：,将细胞和培养液一次性加入反应器内进行培养，细,胞生长，产物形成，最后取出整个反应系。,（2）,流加式操作,：新的营养成分不断补充加入。,83,（3）,半连续式操作,：,分批操作中取出部分反应系，补充新的营养成分，,但反应器内培养液的总体积保持不变。,（4）,连续式操作,：,细胞种子和培养液一起加入，,反应液不断取出而新鲜培养液不断加入。,（5）,灌注式培养,：,细胞接种后进行培养，连续注入新鲜培养基的同时，,连续等量排出用过的培养基，但细胞留在反应器内。,84,灌注式培养的优点,：,其产量为一般悬浮法的几倍；,获得的都是活细胞，通常悬浮法培养收获的细胞有,30%,是死细胞。,缺点,：,培养基消耗量比一般悬浮培养高几倍，,工作过程较复杂，,培养物易受污染和培养细胞不稳定。,85,对非锚地依赖性细胞,：,其悬浮培养多采用分批式操作方法，,也可采用灌流培养法。,对锚地依赖性细胞,：,可采用分批，半连续和连续等多种方法。,目前主要采用中空纤维培养系统和微载体培养系统。,常采用的培养方式有,：,悬浮培养，,微载体培养，,贴壁培养，,包埋培养等。,86,贴壁反应器,：,传统的培养装置采用的是,滚瓶,。,优点,：结构简单，投资少，技术成熟，,放大只是简单地增加滚瓶数。,缺点,：,劳动强度大；,单位体积所能提供的细胞生长的表面积小；,占用空间大，按体积计算细胞产率低；,监测和控制环境条件受到限制。,因此限制了动物细胞,的大量培养。,87,中空纤维反应器,：由上千根中空纤维管组成。,材料,：硅胶，聚砜，聚丙烯等。,结构,：具有海绵状多孔结构，细胞能附着其壁上生长；,管壁是半透性多孔膜，大分子有机物不能透过，,能透过水分子，营养物质和氧及二氧化碳。,尺寸,：一般内径为,200,m,，壁厚为,50-75,m,。,优点,：生长面积与容积之比可达,40,多倍，溶氧传质速率,可达,0.6 mmol/(L,.,h),。为大规模动物细胞的培养创,造了条件。,88,89,90,微载体悬浮反应器,：,微载体的材料,：,交联葡聚糖，纤维素，聚丙烯酰胺，硅橡胶，明胶等。,大小,：,球径约,40-120,m,，溶胀后的直径约,60-280,m,，,使用时要求球径较均匀，密度在,1.03-1.05g/ml,。,优点,：,单位体积具有的表面积大，,1g,微载体可提供,5000,-,6000cm,2,的表面积，故单位体积培养基的细胞产率高；,氧传递能力可达,30mg/(L,.,h),；,放大容易。,91,(二)植物细胞培养用反应器,1.,植物细胞培养的特点,生长速率慢；,细胞个大，并且细胞壁以纤维素为主要成分，抗剪切能,力低；,为防止染菌，需加抗生素；,细胞培养需氧，而培养液黏度大，不能强力通风搅拌；,有坚固的细胞壁，代谢产物在细胞内且产量低，必须高,密度培养；,培养的植物细胞常生成各种大小的团块，增加了悬浮培,养的难度。,92,2.,反应器类型,通气搅拌罐，鼓泡塔，气升式及振动混合式反应器。,此外：恒化反应器，平板反应器，中空纤维反应器。,在各类反应器中，搅拌罐剪切力较大，,鼓泡塔混合性能较差，,气升式反应器性能较佳。,3.,培养基,除水以外，有九大类：,无机营养物，维生素，碳源，植物激素，氨基酸类，,核酸及其水解物，天然物，氯化胆碱，琼脂。,93,4.,培养方法,根据植物细胞所处的状态不同 悬浮培养法，固定化植物细胞培养法,根据操作方式的不同：分批式，,反复分批式，,连续式培养法，,固定化培养法。,植物细胞的培养多采用通气式搅拌罐和气升式发酵罐，,从使用效果看，气升式发酵罐最佳。,植物细胞培养用反应器可模仿微生物培养用反应器的,放大方法进行。,94,(1),分批培养,：,操作简单，培养时间一般一个周期要,6,天以上。,(2),反复分批式,：又称半连续培养法,将分批培养的培养液取出部分又加入等量的新鲜培养,基，可提高生产速率。,(3),连续培养,：,以一定速度连续取出细胞与培养液，并以同样速度输,入新鲜培养基，可使细胞生长环境长期稳定。,(4),固定化培养,：,采用固定化反应器，将细胞固定于网状多孔板上或固,定于中空纤维的膜表面，易于得到高密度细胞群体。,95,六.生化反应分离耦合过程,1.,原理,：又称原位产物分离过程，简称,ISPR,。,即在生化反应的同时，选择一种合适的分离方法及时,地将对生化反应有抑制或毒害作用的产物或副产物选择性,原位移走，从而实现产物从其细胞周围的即时分离。,2.,类型,：,采用分离剂,：,简单，在原生物反应器内进行；,分离剂与细胞直接接触，使反应产物部分地通过分配,转移到分离剂中。(分离剂必须是生物兼容的）,96,采用外部分离循环,：,复杂，在反应器和分离器两个装置中进行；,分离剂不与细胞直接接触，有利于产物的进一步分离,和提纯。,97,3.,耦合过程的类型,（1）,通过气体汽提和减压进行分离,：,主要应用于乙醇发酵和丙酮-丁醇发酵，,因为这些物质沸点较低，易挥发。,（2）,通过吸附或离子交换进行分离,：,对某些可逆的酶催化反应，可通过吸附的方法及时地,从反应体系中移走产物，则可提高该酶催化反应的转化率。,例如,：高果糖的生产。,还可以通过分离产物以控制发酵过程的适宜的,pH,值，,如乳酸发酵生产。,98,（3）,通过溶剂萃取进行分离,：,如：有机溶剂萃取和双水相萃取。,（4）,膜式生物反应器,：,一方面可使酶或细胞重复使用以使反应体系维持较高,的酶浓度和细胞浓度；,另一方面又可把产物不断地从反应体系中分离出去以,减少产物对反应的抑制作用，提高反应器生产能力。,99,根据反应器内酶的状态，可分为游离态和固定化酶膜反应器：,游离态酶,：溶于反应物内；,固定化酶,：结合在膜的表面形成酶膜。其优点是酶的密度大；,缺点是底物和产物通过膜的速率很慢，往往成为,反应过程的控制因素。,100,七、生物膜及其形成,（一）生物膜的定义及分类,1.,定义,生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的,胞外多聚,物,组成，通常具有,孔状结构,，含有大量被吸附的溶质和,无机颗粒。,生物膜的组成与特性，以及在载体表面的厚度、分,布均匀性，均与营养底物、生长条件和细胞分泌的胞外,多聚物量等环境因素有关。,2.,分类,静止生物膜,：一般存在于滴滤池中。,颗粒生物膜,：通常应用于各种流化床生物膜反应器、,升流式厌氧污泥床等。,101,（二）生物膜载体,1.,载体的种类,载体,：通常是指细胞及酶固定化过程中所需要的介质。,无机载体,：砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、,陶瓷材料、碳纤维、矿渣、活性炭及金属等。,有机载体,：各种树脂、塑料、纤维等。,从 强度、密度和加工成形等方面的性能来说，,有机,载体比无机载体更好,。,102,2.,载体的选择,载体的物理形态及机械强度良好，载体间的碰撞几率较,小，所制备的反应器不易堵塞，便于反冲洗。,载体的表面粗糙，孔隙率及密度大小应有利于生物膜的,形成、发展及稳定。,载体的生物、化学及热力学稳定性要好，不参与生物膜,的反应，其本身不会被生物降解，应能抗生物膜微生物,的腐蚀。,103,载体所能提供的表面积应尽可能大，对已附着微生物有,较好的保护作用，且不显著影响微生物的生物活性，传,质特性较好。,载体的可再用性和价格等。,104,105,（三）微生物的附着固定,通过改变载体表面的亲疏水性及电性来促进微生物,在载体表面的附着固定。,亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着固定，而,疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的附着固定。,根据微生物的特性和附着机制的不同，微生物在载,体上的附着可划分为五种方法：,表面吸附,，,键联,，,细胞,间自交联,，,多聚体包埋,和,孔网状载体截陷固定,。,每种方法都有其特定的适用范围。,106,表面吸附固定法：,微生物和载体间作用。,例如：动物细胞在离子交换树脂上的繁殖。,键联固定法：,微生物与载体表面的活性基团形成共价键。,例如：硝化细菌在含,Fe,3+,聚合物上进行硝化反应。,细胞间自交联固定法：,通过细胞间的自交联实现，或者,人为加入交联剂。,例如：乳杆菌属通过聚氨基葡糖交联。,107,多聚体包埋法：,通过某些多聚体化合物包裹微生物。,例如：用藻朊酸盐包埋黑曲霉等细胞。,孔网状载体截陷固定法：,利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物。,例如：在中空纤维上固定黑曲霉细胞。,108,（四）生物膜的形成,生物膜的累积形成是有机分子、微生物细胞及载体表,面通过物理、化学和生物过程综合作用的结果。,1.,形成,步骤,：,有机物分子从水中向生物膜载体表面运送，其中某些被,载体吸附，形成被微生物改良的载体表面。,水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，,其中碰撞到载体表面的细胞被吸附。,109,被表面吸附变成不可解吸的细胞，摄取并消耗水中的底,物与营养物质，数目不断增多；同时，细胞可能产生大,量产物，其中部分将排出体外。这些产物中有一些就是,胞外多聚物，可以将生物膜紧紧地结合在一起。,进入水中，或者细胞,在增殖时亦可向水中,释放出游离的细胞,。,110,2.,生物膜上的微生物,细菌、真菌、藻类，以及某些原生动物，甚至有后生,动物，组成相当复杂。,某些微生物在生物膜上是否存在及优先生长等情况，,常与被处理污水的水质和生物膜所处的环境条件有关。,微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，从而,可以检查、判断生物膜反应器的运转情况以及水处理效果。,111,污水浓度适当时，出现：独缩虫属、聚缩虫属、累枝虫属、,集盖虫属和钟虫等。,污水浓度过高时，真菌类增加，纤毛虫类基本消失，出现：,屋滴虫属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类。,负荷较低时，出现：盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属和鳞,壳虫属。,后生动物如轮虫和线虫等大量出现时，表明生物膜中的厌,氧层减少，因此不会引起生物膜肥厚，生物膜脱落量也少。,如果扭头虫属、新态虫属和贝日阿托氏菌属等出现时，表,明生物膜中的厌氧层增厚。,112,（五）生物膜的废水净化作用,厌氧层,生物膜层,好氧层,附着水层,废水层,流动水层,附着水中的有机物大多会被,生物膜氧化，使有机物浓度降低。,同时空气中的氧随废水流经生物,膜时被微生物所利用，有机物氧,化分解产生的CO,2,等透过附着水，,进入流动水并随空气流流出。,113,八、生物膜反应器,运行稳定，,生物膜法的产生 抗冲击负荷，,更为经济节能，,生物膜法的,优点,无污泥膨胀，,具有一定的硝化与反硝化功能，,可实现封闭运转、防止臭味等。,（一）生物膜反应器分类,凡是在污水生物处理的各种工艺中引入,微生物附着,生长,载体,(或称之为滤料、填料等)的反应器，都将其定,义为生物膜反应器，包括以生物膜为主体的生物膜反应,器，以及引入生物膜的复合式生物膜反应器。,114,115,生物膜反应器的研究趋势,：,进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程,实际中普遍使用的微生物固定技术，优化生物膜结构,及各种反应器工艺系统；,进一步使各种生物膜反应器系统的净化功能更为广谱,和高效；,深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生,物膜微生物的能量代谢；,生物膜反应器朝着节能和自动化控制方向发展。,116,（二）生物滤池,1.原理及特征,原理,以土壤自净原理为依据。,作用过程,污水长期以滴状洒布在块状滤料的表面，在污水流,经的表面上就会形成生物膜，生物膜成熟后，,栖息在生,物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养，,从而使污水得到净化,。,117,特征,细菌以生物膜的方式附着在固体表面上。,滤池表层,：主要由好氧化能异养细菌和真菌组成。,滤池低层,：以自养硝化细菌为主。,此外：还存在大量的原生动物和草食动物。,118,2.分类,普通生物滤池,高负荷生物滤池,：,大幅度地提高了滤池的负荷率，通常BOD容积负,荷率比普通滤池高68倍。,塔式生物滤池,：,解决了普通生物滤池占地面积大的问题，其水力,负荷比一般的,高负荷生物滤池还要高210倍。,厌氧生物滤池,：,是一种装填滤料的厌氧生物膜反应器。,活性生物滤池,：,采用了复合的生物膜活性污泥工艺。,119,3.,结构,池体,：在平面上多呈方形、矩形或圆形。,滤料,：是生物膜的载体。,对滤料的要求,：,合适的粒径；,足够的机械强度；,容重应小；,既能抵抗废水、空气和微生物的侵蚀，又不应是影,响微生物生命活动的杂质；,应能就地取材，价格便宜，加工容易。,120,常用滤料,：,碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状无机滤料；,由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板状、,多孔筛状和蜂窝状的人工有机滤料，具有更大的比表,面积(100200m,2,/m,3,)和高空隙率(80%95%)。,121,排水系统,位置,：滤池底部。,包括,：渗水装置、汇水沟和总排水沟。,作用,：排除处理后的污水并保证滤池的良好通风。,布水系统,类型,：间歇喷洒布水系统，,旋转式布水器。,小型的塔式生物滤池，,多采用固定式喷嘴布水系统；,大中型塔式生物滤池，,多采用旋转式布水器。,122,123,（三）生物转盘,1.,结构,与生物滤池的原理类似，主要区别是它以一系列转,动的盘片代替固定的滤料。,盘片的材料,：,聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃钢，铝合金等。,盘片的形状,：,平板，波纹板，或两者的组合。,盘片的安装,：,有近一半的面积浸没在半圆形、矩形或梯形的氧化槽内。,124,2.,工作原理,废水处于半静止状态，微生物生长在转盘的盘面上，,转盘在废水中不断缓慢地转动，使其互相接触。,盘体与废水和空气交替接触，微生物从空气中摄取必,要的氧，并对废水中的污染物进行生物氧化分解。,活性衰退的生物膜在转盘转动剪切力的作用下脱落。,125,3.,生物转盘法的,特征,节能。接触槽中不需要曝气