生物反應(yīng)器bioreactor
分類(lèi) 從生物反應(yīng)過(guò)程說(shuō)，發(fā)酵過(guò)程用的反應(yīng)器稱(chēng)為發(fā)酵罐；酶反應(yīng)過(guò)程用的反應(yīng)器則稱(chēng)為酶反應(yīng)器。另一些專(zhuān)為動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)用的生物反應(yīng)器，專(zhuān)稱(chēng)為動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置。
發(fā)酵罐 發(fā)酵罐若根據(jù)其使用對(duì)象區(qū)分，可有：嫌氣發(fā)酵罐、好氣發(fā)酵罐、污水生物處理裝置等。其中嫌氣發(fā)酵罐最為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)中不必導(dǎo)入空氣，僅為立式或臥式的筒形容器，可借發(fā)酵中產(chǎn)生的二氧化碳攪拌液體。（見(jiàn)彩圖）
?、倬哂袡C(jī)械攪拌器和空氣分布器的發(fā)酵罐 這類(lèi)發(fā)酵罐（圖1）應(yīng)用最普遍，稱(chēng)為通用式發(fā)酵罐。所用的攪拌器一般為使罐內(nèi)物料產(chǎn)生徑向流動(dòng)的六平葉渦輪攪拌器，它的作用為破碎上升的空氣泡和混合罐內(nèi)的物料。若利用上下都裝有蔽板的攪拌葉輪，攪拌時(shí)在葉輪中心產(chǎn)生的局部真空，以吸入外界的空氣，則稱(chēng)為自吸式機(jī)械攪拌發(fā)酵罐。
污水生物處理裝置中，最簡(jiǎn)單的是曝氣池，裝有表面曝氣葉輪。為了節(jié)省占地面積，開(kāi)發(fā)了一種利用氣升式發(fā)酵罐原理的深井式污水處理池或大至 20000m3的多循環(huán)管式曝氣裝置。此外，還有生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤(pán)等裝置，把能降解污水中有害物質(zhì)的菌或原生動(dòng)物，以生物膜的形式附在填料或轉(zhuǎn)盤(pán)上。
酶反應(yīng)器 可分游離酶及固定化酶反應(yīng)器兩大類(lèi)。
?、儆坞x酶反應(yīng)器 以水溶液狀態(tài)與底物反應(yīng)。若為分批釜式反應(yīng)器，酶就不能回收；若用連續(xù)釜式反應(yīng)器（見(jiàn)反應(yīng)器）并附有一個(gè)能把大分子的酶留在系統(tǒng)內(nèi)的超濾裝置（見(jiàn)超過(guò)濾）則可使酶連續(xù)使用。也可將酶液置于用超濾材料制成的U形管或中空纖維管中，并將其置于釜式或管式反應(yīng)器進(jìn)行操作，這樣也可使酶連續(xù)使用。后者接近連續(xù)管式反應(yīng)器。
?、诠潭ɑ阜磻?yīng)器 除了和化學(xué)反應(yīng)器類(lèi)似的固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器外，還有多種特殊設(shè)計(jì)。例如：將酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋狀置于反應(yīng)器（圖5）中，或?qū)⒚腹潭ㄔ谥锌绽w維的內(nèi)壁制成反應(yīng)器；也可將固定化酶置于金屬網(wǎng)框中進(jìn)行酶反應(yīng)（圖6）。在反應(yīng)中產(chǎn)氣(如CO2)嚴(yán)重時(shí)，可考慮采用多層酶反應(yīng)器。采用固定化細(xì)胞時(shí)的反應(yīng)器，基本上和固定化酶反應(yīng)器相同，但在好氣培養(yǎng)時(shí)要便于空氣導(dǎo)入和廢氣排出。
動(dòng)物細(xì)胞無(wú)保護(hù)性的細(xì)胞壁，培養(yǎng)基有血清等天然物質(zhì)。僅少數(shù)動(dòng)物細(xì)胞能懸浮培養(yǎng)，而多數(shù)具有工業(yè)生產(chǎn)意義的細(xì)胞須附著在固體介質(zhì)上生長(zhǎng)和單層培養(yǎng)（即細(xì)胞不能相互堆疊），因此要求培養(yǎng)裝置有供細(xì)胞附著的盡可能大的表面積。簡(jiǎn)單的裝置是能緩慢旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)管或轉(zhuǎn)瓶，新型復(fù)雜的培養(yǎng)方法是微珠培養(yǎng)法和中空纖維培養(yǎng)法。前者系在培養(yǎng)裝置中放入適量粒度為 40～250μm、相對(duì)密度與培養(yǎng)液相近的惰性微珠，在培養(yǎng)過(guò)程中借攪拌器的作用以懸浮于培養(yǎng)液中，并使動(dòng)物細(xì)胞在其表面增殖。為了避免培養(yǎng)液產(chǎn)生泡沫，不用通常的空氣分布器，而將硅橡膠管置于培養(yǎng)裝置中，空氣中的氧靠分子擴(kuò)散作用通過(guò)管壁滲至培養(yǎng)液中（圖7）。這種分布器采用中空纖維管作固體附著物，空氣一般從管內(nèi)通入，氧則通過(guò)管壁滲出。(見(jiàn)彩圖)
生物反應(yīng)器的特點(diǎn) 與一般化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)器相比，其基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相近的，但有如下特點(diǎn)：①在常溫常壓下操作，但要求能耐受蒸汽滅菌，制作嚴(yán)密無(wú)隙以防染菌，且用對(duì)微生物或酶無(wú)毒害的材質(zhì)制作；②當(dāng)用微生物為催化劑時(shí)，催化劑本身是在發(fā)酵罐中產(chǎn)生的（開(kāi)始時(shí)需接入菌種），為防止雜菌污染和活性衰退，一般采用分批釜式反應(yīng)器；③酶常因底物（即酶的作用物）的濃度過(guò)高發(fā)生抑制作用，微生物細(xì)胞因胞內(nèi)外滲透壓平衡問(wèn)題，要求底物濃度也不能太高，因而反應(yīng)器體積相當(dāng)龐大；④在發(fā)酵過(guò)程中，生化反應(yīng)機(jī)理和途徑相當(dāng)復(fù)雜，有的尚不清楚，很難進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)的計(jì)算及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，加上反應(yīng)時(shí)常是氣、液、固三相并存，有的反應(yīng)液粘度很大，流變學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)器中物料的混合和傳遞帶來(lái)不利，使采用化學(xué)反應(yīng)工程的原理和方法解決生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大問(wèn)題存在較大困難。
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