了解簡單的生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是指提供生化反應(yīng)的任何合適的環(huán)境或工程設(shè)備。通常是指利用酶(由一種或一組酶驅(qū)動)或生物體(如微生物)使裝置具有模擬生物體的功能，可以在細(xì)胞外進(jìn)行生化反應(yīng)。在模擬過程中，好氧和厭氧反應(yīng)都可以進(jìn)行。這些系統(tǒng)在諸如酒精、組織工程、生化工程、制藥、有機(jī)污染物降解等應(yīng)用中是非常重要的設(shè)備。

可分為天然生物反應(yīng)器(如人的胃)和工程生物反應(yīng)器(如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等。).這些生物反應(yīng)器通常是圓柱形的，其體積從幾升到幾立方米不等，通常由不銹鋼制成。

按原料加入方式可分為間歇式反應(yīng)器、補(bǔ)料間歇式反應(yīng)器和連續(xù)式反應(yīng)器(如連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器和恒化器)。

生物反應(yīng)器不同于化學(xué)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)器從原料到產(chǎn)品的過程中經(jīng)常需要加壓加熱，是一種高能耗設(shè)備。生物反應(yīng)器則不同，化學(xué)合成可以在常溫常壓下進(jìn)行，有酶和微生物的參與。因此，生物反應(yīng)器一問世就引起了化工部門的重視?；瘜W(xué)專家認(rèn)為，化學(xué)合成的過程應(yīng)該盡可能由生物來完成，因此設(shè)計(jì)一個理想的生物反應(yīng)器成為現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要任務(wù)。

生長在生物反應(yīng)器中的微生物可以浸入液體培養(yǎng)基中或附著在固體培養(yǎng)基的表面。浸泡后的培養(yǎng)物可分為懸浮和固定化兩種:

懸浮性生物反應(yīng)器不需要特別的附著表面，因此可使用更多種類的生物體，而且可較固定化培養(yǎng)進(jìn)行更大規(guī)模的培養(yǎng)操作；但在連續(xù)操作過程中，微生物將從反應(yīng)器中與流出物一同去除。 固定化是一個通用術(shù)語，描述多種細(xì)胞、顆粒附著體或包封?；旧纤梢詰?yīng)用于所有類型的生物催化，包括酶、胞器、動物和植物細(xì)胞。其在連續(xù)操作的過程中非常有用，因?yàn)樯矬w不會與反應(yīng)器流出物一同除去，但也因此在操作規(guī)模上受到限制，因?yàn)樵撐⑸锸侵淮嬖谟谟邢薜娜萜鞅砻嫔稀?

大規(guī)模固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器的例子:

移動床生物反應(yīng)器(moving media)(MBBR) 填充床反應(yīng)器(packed bed) 纖維床生物反應(yīng)器(fibrous bed) 生物膜 生物膜反應(yīng)器 生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是生化研究工程科學(xué)的一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是創(chuàng)造一個更好的環(huán)境，讓微生物或細(xì)胞發(fā)揮功能，生產(chǎn)出雜質(zhì)含量在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的產(chǎn)品。生物反應(yīng)器中的溫度、營養(yǎng)物濃度、pH值和氣體溶解度(特別是關(guān)于有氧發(fā)酵的氧氣)等變量會影響生物的生長和生產(chǎn)力。

溫度：發(fā)酵培養(yǎng)基的溫度可借由單獨(dú)使用冷卻夾套、線圈或同時使用兩者來保持；在放熱發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行時，需額外使用外部熱交換器。在饋料批次式反應(yīng)系統(tǒng)(fed-batch system)中，微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)可在培養(yǎng)過程中連續(xù)的加到發(fā)酵罐(fermenter)中，或在發(fā)酵初始時加入反應(yīng)器中。 PH值：利用少量的酸或堿測量和調(diào)整培養(yǎng)基的pH值，不同生化反應(yīng)所需的PH值皆有所不同。 氣體溶解度：反應(yīng)氣體（尤其是氧氣）對于有氧（和少部分厭氧）發(fā)酵而言為必須反應(yīng)物，但由于氧對于水（幾乎是所有發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)）溶解度較低，故其含量對于空氣來說是相對稀少的（20.95％），因此必須連續(xù)地添加空氣（或純氧）至反應(yīng)系統(tǒng)中。在溶液中的上升氣泡可充分混合發(fā)酵培養(yǎng)基，也可同時“擺脫”溶液中的廢氣，如二氧化碳。一般來說，生物反應(yīng)器都會加壓，以增加水中的溶氧量。氧氣的運(yùn)輸通常是經(jīng)由攪動來完成，也同時保持營養(yǎng)物質(zhì)的均勻分布，幫助勻相發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行；氣體分散攪拌器(Gas dispersing agitators)就是用來打破的氣泡使其均勻分布于整個容器中的工具。

水垢會損害生物反應(yīng)器的整體效率，尤其是系統(tǒng)內(nèi)的熱交換。因此，為了避免結(jié)垢，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須易于清洗，內(nèi)表面通常采用不銹鋼，便于清洗和消毒。典型的生物反應(yīng)器將在批次之間清洗，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)以減少連續(xù)操作中結(jié)垢的可能性。

系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)會間接或直接影響整個反應(yīng)，因此生物反應(yīng)器的熱傳導(dǎo)能力是設(shè)計(jì)的重要部分。小導(dǎo)管可通過冷卻夾套冷卻，但大導(dǎo)管可能需要盤管或外部熱交換器。?

污水處理(污水處理)

生物反應(yīng)器也是為處理污水和廢水而設(shè)計(jì)的。給出以下三種污水處理方法的例子:

滴濾池法

對于更有效的系統(tǒng)，可以提供自由流動和化學(xué)惰性的培養(yǎng)基，使得細(xì)菌可以在沒有處理的情況下分解污水。這些處理工藝通常經(jīng)過一系列獨(dú)立且順序的大型反應(yīng)罐、機(jī)械分離器或旋風(fēng)分離器來加速水和污泥的分離。曝氣機(jī)使氧氣溶解到污水和培養(yǎng)基中，加速污染物的分解。同時，處理可以大量使用污水，所以在城市污水中經(jīng)常使用處理。

活性污泥法

潛水?dāng)嚢杵髟谌毖跎锓磻?yīng)器中提供攪拌，使固體顆粒保持懸浮在溶液中，從而保證細(xì)菌和有機(jī)物有機(jī)會“相遇”，分解處理后，液體的生化需氧量(BOD)降低到足以重復(fù)利用。在使用這種方法處理污水的過程中，會產(chǎn)生大量的固體有機(jī)物，即生物固體，可以收集并進(jìn)一步加工處理或干燥后作為肥料。

微生物自凈法

一個非常簡單的污水處理生物反應(yīng)器，就是設(shè)置一個化糞池(留污水在原地)，添加(或者不添加)培養(yǎng)基，為細(xì)菌提供一個合適的環(huán)境；在這個系統(tǒng)中，生物污泥本身是細(xì)菌的主要營養(yǎng)提供者(活性污泥)，屬于封閉系統(tǒng)，所以不受洪水或飽和地面的影響，但是處理需要的時間比較長，有足夠的土地就適合，不在乎污水/[

為了促進(jìn)生物廢水的動力引擎處理，密切監(jiān)測生物反應(yīng)器中微生物的數(shù)量和質(zhì)量是重要的?？梢酝ㄟ^ATP測試來監(jiān)控。

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標(biāo)簽:  反應(yīng)器,生物,化學(xué)反應(yīng),設(shè)計(jì),系統(tǒng),培養(yǎng)基,細(xì)胞,進(jìn)行,過程,溶解度