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生物反应器

微生物反应器

微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按

照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压

力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能

在低消耗下获得较高的产量。①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，

设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②

好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结

构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素

和单细胞蛋白SCP等的生产。根据反应器通风和搅拌的方式不同可分

为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。

酶反应器

酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。其设计的目

标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效

益和社会效益。酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌

罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合

于生化反应的膜式反应器等。每种类型的反应器各有优缺点，应根据

不同需要进行选择。目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，

随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为

广泛的应用。

动植物细胞反应器

动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主

体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化

条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。

由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是

哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫

苗等生物技术产品，有非常好的前景。

生物反应器的特点：

①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催

化剂-酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也

就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。

②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于

最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质

等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控

制反应过程使其最优化的问题。

③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包

括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。

④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一

般化学方法难以甚至无法得到的产品。

⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这

就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。

几种常用的生物反应器：

按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为均相反应器

和非均相反应器。发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。根据

不同的分类标准可以将生物反应器分为固定床反应器，中空纤维管反

应器等，根据搅拌及通气的情况又可分为机械搅拌式生化反应器、自

吸式发酵罐、气升式生化反应器，下面就此三种生物反应器做简要介

绍。（1）机械搅拌式生化反应器是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质

所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿

型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质

速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般

(2-4)kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。

（2）自吸式发酵罐是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液

的搅拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器和导轮，简

称为转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空

气则由导气管吸入。在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动

马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，

被甩到叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，在转子中心处形

成了负压，转子转速愈快，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用

管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，

通过导向叶轮而使气液均匀分布。此种反应器的优点是节约空气净化

系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐等设备，减少

了厂房占地面积，节省投资；通气质量是最好的，通入发酵液中的

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2315m气液接触面积/m空气；动力消耗低；设备便于自动化、连续

化、降低了劳动强度，减少劳动力。缺点是空气靠负压吸入到罐内，

所以要求使用低阻力、高除菌效率的空气净化系统；由于结构上的

特点，