了解简单的生物反应器

生物反应器是指提供生化反应的任何合适的环境或工程设备。通常是指利用酶(由一种或一组酶驱动)或生物体(如微生物)使装置具有模拟生物体的功能，可以在细胞外进行生化反应。在模拟过程中，好氧和厌氧反应都可以进行。这些系统在诸如酒精、组织工程、生化工程、制药、有机污染物降解等应用中是非常重要的设备。

可分为天然生物反应器(如人的胃)和工程生物反应器(如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。).这些生物反应器通常是圆柱形的，其体积从几升到几立方米不等，通常由不锈钢制成。

按原料加入方式可分为间歇式反应器、补料间歇式反应器和连续式反应器(如连续搅拌釜式反应器和恒化器)。

生物反应器不同于化学反应器。化学反应器从原料到产品的过程中经常需要加压加热，是一种高能耗设备。生物反应器则不同，化学合成可以在常温常压下进行，有酶和微生物的参与。因此，生物反应器一问世就引起了化工部门的重视。化学专家认为，化学合成的过程应该尽可能由生物来完成，因此设计一个理想的生物反应器成为现代生物技术产业的重要任务。

生长在生物反应器中的微生物可以浸入液体培养基中或附着在固体培养基的表面。浸泡后的培养物可分为悬浮和固定化两种:

悬浮性生物反应器不需要特别的附着表面，因此可使用更多种类的生物体，而且可较固定化培养进行更大规模的培养操作；但在连续操作过程中，微生物将从反应器中与流出物一同去除。 固定化是一个通用术语，描述多种细胞、颗粒附着体或包封。基本上它可以应用于所有类型的生物催化，包括酶、胞器、动物和植物细胞。其在连续操作的过程中非常有用，因为生物体不会与反应器流出物一同除去，但也因此在操作规模上受到限制，因为该微生物是只存在于有限的容器表面上。

大规模固定化细胞生物反应器的例子:

移动床生物反应器(moving media)(MBBR) 填充床反应器(packed bed) 纤维床生物反应器(fibrous bed) 生物膜 生物膜反应器 生物反应器的设计

生物反应器的设计是生化研究工程科学的一项复杂任务。设计目标是创造一个更好的环境，让微生物或细胞发挥功能，生产出杂质含量在标准以内的产品。生物反应器中的温度、营养物浓度、pH值和气体溶解度(特别是关于有氧发酵的氧气)等变量会影响生物的生长和生产力。

温度：发酵培养基的温度可借由单独使用冷却夹套、线圈或同时使用两者来保持；在放热发酵反应进行时，需额外使用外部热交换器。在馈料批次式反应系统(fed-batch system)中，微生物生长所需的营养物质可在培养过程中连续的加到发酵罐(fermenter)中，或在发酵初始时加入反应器中。 PH值：利用少量的酸或碱测量和调整培养基的pH值，不同生化反应所需的PH值皆有所不同。 气体溶解度：反应气体（尤其是氧气）对于有氧（和少部分厌氧）发酵而言为必须反应物，但由于氧对于水（几乎是所有发酵培养基的基础）溶解度较低，故其含量对于空气来说是相对稀少的（20.95％），因此必须连续地添加空气（或纯氧）至反应系统中。在溶液中的上升气泡可充分混合发酵培养基，也可同时“摆脱”溶液中的废气，如二氧化碳。一般来说，生物反应器都会加压，以增加水中的溶氧量。氧气的运输通常是经由搅动来完成，也同时保持营养物质的均匀分布，帮助匀相发酵反应进行；气体分散搅拌器(Gas dispersing agitators)就是用来打破的气泡使其均匀分布于整个容器中的工具。

水垢会损害生物反应器的整体效率，尤其是系统内的热交换。因此，为了避免结垢，生物反应器的设计必须易于清洗，内表面通常采用不锈钢，便于清洗和消毒。典型的生物反应器将在批次之间清洗，或专门设计以减少连续操作中结垢的可能性。

系统的热传导会间接或直接影响整个反应，因此生物反应器的热传导能力是设计的重要部分。小导管可通过冷却夹套冷却，但大导管可能需要盘管或外部热交换器。​

污水处理(污水处理)

生物反应器也是为处理污水和废水而设计的。给出以下三种污水处理方法的例子:

滴滤池法

对于更有效的系统，可以提供自由流动和化学惰性的培养基，使得细菌可以在没有处理的情况下分解污水。这些处理工艺通常经过一系列独立且顺序的大型反应罐、机械分离器或旋风分离器来加速水和污泥的分离。曝气机使氧气溶解到污水和培养基中，加速污染物的分解。同时，处理可以大量使用污水，所以在城市污水中经常使用处理。

活性污泥法

潜水搅拌器在缺氧生物反应器中提供搅拌，使固体颗粒保持悬浮在溶液中，从而保证细菌和有机物有机会“相遇”，分解处理后，液体的生化需氧量(BOD)降低到足以重复利用。在使用这种方法处理污水的过程中，会产生大量的固体有机物，即生物固体，可以收集并进一步加工处理或干燥后作为肥料。

微生物自净法

一个非常简单的污水处理生物反应器，就是设置一个化粪池(留污水在原地)，添加(或者不添加)培养基，为细菌提供一个合适的环境；在这个系统中，生物污泥本身是细菌的主要营养提供者(活性污泥)，属于封闭系统，所以不受洪水或饱和地面的影响，但是处理需要的时间比较长，有足够的土地就适合，不在乎污水/[

为了促进生物废水的动力引擎处理，密切监测生物反应器中微生物的数量和质量是重要的。可以通过ATP测试来监控。

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