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生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备。其结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率(转化率)和能耗有密切关系,是生物反应过程中的关键设备。生物反应器广泛应用于生物食品、生物医药、生物化工、生物农药、生物肥料、生物能源、环境保护等领域。
生物反应器的主要功能是模拟生物生长或生产的自然环境。
在生物反应器主要参数有:通气、光密度、浊度、离子强度、消泡、乳酸、氨等。所有的参数都是根据生物生长阶段需求来确定。实际生产过程中对参数的控制有多种方法。控制参数主要的方法有单层桨搅拌、多层桨搅拌、机械搅拌、磁力搅拌、表层通气、深层通气、半连续培养、连续培养、连续灌注培养等。生物反应器必须满足生物因素、传热因素、监控因素、化学因素、物质快速均匀传递传质、安全因素、操作因素等。
酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。从生物反应过程说,发酵过程用的反应器称为发酵罐。发酵罐可以分为嫌气酵罐、好气酵罐、污水生物处理装置等。好气发酵罐按其能量输入方式可分为通用式发酵罐、循环泵发酵罐、鼓泡塔式发酵罐。酶反应器可分游离酶和固定化酶反应器两大类。动植物细胞培养装置是一类新型的生物反应器,主要应用于动植物细胞的培养。动植物细胞的培养的培养条件比较苛刻,培养周期比较长。
生物反应器具有在常温常压下操作要求能防染菌并且能蒸汽灭菌,制作材质对微生物或酶无毒害;酶常因底物浓度也不能太高,因而反应器体积相当庞大;反应前需接入菌种,为防止杂菌污染和活性衰退,一般采用分批釜式反应器;在发酵过程中,常是气、液、固三相并存,流变学性质复杂,使采用化学反应工程的原理和方法,解决生物反应器的设计放大问题存在较大困难。
因此,生物反应器具有耐受蒸汽灭菌、反应时常是气、液、固三相并存、能防止杂菌污染和活性衰退、常温常压下操作、制作严密无隙以防染菌、反应器体积相当庞大、对微生物或酶无毒害的材质制作等特点。
1、微生物反应器
微生物反应器是生产中Z基本也是Z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。
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;
好氧生物反应器:生产过程中需不断通人无菌空气,因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。
2、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Z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Z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。
3、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Z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。
医学方面:动物细胞(杂交瘤细胞、CHO细胞、昆虫细胞等)大规模培养技术及其生物反应器工程可广泛应用于抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品的研究开发和工业化生产,如人工肝生物反应器。由此可以让更多的经济条件不好的病人享受以前只有有钱人才能用得起的高科技药物ZL。
环境保护方面:利用生物反应器,如微孔膜膜反应器可以GX处理高凝固油废水,这给我国的环保方面解决了大问题。
科研方面:减少了细胞培养的难度,使细胞培养更趋向大规模化,加快科研项目的进展利用生物反应器生产新的生物药物的,以期ZL癌症,乙肝等顽疾,让饱受病痛折磨的病人过上正常人的幸福生活。
利用生物反应器及基因工程技术生产新的GX酶制剂,可以解决环境污染治理中的难题;利用动植物生物反应器如生产新的,GX的病毒疫苗,微生物杀虫剂,可以使作物免受病毒的侵害。
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