生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)2021/5/91第一章生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和類型一.生物反應(yīng)器的基本工程概念(一)

生物反應(yīng)器類型生物反應(yīng)器：利用生物催化劑進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的反應(yīng)裝置。分類方法：

1.按操作方式：間歇式（分批式），連續(xù)式，半連續(xù)式

2.按幾何構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特征：罐式(高徑比1~3)，管式(長徑比>30)，

塔式(豎立高徑比>10)， 膜式（內(nèi)有膜件）.3.按反應(yīng)器所需能量的輸入方式：機(jī)械攪拌式，氣升式，環(huán)流式。2021/5/92

4.按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團(tuán)塊反應(yīng)器，生物膜反應(yīng)器。

5.按固相催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：填充床，流化床，生物轉(zhuǎn)盤等

6.按反應(yīng)體系的相態(tài)：均相，非均相(固定床,流化床)7.按流體流動(dòng)狀態(tài)：理想反應(yīng)器，非理想反應(yīng)器

8.按催化劑類型：微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐），酶反應(yīng)器

9.按培養(yǎng)對象：微生物細(xì)胞反應(yīng)器，植物細(xì)胞反應(yīng)器，動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器2021/5/932021/5/94間歇操作特征：

反應(yīng)物料一次加入一次卸出；

反應(yīng)器物系的組成僅隨時(shí)間而變化，即底物濃度和產(chǎn)物濃度及細(xì)胞濃度只隨反應(yīng)時(shí)間而變化。

因此它是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程。適合于：多品種，小批量，反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)過程。2021/5/952021/5/96連續(xù)反應(yīng)器特點(diǎn)：

原料連續(xù)輸入反應(yīng)器，產(chǎn)物則連續(xù)從反應(yīng)器中流出。

反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間而變。

因而屬于穩(wěn)態(tài)操作。優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：易發(fā)生雜菌污染；操作時(shí)間過長；細(xì)胞易退化變異。

2021/5/97半連續(xù)反應(yīng)器特點(diǎn)：

原料與產(chǎn)物只有其中一種是連續(xù)輸入或輸出，而其余則是分批加入或輸出。優(yōu)點(diǎn)：

可減緩底物對細(xì)胞生長的抑制作用；

實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)；

既可以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，也有利于下游加工過程。（對細(xì)胞反應(yīng)，又稱分批補(bǔ)料培養(yǎng)或流加操作技術(shù)。）2021/5/98(二)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)內(nèi)容

反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則：操作狀態(tài)最佳化。反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：

1.

反應(yīng)器選型：

操作方式，結(jié)構(gòu)類型，能量傳遞和流體流動(dòng)方式等。

2.設(shè)計(jì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算所需反應(yīng)器體積，確定各種結(jié)構(gòu)

參數(shù)：反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，攪拌器形式、大小及轉(zhuǎn)速，換熱方式及換熱面積等。

3.確定最佳操作條件及其控制方式：溫度，壓力，pH值，通氣量，底物濃度，物料流量等。2021/5/99與一般化學(xué)反應(yīng)器的不同之處：

1.

防止反應(yīng)器的堵塞

2.

控制攪拌器的轉(zhuǎn)速

3.避免染菌2021/5/910(三)生物反應(yīng)器的開發(fā)趨勢

1.開發(fā)活性高、選擇性好及壽命長的生物催化劑；

2.建立描述生化反應(yīng)過程的各種數(shù)學(xué)模型；

3.大型化生物反應(yīng)器的開發(fā)研究；

4.特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制開發(fā)。

2021/5/911(四)研究生物反應(yīng)器的目的

1.確定該生物產(chǎn)品達(dá)到一定的產(chǎn)量需要多大的生物反應(yīng)器，什么結(jié)構(gòu)更好。

2.結(jié)合細(xì)胞生長及代謝過程動(dòng)力學(xué)對生物反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化，為生物加工過程提供最佳環(huán)境條件，并解決放大技術(shù)。2021/5/912

二.生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)

(一)生物反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程反應(yīng)物系的組成及操作參數(shù)→反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化速率→反應(yīng)器體積

反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程有三類：物料衡算式：描述濃度變化（依據(jù)質(zhì)量守恒定律）能量衡算式：描述溫度變化（依據(jù)能量守恒定律）動(dòng)量衡算式：描述壓力變化（依據(jù)動(dòng)量守恒定律）2021/5/913變量：因變量：反應(yīng)組分的濃度或轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)物系的壓力或溫度。自變量：時(shí)間或空間自變量。定態(tài)過程只需考慮空間自變量，而非定態(tài)過程則兩種自變量都要考慮?？刂企w積：

是指建立衡算式的空間范圍，其選擇原則是以能把反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積?？扇≌麄€(gè)反應(yīng)區(qū)體積作為控制體積，也可取一微元體作為控制體積。微元體：

指一微分體積，它可以反映出可能發(fā)生的全部過程和現(xiàn)象。它的體積最大應(yīng)以在微元體內(nèi)各處參數(shù)均勻?yàn)橄蕖?021/5/914

1.

物料衡算式

衡算的組分：可選底物，產(chǎn)物，或細(xì)胞做衡算；

衡算的時(shí)間基準(zhǔn)：可取某一段時(shí)間或取某一瞬時(shí)的微分時(shí)間；

衡算的空間范圍：可對一微元體積或?qū)φ麄€(gè)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行衡算。對反應(yīng)物做物料衡算：

[組分進(jìn)入該體積單元的量]=[組分流出該體積單元的量]+[體積單元內(nèi)組分轉(zhuǎn)化的量]+[體積單元內(nèi)組分累積量]2021/5/915對產(chǎn)物做物料衡算：

[組分進(jìn)入該體積單元的量]=[組分流出該體積單元的量]

–[體積單元內(nèi)組分生成量]+[體積單元內(nèi)組分累積量]對細(xì)胞做物料衡算：

[細(xì)胞進(jìn)入該體積單元的量]=[細(xì)胞流出該體積單元的量]+[體積單元內(nèi)細(xì)胞生長量]

+[體積單元內(nèi)細(xì)胞死亡量]+[體積單元內(nèi)細(xì)胞累積量]2021/5/916

2.

能量衡算式

一般只作熱量衡算，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)：

[單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量]=[單位時(shí)間內(nèi)輸出的熱量] +[單位時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)熱]+[單位時(shí)間內(nèi)累積的熱量]

若為放熱反應(yīng)，則等號右邊的第二項(xiàng)取負(fù)號；

若為吸熱反應(yīng)則取正號。2021/5/9173.動(dòng)量衡算式

生物反應(yīng)器一般可做恒壓處理，因此動(dòng)量衡算式可略去?？傊鲜龌竞馑闶骄舷铝心Ｊ剑?/p>

輸入=輸出+消耗+累積

在定態(tài)下，即所有狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間變化上時(shí)，累積項(xiàng)均為零。2021/5/918(二)生物反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合

1.基本概念：

粒子的年齡：物料粒子(分子或其凝聚體)進(jìn)入反應(yīng)器后所經(jīng)歷的時(shí)間。

停留時(shí)間：粒子離開反應(yīng)器時(shí)的年齡。

返混：反應(yīng)器內(nèi)不同年齡的粒子間的混合(對連續(xù)流而言)。產(chǎn)生返混的原因：反應(yīng)器內(nèi)的死角區(qū)，溝流或短路，流體在管內(nèi)速度分布不均（管式反應(yīng)器），劇烈攪動(dòng)（釜式反應(yīng)器）等。2021/5/919

2.

流動(dòng)狀況：

理想流動(dòng)模型：平推流模型——無返混

全混流模型——全返混

非理想流動(dòng)模型：軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型等，介于無返混和全返混之間。2021/5/920

(三)平推流管式反應(yīng)器的計(jì)算

1.

基本概念：平推流：又稱活塞流，是指在與流體流動(dòng)方向垂直的截面上，各粒子的流速和流向完全相同。平推流反應(yīng)器：反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)形式為平推流，如均相管式反應(yīng)器，長徑比大且流速高的固定床反應(yīng)器。PlugFlowReactor,簡寫為PFR)

特征：所有物料粒子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間完全相同，不存在返混。

在同一截面上物料組成不隨時(shí)間變化，但隨物料流動(dòng)方向而改變。2021/5/921

2.

計(jì)算：取反應(yīng)器中某一微元體積dV作物料衡算：

進(jìn)入量—排出量=反應(yīng)量+積累量

Fcs－F(cs+dcs)=vdV+0

即：-Fdcs=vdV

對整個(gè)反應(yīng)器而言：

(平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程)

v：反應(yīng)速度，mol/(L.min)；

cs：底物濃度,

mol/L；

V：反應(yīng)器有效體積，L；F：物料流量,

L/min；

τ：物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，min.2021/5/9222021/5/923

(四)全混流罐式反應(yīng)器的計(jì)算

1.

全混流模型的特征：進(jìn)入反應(yīng)器的新物料與反應(yīng)器內(nèi)原有物料能夠在瞬間達(dá)到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均勻一致，并與出口濃度相同；物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間各不相同，達(dá)最大返混。與之相對應(yīng)的反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器：

連續(xù)罐式反應(yīng)器。

(ContinuousStirredTankReactor,簡寫為

CSTR)2021/5/924

2.

計(jì)算：

對穩(wěn)態(tài)下的全混流反應(yīng)器作物料衡算：

進(jìn)入量—排出量=反應(yīng)量+積累量

Fcs0—Fcs=vV+0

即：

（全混流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程式）

●

對于酶催化反應(yīng)：將米氏方程代入

●

對微生物反應(yīng)器：將Monod方程代入

2021/5/925三.微生物細(xì)胞反應(yīng)器

微生物細(xì)胞反應(yīng)器：為微生物提供一個(gè)適宜的生長環(huán)境，使之快速繁殖并且產(chǎn)生有用的物質(zhì)或?qū)δ撤N物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以達(dá)到提供某種產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的目的。

微生物反應(yīng)器應(yīng)具備的必要條件：

盡量避免雜菌污染；

反應(yīng)器內(nèi)盡量減少死角；

所有的閥件和配管部分應(yīng)能夠進(jìn)行蒸汽殺菌；

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，容易清掃；

罐體各部件要有一定的強(qiáng)度，以承受一定的壓力。2021/5/926

發(fā)酵過程中的幾個(gè)特殊問題：

要為系統(tǒng)供應(yīng)充足的氧氣；

剪應(yīng)力的敏感性；

發(fā)酵液的流變特性；

絮凝作用；

雜菌污染；

發(fā)酵過程的參數(shù)檢測與控制，與其他化學(xué)過程相比，要困難得多。2021/5/927發(fā)酵設(shè)備的分類：

按對氧的要求分類：

好氧發(fā)酵罐，

厭氧發(fā)酵罐

按產(chǎn)生攪拌的動(dòng)力分類：

機(jī)械攪拌式，

氣流攪拌式2021/5/928罐式發(fā)酵器(一)機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐工業(yè)上最常用的一種微生物反應(yīng)器，既有機(jī)械攪拌又有壓縮空氣分布裝置。

1.

攪拌器

●主要功能：

◎打碎空氣氣泡，增加氣液接觸面積，以提高氣液間的傳質(zhì)速率；◎使發(fā)酵液充分混合；

◎使液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)；

◎促進(jìn)發(fā)酵熱的散失。2021/5/929●類型：渦輪式，螺旋漿式和平漿式。大多采用渦輪式攪拌器，宜用不銹鋼制成。在相同是攪拌功率下粉碎氣泡的能力：

平葉式>彎葉式>

箭葉式2021/5/930●尺寸：攪拌器直徑與罐徑之比可在1/3-1/2之間?？筛鶕?jù)發(fā)酵罐的容積，在同一個(gè)攪拌軸上配置多個(gè)攪拌器?！袢~片數(shù)目：4葉，6葉，8葉，以6葉居多。

◎在H/D不大時(shí)，攪拌器通常使用單漿；

◎若H/D較大，需采用多漿裝置。

◎各漿間距為(1-2.5)d（d:漿葉外徑），

◎最底部漿與罐底間距為(0.8-1)D（D:

罐內(nèi)徑）?！裎恢茫荷仙燧S，下伸軸2021/5/9312021/5/9322021/5/933

2.

擋板

●主要功能：

使沿壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體折向軸心，消除攪拌時(shí)形成的旋渦。

●尺寸：擋板的寬度通常為罐內(nèi)徑的1/8-1/12。

●位置：在器壁設(shè)有幾塊垂直擋板。一般安裝4-6塊。2021/5/9342021/5/935

3.

換熱裝置

●

主要功能：將發(fā)酵過程中生物氧化產(chǎn)生的熱量和機(jī)械攪拌產(chǎn)生的熱量及時(shí)移去，以保證發(fā)酵的正常進(jìn)行。

Q發(fā)酵

=Q生物

+Q攪拌

–Q空氣-Q輻射

Q生物：生物氧化產(chǎn)生的熱量；

Q攪拌：攪拌器攪動(dòng)液體時(shí)產(chǎn)生的熱量；

Q空氣：通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣由于發(fā)酵液中水分蒸發(fā)及空氣溫升所帶走的熱量；

Q輻射：由于罐外壁壁溫與大氣溫差而引起的熱量傳遞。2021/5/936●

類型：

夾套換熱器：一般小型發(fā)酵罐多采用（容積為5m3以下）；

蛇管換熱器：大中型發(fā)酵罐多采用（容積為5m3以上）。2021/5/937

4.

消沫裝置

●

主要功能：將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫破碎。

●

類型：耙式消泡漿，裝于攪拌軸上，齒面略高于液面。也可加消泡劑。

機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)：

◎

操作彈性大，pH值和溫度易于控制；

◎有較規(guī)范的工業(yè)放大方法；

◎

適合連續(xù)培養(yǎng)。

對黏度高，需氧量大且呈非牛頓流動(dòng)特性的培養(yǎng)液發(fā)酵過程更為適用。2021/5/938

缺點(diǎn)：

◎驅(qū)動(dòng)功率大；

◎內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于徹底清洗，易造成污染；

◎在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用，細(xì)胞易受損傷。2021/5/939(二)

自吸式發(fā)酵罐特點(diǎn)：不需要空氣壓縮機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。攪拌器：空心葉輪，其快速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，在葉輪中心形成負(fù)壓，從而將罐外空氣吸到罐內(nèi)。

2021/5/940優(yōu)點(diǎn)：利用機(jī)械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi)，達(dá)到既通風(fēng)又?jǐn)嚢璧哪康模瑥亩∪チ藟嚎s機(jī)。缺點(diǎn)：

◎進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加了染菌機(jī)會(huì)，對大多數(shù)無菌要求較高的發(fā)酵生產(chǎn)是不適宜的；

◎攪拌轉(zhuǎn)速很高，有可能使菌絲被攪拌器切斷，影響其正常生長。

2021/5/9412021/5/942塔式反應(yīng)器（一種高徑比較大的非機(jī)械式的生物反應(yīng)器）主要優(yōu)點(diǎn)：

●

省去了軸封，從根本上排除了因軸封而造成的染菌；

●

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單；

●功率消耗?。?/p>

●

減少了剪切作用對細(xì)胞的損害；

●

溶氧速率高。2021/5/943

結(jié)構(gòu)原理：塔身為圓柱形，空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)數(shù)次分裂與聚集，一方面延長了空氣與培養(yǎng)液的接觸時(shí)間，另一方面不斷形成新的氣液界面，減小了液膜阻力，提高了溶氧效果。類型：最有代表性的是鼓泡式發(fā)酵罐和氣升式反應(yīng)器。2021/5/944(三)鼓泡式發(fā)酵罐又稱空氣攪拌高位反應(yīng)器，通常有多層篩板。原理：無須機(jī)械攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升時(shí)的動(dòng)力帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，達(dá)到混合效果。特點(diǎn)：高徑比較大，一般在6:1-10:1之間，空氣進(jìn)入培養(yǎng)液后有較長的停留時(shí)間。多孔篩板的作用：阻截氣泡，既延長氣體的停留時(shí)間，又使空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)多次聚并與分散。2021/5/9452021/5/946

優(yōu)點(diǎn)：發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡單，

造價(jià)較低，

動(dòng)力消耗少，

操作成本低且噪聲小，

避免了機(jī)械攪拌反應(yīng)器中軸封不嚴(yán)密造成的雜菌污染。缺點(diǎn)：

塔體高度大，需要在室外安裝；

需要壓力較高的壓縮空氣以克服罐內(nèi)液體靜壓力。

較適于培養(yǎng)液黏度低、含固量少、需氧量較低的發(fā)酵過程。2021/5/947(四)環(huán)流式發(fā)酵罐

1.氣升環(huán)流式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不設(shè)機(jī)械攪拌裝置，但在罐外設(shè)體外循環(huán)管，或在罐內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒或垂直隔板。原理：通入空氣的一側(cè)，液體因其平均密度下降而上升，不通氣的一側(cè)則因液體密度較大而下降，因而在反應(yīng)器內(nèi)形成液體的環(huán)流，大大強(qiáng)化了氧的傳遞。優(yōu)點(diǎn)：液體中剪切力低，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，避免了機(jī)械攪拌反應(yīng)器中軸封不嚴(yán)所帶來的雜菌污染問題。

不適用于：高黏度或含大量固體的培養(yǎng)液。2021/5/9482021/5/949

2.

噴射環(huán)流式發(fā)酵罐原理：用機(jī)械泵噴嘴引射壓縮空氣，在噴嘴出口處形成強(qiáng)的剪切力場，將射入的空氣在液相中分散為小氣泡。在反應(yīng)器內(nèi)重新聚并起來的大氣泡，通過環(huán)流得以再度分散，從而加快傳質(zhì)速率。優(yōu)點(diǎn)：與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐相比，在同樣的能耗下，噴射環(huán)流式發(fā)酵罐的氧傳遞速率要高得多。

(五)連續(xù)管道發(fā)酵器所用管道可以是直管也可以是蛇管。主要用于厭氧發(fā)酵。2021/5/9502021/5/951(六)基因工程菌發(fā)酵罐

1.

基因工程菌：通過基因操作得到的DNA重組微生物。

2.

需特別注意的問題：發(fā)酵罐內(nèi)微生物的泄漏。

3.

造成泄漏的原因：

排氣：需經(jīng)加熱滅菌或經(jīng)微孔過濾器除菌后才能排放。

軸封泄漏：90升以下的發(fā)酵罐，可采用磁力攪拌；較大的發(fā)酵罐應(yīng)采用雙端面密封。

取樣：取樣后用蒸汽將有關(guān)管道滅菌，沖出的污物經(jīng)專門的管道收集到污物貯罐，最后統(tǒng)一滅菌處理。

接種和放料：2021/5/9522021/5/953

四.酶反應(yīng)器

以酶為催化劑進(jìn)行生物催化反應(yīng)的裝置稱為酶反應(yīng)器，催化劑可以是溶液酶，也可以是固定化酶。

形

式

操作方式

說明均相酶攪拌罐分批，流加機(jī)械攪拌反應(yīng)器超濾膜反應(yīng)器分批，流加，連續(xù)通過膜將酶保留在反應(yīng)器內(nèi)固定化攪拌罐分批，流加，連續(xù)固定化酶懸浮于酶及固反應(yīng)器內(nèi)，不排出定化細(xì)固定床連續(xù)廣泛應(yīng)用于固定化酶與固定化細(xì)胞中胞反應(yīng)流化床分批，連續(xù)靠流體流動(dòng)使固定化酶懸浮在流體中器膜式反應(yīng)器連續(xù)通過膜將固定化酶保留在反應(yīng)器鼓泡塔分批，連續(xù)適用于有氣體參與的反應(yīng)2021/5/9542021/5/955

●

游離酶：反應(yīng)結(jié)束后催化劑很難回收，但可獲得較高的產(chǎn)物收率。

●

固定化酶：酶易于回收重復(fù)使用。（一）間歇式酶反應(yīng)器通常為帶有攪拌器的罐式反應(yīng)器，設(shè)置有夾套或盤管以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。主要用于游離酶反應(yīng)，一般并不回收游離酶。固定化酶很少使用在間歇反應(yīng)器中。

2021/5/956（二）連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器（CSTR）

結(jié)構(gòu)：與間歇罐式反應(yīng)器基本相同。

特點(diǎn)：●

連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料；

●

罐內(nèi)各點(diǎn)濃度均勻一致，且等于流出液濃度；

●

易于控制溫度和pH值；

●能處理膠態(tài)和不溶性底物。

優(yōu)點(diǎn)：●

造價(jià)低，裝置比較簡單；

●

反應(yīng)能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

●

傳質(zhì)的阻力也可降到最低限度。

2021/5/957

缺點(diǎn)：攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，常會(huì)引起固定化酶的破壞。

改良措施：將固定化酶固定在攪拌軸上，或放置在與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，既不損壞固定化酶，又使酶不致流失。

為使反應(yīng)器內(nèi)酶濃度一定，可采取以下措施：

●溶液中連續(xù)流加酶；

●使用多孔膜使酶滯留于溶液中；

●出口處用篩網(wǎng)罩??；

●酶被固定在攪拌軸上的容器內(nèi)；

●溶液快速循環(huán)通過固定化酶柱。2021/5/9582021/5/959（三）固定床酶反應(yīng)器特點(diǎn)：當(dāng)原料通過固體催化劑床層時(shí)，催化劑顆粒靜止不動(dòng)。固定化酶的形狀：球形，碟形，薄片，小珠等。流動(dòng)形態(tài)：接近于平推流，可近似認(rèn)為是平推流反應(yīng)器。

沿柱的方向底物及產(chǎn)物的濃度是逐漸變化的，但在同一橫切面上濃度是一致的。2021/5/9602021/5/961

優(yōu)點(diǎn)：

單位反應(yīng)器容積的催化劑顆粒裝填密度高；

結(jié)構(gòu)簡單，建造費(fèi)用低；

適于容易磨損的固定化酶；

當(dāng)有產(chǎn)物抑制時(shí)，采用這種反應(yīng)器可獲得較高的產(chǎn)率。

但如果有底物抑制時(shí)，就不十分適合了。

缺點(diǎn)：

傳熱傳質(zhì)系數(shù)相對較低；

固定化酶顆粒大小會(huì)影響壓力降和內(nèi)擴(kuò)散阻力；

當(dāng)反應(yīng)液內(nèi)含有固體物料時(shí)不宜采用此反應(yīng)器，固體物質(zhì)會(huì)引起床層堵塞。2021/5/962（四）流化床酶反應(yīng)器特點(diǎn)：通過流體自下而上的流動(dòng)使反應(yīng)器內(nèi)裝填的固定化酶顆粒在流體中保持懸浮狀態(tài)，即以流態(tài)化狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：

●

流體與固體充分接觸，混合程度高，傳熱傳質(zhì)性能良好；

●可用于處理粘性大和含有固體顆粒的底物，不易堵塞。缺點(diǎn)：不適合于有產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。2021/5/963

（五）膜式酶反應(yīng)器

●原理：利用膜將分子量較大的酶及底物截留在酶反應(yīng)器內(nèi)，從而達(dá)到酶的反復(fù)使用及與產(chǎn)物分離的目的。

●膜的作用：

◎

可使酶重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高的酶濃度；

◎可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以減少產(chǎn)物對反

應(yīng)的抑制作用，從而提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。2021/5/964

●

膜的種類：按孔徑從小到大依次分為：

◎反滲透膜(RO)

◎

超濾膜(UF)

◎

微濾膜(MF)

◎

普通濾膜

●

根據(jù)膜的性質(zhì)不同分為：

◎固體膜反應(yīng)器

◎液體膜反應(yīng)器2021/5/965

1.

固體膜反應(yīng)器

適合于：

大分子或小分子底物轉(zhuǎn)化為小分子產(chǎn)物的酶反應(yīng)；

尤其適合于水解酶類的酶反應(yīng)。

優(yōu)點(diǎn)：

底物可按需要定量地進(jìn)入反應(yīng)器，操作比較方便；

酶可以游離的方式起作用，消除了因固定化而帶來的酶活損失；

反應(yīng)器本身易于清潔和消毒，反應(yīng)條件易于控制；

膜的價(jià)格不太高。2021/5/9662021/5/967

全混攪拌釜—超濾膜反應(yīng)器：酶處于水溶液狀態(tài)。利用超濾膜分離器使小分子的生成物透過超濾膜的微孔而排出，而像酶這樣的大分子則被截留在超濾膜表面上，同時(shí)利用泵的壓強(qiáng)將截留在膜表面的大分子化合物壓回?cái)嚢韪匦率褂谩?/p>

2021/5/968適用于：產(chǎn)物為小分子化合物的酶促反應(yīng)，也可用于水不溶性底物和膠體狀底物。優(yōu)點(diǎn)：效率高，可以在反應(yīng)的同時(shí)把生成的產(chǎn)物分離出來。缺點(diǎn)：不容易得到能長期穩(wěn)定操作的酶；膜上吸附的酶容易形成濃差極化，影響透過液的通量。2021/5/9692.

中空纖維膜反應(yīng)器原理：把酶結(jié)合于半透性的中空纖維上，這種半透膜只允許底物和產(chǎn)物等小分子量物質(zhì)通過，而分子量較大的酶則不能。結(jié)構(gòu)：

●

內(nèi)層緊密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。

●

外層是多孔的海綿狀的支持層。膜材料：纖維素衍生物，如：硝化纖維，醋酸纖維素；聚酰胺，聚砜等。2021/5/9702021/5/971

優(yōu)點(diǎn)：

●纖維膜的比表面積較大，管徑很小，并能能承受較大的壓力；

●傳質(zhì)阻力較?。?/p>

●對海綿層進(jìn)行沖洗即可除去或更換酶；

●含酶溶液被固封在海綿狀結(jié)構(gòu)層的孔隙中，酶在溶液中是自由的，消除了固定化酶技術(shù)中存在的對酶的位阻現(xiàn)象和減活作用。2021/5/9722021/5/9733.

循環(huán)式膜反應(yīng)器

●

特點(diǎn)：反應(yīng)器與分離裝置是分開的。生物催化劑在分離裝置中與反應(yīng)混合物分離，然后再循環(huán)至反應(yīng)器中應(yīng)用。

●

類型：超濾膜酶反應(yīng)器，透析膜酶反應(yīng)器等。

●

應(yīng)用：酶催化橄欖油水解，葡萄糖發(fā)酵制乙醇，發(fā)酵法制取丙酮和丁醇等。

2021/5/974

綜合評述：通常選擇反應(yīng)器時(shí)應(yīng)考慮如下因素：（1）固定化酶的形狀：顆粒，纖維，管或膜。（2）底物性質(zhì)：可溶性的，顆粒的或膠態(tài)的。（3）反應(yīng)過程：是否要求控制pH或供給氧氣和防止雜菌污染等。（4）酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。（5）載體負(fù)荷能力，即偶聯(lián)酶量。（6）固定化酶的穩(wěn)定性、更換及再生的難易。2021/5/975（7）固定化酶表面積/反應(yīng)器體積的比值。（8）物質(zhì)傳遞特性：內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散的影響。（9）反應(yīng)器制造的難易。（10）操作要求及反應(yīng)器的成本：包括制造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本。（11）反應(yīng)器的管理難易。（12）固定化酶的大小，機(jī)械強(qiáng)度和密度。（13）生產(chǎn)的產(chǎn)量大小。2021/5/976

五.動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器

動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的意義：

可以生產(chǎn)許多重要的，原先難以生產(chǎn)或無法生產(chǎn)的生物產(chǎn)品。

●動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)→貴重藥物和特殊的酶；

●植物細(xì)胞的培養(yǎng)→有效的生物轉(zhuǎn)化，而獲得許多重要的產(chǎn)品→促進(jìn)植物遺傳工程的發(fā)展。

2021/5/977

動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)與微生物培養(yǎng)的區(qū)別：

●

動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，對攪拌引起的流體剪切力十分敏感；

●

大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要貼壁生長；

●

對培養(yǎng)基要求高，要求含有多種氨基酸，血清，維生素，無機(jī)鹽等；

●

培養(yǎng)條件苛刻，對于溶氧濃度，pH值及溫度等都要求嚴(yán)格；

●

生長比微生物慢得多，培養(yǎng)時(shí)間長；

●

易染菌，要嚴(yán)格防污染。2021/5/978(一)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器

1.動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程的特征

●

生長速率慢，易為微生物等污染，采取加入抗生素等措施；

●

細(xì)胞個(gè)體大且無壁，對環(huán)境敏感，應(yīng)解決供氧（攪拌與通風(fēng)）與細(xì)胞脆弱的矛盾；

●

設(shè)備放大不能完全照搬微生物反應(yīng)過程的經(jīng)驗(yàn)；

●

反應(yīng)過程成本高，但產(chǎn)物的價(jià)格更昂貴。

目前利用大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有四大類：

疫苗，干擾素，單克隆抗體，遺傳重組產(chǎn)品2021/5/979

2.

反應(yīng)器類型動(dòng)物細(xì)胞按培養(yǎng)特性不同分為兩類：（1）非錨地依賴性細(xì)胞：可采用懸浮培養(yǎng)法，反應(yīng)器與培養(yǎng)微生物者相類似。(主要是血液細(xì)胞，淋巴組織細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞)（2）錨地依賴性細(xì)胞：必須貼附于固體或半固體物體表面才能培養(yǎng)，該類反應(yīng)器必須提供巨大的表面積。(多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞)

2021/5/980

動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器的主要類型：多層平板式，多層圓盤式，螺旋轉(zhuǎn)膜式，多層托盤式，卷帶式，中空纖維管，流化床式，微載體攪拌式，通氣攪拌式。2021/5/981

3.

培養(yǎng)條件

●

一般地，溫度為37℃±0.02℃

，pH為7±0.05，通氣中氧與二氧化碳的含量比為95:5；

●

動(dòng)物細(xì)胞生長緩慢，倍增時(shí)間為15~100h；

●培養(yǎng)基及其復(fù)雜且昂貴。2021/5/982

4.

培養(yǎng)方法按其加料或出料方式可分為5種：（1）分批式操作：將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性加入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞生長，產(chǎn)物形成，最后取出整個(gè)反應(yīng)系。（2）流加式操作：新的營養(yǎng)成分不斷補(bǔ)充加入。2021/5/983（3）半連續(xù)式操作：分批操作中取出部分反應(yīng)系，補(bǔ)充新的營養(yǎng)成分，但反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的總體積保持不變。（4）連續(xù)式操作：細(xì)胞種子和培養(yǎng)液一起加入，反應(yīng)液不斷取出而新鮮培養(yǎng)液不斷加入。（5）灌注式培養(yǎng)：細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，連續(xù)注入新鮮培養(yǎng)基的同時(shí)，連續(xù)等量排出用過的培養(yǎng)基，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)。2021/5/984灌注式培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)：

●

其產(chǎn)量為一般懸浮法的幾倍；

●

獲得的都是活細(xì)胞，通常懸浮法培養(yǎng)收獲的細(xì)胞有30%

是死細(xì)胞。缺點(diǎn)：

●

培養(yǎng)基消耗量比一般懸浮培養(yǎng)高幾倍，

●

工作過程較復(fù)雜，

●

培養(yǎng)物易受污染和培養(yǎng)細(xì)胞不穩(wěn)定。2021/5/985

對非錨地依賴性細(xì)胞：其懸浮培養(yǎng)多采用分批式操作方法，也可采用灌流培養(yǎng)法。對錨地依賴性細(xì)胞：可采用分批，半連續(xù)和連續(xù)等多種方法。目前主要采用中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)和微載體培養(yǎng)系統(tǒng)。常采用的培養(yǎng)方式有：

●

懸浮培養(yǎng)，●微載體培養(yǎng)，

●貼壁培養(yǎng)，●包埋培養(yǎng)等。

2021/5/986

●

貼壁反應(yīng)器：傳統(tǒng)的培養(yǎng)裝置采用的是滾瓶。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，技術(shù)成熟，放大只是簡單地增加滾瓶數(shù)。

缺點(diǎn)：◎勞動(dòng)強(qiáng)度大；

◎單位體積所能提供的細(xì)胞生長的表面積??；

◎占用空間大，按體積計(jì)算細(xì)胞產(chǎn)率低；

◎監(jiān)測和控制環(huán)境條件受到限制。

因此限制了動(dòng)物細(xì)胞的大量培養(yǎng)。2021/5/987

●

中空纖維反應(yīng)器：由上千根中空纖維管組成。

材料：硅膠，聚砜，聚丙烯等。

結(jié)構(gòu)：具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞能附著其壁上生長；管壁是半透性多孔膜，大分子有機(jī)物不能透過，能透過水分子，營養(yǎng)物質(zhì)和氧及二氧化碳。

尺寸：一般內(nèi)徑為200μm，壁厚為50-75μm。

優(yōu)點(diǎn)：生長面積與容積之比可達(dá)40多倍，溶氧傳質(zhì)速率可達(dá)0.6mmol/(L.h)。為大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)創(chuàng)造了條件。2021/5/9882021/5/9892021/5/990

●微載體懸浮反應(yīng)器：

微載體的材料：交聯(lián)葡聚糖，纖維素，聚丙烯酰胺，硅橡膠，明膠等。

大?。呵驈郊s40-120μm，溶脹后的直徑約60-280μm，使用時(shí)要求球徑較均勻，密度在1.03-1.05g/ml。

優(yōu)點(diǎn)：

◎單位體積具有的表面積大，1g微載體可提供5000-6000cm2的表面積，故單位體積培養(yǎng)基的細(xì)胞產(chǎn)率高；

◎氧傳遞能力可達(dá)30mg/(L.h)；

◎放大容易。2021/5/991(二)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器

1.植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)

●

生長速率慢；●細(xì)胞個(gè)大，并且細(xì)胞壁以纖維素為主要成分，抗剪切能力低；

●

為防止染菌，需加抗生素；●細(xì)胞培養(yǎng)需氧，而培養(yǎng)液黏度大，不能強(qiáng)力通風(fēng)攪拌；

●有堅(jiān)固的細(xì)胞壁，代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)且產(chǎn)量低，必須高密度培養(yǎng)；

●

培養(yǎng)的植物細(xì)胞常生成各種大小的團(tuán)塊，增加了懸浮培養(yǎng)的難度。2021/5/992

2.

反應(yīng)器類型通氣攪拌罐，鼓泡塔，氣升式及振動(dòng)混合式反應(yīng)器。此外：恒化反應(yīng)器，平板反應(yīng)器，中空纖維反應(yīng)器。

在各類反應(yīng)器中，攪拌罐剪切力較大，鼓泡塔混合性能較差，氣升式反應(yīng)器性能較佳。

3.

培養(yǎng)基除水以外，有九大類：無機(jī)營養(yǎng)物，維生素，碳源，植物激素，氨基酸類，核酸及其水解物，天然物，氯化膽堿，瓊脂。2021/5/993

4.培養(yǎng)方法

●

根據(jù)植物細(xì)胞所處的狀態(tài)不同懸浮培養(yǎng)法， 固定化植物細(xì)胞培養(yǎng)法

●

根據(jù)操作方式的不同：分批式，反復(fù)分批式，連續(xù)式培養(yǎng)法，固定化培養(yǎng)法。植物細(xì)胞的培養(yǎng)多采用通氣式攪拌罐和氣升式發(fā)酵罐，從使用效果看，氣升式發(fā)酵罐最佳。植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器可模仿微生物培養(yǎng)用反應(yīng)器的放大方法進(jìn)行。2021/5/994

(1)

分批培養(yǎng)：操作簡單，培養(yǎng)時(shí)間一般一個(gè)周期要6天以上。

(2)

反復(fù)分批式：又稱半連續(xù)培養(yǎng)法將分批培養(yǎng)的培養(yǎng)液取出部分又加入等量的新鮮培養(yǎng)基，可提高生產(chǎn)速率。

(3)

連續(xù)培養(yǎng)：以一定速度連續(xù)取出細(xì)胞與培養(yǎng)液，并以同樣速度輸入新鮮培養(yǎng)基，可使細(xì)胞生長環(huán)境長期穩(wěn)定。

(4)

固定化培養(yǎng)：采用固定化反應(yīng)器，將細(xì)胞固定于網(wǎng)狀多孔板上或固定于中空纖維的膜表面，易于得到高密度細(xì)胞群體。2021/5/995

六.生化反應(yīng)—分離耦合過程

1.原理：又稱原位產(chǎn)物分離過程，簡稱ISPR。即在生化反應(yīng)的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí)地將對生化反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性原位移走，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物從其細(xì)胞周圍的即時(shí)分離。

2.類型：

●

采用分離劑：簡單，在原生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行；分離劑與細(xì)胞直接接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物部分地通過分配 轉(zhuǎn)移到分離劑中。(分離劑必須是生物兼容的）2021/5/996

●

采用外部分離循環(huán)：復(fù)雜，在反應(yīng)器和分離器兩個(gè)裝置中進(jìn)行；分離劑不與細(xì)胞直接接觸，有利于產(chǎn)物的進(jìn)一步分離和提純。2021/5/997

3.

耦合過程的類型（1）通過氣體汽提和減壓進(jìn)行分離： 主要應(yīng)用于乙醇發(fā)酵和丙酮-丁醇發(fā)酵，因?yàn)檫@些物質(zhì)沸點(diǎn)較低，易揮發(fā)。（2）通過吸附或離子交換進(jìn)行分離：對某些可逆的酶催化反應(yīng)，可通過吸附的方法及時(shí)地從反應(yīng)體系中移走產(chǎn)物，則可提高該酶催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。

例如：高果糖的生產(chǎn)。還可以通過分離產(chǎn)物以控制發(fā)酵過程的適宜的pH值，如乳酸發(fā)酵生產(chǎn)。

2021/5/998

（3）通過溶劑萃取進(jìn)行分離：如：有機(jī)溶劑萃取和雙水相萃取。（4）膜式生物反應(yīng)器：

●

一方面可使酶或細(xì)胞重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高的酶濃度和細(xì)胞濃度；

●另一方面又可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以減少產(chǎn)物對反應(yīng)的抑制作用，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力。2021/5/999根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)酶的狀態(tài)，可分為游離態(tài)和固定化酶膜反應(yīng)器：游離態(tài)酶：溶于反應(yīng)物內(nèi)；固定化酶：結(jié)合在膜的表面形成酶膜。其優(yōu)點(diǎn)是酶的密度大；缺點(diǎn)是底物和產(chǎn)物通過膜的速率很慢，往往成為反應(yīng)過程的控制因素。2021/5/9100七、生物膜及其形成（一）生物膜的定義及分類

1.定義生物膜主要由微生物細(xì)胞和它們所產(chǎn)生的胞外多聚物組成，通常具有孔狀結(jié)構(gòu)，含有大量被吸附的溶質(zhì)和無機(jī)顆粒。

生物膜的組成與特性，以及在載體表面的厚度、分布均勻性，均與營養(yǎng)底物、生長條件和細(xì)胞分泌的胞外多聚物量等環(huán)境因素有關(guān)。

2.分類

●

靜止生物膜：一般存在于滴濾池中。

●

顆粒生物膜：通常應(yīng)用于各種流化床生物膜反應(yīng)器、升流式厭氧污泥床等。2021/5/9101

（二）生物膜載體

1.載體的種類

載體：通常是指細(xì)胞及酶固定化過程中所需要的介質(zhì)。

●

無機(jī)載體：砂子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、陶瓷材料、碳纖維、礦渣、活性炭及金屬等。

●

有機(jī)載體：各種樹脂、塑料、纖維等。從強(qiáng)度、密度和加工成形等方面的性能來說，有機(jī)載體比無機(jī)載體更好。

2021/5/9102

2.載體的選擇

●載體的物理形態(tài)及機(jī)械強(qiáng)度良好，載體間的碰撞幾率較小，所制備的反應(yīng)器不易堵塞，便于反沖洗。

●

載體的表面粗糙，孔隙率及密度大小應(yīng)有利于生物膜的形成、發(fā)展及穩(wěn)定。

●

載體的生物、化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性要好，不參與生物膜的反應(yīng)，其本身不會(huì)被生物降解，應(yīng)能抗生物膜微生物的腐蝕。

2021/5/9103

●

載體所能提供的表面積應(yīng)盡可能大，對已附著微生物有較好的保護(hù)作用，且不顯著影響微生物的生物活性，傳質(zhì)特性較好。

●

載體的可再用性和價(jià)格等。2021/5/91042021/5/9105（三）微生物的附著固定

通過改變載體表面的親疏水性及電性來促進(jìn)微生物在載體表面的附著固定。

親水性微生物易于在親水性載體表面附著固定，而疏水性載體有利于疏水性微生物在其表面的附著固定。根據(jù)微生物的特性和附著機(jī)制的不同，微生物在載體上的附著可劃分為五種方法：表面吸附，鍵聯(lián)，細(xì)胞間自交聯(lián)，多聚體包埋和孔網(wǎng)狀載體截陷固定。

每種方法都有其特定的適用范圍。2021/5/9106表面吸附固定法：微生物和載體間作用。例如：動(dòng)物細(xì)胞在離子交換樹脂上的繁殖。鍵聯(lián)固定法：微生物與載體表面的活性基團(tuán)形成共價(jià)鍵。

例如：硝化細(xì)菌在含F(xiàn)e3+聚合物上進(jìn)行硝化反應(yīng)。細(xì)胞間自交聯(lián)固定法：通過細(xì)胞間的自交聯(lián)實(shí)現(xiàn)，或者人為加入交聯(lián)劑。

例如：乳桿菌屬通過聚氨基葡糖交聯(lián)。2021/5/9107多聚體包埋法：通過某些多聚體化合物包裹微生物。

例如：用藻朊酸鹽包埋黑曲霉等細(xì)胞?？拙W(wǎng)狀載體截陷固定法：利用孔網(wǎng)狀載體的特殊結(jié)構(gòu)截陷微生物。例如：在中空纖維上固定黑曲霉細(xì)胞。2021/5/9108（四）生物膜的形成

生物膜的累積形成是有機(jī)分子、微生物細(xì)胞及載體表面通過物理、化學(xué)和生物過程綜合作用的結(jié)果。

1.形成步驟：

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有機(jī)物分子從水中向生物膜載體表面運(yùn)送，其中某些被載體吸附，形成被微生物改良的載體表面。

●

水中一些浮游的微生物細(xì)胞被傳送到改良的載體表面，其中碰撞到載體表面的細(xì)胞被吸附。

2021/5/9109●

被表面吸附變成不可解吸的細(xì)胞，攝取并消耗水中的底物與營養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)目不斷增多；同時(shí)，細(xì)胞可能產(chǎn)生大量產(chǎn)物，其中部分將排出體外。這些產(chǎn)物中有一些就是胞外多聚物，可以將生物膜緊緊地結(jié)合在一起。

●

進(jìn)入水中，或者細(xì)胞在增殖時(shí)亦可向水中釋放出游離的細(xì)胞。2021/5/9110

2.生物膜上的微生物

細(xì)菌、真菌、藻類，以及某些原生動(dòng)物，甚至有后生動(dòng)物，組成相當(dāng)復(fù)雜。某些微生物在生物膜上是否存在及優(yōu)先生長等情況，常與被處理污水的水質(zhì)和生物膜所處的環(huán)境條件有關(guān)。

微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，從而可以檢查、判斷生物膜反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及水處理效果。2021/5/9111污水濃度適當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)：獨(dú)縮蟲屬、聚縮蟲屬、累枝蟲屬、集蓋蟲屬和鐘蟲等。污水濃度過高時(shí)，真菌類增加，纖毛蟲類基本消失，出現(xiàn)：屋滴蟲屬、波豆蟲屬、尾波蟲屬等鞭毛類。負(fù)荷較低時(shí)，出現(xiàn)：盾纖蟲屬、尖毛蟲屬、表殼蟲屬和鱗殼蟲屬。后生動(dòng)物如輪蟲和線蟲等大量出現(xiàn)時(shí)，表明生物膜中的厭氧層減少，因此不會(huì)引起生物膜肥厚，生物膜脫落量也少。如果扭頭蟲屬、新態(tài)蟲屬和貝日阿托氏菌屬等出現(xiàn)時(shí)，表明生物膜中的厭氧層增厚。2021/5/9112（五）生物膜的廢水凈化作用

厭氧層

生物膜層

好氧層

附著水層

廢水層

流動(dòng)水層

附著水中的有機(jī)物大多會(huì)被生物膜氧化，使有機(jī)物濃度降低。同時(shí)空氣中的氧隨廢水流經(jīng)生物膜時(shí)被微生物所利用，有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生的CO2等透過附著水，進(jìn)入流動(dòng)水并隨空氣流流出。2021/5/9113

八、生物膜反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，

●

生物膜法的產(chǎn)生抗沖擊負(fù)荷，更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能，

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生物膜法的優(yōu)點(diǎn)無污泥膨脹，具有一定的硝化與反硝化功能，可實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)、防止臭味等。（一）生物膜反應(yīng)器分類凡是在污水生物處理的各種工藝中引入微生物附著生長載體(或稱之為濾料、填料等)的反應(yīng)器，都將其定義為生物膜反應(yīng)器，包括以生物膜為主體的生物膜反應(yīng)器，以及引入生物膜的復(fù)合式生物膜反應(yīng)器。2021/5/91142021/5/9115

生物膜反應(yīng)器的研究趨勢：

●

進(jìn)一步探討微生物在載體表面的固定機(jī)理，開發(fā)工程實(shí)際中普遍使用的微生物固定技術(shù)，優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu)及各種反應(yīng)器工藝系統(tǒng)；

●

進(jìn)一步使各種生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)的凈化功能更為廣譜和高效；

●

深入研究生物膜微生物的增長及底物去除動(dòng)力學(xué)和生物膜微生物的能量代謝；

●

生物膜反應(yīng)器朝著節(jié)能和自動(dòng)化控制方向發(fā)展。2021/5/9116

（二）生物濾池

1.原理及特征

●

原理以土壤自凈原理為依據(jù)。

●

作用過程

污水長期以滴狀灑布在塊狀濾料的表面，在污水流經(jīng)的表面上就會(huì)形成生物膜，生物膜成熟后，棲息在生物膜上的微生物即攝取污水中的有機(jī)污染物作為營養(yǎng)，從而使污水得到凈化。2021/5/9117

●

特征

細(xì)菌以生物膜的方式附著在固體表面上。

濾池表層：主要由好氧化能異養(yǎng)細(xì)菌和真菌組成。

濾池低層：以自養(yǎng)硝化細(xì)菌為主。此外：還存在大量的原生動(dòng)物和草食動(dòng)物。2021/5/9118

2.分類

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普通生物濾池

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高負(fù)荷生物濾池：大幅度地提高了濾池的負(fù)荷率，通常BOD容積負(fù)荷率比普通濾池高6~8倍。

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塔式生物濾池：解決了普通生物濾池占地面積大的問題，其水力負(fù)荷比一般的高負(fù)荷生物濾池還要高2~10倍。

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厭氧生物濾池：是一種裝填濾料的厭氧生物膜反應(yīng)器。

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活性生物濾池：采用了復(fù)合的生物膜－活性污泥工藝。2021/5/9119

3.結(jié)構(gòu)

●

池體：在平面上多呈方形、矩形或圓形。

●

濾料：是生物膜的載體。對濾料的要求：

◆合適的粒徑；

◆足夠的機(jī)械強(qiáng)度；

◆容重應(yīng)??；

◆既能抵抗廢水、空氣和微生物的侵蝕，又不應(yīng)是影響微生物生命活動(dòng)的雜質(zhì)；

◆應(yīng)能就地取材，價(jià)格便宜，加工容易。

2021/5/9120

常用濾料：

◆

碎石、卵石、爐渣和焦炭等實(shí)心拳狀無機(jī)濾料；

◆

由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板狀、多孔篩狀和蜂窩狀的人工有機(jī)濾料，具有更大的比表面積(100~200m2/m3)和高空隙率(80%~95%)。2021/5/9121

●

排水系統(tǒng)

位置：濾池底部。

包括：滲水裝置、匯水溝和總排水溝。

作用：排除處理后的污水并保證濾池的良好通風(fēng)。

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布水系統(tǒng)

類型：間歇噴灑布水系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)式布水器。小型的塔式生物濾池，多采用固定式噴嘴布水系統(tǒng)；大中型塔式生物濾池，多采用旋轉(zhuǎn)式布水器。2021/5/91222021/5/9123（三）生物轉(zhuǎn)盤

1.結(jié)構(gòu)與生物濾池的原理類似，主要區(qū)別是它以一系列轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片代替固定的濾料。

●

盤片的材料：聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃鋼，鋁合金等。

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盤片的形狀：平板，波紋板，或兩者的組合。

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盤片的安裝：有近一半的面積浸沒在半圓形、矩形或梯形的氧化槽內(nèi)。2021/5/9124

2.工作原理廢水處于半靜止?fàn)顟B(tài)，微生物生長在轉(zhuǎn)盤的盤面上，轉(zhuǎn)盤在廢水中不斷緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，使其互相接觸。盤體與廢水和空氣交替接觸，微生物從空氣中攝取必要的氧，并對廢水中的污染物進(jìn)行生物氧化分解?；钚运ネ说纳锬ぴ谵D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)剪切力的作用下脫落。2021/5/9125

3.生物轉(zhuǎn)盤法的特征

●節(jié)能。接觸槽中不需要曝氣，也不需要回流污泥，故運(yùn)行的動(dòng)力