生物反应器——设计与类型

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引言

生物反应器是生物技术中用于生产一系列产品（包括疫苗、抗生素、生物燃料、酶和蛋白质）的重要设备。生物反应器是封闭系统，可为微生物或细胞的生长提供受控环境。

生物反应器的设计取决于产品的类型、微生物的类型和生产规模。

生物反应器的类型

根据生物反应器的设计、操作方式和应用，可以将其分为不同的类型。以下是主要的生物反应器类型：

搅拌式生物反应器

搅拌式生物反应器是工业应用中最常见的生物反应器类型。它们是配备有电机驱动叶轮的圆柱形容器，该叶轮为培养物提供搅拌作用。叶轮确保营养物质、氧气和微生物的均匀混合，从而确保最佳生长和生产。

气升式生物反应器

气升式生物反应器是另一种用于工业应用的生物反应器。它们是高大的圆柱形容器，依靠上升的气泡为培养物提供搅拌作用。气泡产生流化床，确保营养物质、氧气和微生物的均匀混合。

填充床生物反应器

填充床生物反应器用于生产酶和蛋白质。它们由填充有固体颗粒（例如树脂或玻璃珠）的填充床组成，这些固体颗粒为细胞附着提供表面积。细胞在固体颗粒表面生长并产生所需产品。

膜生物反应器

膜生物反应器使用膜将培养物与营养液分离。膜充当屏障，只允许营养物质和氧气通过到培养物中。膜还可以防止污染物的生长，并允许更好地控制生产过程。

光生物反应器

光生物反应器利用光作为微生物或细胞生长的能源。反应器的设计旨在优化培养物接收到的光量。光生物反应器用于生产生物燃料和其他需要光合作用的产品。

流化床生物反应器

流化床生物反应器使用固体颗粒的流化床为培养物提供搅拌作用。通过气流使颗粒流化，从而产生流化床。流化床为微生物或细胞的生长提供了很大的表面积。

气升式生物反应器

气升式生物反应器使用空气和液体的柱状物为培养物提供搅拌作用。生物反应器由两个区域组成：上升管和下降管。上升管是培养物进行曝气的区域，而下降管是液体和微生物由于重力向下流动的区域。

影响生物反应器性能的因素

几个因素会影响生物反应器的性能，包括：

供氧

微生物需要氧气进行呼吸和生长。生物反应器必须提供足够的氧气以支持最佳生长和生产。

营养供应

微生物需要碳、氮和磷等营养物质才能生长和生产。生物反应器必须提供足够的营养物质以支持最佳生长和生产。

温度

微生物具有最佳的生长和生产温度范围。生物反应器必须将温度保持在最佳范围内。

pH 值

微生物具有最佳的生长和生产 pH 值范围。生物反应器必须将 pH 值保持在最佳范围内。

搅拌

搅拌为培养物提供混合和曝气。生物反应器必须提供足够的搅拌作用，以防止沉降并保持最佳的氧气转移。

无菌性

污染会对生物反应器的性能产生负面影响。必须在无菌环境中维护生物反应器，以防止污染。

产物毒性

某些产品对微生物可能有毒。生物反应器的设计必须能够处理有毒产品并防止其积累。

生物反应器的设计考虑因素

设计生物反应器时必须考虑几个设计因素，包括：

生物反应器类型

必须根据生产过程的具体要求选择生物反应器类型。需要考虑的因素包括微生物或细胞培养物的类型、正在生产的产品以及生产规模。

生物反应器尺寸

必须根据生产规模选择生物反应器尺寸。需要考虑的因素包括所需的培养物体积、微生物的氧气和营养需求以及所需的搅拌类型。

结构材料

必须根据生产过程的具体要求选择结构材料。需要考虑的因素包括材料与培养基的相容性、维持无菌性的能力以及材料的成本。

搅拌系统

搅拌系统的设计必须能够为培养物提供足够的混合和曝气。需要考虑的因素包括搅拌类型、所需功率以及维持无菌性的能力。

氧气转移系统

氧气转移系统的设计必须能够为培养物提供足够的氧气。需要考虑的因素包括氧气转移类型、氧气转移效率以及维持无菌性的能力。

温度控制系统

温度控制系统的设计必须能够将温度保持在最佳生长和生产范围内。需要考虑的因素包括加热或冷却系统的类型、温度控制效率以及维持无菌性的能力。

pH 控制系统

pH 控制系统的设计必须能够将 pH 值保持在最佳生长和生产范围内。需要考虑的因素包括pH控制系统的类型、pH控制的精度以及维持无菌性的能力。

结论

生物反应器是生产各种产品（包括生物燃料、药品和生物塑料）的重要工具。必须仔细考虑生物反应器的设计和操作，以确保最佳性能和产品质量。

必须考虑几个因素，包括生物反应器的类型、生产规模以及生产过程的具体要求。

合适的生物反应器类型的选择和系统的设计将取决于生产过程的具体需求。通过正确的设计和操作，生物反应器可以提供一种可持续且高效的方式来生产各种有价值的产品。