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生物反应器的设计 1 第一章生物反应器的结构和类型 一 生物反应器的基本工程概念 一 生物反应器类型 生物反应器 利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置 分类方法 1 按操作方式 间歇式 分批式 连续式 半连续式2 按几何构型及结构特征 罐式 高径比1 3 管式 长径比 30 塔式 竖立高径比 10 膜式 内有膜件 3 按反应器所需能量的输入方式 机械搅拌式 气升式 环流式 2 4 按生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块反应器 生物膜反应器 5 按固相催化剂的运动状态 填充床 流化床 生物转盘等6 按反应体系的相态 均相 非均相 固定床 流化床 7 按流体流动状态 理想反应器 非理想反应器8 按催化剂类型 微生物反应器 发酵罐 酶反应器9 按培养对象 微生物细胞反应器 植物细胞反应器 动物细胞反应器 3 4 间歇操作特征 反应物料一次加入一次卸出 反应器物系的组成仅随时间而变化 即底物浓度和产物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化 因此它是一个非稳态过程 适合于 多品种 小批量 反应速率较慢的反应过程 5 6 连续反应器特点 原料连续输入反应器 产物则连续从反应器中流出 反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变 因而属于稳态操作 优点 产品质量稳定 生产效率高 适合大批量生产 缺点 易发生杂菌污染 操作时间过长 细胞易退化变异 7 半连续反应器特点 原料与产物只有其中一种是连续输入或输出 而其余则是分批加入或输出 优点 可减缓底物对细胞生长的抑制作用 实现细胞的高密度培养 既可以提高反应器的生产能力 也有利于下游加工过程 对细胞反应 又称分批补料培养或流加操作技术 8 二 生物反应器设计内容 反应器设计的基本准则 操作状态最佳化 反应器设计的主要内容 1 反应器选型 操作方式 结构类型 能量传递和流体流动方式等 2 设计反应器的结构 计算所需反应器体积 确定各种结构参数 反应器的内部结构及几何尺寸 搅拌器形式 大小及转速 换热方式及换热面积等 3 确定最佳操作条件及其控制方式 温度 压力 pH值 通气量 底物浓度 物料流量等 9 与一般化学反应器的不同之处 1 防止反应器的堵塞2 控制搅拌器的转速3 避免染菌 10 三 生物反应器的开发趋势1 开发活性高 选择性好及寿命长的生物催化剂 2 建立描述生化反应过程的各种数学模型 3 大型化生物反应器的开发研究 4 特殊要求的新型生物反应器的研制开发 11 四 研究生物反应器的目的1 确定该生物产品达到一定的产量需要多大的生物反应器 什么结构更好 2 结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化 为生物加工过程提供最佳环境条件 并解决放大技术 12 二 生物反应器设计的计算基础 一 生物反应器的基本设计方程反应物系的组成及操作参数 反应组分的转化速率 反应器体积反应器设计的基本方程有三类 物料衡算式 描述浓度变化 依据质量守恒定律 能量衡算式 描述温度变化 依据能量守恒定律 动量衡算式 描述压力变化 依据动量守恒定律 13 变量 因变量 反应组分的浓度或转化率 反应物系的压力或温度 自变量 时间或空间自变量 定态过程只需考虑空间自变量 而非定态过程则两种自变量都要考虑 控制体积 是指建立衡算式的空间范围 其选择原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积 可取整个反应区体积作为控制体积 也可取一微元体作为控制体积 微元体 指一微分体积 它可以反映出可能发生的全部过程和现象 它的体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限 14 1 物料衡算式衡算的组分 可选底物 产物 或细胞做衡算 衡算的时间基准 可取某一段时间或取某一瞬时的微分时间 衡算的空间范围 可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算 对反应物做物料衡算 组分进入该体积单元的量 组分流出该体积单元的量 体积单元内组分转化的量 体积单元内组分累积量 15 对产物做物料衡算 组分进入该体积单元的量 组分流出该体积单元的量 体积单元内组分生成量 体积单元内组分累积量 对细胞做物料衡算 细胞进入该体积单元的量 细胞流出该体积单元的量 体积单元内细胞生长量 体积单元内细胞死亡量 体积单元内细胞累积量 16 2 能量衡算式一般只作热量衡算 在一定的时间范围内 单位时间内输入的热量 单位时间内输出的热量 单位时间内的反应热 单位时间内累积的热量 若为放热反应 则等号右边的第二项取负号 若为吸热反应则取正号 17 3 动量衡算式生物反应器一般可做恒压处理 因此动量衡算式可略去 总之 上述基本衡算式均符合下列模式 输入 输出 消耗 累积在定态下 即所有状态参数均不随时间变化上时 累积项均为零 18 二 生物反应器内流体的流动与混合1 基本概念 粒子的年龄 物料粒子 分子或其凝聚体 进入反应器后所经历的时间 停留时间 粒子离开反应器时的年龄 返混 反应器内不同年龄的粒子间的混合 对连续流而言 产生返混的原因 反应器内的死角区 沟流或短路 流体在管内速度分布不均 管式反应器 剧烈搅动 釜式反应器 等 19 2 流动状况 理想流动模型 平推流模型 无返混全混流模型 全返混 非理想流动模型 轴向扩散模型和多釜串联模型等 介于无返混和全返混之间 20 三 平推流管式反应器的计算1 基本概念 平推流 又称活塞流 是指在与流体流动方向垂直的截面上 各粒子的流速和流向完全相同 平推流反应器 反应器内流体的流动形式为平推流 如均相管式反应器 长径比大且流速高的固定床反应器 PlugFlowReactor 简写为PFR 特征 所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同 不存在返混 在同一截面上物料组成不随时间变化 但随物料流动方向而改变 21 2 计算 取反应器中某一微元体积dV作物料衡算 进入量 排出量 反应量 积累量Fcs F cs dcs vdV 0即 Fdcs vdV对整个反应器而言 平推流反应器的设计方程 v 反应速度 mol L min cs 底物浓度 mol L V 反应器有效体积 L F 物料流量 L min 物料在反应器中的停留时间 min 22 23 四 全混流罐式反应器的计算1 全混流模型的特征 进入反应器的新物料与反应器内原有物料能够在瞬间达到完全混合 反应器内物料浓度均匀一致 并与出口浓度相同 物料在反应器内停留时间各不相同 达最大返混 与之相对应的反应器称为全混流反应器 连续罐式反应器 ContinuousStirredTankReactor 简写为CSTR 24 2 计算 对稳态下的全混流反应器作物料衡算 进入量 排出量 反应量 积累量Fcs0 Fcs vV 0即 全混流反应器的基础设计方程式 对于酶催化反应 将米氏方程代入 对微生物反应器 将Monod方程代入 25 三 微生物细胞反应器微生物细胞反应器 为微生物提供一个适宜的生长环境 使之快速繁殖并且产生有用的物质或对某种物质进行转化 以达到提供某种产品或为社会服务的目的 微生物反应器应具备的必要条件 尽量避免杂菌污染 反应器内尽量减少死角 所有的阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌 反应器结构简单 容易清扫 罐体各部件要有一定的强度 以承受一定的压力 26 发酵过程中的几个特殊问题 要为系统供应充足的氧气 剪应力的敏感性 发酵液的流变特性 絮凝作用 杂菌污染 发酵过程的参数检测与控制 与其他化学过程相比 要困难得多 27 发酵设备的分类 按对氧的要求分类 好氧发酵罐 厌氧发酵罐按产生搅拌的动力分类 机械搅拌式 气流搅拌式 28 罐式发酵器 一 机械搅拌通气式发酵罐工业上最常用的一种微生物反应器 既有机械搅拌又有压缩空气分布装置 1 搅拌器 主要功能 打碎空气气泡 增加气液接触面积 以提高气液间的传质速率 使发酵液充分混合 使液体中的固形物料保持悬浮状态 促进发酵热的散失 29 类型 涡轮式 螺旋浆式和平浆式 大多采用涡轮式搅拌器 宜用不锈钢制成 在相同是搅拌功率下粉碎气泡的能力 平叶式 弯叶式 箭叶式 30 尺寸 搅拌器直径与罐径之比可在1 3 1 2之间 可根据发酵罐的容积 在同一个搅拌轴上配置多个搅拌器 叶片数目 4叶 6叶 8叶 以6叶居多 在H D不大时 搅拌器通常使用单浆 若H D较大 需采用多浆装置 各浆间距为 1 2 5 d d 浆叶外径 最底部浆与罐底间距为 0 8 1 D D 罐内径 位置 上伸轴 下伸轴 31 32 33 2 挡板 主要功能 使沿壁旋转流动的液体折向轴心 消除搅拌时形成的旋涡 尺寸 挡板的宽度通常为罐内径的1 8 1 12 位置 在器壁设有几块垂直挡板 一般安装4 6块 34 35 3 换热装置 主要功能 将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生的热量及时移去 以保证发酵的正常进行 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q空气 Q辐射Q生物 生物氧化产生的热量 Q搅拌 搅拌器搅动液体时产生的热量 Q空气 通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气温升所带走的热量 Q辐射 由于罐外壁壁温与大气温差而引起的热量传递 36 类型 夹套换热器 一般小型发酵罐多采用 容积为5m3以下 蛇管换热器 大中型发酵罐多采用 容积为5m3以上 37 4 消沫装置 主要功能 将发酵过程中产生的泡沫破碎 类型 耙式消泡浆 装于搅拌轴上 齿面略高于液面 也可加消泡剂 机械搅拌通气式发酵罐的优点 操作弹性大 pH值和温度易于控制 有较规范的工业放大方法 适合连续培养 对黏度高 需氧量大且呈非牛顿流动特性的培养液发酵过程更为适用 38 缺点 驱动功率大 内部结构复杂 难于彻底清洗 易造成污染 在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用 细胞易受损伤 39 二 自吸式发酵罐特点 不需要空气压缩机供应压缩空气 而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气 搅拌器 空心叶轮 其快速旋转时液体被甩出 在叶轮中心形成负压 从而将罐外空气吸到罐内 40 优点 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内 达到既通风又搅拌的目的 从而省去了压缩机 缺点 进罐空气处于负压 增加了染菌机会 对大多数无菌要求较高的发酵生产是不适宜的 搅拌转速很高 有可能使菌丝被搅拌器切断 影响其正常生长 41 42 塔式反应器 一种高径比较大的非机械式的生物反应器 主要优点 省去了轴封 从根本上排除了因轴封而造成的染菌 反应器结构简单 功率消耗小 减少了剪切作用对细胞的损害 溶氧速率高 43 结构原理 塔身为圆柱形 空气在反应器内经数次分裂与聚集 一方面延长了空气与培养液的接触时间 另一方面不断形成新的气液界面 减小了液膜阻力 提高了溶氧效果 类型 最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器 44 三 鼓泡式发酵罐又称空气搅拌高位反应器 通常有多层筛板 原理 无须机械搅拌装置 利用通入培养液的空气泡上升时的动力带动液体运动 达到混合效果 特点 高径比较大 一般在6 1 10 1之间 空气进入培养液后有较长的停留时间 多孔筛板的作用 阻截气泡 既延长气体的停留时间 又使空气在反应器内经多次聚并与分散 45 46 优点 发酵罐结构简单 造价较低 动力消耗少 操作成本低且噪声小 避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染 缺点 塔体高度大 需要在室外安装 需要压力较高的压缩空气以克服罐内液体静压力 较适于培养液黏度低 含固量少 需氧量较低的发酵过程 47 四 环流式发酵罐1 气升环流式发酵罐结构特点 不设机械搅拌装置 但在罐外设体外循环管 或在罐内设导流筒或垂直隔板 原理 通入空气的一侧 液体因其平均密度下降而上升 不通气的一侧则因液体密度较大而下降 因而在反应器内形成液体的环流 大大强化了氧的传递 优点 液体中剪切力低 能耗低 结构简单 避免了机械搅拌反应器中轴封不严所带来的杂菌污染问题 不适用于 高黏度或含大量固体的培养液 48 49 2 喷射环流式发酵罐原理 用机械泵喷嘴引射压缩空气 在喷嘴出口处形成强的剪切力场 将射入的空气在液相中分散为小气泡 在反应器内重新聚并起来的大气泡 通过环流得以再度分散 从而加快传质速率 优点 与机械搅拌式发酵罐相比 在同样的能耗下 喷射环流式发酵罐的氧传递速率要高得多 五 连续管道发酵器所用管道可以是直管也可以是蛇管 主要用于厌氧发酵 50 51 六 基因工程菌发酵罐1 基因工程菌 通过基因操作得到的DNA重组微生物 2 需特别注意的问题 发酵罐内微生物的泄漏 3 造成泄漏的原因 排气 需经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放 轴封泄漏 90升以下的发酵罐 可采用磁力搅拌 较大的发酵罐应采用双端面密封 取样 取样后用蒸汽将有关管道灭菌 冲出的污物经专门的管道收集到污物贮罐 最后统一灭菌处理 接种和放料 52 53 四 酶反应器以酶为催化剂进行生物催化反应的装置称为酶反应器 催化剂可以是溶液酶 也可以是固定化酶 54 55 游离酶 反应结束后催化剂很难回收 但可获得较高的产物收率 固定化酶 酶易于回收重复使用 一 间歇式酶反应器通常为带有搅拌器的罐式反应器 设置有夹套或盘管以便加热或冷却罐内物料 控制反应温度 主要用于游离酶反应 一般并不回收游离酶 固定化酶很少使用在间歇反应器中 56 二 连续搅拌罐式酶反应器 CSTR 结构 与间歇罐式反应器基本相同 特点 连续进料 连续出料 罐内各点浓度均匀一致 且等于流出液浓度 易于控制温度和pH值 能处理胶态和不溶性底物 优点 造价低 装置比较简单 反应能迅速达到稳定状态 传质的阻力也可降到最低限度 57 缺点 搅拌浆产生的剪切力较大 常会引起固定化酶的破坏 改良措施 将固定化酶固定在搅拌轴上 或放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内 既不损坏固定化酶 又使酶不致流失 为使反应器内酶浓度一定 可采取以下措施 溶液中连续流加酶 使用多孔膜使酶滞留于溶液中 出口处用筛网罩住 酶被固定在搅拌轴上的容器内 溶液快速循环通过固定化酶柱 58 59 三 固定床酶反应器特点 当原料通过固体催化剂床层时 催化剂颗粒静止不动 固定化酶的形状 球形 碟形 薄片 小珠等 流动形态 接近于平推流 可近似认为是平推流反应器 沿柱的方向底物及产物的浓度是逐渐变化的 但在同一横切面上浓度是一致的 60 61 优点 单位反应器容积的催化剂颗粒装填密度高 结构简单 建造费用低 适于容易磨损的固定化酶 当有产物抑制时 采用这种反应器可获得较高的产率 但如果有底物抑制时 就不十分适合了 缺点 传热传质系数相对较低 固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力 当反应液内含有固体物料时不宜采用此反应器 固体物质会引起床层堵塞 62 四 流化床酶反应器特点 通过流体自下而上的流动使反应器内装填的固定化酶颗粒在流体中保持悬浮状态 即以流态化状态进行反应 优点 流体与固体充分接触 混合程度高 传热传质性能良好 可用于处理粘性大和含有固体颗粒的底物 不易堵塞 缺点 不适合于有产物抑制的反应 63 五 膜式酶反应器 原理 利用膜将分子量较大的酶及底物截留在酶反应器内 从而达到酶的反复使用及与产物分离的目的 膜的作用 可使酶重复使用以使反应体系维持较高的酶浓度 可把产物不断地从反应体系中分离出去以减少产物对反应的抑制作用 从而提高反应器的生产能力 64 膜的种类 按孔径从小到大依次分为 反渗透膜 RO 超滤膜 UF 微滤膜 MF 普通滤膜 根据膜的性质不同分为 固体膜反应器 液体膜反应器 65 1 固体膜反应器适合于 大分子或小分子底物转化为小分子产物的酶反应 尤其适合于水解酶类的酶反应 优点 底物可按需要定量地进入反应器 操作比较方便 酶可以游离的方式起作用 消除了因固定化而带来的酶活损失 反应器本身易于清洁和消毒 反应条件易于控制 膜的价格不太高 66 67 全混搅拌釜 超滤膜反应器 酶处于水溶液状态 利用超滤膜分离器使小分子的生成物透过超滤膜的微孔而排出 而像酶这样的大分子则被截留在超滤膜表面上 同时利用泵的压强将截留在膜表面的大分子化合物压回搅拌釜重新使用 68 适用于 产物为小分子化合物的酶促反应 也可用于水不溶性底物和胶体状底物 优点 效率高 可以在反应的同时把生成的产物分离出来 缺点 不容易得到能长期稳定操作的酶 膜上吸附的酶容易形成浓差极化 影响透过液的通量 69 2 中空纤维膜反应器原理 把酶结合于半透性的中空纤维上 这种半透膜只允许底物和产物等小分子量物质通过 而分子量较大的酶则不能 结构 内层紧密光滑 并有一定的分子截留值 可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过 外层是多孔的海绵状的支持层 膜材料 纤维素衍生物 如 硝化纤维 醋酸纤维素 聚酰胺 聚砜等 70 71 优点 纤维膜的比表面积较大 管径很小 并能能承受较大的压力 传质阻力较小 对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶 含酶溶液被固封在海绵状结构层的孔隙中 酶在溶液中是自由的 消除了固定化酶技术中存在的对酶的位阻现象和减活作用 72 73 3 循环式膜反应器 特点 反应器与分离装置是分开的 生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离 然后再循环至反应器中应用 类型 超滤膜酶反应器 透析膜酶反应器等 应用 酶催化橄榄油水解 葡萄糖发酵制乙醇 发酵法制取丙酮和丁醇等 74 综合评述 通常选择反应器时应考虑如下因素 1 固定化酶的形状 颗粒 纤维 管或膜 2 底物性质 可溶性的 颗粒的或胶态的 3 反应过程 是否要求控制pH或供给氧气和防止杂菌污染等 4 酶反应的动力学特征 5 载体负荷能力 即偶联酶量 6 固定化酶的稳定性 更换及再生的难易 75 7 固定化酶表面积 反应器体积的比值 8 物质传递特性 内扩散和外扩散的影响 9 反应器制造的难易 10 操作要求及反应器的成本 包括制造和运转成本 11 反应器的管理难易 12 固定化酶的大小 机械强度和密度 13 生产的产量大小 76 五 动植物细胞培养用反应器动植物细胞培养的意义 可以生产许多重要的 原先难以生产或无法生产的生物产品 动物细胞的培养 贵重药物和特殊的酶 植物细胞的培养 有效的生物转化 而获得许多重要的产品 促进植物遗传工程的发展 77 动植物细胞培养与微生物培养的区别 动物细胞没有细胞壁 对搅拌引起的流体剪切力十分敏感 大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长 对培养基要求高 要求含有多种氨基酸 血清 维生素 无机盐等 培养条件苛刻 对于溶氧浓度 pH值及温度等都要求严格 生长比微生物慢得多 培养时间长 易染菌 要严格防污染 78 一 动物细胞培养用反应器1 动物细胞培养过程的特征 生长速率慢 易为微生物等污染 采取加入抗生素等措施 细胞个体大且无壁 对环境敏感 应解决供氧 搅拌与通风 与细胞脆弱的矛盾 设备放大不能完全照搬微生物反应过程的经验 反应过程成本高 但产物的价格更昂贵 目前利用大规模细胞培养方法生产的产品主要有四大类 疫苗 干扰素 单克隆抗体 遗传重组产品 79 2 反应器类型动物细胞按培养特性不同分为两类 1 非锚地依赖性细胞 可采用悬浮培养法 反应器与培养微生物者相类似 主要是血液细胞 淋巴组织细胞或肿瘤细胞 2 锚地依赖性细胞 必须贴附于固体或半固体物体表面才能培养 该类反应器必须提供巨大的表面积 多数动物细胞 80 动物细胞反应器的主要类型 多层平板式 多层圆盘式 螺旋转膜式 多层托盘式 卷带式 中空纤维管 流化床式 微载体搅拌式 通气搅拌式 81 3 培养条件 一般地 温度为37 0 02 pH为7 0 05 通气中氧与二氧化碳的含量比为95 5 动物细胞生长缓慢 倍增时间为15 100h 培养基及其复杂且昂贵 82 4 培养方法按其加料或出料方式可分为5种 1 分批式操作 将细胞和培养液一次性加入反应器内进行培养 细胞生长 产物形成 最后取出整个反应系 2 流加式操作 新的营养成分不断补充加入 83 3 半连续式操作 分批操作中取出部分反应系 补充新的营养成分 但反应器内培养液的总体积保持不变 4 连续式操作 细胞种子和培养液一起加入 反应液不断取出而新鲜培养液不断加入 5 灌注式培养 细胞接种后进行培养 连续注入新鲜培养基的同时 连续等量排出用过的培养基 但细胞留在反应器内 84 灌注式培养的优点 其产量为一般悬浮法的几倍 获得的都是活细胞 通常悬浮法培养收获的细胞有30 是死细胞 缺点 培养基消耗量比一般悬浮培养高几倍 工作过程较复杂 培养物易受污染和培养细胞不稳定 85 对非锚地依赖性细胞 其悬浮培养多采用分批式操作方法 也可采用灌流培养法 对锚地依赖性细胞 可采用分批 半连续和连续等多种方法 目前主要采用中空纤维培养系统和微载体培养系统 常采用的培养方式有 悬浮培养 微载体培养 贴壁培养 包埋培养等 86 贴壁反应器 传统的培养装置采用的是滚瓶 优点 结构简单 投资少 技术成熟 放大只是简单地增加滚瓶数 缺点 劳动强度大 单位体积所能提供的细胞生长的表面积小 占用空间大 按体积计算细胞产率低 监测和控制环境条件受到限制 因此限制了动物细胞的大量培养 87 中空纤维反应器 由上千根中空纤维管组成 材料 硅胶 聚砜 聚丙烯等 结构 具有海绵状多孔结构 细胞能附着其壁上生长 管壁是半透性多孔膜 大分子有机物不能透过 能透过水分子 营养物质和氧及二氧化碳 尺寸 一般内径为200 m 壁厚为50 75 m 优点 生长面积与容积之比可达40多倍 溶氧传质速率可达0 6mmol L h 为大规模动物细胞的培养创造了条件 88 89 90 微载体悬浮反应器 微载体的材料 交联葡聚糖 纤维素 聚丙烯酰胺 硅橡胶 明胶等 大小 球径约40 120 m 溶胀后的直径约60 280 m 使用时要求球径较均匀 密度在1 03 1 05g ml 优点 单位体积具有的表面积大 1g微载体可提供5000 6000cm2的表面积 故单位体积培养基的细胞产率高 氧传递能力可达30mg L h 放大容易 91 二 植物细胞培养用反应器1 植物细胞培养的特点 生长速率慢 细胞个大 并且细胞壁以纤维素为主要成分 抗剪切能力低 为防止染菌 需加抗生素 细胞培养需氧 而培养液黏度大 不能强力通风搅拌 有坚固的细胞壁 代谢产物在细胞内且产量低 必须高密度培养 培养的植物细胞常生成各种大小的团块 增加了悬浮培养的难度 92 2 反应器类型通气搅拌罐 鼓泡塔 气升式及振动混合式反应器 此外 恒化反应器 平板反应器 中空纤维反应器 在各类反应器中 搅拌罐剪切力较大 鼓泡塔混合性能较差 气升式反应器性能较佳 3 培养基除水以外 有九大类 无机营养物 维生素 碳源 植物激素 氨基酸类 核酸及其水解物 天然物 氯化胆碱 琼脂 93 4 培养方法 根据植物细胞所处的状态不同悬浮培养法 固定化植物细胞培养法 根据操作方式的不同 分批式 反复分批式 连续式培养法 固定化培养法 植物细胞的培养多采用通气式搅拌罐和气升式发酵罐 从使用效果看 气升式发酵罐最佳 植物细胞培养用反应器可模仿微生物培养用反应器的放大方法进行 94 1 分批培养 操作简单 培养时间一般一个周期要6天以上 2 反复分批式 又称半连续培养法将分批培养的培养液取出部分又加入等量的新鲜培养基 可提高生产速率 3 连续培养 以一定速度连续取出细胞与培养液 并以同样速度输入新鲜培养基 可使细胞生长环境长期稳定 4 固定化培养 采用固定化反应器 将细胞固定于网状多孔板上或固定于中空纤维的膜表面 易于得到高密度细胞群体 95 六 生化反应 分离耦合过程1 原理 又称原位产物分离过程 简称ISPR 即在生化反应的同时 选择一种合适的分离方法及时地将对生化反应有抑制或毒害作用的产物或副产物选择性原位移走 从而实现产物从其细胞周围的即时分离 2 类型 采用分离剂 简单 在原生物反应器内进行 分离剂与细胞直接接触 使反应产物部分地通过分配转移到分离剂中 分离剂必须是生物兼容的 96 采用外部分离循环 复杂 在反应器和分离器两个装置中进行 分离剂不与细胞直接接触 有利于产物的进一步分离和提纯 97 3 耦合过程的类型 1 通过气体汽提和减压进行分离 主要应用于乙醇发酵和丙酮 丁醇发酵 因为这些物质沸点较低 易挥发 2 通过吸附或离子交换进行分离 对某些可逆的酶催化反应 可通过吸附的方法及时地从反应体系中移走产物 则可提高该酶催化反应的转化率 例如 高果糖的生产 还可以通过分离产物以控制发酵过程的适宜的pH值 如乳酸发酵生产 98 3 通过溶剂萃取进行分离 如 有机溶剂萃取和双水相萃取 4 膜式生物反应器 一方面可使酶或细胞重复使用以使反应体系维持较高的酶浓度和细胞浓度 另一方面又可把产物不断地从反应体系中分离出去以减少产物对反应的抑制作用 提高反应器生产能力 99 根据反应器内酶的状态 可分为游离态和固定化酶膜反应器 游离态酶 溶于反应物内 固定化酶 结合在膜的表面形成酶膜 其优点是酶的密度大 缺点是底物和产物通过膜的速率很慢 往往成为反应过程的控制因素 100 七 生物膜及其形成 一 生物膜的定义及分类1 定义生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚物组成 通常具有孔状结构 含有大量被吸附的溶质和无机颗粒 生物膜的组成与特性 以及在载体表面的厚度 分布均匀性 均与营养底物 生长条件和细胞分泌的胞外多聚物量等环境因素有关 2 分类 静止生物膜 一般存在于滴滤池中 颗粒生物膜 通常应用于各种流化床生物膜反应器 升流式厌氧污泥床等 101 二 生物膜载体1 载体的种类载体 通常是指细胞及酶固定化过程中所需要的介质 无机载体 砂子 碳酸盐类 各种玻璃材料 沸石类 陶瓷材料 碳纤维 矿渣 活性炭及金属等 有机载体 各种树脂 塑料 纤维等 从强度 密度和加工成形等方面的性能来说 有机载体比无机载体更好 102 2 载体的选择 载体的物理形态及机械强度良好 载体间的碰撞几率较小 所制备的反应器不易堵塞 便于反冲洗 载体的表面粗糙 孔隙率及密度大小应有利于生物膜的形成 发展及稳定 载体的生物 化学及热力学稳定性要好 不参与生物膜的反应 其本身不会被生物降解 应能抗生物膜微生物的腐蚀 103 载体所能提供的表面积应尽可能大 对已附着微生物有较好的保护作用 且不显著影响微生物的生物活性 传质特性较好 载体的可再用性和价格等 104 105 三 微生物的附着固定通过改变载体表面的亲疏水性及电性来促进微生物在载体表面的附着固定 亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着固定 而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的附着固定 根据微生物的特性和附着机制的不同 微生物在载体上的附着可划分为五种方法 表面吸附 键联 细胞间自交联 多聚体包埋和孔网状载体截陷固定 每种方法都有其特定的适用范围 106 表面吸附固定法 微生物和载体间作用 例如 动物细胞在离子交换树脂上的繁殖 键联固定法 微生物与载体表面的活性基团形成共价键 例如 硝化细菌在含Fe3 聚合物上进行硝化反应 细胞间自交联固定法 通过细胞间的自交联实现 或者人为加入交联剂 例如 乳杆菌属通过聚氨基葡糖交联 107 多聚体包埋法 通过某些多聚体化合物包裹微生物 例如 用藻朊酸盐包埋黑曲霉等细胞 孔网状载体截陷固定法 利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物 例如 在中空纤维上固定黑曲霉细胞 108 四 生物膜的形成生物膜的累积形成是有机分子 微生物细胞及载体表面通过物理 化学和生物过程综合作用的结果 1 形成步骤 有机物分子从水中向生物膜载体表面运送 其中某些被载体吸附 形成被微生物改良的载体表面 水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面 其中碰撞到载体表面的细胞被吸附 109 被表面吸附变成不可解吸的细胞 摄取并消耗水中的底物与营养物质 数目不断增多 同时 细胞可能产生大量产物 其中部分将排出体外 这些产物中有一些就是胞外多聚物 可以将生物膜紧紧地结合在一起 进入水中 或者细胞在增殖时亦可向水中释放出游离的细胞 110 2 生物膜上的微生物细菌 真菌 藻类 以及某些原生动物 甚至有后生动物 组成相当复杂 某些微生物在生物膜上是否存在及优先生长等情况 常与被处理污水的水质和生物膜所处的环境条件有关 微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用 从而可以检查 判断生物膜反应器的运转情况以及水处理效果 111 污水浓度适当时 出现 独缩虫属 聚缩虫属 累枝虫属 集盖虫属和钟虫等 污水浓度过高时 真菌类增加 纤毛虫类基本消失 出现 屋滴虫属 波豆虫属 尾波虫属等鞭毛类 负荷较低时 出现 盾纤虫属 尖毛虫属 表壳虫属和鳞壳虫属 后生动物如轮虫和线虫等大量出现时 表明生物膜中的厌氧层减少 因此不会引起生物膜肥厚 生物膜脱落量也少 如果扭头虫属 新态虫属和贝日阿托氏菌属等出现时 表明生物膜中的厌氧层增厚 112 五 生物膜的废水净化作用厌氧层生物膜层好氧层附着水层废水层流动水层附着水中的有机物大多会被生物膜氧化 使有机物浓度降低 同时空气中的氧随废水流经生物膜时被微生物所利用 有机物氧化分解产生的CO2等透过附着水 进入流动水并随空气流流出 113 八 生物膜反应器运行稳定 生物膜法的产生抗冲击负荷 更为经济节能 生物膜法的优点无污泥膨胀 具有一定的硝化与反硝化功能 可实现封闭运转 防止臭味等 一 生物膜反应器分类凡是在污水生物处理的各种工艺中引入微生物附着生长载体 或称之为滤料 填料等 的反应器 都将其定义为生物膜反应器 包括以生物膜为主体的生物膜反应器 以及引入生物膜的复合式生物膜反应器 114 115 生物膜反应器的研究趋势 进一步探讨微生物在载体表面的固定机理 开发工程实际中普遍使用的微生物固定技术 优化生物膜结构及各种反应器工艺系统 进一步使各种生物膜反应器系统的净化功能更为广谱和高效 深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生物膜微生物的能量代谢 生物膜反应器朝着节能和自动化控制方向发展 116 二 生物滤池1 原理及特征 原理以土壤自净原理为依据 作用过程污水长期以滴状洒布在块状滤料的表面 在污水流经的表面上就会形成生物膜 生物膜成熟后 栖息在生物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养 从而使污水得到净化 117 特征细菌以生物膜的方式附着在固体表面上 滤池表层 主要由好氧化能异养细菌和真菌组成 滤池低层 以自养硝化细菌为主 此外 还存在大量的原生动物和草食动物 118 2 分类 普通生物滤池 高负荷生物滤池 大幅度地提高了滤池的负荷率 通常BOD容积负荷率比普通滤池高6 8倍 塔式生物滤池 解决了普通生物滤池占地面积大的问题 其水力负荷比一般的高负荷生物滤池还要高2 10倍 厌氧生物滤池 是一种装填滤料的厌氧生物膜反应器 活性生物滤池 采用了复合的生物膜 活性污泥工艺 119 3 结构 池体 在平面上多呈方形 矩形或圆形 滤料 是生物膜的载体 对滤料的要求 合适的粒径 足够的机械强度 容重应小 既能抵抗废水 空气和微生物的侵蚀 又不应是影响微生物生命活动的杂质 应能就地取材 价格便宜 加工容易 120 常用滤料 碎石 卵石 炉渣和焦炭等实心拳状无机滤料 由聚乙烯 聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板状 多孔筛状和蜂窝状的人工有机滤料 具有更大的比表面积 100 200m2 m3 和高空隙率 80 95 121 排水系统位置 滤池底部 包括 渗水装置 汇水沟和总排水沟 作用 排除处理后的污水并保证滤池的良好通风 布水系统类型 间歇喷洒布水系统 旋转式布水器 小型的塔式生物滤池 多采用固定式喷嘴布水系统 大中型塔式生物滤池 多采用旋转式布水器 122 123 三 生物转盘1 结构与生物滤池的原理类似 主要区别是它以一系列转动的盘片代替固定的滤料 盘片的材料 聚氯乙烯 聚乙烯 泡沫聚苯乙烯 玻璃钢 铝合金等 盘片的形状 平板 波纹板 或两者的组合 盘片的安装 有近一半的面积浸没在半圆形 矩形或梯形的氧化槽内 124 2 工作原理废水处于半静止状态 微生物生长在转盘的盘面上 转盘在废水中不断缓慢地转动 使其互相接触 盘体与废水和空气交替接触 微生物从空气中摄取必要的氧 并对废水中的污染物进行生物氧化分解 活性衰退的生物膜在转盘转动剪切力的作用下脱落 125 3 生物转盘法的特征 节能 接触槽中不需