201107生物反应器与生物反应工程.ppt

生物反应器与生物反应工程BioreactorandBioreactionengineering,生命学院,高海军,1天然生物反应器小的：细胞器、一个细胞等大的：完整植物、农场等,2人工生物反应器人工模拟自然生态的细胞或组织生长系统，由生命系统与环境系统组成。在工业规模，细胞水平，为生物加工提供原料与产品。,生物反应器的概念,CellTheory:*Cellsarethesmallestworkingunitsoflife.*Alllivingthingsaremadeofcells.*Allcellscomefrompre-existingcells.,CellasBioreactor,Thecellislikeafactory.Peopleandmachinesperformfunctionsinafactory.Therearepartsofacellthatalsoperformdifferentfunctions.,CellasBioreactor,ThepartsofacellcanbecomparedtotheworkersandjobsinafactoryEachdepartmentinafactoryhasspecificjobsthatneedtobedoneorelsethefactorybecomeslessefficientandeventuallyshutdown.Thesameideaistrueforthecell,ifoneofitscomponentsstopsworkingefficientlythenthecellortheorganismcoulddie.,CellasBioreactor,Allfactoriesproduceaproduct.CELLPRODUCT=PROTEINSCellsDNAcodesforproteins!AllcellsinanorganismhavethesameDNA,butdifferentcelltypesproducedifferentproteins.Whatisneededtobuildaprotein?,CellasBioreactor,乳腺和血液生物反应器，前者研究更多外源目的基因转入动物胚胎，定位于乳腺分泌表达转基因动物养殖直接使用或分离纯化,AnimalasBioreactor,抗凝血酶,乳铁蛋白,肺气肿,冠状动脉手术,牛乳腺炎,溶葡球菌酶,囊肿性纤维化,AnimalasBioreactor,AnimalasBioreactor,血友病,AnimalasBioreactor,目的基因转入植物大规模养殖转基因植物目的产物分离纯化,PlantasBioreactor,Farmasbioreactor,2人工生物反应器人工模拟自然生态的细胞或组织生长系统，由生命系统与环境系统组成。在工业规模，细胞水平，为生物加工提供原料与产品。,生物反应器的概念,为生物培养提供良好的物理环境：温度、溶解氧、pH等为生物培养提供良好的化学环境：营养物浓度（及时排除有害物）。,生物反应器的作用,Processcontrolandmonitoring,Sugarconsumption,pH,Temperature,Fermentationtime(h),Agitation,CellDryWeight,Product,Computersoftwareshavebeendevelopedtomonitorandchangetheprocessonline,结构特征分类,STR,固定床,喷射环流式JLR,鼓泡塔BC,气升式ALR,管式反应器,不考虑具体结构，理想流动。,人工生物反应器,机械搅拌式反应器膜生物反应器动物细胞反应器固态生物反应器光合生物反应器,通用式机械搅拌槽式反应器示意图,通用式机械搅拌槽式反应器几何尺寸比例,机械搅拌式生物反应器,1泡沫电极2加热或冷却器3温度探头4PH电极5DO电极6控制柜顶盒7搅拌速度控制器8DO控制器9温度控制器10PH控制器11泡沫控制器12蠕动泵（酸碱、营养、消泡剂等）,反应器检测控制系统,机械搅拌式生物反应器,直叶涡轮(径)(b)弯叶桨(径)(c)螺旋桨(轴)(d)斜叶桨(轴),典型机械搅拌罐的搅拌器,(a)径向流;(b)轴向流,机械搅拌反应器中流动形态,小型机械搅拌反应器,IndustrialFermentationSetting,(a)外循环式(b)内循环式,气升式生物反应器,气升式反应器具有较好的混合和低剪切应力的特性,其设备简单,操作方便,功率消耗少。在工业应用上,气升式生物反应器已有不少成功的例子,如单细胞蛋白、柠檬酸等。气升式生物反应器在优化工艺条件下高密度、高效培养被孢霉生产高纯度的花生四烯酸。气升式生物反应器进行红霉素的发酵研究,对影响红霉素产量的主要因素如流加速率、碳氮比和氧摄取速率等进行优,气升式生物反应器,膜生物反应器,(1)根据反应器内生物催化剂的状态,可分为游离态和固定化膜反应器。游离态膜反应器中的酶或细胞均匀地分布在反应物相中,反应在接近本征动力学的状态下进行,但催化剂易发生剪切失活,装置性能受浓差极化和膜污染的影响显著。固定化膜反应器中,生物催化剂装填密度高,反应器的生产能力和稳定性高,但催化剂分布不均匀,传质阻力较大。(2)根据底物和产物通过膜的传质推动力,可分为压差推动(微滤、超滤和反渗透膜)、浓差推动(透析和渗透膜)和电势差驱动(离子交换膜)的膜反应器。(3)根据膜材料的特性,可分为微滤膜反应器、反渗透膜反应器、超滤膜反应器、纳滤膜反应器和透析膜反应器,以及对称膜和非对称膜反应器等。,膜生物反应器,膜生物反应器,(4)根据膜反应器的结构形式,可分为平板膜、螺旋卷绕膜、管状膜及中空纤维膜等膜反应器。其差别在于结构的复杂性、装填密度、膜的更换、抗污染能力、清洗和成本等方面有所不同。(5)根据反应和分离的耦合方式不同,可分为分置式和一体式膜反应器:分置式指膜组件与生物反应器分开设置;一体式指膜组件安置在生物反应器内部。(6)根据反应器内流体与生物催化剂的接触形式,可将膜反应器分为直接接触式、扩散式和异相反应式3类。,膜生物反应器,(a)直接接触式;(b)扩散式;(c)异相反应式,膜反应器的操作方式,膜反应器构成,膜生物反应器,优点:把细胞或酶保留在反应器中。反应器连续灌流,在常规连续反应器中的洗出现象不会发生。膜也可同时将产品和细胞或酶分离,简化下游分离步骤,机械应力对菌丝体微生物、植物细胞尤其是动物细胞(缺乏坚硬的细胞壁)的活性有很大的影响。膜反应器酶或细胞处于相对静止的环境,免受机械伤害,而且一般不与空气直接接触。,膜反应器的应用,类型:好氧发酵、兼性好氧与厌氧固态发酵,特点：水分活度低,基质水不溶性,产酶活力高、酶系丰富,固态发酵反应器,.(a)Differenttraychambers,includingtrayroomsandincubators,inwhichthetraysarearrangedonshelves.(b)Differentbasictraydesigns.Thetrayontheleftcouldbemadeofwood,plastic,bamboo,orwire.Theplasticbagontherightcouldbemadeentirelyofagas-permeableplastic,orcouldcontainafilterinsertthatallowsgasexchange,Basicdesignfeaturesoftray-typebioreactorsandpossibledesignvariations,固态发酵反应器,Basicdesignandoperatingfeaturesof(a)traditionalpackedbedsand(b)theZymotispacked-bedwithinternalheattransferplatesofRoussosetal.(1993),固态发酵反应器,Designandoperatingvariablesthatareavailablewithrotating-drumandstirreddrumbioreactors.(a)Designandoperatingvariablesthatarethesameforbothtypes.(b)Designandoperatingvariablesthatarespecificforthebioreactortype,固态发酵反应器,固态发酵反应器,微藻光合反应器,微藻光合反应器,培养瓶，100200ml，磁力低速搅拌，表面曝气供氧，细胞密度5106个/ml,容器440L，船帆型搅拌桨，磁力驱动，转速为2050r/min,动物细胞或组织培养生物反应器,动物细胞或组织培养生物反应器,动物器官灌流培养生物反应器,1进气口2空气过滤器3乳胶管4针头53号胶塞6储液瓶7培养液8注射器外套9器官植体10琼脂11输液管12输液管的膨大部13恒流泵14驱动管15样品收集口16培养箱,生物反应器结构设计,生物反应器的放大（Scale-up）,FromtubeshakeflasklabfermentorPilotplantfermentorProductionfermentor,几何相似放大,单位体积液体中搅拌功率相同放大,单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大,以空气线速度相同的原则进行放大,以Kla相同的原则进行放大,生物反应器的放大（Scale-up）,Scale-up,Keepproductivitythesameatscaleup.1.Similargeometry2.Constantoxygentransferrateatallscales.3.Constantpowerabsorbedperunitvolume.4.Equaltip-speedatallscales.,生物反应器的放大（Scale-up）,生物反应器与废水生物处理,生物反应器的应用,背景,死去的河蟹,活性污泥的概念与特点：以好氧性细菌为主体的微生物和水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的肉眼可见的絮状颗粒。通过以活性污泥或生物膜形式存在的微生物旺盛的代谢活动，氧化分解有机污染物，使污水净化。微生物的代谢，无论合成或分解，都是一系列极为复杂的生物化学变化，有分解、合成、氧化、还原、转移、异构等各种反应，绝大多数是在特定的酶促作用中进行的。,好氧活性污泥法废水处理技术与反应器,好氧活性污泥法废水处理,好氧活性污泥法废水处理,活性污泥法处理的类型,初级曝气池,SECONDARYCLARIFIER,生物滤池生物滤池分普通生物滤池(conventionalbiologicalfilter)和高负荷生物滤池(highratebiologicalfilter)。长方形或圆形池子(钢筋混凝土或砖石结构)，池内装有滤料(石子、炉渣或塑料滤料等)，滤料层上有布水装置，下有排水系统。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物滤池的优缺点：优点：耗能少、维持费用低、运转管理方便，抗毒物冲击能力强，污泥量少。缺点：规模较小，占地多如果建立生物滤池污水处理厂的处理能力超过5万人污水的规模，占地太多，不适于城市和土地紧缺地区使用,生物膜法废水处理技术与反应器,生物滤池法的流程,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,建设中的生物滤池,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,结构图,典型的生物滤池的构造,污水流过成熟滤床时，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，从而得到净化。生物膜表层生长的是好氧和兼性微生物，其厚度约2mm。在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是H2O、CO2、NH3等。由于氧在生物膜表层已耗尽,生物膜内层的微生物处于厌氧状态。在这里,进行的是有机物的厌氧代谢,终点产物是有机酸,乙醇、醛和H2S等。由于微生物的不断繁殖，生物膜不断加厚，超过一定厚度后，吸附有机物在传递到生物膜内层的微生物以前，已被代谢掉。此时，内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢，失去其黏附在滤料上的性质，脱落下来随水流出滤池，滤料表面再重新长出新的生物膜。,生物滤池的工作情况,塔式生物滤池(biologicaltower)塔高724m，采用塑料滤料(聚氯乙烯和聚丙烯)，内部通风良好，水流紊动剧烈，水力冲刷较强。,生物膜法废水处理技术与反应器,塔式生物滤池,生物膜法废水处理技术与反应器,生物转盘(biologicaldisc)1960年德国斯图加特工业大学设计的一种方法，在废水池子中安装转盘，像水车一样旋转，转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水后获得氧气。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物转盘的主要组成部分,生物转盘的构造,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,生物流化床(biologicalfluidizedbed)以砂、焦炭或活性炭等细小惰性材料作为生物膜载体，废水(先经充氧或床内充氧)自下向上流过滤床使载体层呈流动状态，加大了生物膜表面积与废水和氧的接触，提高了处理效率。MLSS为840mg/L，有机负荷16BODkg/(m3d)。停留时间1545min，BOD和氮去除率90。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物流化床,生物流化床(biologicalfluidizedbed),Thebiologicalfluidizedbedreactorisanimportantpartofbreakingdownperchlorate(高氯酸盐)contamination.(PhotocourtesyofTulsaDistrict),卫生填埋(sanitarylandfill)始于20世纪60年代，是在传统堆制的基础上，避免环境免受二次污染而发展起来的一种较好的固体废物处理法；优点：投资少，容量大，见效快。,固体废弃物处理技术与反应器,主要有厌氧、好氧和半好氧三种。,固体废弃物处理技术与反应器,AnaerobicBioreactor,LiquidsStorage,GasCollectiontoGenerateEnergy,GroundwaterMonitoring,BioreactorProgram,AerobicB