1、生物反應(yīng)器與生物反應(yīng)工程 Bioreactor and Bioreaction engineering,生命學院,高海軍,1 天然生物反應(yīng)器 小的：細胞器、一個細胞等 大的：完整植物、農(nóng)場等,2 人工生物反應(yīng)器 人工模擬自然生態(tài)的細胞或組織生長系統(tǒng)，由生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)組成。 在工業(yè)規(guī)模，細胞水平，為生物加工提供原料與產(chǎn)品。,生物反應(yīng)器的概念,Cell Theory: *Cells are the smallest working units of life. *All living things are made of cells. *All cells come from pre-exis

2、ting cells.,Cell as Bioreactor,The cell is like a factory. People and machines perform functions in a factory. There are parts of a cell that also perform different functions.,Cell as Bioreactor,The parts of a cell can be compared to the workers and jobs in a factory Each department in a factory has

3、 specific jobs that need to be done or else the factory becomes less efficient and eventually shut down. The same idea is true for the cell, if one of its components stops working efficiently then the cell or the organism could die.,Cell as Bioreactor,All factories produce a product. CELL PRODUCT=PR

4、OTEINS Cells DNA codes for proteins! All cells in an organism have the same DNA, but different cell types produce different proteins. What is needed to build a protein?,Cell as Bioreactor,乳腺和血液生物反應(yīng)器，前者研究更多 外源目的基因轉(zhuǎn)入動物胚胎，定位于乳腺分泌表達 轉(zhuǎn)基因動物養(yǎng)殖 直接使用或分離純化,Animal as Bioreactor,抗凝血酶,乳鐵蛋白,肺氣腫,冠狀動脈手術(shù),牛乳腺炎,溶葡球菌酶,

5、囊腫性纖維化,Animal as Bioreactor,Animal as Bioreactor,血友病,Animal as Bioreactor,目的基因轉(zhuǎn)入植物 大規(guī)模養(yǎng)殖轉(zhuǎn)基因植物 目的產(chǎn)物分離純化,Plant as Bioreactor,Farm as bioreactor,2 人工生物反應(yīng)器 人工模擬自然生態(tài)的細胞或組織生長系統(tǒng)，由生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)組成。 在工業(yè)規(guī)模，細胞水平，為生物加工提供原料與產(chǎn)品。,生物反應(yīng)器的概念,為生物培養(yǎng)提供良好的物理環(huán)境：溫度、溶解氧、pH等 為生物培養(yǎng)提供良好的化學環(huán)境：營養(yǎng)物濃度（及時排除有害物）。,生物反應(yīng)器的作用,Process control

6、 and monitoring,Sugar consumption,pH,Temperature,Fermentation time (h),Agitation,Cell Dry Weight,Product,Computer softwares have been developed to monitor and change the process on line,結(jié)構(gòu)特征分類,STR,固定床,噴射環(huán)流式JLR,鼓泡塔BC,氣升式ALR,管式反應(yīng)器,不考慮具體結(jié)構(gòu)，理想流動。,人工生物反應(yīng)器,機械攪拌式反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器 動物細胞反應(yīng)器 固態(tài)生物反應(yīng)器 光合生物反應(yīng)器,通用式機械攪拌槽式

7、反應(yīng)器示意圖,通用式機械攪拌槽式反應(yīng)器幾何尺寸比例,機械攪拌式生物反應(yīng)器,1 泡沫電極 2 加熱或冷卻器 3 溫度探頭 4 PH電極 5 DO電極 6 控制柜頂盒 7 攪拌速度控制器 8 DO控制器 9 溫度控制器 10PH控制器 11泡沫控制器 12蠕動泵 （酸堿、營養(yǎng)、 消泡劑等）,反應(yīng)器檢測控制系統(tǒng),機械攪拌式生物反應(yīng)器,直葉渦輪(徑) (b) 彎葉槳(徑) (c) 螺旋槳(軸) (d) 斜葉槳(軸),典型機械攪拌罐的攪拌器,(a) 徑向流; (b) 軸向流,機械攪拌反應(yīng)器中流動形態(tài),小型機械攪拌反應(yīng)器,Industrial Fermentation Setting,(a) 外循環(huán)式 (

8、b) 內(nèi)循環(huán)式,氣升式生物反應(yīng)器,氣升式反應(yīng)器具有較好的混合和低剪切應(yīng)力的特性,其設(shè)備簡單, 操作方便, 功率消耗少。 在工業(yè)應(yīng)用上, 氣升式生物反應(yīng)器已有不少成功的例子, 如單細胞蛋白、檸檬酸等。 氣升式生物反應(yīng)器在優(yōu)化工藝條件下高密度、高效培養(yǎng)被孢霉生產(chǎn)高純度的花生四烯酸。 氣升式生物反應(yīng)器進行紅霉素的發(fā)酵研究, 對影響紅霉素產(chǎn)量的主要因素如流加速率、碳氮比和氧攝取速率等進行優(yōu),氣升式生物反應(yīng)器,膜生物反應(yīng)器,(1) 根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)生物催化劑的狀態(tài), 可分為游離態(tài)和固定化膜反應(yīng)器。游離態(tài)膜反應(yīng)器中的酶或細胞均勻地分布在反應(yīng)物相中, 反應(yīng)在接近本征動力學的狀態(tài)下進行, 但催化劑易發(fā)生剪切失活,

9、 裝置性能受濃差極化和膜污染的影響顯著。固定化膜反應(yīng)器中, 生物催化劑裝填密度高, 反應(yīng)器的生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性高, 但催化劑分布不均勻, 傳質(zhì)阻力較大。 (2) 根據(jù)底物和產(chǎn)物通過膜的傳質(zhì)推動力, 可分為壓差推動(微濾、超濾和反滲透膜)、濃差推動(透析和滲透膜) 和電勢差驅(qū)動(離子交換膜) 的膜反應(yīng)器。 (3) 根據(jù)膜材料的特性, 可分為微濾膜反應(yīng)器、反滲透膜反應(yīng)器、超濾膜反應(yīng)器、納濾膜反應(yīng)器和透析膜反應(yīng)器, 以及對稱膜和非對稱膜反應(yīng)器等。,膜生物反應(yīng)器,膜生物反應(yīng)器,(4) 根據(jù)膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式, 可分為平板膜、螺旋卷繞膜、管狀膜及中空纖維膜等膜反應(yīng)器。其差別在于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、裝填密度、膜的

10、更換、抗污染能力、清洗和成本等方面有所不同。 (5) 根據(jù)反應(yīng)和分離的耦合方式不同, 可分為分置式和一體式膜反應(yīng)器: 分置式指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置; 一體式指膜組件安置在生物反應(yīng)器內(nèi)部。 (6) 根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)流體與生物催化劑的接觸形式, 可將膜反應(yīng)器分為直接接觸式、擴散式和異相反應(yīng)式3 類。,膜生物反應(yīng)器,(a) 直接接觸式; (b) 擴散式; (c) 異相反應(yīng)式,膜反應(yīng)器的操作方式,膜反應(yīng)器構(gòu)成,膜生物反應(yīng)器,優(yōu)點: 把細胞或酶保留在反應(yīng)器中。 反應(yīng)器連續(xù)灌流, 在常規(guī)連續(xù)反應(yīng)器中的洗出現(xiàn)象不會發(fā)生。膜也可同時將產(chǎn)品和細胞或酶分離,簡化下游分離步驟,機械應(yīng)力對菌絲體微生物、植物細胞尤其

11、是動物細胞(缺乏堅硬的細胞壁) 的活性有很大的影響。膜反應(yīng)器酶或細胞處于相對靜止的環(huán)境, 免受機械傷害, 而且一般不與空氣直接接觸。,膜反應(yīng)器的應(yīng)用,類型: 好氧發(fā)酵、兼性好氧與厭氧固態(tài)發(fā)酵,特點：水分活度低 ,基質(zhì)水不溶性 ,產(chǎn)酶活 力高、酶系豐富,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,.(a) Different tray chambers, including tray rooms and incubators, in which the trays are arranged on shelves. (b) Different basic tray designs. The tray on the left

12、could be made of wood, plastic, bamboo, or wire. The plastic bag on the right could be made entirely of a gas-permeable plastic, or could contain a filter insert that allows gas exchange,Basic design features of tray-type bioreactors and possible design variations,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,Basic design and operating

13、features of (a) traditional packed beds and (b) the Zymotis packed-bed with internal heat transfer plates of Roussos et al. (1993),固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,Design and operating variables that are available with rotating-drum and stirred drum bioreactors. (a) Design and operating variables that are the same for both

14、types. (b) Design and operating variables that are specific for the bioreactor type,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器,微藻光合反應(yīng)器,微藻光合反應(yīng)器,培養(yǎng)瓶，100200ml，磁力低速攪拌，表面曝氣供氧， 細胞密度5106個/ml,容器440 L，船帆型攪拌槳，磁力驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為2050r/min,動物細胞或組織培養(yǎng)生物反應(yīng)器,動物細胞或組織培養(yǎng)生物反應(yīng)器,動物器官灌流培養(yǎng)生物反應(yīng)器,1 進氣口 2 空氣過濾器 3 乳膠管 4 針頭 5 3號膠塞 6 儲液瓶 7 培養(yǎng)液 8 注射器外套 9 器官植體 10 瓊脂 1

15、1 輸液管 12 輸液管的膨大部 13 恒流泵 14 驅(qū)動管 15 樣品收集口 16 培養(yǎng)箱,生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計,生物反應(yīng)器的放大（Scale-up）,From tube shake flasklab fermentor Pilot plant fermentor Production fermentor,幾何相似放大,單位體積液體中攪拌功率相同放大,單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大,以空氣線速度相同的原則進行放大,以Kla相同的原則進行放大,生物反應(yīng)器的放大（Scale-up）,Scale - up,Keep productivity the same at scale up. 1

16、.Similar geometry 2.Constant oxygen transfer rate at all scales. 3. Constant power absorbed per unit volume. 4. Equal tip-speed at all scales.,生物反應(yīng)器的放大（Scale-up）,生物反應(yīng)器與廢水生物處理,生物反應(yīng)器的應(yīng)用,背景,死去的河蟹,活性污泥的概念與特點： 以好氧性細菌為主體的微生物和水中的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起形成的肉眼可見的絮狀顆粒。 通過以活性污泥或生物膜形式存在的微生物旺盛的代謝活動，氧化分解有機污染物，使污水凈化。 微生物的代謝

17、，無論合成或分解，都是一系列極為復(fù)雜的生物化學變化，有分解、合成、氧化、還原、轉(zhuǎn)移、異構(gòu)等各種反應(yīng)，絕大多數(shù)是在特定的酶促作用中進行的。,好氧活性污泥法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,好氧活性污泥法廢水處理,好氧活性污泥法廢水處理,活性污泥法處理的類型,初級曝氣池,SECONDARY CLARIFIER,生物濾池 生物濾池分普通生物濾池(conventional biological filter)和高負荷生物濾池(high rate biological filter)。 長方形或圓形池子(鋼筋混凝土或磚石結(jié)構(gòu))，池內(nèi)裝有濾料(石子、爐渣或塑料濾料等)，濾料層上有布水裝置，下有排水系統(tǒng)。,生物膜法廢水

18、處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物濾池的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：耗能少、維持費用低、運轉(zhuǎn)管理方便，抗毒物沖擊能力強，污泥量少。 缺點：規(guī)模較小，占地多 如果建立生物濾池污水處理廠的處理能力超過5萬人污水的規(guī)模，占地太多，不適于城市和土地緊缺地區(qū)使用,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物濾池法的流程,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,建設(shè)中的生物濾池,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,結(jié)構(gòu)圖,典型的生物濾池的構(gòu)造,污水流過成熟濾床時，污水中的有機污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，從而得到凈化。 生物膜表層生長的是好氧和兼性微生物，其厚

19、度約2mm。在這里，有機污染物經(jīng)微生物好氧代謝而降解，終點產(chǎn)物是H2O、CO2、NH3等。 由于氧在生物膜表層已耗盡, 生物膜內(nèi)層的微生物處于厭氧狀態(tài)。在這里, 進行的是有機物的厭氧代謝, 終點產(chǎn)物是有機酸, 乙醇、醛和H2S等。 由于微生物的不斷繁殖，生物膜不斷加厚，超過一定厚度后，吸附有機物在傳遞到生物膜內(nèi)層的微生物以前，已被代謝掉。此時，內(nèi)層微生物因得不到充分的營養(yǎng)而進入內(nèi)源代謝，失去其黏附在濾料上的性質(zhì)，脫落下來隨水流出濾池，濾料表面再重新長出新的生物膜。,生物濾池的工作情況,塔式生物濾池(biological tower) 塔高724m，采用塑料濾料(聚氯乙烯和聚丙烯)，內(nèi)部通風良好

20、，水流紊動劇烈，水力沖刷較強。,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,塔式生物濾池,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物轉(zhuǎn)盤(biological disc) 1960年德國斯圖加特工業(yè)大學設(shè)計的一種方法，在廢水池子中安裝轉(zhuǎn)盤，像水車一樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤浸入水中吸附有機物獲得營養(yǎng)，轉(zhuǎn)盤離開水后獲得氧氣。,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物轉(zhuǎn)盤的主要組成部分,生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物流化床(biological fluidized bed) 以砂、焦炭或活性炭等細小惰性材料作為生物膜載體，廢水(先經(jīng)充氧或床內(nèi)充氧)自下向上流過濾床使載體層呈流動狀態(tài)，加大了

21、生物膜表面積與廢水和氧的接觸，提高了處理效率 。 MLSS為840mg/L，有機負荷16 BODkg /(m3d)。停留時間1545min，BOD和氮去除率90。,生物膜法廢水處理技術(shù)與反應(yīng)器,生物流化床,生物流化床(biological fluidized bed),The biological fluidized bed reactor is an important part of breaking down perchlorate (高氯酸鹽) contamination. (Photo courtesy of Tulsa District),衛(wèi)生填埋(sanitary landfill)始于20世紀60年代，是在傳統(tǒng)堆制的基礎(chǔ)上，避免環(huán)境免受二次污染而發(fā)展起來的一種較好的固體廢物處理法； 優(yōu)點：投資少，容量大，見效快。,固體廢棄物處理技術(shù)與反應(yīng)器,主要有厭氧、好氧和半好氧三種。,固體廢棄物處理技術(shù)與反應(yīng)器,Anaerobic Bioreactor,Liquids Storage,Gas Collection to Generate Energy,GroundwaterMonitoring,Bioreactor Pro