24 生物反应器及其操作特性
24.1 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称为生物反应器生物反应器具有中心作用,它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。生物反应器的设计和操作，在生物工程中是一重要问题，它对产品的成本和质量有着很大影响。
24.1.1 生物反应器设计的目标生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低 ----操作状态最佳化生物反应器设计的主要内容包括,
1.反应器选型 即根据生产工艺特征，反应特性及物料特性等因素确定反应器的操作方式，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,确定各种结构参数 即确定反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式，大小及转速,换热面积等 ;
3.确定工艺参数及其控制方式 工艺参数有温度、压力,pH值、通气量、底物浓度、
物料流量等。
在设计生物反应器时,除考虑与一般的化学反应器相同的问题外，还应注意以下一些特殊的情况,
1.很多酶催化反应的底物是胶状物，还有一些进行生化反应的细胞可能增长成絮状物，他们都容易使反应器堵塞或压降变得很大，对于这类情况可考虑采用流化床反应器 ;
2.对于采用固定床酶的反应器应尽量减少对固体产生切变应力,以减少固定化酶粉碎，故搅拌器的转速不能过高,可以把酶直接固定在搅拌器上或者把固定化酶的颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中；
3.微生物和酶都容易受到杂菌污染，因此，
防止染菌是反应器设计时必须考虑的一个重要问题，例如，要尽量少用法兰,多采用焊接连接、反应器的接口用蒸汽封口 (例如，取样口即使在不取样时也一直通蒸汽 )、反应器内保持一定正压,避免大气漏入等。
24.1.2 生物反应器设计和操作的限制因素在生物催化剂浓度较低或比活力也较低时,生物催化剂的因素是生物反应器生产能力的限制因素。
在生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时,反应器的操作因素却成为限制因素,这些操作因素主要是传质和传热方面的问题,
传质问题在底物不溶的过程中是显而易见的,而在高耗氧的生物反应过程中则非常突出。人们设计了许多生物反应器结构,以提高传质效率,
生物反应通常在常温下进行，多数在 20℃ ~65℃ 之间。结果,移出热量发生困难，这在大型反应器中更加突出。产生的热量随反应器体积线性增加，可是几何放大中表面积与体积之比却依 2/3次幂增加。
24.1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向
1.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂开发主要途径是利用基因工程技术,
实现生物细胞的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术
2.改进生物反应器的传质、传热的方法
3.生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反应器使反应器在最佳条件下操作成为可能
4.特殊要求的新型生物反应器的研制开发 如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器,
固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视
5.降低设备投备方面，对连续过程更加重视。连续生物反应器的主要问题是产物浓度低,随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高产品浓度的方法,
25 灭菌 (sterilization)
1.由于杂菌的污染，使生物反应的基质或产物因杂菌消耗而损失，造成生产能力下降 ;
2.由于杂菌所产生的一些代谢产物，或发酵液在染菌后改变了某些理化性质，使产物的提取变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降 ;
3.污染的杂菌大量繁殖,会改变反应介质的 pH
值,从而使生物反应异常变化；
4.发生噬菌体污染，使生产菌细胞裂解，导致生产失败,
25.1 灭菌的方法灭菌用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。其方法有,
1,干热灭菌灼烧灭菌法,将金属或其他耐热材料制成的器物在火焰灼烧电热或红外线灭菌法,将设备内温度保持在
160℃ 维持 1h
2.湿热灭菌 即利用饱和蒸汽灭菌,120℃,压力约 100kPa,维持 20~30min
3.过滤灭菌 利用过滤方法阻留微生物
4.化学药剂灭菌
5.射线灭菌
25.2 培养基的分批灭菌培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭菌的操作过程,也称实罐灭菌,
一般使用的蒸汽压在 300~400kPa,
培养基温度 120℃,罐压 100kPa
25.3 培养基的连续灭菌培养基的连续灭菌,就是将配制好的培养基在向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却，进行灭菌一般使用的蒸汽压在 5kPa
24.1 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称为生物反应器生物反应器具有中心作用,它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。生物反应器的设计和操作，在生物工程中是一重要问题，它对产品的成本和质量有着很大影响。
24.1.1 生物反应器设计的目标生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低 ----操作状态最佳化生物反应器设计的主要内容包括,
1.反应器选型 即根据生产工艺特征，反应特性及物料特性等因素确定反应器的操作方式，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,确定各种结构参数 即确定反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式，大小及转速,换热面积等 ;
3.确定工艺参数及其控制方式 工艺参数有温度、压力,pH值、通气量、底物浓度、
物料流量等。
在设计生物反应器时,除考虑与一般的化学反应器相同的问题外，还应注意以下一些特殊的情况,
1.很多酶催化反应的底物是胶状物，还有一些进行生化反应的细胞可能增长成絮状物，他们都容易使反应器堵塞或压降变得很大，对于这类情况可考虑采用流化床反应器 ;
2.对于采用固定床酶的反应器应尽量减少对固体产生切变应力,以减少固定化酶粉碎，故搅拌器的转速不能过高,可以把酶直接固定在搅拌器上或者把固定化酶的颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中；
3.微生物和酶都容易受到杂菌污染，因此，
防止染菌是反应器设计时必须考虑的一个重要问题，例如，要尽量少用法兰,多采用焊接连接、反应器的接口用蒸汽封口 (例如，取样口即使在不取样时也一直通蒸汽 )、反应器内保持一定正压,避免大气漏入等。
24.1.2 生物反应器设计和操作的限制因素在生物催化剂浓度较低或比活力也较低时,生物催化剂的因素是生物反应器生产能力的限制因素。
在生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时,反应器的操作因素却成为限制因素,这些操作因素主要是传质和传热方面的问题,
传质问题在底物不溶的过程中是显而易见的,而在高耗氧的生物反应过程中则非常突出。人们设计了许多生物反应器结构,以提高传质效率,
生物反应通常在常温下进行，多数在 20℃ ~65℃ 之间。结果,移出热量发生困难，这在大型反应器中更加突出。产生的热量随反应器体积线性增加，可是几何放大中表面积与体积之比却依 2/3次幂增加。
24.1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向
1.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂开发主要途径是利用基因工程技术,
实现生物细胞的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术
2.改进生物反应器的传质、传热的方法
3.生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反应器使反应器在最佳条件下操作成为可能
4.特殊要求的新型生物反应器的研制开发 如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器,
固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视
5.降低设备投备方面，对连续过程更加重视。连续生物反应器的主要问题是产物浓度低,随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种达到高生产能力、高产品浓度的方法,
25 灭菌 (sterilization)
1.由于杂菌的污染，使生物反应的基质或产物因杂菌消耗而损失，造成生产能力下降 ;
2.由于杂菌所产生的一些代谢产物，或发酵液在染菌后改变了某些理化性质，使产物的提取变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降 ;
3.污染的杂菌大量繁殖,会改变反应介质的 pH
值,从而使生物反应异常变化；
4.发生噬菌体污染，使生产菌细胞裂解，导致生产失败,
25.1 灭菌的方法灭菌用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。其方法有,
1,干热灭菌灼烧灭菌法,将金属或其他耐热材料制成的器物在火焰灼烧电热或红外线灭菌法,将设备内温度保持在
160℃ 维持 1h
2.湿热灭菌 即利用饱和蒸汽灭菌,120℃,压力约 100kPa,维持 20~30min
3.过滤灭菌 利用过滤方法阻留微生物
4.化学药剂灭菌
5.射线灭菌
25.2 培养基的分批灭菌培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭菌的操作过程,也称实罐灭菌,
一般使用的蒸汽压在 300~400kPa,
培养基温度 120℃,罐压 100kPa
25.3 培养基的连续灭菌培养基的连续灭菌,就是将配制好的培养基在向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却，进行灭菌一般使用的蒸汽压在 5kPa
