生物反應(yīng)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、生物反應(yīng)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢【摘要】：生物反應(yīng)器的研制不僅對現(xiàn)有生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，而且可以用于進行高附加值化合物、藥物等的生產(chǎn)。生物反應(yīng)器在生物產(chǎn)品研究工作中 是一個必不可少的重要工具和手段。人類正面臨人口膨脹、陸地資源減少和環(huán)境惡 化等全球性問題。傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式已經(jīng)很難適應(yīng)經(jīng)濟快速發(fā)展的需要，生物反應(yīng)器的研究工作正在世界范圍內(nèi)蓬勃興起。本文對生物反應(yīng)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了 綜述?！娟P(guān)鍵詞】：生物反應(yīng)器；結(jié)構(gòu);功能;優(yōu)缺點；1生物反應(yīng)器的定義生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在 體外進行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，是一種生物功能模擬機，如發(fā)酵罐、固定化酶或固

2、定 化細胞反應(yīng)器等。2生物反應(yīng)器的分類發(fā)酵罐發(fā)酵罐的主要構(gòu)造其主體一般為不銹鋼制成的主式圓筒，具容積在一平方米至數(shù)百平方米。內(nèi)部 及頂部、底部有附件。發(fā)酵罐的主要分類（1）通氣機械攪拌罐通氣機械攪拌罐（后面簡稱發(fā)酵罐）是許多發(fā)酵過程的首選設(shè)備，具有高傳質(zhì)和 傳熱能力，理想的氣液混合效果，較長的液體停留時間和較寬的操作氣速。但缺點也明顯，鄙剪切力較大，損害許多剪切敏感型微生物能耗大，混合不均。因此，發(fā)揚通風(fēng) 攪拌罐的優(yōu)勢，克服其缺點是當(dāng)前發(fā)酵罐研究的重點之一。通風(fēng)攪拌罐改進工作主 要在攪拌系統(tǒng)，包括攪拌器和多層攪拌系統(tǒng)的優(yōu)化，攪拌器主要是采用新型攪拌器或 改進標(biāo)準(zhǔn)攪拌器，目的是減少槳葉尾流的漩渦

3、以便節(jié)能，或者改變反應(yīng)器的流態(tài)，使 得剪切力可以均勻的分布，保護反應(yīng)器中的微生物。多層攪拌系統(tǒng)很早就開始使用 ， 但由于對其工作機理研究不夠深人，多年來一直采用簡單的經(jīng)驗設(shè)計方法，沒有發(fā)揮 其應(yīng)有的優(yōu)勢。目前對于通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的認(rèn)識已經(jīng)到了一個新的高度，主要表現(xiàn)在研究的內(nèi)容和手段兩面面，從內(nèi)容看，對多層攪拌系統(tǒng)的研究不只是以單攪拌研究為基礎(chǔ)的延 伸，而是以多層攪拌為研究目標(biāo)研究的深度和廣度都在擴展 ，同時，研究溶液性質(zhì)對 傳質(zhì)和混合的影響，使得得出的成果更接近實際，為進一步的精確設(shè)計提供了相當(dāng)?shù)?基礎(chǔ)，盡管目前這些進步還不能實現(xiàn)完全通過計算就可實現(xiàn)發(fā)酵罐的放大設(shè)計。當(dāng) 然,這些成果的取得是伴隨

4、研究手段取得的進步，一些先進的儀器和技術(shù)為深入了解 現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律提供了可能，如用于觀察流體流動狀態(tài)的多普勒流體分析儀、多普 勒速度儀，分析工具計算流體力學(xué)及軟件，準(zhǔn)確測量體積氧傳遞系數(shù)K la動壓法等 等。對于氣液系統(tǒng)，用最小的功率消耗獲得最大的氣含率是最重要的設(shè)計目標(biāo)，組合攪拌系統(tǒng)的底攪拌必須采用純徑向流攪拌器（如圓盤直葉渦輪攪拌槳），頂部采用混 合流攪拌槳（如折葉開啟式渦輪攪拌槳）向下輸送液流，且液流應(yīng)在湍流狀態(tài)。得到 最大的氣含率就相當(dāng)于得到最大的氣液傳質(zhì)系數(shù)，這個結(jié)論有助于在設(shè)計時找出獲 得最大傳質(zhì)系數(shù)Kla同時功耗最低的設(shè)計參數(shù)。同樣在攪拌系統(tǒng)設(shè)計中，引進新型 高教的攪拌器可以進一

5、步提高發(fā)酵罐的效率和表現(xiàn)。另外，攪拌系統(tǒng)設(shè)計的另一個重要原則就是對發(fā)酵液的理化性質(zhì)的關(guān)注，由于發(fā)酵液成分復(fù)雜。對K-a的影響也 是比較顯著的，因此，根據(jù)發(fā)酵液的特性設(shè)計攪拌系統(tǒng)也是非常必要的，由于目前還 無法量化描述發(fā)酵液成分對發(fā)酵過程傳質(zhì)傳熱的影響 ，大型發(fā)酵罐的設(shè)計應(yīng)以小型 試驗為基礎(chǔ)，選擇適合的關(guān)聯(lián)式作為放大依據(jù)。可能是最佳的設(shè)計方法。盡管 ，對發(fā) 酵罐攪拌系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了許多可喜的進展，但仍有許多同題需要深入研究。 總體上，多攪拌系統(tǒng)中預(yù)測各種參數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式多由單攪拌系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)聯(lián)式引申而來，沒有注意兩者在流型和流動狀態(tài)上的顯著差異。應(yīng)利用能量守恒和CFDB則進行多攪拌系統(tǒng)中各種

6、定量關(guān)系的研究。同時，多層攪拌系統(tǒng)目前以兩層攪拌居多， 還需研究更多層攪拌系統(tǒng)的各種關(guān)系，更有利于在實際中使用相關(guān)的成果，總之,盡 管目前的研究已經(jīng)充分注意多層攪拌系統(tǒng)的特殊性.但需要更加深入的研究才能滿 足實際設(shè)計工作的需要.（2）氣升式發(fā)酵罐由于氣升式發(fā)酵罐有明顯的優(yōu)點，在生產(chǎn)SCR絲狀真菌、廢水處理中已獲得 廣泛應(yīng)用。70年代初，英國ICI公司開發(fā)了二種用甲醇連續(xù)生產(chǎn) SCP勺氣升式發(fā)酵 罐，以后又成功地將其應(yīng)用于廢水的生物處理，并在有關(guān)國家推廣（目前ICI公司已 放大至2000m3蘇聯(lián)用于檸檬酸發(fā)酵的氣開式罐也達 200m3）。國內(nèi)上海、江門、周 口等地已建造用于酵母、味精工業(yè)生產(chǎn)和廢

7、水處理的氣升式罐。對于糖蜜、水解 糖、蔗糖等固形物含量少的培養(yǎng)基，采用氣升式發(fā)酵罐更有利。這種發(fā)酵罐的最適 高徑比是46,限制高度為2224m雖然它對無菌空氣消耗量比較大，但總能量消耗 還是比機械攪拌式發(fā)酵罐低。在同樣的能耗下，其氧傳遞能力比機械攪拌發(fā)酵罐要 高得多，因此，在大規(guī)模生產(chǎn)單細胞蛋白時備受重視。現(xiàn)已有直徑713m高60m容量達1500m3的大型氣升式發(fā)酵罐，用于生產(chǎn)單細胞蛋白，年產(chǎn)量達7萬噸。培養(yǎng)檀 香木細胞，最終產(chǎn)物濃度可達32.5毫克/升。氣升式發(fā)酵罐進行谷氨酸發(fā)酵，其產(chǎn)率, 發(fā)酵時間等多項指標(biāo)均優(yōu)于機械攪拌罐。而且與二倍體積攪拌罐相比，單位體積發(fā)酵液節(jié)能7.7%。中科院化冶所

8、等研制成的100m狄型雙環(huán)流氣升式反應(yīng)器在周口 地區(qū)味精廠用于谷氨酸（GA）發(fā)酵，使生產(chǎn)效率提高13.6%左右，如能在全國味精行業(yè) 推廣，經(jīng)濟效益可觀。在黃原膠酵時，也曾使用氣升環(huán)流式多糖反應(yīng)器，結(jié)果成本和 設(shè)備投資分別降低25%口 44%產(chǎn)品質(zhì)量達到國際標(biāo)準(zhǔn)。姜信真等人用氣升式發(fā)酵罐 進行GA發(fā)酵研究，證明其產(chǎn)率、發(fā)酵時間等多項指標(biāo)均優(yōu)于機械攪拌罐，而且與二倍體積攪拌罐相比，單位體積發(fā)酵液節(jié)能7.7%。這在能源嚴(yán)重短缺的今天，無疑有 巨大的潛在優(yōu)勢。此外，華南理工大學(xué)1990年研制成功另一種高效節(jié)能的新型反應(yīng)器一200m編流脈沖噴射自吸式反應(yīng)器，用于有關(guān)生產(chǎn)，可節(jié)能80%,目前正準(zhǔn)備放大 至

9、 1000m3.(3)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu) 自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)大致上與通用式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀 和結(jié)構(gòu)不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上 伸人的主軸帶動，葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片不斷排開周圍的液體使其背傻g形成真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內(nèi)，吸人的空氣與發(fā)酵液充分混合后在 葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布?？諝?吸人管通常用一端面軸封與葉輪連接，確保不漏氣。由于空氣靠發(fā)酵液高速流動形 成的真空白行吸人，氣液接觸十分良好，氣泡分散較細，從

10、而提高了氧在發(fā)酵液中的 溶解速率。據(jù)報道，在相同空氣流量的條件下，溶氧系數(shù)比通用式發(fā)酵罐高?？墒怯?于自吸式發(fā)酵罐的吸人壓頭和排出壓頭均較低，習(xí)慣用的空氣過濾器因阻力較大已 不適用，需采用其他結(jié)構(gòu)型式的高效率，低阻力的空氣除菌裝置。另外，自吸式發(fā)酵 罐的攪拌轉(zhuǎn)速較通用式高，所以它消耗的功率比通用式大，但實際上由于節(jié)約了空氣 壓縮機所消耗的大量動力，對于大風(fēng)量的發(fā)酵，總的動力消耗還是減少的.固定化反應(yīng)器酶固定化反應(yīng)器以固定化酶作為催化劑進行酶促反應(yīng)的裝置稱為酶固定化反應(yīng)器(Enzymereactor)。(1)固定床型固定床反應(yīng)器在化工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛?；居袡C化工中，乙烯氧化制環(huán)氧乙 烷、乙苯脫

11、氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反應(yīng)均在固定床反應(yīng)器中進行。固定床反應(yīng)器床層薄，流速低,床層內(nèi)的流體軸向流動可看作是理想置換流動，因而化學(xué)反 應(yīng)速率較快，完成同樣的生產(chǎn)任務(wù)所需的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小 ，流體停留時 間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性；固定 床中催化劑不易磨損，可在高溫高壓下操作。當(dāng)然，固定床也存在一些缺點，如傳熱 性能差；不能使用細粒催化劑(不能充分利用催化劑內(nèi)表面),催化劑的再生、更換均不方便。邢福祥設(shè)計了一種用于氣體凈化的平板式固定床反應(yīng)器。該反應(yīng)器通過數(shù)片 內(nèi)置的裝填有固體反應(yīng)物的網(wǎng)板,在低功率風(fēng)機作用下完成氣固反應(yīng)和氣體吸收,從 而達

12、到氣體凈化和處理的目的。該平板型固定床反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、 床層阻力低、能耗小、凈化效率高等優(yōu)點，可方便地通過抽插網(wǎng)板來更換或再生周 體反應(yīng)物。由于網(wǎng)板平面平行于氣流方向，反應(yīng)阻力非常小。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備 比直筒式反應(yīng)器的凈化效率高 20%用于吸收密閉空間內(nèi)的酸性氣體時，功率消耗較 直筒式反應(yīng)器節(jié)省3.8kWh,特別適合一些受環(huán)境條件變化而帶來普通反應(yīng)器床層阻 力急劇升高的氣固反應(yīng)過程，值得在一些氣體凈化崩；濕等領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。樊金紅等劉以過飽和草酸水溶液為陰極液，鹽酸溶液為陽極液，在陰極冷卻固 定床電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)草酸電解合成乙醛酸?？疾炝穗娏髅芏?、電極和電解液溫度、 陰極材料對

13、合成乙醛酸時空產(chǎn)率和電流效率的影響。結(jié)果表明，陰極冷卻固定床反 應(yīng)器是一種較理想的反應(yīng)器,用石墨板作陽極,鉛作陰極,電流密度為400.5A/m2,陰 極空速為0.505m/s,電解溫度為20c左右時，電解1.5h,在陰極可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.45%的乙醛酸溶液，平均時空產(chǎn)率達0.12kg/(dm5?h)以上。張力峰等列對苯與丙烯烷基化氣液固反應(yīng)器的分布系統(tǒng)進行了研究。在對工 業(yè)裝置的氣液分布系統(tǒng)進行分析后，提出了擴產(chǎn)1.6倍的分布器設(shè)計方案；惰性床層 液相混合與傳質(zhì)的計算結(jié)果表明，液相中丙烯濃度在惰性床層約0.4m處達到平衡， 惰性床層中傳質(zhì)速率很快。按照等動量放大法設(shè)計的氣體分布器，反應(yīng)器生

14、產(chǎn)能力 提高前后的壓降不會有大的變化。(2)流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器(形狀可為柱形、錐形等)。底物以一定速度 由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進行反應(yīng)。優(yōu)點：具有良好的傳質(zhì)及傳熱性能，pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；不易堵塞， 可適用于處理黏度高的液體；能處理粉末狀底物；即使應(yīng)用細顆粒的催化劑，壓力降也不會很高。缺點：需保持一定的流速，運轉(zhuǎn)成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導(dǎo)致 顆粒的機械破損；流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；底物高速流動使酶沖出，降低 了轉(zhuǎn)化率。改進：使底物進行循環(huán)，避免催化劑。使用幾個

15、流態(tài)化床組成的反應(yīng)器組，或使用錐 形流態(tài)化床。細胞固定化反應(yīng)器以固定化細胞作為反應(yīng)器進行反應(yīng)的裝置稱為細胞固定化反應(yīng)器。(1)填充床反應(yīng)器細胞固定于支持物表面或內(nèi)部，支持物顆粒堆疊成床，培養(yǎng)基在床層間流動，優(yōu)點:固定化細胞包埋于細胞支持物內(nèi)，可以消除或極大地減弱流質(zhì)流動引起的切 變力。便于一定程度地分化發(fā)育，從而促進次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生。便于連續(xù)操作缺點：支持物顆粒破碎容易填充床阻塞。(2)流化床反應(yīng)器利用流體(液體或氣體)的能量使支持物顆粒處于懸浮狀態(tài)。優(yōu)點：該反應(yīng)器混合效果好。缺點：流體的切變力和固定化顆粒的碰撞常使支持物顆粒破損 ，流體動力學(xué)復(fù) 雜使其放大困難。膜反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器(MBR

16、,membrane bioreactor)以高效膜分離代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理中 的二沉池，是將膜分離技術(shù)與污水生物處理工藝相結(jié)合的新型系統(tǒng)。它可使產(chǎn)物或 副產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)連續(xù)地分離出來，打破反應(yīng)的平衡，從而大大提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，具有過程能耗低、效率 高，對污泥去除率高，硝化能力強，出水水質(zhì)穩(wěn)定，設(shè)計、操作簡化等特點，在水資源 日益緊張的今天，MBR作為一種新型、高效的水處理技術(shù)已受到各國水處理工作者 的重視。20世紀(jì)70年代后期，大規(guī)模好氧膜生物反應(yīng)器首先在北美應(yīng)用，然后依次日 本，歐洲，中國。膜生物反應(yīng)器在日本得到了極大的發(fā)展，目前在日本運行(包括在建) 的膜生物反應(yīng)器占全球66%膜生物反應(yīng)器在不同種

17、類廢水中的應(yīng)用比例為工業(yè)廢水27%大樓廢水24%生活污水27%城市污水12% 土地填埋廠滲濾液9%120近兩年來，膜生物反應(yīng)器在國內(nèi)已進入了實用化階段。膜生物反應(yīng)器的處 理對象從生活廢水?dāng)U展到高濃度有機廢水和難降解工業(yè)廢水，如：制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便廢水、黃泊廢水等。應(yīng)用 實例表明膜生物反應(yīng)器對生活廢水、高濃度有機廢水、難降解工業(yè)廢水的處理效果 良好。3光反應(yīng)器敞開式光反應(yīng)器一般在敞開的水平池中進行，或者利用天然湖泊、環(huán)湖礁，池深一般為10- 30cm,通常采用漿聚乙烯或水泥做砌襯，面積可大至幾千平方米。池內(nèi)經(jīng)常采用漿板 輪、螺旋槳或空氣噴射器等進行

18、攪拌，或者將池體隔成跑道。優(yōu)點：成本低、建造容易、操作簡便、易于生產(chǎn)。缺點：(1)培養(yǎng)效率低，這類反應(yīng)器培養(yǎng)微藻的光和效率約為 1%,而微藻的光合 效率最大可達到20%右，從而使培養(yǎng)液中藻液濃度低，使得收獲費用過高。(2)培養(yǎng)條件無法控制，易受外界環(huán)境的影響，難以保持最適光照、溫度等生長 條件，生產(chǎn)期短。(3)易受到雜藻、水生動物、大氣中的灰塵等的污染 ，不易保持高質(zhì)量的單藻 培養(yǎng)，重金屬離子等有毒物質(zhì)也易在藻體內(nèi)積累。(4)水分容易蒸發(fā)，容易造成培養(yǎng)液鹽度過高，使得微藻生長緩慢。(5)由于光徑較長，光照面積和藻液體積之比較低，因此光能利用率不高，難于 實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。敞開式光生物反應(yīng)器的上述缺點，決定了該類反應(yīng)器只適用于附加值較低，且生長條件比較苛刻（高鹽度、高PH）的產(chǎn)品的生產(chǎn)，因而培養(yǎng)對象極為 有限，難于實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。封閉式光反應(yīng)器與敞開式培養(yǎng)系統(tǒng)相比較，封閉式光生物反應(yīng)器有下優(yōu)點：能夠培養(yǎng)更多種類 的微藻；產(chǎn)率較高.全年生產(chǎn)期較長；能夠維持較高的藻液濃度，能一定程度地降低采 收成本；能夠更好地控制培養(yǎng)條件，如溫度,pH等；能有效地降低污染。封閉式光生 物反應(yīng)器的這些優(yōu)越性是以提高投資和操作成本為代價的toj o目前.全國報道封閉式光生物反應(yīng)器建設(shè)投資以及成本核算問題的資料極少。 這可能一方面，封閉式